軍用飛機擴展民航空中交通管理能力探析

羅海明

（中國西南電子技術研究所，成都 610036）

1 引言

軍用飛機和民用飛機在不同的空域飛行，接受不同部門的交通管制，早期軍民航空中交通管理體制的差異和空域管理的沖突并不明顯。隨著軍事訓練任務增多，訓練高度、地域范圍增大，軍機容易出現偏離訓練空域靠近民用航路航線，導致軍民航飛機小于安全間隔的情況。另外軍用運輸類飛機在執行撤僑、遠程運輸等任務時，會在境外民航空域飛行并接受他國的空中交通管制。目前軍民航之間的飛行活動信息不能實現有效且及時的溝通，造成空管信息傳遞不暢，從而增加了軍民航管制協調工作量，帶來飛行安全隱患，也影響民航運行效率。

軍民融合國家戰略為軍用和民用航空在空中交通管理領域的融合創新發展提供了理論指導，軍機通過擴展通信導航監視技術兼容民航空中交通管理是其中的一個融合方向。具備民航通信導航監視技術能力的軍機在民航空域飛行時，支持空中交通管制部門與其進行通信及監視，從而實現空管信息的無縫傳遞。隨著全球航行系統的發展，空中交通管理對飛行安全和運行效率提出更高要求，通信導航監視等技術也在不斷發展革新。本文主要探討為滿足兼容民航空中交通管理需要，軍機在通信導航監視領域可擴展的技術能力。

2 民航航空系統組塊升級技術路線圖

國際民用航空組織（ICAO）早期以技術為出發點推出了新航行系統(CNS/ATM)，近期以全球空中交通管理運行概念作為愿景，以運行效能要求為目標，提出了航空系統組塊升級（ASBU）概念，用工程化的方法指導全球空中交通管理系統的規劃與實施。中國民用航空局于2015年發布了《中國民航航空系統組塊升級發展與實施策略》，從通信導航監視及航電技術等方面提出了指導中國民航航行系統的發展規劃。

2.1 通信技術

民航通信方式正從話音通信逐步向數據通信過渡，通信技術實施路線如圖1所示。飛機通信尋址與報告新系統（ACARS）是目前民航應用最為廣泛的地空數據通信系統，絕大多數民航飛機均裝備了ACARS通信管理設備，通過甚高頻（VHF）、雷達（SATCOM）和高頻（HF）鏈路支持面向航空公司的航空運營控制（AOC）應用，面向交通管制部門的管制員飛行員數據鏈通信（CPDLC），以及合約式自動相關監視（ADS-C）等FANS-1/A空中交通服務（ATS）應用。

雖然ACARS在未來一段時間內仍將繼續提供數據服務，但航空電信網（ATN）作為ICAO規劃和推動新一代全球航空業的專用互聯網絡已在歐洲等地區開始運行。歐洲空管局基于Link2000+項目通過VDL模式2技術及ATN網絡提供CPDLC服務。中國民航已開始規劃建設ATN網絡并分階段實施，近期逐步升級現有地面站、應用系統及ACARS 地空數據鏈網絡，提供基于AOA協議的VDL模式2服務；中期將地空數據通信轉移到ATN網絡中，推動機載數據鏈設備的升級，支持VDL模式2和ATN/OSI地空網絡，支持CPDLC等ATN基線1服務和應用；遠期全面實施支持ATN網絡的地面基礎設施和機載設備，將數據鏈應用過渡到ATN地空網絡，推進基于ATN基線2服務和應用。

除空地通信外，用于機場無線通信的機場航空移動通信系統（AeroMACS）是一個新的技術應用方向。AeroMACS基于WiMAX無線城域網技術，實現機場范圍內飛機、橋位、塔臺、移動車輛之間的高速數據通信，按規劃可接入ATN地面網絡實現ATS應用。

2.2 導航技術

民航計劃從傳統的基于傳感器的導航逐步過渡到基于性能的導航（PBN），從陸基導航逐步過渡到星基導航，導航技術及應用實施路線如圖2所示。PBN通過區域導航（RNAV）和所需導航性能（RNP）來規范，將飛機機載設備能力與衛星導航及其他先進技術結合起來，涵蓋了從航路、終端區到進近著陸的所有飛行階段，為民航提供更加精確、安全的飛行方法和更高效的空中交通管理模式。

全球衛星導航系統（GNSS）是PBN發展的核心技術，也是未來導航服務能力提升的基礎。GNSS通過地基增強系統（GBAS）等外部系統以增強其性能，基于GPS的GBAS在部分國家和地區的機場已用于I類精密進近。ICAO正在進行針對GBAS用于Ⅱ/Ⅲ類精密進近的運行驗證。

近年來，隨著RNAV和RNP的逐步應用，新的航路網絡規劃對陸基導航設施（VOR/DME/NDB/ILS）的依賴逐漸減少，但傳統導航設施在未來仍會作為GNSS的備份，同時慣性導航仍將持續使用。

支持多種傳感器、傳統導航和區域導航管理的飛行管理功能是實現PBN不可或缺的關鍵技術，中遠期規劃飛行管理系統需進一步提升能力以支持4D航跡能力。

圖1 ASBU通信技術路線圖

圖2 ASBU導航技術路線圖

2.3 監視技術

我國現用于空中交通服務的監視技術主要有一次監視雷達、場面監視雷達、二次監視雷達、自動相關監視和多點定位等，監視技術實施路線如圖3所示。其中廣播式自動相關監視（ADS-B）是未來的主要監視技術，它將衛星導航、通信技術、機載設備及地面設備等先進技術相結合，為空中交通提供了更加安全、高效的監視手段，能有效提高管制員和飛行員的運行態勢感知能力。目前國內重點區域已實現ADS-B OUT初始運行，計劃在2020年前實現全空域覆蓋，并在2025年運行ADS-B IN擴展空空監視功能，實現空中交通情景意識功能和機載間隔輔助應用。對于機載ADS-B設備來說，導航源將引入北斗衛星導航系統，以提高GNSS的安全性與定位能力。ADS-B的地空通信鏈路可擴展到衛星通信，通過星基ADS-B技術的應用，實現洋區和極地區域的覆蓋。

3 軍用飛機擴展民航空中交通管理

軍機航空無線電系統中普遍包含通信、導航、識別（監視）設備，現有的AM話音通信、衛星導航和VOR/DME/NDB/ILS無線電導航、S模式航管應答等技術能夠與民航空中交通管理兼容。隨著全球航行系統的發展，民航通信導航監視領域的新技術可用于提升軍機的空中交通管理能力和安全飛行水平。從國外情況來看，美國國防部實施CNS/ATM現代化項目來升級其C-5、KC-10、C-130等飛機，以滿足空中交通管理的需要。

圖3 ASBU監視技術路線圖

3.1 ACARS/ATN及空中交通服務應用

運輸類中大型軍用飛機通過擴展ACARS/ATN功能及提升ATS應用能力，可實現與民航空管通信系統的無縫連接，以提升空中交通管理的自動化能力，增強其在民航空域的飛行安全。另外，我軍現有通信網絡只覆蓋了國內及周邊區域，軍機在執行境外飛行任務時缺乏有效通信手段，升級民航ACARS及ATN數據通信功能后，可借助民用海事衛星通信及民航覆蓋全球的數據通信網絡，實現對軍機的遠程位置跟蹤和狀態監控。

機載數據通信系統按功能可分為通信子網、網絡協議、數據鏈應用3層。ACARS系統的通信子網包含VHF模式A、VDL模式2和提供Aero服務的衛通子網，網絡協議層駐留ACARS消息處理和鏈路管理協議，數據鏈應用層駐留AOC和ATS應用。AOC應用可根據對軍機使用需求進行自定義，通常包括飛行計劃請求、位置報告、飛機狀態信息通告、故障信息下傳和文電上傳等。ACARS支持的ATS應用包括ARINC 623中規定的面向字符的應用及FANS 1/A應用。ATN系統的通信子網包含VDL模式2和提供寬帶數據服務的衛通子網，網絡層駐留ATN協議棧，數據鏈應用層駐留AOC應用及CPDLC、ADS-C、飛行情報服務（FIS）等ATS應用。

對于采用聯合式架構的航電系統，ACARS及ATN功能實現方案如圖4所示。在改裝方案中通信子網駐留于超短波數傳電臺和衛通設備等通信設備中，數據鏈應用功能與飛行計劃等功能一起駐留在飛行管理計算機中，也可將數據鏈應用層與ACARS/ATN協議棧一起在通信管理設備中得以實現。在加裝設備方案中將數據鏈協議、應用及顯示控制放在一個獨立設備（ATSU）中實現。

對于采用綜合式架構的航電系統，數據鏈協議和應用均以軟件形式駐留在通用信息處理器中，超短波或衛星通信子網可與現有的信道資源復用。

圖4 聯合式架構下ACARS/ATN實現框架

3.2 RNP

由于受地形和氣候因素影響，在高原機場起降時可能出現傳統導航進近程序無法實施的情況。軍用飛機在具備RNP運行能力后，可根據導航精度要求在航路和終端進近區提供連續精確的航跡引導，減少對陸基導航設施的依賴及氣候的影響，以保障飛行安全。

RNP是指航空器在指定空域或根據航路、儀表飛行程序飛行時，對系統精確性、完好性、可用性、連續性及功能方面的性能要求，它包含對導航設備的性能要求，也包含對飛行管理系統的導航管理功能要求。RNP導航功能框架如圖5所示，主要功能如下：

（1）從飛機計劃功能中獲取航線信息并進行同步更新和調整；

（2）從導航數據庫中獲取航段對應的RNP值及各個導航臺站信息；

（3）多傳感器數據進行信息融合；

（4）根據當前可用導航源選擇對應的導航模式，即將慣性參考系統（IRS）作為基準導航源與其他導航源進行組合，導航模式按優先順序有：IRS/GNSS、IRS/DME/DME(或 TACAN)、IRS/DME/VOR，進近階段采用IRS/LOC/MLS模式；

（5）根據航路選擇合適的導航臺，對機載DME和VOR設備進行自動調諧；

（6）進行實時位置估算和系統誤差評估，計算實際導航性能（ANP），當ANP大于RNP值時進行警告。

軍用運輸類飛機普遍裝備有GNSS和無線電導航設備，部分機型也裝備有飛行管理計算機，后續將逐步升級飛行管理的RNP導航功能，通過試飛測試等手段評估和優化飛機RNP運行能力，提升飛機導航精度和航跡引導能力。

圖5 RNP導航功能框圖

3.3 ADS-B IN

航管應答機也是軍用飛機的標配。空中交通管制部門通過航管二次雷達的A/C及S模式詢問實現對軍機的地空監視，雖然民航逐漸開始應用ADS-B技術，但軍方對ADS-B OUT的應用并不迫切。另外，對于無人機來說，飛行空域更復雜，在空中情景感知方面要求更高，ADS-B IN技術可實現軍用無人機與其他飛行器之間的空空監視，自主實現航行調整和防撞規避操作。

ADS-B是一種基于GNSS，利用數據鏈通信完成交通監視和飛行信息傳遞的監視技術，現階段主要通過S模式二次雷達的1090ES數據鏈實現。機載ADS-B接收設備接收空域其他飛機發射的ADS-B OUT信息，獲取其飛行位置等信息，通過交通防撞算法實現避讓防撞。ADS-B IN功能可通過軍機現有的航管應答設備實現ADS-B消息接收處理，不需額外增加硬件設備，實施周期短、成本低。

4 結束語

軍用飛機為實現戰術目標更重視作戰效能和戰術技術指標的先進性，民用飛機更注重飛行安全和規則標準符合性。從軍民融合的角度，借助民航的設計理念可提升軍機的安全性和可靠性，擴展民航通信導航監視領域最新技術，兼容民航空中交通管理，可提升國內外民航空域、高原地區等特殊場景下軍機的飛行安全。

軍用和民用通信導航監視技術有共通性，我國工業部門在民航相關產品研制上有技術積累和工程經驗，目前部分技術已具備設備產業化能力，因此在軍機上擴展兼容空中交通管理能力完全可行。