CNSATM概念下的基于時(shí)間運(yùn)行技術(shù)研究

鄭智明等

摘 要：基于時(shí)間運(yùn)行（Time-Based Operation，TiBO）技術(shù)為通信導(dǎo)航監(jiān)視/空中交通管理（CNS/ATM）技術(shù)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。該文在CNS/ATM運(yùn)行路線圖的基礎(chǔ)上，介紹了TiBO技術(shù)的概念，并對(duì)TiBO技術(shù)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了探究，提出了一種實(shí)現(xiàn)方案，并介紹了TiBO實(shí)現(xiàn)方案的運(yùn)行流程圖。同時(shí)，對(duì)TiBO技術(shù)的下一步發(fā)展基于航跡運(yùn)行（Trajectory based Operations，TBO）進(jìn)行了分析。TiBO技術(shù)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)初始四維導(dǎo)航（Initial 4D， I4D），可以為民用航空提供更加準(zhǔn)時(shí)、安全的航空運(yùn)輸、更高的飛行效率、更多的飛行容量以及更好的環(huán)境適應(yīng)性。

關(guān)鍵詞：CNS/ATM 基于時(shí)間運(yùn)行 初始四維導(dǎo)航 民用航空

中圖分類號(hào)：V355.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）07（a）-0111-02

ICAO基于對(duì)未來(lái)空中交通流量增長(zhǎng)和應(yīng)用需求的預(yù)測(cè)，提出CNS/ATM的概念，在飛機(jī)、空間和地面設(shè)施三個(gè)環(huán)境中利用由衛(wèi)星和數(shù)字信息提供的先進(jìn)通信（C）、導(dǎo)航（N）和監(jiān)視（S）技術(shù)，以解決現(xiàn)行航行系統(tǒng)在未來(lái)航空運(yùn)輸中的安全、容量和效率不足問(wèn)題。CNS/ATM是一個(gè)全球一體化的系統(tǒng)，也是空中平臺(tái)和地面基礎(chǔ)平臺(tái)完整統(tǒng)一的系統(tǒng)。

目前CNS/ATM技術(shù)的研究主要由歐洲單一天空實(shí)施計(jì)劃（SESAR）和FAA下一代航空運(yùn)輸系統(tǒng)（NextGen）開展。空客，波音以及一些主要的航電系統(tǒng)供應(yīng)商（例如法國(guó)Thales和美國(guó)Honeywell）是主要的設(shè)備和系統(tǒng)研究及開發(fā)實(shí)體。根據(jù)SESAR和NextGen的開發(fā)計(jì)劃，CNS/ATM實(shí)施的第一個(gè)步驟為TiBO。為實(shí)現(xiàn)TiBO需要同時(shí)具備廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視發(fā)送/接收（ADS-B OUT/IN）、所需到達(dá)時(shí)間（RTA）、數(shù)據(jù)鏈（DATALINK）、所需導(dǎo)航性能（RNP）等多項(xiàng)技術(shù)。

1 基于時(shí)間運(yùn)行技術(shù)概述

根據(jù)SESAR的開發(fā)計(jì)劃，CNS/ATM實(shí)施主要分為三個(gè)步驟：

步驟1，基于時(shí)間運(yùn)行（Time based Operations，TiBO）；

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

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

時(shí)間基運(yùn)行（TiBO）是實(shí)現(xiàn)的第一步。在TiBO中，空中交通管制（ATC）規(guī)定一個(gè)航路點(diǎn)（通常為匯合點(diǎn)）作為目標(biāo)窗口（TW），包括空間和時(shí)間。在匯合點(diǎn)，每一個(gè)到場(chǎng)飛機(jī)被分配一個(gè)約束時(shí)間，飛機(jī)被允許飛行最優(yōu)的航跡到匯合點(diǎn)。數(shù)據(jù)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(wù)，滑行服務(wù)（D-TAXI），并支持飛行情報(bào)服務(wù)（D-OTIS）。

當(dāng)前的測(cè)試系統(tǒng)稱為i4D，目的是共享和同步機(jī)載和地面的航跡在目標(biāo)到達(dá)時(shí)間（TTA）點(diǎn)上，以產(chǎn)生同步的空-地航跡。當(dāng)前的飛行管理系統(tǒng)僅有單點(diǎn)RTA功能并主要用在進(jìn)近流量管理。多點(diǎn)RTA是單點(diǎn)RTA的擴(kuò)展，但多點(diǎn)RTA目前仍在開發(fā)階段，主要的原因是當(dāng)前的分布ATM網(wǎng)絡(luò)不支持動(dòng)態(tài)航跡協(xié)調(diào)。航跡基運(yùn)行（TBO）是在TiBO基礎(chǔ)上運(yùn)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(tǒng)供應(yīng)商研究的重點(diǎn)。

2 基于時(shí)間運(yùn)行技術(shù)實(shí)現(xiàn)探究

TiBO技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要綜合多個(gè)系統(tǒng)和多項(xiàng)技術(shù)。該文主要針對(duì)TiBO技術(shù)在民用飛機(jī)上實(shí)現(xiàn)進(jìn)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(tǒng)（FMS）中增加4D導(dǎo)航功能，即增加RTA功能，用于設(shè)定到達(dá)某一個(gè)或者多個(gè)航路點(diǎn)的到達(dá)時(shí)間，以控制和定點(diǎn)到場(chǎng)以回避航路和終端交通擁擠；

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

（3）TiBO需要飛機(jī)和地面空中交通管理中心（ATFM）不斷協(xié)商各個(gè)要求航路點(diǎn)的RTA以及4D航跡。需要綜合考慮起飛前靜態(tài)4D航跡協(xié)商過(guò)程要求和4D航跡協(xié)商精度要求；到場(chǎng)前4D協(xié)商要求和RTA協(xié)商精度要求；

（4）飛行管理系統(tǒng)和飛行控制系統(tǒng)應(yīng)支持4D制導(dǎo)和控制功能；

（5）通信系統(tǒng)應(yīng)具備4D航跡、RTA、飛行管理系統(tǒng)風(fēng)速、溫度等數(shù)據(jù)的上下傳能力。

圖2說(shuō)明了TiBO過(guò)程，表示多個(gè)到達(dá)時(shí)間約束的航路點(diǎn)。在TiBO過(guò)程中可能僅支持單點(diǎn)RTA。這種單點(diǎn)的RTA通常設(shè)置在最終的進(jìn)近點(diǎn)。

（1）ATFM將航路信息通過(guò)通信系統(tǒng)上傳到飛機(jī)上；

（2）飛行機(jī)組將航路信息加載到飛行管理系統(tǒng)中，并且更新飛行管理系統(tǒng)的溫度和風(fēng)速等數(shù)據(jù)；

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

（4）ATFM發(fā)送計(jì)算的4D航跡和RTA到離場(chǎng)管理系統(tǒng)（DMAN），DMAN上行發(fā)送這些數(shù)據(jù)到飛機(jī)飛行管理系統(tǒng)；

（5）飛機(jī)飛行管理系統(tǒng)根據(jù)飛機(jī)的性能驗(yàn)證AFTM計(jì)算的D航跡和RTA約束航路點(diǎn)的可飛性，如同意，發(fā)送確認(rèn)到DMAN；

（6）DMAN通知ATFM，ATFM發(fā)送經(jīng)過(guò)協(xié)商確認(rèn)的4D航跡和RTA指令給飛機(jī)。

AMAN代表進(jìn)場(chǎng)管理系統(tǒng)，AMAN與飛機(jī)的協(xié)商過(guò)程同DMAN類同。

3 基于時(shí)間運(yùn)行的下一步發(fā)展方向

TiBO的下一步發(fā)展方向?qū)門BO。TBO技術(shù)實(shí)現(xiàn)上將對(duì)機(jī)上系統(tǒng)提出更高的要求，如以下幾點(diǎn)。

（1）飛行管理系統(tǒng)需要考慮多點(diǎn)RTA （RTA依然通過(guò)協(xié)商建立）；

（2）TBO功能需要空空數(shù)據(jù)鏈支持；

（3）TBO運(yùn)行要求航跡基間隔保持功能；

（4）4D航跡設(shè)計(jì)和4D航跡預(yù)測(cè)要求需要同時(shí)考慮航跡預(yù)測(cè)精度，航路約束，氣象條件和動(dòng)態(tài)的交通流量信息；動(dòng)態(tài)4D航跡協(xié)商過(guò)程需要同時(shí)考慮航跡協(xié)商精度，協(xié)商所需時(shí)間和結(jié)束條件。

4 結(jié)語(yǔ)

TiBO技術(shù)作為CNS/ATM技術(shù)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，也是近期新研飛機(jī)必須要考慮實(shí)現(xiàn)的技術(shù)。國(guó)內(nèi)飛機(jī)制造商在CNS/ATM領(lǐng)域尚處于薄弱的環(huán)節(jié)，因此預(yù)先對(duì)TiBO技術(shù)進(jìn)行研究，可以為TiBO在新研飛機(jī)的實(shí)現(xiàn)奠定理論基礎(chǔ)。

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