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    四維航跡:精細化管制“黑科技”

    時間:2022年04月14日   來源:

    新冠肺炎疫情暴發前,繁忙的空中交通與指數級增長的出行需求讓航空業上下游開始探索技術升級與變革。四維航跡就是在經度、緯度、高度和時間的基礎上,通過硬件與軟件升級改造,實現了數據本身更加精準、數據傳輸更加迅速、數據使用執行統一標準。近年來,空客公司分別在歐洲和中國開展了四維航跡探索及實踐,讓基于四維航跡的運行更加成熟可靠。
      精確數據 安全可控
      按照傳統的飛機運行指揮模式,管制員需要語音告知飛行員具體指令。飛行員在收到管制員指令后復誦,管制員再監聽飛行員復誦,以確保指令準確,如此一來一回至少需要超過10秒的時間。然而,在采用了四維航跡技術后,整個流程將大為不同——在地面,管制員只需點擊鼠標即可將發布指令;在空中,這條指令會直接傳到飛機上,飛行員可以在屏幕上看到更標準的數字指令。這種技術不僅可以降低因口誤而發錯指令的概率,在出現問題時也更容易及時進行更正。
      四維航跡技術的核心在于時間精確可控,采用基于經度、緯度、高度和時間4個維度的精確數據,能夠讓飛機運行更安全。通過對航班起飛、爬升、巡航、近進、著陸等全階段進行精細化控制,四維航跡運行能夠實現“定點定時”飛行,時間精度從分鐘級乃至10分鐘級,提升至10秒容差之內。
      對于市場體量快速發展的民航業來說,這樣的“提速”意義重大。多項數據顯示,疫情發生前,空中交通的繁忙程度呈指數級提升。2015年~2019年,中國民航運輸總周轉量、旅客周轉量、貨郵周轉量逐年上升,連續5年民航運輸增速維持在10%以上。以2019年為例,全行業運輸航空公司完成飛機起降496.62萬架次,比上年增長5.8%。
      在此背景下,提高自動化水平是避免大面積航班延誤、降低成本的有效路徑之一。近年來,基于四維航跡的運行是民航局以及民航局空管局非常重視的新技術應用之一,也是智慧民航、智慧空管建設的具體應用場景之一。自2016年以來,在民航局、民航局空管局等行業主管部門的指導下,多家民航相關企業進行深度合作,經過3年多的產學研用協同攻關,研制出了一系列四維航跡信息處理系統(ATN數據鏈處理系統、四維航跡管制自動化系統等)。與此同時,為驗證該技術的系統能力和管制運行程序,2016年~2018年,空客公司與中國聯合項目團隊以及管制運行單位開展了多層次、全方位的模擬仿真驗證工作。
      技術升級 受益良多
      在運行時,航空器之間需要根據所在高度保持適當的安全距離。由于空管部門、機場、航空公司以及航空器等采用的信息參照不盡相同,管制員在進行指揮時必須將數據傳輸與損耗所帶來的信息滯后考慮在內,為安全距離留出空間。在四維航跡技術的支持下,每架飛機的數據能夠被提前確定下來,這不僅能夠提高空中交通的可預測性,也能更好地保障飛行安全。除此之外,根據優化后的路線飛行,飛機還可以減少燃料使用,在降低成本的同時減少二氧化碳排放。
      “航路間隔的優化需要空管部門、機場、航空公司、航空器之間共享航跡動態信息。統一使用四維航跡進行管理,能夠極大地提高安全裕度,提升管理效率,讓飛機運行更加安全。”空客公司相關項目負責人告訴記者。
      對于飛行來說,四維航跡的價值在于為所有系統提供相同的數據參照。在推算出四維航跡后,航空器飛行管理系統(FMS)會將相關數據傳送給空管、航空公司運控中心以及流量管理系統等,保證所有相關方在閉環內參照相同數據。依據現行標準,四維航跡技術最多可計算128個航跡點。
      在飛行過程中,飛行管理系統接收到管制數字化指令(CPDLC)后,將結合飛機實時數據動態更新預測航跡,從而增強航跡預測能力,實現對飛機的精準預測和控制。而在精準預測和控制背后,則是復雜的系統工程,涉及機載航電系統、地空數據鏈與空管信息系統等升級改造。值得一提的是,空客公司已開發出了符合適航要求的航電系統(FANS C)。有了配備FANS C系統的飛機,地面的空中導航服務提供商(ANSP)將能夠更準確地預測交通流量。
      對于空管保障部門來說,四維航跡飛機數據能夠為管制容量釋放更多空間。據悉,四維航跡飛機數據將被應用到各種管制自動化工具中,為指定空域甚至更遠區域的交通監控、組織和排序服務,有效降低管制員的工作強度。
      “四維航跡技術不僅能夠讓管制員更加了解飛行員的意圖,還可以增強沖突探測、交通態勢感知、容量與需求平衡、復雜性管理等能力。”空客公司相關項目負責人表示,“例如,在沖突探測中,兩架飛機可能在場面滑行、航路飛行等過程中發生沖突。地面空管人員在獲取兩架飛機的四維航跡數據后,可及時比對分析,提前預判可能出現的問題,及早指揮避讓,從而大大提升安全裕度。此外,對多架飛機的態勢感知,涉及流量管理、容量與需求平衡,這不僅是對單一飛機的管理,更是對飛行體系的宏觀把控。”
      國際合作 未來可期
      對于民航業來說,四維航跡是未來發展的大勢所趨。
      目前,流量管理系統已經將經度、緯度、高度和時間4個維度的數據納入考量。然而,由于數據精度不高、傳輸速度較慢等制約,其在應對大面積航班延誤時仍顯得力不從心。與之相比,四維航跡技術可為該系統提供更精確、更及時的數據,對完善流量管理系統大有裨益。
      不過,眼下四維航跡運行尚不成熟,想要其充分發揮作用,仍需各國共同努力。目前,歐美和亞太各國已對四維航跡理念達成一致。在第十二屆全球航行大會上,國際民航組織發布了航空系統升級組塊計劃ASBU,將高效航跡列為四大組塊之一,四維航跡作為關鍵績效領域的重要部分,計劃在2028年前分四個階段逐步實現。
      為進一步驗證四維航跡的可靠性,歐洲于2017年啟動SESAR 2020PJ-31 DIGITS超大規模四維航跡驗證飛行項目。該項目關注的重點是四維航跡的實時傳輸,通過分析找到實現空管信息交互的更好方案。項目啟動后,共有6家航企的91架空客A320飛機參與了驗證運行,累計航班量超過2萬架次,記錄的航班ADS-C信息超過140萬條。
      在國內,2019年3月,空客公司參與并支持中國民航成功完成亞太地區首次初始四維航跡運行驗證項目。在此次驗證飛行中,具備四維航跡飛行管理能力和通信能力的空客A320飛機由天津濱海機場起飛,前往廣州白云機場,抵達后再返回天津。飛行航線途經6大管制單位,全程3800多公里。整個過程中,機載系統、地面系統以及空地數據鏈通信系統工作正常,空地飛行管制按計劃順利實施。此次驗證飛行充分驗證了四維航跡技術的空地數字化協同管制、空地航跡共享等能力,并在3個航路點進行了航空器定時到達(RTA)能力測試,偏差均控制在5秒以內,實現了飛行“定點定時”。
      在推進四維航跡運行技術上,中歐雙方一直攜手并進。試驗飛行成功后,以四維航跡和地空通信數據鏈為主題的技術研討會等活動不斷開展,中歐雙方充分交流各自的經驗。未來,我國智慧空管建設將以四維航跡管理為基礎,建立以航跡管理為核心的先進空管運行模式,提升戰略、預戰術、戰術層面的流量管理能力,推進航班全生命周期精細化管控,提高安全水平,實現擴容增效。

    名詞解釋
      CPLDC:Controller Pilot Data Link Communications,即管制員—飛行員數據鏈通信,可用來彌補語音交流存在的缺陷,如語音頻道擁擠、音質差、誤譯導致的誤解與同時講話所產生的干擾等。
      合同式自動相關監視(ADS-C):Automatic Dependent Surveillance-Contract,將機上系統收集的位置、高度、速度、意圖和氣象等數據,以報告形式自動發送給與飛機簽署合同的空中交通服務單元,用于飛機位置和航路符合性監控。
      飛行管理系統(FMS):Flight Management Computer System,是指以計算機為核心的高級區域導航、制導系統和性能管理系統,其主要功能是空中飛行計劃管理,經常使用各種傳感器來確定飛機的位置。

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