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车进军:基于航迹运行的空管系统未来发展与思考

发布时间:2019-05-03 07:30 来源:未知 编辑:admin

  民航业是新时代国民经济发展的引擎,在现代化强国建设中的战略地位越来越重要。作为民航运行体系的中枢,空管系统在民航事业快速发展的征程中责任重大、地位重要、作用突出。为贯彻落实民航局“一二三三四”总体工作思路,切实推动“一加快两实现”新时代民航强国战略进程,空管系统在民航局党组的正确领导下,谋划了新时代空管现代化战略,全力推进“四强空管”建设,推动民航高质量发展。

  民航百年,航空运输产业已经彻底改变了全球的社会经济政治文化生态格局。其间,中国的民航运输产业也蓬勃发展,整体规模居于全球第二位,展现出了广阔的光明前景。2017年,民航全行业完成运输总周转量1083.08亿吨公里,旅客运输量55156万人次,货邮运输量705.9万吨,中国民航产业迎来了前所未有的发展机遇。在快速发展过程中,空域资源、服务品质、适航能力、应急处置等制约民航发展的4个短板日益突出,保障能力不足、人员资质水平参差不齐等影响发展的因素越来越明显。特别是可用空域资源不足已经成为制约民航发展的最大障碍,成为限制未来中国民航发展的最关键因素,必须引起高度关注。

  近几年,中国民航空管系统在有关部门的大力支持下,通过开展大通道和循环航路建设,进一步优化运行程序,不断缩小管制间隔、增开扇区、实施科学流量管理等一系列措施,通过采用PBN、ADS-B等技术手段,缓解了部分空域资源紧张的压力,基本满足了短期民航发展的需要。但从长远来看,现行短期的办法和采取的措施必然无法有效满足日益增长的航空运输需求,必须运用智能化、网络化、大数据等新技术从根本上解决空域资源紧张这一突出难题,摆脱当前超容量、超负荷、超能力运行的窘境,提高我国民航业发展的整体保障能力、安全水平和质量及效益。

  西方国家上世纪七八十年代航空运输市场快速发展时期遇到的问题和我国目前民航发展中遇到的问题大致相同。由于空域资源紧张,西方国家一方面积极推进空域管理体制改革,加快新技术应用步伐,释放发展活力;另一方面针对在传统的基于扇区分区管理条件下管制员的工作负荷大、工作效率不高、全局性和战略性措施缺失等情况,也在积极探索革命性的解决方案。面临着越来越严峻的行业发展难题,基于航迹运行(Trajectory Based Operation,TBO)的概念应运而生(源自ICAODoc.9854号文件的§1.9.2)。

  首先需要给出的是TBO的标准定义:空中交通管理(ATM)考虑所有人或无人驾驶飞行器在所有飞行阶段的航迹,并且对该航迹及其他航迹进行管理,以避免危险的冲突的发生。在尽可能地与用户原定的飞行航迹的偏差最小化的情况下,实现整个系统的最优化运行。航迹描述了飞行器在水平维度、垂直维度以及时间维度的位置特征。而TBO是以飞行器的航迹信息作为唯一的参考,将该航迹在ATM系统内部实现共享,各相关方一起协同决策,精确地管理与控制飞行器的运行。TBO的本质是以航迹信息作为媒介,实现覆盖整个空管系统的精细化的协同决策,以达到安全高效的目的。

  1.精细化:由于引入四维航迹,一方面,空域资源的使用和管理从传统的航路、高度层或时刻等单一维度转变为四维时空资源的综合维度,未来空管系统对空域资源的使用和管理会更为精细化;另一方面,TBO强调航空器飞行过程的定时可控到达,到达时间窗口可达到±10秒的级别,相比传统的运行,空中交通管理的时间分辨率将大大提高。

  2.协同化:协同决策是TBO运行概念的核心理念,其协同主要体现在以下几个方面:(1)运行协同,即参与航班航迹管理与维护的各相关方通过协同的信息环境进行协同决策;(2)信息协同,即营造综合飞行与流量、气象、情报等各类信息的协同信息环境(FF-ICE、SWIM);(3)系统协同,即地面系统、地空系统的协同,特别是利用数据链技术实现地面空管系统与机载空管航空电子系统的协同。

  3.可预知:由于信息的高度协同与共享,地面空管系统可以获取航空器机载飞行管理计算机FMS计算的准确的未来飞行4DT,进而可以预知指定空域内未来的运行态势,大大提高了空管系统情景态势感知的能力,便于提前开展流量管理工作,缓解潜在的交通拥堵压力和避免飞行冲突。

  美国于2005年提出《NextGen计划》,确定了“以飞行运行为中心,以空管、航空公司、机场当局三方共同参与的运行决策机制为手段,以卫星、网络等为代表的新技术作支撑”的核心理念,旨在通过建立更加灵活、智能的空管系统,增加空管系统的容量和提高安全水平,同时巩固美国在全球航空界的领导地位。在美国联合规划与开发办公室(Joint Programming Development Office,JPDO)发布的《NextGen计划运行概念》中,空管运行概念主要包括三个层次的内涵:一体化协同运行层、空管综合信息整合层和基础设施支撑层。其中,一体化协同运行层的核心内容包括基于4D航迹的运行、协同交通流量管理和综合空域运行。

  在《NextGen计划》中,基于四维航迹的运行(TBO)被认为是新一代空管自动化系统的核心技术,它以航空器4D航迹为基础,在空管、航空公司、航空器之间共享航迹动态信息,实现协同决策。为了让TBO实现上述目标,美国绘制了TBO的技术发展路线图,主要从间隔管理、航迹管理、容量管理、飞行和状态数据、数据管理等几个方面推进TBO的发展应用。为了验证TBO在运行中飞行管理系统使用可控到达时间的能力,美国联邦航空局于2011年在西雅图塔科马国际机场进行了大批次的飞行试验。

  SESAR是欧洲空管现代化进程中的里程碑计划,旨在做到对欧洲高空空域的统一协调和指挥,从而改变欧洲各国空管系统分割独立的现状,构建高效、统一的欧洲空中交通管理体系,最大限度地提高欧洲空域使用的灵活性和空域运行的效率。SESAR的核心目标是实现从传统基于空域的运行概念向基于航迹运行的TBO概念的转变,通过航迹管理,改变空中交通运行现状,特别是提高交通的整体可预测性,有利于航空公司和空中交通管理运行效率的提高。SESAR中的TBO运行概念以服务为导向,主要围绕满足空域用户需求和实现空管系统目标(容量、环境和经济性能)两者之间的匹配,尽可能满足各相关方的利益需求。空域用户的意图表示是四维业务航迹(Shared Business Trajectory,SBT),对于空管服务而言,在基础设施和环境限制范围内,必须执行空域用户的业务航迹,并确保业务航迹执行的安全和低成本。业务航迹修改需要建立在参与方协同决策的基础上,精确预测的航迹作为参考业务航迹(Reference Business Trajectory,RBT),实现参与方之间的业务航迹共享。因此,TBO运行概念必须依赖强大的信息处理和数据共享网络,如新的空空、地地和空地数据链通信系统,以及可靠性高的机载和地基自动化支持工具。

  SESAR中TBO目标主要通过三个阶段来逐步完成,具体如下:(1)阶段一“基于时间的运行”,目标是形成一个同步的欧洲空中交通管理系统;(2)阶段二“基于航迹的运行”,目标是形成一个基于航迹的空管系统,航迹运行各方通过网络中共享的4D航迹信息和用户自定义优先级优化SBT;(3)阶段三“基于性能的运行”,建成欧洲高性能、完整的和以网络为中心、协同和无缝的空中/地面空管系统。

  SESAR在上述发展路线图的框架下,共进行了两次I4D(Initial Four-Dimensional)航迹试验以及多次仿真试验来验证基于航迹运行概念。I4D飞行是一个完整验证计划的重要组成部分,即在SESAR框架之下,在真实的空中交通环境下验证其在技术和运行方面的效果,I4D全面推动了Full-4D的进程。2019年,欧洲将开展对I4D运行的大规模演示验证。

  2012年,国际民航组织在《全球空中航行容量与效率计划》(Doc9750号文件)中正式推出了酝酿已久的“航空系统组块升级”(ASBU),并于2012年11月召开第12届全球航行大会上审议通过,作为今后15年(2013年~2028年)全球空中航行发展的战略规划。

  ASBU主要由一系列运行改进(Operational Improvement)构成。它将Doc9854号文件所提出的新航行系统的愿景和运行概念转化成具体的、操作性更强的组块(Block)及模块(Module)。ASBU涵盖四大性能改进领域(Performance Improvement Area,PIA),包括机场性能领域,全球互用的系统和数据领域,优化容量和灵活飞行领域,高效的飞行航迹领域。

  ASBU中对于TBO的发展路线主要体现在“高效的飞行航迹”这一性能改进领域,主要由基于航迹的运行、连续下降运行、连续爬升运行、遥控驾驶航空器4个部分组成。其中,基于航迹的运行是指采用先进概念和技术,支持基于4D航迹(纬度、经度、高度、时间)和速度的运行,以增强全球空管决策制定能力,其强调的重点是为地面自动化系统整合所有飞行信息以获得最准确的航迹模型。

  在2018年11月召开的第13届全届次航行大会上,各个国家、地区和国际组织对发展TBO这一未来新的运行理念已达成高度一致。目前,国际民航组织航委会委托空中交通管理需求和绩效专家组(ATMRPP)开展的《TBO运行概念手册》的制定,预计于2020年正式发布。

  为了满足中国民航日益增长的发展需求,中国民航高度重视新的空管运行概念和新技术的研究与应用,以提高空中交通运行安全与效率。在民航局空管局已经发布的中国民航空中交通管理现代化战略(CAAMS)中,TBO是重要的运行概念之一。为把握国际民航空管的发展趋势,引领空管运行新概念的研究与应用,践行空管系统战略发展目标,民航局空管局于2017年10月专门成立了TBO工作组,负责开展TBO运行概念的研究与论证,组织和实施中国TBO相关试验验证工作,并针对空管新概念、新技术提出中国的实施指南和绘制路线图。

  在TBO技术试验验证方面,2015年,科技部批复了国家科技支撑计划“空中交通航迹运行技术与验证”项目。由民航数据通信有限责任公司、北京航空航天大学南方航空公司等10余个单位共同承担。该项目结合国际民航下一代空管系统的发展趋势和四维航迹运行理念,以数字化协同管制和高效航迹运行为核心目标,开展空中交通航迹运行的关键技术研究、核心设备系统研制、地面仿真验证和民航飞机(包括校验飞机和民航客机)实际飞行验证,在民航典型航路与终端区完成初始四维航迹运行(I4D)的试验验证工作。截至目前,该项目进展顺利,并将于2019年3月利用空客A320客机天津—广州航线D飞行试验。【链接中国民航将开展首次初始四维航迹实验飞行】

  TBO运行概念的实现依赖于成熟可靠的航空信息技术作保障,需要对现有地面空管系统、机载航电系统、航空公司运行系统等相关系统进行升级。主要体现在以下几个方面。

  地空ATN(航空电信网)通信技术。地空ATN通信技术是TBO实现地空数字化协同管制和地空航迹共享与协商的关键技术。在ICAO航空系统组块升级计划(ASBU)的通信技术路线年后,基于最新的ATNBaseline2协议的数据链服务将成为未来地空数据通信和数字化管制的主要手段,话音通信将仅用于紧急情况。现有的ACARS地空通信网络由于通信速率低、传输效率低、难以支持TBO空地航迹共享与协商等因素,将逐渐被模式2甚高频数据链通信和卫星数据链通信技术所取代。为实现TBO运行方式目标,我国现有的ACARS地空数据链网络需要逐步升级为基于模式2甚高频数据链或卫星数据链的ATN地空数据链网络。

  支持ATN地空数据链通信的空管自动化系统。地空ATN网将提高CPDLC、ADSC、D-ATIS等数字化管制服务能力,与现有的基于ACARS网络的CPDLC、ADS-C等管制服务不同,地空ATN网可将航空器机载FMS计算到的精准的未来四维预测航迹(EPP)下传给地面管制自动化系统,同时支持数字化管制指令的上传并自动载入FMS,实现航班飞行准确到秒级的定时到达控制功能。为取得ATN技术进步,实现TBO运行方式目标,现有的空管自动化系统需接入ATN网,并具备CPDLC、ADS-C等数字化管制功能。

  支持TBO的机载航空电子设备。与TBO运行相关的机载航空电子设备主要包括机载通信管理单元和飞行管理计算机(FMS)。机载通信管理单元需具备模式2甚高频数据链电台或卫星数据链电台,并支持ATNBaseline2通信协议;飞行管理计算机则需支持更高精度的四维航迹计算与预测。在欧洲,支持TBO的机载通信管理单元和飞行管理计算机等航电设备已陆续通过适航认证。为推进TBO的应用,应鼓励航空公司主动升级飞机相应的航电设备系统。

  基于SWIM(全域网信息管理)的空管协同信息环境。空管协同信息环境(ICE)是实现TBO大范围运行的前提。SWIM利用通信网络和计算机技术,在全系统范围内实现飞行、流量、航行情报、航空气象等信息的共享,并保证信息的安全,是营造空管协同信息环境、做到四维航迹信息全生命周期管理的关键。目前,我国民航空管在这方面的投入与建设差距还比较大。

  四维航迹管理技术。对空中交通四维航迹的高效管理是TBO提升空管运行效能的核心。四维航迹的管理应覆盖航班的全生命周期,应与空域管理、流量管理、管制指挥等融为一体,以提高空中交通运行的可预测性、最大化空中交通运行效能为目标。特别是在全国飞行流量管理系统的建设中,应适当考虑未来TBO运行的四维航迹管理需求。

  TBO运行概念的验证、实现与应用是一项覆盖面广、实施周期长、技术综合性强的复杂系统工程。不仅涉及飞行计划、流量管理系统、管制自动化系统、数据链系统以及机载航空电子系统设备的升级改造,更涉及管制运行流程、流量管理策略方法、飞机运行标准、协同信息环境等一系列技术标准的升级、制定、验证和应用,需要我们在各方面高度重视。

  加强顶层设计。着眼于“四强空管”建设目标,结合国际民航组织航空系统组块升级(ASBU)和中国民航现代化空管战略(CAAMS),绘制中国民航空管TBO发展路线图。

  加大研发投入力度。在继续做好国家重点攻关项目“空中交通航迹运行技术与验证”的同时,重点加大对基于SWIM技术的研究与空管信息协同共享和交换技术平台建设力度,推进新一代地空数据链通信系统的升级改造以及地面空管智能决策支持系统的建设。

  加强技术整合。尽快成立中国民航空管科学技术研究院。整合系统内外科研力量和团队。重点攻关空管发展中需要的关键技术,解决遇到的技术难题,提高空管设备的可靠性并大力推广新型技术,努力形成一批国际空管的中国标准、中国制造,成为中国TBO发展的重点研究院。

  推广一批新技术。在TBO的发展过程中,一批与其相关的新技术脱颖而出。在中国空管要利用我国的体制优势。大力推广PBN、ADS-B、ADS-C、CPDLC、D-ATIS、DTAXI、CDO/CCO等一批新技术,升级AMAN、DMAN等现代技术,使之尽快产生效益和发挥作用,同时也为未来TBO的推广应用奠定基础。

  加强国际合作。TBO的运行是全球航空界未来发展的重大系统性工程,需要国际上统一各项标准和运行规范,无论是借鉴国外先进经验,还是推出中国标准,都需要达成国际共识。因此,加强国际合作是我们参与TBO技术试验与验证、掌握最新发展成果、推动TBO在中国发展的重大保障。

  民航空管系统是民航强国建设的重要支柱,是民航实现高质量发展的基本保证。面对新时代民航高质量发展的新形势、新要求和新使命,民航空管系统将始终勇于担当,真抓实干,改革创新,开拓进取,积极开展以TBO为代表的空管新理念新技术的研究、开发、验证及应用推广,提升我国空管新技术自主创新能力,并积极参与国际标准的制定,实现空管高质量发展,服务民航强国建设,满足人民日益增长的美好生活需要!

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