面向四維航跡運(yùn)行的空地?cái)?shù)據(jù)鏈架構(gòu)設(shè)計(jì)*

邱藝煌，卞啟龍，徐浚哲，李 莎，任明軒

(中國(guó)民航大學(xué)，天津300300)

隨著民航空域受限、航班延誤、沖突加劇的問題日益嚴(yán)重，在無法擴(kuò)大空域的前提下，當(dāng)前行之有效的策略之一是縮小航空器的最小間隔，從而增加空中流量?；谒木S航跡的運(yùn)行(Trajectory Based Operation，TBO)可以將飛機(jī)到達(dá)預(yù)計(jì)點(diǎn)的時(shí)刻精度從分鐘級(jí)提高到十秒級(jí)。因此基于四維航跡的運(yùn)行不但可以增加空中流量，而且可以使飛機(jī)飛得更加平穩(wěn)，改善航班運(yùn)行現(xiàn)狀。

1 ATS通信網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)

航空電信網(wǎng)簡(jiǎn)稱ATN。ATN可使航空通信網(wǎng)絡(luò)整體向著民航地空一體化發(fā)展。在ATN的地對(duì)空應(yīng)用上，利用數(shù)據(jù)鏈傳輸信息是一種新興的通信方式[1]。它使地空通信效率顯著提高，同時(shí)降低管制員的工作負(fù)荷。

ATN網(wǎng)絡(luò)主要可分為ATN Baseline 1和ATN Baseline 2。ATN Baseline 1支持如下CPDLC應(yīng)用：數(shù)據(jù)鏈初始化(DLIC)、CPDLC提供的ATC通信管理(ACM)、ATC管制指令(ACL)、數(shù)字放行(DCL)、ATC話筒檢查(AMC)。

ATN B2是基于ATN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，ATN B2可以實(shí)現(xiàn)以下額外服務(wù)：數(shù)據(jù)鏈4D航跡起始(Initial 4D Trajectory Data Link)、基于ADS-C報(bào)告中擴(kuò)展投影剖面(EPP，Extended Projected Profile)、ADS-C提供的四維航跡數(shù)據(jù)鏈(4DTRAD)。

2 基于四維航跡的運(yùn)行

2.1 基于四維航跡運(yùn)行的概念

基于四維航跡的運(yùn)行是在傳統(tǒng)三維空間(經(jīng)度、緯度和高度)運(yùn)行中加入時(shí)間維度，要求航空器在規(guī)定時(shí)刻到達(dá)規(guī)定航路點(diǎn)[2]。對(duì)于飛行路線不同的飛機(jī)，四維航跡信息一定不同，但對(duì)于一個(gè)定期航班，每天的四維航跡信息也會(huì)隨氣象、業(yè)載、巡航高度變化。因此航空器的四維航跡(4 Dimensional Trajectory，4DT)具有特定性和動(dòng)態(tài)性。綜合TBO的原理及其特點(diǎn)，基于四維航跡運(yùn)行是指：綜合考慮當(dāng)前飛行的重量、機(jī)型、速度、高度、氣象、航線等因素，預(yù)先計(jì)算出航空器到達(dá)下一個(gè)航路點(diǎn)的時(shí)刻，然后將此信息在空管部門、航空公司和航空器之間進(jìn)行實(shí)時(shí)同步和更新，從而實(shí)現(xiàn)航空器基于不同部門協(xié)同決策的安全高效運(yùn)行?；谒木S航跡運(yùn)行與傳統(tǒng)空管運(yùn)行概念的區(qū)別如表1所示。

表1

2.2 實(shí)現(xiàn)TBO的關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)

2.2.1 飛行管理系統(tǒng)

要想使飛機(jī)在預(yù)計(jì)時(shí)間到達(dá)預(yù)計(jì)的航路點(diǎn)，就必須提前根據(jù)飛機(jī)的重量、飛行高度等大量參數(shù)計(jì)算出下一個(gè)航路點(diǎn)。FMS能夠結(jié)合飛行計(jì)劃和實(shí)時(shí)的氣象信息，計(jì)算出飛機(jī)如何進(jìn)行速度和方向的調(diào)整，從而滿足所需到達(dá)時(shí)間RTA的要求。FMS還應(yīng)該與自動(dòng)駕駛儀、電子飛行儀表系統(tǒng)和導(dǎo)航傳感器、飛行人員互相共享航跡信息，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的航跡引導(dǎo)。

2.2.2 空地?cái)?shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)

在傳統(tǒng)運(yùn)行中，主要通過陸空通話的方式指揮飛機(jī)，這種方式傳輸信息效率低，且易受人為因素的影響。而基于四維航跡的運(yùn)行除了要交互航行情報(bào)、管制指令、位置信息等常規(guī)信息外，還需要交互氣象、發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)、4D動(dòng)態(tài)航跡等多元化的空中交通環(huán)境信息。RTCA SC-214和EUROCAE WG-78聯(lián)合委員會(huì)已共同制定出面向TBO的新一代空地通信數(shù)據(jù)鏈服務(wù)的需求，并將其命名為4DTRAD(4D Trajectory Data Link)。2.2.3地面空管優(yōu)化系統(tǒng)

對(duì)于地面空管，應(yīng)該在保障扇區(qū)內(nèi)飛機(jī)沒有沖突的前提下，盡可能提高整個(gè)空域的運(yùn)行效率。如果扇區(qū)內(nèi)的飛機(jī)數(shù)量較多時(shí)，就必須依靠計(jì)算機(jī)來進(jìn)行飛機(jī)間隔控制和飛機(jī)的排序，這樣才能從根本上提升管制運(yùn)行效率。實(shí)現(xiàn)這些優(yōu)化目標(biāo)的決策支持工具包括：飛行沖突探測(cè)與解脫(CD&R)系統(tǒng)、自主間隔保持系統(tǒng)、航班進(jìn)離港排序系統(tǒng)(AMAN/DMAN)、4D航跡網(wǎng)絡(luò)化管理系統(tǒng)等。

2.2.4 四維高分辨率的數(shù)值氣象預(yù)報(bào)技術(shù)

在飛機(jī)飛行階段，風(fēng)對(duì)飛機(jī)有很大的影響，能否準(zhǔn)確預(yù)測(cè)下一時(shí)間的風(fēng)速和風(fēng)向很大程度上決定飛機(jī)能否準(zhǔn)時(shí)達(dá)到下一個(gè)航路點(diǎn)。因此四維航跡運(yùn)行必然要求實(shí)現(xiàn)四維數(shù)值氣象預(yù)報(bào)。結(jié)合世界區(qū)域預(yù)報(bào)系統(tǒng)的格點(diǎn)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)、航空氣象資料下傳與轉(zhuǎn)發(fā)等多源氣象數(shù)據(jù)，進(jìn)行同化處理，構(gòu)建四維數(shù)值氣象預(yù)報(bào)模型，可滿足飛機(jī)FMS四維航跡準(zhǔn)確計(jì)算對(duì)氣象數(shù)據(jù)的要求。

3 空地通信數(shù)據(jù)鏈體系架構(gòu)

3.1 CPDLC

管制員飛行員數(shù)據(jù)鏈通信(CPDLC：Controller Pilot Data Link Communication)是一種支持管制員和飛行員在航班運(yùn)行過程中直接進(jìn)行飛行數(shù)據(jù)交換的新型數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)。它能大大減少因陸空聽話產(chǎn)生口誤，信息失真等引起的事故。

3.1.1 CPDLC通信實(shí)現(xiàn)過程

(1)空中交通服務(wù)設(shè)備通告(ATS Facilities Notification，AFN)登錄

機(jī)組成員完成初始化登錄(LOG ON)步驟之后，飛行管理系統(tǒng)FMS將向某個(gè)指定的ATSU發(fā)送一個(gè)“AFN CONTACT”消息，告知可接受的空中交通服務(wù)的能力，ATSU回復(fù)“AFN ACKNOWLEGEMENT”，AFN登錄完成。

(2)CPDLC鏈接的建立

CPDLC鏈接的發(fā)起方通常是地面管制單位。指定的ATSU向飛機(jī)發(fā)送一個(gè)“CONNECTION REQUEST”消息，飛機(jī)自動(dòng)以一個(gè)“CONNECTION CONFIRM”消息回復(fù)，至此有效的CPDLC建立。

(3)與下一管制單位NDA建立登陸關(guān)聯(lián)

首先當(dāng)前管制單位CDA需要發(fā)送消息通知下一管制單位NDA，隨后CDA向飛機(jī)發(fā)送一個(gè)“AFN CONTACT ADVISORY”消息，告知飛機(jī)與NDA進(jìn)行AFN登錄，并提供AFN登錄所需信息。飛機(jī)以一個(gè)“AFN RESPONSE”消息回復(fù)CDA，表明已接收到相關(guān)指令，并向NDA發(fā)送一個(gè)“AFN CONTACT”消息，請(qǐng)求與其進(jìn)行AFN登錄。NDA以一個(gè)“AFN ACKNOWLEGEMENT”消息回復(fù)飛機(jī)，飛機(jī)同時(shí)向CDA發(fā)送一個(gè)“AFN COMPLETE”消息，向CDA表明飛機(jī)已與NDA建立登陸關(guān)聯(lián)。

(4)CPDLC鏈接的終止

CPDLC鏈接的終止通常由當(dāng)前地面管制單位CDA發(fā)起。在適合的時(shí)間和相應(yīng)的管制移交地點(diǎn)，CDA向飛機(jī)發(fā)送一個(gè)“END SERVICE”消息，初始化終止CPDLC鏈接。飛機(jī)回復(fù)一個(gè)“DISCONNECT”消息，即刻終止CPDLC鏈接。特殊情況下，飛機(jī)也可以主動(dòng)發(fā)送一個(gè)“DISCONNECT REQUEST”消息來強(qiáng)制終止與地面管制單位之間的CPDLC鏈接。

3.1.2 CPDLC報(bào)文規(guī)范

CPDLC消息報(bào)文一般由以下幾部分組成：

(1)消息識(shí)別碼；

(2)時(shí)間和日期；

(3)邏輯確認(rèn)指示；

(4)1至7個(gè)消息元素，每個(gè)消息元素包含消息元素識(shí)別信息、指定的消息元素?cái)?shù)據(jù)和相關(guān)的消息元素屬性。報(bào)文的消息屬性決定了CPDLC用戶接受指定信息時(shí)的處理方式和需求。

3.2 ADS-C

CPDLC主要用于飛行員與管制員的通信，而ADS-C更偏向于對(duì)航班信息的實(shí)時(shí)監(jiān)視[3]。其能夠?qū)C(jī)載設(shè)備計(jì)算出的有關(guān)飛機(jī)位置、速度等信息，利用空地?cái)?shù)據(jù)鏈傳輸給地面站，經(jīng)地面網(wǎng)絡(luò)，將收集到的信息發(fā)送給監(jiān)視中心，將接收的每個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為航跡，以此來實(shí)時(shí)地監(jiān)視飛機(jī)。

3.2.1 ADS-C的合同類型

ADS-C合同由ATSU發(fā)起。ATSU可向一架飛機(jī)發(fā)起多個(gè)合同。一些信息在每份報(bào)告中都需采集下傳，如果地面需要額外地信息，則需在報(bào)告中要求。合同的類型根據(jù)所要求地信息和觸發(fā)合同匯報(bào)地特殊條件而確定。具體分類方式如下：

周期合同：ATSU要求飛機(jī)按照一定的時(shí)間間隔發(fā)送ADS-C報(bào)文，并選擇包含在周期合同中的數(shù)據(jù)組。ATSU可以根據(jù)需要設(shè)置周期或更新頻率或調(diào)整時(shí)間間隔。

要求合同：當(dāng)ATSU在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒有收到飛機(jī)端發(fā)送的合同時(shí)，可以向飛機(jī)發(fā)送要求合同。要求合同可以向飛機(jī)請(qǐng)求傳輸單一地ADS-C報(bào)告。要求合同無法修改和退出其他類型的ADS-C合同。

事件合同：當(dāng)飛機(jī)系統(tǒng)判斷飛機(jī)狀態(tài)達(dá)到ATSU設(shè)定的條件時(shí)，如：航路點(diǎn)變更、側(cè)向偏差、垂直速率變化時(shí)向ATSU通報(bào)。事件協(xié)約將一直有效，直到ATSU取消協(xié)約或發(fā)生用于觸發(fā)報(bào)告的事件為止。

3.2.2 連接管理

AFN是使用數(shù)據(jù)鏈ADS-C的第一步，航空用戶向地面端發(fā)送登錄請(qǐng)求后，就可以接入ADS-C數(shù)據(jù)鏈。飛機(jī)管理系統(tǒng)可以向地面端提供航空器位置、高度、爬升率、速度等信息。當(dāng)?shù)孛嫦到y(tǒng)收到飛機(jī)發(fā)起的登錄請(qǐng)求時(shí)，就會(huì)向飛機(jī)發(fā)送一個(gè)ADS-C合同的請(qǐng)求。當(dāng)飛機(jī)的ADSC功能沒有關(guān)閉時(shí)，就會(huì)自動(dòng)連接。

連接優(yōu)先級(jí)：當(dāng)ATS地面系統(tǒng)接收到一個(gè)登錄請(qǐng)求消息，ATSU即可以通過向飛機(jī)發(fā)送一個(gè)ADS合同請(qǐng)求，初始化一個(gè)ADS-C連接。

ADS-C在連接時(shí)沒有優(yōu)先級(jí)順序，飛機(jī)需等待地面端許可，再按照ADS-C連接優(yōu)先級(jí)進(jìn)行初始化地址轉(zhuǎn)發(fā)。

3.2.3 ADS-C報(bào)文傳輸機(jī)制

ADS-C將飛機(jī)的信息通過空地?cái)?shù)據(jù)鏈，以報(bào)文形式發(fā)送到地面端。只有在飛機(jī)注冊(cè)AFN后了才能與地面端建立合同。ADS-C常用的傳輸路徑有兩種：RGS和INMARST，分別用于陸地和大洋。

ADS-C的傳輸過程為：由機(jī)載傳感器和大氣數(shù)據(jù)傳感器收集信息，由機(jī)載管理模塊整合后，通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈，甚高頻數(shù)據(jù)鏈或者二次雷達(dá)數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)降孛婢W(wǎng)絡(luò)，將飛機(jī)的實(shí)時(shí)位置顯示在屏幕上。

4 ATC通信管理

ATC通信管理(ACM)是基于CPDLC的空地?cái)?shù)據(jù)鏈通信在涉及空中交通服務(wù)單位移交時(shí)的一種自動(dòng)化通信服務(wù)。ATC通信管理提供機(jī)組和空中交通服務(wù)單位之間的自動(dòng)化通信移交，可實(shí)現(xiàn)：

(1)空中交通服務(wù)單位初始化CPDLC建立；

(2)兩家空中交通服務(wù)單位的CPDLC移交和語音移交；

(3)空中交通服務(wù)單位CPDLC的終止；

(4)CPDLC移交和語音移交同時(shí)完成。

4.1 數(shù)據(jù)鏈初始能力建立

數(shù)據(jù)鏈初始能力建立(DLIC)是ATC通信管理的先決條件。DLIC應(yīng)用提供在飛機(jī)與地面系統(tǒng)之間建立通信的能力。一旦通信建立，數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用就自動(dòng)提供。這個(gè)能力支持飛機(jī)向其他系統(tǒng)的登錄和登錄信息的自動(dòng)更新。

在DLIC中，登錄是數(shù)據(jù)鏈建立的第一步，目的是：(1)向空中交通服務(wù)單位提供數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用；航空器身份識(shí)別。(2)向空中交通服務(wù)單位提供相關(guān)的航班信息。

4.2 ACM典型服務(wù)場(chǎng)景

根據(jù)空中交通服務(wù)單位的移交方和接受方是否使用CPDLC，以及是否改變語音頻率，可將ACM服務(wù)劃分為以下7個(gè)場(chǎng)景：

(1)相互聯(lián)系的兩家空中交通服務(wù)單位均使用CPDL C，且語音頻率變化指令獨(dú)立于數(shù)據(jù)通信傳輸；

(2)相互聯(lián)系的兩家空中交通服務(wù)單位均使用CPDL C，且語音頻率變化指令依附于數(shù)據(jù)通信傳輸；

(3)移交方不使用CPDLC，接收方使用CPDLC(支持DLIC)；

(4)移交方使用CPDLC，但接收方不使用CPDLC。且語音頻率變化指令與數(shù)據(jù)通信傳輸并行；

(5)移交方使用CPDLC，但接收方不使用CPDLC。且語音頻率變化指令獨(dú)立于數(shù)據(jù)通信傳輸；

(6)機(jī)組人員要求更改頻率；

(7)終止CPDLC而不轉(zhuǎn)移CPDLC或改變語音通話頻率。

4.3 ACM移交的典型操作方法

在RTCA DO-350中，寫明了針對(duì)不同條件下的具體移交步驟[4]。下面以移交方和接收方都配備CPDLC，且語音頻率變化指令依附于數(shù)據(jù)通信傳輸?shù)那闆r為例，模擬ACM的典型運(yùn)行場(chǎng)景。

第一步：向NDA飛機(jī)發(fā)出T-ATSU通知。

T-ATSU發(fā)送UM160Next數(shù)據(jù)授權(quán)，授權(quán)飛機(jī)系統(tǒng)接受指定為NDA的R-ATSU提出的建立CPDLC的請(qǐng)求。

第二步：在R-ATSU和飛機(jī)之間建立CPDLC。

當(dāng)不作為DLIC的一部分執(zhí)行時(shí)，在請(qǐng)求CPDLC建立之前，R-ATSU系統(tǒng)確保：飛機(jī)與R-ATSU系統(tǒng)飛行計(jì)劃信息的明確關(guān)聯(lián)；飛機(jī)系統(tǒng)和R-ATSU系統(tǒng)使用兼容版本的CPDLC。

第三步：發(fā)出T-ATSU與飛機(jī)之間的語音傳輸指令并終止CPDLC。

在發(fā)送CPDLC終止請(qǐng)求之前，將通知控制器任何開放的上行鏈路消息。T-ATSU：在收到轉(zhuǎn)移指令后，機(jī)組人員確認(rèn)轉(zhuǎn)移語音通信和CPDLC的指示。

第四步：飛機(jī)認(rèn)為R-ATSU是CDA。

在與T-ATSU終止CPDLC后，飛機(jī)系統(tǒng)將R-ATSU識(shí)別為CDA，并發(fā)送DM99當(dāng)前數(shù)據(jù)授權(quán)通知R-ATSU它是CDA。

第五步：在R-ATSU和飛機(jī)之間啟用CPDLC。

5 結(jié)束語

本文以ATS通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為切入點(diǎn)，對(duì)TBO進(jìn)行研究分析，著重闡明了相關(guān)報(bào)文規(guī)范、數(shù)據(jù)傳輸合同類型。在此基礎(chǔ)上，我們進(jìn)行了空地通信數(shù)據(jù)鏈體系的架構(gòu)，由CPDLC，ADS-C進(jìn)行分析，從通信的建立、通信的規(guī)范、通信的傳輸模式和管理方式等方面分析其各自特點(diǎn)，并進(jìn)一步提出自動(dòng)化的ATC通信管理移交服務(wù)。本文中所描述的四維航跡的空地?cái)?shù)據(jù)鏈系統(tǒng)架構(gòu)也存在一定的缺陷，如飛機(jī)數(shù)量過多時(shí)所面臨的通信排隊(duì)優(yōu)化和部分傳輸功能自動(dòng)化后地面管制的不確定因素分析等問題還有待研究。