軍用飛機擴展民航空中交通管理能力探析

羅海明

（中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036）

1 引言

軍用飛機和民用飛機在不同的空域飛行，接受不同部門的交通管制，早期軍民航空中交通管理體制的差異和空域管理的沖突并不明顯。隨著軍事訓練任務(wù)增多，訓練高度、地域范圍增大，軍機容易出現(xiàn)偏離訓練空域靠近民用航路航線，導致軍民航飛機小于安全間隔的情況。另外軍用運輸類飛機在執(zhí)行撤僑、遠程運輸?shù)热蝿?wù)時，會在境外民航空域飛行并接受他國的空中交通管制。目前軍民航之間的飛行活動信息不能實現(xiàn)有效且及時的溝通，造成空管信息傳遞不暢，從而增加了軍民航管制協(xié)調(diào)工作量，帶來飛行安全隱患，也影響民航運行效率。

軍民融合國家戰(zhàn)略為軍用和民用航空在空中交通管理領(lǐng)域的融合創(chuàng)新發(fā)展提供了理論指導，軍機通過擴展通信導航監(jiān)視技術(shù)兼容民航空中交通管理是其中的一個融合方向。具備民航通信導航監(jiān)視技術(shù)能力的軍機在民航空域飛行時，支持空中交通管制部門與其進行通信及監(jiān)視，從而實現(xiàn)空管信息的無縫傳遞。隨著全球航行系統(tǒng)的發(fā)展，空中交通管理對飛行安全和運行效率提出更高要求，通信導航監(jiān)視等技術(shù)也在不斷發(fā)展革新。本文主要探討為滿足兼容民航空中交通管理需要，軍機在通信導航監(jiān)視領(lǐng)域可擴展的技術(shù)能力。

2 民航航空系統(tǒng)組塊升級技術(shù)路線圖

國際民用航空組織（ICAO）早期以技術(shù)為出發(fā)點推出了新航行系統(tǒng)(CNS/ATM)，近期以全球空中交通管理運行概念作為愿景，以運行效能要求為目標，提出了航空系統(tǒng)組塊升級（ASBU）概念，用工程化的方法指導全球空中交通管理系統(tǒng)的規(guī)劃與實施。中國民用航空局于2015年發(fā)布了《中國民航航空系統(tǒng)組塊升級發(fā)展與實施策略》，從通信導航監(jiān)視及航電技術(shù)等方面提出了指導中國民航航行系統(tǒng)的發(fā)展規(guī)劃。

2.1 通信技術(shù)

民航通信方式正從話音通信逐步向數(shù)據(jù)通信過渡，通信技術(shù)實施路線如圖1所示。飛機通信尋址與報告新系統(tǒng)（ACARS）是目前民航應用最為廣泛的地空數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，絕大多數(shù)民航飛機均裝備了ACARS通信管理設(shè)備，通過甚高頻（VHF）、雷達（SATCOM）和高頻（HF）鏈路支持面向航空公司的航空運營控制（AOC）應用，面向交通管制部門的管制員飛行員數(shù)據(jù)鏈通信（CPDLC），以及合約式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-C）等FANS-1/A空中交通服務(wù)（ATS）應用。

雖然ACARS在未來一段時間內(nèi)仍將繼續(xù)提供數(shù)據(jù)服務(wù)，但航空電信網(wǎng)（ATN）作為ICAO規(guī)劃和推動新一代全球航空業(yè)的專用互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)已在歐洲等地區(qū)開始運行。歐洲空管局基于Link2000+項目通過VDL模式2技術(shù)及ATN網(wǎng)絡(luò)提供CPDLC服務(wù)。中國民航已開始規(guī)劃建設(shè)ATN網(wǎng)絡(luò)并分階段實施，近期逐步升級現(xiàn)有地面站、應用系統(tǒng)及ACARS 地空數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)，提供基于AOA協(xié)議的VDL模式2服務(wù)；中期將地空數(shù)據(jù)通信轉(zhuǎn)移到ATN網(wǎng)絡(luò)中，推動機載數(shù)據(jù)鏈設(shè)備的升級，支持VDL模式2和ATN/OSI地空網(wǎng)絡(luò)，支持CPDLC等ATN基線1服務(wù)和應用；遠期全面實施支持ATN網(wǎng)絡(luò)的地面基礎(chǔ)設(shè)施和機載設(shè)備，將數(shù)據(jù)鏈應用過渡到ATN地空網(wǎng)絡(luò)，推進基于ATN基線2服務(wù)和應用。

除空地通信外，用于機場無線通信的機場航空移動通信系統(tǒng)（AeroMACS）是一個新的技術(shù)應用方向。AeroMACS基于WiMAX無線城域網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)機場范圍內(nèi)飛機、橋位、塔臺、移動車輛之間的高速數(shù)據(jù)通信，按規(guī)劃可接入ATN地面網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)ATS應用。

2.2 導航技術(shù)

民航計劃從傳統(tǒng)的基于傳感器的導航逐步過渡到基于性能的導航（PBN），從陸基導航逐步過渡到星基導航，導航技術(shù)及應用實施路線如圖2所示。PBN通過區(qū)域?qū)Ш剑≧NAV）和所需導航性能（RNP）來規(guī)范，將飛機機載設(shè)備能力與衛(wèi)星導航及其他先進技術(shù)結(jié)合起來，涵蓋了從航路、終端區(qū)到進近著陸的所有飛行階段，為民航提供更加精確、安全的飛行方法和更高效的空中交通管理模式。

全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GNSS）是PBN發(fā)展的核心技術(shù)，也是未來導航服務(wù)能力提升的基礎(chǔ)。GNSS通過地基增強系統(tǒng)（GBAS）等外部系統(tǒng)以增強其性能，基于GPS的GBAS在部分國家和地區(qū)的機場已用于I類精密進近。ICAO正在進行針對GBAS用于Ⅱ/Ⅲ類精密進近的運行驗證。

近年來，隨著RNAV和RNP的逐步應用，新的航路網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃對陸基導航設(shè)施（VOR/DME/NDB/ILS）的依賴逐漸減少，但傳統(tǒng)導航設(shè)施在未來仍會作為GNSS的備份，同時慣性導航仍將持續(xù)使用。

支持多種傳感器、傳統(tǒng)導航和區(qū)域?qū)Ш焦芾淼娘w行管理功能是實現(xiàn)PBN不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)，中遠期規(guī)劃飛行管理系統(tǒng)需進一步提升能力以支持4D航跡能力。

圖1 ASBU通信技術(shù)路線圖

圖2 ASBU導航技術(shù)路線圖

2.3 監(jiān)視技術(shù)

我國現(xiàn)用于空中交通服務(wù)的監(jiān)視技術(shù)主要有一次監(jiān)視雷達、場面監(jiān)視雷達、二次監(jiān)視雷達、自動相關(guān)監(jiān)視和多點定位等，監(jiān)視技術(shù)實施路線如圖3所示。其中廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）是未來的主要監(jiān)視技術(shù)，它將衛(wèi)星導航、通信技術(shù)、機載設(shè)備及地面設(shè)備等先進技術(shù)相結(jié)合，為空中交通提供了更加安全、高效的監(jiān)視手段，能有效提高管制員和飛行員的運行態(tài)勢感知能力。目前國內(nèi)重點區(qū)域已實現(xiàn)ADS-B OUT初始運行，計劃在2020年前實現(xiàn)全空域覆蓋，并在2025年運行ADS-B IN擴展空空監(jiān)視功能，實現(xiàn)空中交通情景意識功能和機載間隔輔助應用。對于機載ADS-B設(shè)備來說，導航源將引入北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，以提高GNSS的安全性與定位能力。ADS-B的地空通信鏈路可擴展到衛(wèi)星通信，通過星基ADS-B技術(shù)的應用，實現(xiàn)洋區(qū)和極地區(qū)域的覆蓋。

3 軍用飛機擴展民航空中交通管理

軍機航空無線電系統(tǒng)中普遍包含通信、導航、識別（監(jiān)視）設(shè)備，現(xiàn)有的AM話音通信、衛(wèi)星導航和VOR/DME/NDB/ILS無線電導航、S模式航管應答等技術(shù)能夠與民航空中交通管理兼容。隨著全球航行系統(tǒng)的發(fā)展，民航通信導航監(jiān)視領(lǐng)域的新技術(shù)可用于提升軍機的空中交通管理能力和安全飛行水平。從國外情況來看，美國國防部實施CNS/ATM現(xiàn)代化項目來升級其C-5、KC-10、C-130等飛機，以滿足空中交通管理的需要。

圖3 ASBU監(jiān)視技術(shù)路線圖

3.1 ACARS/ATN及空中交通服務(wù)應用

運輸類中大型軍用飛機通過擴展ACARS/ATN功能及提升ATS應用能力，可實現(xiàn)與民航空管通信系統(tǒng)的無縫連接，以提升空中交通管理的自動化能力，增強其在民航空域的飛行安全。另外，我軍現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)只覆蓋了國內(nèi)及周邊區(qū)域，軍機在執(zhí)行境外飛行任務(wù)時缺乏有效通信手段，升級民航ACARS及ATN數(shù)據(jù)通信功能后，可借助民用海事衛(wèi)星通信及民航覆蓋全球的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對軍機的遠程位置跟蹤和狀態(tài)監(jiān)控。

機載數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)按功能可分為通信子網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、數(shù)據(jù)鏈應用3層。ACARS系統(tǒng)的通信子網(wǎng)包含VHF模式A、VDL模式2和提供Aero服務(wù)的衛(wèi)通子網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層駐留ACARS消息處理和鏈路管理協(xié)議，數(shù)據(jù)鏈應用層駐留AOC和ATS應用。AOC應用可根據(jù)對軍機使用需求進行自定義，通常包括飛行計劃請求、位置報告、飛機狀態(tài)信息通告、故障信息下傳和文電上傳等。ACARS支持的ATS應用包括ARINC 623中規(guī)定的面向字符的應用及FANS 1/A應用。ATN系統(tǒng)的通信子網(wǎng)包含VDL模式2和提供寬帶數(shù)據(jù)服務(wù)的衛(wèi)通子網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)層駐留ATN協(xié)議棧，數(shù)據(jù)鏈應用層駐留AOC應用及CPDLC、ADS-C、飛行情報服務(wù)（FIS）等ATS應用。

對于采用聯(lián)合式架構(gòu)的航電系統(tǒng)，ACARS及ATN功能實現(xiàn)方案如圖4所示。在改裝方案中通信子網(wǎng)駐留于超短波數(shù)傳電臺和衛(wèi)通設(shè)備等通信設(shè)備中，數(shù)據(jù)鏈應用功能與飛行計劃等功能一起駐留在飛行管理計算機中，也可將數(shù)據(jù)鏈應用層與ACARS/ATN協(xié)議棧一起在通信管理設(shè)備中得以實現(xiàn)。在加裝設(shè)備方案中將數(shù)據(jù)鏈協(xié)議、應用及顯示控制放在一個獨立設(shè)備（ATSU）中實現(xiàn)。

對于采用綜合式架構(gòu)的航電系統(tǒng)，數(shù)據(jù)鏈協(xié)議和應用均以軟件形式駐留在通用信息處理器中，超短波或衛(wèi)星通信子網(wǎng)可與現(xiàn)有的信道資源復用。

圖4 聯(lián)合式架構(gòu)下ACARS/ATN實現(xiàn)框架

3.2 RNP

由于受地形和氣候因素影響，在高原機場起降時可能出現(xiàn)傳統(tǒng)導航進近程序無法實施的情況。軍用飛機在具備RNP運行能力后，可根據(jù)導航精度要求在航路和終端進近區(qū)提供連續(xù)精確的航跡引導，減少對陸基導航設(shè)施的依賴及氣候的影響，以保障飛行安全。

RNP是指航空器在指定空域或根據(jù)航路、儀表飛行程序飛行時，對系統(tǒng)精確性、完好性、可用性、連續(xù)性及功能方面的性能要求，它包含對導航設(shè)備的性能要求，也包含對飛行管理系統(tǒng)的導航管理功能要求。RNP導航功能框架如圖5所示，主要功能如下：

（1）從飛機計劃功能中獲取航線信息并進行同步更新和調(diào)整；

（2）從導航數(shù)據(jù)庫中獲取航段對應的RNP值及各個導航臺站信息；

（3）多傳感器數(shù)據(jù)進行信息融合；

（4）根據(jù)當前可用導航源選擇對應的導航模式，即將慣性參考系統(tǒng)（IRS）作為基準導航源與其他導航源進行組合，導航模式按優(yōu)先順序有：IRS/GNSS、IRS/DME/DME(或 TACAN)、IRS/DME/VOR，進近階段采用IRS/LOC/MLS模式；

（5）根據(jù)航路選擇合適的導航臺，對機載DME和VOR設(shè)備進行自動調(diào)諧；

（6）進行實時位置估算和系統(tǒng)誤差評估，計算實際導航性能（ANP），當ANP大于RNP值時進行警告。

軍用運輸類飛機普遍裝備有GNSS和無線電導航設(shè)備，部分機型也裝備有飛行管理計算機，后續(xù)將逐步升級飛行管理的RNP導航功能，通過試飛測試等手段評估和優(yōu)化飛機RNP運行能力，提升飛機導航精度和航跡引導能力。

圖5 RNP導航功能框圖

3.3 ADS-B IN

航管應答機也是軍用飛機的標配。空中交通管制部門通過航管二次雷達的A/C及S模式詢問實現(xiàn)對軍機的地空監(jiān)視，雖然民航逐漸開始應用ADS-B技術(shù)，但軍方對ADS-B OUT的應用并不迫切。另外，對于無人機來說，飛行空域更復雜，在空中情景感知方面要求更高，ADS-B IN技術(shù)可實現(xiàn)軍用無人機與其他飛行器之間的空空監(jiān)視，自主實現(xiàn)航行調(diào)整和防撞規(guī)避操作。

ADS-B是一種基于GNSS，利用數(shù)據(jù)鏈通信完成交通監(jiān)視和飛行信息傳遞的監(jiān)視技術(shù)，現(xiàn)階段主要通過S模式二次雷達的1090ES數(shù)據(jù)鏈實現(xiàn)。機載ADS-B接收設(shè)備接收空域其他飛機發(fā)射的ADS-B OUT信息，獲取其飛行位置等信息，通過交通防撞算法實現(xiàn)避讓防撞。ADS-B IN功能可通過軍機現(xiàn)有的航管應答設(shè)備實現(xiàn)ADS-B消息接收處理，不需額外增加硬件設(shè)備，實施周期短、成本低。

4 結(jié)束語

軍用飛機為實現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)目標更重視作戰(zhàn)效能和戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標的先進性，民用飛機更注重飛行安全和規(guī)則標準符合性。從軍民融合的角度，借助民航的設(shè)計理念可提升軍機的安全性和可靠性，擴展民航通信導航監(jiān)視領(lǐng)域最新技術(shù)，兼容民航空中交通管理，可提升國內(nèi)外民航空域、高原地區(qū)等特殊場景下軍機的飛行安全。

軍用和民用通信導航監(jiān)視技術(shù)有共通性，我國工業(yè)部門在民航相關(guān)產(chǎn)品研制上有技術(shù)積累和工程經(jīng)驗，目前部分技術(shù)已具備設(shè)備產(chǎn)業(yè)化能力，因此在軍機上擴展兼容空中交通管理能力完全可行。