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四维航迹:精细化管制“黑科技”

时间:2022年04月14日   来源:

新冠肺炎疫情暴发前,繁忙的空中交通与指数级增长的出行需求让航空业上下游开始探索技术升级与变革。四维航迹就是在经度、纬度、高度和时间的基础上,通过硬件与软件升级改造,实现了数据本身更加精准、数据传输更加迅速、数据使用执行统一标准。近年来,空客公司分别在欧洲和中国开展了四维航迹探索及实践,让基于四维航迹的运行更加成熟可靠。
  精确数据 安全可控
  按照传统的飞机运行指挥模式,管制员需要语音告知飞行员具体指令。飞行员在收到管制员指令后复诵,管制员再监听飞行员复诵,以确保指令准确,如此一来一回至少需要超过10秒的时间。然而,在采用了四维航迹技术后,整个流程将大为不同——在地面,管制员只需点击鼠标即可将发布指令;在空中,这条指令会直接传到飞机上,飞行员可以在屏幕上看到更标准的数字指令。这种技术不仅可以降低因口误而发错指令的概率,在出现问题时也更容易及时进行更正。
  四维航迹技术的核心在于时间精确可控,采用基于经度、纬度、高度和时间4个维度的精确数据,能够让飞机运行更安全。通过对航班起飞、爬升、巡航、近进、着陆等全阶段进行精细化控制,四维航迹运行能够实现“定点定时”飞行,时间精度从分钟级乃至10分钟级,提升至10秒容差之内。
  对于市场体量快速发展的民航业来说,这样的“提速”意义重大。多项数据显示,疫情发生前,空中交通的繁忙程度呈指数级提升。2015年~2019年,中国民航运输总周转量、旅客周转量、货邮周转量逐年上升,连续5年民航运输增速维持在10%以上。以2019年为例,全行业运输航空公司完成飞机起降496.62万架次,比上年增长5.8%。
  在此背景下,提高自动化水平是避免大面积航班延误、降低成本的有效路径之一。近年来,基于四维航迹的运行是民航局以及民航局空管局非常重视的新技术应用之一,也是智慧民航、智慧空管建设的具体应用场景之一。自2016年以来,在民航局、民航局空管局等行业主管部门的指导下,多家民航相关企业进行深度合作,经过3年多的产学研用协同攻关,研制出了一系列四维航迹信息处理系统(ATN数据链处理系统、四维航迹管制自动化系统等)。与此同时,为验证该技术的系统能力和管制运行程序,2016年~2018年,空客公司与中国联合项目团队以及管制运行单位开展了多层次、全方位的模拟仿真验证工作。
  技术升级 受益良多
  在运行时,航空器之间需要根据所在高度保持适当的安全距离。由于空管部门、机场、航空公司以及航空器等采用的信息参照不尽相同,管制员在进行指挥时必须将数据传输与损耗所带来的信息滞后考虑在内,为安全距离留出空间。在四维航迹技术的支持下,每架飞机的数据能够被提前确定下来,这不仅能够提高空中交通的可预测性,也能更好地保障飞行安全。除此之外,根据优化后的路线飞行,飞机还可以减少燃料使用,在降低成本的同时减少二氧化碳排放。
  “航路间隔的优化需要空管部门、机场、航空公司、航空器之间共享航迹动态信息。统一使用四维航迹进行管理,能够极大地提高安全裕度,提升管理效率,让飞机运行更加安全。”空客公司相关项目负责人告诉记者。
  对于飞行来说,四维航迹的价值在于为所有系统提供相同的数据参照。在推算出四维航迹后,航空器飞行管理系统(FMS)会将相关数据传送给空管、航空公司运控中心以及流量管理系统等,保证所有相关方在闭环内参照相同数据。依据现行标准,四维航迹技术最多可计算128个航迹点。
  在飞行过程中,飞行管理系统接收到管制数字化指令(CPDLC)后,将结合飞机实时数据动态更新预测航迹,从而增强航迹预测能力,实现对飞机的精准预测和控制。而在精准预测和控制背后,则是复杂的系统工程,涉及机载航电系统、地空数据链与空管信息系统等升级改造。值得一提的是,空客公司已开发出了符合适航要求的航电系统(FANS C)。有了配备FANS C系统的飞机,地面的空中导航服务提供商(ANSP)将能够更准确地预测交通流量。
  对于空管保障部门来说,四维航迹飞机数据能够为管制容量释放更多空间。据悉,四维航迹飞机数据将被应用到各种管制自动化工具中,为指定空域甚至更远区域的交通监控、组织和排序服务,有效降低管制员的工作强度。
  “四维航迹技术不仅能够让管制员更加了解飞行员的意图,还可以增强冲突探测、交通态势感知、容量与需求平衡、复杂性管理等能力。”空客公司相关项目负责人表示,“例如,在冲突探测中,两架飞机可能在场面滑行、航路飞行等过程中发生冲突。地面空管人员在获取两架飞机的四维航迹数据后,可及时比对分析,提前预判可能出现的问题,及早指挥避让,从而大大提升安全裕度。此外,对多架飞机的态势感知,涉及流量管理、容量与需求平衡,这不仅是对单一飞机的管理,更是对飞行体系的宏观把控。”
  国际合作 未来可期
  对于民航业来说,四维航迹是未来发展的大势所趋。
  目前,流量管理系统已经将经度、纬度、高度和时间4个维度的数据纳入考量。然而,由于数据精度不高、传输速度较慢等制约,其在应对大面积航班延误时仍显得力不从心。与之相比,四维航迹技术可为该系统提供更精确、更及时的数据,对完善流量管理系统大有裨益。
  不过,眼下四维航迹运行尚不成熟,想要其充分发挥作用,仍需各国共同努力。目前,欧美和亚太各国已对四维航迹理念达成一致。在第十二届全球航行大会上,国际民航组织发布了航空系统升级组块计划ASBU,将高效航迹列为四大组块之一,四维航迹作为关键绩效领域的重要部分,计划在2028年前分四个阶段逐步实现。
  为进一步验证四维航迹的可靠性,欧洲于2017年启动SESAR 2020PJ-31 DIGITS超大规模四维航迹验证飞行项目。该项目关注的重点是四维航迹的实时传输,通过分析找到实现空管信息交互的更好方案。项目启动后,共有6家航企的91架空客A320飞机参与了验证运行,累计航班量超过2万架次,记录的航班ADS-C信息超过140万条。
  在国内,2019年3月,空客公司参与并支持中国民航成功完成亚太地区首次初始四维航迹运行验证项目。在此次验证飞行中,具备四维航迹飞行管理能力和通信能力的空客A320飞机由天津滨海机场起飞,前往广州白云机场,抵达后再返回天津。飞行航线途经6大管制单位,全程3800多公里。整个过程中,机载系统、地面系统以及空地数据链通信系统工作正常,空地飞行管制按计划顺利实施。此次验证飞行充分验证了四维航迹技术的空地数字化协同管制、空地航迹共享等能力,并在3个航路点进行了航空器定时到达(RTA)能力测试,偏差均控制在5秒以内,实现了飞行“定点定时”。
  在推进四维航迹运行技术上,中欧双方一直携手并进。试验飞行成功后,以四维航迹和地空通信数据链为主题的技术研讨会等活动不断开展,中欧双方充分交流各自的经验。未来,我国智慧空管建设将以四维航迹管理为基础,建立以航迹管理为核心的先进空管运行模式,提升战略、预战术、战术层面的流量管理能力,推进航班全生命周期精细化管控,提高安全水平,实现扩容增效。

名词解释
  CPLDC:Controller Pilot Data Link Communications,即管制员—飞行员数据链通信,可用来弥补语音交流存在的缺陷,如语音频道拥挤、音质差、误译导致的误解与同时讲话所产生的干扰等。
  合同式自动相关监视(ADS-C):Automatic Dependent Surveillance-Contract,将机上系统收集的位置、高度、速度、意图和气象等数据,以报告形式自动发送给与飞机签署合同的空中交通服务单元,用于飞机位置和航路符合性监控。
  飞行管理系统(FMS):Flight Management Computer System,是指以计算机为核心的高级区域导航、制导系统和性能管理系统,其主要功能是空中飞行计划管理,经常使用各种传感器来确定飞机的位置。

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