面向四維航跡運行的空地數(shù)據(jù)鏈架構(gòu)設(shè)計*

邱藝煌，卞啟龍，徐浚哲，李 莎，任明軒

(中國民航大學(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。基于四維航跡的運行(Trajectory Based Operation，TBO)可以將飛機到達(dá)預(yù)計點的時刻精度從分鐘級提高到十秒級。因此基于四維航跡的運行不但可以增加空中流量，而且可以使飛機飛得更加平穩(wěn)，改善航班運行現(xiàn)狀。

1 ATS通信網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)

航空電信網(wǎng)簡稱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報告中擴展投影剖面(EPP，Extended Projected Profile)、ADS-C提供的四維航跡數(shù)據(jù)鏈(4DTRAD)。

2 基于四維航跡的運行

2.1 基于四維航跡運行的概念

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

表1

2.2 實現(xiàn)TBO的關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)

2.2.1 飛行管理系統(tǒng)

要想使飛機在預(yù)計時間到達(dá)預(yù)計的航路點，就必須提前根據(jù)飛機的重量、飛行高度等大量參數(shù)計算出下一個航路點。FMS能夠結(jié)合飛行計劃和實時的氣象信息，計算出飛機如何進(jìn)行速度和方向的調(diào)整，從而滿足所需到達(dá)時間RTA的要求。FMS還應(yīng)該與自動駕駛儀、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，從而實現(xiàn)精準(zhǔn)的航跡引導(dǎo)。

2.2.2 空地數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)

在傳統(tǒng)運行中，主要通過陸空通話的方式指揮飛機，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行除了要交互航行情報、管制指令、位置信息等常規(guī)信息外，還需要交互氣象、發(fā)動機參數(shù)、4D動態(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)

對于地面空管，應(yīng)該在保障扇區(qū)內(nèi)飛機沒有沖突的前提下，盡可能提高整個空域的運行效率。如果扇區(qū)內(nèi)的飛機數(shù)量較多時，就必須依靠計算機來進(jìn)行飛機間隔控制和飛機的排序，這樣才能從根本上提升管制運行效率。實現(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)報技術(shù)

在飛機飛行階段，風(fēng)對飛機有很大的影響，能否準(zhǔn)確預(yù)測下一時間的風(fēng)速和風(fēng)向很大程度上決定飛機能否準(zhǔn)時達(dá)到下一個航路點。因此四維航跡運行必然要求實現(xiàn)四維數(shù)值氣象預(yù)報。結(jié)合世界區(qū)域預(yù)報系統(tǒng)的格點預(yù)報數(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)報模型，可滿足飛機FMS四維航跡準(zhǔn)確計算對氣象數(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通信實現(xiàn)過程

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

機組成員完成初始化登錄(LOG ON)步驟之后，飛行管理系統(tǒng)FMS將向某個指定的ATSU發(fā)送一個“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向飛機發(fā)送一個“CONNECTION REQUEST”消息，飛機自動以一個“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向飛機發(fā)送一個“AFN CONTACT ADVISORY”消息，告知飛機與NDA進(jìn)行AFN登錄，并提供AFN登錄所需信息。飛機以一個“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“AFN CONTACT”消息，請求與其進(jìn)行AFN登錄。NDA以一個“AFN ACKNOWLEGEMENT”消息回復(fù)飛機，飛機同時向CDA發(fā)送一個“AFN COMPLETE”消息，向CDA表明飛機已與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。在適合的時間和相應(yīng)的管制移交地點，CDA向飛機發(fā)送一個“END SERVICE”消息，初始化終止CPDLC鏈接。飛機回復(fù)一個“DISCONNECT”消息，即刻終止CPDLC鏈接。特殊情況下，飛機也可以主動發(fā)送一個“DISCONNECT REQUEST”消息來強制終止與地面管制單位之間的CPDLC鏈接。

3.1.2 CPDLC報文規(guī)范

CPDLC消息報文一般由以下幾部分組成：

(1)消息識別碼；

(2)時間和日期；

(3)邏輯確認(rèn)指示；

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

3.2 ADS-C

CPDLC主要用于飛行員與管制員的通信，而ADS-C更偏向于對航班信息的實時監(jiān)視[3]。其能夠?qū)C載設(shè)備計算出的有關(guān)飛機位置、速度等信息，利用空地數(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，將接收的每個點的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為航跡，以此來實時地監(jiān)視飛機。

3.2.1 ADS-C的合同類型

ADS-C合同由ATSU發(fā)起。ATSU可向一架飛機發(fā)起多個合同。一些信息在每份報告中都需采集下傳，如果地面需要額外地信息，則需在報告中要求。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要求飛機按照一定的時間間隔發(fā)送ADS-C報文，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)整時間間隔。

要求合同：當(dāng)ATSU在規(guī)定時間內(nèi)沒有收到飛機端發(fā)送的合同時，可以向飛機發(fā)送要求合同。要求合同可以向飛機請求傳輸單一地ADS-C報告。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)飛機系統(tǒng)判斷飛機狀態(tài)達(dá)到ATSU設(shè)定的條件時，如：航路點變更、側(cè)向偏差、垂直速率變化時向ATSU通報。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)送登錄請求后，就可以接入ADS-C數(shù)據(jù)鏈。飛機管理系統(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)收到飛機發(fā)起的登錄請求時，就會向飛機發(fā)送一個ADS-C合同的請求。當(dāng)飛機的ADSC功能沒有關(guān)閉時，就會自動連接。

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

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

3.2.3 ADS-C報文傳輸機制

ADS-C將飛機的信息通過空地數(shù)據(jù)鏈，以報文形式發(fā)送到地面端。只有在飛機注冊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：由機載傳感器和大氣數(shù)據(jù)傳感器收集信息，由機載管理模塊整合后，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)，將飛機的實時位置顯示在屏幕上。

4 ATC通信管理

ATC通信管理(ACM)是基于CPDLC的空地數(shù)據(jù)鏈通信在涉及空中交通服務(wù)單位移交時的一種自動化通信服務(wù)。ATC通信管理提供機組和空中交通服務(wù)單位之間的自動化通信移交，可實現(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)用就自動提供。這個能力支持飛機向其他系統(tǒng)的登錄和登錄信息的自動更新。

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個場景：

(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立于數(shù)據(jù)通信傳輸；

(6)機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的典型運行場景。

第一步：向NDA飛機發(fā)出T-ATSU通知。

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

第二步：在R-ATSU和飛機之間建立CPDLC。

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

第三步：發(fā)出T-ATSU與飛機之間的語音傳輸指令并終止CPDLC。

在發(fā)送CPDLC終止請求之前，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，機組人員確認(rèn)轉(zhuǎn)移語音通信和CPDLC的指示。

第四步：飛機認(rèn)為R-ATSU是CDA。

在與T-ATSU終止CPDLC后，飛機系統(tǒng)將R-ATSU識別為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，對TBO進(jìn)行研究分析，著重闡明了相關(guān)報文規(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，并進(jìn)一步提出自動化的ATC通信管理移交服務(wù)。本文中所描述的四維航跡的空地數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)架構(gòu)也存在一定的缺陷，如飛機數(shù)量過多時所面臨的通信排隊優(yōu)化和部分傳輸功能自動化后地面管制的不確定因素分析等問題還有待研究。