ATC系統處理FF-ICE四維剖面的分析

李靜 朱愷杰 袁頌升 張凡 管浩潤

（1.北京華泰英翔空管技術有限公司，北京 100088；2.中國民用航空華東地區空中交通管理局，上海 200336）

0.引言

目前的國際民航組織（International Civil Aviation Organization，ICAO）的飛行計劃機制在飛行計劃共享、提前通知、不一致的飛行情報、信息發送、信息安全、靈活信息集以及可導出信息等方面存在很大限制。

FF-ICE提供一個全球統一的機制，用于在各個利益攸關方之間共享飛行和流量數據。ATM界將使用這一概念制定ICAO的標準和建設措施，該概念將在2025年之前貫徹實施。FF-ICE 對包括軍隊在內的空中交通管理界的要求作了考慮，使全球的 ATM“趨于一致”。在進行合作時，尤其應該將重點放在數據保密、數據交換、數據完整性和數據共享等方面。

1.FF-ICE基本概念和發布版

FF-ICE要求ATM界多個參與方相互作用，以下為主要參與方：空域用戶（Airspace User，AU）、機場運營人（Aerodrome Operations，AOPs）、ATM服務提供者（ATM Service Provider，ASPs）、空域提供者（Airspace Provider，APs）以及緊急服務提供者（Emergency Service Provider，ESPs）。

FF-ICE的概念分為幾個發布版。FF-ICE/發布版1的工作范圍是在航班起飛前，在AU和相關ASPs之間建立“商定的四維剖面”。FF-ICE/發布版2的范圍是航班起飛后，在AU和相關ASPs之間協商對“商定的四維剖面”的變更。飛行中的必須基于“商定的四維剖面”進行協商。“商定的四維剖面”由各個ASPs共享和共同維護（包括更新）。ASPs發布的許可要求根據“商定的四維剖面”實時提供給機組。FF-ICE之后的發布版將逐步完善基于航跡運行（Trajectory Based Operations，TBO）的概念，如圖1所示。

圖1 FF-ICE發布版

2.ATC系統處理FF-ICE剖面的問題分析

FF-ICE概念中的四維剖面分為如下5種：

理想的四維剖面（Desired 4D trajectory）：由空域用戶生成的最適合于完成任務目標的剖面。對于任何一次給定的飛行來說，在任何點，只有一條理想的四維剖面。理想的四維剖面與商定的四維剖面不同時，空域用戶需要對理想的四維剖面進行維更新，由ATM服務者盡快提供者分享。

商定的四維剖面（Agreed 4D trajectory）：空域用戶和ATM服務提供者共同商定的四維剖面，是空域用戶當前飛行所使用的剖面。

已執行的四維剖面（Executed 4D trajectory）：航空器從啟動至當前位置的實際四維剖面。

需要協商的四維剖面（Negotiating 4D trajectory）：由空域用戶或者ATM服務提供者提議的一條四維剖面，該剖面有可能成為一條商定的四維剖面。在協商過程中，每個參與方一次只能提供一條需要協商的四維剖面。這些剖面不一定代表門到門的剖面。

按序排列的四維剖面（Ranked 4D trajectory）：一系列的理想的四維剖面，不強制要求提供。必要時由空域用戶提供余度，用于選擇優先選擇按序排列的四維剖面。

ATC系統需要重點關注FF-ICE概念中的“商定的四維剖面”“已執行的四維剖面”以及“需要協商的四維剖面”。本文將ATC系統中執行的剖面稱為ATC四維剖面或者ATC剖面。

FF-ICE中的四維剖面主要由場面航段和空中航段組成。離場場面航段和進場場面航段的信息主要由塔臺自動化系統提供，空中航段信息主要由空管自動化系統提供。本文以如圖2運行場景為例，航空器從起飛到落地，依次經過塔臺自動化系統ASP1，空管自動化系統ASP2、ASP3、ASP4以及塔臺自動化系統ASP5。

圖2 四維剖面的組成部分

2.1 ATC系統同步“已執行的四維剖面”

具有管制權限的ATC系統負責發布“已執行的四維剖面”。不具備管制權限的ATC系統需要同步此剖面，在同步過程中主要關注如下場景：

場景1：當航空器在起飛機場地面滑行時，ASP1不斷更新離場場面航段的信息。在此場景中，ASP2至ASP5不關心ASP1發布的滑行路徑細節信息，在處理“已執行的四維剖面”時，采取直接存儲數據的方式，不對本地ATC剖面進行更新。因此，ATC系統要求界定出“已執行的四維剖面”中需要關注的信息，便于本地更新ATC四維剖面。

場景2：ADS-C航跡在洋區或者沙漠飛行時，航路上兩個報高點之間的飛行時間會比較長，導致“已執行的四維剖面”會停留在前一個報高點很久。因此，ATC系統即使更新了“已執行的四維剖面”也不能準確的獲得航空器的位置，需要ATC系統對航跡位置進行預測。

場景3：在本地系統中，飛行計劃與監視源航跡相關，當ATC系統收到“已執行的四維剖面”時，對比“已執行的四維剖面”和ATC四維剖面，判斷是否一致。如果不一致，需要判斷原因，是由于多監視源融合機制上的差異導致的還是相關錯誤等其他原因導致的。因此，ATC系統需要界定判斷“已執行四維剖面”和ATC剖面一致性的標準。

場景4：本地系統中無此飛行計劃，根據FF-ICE信息，在本地創建計劃，全面同步“已執行的四維剖面”。因此，ATC系統需要界定，哪些計劃需要在本地創建計劃。

2.2 ATC系統同步“商定的四維剖面”

具有管制權限的ATC系統負責發布“商定的四維剖面”。不具備管制權限的ATC系統需要同步此剖面。如果此“商定的四維剖面”不符合本地的限制條件，ATC系統仍然進行同步剖面，但是，同時需要發布本地的“需要協商的四維剖面”。

2.3 ATC系統提出“需要協商的四維剖面”

每個管制區都有自己的管轄范圍，可以根據協調點（Coordination Point，COP）來劃分航路段的責任管制區。

如果“商定的四維剖面”中由本管制區負責的航路段剖面不符合限制條件，則需要提出“需要協商的四維剖面”。可以使用2種方式提出：收到的限制信息或者管制員主動改航時，主動提出；或者判斷“商定的四維剖面”不符合條件時，主動提出。每個管制區只需提出本管制區負責的航路段剖面的建議。

2.4 ATC系統處理“需要協商的四維剖面”

ATC系統收到“需要協商的四維剖面”后，需要判斷是否符合本地的運行環境，每個ASP需要判斷所有航路段的合理性.

具有管制權限的自動化系統，負責根據所有ASPs對每個“需要協商的四維剖面”的反饋信息，計算出新的“商定的四維剖面”，可采用如下原則：

（1）全部ASPs都認可的“需要協商的四維剖面”，才會繼續參與計算。只要有一個ASP不認可，則此剖面將不予以考慮。

（2）當沒有一個“需要協商的四維剖面”被認可時保持原有的“商定的四維剖面”。當有多個被認可的“需要協商的四維剖面”時從每個“需要協商的四維剖面”中截取提交方所負責的航段，組合成新的“商定的四維剖面”進而發布。

3.基于TBO運行時ATC系統需要關注的問題分析

ICAO規定，基于TBO運行是ATM環境，其中航空器的飛行路徑盡可能接近用戶首選的飛行路徑，從而減少潛在的沖突，更早更有效地解決需求/容量失衡的問題。在這樣的環境中，通過協作開發、管理和共享四維剖面將成為所有利益攸關方決策的共同參考。TBO對機載剖面（Aircraft-derived trajectory）的定義為機載剖面由機載自動化計算得出。當選擇適當的模式時，機載剖面包含提供給橫向和縱向引導功能的輸入信息以及航空器預計飛行的軌跡。

ATC系統處理機載剖面時，需要面臨如下問題：

（1）界定機載剖面可靠性的標準。例如，需要考慮航空器選擇何種模式運行、氣象信息是否及時加載到機載設備中、管制許可是否及時加載到機載設備中等。

（2）采用何種鏈路和協議將機載剖面共享給ATC系統。

（3）ATC系統如何使用機載剖面。可以采用2種方式：1）直接使用“未來幾分鐘內的機載剖面”更新“商定的四維剖面”，同時微調后續剖面。2）保持原有的“商定的四維剖面”，如果“未來幾分鐘內的機載剖面”與“商定的四維剖面”不一致，則發出告警，提供管制員手動確認，選擇何種剖面。

以上是基于TBO運行時改造ATC系統必然會面臨的問題。從宏觀上講，想廣泛地推廣TBO運行就需要所有利害攸關方對整個基于航跡的運行，包括配套能力和流程之間所需的互動達成統一認識至關重要。

4.結語

本文介紹了FF-ICE概念、發布版本的目標任務以及協作環境下5種剖面：“理想的四維剖面”“已執行的四維剖面”“商定的四維剖面”“需要協商的四維剖面”以及“按序排列的四維剖面”。同時，主要分析了ATC系統同步“已執行的四維剖面”和“商定的四維剖面”的初步流程、ATC系統提出“需要協商的四維剖面”的場景和流程以及根據“需要協商的四維剖面”確定“商定的四維剖面”標準。在整個協作過程中，具有管制權限的ATC系統具備最高權限，可發布“商定的四維剖面”和“已執行的四維剖面”；但是，所有協商環境下的參與者都可以提出“需要協商的四維剖面”。在實際的協同運行環境中，需要考慮塔臺自動化系統、協同決策系統、全國流量等系統。本文中介紹的解決方案，只考慮了空管自動化系統，可用于驗證FF-ICE發布版2的技術方案，為后續發布本奠定基礎。