基于ADS-B技術(shù)的增強型戰(zhàn)術(shù)流量管理研究

滕冀川

摘 要：隨著軍事航空、公共運輸航空以及通用航空的快速發(fā)展和飛行流量增加，飛行矛盾日益凸顯，可利用空域日趨緊張，管制部門之間的流量協(xié)調(diào)工作負(fù)荷日益增重。實施科學(xué)、有效、低成本的空中交通流量管理是解決此類矛盾的重要方法。作為新一代監(jiān)視技術(shù)的廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B：Automatic Dependence Surveillance-Broadcast），其數(shù)據(jù)信息豐富、更新速度快、自主性強、自動化程度高等優(yōu)點，能夠較為精準(zhǔn)的進行4D航跡預(yù)測以及基于航空器空中態(tài)勢的時間計算，更加客觀、全面的知曉全局的空中態(tài)勢，能夠為空中交通流量制定出更加科學(xué)、及時、有效的戰(zhàn)術(shù)管理方案提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：ADS-B;戰(zhàn)術(shù)流量管理;流量控制

中圖分類號：V355.1 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）14-0250-02

0 引言

當(dāng)前我國戰(zhàn)術(shù)流量管理的最主要手段是流量控制，所謂流量控制是管制員根據(jù)本區(qū)域運行情況以及周邊管制單位限制，向周邊管制單位發(fā)出獲傳遞的限制指令，通常通過拉大航班進入本管制區(qū)時間間隔或空間間隔來實現(xiàn)[1]。然而，這種方法存在很多問題：流量控制指令大多根據(jù)管制員自身的從業(yè)經(jīng)驗，缺乏全局性、系統(tǒng)性和前瞻性的態(tài)勢分析;局部空中交通狀況的獲取，主要是通過引接區(qū)域內(nèi)以及周邊相鄰管制區(qū)的雷達(dá)信號進行推測或預(yù)判，獲取的數(shù)據(jù)信息較為單一，與航空器的聯(lián)動性較低，對于地面雷達(dá)設(shè)備依賴度較高。盡管空管使用的地面一、二次雷達(dá)在技術(shù)性能、功能和可靠性方面都已經(jīng)發(fā)展的相當(dāng)成熟，但其存在建設(shè)成本高昂、選址部署與維護困難等諸多問題與局限，對于迫切需要系統(tǒng)性、及時性、有效性、自動化程度高的戰(zhàn)術(shù)流量管理發(fā)展帶來“瓶頸”。作為新一代監(jiān)視技術(shù)的廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B），其在監(jiān)視范圍、性能、部署以及造價等方面較空管雷達(dá)都有較為明顯的優(yōu)勢，其數(shù)據(jù)信息更為豐富、更新速度更快、自動化程度更高、與航空器聯(lián)動性更強，對于航空器的航跡預(yù)測和時間預(yù)測更為準(zhǔn)確，能夠更為便捷的建立全局性的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，為戰(zhàn)術(shù)流量管理提供更加全面、系統(tǒng)、科學(xué)、有效的決策依據(jù)。

1 ADS-B相關(guān)介紹

廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B），是利用空-空和地-空數(shù)據(jù)通信實現(xiàn)監(jiān)視和數(shù)據(jù)信息交互的新一代航行技術(shù)。其功能模塊主要分為兩個部分：ADS-B OUT（輸出）和ADS-B IN（接收）。

1.1 ADS-B OUT

航空器將其基于星基的導(dǎo)航定位系統(tǒng)獲得的實時精確的導(dǎo)航信息和基于航空器自身設(shè)備的其他飛行狀態(tài)信息通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈或VHF空-地數(shù)據(jù)鏈實時自動發(fā)送，這些數(shù)據(jù)至少包括飛機識別碼，四維位置、爬升率和所需附加數(shù)據(jù)（如：飛行趨勢、氣象信息等）。該功能是ADS-B的基本功能，通過地面數(shù)據(jù)站接收航空器發(fā)出的ADS-B OUT信息，可以實時、準(zhǔn)確的掌握空中態(tài)勢。

1.2 ADS-B IN

該功能是指航空器ADS-B接收機接收來自其它航空器發(fā)射機發(fā)送的ADS-B OUT信息或地面站設(shè)備發(fā)送的信息。其中地面站發(fā)送的信息分為兩大類：空中交通信息服務(wù)廣播（TIS-B：Traffic Information Service-Broadcast） 信息和飛行信息服務(wù)（Flight Information Service-Broadcast）信息[2]。其中，TIS-B信息通過地面基站將航空器發(fā)送的ADS-B OUT位置信息與雷達(dá)等其他監(jiān)視設(shè)備接收的信息融合為統(tǒng)一的位置信息，最后通過TIS-B服務(wù)器集成和過濾生成空中交通監(jiān)視全景信息發(fā)送給航空器，使得飛行員能夠在駕駛艙交通信息顯示器（CDTI，Cockpit Display of Traffic Information）更加直觀的、全方位的獲取附近空域的交通信息，增強情境意識，提升飛行安全;FIS-B信息則可以通過地面基站向航空器傳送包括流量限制（過臺時間、進港時間等）、臨時禁飛區(qū)域、特殊使用空域信息、空勤通知、機場天氣預(yù)報和其它航行信息等，幫助飛行員獲得豐富的飛行運行信息，及時并精確地知曉飛行航路的空域限制條件、流量控制指令和氣象狀況[3]，從而使得飛行員能夠根據(jù)實際情況，自主進行速度、時間上的調(diào)整，增強空-地互動聯(lián)系，ADS-B技術(shù)原理圖1所示。

1.3 ADS-B數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)

數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)是ADS-B技術(shù)的重要組成部分，是傳輸/接收航空器四維信息、飛行狀態(tài)、空中態(tài)勢、流量控制等重要信息的基礎(chǔ)。目前主要有三種數(shù)據(jù)鏈標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于ADS-B的信息傳輸，分別是：基于Mode S的1090 MHz擴展電文（1090ES：1090 MHz Extended Squitter）數(shù)據(jù)鏈、通用訪問收發(fā)（UAT：Universal Access Transceiver）數(shù)據(jù)鏈以及甚高頻數(shù)據(jù)鏈模式4（VDL Mode4：VHF Data Link MODE 4）數(shù)據(jù)鏈。其中1090ES目前主要用于民航公共運輸，UAT主要用于通用航空運輸，VDL-4沒有廣泛運用。ADS-B數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)具有信道容量大、傳輸速率快的優(yōu)點，對于實時監(jiān)控圖像信息、文本信息等都能夠快速、準(zhǔn)確的進行傳輸，為使用者提供及時性、精準(zhǔn)性。

1.4 ADS-B數(shù)據(jù)處理分級

目前，ADS-B數(shù)據(jù)處理分為三級，分別為：一級數(shù)據(jù)處理中心，二級數(shù)據(jù)處理中心以及數(shù)據(jù)站。其中，一級數(shù)據(jù)處理中心接收所有二級數(shù)據(jù)處理中心的ADS-B數(shù)據(jù)，形成全國ADS-B動態(tài)信息為空中交通流量管理、空域管理、國際間ADS-B數(shù)據(jù)交換、中外航空公司、機場、航空保障企業(yè)、運行監(jiān)管和社會公眾發(fā)布全國航空器態(tài)勢信息;二級數(shù)據(jù)處理中心引接本區(qū)域內(nèi)及相鄰區(qū)域的ADS-B數(shù)據(jù)，為區(qū)域管制中心自動化系統(tǒng)、大型終端區(qū)管制中心自動化系統(tǒng)等提供ADS-B實時綜合監(jiān)視信息，同時為本區(qū)域內(nèi)的中低空管制中心、終端（進近）管制中心、塔臺自動化系統(tǒng)提供備份ADS-B實時綜合監(jiān)視信息，并且向一級數(shù)據(jù)處理中心上傳ADS-B實時綜合監(jiān)視信息;數(shù)據(jù)站則引接ADS-B地面站數(shù)據(jù)，為所轄地區(qū)的中低空管制中心、終端（進近）管制中心、塔臺等空管部門提供ADS-B實時綜合監(jiān)視信息。

2 基于ADS-B技術(shù)的增強型戰(zhàn)術(shù)流量管理研究

國際民航組織（ICAO，International Civil Aviation Organizations）將空中交通流量管理（ATFM，Air Traffic Flow Management）定義為：有利于保證空中交通安全、有序和加速空中交通流量，并能極大地利用空中交通管制能力和與空中交通服務(wù)機構(gòu)公布的空中交通容量相匹配的服務(wù)[4]。流量管理劃分為：戰(zhàn)略、預(yù)戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)術(shù)三個階段。其中，戰(zhàn)略階段通常發(fā)生在航班運行前一天之前，一般在二至六個月之前，管理的對象主要是定期航班，對其計劃做出先期安排，是一種長期結(jié)構(gòu)性的調(diào)整階段;預(yù)戰(zhàn)術(shù)階段時間范疇一般指航班計劃執(zhí)行前七日至前一日，通過對各方資源的有效組織優(yōu)化，對戰(zhàn)略階段形成的計劃進行必要調(diào)整;戰(zhàn)術(shù)階段主要指計劃執(zhí)行當(dāng)日，管理對象主要是當(dāng)日即將以及正在執(zhí)行的飛行計劃，通過臨時調(diào)整避免在實際執(zhí)行過程中出現(xiàn)流量過載的情況發(fā)生。

2.1 何為戰(zhàn)術(shù)流量管理

在飛行計劃執(zhí)行當(dāng)日，利用飛行計劃數(shù)據(jù)和雷達(dá)數(shù)據(jù)實現(xiàn)交通流量的實時統(tǒng)計與預(yù)測，在多種約束條件下，地面等待策略和終端區(qū)動態(tài)排序策略相結(jié)合的綜合流量管理方法。

2.2 戰(zhàn)術(shù)流量管理管理的主要方法

目前，戰(zhàn)術(shù)流量管理方法主要有七大類，分別是：總量控制地面等待程序（GDP）、尾隨間隔程序、地面停止程序、最小起飛間隔程序、高度限制程序以及改航程序。上述幾種戰(zhàn)術(shù)流量管理的方法各有優(yōu)點，但又各自存在程序上的局限性。

2.3 基于ADS-B技術(shù)的增強型戰(zhàn)術(shù)流量管理

當(dāng)前的戰(zhàn)術(shù)流量管理所依托的空中動態(tài)數(shù)據(jù)信息主要是地面一、二次空管雷達(dá)數(shù)據(jù)信息，相對于ADS-B的數(shù)據(jù)信息，ADS-B OUT/IN功能所傳送的飛行實時動態(tài)信息容量更大，更新速率更快，自動化程度更高，其功能所覆蓋的領(lǐng)域更為全面。無論是在地面，其增強的場面交通狀態(tài)獲?。ˋTSA-SURF），還是在空中，其增強的飛行進程交通狀態(tài)獲?。ˋTSA-AIRB）、增強的排隊和匯聚（ASPA-S&M）等功能，都能夠根據(jù)限制條件實時、自主的進行高程度的自動化測算與推演，能夠更加客觀、有效、自主的進行當(dāng)前空域環(huán)境的容量和流量平衡性調(diào)整。

2.3.1 基于時間度量的戰(zhàn)術(shù)流量管理

基于時間度量的流量管理概念是在充分考慮航空器性能以及監(jiān)視、運行能力、自動化程度基礎(chǔ)上的戰(zhàn)術(shù)流量管理策略?；跁r間度量的戰(zhàn)術(shù)流量管理是通過監(jiān)視交通流量，預(yù)測目標(biāo)區(qū)域（航路關(guān)鍵點）長時間出現(xiàn)預(yù)計航空器數(shù)量達(dá)到或超過目標(biāo)區(qū)域接受能力之時，調(diào)整進入?yún)^(qū)域內(nèi)的航空器時間，使進入該空域的航空器數(shù)量控制在小于區(qū)域內(nèi)航空器接受能力的條件下，使得空域利用效率最大化。

ADS-B技術(shù)正是實現(xiàn)這一戰(zhàn)術(shù)流量管理策略的重要手段。ADS-B OUT功能可以精確、快速的傳送航空器地面交通狀況（包括：排隊時間、開車時間、滑行時間等）與空中飛行狀態(tài)（四維位置、航路點時間等），航空器通過ADS-B IN功能接收其他航空器ADS-B OUT發(fā)送的數(shù)據(jù)信息以及區(qū)域聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)站和全國聯(lián)網(wǎng)的一、二級數(shù)據(jù)處理中心發(fā)送的各類數(shù)據(jù)信息（包括：空域限制、流量限制、飛行間隔等），再通過FMC的計算，就能測量和判別出航空器進入?yún)^(qū)域（到達(dá)航路點）的預(yù)計時間和該區(qū)域（該點的）流量限制要求的時間的差異，從而使得航空器自主在起飛后進行調(diào)整。ADS-B OUT/IN功能的實現(xiàn)使得流量限制不再是發(fā)布簡單統(tǒng)一的間隔要求，而是轉(zhuǎn)為確定告知每架航空器通過關(guān)鍵節(jié)點的時間（間隔）。ADS-B數(shù)據(jù)處理中心的全國范圍聯(lián)網(wǎng)，使得流量管理可以從全局出發(fā)，增強區(qū)域間聯(lián)動性。影響基于時間度量的戰(zhàn)術(shù)流量管理的主要因素有：凍結(jié)區(qū)、機場和空域容量、相鄰機場的相互影響、最小間隔標(biāo)準(zhǔn)等。

2.3.2 基于航跡度量的戰(zhàn)術(shù)流量管理

在第十二次空中航行會議上提出了基于航跡的運行（TBO，Trajectory Based Operation）這個概念，國際民航組織也將其納入到航空系統(tǒng)組塊升級（ASBUs，Aviation System Block Upgrade）當(dāng)中[5]。截至2014年3月，單一歐洲天空（SESAR，Single European Sky ATM Research）空管研究聯(lián)合行動成員共進行了兩次初始四維航跡（i4D）飛行測試，用于驗證空地數(shù)據(jù)共享，并計劃于2018年開始部署i4D航跡運行，全面提高飛機運行品質(zhì)。美國FAA也將航跡預(yù)測過程融合到了其研發(fā)的終端區(qū)空中交通管制自動化系統(tǒng)（TATCA，Terminal Air Traffic Control Automation）當(dāng)中。

基于航跡的運行，其基礎(chǔ)就是對空中航空器四維航跡的預(yù)測，而四維（4D，F(xiàn)our Dimensional）航跡預(yù)測就是有科學(xué)依據(jù)的對空中航空器未來某段時間內(nèi)三維位置（經(jīng)度、緯度、高度）進行預(yù)測。4D航跡預(yù)測能夠為空中航空器提供精準(zhǔn)的未來運行軌跡，同時也能夠通過未來航跡推算出精準(zhǔn)的航路關(guān)鍵點過點時間。4D航跡預(yù)測可以幫助管制員加強對航空器空中的態(tài)勢掌握，同時也能夠為制定準(zhǔn)確、可靠的戰(zhàn)術(shù)流量管理策略提供科學(xué)依據(jù)。

由于空域環(huán)境、流量限制以及天氣狀況，航空器在空中飛行具有不確定性，以地面一、二次雷達(dá)獲取空中航空器飛行態(tài)勢信息的傳統(tǒng)監(jiān)視手段在這種條件下，只能進行監(jiān)視，不能對航空器未來航跡進行預(yù)測，這就為戰(zhàn)術(shù)流量管理的策略制定帶來不便。ADS-B作為新一代監(jiān)視手段，其更高的精度、更快的更新速率、更大的信息容量以及更便捷的信息獲取方式是4D航跡預(yù)測得以實現(xiàn)的重要技術(shù)保障。ADS-B OUT可以實時不間斷的自主向外發(fā)送其4D位置信息及飛機意圖信息（未來航跡改變關(guān)鍵點），通過接收航空器此類信息，利用航跡預(yù)測算法獲得航空器未來某段時間的三維信息，從而能夠幫助流量管理者制定出有科學(xué)依據(jù)、較為精準(zhǔn)的戰(zhàn)術(shù)流量管理策略。

3 結(jié)語

作為新一代監(jiān)視技術(shù)的廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B），其應(yīng)用不僅僅局限于空中交通活動的管制與監(jiān)視，更能夠通過結(jié)合航空器的航跡運行對空中飛行流量進行統(tǒng)計與預(yù)測，為制定準(zhǔn)確、可靠的戰(zhàn)術(shù)流量管理策略提供更為客觀、科學(xué)、高效的依據(jù)，從而幫助空中交通能夠安全、平穩(wěn)、順暢和高效的運行。

參考文獻

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[2] 張青竹，張軍，劉偉，等.民航空管應(yīng)用ADS-B的關(guān)鍵問題分析[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2007（9）：72-74.

[3] 王小剛.基于ADS-B空管監(jiān)視系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].電子科技大學(xué)，2014.

[4] 王彥興.基于時間度量的空中交通流量管理策略研究[D].南京航空航天大學(xué)，2012.

[5] 楊東玲.基于ADS-B的4D航跡預(yù)測及應(yīng)用[D].中國民航大學(xué)，2017.