新一代空中交通管制系統共覽

荊虎

空中交通管制（Air Traffic Control，ATC）工作，是保證空中飛行安全的三大要素之一。伴隨著經濟的發展，航空運輸業持續保持著高速發展的態勢，據波音公司最新的報告顯示，全球民航飛機總數將在今后20年內翻一番達到35000架，過去10年全球航空客運量保持5%左右的年均增量，2013年預計全球平均每天飛行的航班數量將突破10萬架次。面對如此繁忙的空中航運，空中交通管制的任務與壓力與日俱增。為應對當前航空運輸快速發展的形勢和在此形勢下對安全與效率的挑戰，國際民航組織提出了“全球空管運行”的新概念，主導建立共享、交互集成平臺，使參與民航運輸的各方在安全的前提下提升系統績效。在此概念基礎上，世界許多國家依據自身情況開始規劃和建立新一代空中交通管制系統，以適應新趨勢的發展要求。

走在前列的美國新一代空管系統

在美國國家空域系統中，任何時候都有至少5000架飛機在空中飛行，到2020年美國民航載客量將達到每年10億客次。2005年，美國聯邦航空局（FAA）開始規劃“未來一代航空運輸系統”，作為系統的重要組成部分，其新一代空中交通管制系統將對美國國家空域內的交通與空域的綜合動態實施管理。該系統計劃于2012～2025年分階段實施，至2018年將節約燃油64億升，減少二氧化碳排放量1400萬噸，航班延誤將減少35%。據FAA估算，與2010年相比，該計劃在2018年帶來的總收益將達到230億美元。

新的空管系統由如圖1所顯示的三部分組成：基于性能的運行與基于性能的服務、以網絡為中心的基礎設施服務、態勢信息分享服務。基于性能的運行與基于性能的服務包括基于航跡的運行和基于航跡的間隔管制、空中交通服務、動態資源管理、氣象影響管理和現代化場面管制。美國聯邦航空局在規劃新一代空管系統之初就將安全、有效地化解空中交通量的增長作為設計的基本要求，經過與相關各方的共同研究確定走“精密管理”的路子，提出基于航跡的運行與基于航跡的間隔管理。在航班密度高、管控空域復雜的區域，把基于航跡運行作為基本運行機制之一，從容量管制、交通流應急管制、航跡管理和間隔管制等四個方面改進空中交通服務。容量管制主要是指空域資源的設計與配置，預先確定飛行航跡的四維信息（經度、緯度、高度和時間），減少航空器航跡的不確定性，提高空域和機場資源的利用率與安全性。交通流應急管制是主動針對大型容量需求以及容量管理計劃中出現的不平衡而進行的流量管理，當多條航跡組成的交通流出現于同一空域時，利用靈活的航路定義，交通流可以隨機應變，實現安全和高效的空中通行。基于航跡的間隔管理是基于航跡運行的一個主要部分，空管系統通過自動化分析和航跡信息共享，各班次客機均能夠有條不紊的飛行在自己的航空保護區內而互不進入其他方的告警區（如圖2）。利用動態資源管理，系統的資源和服務得到極大使用效率，避免資源的利用不足而長時間限制用戶所需。新的系統還采用新傳感技術，把氣象信息融入自動化系統，增強氣象信息的共享。場面運行現代化是ATC 系統改造的最后一個領域，改造方向是從高能見度、高戰術性操作發展到更戰略性的系統運行。

以網絡為中心的基礎設施服務作為橋梁和紐帶，對上支持基于性能的運行與服務，對下支持態勢信息分享服務；網絡化使系統具有更寬泛的信息儲運和訪問能力，通過協同使每個決策人了解所有的限制因素，并預測出單獨、局部的決策與全局、系統性決策的沖突。態勢信息分享服務涉及航空氣象信息、定位導航授時、監視、飛行計劃處理與飛行數據管理、流量與航跡沖突分析等。在GPS衛星技術的支持下，地面管制中心可以將氣象信息、定位導航信息以及飛行數據等實時傳輸給空中客機，客機在征得管制員的許可后，可利用上述信息選擇星基區域導航，實施自主飛行，飛行期間管制員只要對其進行實時監視和適時干預即可。

協作共贏的單一歐洲天空計劃

在歐洲，空中運輸量預計到2025年將呈翻倍增長的趨勢，由于歐洲各國空中交通管制獨立運行，各自為政，這種空域嚴重分割現象使得航班延誤率激增，每年給歐洲的航空公司造成的經濟損失高達13～19億歐元，越來越復雜的空管工作對經濟的增長和歐洲航運系統的國際競爭力造成了實際的制約。為解決這方面的難題，2004年歐盟正式啟動“歐洲單一天空（Single European Sky）”計劃，其中空管技術層面的研究工作（Single European Sky ATC Research，即SESAR）確立的戰略目標是到2020年在伽利略衛星導航系統支持下，實現一體化的通信、導航、監視，通過建立通用數據交換網絡和廣播式自動相關監視系統，實現對歐洲空域的統一協調指揮，以最大限度地提高歐洲空域安全、容量和效率。

在宏偉戰略規劃的背后，SESAR的進展并不是一帆風順。最初在1999年12月，歐洲就成立了一個由軍民空管當局組成的高級別小組，為歐洲空管系統的體制和技術設計新的規范。最終，小組提交了一份建設性報告建議歐洲在6個方面采取行動：一是希望歐洲成員達成全歐洲空域為歐洲共同資源的共識。二是建立獨立的歐盟管理機構，維護和改善空中交通安全。三是機構成立后逐步形成軍民共管、聯合對外的運營局面。四是新空管的運行要在歐盟機構框架內。五是鼓勵引進新技術。六是招募和培訓高素質的空管人員。小組所提出的空管體制是歐洲政治舞臺上的獨立部分，但由于各國在軍事方面的考慮，該報告遭遇擱置。2001年10月，歐洲委員會通過軍用和民用空中交通管制一體化的研討，提出了一套全面的立法與合作行動，推行歐洲單一天空計劃。該計劃從兼顧安全與效率的角度出發，根據空中交通流量而非完全根據國界來重新規劃歐洲空域，從整體上提高歐洲空中交通的管制水平。2002 年3月，歐洲議會在法國斯特拉斯堡舉行會議，批準了歐洲委員會提出的關于在歐洲范圍內實行統一空中交通管制的“歐洲單一天空”計劃。直至2004年11月，該計劃得以正式啟動。

SESAR項目是歐盟和歐洲空中航行安全組織之間合作的一個具體展示，作為歐洲繼伽利略項目之后的最重要的高科技項目，整個SESAR項目的投資將達500億歐元。SESAR全面建成后可以將航空管制基礎設施的能力整體提高3倍，將空管安全性能提高10倍，而且將各個航空公司所負擔的空管費用降低一半。SESAR將成為歐洲伽利略衛星導航系統的首批實際用戶，通過衛星技術的支撐空中交通管制系統將實現更加安全、可靠的優化。

整個SESAR項目分為三個階段（圖3）：第一階段為定義階段，成立由多家航空公司和機場組成的SESAR項目聯合體，其主要工作目標是在兩年內為項目制定路線圖，其中包括對于將要采用的技術的選擇以及整個項目的組織框架。定義階段的研發費用估計為6000萬歐元左右，由歐洲委員會和歐洲空中航行安全組織共同承擔。第二階段為開發階段，由歐盟、歐洲空中航行安全組織和工業界共同開發第一階段路線圖中所確定的關鍵性技術。該的費用約為每年3億歐元，由參與開發的各方共同承擔。第三階段為部署階段，按照路線圖的規劃將開發階段所取得的技術成果向實際應用轉化，歐洲工業界將承擔該階段的大部分費用。

自信崛起的中國民航新航行系統

作為世界第二大航空運輸主體和民航運輸業增長最快的國家，我國發展新一代空中交通管制系統的需要更為迫切。由于起步較晚及當時發展條件下經濟積累相對薄弱等原因，與發達國家相比我國空管系統的基礎設施建設在數量和質量上都存在不足，而不斷發展的航空運行又需要空管設備安全、有效地保障，面對相對薄弱的局面和發展的需求，我國的新一代空管系統的發展必須走綜合性、跨越式的道路。早在1995年我國民航局就頒布了“中國民航新航行系統實施政策”和“中國民航新航行系統衛星導航系統實施技術政策”。中國民航自那時起就逐步開始了從現有體系向到新一代空管系統的平穩過渡。根據規劃我國將在20年的時間框架內，建立天空地一體化的中國民航空中交通管制運行模式和技術支持體系，使國家民用航空的運行和資源得到有效、充分、靈活的管理。

中國民航新一代空中交通管制系統（圖4）由通信、導航、監視和自動化系統、航空氣象服務、航空情報服務、綜合空管信息處理與服務、流量管理等8個系統組成。在新技術的支撐下，空管通信方面將實現基于數據鏈的空地高速無縫數據通信；航空導航方面，到2025年將實現由陸基導航系統向星基導航系統過渡的基于所需導航性能的運行；航空監視方面，經過15～20年的系統建設，將逐步達到基于空地協同監視和基于所需性能監視的總體目標。綜合信息的共享將通過飛行數據集中處理系統和自動化系統聯網工程，實現信息自動交換，為用戶提供一致的、準確的、完整的空中交通信息。空中交通流量管理方面，在交通流量大的區域，建設協同區域流量管理系統，支持從管制區層面實施區域性的協同流量管理；在繁忙機場終端區，建設協同進離場流量管理系統，支持從機場運行層面實施進離場協同流量管理；建設全國空中交通流量管理中心，統籌規劃交通流量走廊，支持各個管制區、機場和航空公司運行中心之間協同決策，實現從流量管理中心層面的全國范圍協同流量管理。

與美國及歐洲國家的空管系統相比，我國的新一代空管系統還具有適應性強、容量大、系統結構化明顯的優勢。高適應性包含新系統對原有系統在技術和運行過程的兼容性，以及系統對國際運行標準的支持，如我國的機載設備便可同時兼容美國的GPS和歐洲的伽利略系統。大容量是指具備強大的信息采集、處理、傳遞和發布能力，不僅滿足未來我國空中交通運輸量大幅度增長的海量數據需要，并為未來的發展保留進一步擴展的余地。我國新一代空管系統的規劃和實施從國家和地區范圍的系統角度考慮的結構和技術應用要求，將現有分散的、獨立的、不兼容的各類設施組織演化成為綜合的、一體的、交互的，系統結構化明顯的優勢使其成為具備全球服務能力的業務應用體系。

中國民航新一代空中交通管制系統的建設將跨越從“十一五”到“十三五”的3個五年計劃，重點突破衛星導航、數據通信、多模式監視以及空管自動化和流量管理等核心技術，并研制擁有自主知識產權的技術系統和核心裝備，使我國空管系統的應用技術實現跨越式發展。“十一五”期間，我們已對空中交通管制系統運行體系架構和有關程序、標準、規范進行了總體布局，重點完成了核心技術的研究突破和技術驗證，在衛星、區域導航、多模式監視、流量管理、綜合信息管理等領域的核心技術上實現突破，對一些在近中期有應用需求的技術分別進行了運行試驗和工程驗證。“十二五”期間，我國將繼續開展空管系統總體研究和前瞻性核心技術研究，重點進行系統設施設備的研發，進行新技術和新系統的功能驗證、產品認證、運行評估，對新的運行程序進行驗證評估。在基礎設施建設上，根據管制業務的發展需求，用新一代空管系統設備逐步替換原有設備，促進新技術和新系統的應用和發展。“十三五”期間，將重點進行基礎架構體系建設，在新技術驗證評估的基礎上，對成熟的系統，逐步實施項目建設，分階段、分區域進行新系統、新裝備和新技術的應用，形成新一代空管系統基礎架構體系的雛形。屆時，隨著北斗衛星導航系統的成功運行和空管系統新技術產品的成熟，適應我國實際并與國際接軌的新一代空管系統產品、運行模式和規范將逐步形成，新一代空管系統的全面建成將使中國在世界航空的藍天上更加自信地實現我們的民航強國夢。