基于ADS-B技術的增強型戰術流量管理研究

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調工作負荷日益增重。實施科學、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。作為新一代監視技術的廣播式自動相關監視（ADS-B：Automatic Dependence Surveillance-Broadcast），其數據信息豐富、更新速度快、自主性強、自動化程度高等優點，能夠較為精準的進行4D航跡預測以及基于航空器空中態勢的時間計算，更加客觀、全面的知曉全局的空中態勢，能夠為空中交通流量制定出更加科學、及時、有效的戰術管理方案提供依據。

關鍵詞：ADS-B;戰術流量管理;流量控制

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

0 引言

當前我國戰術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本區域運行情況以及周邊管制單位限制，向周邊管制單位發出獲傳遞的限制指令，通常通過拉大航班進入本管制區時間間隔或空間間隔來實現[1]。然而，這種方法存在很多問題：流量控制指令大多根據管制員自身的從業經驗，缺乏全局性、系統性和前瞻性的態勢分析;局部空中交通狀況的獲取，主要是通過引接區域內以及周邊相鄰管制區的雷達信號進行推測或預判，獲取的數據信息較為單一，與航空器的聯動性較低，對于地面雷達設備依賴度較高。盡管空管使用的地面一、二次雷達在技術性能、功能和可靠性方面都已經發展的相當成熟，但其存在建設成本高昂、選址部署與維護困難等諸多問題與局限，對于迫切需要系統性、及時性、有效性、自動化程度高的戰術流量管理發展帶來“瓶頸”。作為新一代監視技術的廣播式自動相關監視（ADS-B），其在監視范圍、性能、部署以及造價等方面較空管雷達都有較為明顯的優勢，其數據信息更為豐富、更新速度更快、自動化程度更高、與航空器聯動性更強，對于航空器的航跡預測和時間預測更為準確，能夠更為便捷的建立全局性的數據網絡，為戰術流量管理提供更加全面、系統、科學、有效的決策依據。

1 ADS-B相關介紹

廣播式自動相關監視（ADS-B），是利用空-空和地-空數據通信實現監視和數據信息交互的新一代航行技術。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航定位系統獲得的實時精確的導航信息和基于航空器自身設備的其他飛行狀態信息通過衛星數據鏈或VHF空-地數據鏈實時自動發送，這些數據至少包括飛機識別碼，四維位置、爬升率和所需附加數據（如：飛行趨勢、氣象信息等）。該功能是ADS-B的基本功能，通過地面數據站接收航空器發出的ADS-B OUT信息，可以實時、準確的掌握空中態勢。

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射機發送的ADS-B OUT信息或地面站設備發送的信息。其中地面站發送的信息分為兩大類：空中交通信息服務廣播（TIS-B：Traffic Information Service-Broadcast） 信息和飛行信息服務（Flight Information Service-Broadcast）信息[2]。其中，TIS-B信息通過地面基站將航空器發送的ADS-B OUT位置信息與雷達等其他監視設備接收的信息融合為統一的位置信息，最后通過TIS-B服務器集成和過濾生成空中交通監視全景信息發送給航空器，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）、臨時禁飛區域、特殊使用空域信息、空勤通知、機場天氣預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實際情況，自主進行速度、時間上的調整，增強空-地互動聯系，ADS-B技術原理圖1所示。

1.3 ADS-B數據鏈系統

數據鏈系統是ADS-B技術的重要組成部分，是傳輸/接收航空器四維信息、飛行狀態、空中態勢、流量控制等重要信息的基礎。目前主要有三種數據鏈標準應用于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）數據鏈、通用訪問收發（UAT：Universal Access Transceiver）數據鏈以及甚高頻數據鏈模式4（VDL Mode4：VHF Data Link MODE 4）數據鏈。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數據鏈系統具有信道容量大、傳輸速率快的優點，對于實時監控圖像信息、文本信息等都能夠快速、準確的進行傳輸，為使用者提供及時性、精準性。

1.4 ADS-B數據處理分級

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

2 基于ADS-B技術的增強型戰術流量管理研究

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機構公布的空中交通容量相匹配的服務[4]。流量管理劃分為：戰略、預戰術和戰術三個階段。其中，戰略階段通常發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，是一種長期結構性的調整階段;預戰術階段時間范疇一般指航班計劃執行前七日至前一日，通過對各方資源的有效組織優化，對戰略階段形成的計劃進行必要調整;戰術階段主要指計劃執行當日，管理對象主要是當日即將以及正在執行的飛行計劃，通過臨時調整避免在實際執行過程中出現流量過載的情況發生。

2.1 何為戰術流量管理

在飛行計劃執行當日，利用飛行計劃數據和雷達數據實現交通流量的實時統計與預測，在多種約束條件下，地面等待策略和終端區動態排序策略相結合的綜合流量管理方法。

2.2 戰術流量管理管理的主要方法

目前，戰術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。上述幾種戰術流量管理的方法各有優點，但又各自存在程序上的局限性。

2.3 基于ADS-B技術的增強型戰術流量管理

當前的戰術流量管理所依托的空中動態數據信息主要是地面一、二次空管雷達數據信息，相對于ADS-B的數據信息，ADS-B OUT/IN功能所傳送的飛行實時動態信息容量更大，更新速率更快，自動化程度更高，其功能所覆蓋的領域更為全面。無論是在地面，其增強的場面交通狀態獲取（ATSA-SURF），還是在空中，其增強的飛行進程交通狀態獲取（ATSA-AIRB）、增強的排隊和匯聚（ASPA-S&M）等功能，都能夠根據限制條件實時、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、自主的進行當前空域環境的容量和流量平衡性調整。

2.3.1 基于時間度量的戰術流量管理

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視、運行能力、自動化程度基礎上的戰術流量管理策略。基于時間度量的戰術流量管理是通過監視交通流量，預測目標區域（航路關鍵點）長時間出現預計航空器數量達到或超過目標區域接受能力之時，調整進入區域內的航空器時間，使進入該空域的航空器數量控制在小于區域內航空器接受能力的條件下，使得空域利用效率最大化。

ADS-B技術正是實現這一戰術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（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發送的數據信息以及區域聯網的數據站和全國聯網的一、二級數據處理中心發送的各類數據信息（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區域（到達航路點）的預計時間和該區域（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整。ADS-B OUT/IN功能的實現使得流量限制不再是發布簡單統一的間隔要求，而是轉為確定告知每架航空器通過關鍵節點的時間（間隔）。ADS-B數據處理中心的全國范圍聯網，使得流量管理可以從全局出發，增強區域間聯動性。影響基于時間度量的戰術流量管理的主要因素有：凍結區、機場和空域容量、相鄰機場的相互影響、最小間隔標準等。

2.3.2 基于航跡度量的戰術流量管理

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組塊升級（ASBUs，Aviation System Block Upgrade）當中[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，用于驗證空地數據共享，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。美國FAA也將航跡預測過程融合到了其研發的終端區空中交通管制自動化系統（TATCA，Terminal Air Traffic Control Automation）當中。

基于航跡的運行，其基礎就是對空中航空器四維航跡的預測，而四維（4D，Four Dimensional）航跡預測就是有科學依據的對空中航空器未來某段時間內三維位置（經度、緯度、高度）進行預測。4D航跡預測能夠為空中航空器提供精準的未來運行軌跡，同時也能夠通過未來航跡推算出精準的航路關鍵點過點時間。4D航跡預測可以幫助管制員加強對航空器空中的態勢掌握，同時也能夠為制定準確、可靠的戰術流量管理策略提供科學依據。

由于空域環境、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、二次雷達獲取空中航空器飛行態勢信息的傳統監視手段在這種條件下，只能進行監視，不能對航空器未來航跡進行預測，這就為戰術流量管理的策略制定帶來不便。ADS-B作為新一代監視手段，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航跡預測得以實現的重要技術保障。ADS-B OUT可以實時不間斷的自主向外發送其4D位置信息及飛機意圖信息（未來航跡改變關鍵點），通過接收航空器此類信息，利用航跡預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依據、較為精準的戰術流量管理策略。

3 結語

作為新一代監視技術的廣播式自動相關監視（ADS-B），其應用不僅僅局限于空中交通活動的管制與監視，更能夠通過結合航空器的航跡運行對空中飛行流量進行統計與預測，為制定準確、可靠的戰術流量管理策略提供更為客觀、科學、高效的依據，從而幫助空中交通能夠安全、平穩、順暢和高效的運行。

參考文獻

[1] 胡明華.空中交通流量管理理論與方法[M].科學出版社，2010.

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

[3] 王小剛.基于ADS-B空管監視系統的設計與實現[D].電子科技大學，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，2012.

[5] 楊東玲.基于ADS-B的4D航跡預測及應用[D].中國民航大學，2017.