CNSATM概念下的基于時間運行技術研究

鄭智明等

摘 要：基于時間運行（Time-Based Operation，TiBO）技術為通信導航監視/空中交通管理（CNS/ATM）技術實現的基礎。該文在CNS/ATM運行路線圖的基礎上，介紹了TiBO技術的概念，并對TiBO技術的實現進行了探究，提出了一種實現方案，并介紹了TiBO實現方案的運行流程圖。同時，對TiBO技術的下一步發展基于航跡運行（Trajectory based Operations，TBO）進行了分析。TiBO技術的應用可以實現初始四維導航（Initial 4D， I4D），可以為民用航空提供更加準時、安全的航空運輸、更高的飛行效率、更多的飛行容量以及更好的環境適應性。

關鍵詞：CNS/ATM 基于時間運行 初始四維導航 民用航空

中圖分類號：V355.1 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（a）-0111-02

ICAO基于對未來空中交通流量增長和應用需求的預測，提出CNS/ATM的概念，在飛機、空間和地面設施三個環境中利用由衛星和數字信息提供的先進通信（C）、導航（N）和監視（S）技術，以解決現行航行系統在未來航空運輸中的安全、容量和效率不足問題。CNS/ATM是一個全球一體化的系統，也是空中平臺和地面基礎平臺完整統一的系統。

目前CNS/ATM技術的研究主要由歐洲單一天空實施計劃（SESAR）和FAA下一代航空運輸系統（NextGen）開展。空客，波音以及一些主要的航電系統供應商（例如法國Thales和美國Honeywell）是主要的設備和系統研究及開發實體。根據SESAR和NextGen的開發計劃，CNS/ATM實施的第一個步驟為TiBO。為實現TiBO需要同時具備廣播式自動相關監視發送/接收（ADS-B OUT/IN）、所需到達時間（RTA）、數據鏈（DATALINK）、所需導航性能（RNP）等多項技術。

1 基于時間運行技術概述

根據SESAR的開發計劃，CNS/ATM實施主要分為三個步驟：

步驟1，基于時間運行（Time based Operations，TiBO）；

步驟2，基于航跡運行（Trajectory based Operations，TBO）；

步驟3，基于性能運行（Performance based Operations，PBO）。

時間基運行（TiBO）是實現的第一步。在TiBO中，空中交通管制（ATC）規定一個航路點（通常為匯合點）作為目標窗口（TW），包括空間和時間。在匯合點，每一個到場飛機被分配一個約束時間，飛機被允許飛行最優的航跡到匯合點。數據鏈到2020年前是4D LINK，4D LINK提供航路和終端的初始4D航跡服務，滑行服務（D-TAXI），并支持飛行情報服務（D-OTIS）。

當前的測試系統稱為i4D，目的是共享和同步機載和地面的航跡在目標到達時間（TTA）點上，以產生同步的空-地航跡。當前的飛行管理系統僅有單點RTA功能并主要用在進近流量管理。多點RTA是單點RTA的擴展，但多點RTA目前仍在開發階段，主要的原因是當前的分布ATM網絡不支持動態航跡協調。航跡基運行（TBO）是在TiBO基礎上運行的第二步，目前都是波音、空客公司以及一些主要的航電系統供應商研究的重點。

2 基于時間運行技術實現探究

TiBO技術的實現需要綜合多個系統和多項技術。該文主要針對TiBO技術在民用飛機上實現進行了探究，并提出了一種解決方案，包括以下幾方面。

（1）需要在飛行管理系統（FMS）中增加4D導航功能，即增加RTA功能，用于設定到達某一個或者多個航路點的到達時間，以控制和定點到場以回避航路和終端交通擁擠；

（2）需要在飛行管理系統中增加4D航跡設計能力，需要考慮航路約束和氣象條件；

（3）TiBO需要飛機和地面空中交通管理中心（ATFM）不斷協商各個要求航路點的RTA以及4D航跡。需要綜合考慮起飛前靜態4D航跡協商過程要求和4D航跡協商精度要求；到場前4D協商要求和RTA協商精度要求；

（4）飛行管理系統和飛行控制系統應支持4D制導和控制功能；

（5）通信系統應具備4D航跡、RTA、飛行管理系統風速、溫度等數據的上下傳能力。

圖2說明了TiBO過程，表示多個到達時間約束的航路點。在TiBO過程中可能僅支持單點RTA。這種單點的RTA通常設置在最終的進近點。

（1）ATFM將航路信息通過通信系統上傳到飛機上；

（2）飛行機組將航路信息加載到飛行管理系統中，并且更新飛行管理系統的溫度和風速等數據；

（3）ATFM從離場空中交通服務系統（ATSU）接收下傳的飛機4D航跡，其它ATSU接收飛行情報（FIS-B）和流量信息（TIS-B）并建立ATFM計算的4D航跡和約束航路點RTA；

（4）ATFM發送計算的4D航跡和RTA到離場管理系統（DMAN），DMAN上行發送這些數據到飛機飛行管理系統；

（5）飛機飛行管理系統根據飛機的性能驗證AFTM計算的D航跡和RTA約束航路點的可飛性，如同意，發送確認到DMAN；

（6）DMAN通知ATFM，ATFM發送經過協商確認的4D航跡和RTA指令給飛機。

AMAN代表進場管理系統，AMAN與飛機的協商過程同DMAN類同。

3 基于時間運行的下一步發展方向

TiBO的下一步發展方向將為TBO。TBO技術實現上將對機上系統提出更高的要求，如以下幾點。

（1）飛行管理系統需要考慮多點RTA （RTA依然通過協商建立）；

（2）TBO功能需要空空數據鏈支持；

（3）TBO運行要求航跡基間隔保持功能；

（4）4D航跡設計和4D航跡預測要求需要同時考慮航跡預測精度，航路約束，氣象條件和動態的交通流量信息；動態4D航跡協商過程需要同時考慮航跡協商精度，協商所需時間和結束條件。

4 結語

TiBO技術作為CNS/ATM技術實現的基礎，也是近期新研飛機必須要考慮實現的技術。國內飛機制造商在CNS/ATM領域尚處于薄弱的環節，因此預先對TiBO技術進行研究，可以為TiBO在新研飛機的實現奠定理論基礎。

參考文獻

[1] 霍曼.飛速發展的航空電子[M].北京：航空工業出版社，2007.

[2] 劉建業，曾慶化，趙偉，等.導航系統理論與應用[M].西安：西北工業大學出版社，2010.

[3] AC 90-101A，Approval Guidance for RNP Procedures with AR[S].FAA，2011.

[4] AC-91FS-05，要求授權的特殊航空器和機組（SAAAR）實施公共所需導航性能（RNP）程序的適航和運行批準準則[S].中國民用航空總局飛行標準司，2006.