滕冀川

摘 要：隨著軍事航空、公共運(yùn)輸航空以及通用航空的快速發(fā)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(xié)調(diào)工作負(fù)荷日益增重。實(shí)施科學(xué)、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(jiān)視技術(shù)的廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（ADS-B：Automatic Dependence Surveillance-Broadcast），其數(shù)據(jù)信息豐富、更新速度快、自主性強(qiáng)、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠較為精準(zhǔn)的進(jìn)行4D航跡預(yù)測(cè)以及基于航空器空中態(tài)勢(shì)的時(shí)間計(jì)算，更加客觀、全面的知曉全局的空中態(tài)勢(shì)，能夠?yàn)榭罩薪煌髁恐贫ǔ龈涌茖W(xué)、及時(shí)、有效的戰(zhàn)術(shù)管理方案提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：ADS-B;戰(zhàn)術(shù)流量管理;流量控制

中圖分類號(hào)：V355.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）14-0250-02

0 引言

當(dāng)前我國(guó)戰(zhàn)術(shù)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(jù)本區(qū)域運(yùn)行情況以及周邊管制單位限制，向周邊管制單位發(fā)出獲傳遞的限制指令，通常通過(guò)拉大航班進(jìn)入本管制區(qū)時(shí)間間隔或空間間隔來(lái)實(shí)現(xiàn)[1]。然而，這種方法存在很多問(wèn)題：流量控制指令大多根據(jù)管制員自身的從業(yè)經(jīng)驗(yàn)，缺乏全局性、系統(tǒng)性和前瞻性的態(tài)勢(shì)分析;局部空中交通狀況的獲取，主要是通過(guò)引接區(qū)域內(nèi)以及周邊相鄰管制區(qū)的雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行推測(cè)或預(yù)判，獲取的數(shù)據(jù)信息較為單一，與航空器的聯(lián)動(dòng)性較低，對(duì)于地面雷達(dá)設(shè)備依賴度較高。盡管空管使用的地面一、二次雷達(dá)在技術(shù)性能、功能和可靠性方面都已經(jīng)發(fā)展的相當(dāng)成熟，但其存在建設(shè)成本高昂、選址部署與維護(hù)困難等諸多問(wèn)題與局限，對(duì)于迫切需要系統(tǒng)性、及時(shí)性、有效性、自動(dòng)化程度高的戰(zhàn)術(shù)流量管理發(fā)展帶來(lái)“瓶頸”。作為新一代監(jiān)視技術(shù)的廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（ADS-B），其在監(jiān)視范圍、性能、部署以及造價(jià)等方面較空管雷達(dá)都有較為明顯的優(yōu)勢(shì)，其數(shù)據(jù)信息更為豐富、更新速度更快、自動(dòng)化程度更高、與航空器聯(lián)動(dòng)性更強(qiáng)，對(duì)于航空器的航跡預(yù)測(cè)和時(shí)間預(yù)測(cè)更為準(zhǔn)確，能夠更為便捷的建立全局性的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，為戰(zhàn)術(shù)流量管理提供更加全面、系統(tǒng)、科學(xué)、有效的決策依據(jù)。

1 ADS-B相關(guān)介紹

廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（ADS-B），是利用空-空和地-空數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)監(jiān)視和數(shù)據(jù)信息交互的新一代航行技術(shù)。其功能模塊主要分為兩個(gè)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(dǎo)航定位系統(tǒng)獲得的實(shí)時(shí)精確的導(dǎo)航信息和基于航空器自身設(shè)備的其他飛行狀態(tài)信息通過(guò)衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈或VHF空-地?cái)?shù)據(jù)鏈實(shí)時(shí)自動(dòng)發(fā)送，這些數(shù)據(jù)至少包括飛機(jī)識(shí)別碼，四維位置、爬升率和所需附加數(shù)據(jù)（如：飛行趨勢(shì)、氣象信息等）。該功能是ADS-B的基本功能，通過(guò)地面數(shù)據(jù)站接收航空器發(fā)出的ADS-B OUT信息，可以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的掌握空中態(tài)勢(shì)。

1.2 ADS-B IN

該功能是指航空器ADS-B接收機(jī)接收來(lái)自其它航空器發(fā)射機(jī)發(fā)送的ADS-B OUT信息或地面站設(shè)備發(fā)送的信息。其中地面站發(fā)送的信息分為兩大類：空中交通信息服務(wù)廣播（TIS-B：Traffic Information Service-Broadcast） 信息和飛行信息服務(wù)（Flight Information Service-Broadcast）信息[2]。其中，TIS-B信息通過(guò)地面基站將航空器發(fā)送的ADS-B OUT位置信息與雷達(dá)等其他監(jiān)視設(shè)備接收的信息融合為統(tǒng)一的位置信息，最后通過(guò)TIS-B服務(wù)器集成和過(guò)濾生成空中交通監(jiān)視全景信息發(fā)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(qiáng)情境意識(shí)，提升飛行安全;FIS-B信息則可以通過(guò)地面基站向航空器傳送包括流量限制（過(guò)臺(tái)時(shí)間、進(jìn)港時(shí)間等）、臨時(shí)禁飛區(qū)域、特殊使用空域信息、空勤通知、機(jī)場(chǎng)天氣預(yù)報(bào)和其它航行信息等，幫助飛行員獲得豐富的飛行運(yùn)行信息，及時(shí)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(jù)實(shí)際情況，自主進(jìn)行速度、時(shí)間上的調(diào)整，增強(qiáng)空-地互動(dòng)聯(lián)系，ADS-B技術(shù)原理圖1所示。

1.3 ADS-B數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)

數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)是ADS-B技術(shù)的重要組成部分，是傳輸/接收航空器四維信息、飛行狀態(tài)、空中態(tài)勢(shì)、流量控制等重要信息的基礎(chǔ)。目前主要有三種數(shù)據(jù)鏈標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于ADS-B的信息傳輸，分別是：基于Mode S的1090 MHz擴(kuò)展電文（1090ES：1090 MHz Extended Squitter）數(shù)據(jù)鏈、通用訪問(wèn)收發(fā)（UAT：Universal Access Transceiver）數(shù)據(jù)鏈以及甚高頻數(shù)據(jù)鏈模式4（VDL Mode4：VHF Data Link MODE 4）數(shù)據(jù)鏈。其中1090ES目前主要用于民航公共運(yùn)輸，UAT主要用于通用航空運(yùn)輸，VDL-4沒(méi)有廣泛運(yùn)用。ADS-B數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)具有信道容量大、傳輸速率快的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于實(shí)時(shí)監(jiān)控圖像信息、文本信息等都能夠快速、準(zhǔn)確的進(jìn)行傳輸，為使用者提供及時(shí)性、精準(zhǔn)性。

1.4 ADS-B數(shù)據(jù)處理分級(jí)

目前，ADS-B數(shù)據(jù)處理分為三級(jí)，分別為：一級(jí)數(shù)據(jù)處理中心，二級(jí)數(shù)據(jù)處理中心以及數(shù)據(jù)站。其中，一級(jí)數(shù)據(jù)處理中心接收所有二級(jí)數(shù)據(jù)處理中心的ADS-B數(shù)據(jù)，形成全國(guó)ADS-B動(dòng)態(tài)信息為空中交通流量管理、空域管理、國(guó)際間ADS-B數(shù)據(jù)交換、中外航空公司、機(jī)場(chǎng)、航空保障企業(yè)、運(yùn)行監(jiān)管和社會(huì)公眾發(fā)布全國(guó)航空器態(tài)勢(shì)信息;二級(jí)數(shù)據(jù)處理中心引接本區(qū)域內(nèi)及相鄰區(qū)域的ADS-B數(shù)據(jù)，為區(qū)域管制中心自動(dòng)化系統(tǒng)、大型終端區(qū)管制中心自動(dòng)化系統(tǒng)等提供ADS-B實(shí)時(shí)綜合監(jiān)視信息，同時(shí)為本區(qū)域內(nèi)的中低空管制中心、終端（進(jìn)近）管制中心、塔臺(tái)自動(dòng)化系統(tǒng)提供備份ADS-B實(shí)時(shí)綜合監(jiān)視信息，并且向一級(jí)數(shù)據(jù)處理中心上傳ADS-B實(shí)時(shí)綜合監(jiān)視信息;數(shù)據(jù)站則引接ADS-B地面站數(shù)據(jù)，為所轄地區(qū)的中低空管制中心、終端（進(jìn)近）管制中心、塔臺(tái)等空管部門提供ADS-B實(shí)時(shí)綜合監(jiān)視信息。

2 基于ADS-B技術(shù)的增強(qiáng)型戰(zhàn)術(shù)流量管理研究

國(guó)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(wù)機(jī)構(gòu)公布的空中交通容量相匹配的服務(wù)[4]。流量管理劃分為：戰(zhàn)略、預(yù)戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)術(shù)三個(gè)階段。其中，戰(zhàn)略階段通常發(fā)生在航班運(yùn)行前一天之前，一般在二至六個(gè)月之前，管理的對(duì)象主要是定期航班，對(duì)其計(jì)劃做出先期安排，是一種長(zhǎng)期結(jié)構(gòu)性的調(diào)整階段;預(yù)戰(zhàn)術(shù)階段時(shí)間范疇一般指航班計(jì)劃執(zhí)行前七日至前一日，通過(guò)對(duì)各方資源的有效組織優(yōu)化，對(duì)戰(zhàn)略階段形成的計(jì)劃進(jìn)行必要調(diào)整;戰(zhàn)術(shù)階段主要指計(jì)劃執(zhí)行當(dāng)日，管理對(duì)象主要是當(dāng)日即將以及正在執(zhí)行的飛行計(jì)劃，通過(guò)臨時(shí)調(diào)整避免在實(shí)際執(zhí)行過(guò)程中出現(xiàn)流量過(guò)載的情況發(fā)生。

2.1 何為戰(zhàn)術(shù)流量管理

在飛行計(jì)劃執(zhí)行當(dāng)日，利用飛行計(jì)劃數(shù)據(jù)和雷達(dá)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)交通流量的實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)與預(yù)測(cè)，在多種約束條件下，地面等待策略和終端區(qū)動(dòng)態(tài)排序策略相結(jié)合的綜合流量管理方法。

2.2 戰(zhàn)術(shù)流量管理管理的主要方法

目前，戰(zhàn)術(shù)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(zhàn)術(shù)流量管理的方法各有優(yōu)點(diǎn)，但又各自存在程序上的局限性。

2.3 基于ADS-B技術(shù)的增強(qiáng)型戰(zhàn)術(shù)流量管理

當(dāng)前的戰(zhàn)術(shù)流量管理所依托的空中動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)信息主要是地面一、二次空管雷達(dá)數(shù)據(jù)信息，相對(duì)于ADS-B的數(shù)據(jù)信息，ADS-B OUT/IN功能所傳送的飛行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息容量更大，更新速率更快，自動(dòng)化程度更高，其功能所覆蓋的領(lǐng)域更為全面。無(wú)論是在地面，其增強(qiáng)的場(chǎng)面交通狀態(tài)獲?。ˋTSA-SURF），還是在空中，其增強(qiáng)的飛行進(jìn)程交通狀態(tài)獲?。ˋTSA-AIRB）、增強(qiáng)的排隊(duì)和匯聚（ASPA-S&M）等功能，都能夠根據(jù)限制條件實(shí)時(shí)、自主的進(jìn)行高程度的自動(dòng)化測(cè)算與推演，能夠更加客觀、有效、自主的進(jìn)行當(dāng)前空域環(huán)境的容量和流量平衡性調(diào)整。

2.3.1 基于時(shí)間度量的戰(zhàn)術(shù)流量管理

基于時(shí)間度量的流量管理概念是在充分考慮航空器性能以及監(jiān)視、運(yùn)行能力、自動(dòng)化程度基礎(chǔ)上的戰(zhàn)術(shù)流量管理策略。基于時(shí)間度量的戰(zhàn)術(shù)流量管理是通過(guò)監(jiān)視交通流量，預(yù)測(cè)目標(biāo)區(qū)域（航路關(guān)鍵點(diǎn)）長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)預(yù)計(jì)航空器數(shù)量達(dá)到或超過(guò)目標(biāo)區(qū)域接受能力之時(shí)，調(diào)整進(jìn)入?yún)^(qū)域內(nèi)的航空器時(shí)間，使進(jìn)入該空域的航空器數(shù)量控制在小于區(qū)域內(nèi)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(shù)正是實(shí)現(xiàn)這一戰(zhàn)術(shù)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(duì)時(shí)間、開車時(shí)間、滑行時(shí)間等）與空中飛行狀態(tài)（四維位置、航路點(diǎn)時(shí)間等），航空器通過(guò)ADS-B IN功能接收其他航空器ADS-B OUT發(fā)送的數(shù)據(jù)信息以及區(qū)域聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)站和全國(guó)聯(lián)網(wǎng)的一、二級(jí)數(shù)據(jù)處理中心發(fā)送的各類數(shù)據(jù)信息（包括：空域限制、流量限制、飛行間隔等），再通過(guò)FMC的計(jì)算，就能測(cè)量和判別出航空器進(jìn)入?yún)^(qū)域（到達(dá)航路點(diǎn)）的預(yù)計(jì)時(shí)間和該區(qū)域（該點(diǎn)的）流量限制要求的時(shí)間的差異，從而使得航空器自主在起飛后進(jìn)行調(diào)整。ADS-B OUT/IN功能的實(shí)現(xiàn)使得流量限制不再是發(fā)布簡(jiǎn)單統(tǒng)一的間隔要求，而是轉(zhuǎn)為確定告知每架航空器通過(guò)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的時(shí)間（間隔）。ADS-B數(shù)據(jù)處理中心的全國(guó)范圍聯(lián)網(wǎng)，使得流量管理可以從全局出發(fā)，增強(qiáng)區(qū)域間聯(lián)動(dòng)性。影響基于時(shí)間度量的戰(zhàn)術(shù)流量管理的主要因素有：凍結(jié)區(qū)、機(jī)場(chǎng)和空域容量、相鄰機(jī)場(chǎng)的相互影響、最小間隔標(biāo)準(zhǔn)等。

2.3.2 基于航跡度量的戰(zhàn)術(shù)流量管理

在第十二次空中航行會(huì)議上提出了基于航跡的運(yùn)行（TBO，Trajectory Based Operation）這個(gè)概念，國(guó)際民航組織也將其納入到航空系統(tǒng)組塊升級(jí)（ASBUs，Aviation System Block Upgrade）當(dāng)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(lián)合行動(dòng)成員共進(jìn)行了兩次初始四維航跡（i4D）飛行測(cè)試，用于驗(yàn)證空地?cái)?shù)據(jù)共享，并計(jì)劃于2018年開始部署i4D航跡運(yùn)行，全面提高飛機(jī)運(yùn)行品質(zhì)。美國(guó)FAA也將航跡預(yù)測(cè)過(guò)程融合到了其研發(fā)的終端區(qū)空中交通管制自動(dòng)化系統(tǒng)（TATCA，Terminal Air Traffic Control Automation）當(dāng)中。

基于航跡的運(yùn)行，其基礎(chǔ)就是對(duì)空中航空器四維航跡的預(yù)測(cè)，而四維（4D，F(xiàn)our Dimensional）航跡預(yù)測(cè)就是有科學(xué)依據(jù)的對(duì)空中航空器未來(lái)某段時(shí)間內(nèi)三維位置（經(jīng)度、緯度、高度）進(jìn)行預(yù)測(cè)。4D航跡預(yù)測(cè)能夠?yàn)榭罩泻娇掌魈峁┚珳?zhǔn)的未來(lái)運(yùn)行軌跡，同時(shí)也能夠通過(guò)未來(lái)航跡推算出精準(zhǔn)的航路關(guān)鍵點(diǎn)過(guò)點(diǎn)時(shí)間。4D航跡預(yù)測(cè)可以幫助管制員加強(qiáng)對(duì)航空器空中的態(tài)勢(shì)掌握，同時(shí)也能夠?yàn)橹贫?zhǔn)確、可靠的戰(zhàn)術(shù)流量管理策略提供科學(xué)依據(jù)。

由于空域環(huán)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(dá)獲取空中航空器飛行態(tài)勢(shì)信息的傳統(tǒng)監(jiān)視手段在這種條件下，只能進(jìn)行監(jiān)視，不能對(duì)航空器未來(lái)航跡進(jìn)行預(yù)測(cè)，這就為戰(zhàn)術(shù)流量管理的策略制定帶來(lái)不便。ADS-B作為新一代監(jiān)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(yù)測(cè)得以實(shí)現(xiàn)的重要技術(shù)保障。ADS-B OUT可以實(shí)時(shí)不間斷的自主向外發(fā)送其4D位置信息及飛機(jī)意圖信息（未來(lái)航跡改變關(guān)鍵點(diǎn)），通過(guò)接收航空器此類信息，利用航跡預(yù)測(cè)算法獲得航空器未來(lái)某段時(shí)間的三維信息，從而能夠幫助流量管理者制定出有科學(xué)依據(jù)、較為精準(zhǔn)的戰(zhàn)術(shù)流量管理策略。

3 結(jié)語(yǔ)

作為新一代監(jiān)視技術(shù)的廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（ADS-B），其應(yīng)用不僅僅局限于空中交通活動(dòng)的管制與監(jiān)視，更能夠通過(guò)結(jié)合航空器的航跡運(yùn)行對(duì)空中飛行流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與預(yù)測(cè)，為制定準(zhǔn)確、可靠的戰(zhàn)術(shù)流量管理策略提供更為客觀、科學(xué)、高效的依據(jù)，從而幫助空中交通能夠安全、平穩(wěn)、順暢和高效的運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

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