先進機場場面導向和控制系統:(A-SMGCS)分析與實現

摘 要:放眼全球化的當今社會，航空交通密度日益增大，一些具備傳統SMGCS(Surface Movement Guidance and Control System機場導向和控制系統)系統的機場運營過于繁忙，趨近飽和。本課題的研究目的在于找到一種方法，對這種困境提出緩解方案。與SMGCS相比較， A-SMGCS(Advanced-Surface Movement Guidance and Control System，先進機場場面導向和控制系統)擁有更為先進的功能，具體分為四部分:監視，路由，導向，控制。本文將對A-SMGCS的應用背景和發展狀況給出較為全面的調研總結，并結合ICAO(International Civil Aeronautics Organization，國際民間航空組織) A-SMGCS手冊的論述對A-SMGCS提出詳細性能需求，最后在此基礎上提出A-SMGCS的系統功能架構和初步實現方法。A-SMGCS的引入可以有效地提高機場運營效率，降低事故率。

關鍵詞:場面沖撞 事故統計 性能需求 功能架構 初步實現

中圖分類號:V35文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)11(c)-0095-05

Abstract:Due to an increasing air traffic density all around the mordent world， some of the airport operations， with a SMGCS (Surface Movement Guidance and Control System) performance， are suffering overloads to their capacities. This project intends to search for a solution for the above difficulty. Compared with SMGCS， A-SMGCS(Advanced-Surface Movement Guidance and Control System)is facilitated with promoted functions spited as guidance， routing， navigation， and control. This paper gives a conclusion covering the investigation into the A-SMGCS application and development[1]. Additionally， system performance requirements are outlined based on ICAO (International Civil Aeronautics Organization) A-SMGCS Manual. Finally， the A-SMGCS system architecture and initial implementation are developed in the paper. The introduction of A-SMGCS is capable to improve the airport operation efficiency and reduce the accident rate.

Keywords:Surface Collision;Accident Statistics; Performance Requirements;Function Architecture; Initial Implementation

放眼全球化的當今社會，航空交通密度日益增大，一些具備傳統SMGCS(Surface Movement Guidance and Control System機場導向和控制系統)系統的機場運營過于繁忙，趨近飽和。本課題的研究目的在于找到一種方法，對這種困境提出緩解方案。與SMGCS相比較， A-SMGCS(Advanced-Surface Movement Guidance and Control System，先進機場場面導向和控制系統)擁有更為先進的功能，具體分為四部分:監視，路由，導向，控制。

引言

在過去的數十年內，全球民用航空產業經歷了迅猛的發展，在這種交通密度下，機場的運營管理能力在各個方面都面臨著巨大的挑戰，例如滑行道堵塞，跑道或滑行道沖撞，機場構型復雜化，航班延遲等。這一系列困難導致了機場的運營現狀很難滿足民航市場的需求[1，2]。

1 事故統計

早在2004年，FAA(Federal Aviation Administration 聯邦航空局)即對機場場面運營安全情況進行統計分析，在其跑道安全性報告[1]中顯示，從1994年至2004年，平均每350，000次航班運營就會有一起嚴重的跑道沖撞發生，每3.7年就會有一起跑道沖撞引發航空事故。

圖1顯示了從1994年到2001年的跑道沖撞數據統計，以及沖突產生的原因[3]，如圖1。

圖表1的橫軸為年度標識，縱軸為跑道事故的統計數據。由表格可見，引起事故的原因有:

a)機場車輛因素;

b)飛行員因素:

1)忽略了路口或滑行道指示;

2)進行了一個錯誤轉向;

3)越過了預定的停止線。

c)地面交通管制員因素:

1)出港指令出錯，送給錯誤接受對象或是包含錯誤內容;

2)對于飛行員返回的錯誤反饋，沒有進行驗證或糾正。

圖2的統計數據顯示了上述導致跑道事故的因素在2000到2003年間的變化趨勢。

該統計數據取自2004年度FAA跑道安全性報告[1]，調查對象針對至少一種機型。(如圖2)

除去人為因素的影響，通信情況也會影響到機場場面的運營安全。主要是由于:

a)通信頻道壅塞;

b)在著陸階段滑行指令太長;

c)專業術語不標準。

2 SMGCS 和A-SMGCS

所有的機場都有某種形式的SMGCS技術。在傳統的SMGCS下，系統功能包括導向和路由。最原始的SMGCS僅提供紙質的滑行道導向標識，而現今先進的A-SMGCS可以顯示復雜的機場構型，包括各種新型的場面標識。

2.1 傳統SMGCS運營特點

a)地面交通管制員通過PSR(Primary Surveillance Radar，主監視雷達)機場雷達和飛行員語音報告掌握場面交通情況;

b)地面交通管制員通過預設語音信道發送場面行動指令;

c)飛行員在機場場面的行動須聽從導航指令;

d)飛行員接受到指令后與駕駛艙內配置的紙質路由表格對照執行;

e)飛行員通過肉眼觀察場面標識來判斷前進方向;

f)飛行員通過語音通信與地面交通管制員通信，發送狀態報告或提出請求。

基于上述的情況，不難發現，傳統的SMGCS會給機場運營帶來限制和困難。

對于飛行員而言，本機和別的飛機或障礙物之間沒有最小間隔距離指示，也沒有實時的防撞告警;飛行員必須通過肉眼判斷場面標識，這一點極易遭受到天氣狀況的影響;飛行員和地面交通管制員之間的聯系受到語音通信質量、速度和帶寬的限制。

從地面交通管制員的角度出發，他們通過傳統的PSR雷達監視，必然受到雷達性能和天氣狀況影響;一旦發生緊急情況，需要變化預定的滑行道和跑道路由，指令難以實時發送;在配置路由的時候，沒有合理的HMI

2.2 A-SMGCS

人機接口)加以支持。在低可見度的運行條件下，SMGCS系統對場面交通計劃規定具體的操作規程;這些規程在不同的機場有所不同，可能取決于空中交通管制ATS，空中交通服務)，機場人員職能分工，和機場場面構型及支持設備。在高密度的機場，地面交通管制員面臨著過大的工作量。

由此可見，對于僅僅裝備SMGCS的機場，天氣環境，語音通信，人為因素，均能引起機場運營的延時和阻塞，甚至沖撞事故，極大地降低了機場運營安全性和經濟性。

針對這種形勢，NASA美國國家航空航天局)和其合作伙伴發展了A-SMGCS，工作內容包括系統架構和操作規程。ICAO A-SMGCS手冊[2]也對A-SMGCS的性能進行了各種規定，包括系統概念、應用說明、性能要求、優化評估。

A-SMGCS能在AVOL(Aerodrome Visibility Operational Level，機場可視度可操作水平)內，針對場面內的飛機和車輛，提供監視、路由、導向和控制功能，支持機場場面交通的有效性和安全性。因此，與SMGCS相比，A-SMGCS最大的區別在于能夠適應更廣泛的天氣條件、視野情況、交通密度和機場場面構型;同時也能提供更為精確的場面導向和控制，為運行在滑行道或跑道上的飛機確保安全間距。

如果著眼于具體應用，A-SMGCS的應用需要考慮到天氣情況(在AVOL水平范圍內)、交通密度、機場構型和其他的本地環境因素，并且最終取決于各子系統的支持條件、航空公司和機場的授權和配合。

為了充分實現A-SMGCS的功能，系統可以與ATM(Air Traffic Management，空中交通管理)接口。A-SMGCS協助制定機場場面交通計劃，管理在機場內運行的飛機，以適應現代機場復雜的交通流。與之相關的功能包括:

a)進港和離港管理;

b)進港和離港協調;

c)對站隊順序和時間安排進行最優化;

d)對拖回順序和時間安排進行最優化;

e)集成了飛行計劃處理系統等，中央交通流處理單元等。

機場的運營可以認為是ATM的一個有機組成部分。機場地面的運營能力應該能與機場附近的飛行環境相匹配，因此A-SMGCS應該有能力與ATM實現信息無縫交換。

配備了A-SMGCS的ATM系統，可以在以下幾個方面獲益:

a)地面交通管制效率;

b)維護效率;

c)通信資源消耗率;

d)可靠性;

e)未來改裝的效率。

根據ICAO A-SMGCS手冊[2]的闡述，A-SMGCS需要綜合HMI的支持。HMI提供在計算機上的自動化操作，但同時保持手動操作的能力，這種應用能夠為飛行員、地面交通管制員減輕工作量。

與SMGCS相比較，A-SMGCS為機場場面運行提供了下列優化:

a)地面交通管制員和飛行員有明確的職能定義，這樣能夠減少操作和運行中的交流誤解和執行偏差;

b)使用了先進的場面監視手段，使得在視野不清晰、交通繁忙或機場構型復雜的情況下，地面交通管制員或飛行員仍然能得到良好的機場場面交通信息報告;

c)將先進的導向形式和有關操作作為系統要求的一部分，基于清晰的場面標識，飛行員在預定的路由下能夠避免由于模糊的導向標識而產生的危險;

d)涵蓋了機場場面上各種級別的飛機和交通工具。

綜上所述，A-SMGCS與SMGCS比較能夠減少機場延遲，降低運行風險，增加系統可操作性，提高機場運營能力。

3 A-SMGCS性能需求

構成A-SMGCS功能的主要因素可以從以下幾點來進行考慮:

a)先進的監視功能:在AVOL條件下，保證地面交通管制員能接收到運行范圍內所有飛機和其他交通工具的必要信息;

b)先進的顯示功能:當可見度過低，影響地面交通管制員或飛行員判斷場面情況時，為飛行員提供顯示方式，實現對機場場面交通情況的掌握;

c)先進的路由設備:對地面交通管制員提供合理的HMI，實現路由計劃功能;

d)先進的場面導向:對飛行員提供清晰合理的場面路由標識，使得飛行員能夠在AVOL條件下執行預定的路由計劃;

e)先進的控制功能:對飛機在跑道和滑行道上的運行進行控制，實現沖撞預測、指示、告警，并能提供解決方案。

3.1 監視功能應能滿足如下需求:

a)對在飛機運營場面上運行的所有飛機提供準確的位置信息;

b)對于被監視的飛機，在顯示飛機的同時提供飛機ID(標識符)和其他標識;

c)在系統涵蓋的區域內，對靜止和運行的飛機均提供監視功能;

d)有能力更新時間和機場場面目標位置數據，滿足導向和控制的要求;

e)不受天氣變化和運營環境的影響。

系統應該能夠監視系統的工作狀態，一旦失效產生告警，在運營區域里的控制系統也應該受到監控。

當飛機即將要進入跑道運行時(距跑道在一定距離內)，包括穿越跑道和起降，A-SMGCS應該能夠對運行目標進行監視，以支持全面的場面交通管理。A-SMGCS和機場附近的空中交通管理體系之間應存在無縫連接。

A-SMGCS應該能夠發現侵入運行區域的任何目標，對于侵入的場面目標，A-SMGCS提供持續的位置指示，指示的更新率能夠保證系統做出有效反應。

3.2 無論是手動還是自動，A-SMGCS的路由功能

a)能對運行區域內的任何目標進行路由的預設;

b)在任何時候支持路由目的地的變化;

c)支持路由路徑的變化;

d)有能力滿足復雜機場場面上的高密度交通路由需求;

e)在飛行員著陸后，不限制飛行員離開跑道進入滑行道的路徑。

在半自動模式里，路由設置是由地面交通管制員來執行的。在自動模式里，路由功能還包括:

a)設置路由;

b)在自動控制間斷或出錯時，允許人工介入。

在設置路由是，A-SMGCS應該能夠滿足:

a)在最高效的控制方式內選擇最短的滑行距離;

b)盡量減少交叉沖撞;

c)能及時反映運行場面的變化(例如，跑道變化，因為維修而關閉的路由，臨時的事故或障礙);

d)使用標準的術語和標識;

e)所有經過授權的使用者都能夠使用;

f)提供一種路由確認的反饋機制。

3.3 導向功能

a)為所有運行中的路由提供必要的導向;

b)為飛行員提供清晰的指示，以便跟從預定的路由;

c)在預定的路由上，保證所有的飛行員能明確他們當前所處的位置;

d)在任何時候能應對路由的變化;

e)能夠指示受限制或禁止使用的區域;

f)對所有導向目標的狀態提供監視。

當機場場面的視野情況能支持安全有序迅捷的運行，導向功能主要基于標準的場地視覺目標而實現。如果視野情況不佳，則需要額外的設備和系統來補充導向目標來保證運營效率。

3.4 的控制功能應

a)支持最高運行效率(動態功能);

b)對預定的運行制定長達1個小時的計劃(靜態功能);

c)發現潛在沖撞并提供解決方案;

d)根據預定的參數值確定場面目標之間的間隔距離;有關參數包括:

1)速度;

2)有關方向;

3)飛機尺寸;

4)飛機發動機效應;

5)人工和系統反應時間;

6)減速性能。

e)對侵入跑道或超越停止線發出告警;

f)對侵入敏感區域、受限區域及緊急區域的運行發出告警;

g)包含基于計算機的交通管理工具;

h)將地面交通管制員、飛行員和交通工具駕駛員的能力都包含在決定控制方案的機制內;

i)結合運行方式的考慮，將場面運行目標的速度控制在一定的速度范圍內;

j)能夠支持在AVOL范圍內的所有運行;

k)能針對不同的場面運行制定優先級;

l)對起降飛機進行最優化列隊，保證最小的過站延遲和機場功能最高利用率;

3.5 即時告警功能

a)沖撞告警:當場面目標之間的預測距離等于或低于目標最小間距時應立即觸發告警;

b)區域侵入告警:當運行目標有進入限制區域的危險時，立即觸發告警;

c)偏差告警:當計算出來的可能偏差距離大于最大偏差距離時，立即觸發告警;

d)跑道侵入告警:當運行目標有可能進入正在使用中的跑道是，立即出發告警;

e)滑行道或停機坪侵入告警:當運行目標有可能進入不屬于其路由計劃里的滑行道或停機坪，且此滑行道或停機坪正在使用中時，立即觸發告警。

3.6 長期告警功能

A-SMGCS也提供長期告警功能，保證以下有關補救措施能夠預先實行:

a)沖撞預測;

b)沖撞監控;

c)沖撞解決方案。

當沖撞被檢測到，A-SMGCS應能自動提供解決方案，或者想地面交通管制員發出請求，請求合理的解決方案。

4 A-SMGCS功能架構

AMM(Airport Moving Map，機場運行地圖)是A-SMGCS人機接口的重要部分，集中體現了A-SMGCS的功能性。考慮到A-SMGCS的概念，在機場場面上的運行監視目標都需要在機場運行地圖AMM上顯示，并不斷更新位置以顯示運行狀況。機場交通控制數據包括了路由計劃和接近告警，以此維持正常的機場運營。

根據ICAO A-SMGCS手冊，至少有下列基本信息需要在機場運行地圖上得到顯示:

a)基本的機場場面構型;

b)監視目標所處的運行通道(滑行道或者跑道);

c)監視目標的位置極其更新;

d)監視目標的標識;

e)本機和其它飛機的過近告警;

f)跑道使用中的告警;

為支持AMM顯示，A-SMGCS需綜合具備監視，路由，導向，控制各項功能。為實現各項功能，圖3和圖4提供了A-SMGCS的架構構想。

如圖3所示，A-SMGCS的地面系統包括下列組成部分:

a)機場場面監視:PSR，ADS-B(Automa tic Dependent Surveillance-Broadcast，廣播式自動相關監視)，SSR(Secondary Surveillance Radar，二次監視雷達);

b)數據融合處理單元;

c)基于地面的告警發生器;

d)AMM顯示單元;

e)路由計劃人機接口HMI;

f)機地數據通信收發單元。

圖4則顯示了A-SMGCS系統機上部分的架構，分別由下列單元組成:

a)機地數據通信收發單元;

b)LAAS(Local Area Augmentation System，局域增強系統全球定位系統)收發機;

c)ADS-B收發機;

d)機載告警發生機;

e)機載AMM顯示器;

f)音頻告警單元(如圖4)。

5 初步實現方法

對A-SMGCS基本功能的初步實現主要從以下幾方面進行:

a) AMM地圖的形成;

b) HMI 設計;

c) 數據庫建立;

d) 告警設計。

實現方法框圖如圖5所示。

6 總結和展望

機場運行在當前被認為是空中交通管制ATM的瓶頸之一。機場的延誤造成了ATM的總體延誤。而在很多城市里，對機場擴建等工程實施的可能性都很低。因此，對機場能力進行最大限度的利用顯得尤為重要。A-SMGCS的出現和發展填補了“機場自動化管理”的空白，為緩解機場運營壓力和提高ATM整體工作效率提供了行之有效的解決之道。

由于A-SMGCS的正常工作需要多方面子系統的綜合性支持，因此其當前的應用可能會受到裝機設備和機場設施的限制，尤其以后者為明顯。值得注意的一點是，與完備的系統架構相比較，只具有部分配置的機場和飛機也能發揮一定程度的A-SMGCS功能。而且，在機場建設長足發展的今天，越來越多的機場和飛機已經配備了A-SMGCS所需的系統單元，因此由A-SMGCS帶來的機場運營能力增強和相應的ATM效率提高，是可以在可預見的時期內拭目以待的。

參考文獻

[1]FAA Runway Safety Report. Runway Incursion Trends and Initiatives at Towered Airports in the United States. FY 2000 – FY 2003. August， 2004.

[2]Advanced Surface Movement Guidance and Control System (A-SMGCS) Manual. ICAO. Doc 9830. AN/452.

[3]Singh G.K.， Meier Chistoph. Preventing Runway Incursions and Conflicts. Aerospace Science and Technology. 8 (2004) 653-670. Received 1 July 2002. Received in revised form 6 April 2004. Accepted 6 August 2004.

[4]Advanced Surface Movement Guidance and Control System (A-SMGCS)，Part 2: Community Specification for application under the Single European Sky Interoperability Regulation EC 552/2004 for A-SMGCS Level 2 including external interfaces. Draft ETSI EN 303 213-2 V1.1.1. December， 2009.

[5]Cassell Rick， Evers Carl， Esche Jeff， and Sleep Benjamin. NASA Runway Incursion Prevention System (RIPS) Dallas-Fort worth Demonstration Performance Analysis. NASA/CR-2002-211677. Alexandria， Virgin， Rannoch Corporation.