面向四維航跡運行的空地數據鏈架構設計*

邱藝煌，卞啟龍，徐浚哲，李 莎，任明軒

(中國民航大學，天津300300)

隨著民航空域受限、航班延誤、沖突加劇的問題日益嚴重，在無法擴大空域的前提下，當前行之有效的策略之一是縮小航空器的最小間隔，從而增加空中流量。基于四維航跡的運行(Trajectory Based Operation，TBO)可以將飛機到達預計點的時刻精度從分鐘級提高到十秒級。因此基于四維航跡的運行不但可以增加空中流量，而且可以使飛機飛得更加平穩，改善航班運行現狀。

1 ATS通信網絡的架構

航空電信網簡稱ATN。ATN可使航空通信網絡整體向著民航地空一體化發展。在ATN的地對空應用上，利用數據鏈傳輸信息是一種新興的通信方式[1]。它使地空通信效率顯著提高，同時降低管制員的工作負荷。

ATN網絡主要可分為ATN Baseline 1和ATN Baseline 2。ATN Baseline 1支持如下CPDLC應用：數據鏈初始化(DLIC)、CPDLC提供的ATC通信管理(ACM)、ATC管制指令(ACL)、數字放行(DCL)、ATC話筒檢查(AMC)。

ATN B2是基于ATN網絡的數據鏈系統，ATN B2可以實現以下額外服務：數據鏈4D航跡起始(Initial 4D Trajectory Data Link)、基于ADS-C報告中擴展投影剖面(EPP，Extended Projected Profile)、ADS-C提供的四維航跡數據鏈(4DTRAD)。

2 基于四維航跡的運行

2.1 基于四維航跡運行的概念

基于四維航跡的運行是在傳統三維空間(經度、緯度和高度)運行中加入時間維度，要求航空器在規定時刻到達規定航路點[2]。對于飛行路線不同的飛機，四維航跡信息一定不同，但對于一個定期航班，每天的四維航跡信息也會隨氣象、業載、巡航高度變化。因此航空器的四維航跡(4 Dimensional Trajectory，4DT)具有特定性和動態性。綜合TBO的原理及其特點，基于四維航跡運行是指：綜合考慮當前飛行的重量、機型、速度、高度、氣象、航線等因素，預先計算出航空器到達下一個航路點的時刻，然后將此信息在空管部門、航空公司和航空器之間進行實時同步和更新，從而實現航空器基于不同部門協同決策的安全高效運行。基于四維航跡運行與傳統空管運行概念的區別如表1所示。

表1

2.2 實現TBO的關鍵技術與系統

2.2.1 飛行管理系統

要想使飛機在預計時間到達預計的航路點，就必須提前根據飛機的重量、飛行高度等大量參數計算出下一個航路點。FMS能夠結合飛行計劃和實時的氣象信息，計算出飛機如何進行速度和方向的調整，從而滿足所需到達時間RTA的要求。FMS還應該與自動駕駛儀、電子飛行儀表系統和導航傳感器、飛行人員互相共享航跡信息，從而實現精準的航跡引導。

2.2.2 空地數據鏈通信系統

在傳統運行中，主要通過陸空通話的方式指揮飛機，這種方式傳輸信息效率低，且易受人為因素的影響。而基于四維航跡的運行除了要交互航行情報、管制指令、位置信息等常規信息外，還需要交互氣象、發動機參數、4D動態航跡等多元化的空中交通環境信息。RTCA SC-214和EUROCAE WG-78聯合委員會已共同制定出面向TBO的新一代空地通信數據鏈服務的需求，并將其命名為4DTRAD(4D Trajectory Data Link)。2.2.3地面空管優化系統

對于地面空管，應該在保障扇區內飛機沒有沖突的前提下，盡可能提高整個空域的運行效率。如果扇區內的飛機數量較多時，就必須依靠計算機來進行飛機間隔控制和飛機的排序，這樣才能從根本上提升管制運行效率。實現這些優化目標的決策支持工具包括：飛行沖突探測與解脫(CD&R)系統、自主間隔保持系統、航班進離港排序系統(AMAN/DMAN)、4D航跡網絡化管理系統等。

2.2.4 四維高分辨率的數值氣象預報技術

在飛機飛行階段，風對飛機有很大的影響，能否準確預測下一時間的風速和風向很大程度上決定飛機能否準時達到下一個航路點。因此四維航跡運行必然要求實現四維數值氣象預報。結合世界區域預報系統的格點預報數據、航空氣象資料下傳與轉發等多源氣象數據，進行同化處理，構建四維數值氣象預報模型，可滿足飛機FMS四維航跡準確計算對氣象數據的要求。

3 空地通信數據鏈體系架構

3.1 CPDLC

管制員飛行員數據鏈通信(CPDLC：Controller Pilot Data Link Communication)是一種支持管制員和飛行員在航班運行過程中直接進行飛行數據交換的新型數據鏈系統。它能大大減少因陸空聽話產生口誤，信息失真等引起的事故。

3.1.1 CPDLC通信實現過程

(1)空中交通服務設備通告(ATS Facilities Notification，AFN)登錄

機組成員完成初始化登錄(LOG ON)步驟之后，飛行管理系統FMS將向某個指定的ATSU發送一個“AFN CONTACT”消息，告知可接受的空中交通服務的能力，ATSU回復“AFN ACKNOWLEGEMENT”，AFN登錄完成。

(2)CPDLC鏈接的建立

CPDLC鏈接的發起方通常是地面管制單位。指定的ATSU向飛機發送一個“CONNECTION REQUEST”消息，飛機自動以一個“CONNECTION CONFIRM”消息回復，至此有效的CPDLC建立。

(3)與下一管制單位NDA建立登陸關聯

首先當前管制單位CDA需要發送消息通知下一管制單位NDA，隨后CDA向飛機發送一個“AFN CONTACT ADVISORY”消息，告知飛機與NDA進行AFN登錄，并提供AFN登錄所需信息。飛機以一個“AFN RESPONSE”消息回復CDA，表明已接收到相關指令，并向NDA發送一個“AFN CONTACT”消息，請求與其進行AFN登錄。NDA以一個“AFN ACKNOWLEGEMENT”消息回復飛機，飛機同時向CDA發送一個“AFN COMPLETE”消息，向CDA表明飛機已與NDA建立登陸關聯。

(4)CPDLC鏈接的終止

CPDLC鏈接的終止通常由當前地面管制單位CDA發起。在適合的時間和相應的管制移交地點，CDA向飛機發送一個“END SERVICE”消息，初始化終止CPDLC鏈接。飛機回復一個“DISCONNECT”消息，即刻終止CPDLC鏈接。特殊情況下，飛機也可以主動發送一個“DISCONNECT REQUEST”消息來強制終止與地面管制單位之間的CPDLC鏈接。

3.1.2 CPDLC報文規范

CPDLC消息報文一般由以下幾部分組成：

(1)消息識別碼；

(2)時間和日期；

(3)邏輯確認指示；

(4)1至7個消息元素，每個消息元素包含消息元素識別信息、指定的消息元素數據和相關的消息元素屬性。報文的消息屬性決定了CPDLC用戶接受指定信息時的處理方式和需求。

3.2 ADS-C

CPDLC主要用于飛行員與管制員的通信，而ADS-C更偏向于對航班信息的實時監視[3]。其能夠將機載設備計算出的有關飛機位置、速度等信息，利用空地數據鏈傳輸給地面站，經地面網絡，將收集到的信息發送給監視中心，將接收的每個點的數據轉化為航跡，以此來實時地監視飛機。

3.2.1 ADS-C的合同類型

ADS-C合同由ATSU發起。ATSU可向一架飛機發起多個合同。一些信息在每份報告中都需采集下傳，如果地面需要額外地信息，則需在報告中要求。合同的類型根據所要求地信息和觸發合同匯報地特殊條件而確定。具體分類方式如下：

周期合同：ATSU要求飛機按照一定的時間間隔發送ADS-C報文，并選擇包含在周期合同中的數據組。ATSU可以根據需要設置周期或更新頻率或調整時間間隔。

要求合同：當ATSU在規定時間內沒有收到飛機端發送的合同時，可以向飛機發送要求合同。要求合同可以向飛機請求傳輸單一地ADS-C報告。要求合同無法修改和退出其他類型的ADS-C合同。

事件合同：當飛機系統判斷飛機狀態達到ATSU設定的條件時，如：航路點變更、側向偏差、垂直速率變化時向ATSU通報。事件協約將一直有效，直到ATSU取消協約或發生用于觸發報告的事件為止。

3.2.2 連接管理

AFN是使用數據鏈ADS-C的第一步，航空用戶向地面端發送登錄請求后，就可以接入ADS-C數據鏈。飛機管理系統可以向地面端提供航空器位置、高度、爬升率、速度等信息。當地面系統收到飛機發起的登錄請求時，就會向飛機發送一個ADS-C合同的請求。當飛機的ADSC功能沒有關閉時，就會自動連接。

連接優先級：當ATS地面系統接收到一個登錄請求消息，ATSU即可以通過向飛機發送一個ADS合同請求，初始化一個ADS-C連接。

ADS-C在連接時沒有優先級順序，飛機需等待地面端許可，再按照ADS-C連接優先級進行初始化地址轉發。

3.2.3 ADS-C報文傳輸機制

ADS-C將飛機的信息通過空地數據鏈，以報文形式發送到地面端。只有在飛機注冊AFN后了才能與地面端建立合同。ADS-C常用的傳輸路徑有兩種：RGS和INMARST，分別用于陸地和大洋。

ADS-C的傳輸過程為：由機載傳感器和大氣數據傳感器收集信息，由機載管理模塊整合后，通過衛星數據鏈，甚高頻數據鏈或者二次雷達數據鏈傳輸到地面網絡，將飛機的實時位置顯示在屏幕上。

4 ATC通信管理

ATC通信管理(ACM)是基于CPDLC的空地數據鏈通信在涉及空中交通服務單位移交時的一種自動化通信服務。ATC通信管理提供機組和空中交通服務單位之間的自動化通信移交，可實現：

(1)空中交通服務單位初始化CPDLC建立；

(2)兩家空中交通服務單位的CPDLC移交和語音移交；

(3)空中交通服務單位CPDLC的終止；

(4)CPDLC移交和語音移交同時完成。

4.1 數據鏈初始能力建立

數據鏈初始能力建立(DLIC)是ATC通信管理的先決條件。DLIC應用提供在飛機與地面系統之間建立通信的能力。一旦通信建立，數據鏈應用就自動提供。這個能力支持飛機向其他系統的登錄和登錄信息的自動更新。

在DLIC中，登錄是數據鏈建立的第一步，目的是：(1)向空中交通服務單位提供數據鏈應用；航空器身份識別。(2)向空中交通服務單位提供相關的航班信息。

4.2 ACM典型服務場景

根據空中交通服務單位的移交方和接受方是否使用CPDLC，以及是否改變語音頻率，可將ACM服務劃分為以下7個場景：

(1)相互聯系的兩家空中交通服務單位均使用CPDL C，且語音頻率變化指令獨立于數據通信傳輸；

(2)相互聯系的兩家空中交通服務單位均使用CPDL C，且語音頻率變化指令依附于數據通信傳輸；

(3)移交方不使用CPDLC，接收方使用CPDLC(支持DLIC)；

(4)移交方使用CPDLC，但接收方不使用CPDLC。且語音頻率變化指令與數據通信傳輸并行；

(5)移交方使用CPDLC，但接收方不使用CPDLC。且語音頻率變化指令獨立于數據通信傳輸；

(6)機組人員要求更改頻率；

(7)終止CPDLC而不轉移CPDLC或改變語音通話頻率。

4.3 ACM移交的典型操作方法

在RTCA DO-350中，寫明了針對不同條件下的具體移交步驟[4]。下面以移交方和接收方都配備CPDLC，且語音頻率變化指令依附于數據通信傳輸的情況為例，模擬ACM的典型運行場景。

第一步：向NDA飛機發出T-ATSU通知。

T-ATSU發送UM160Next數據授權，授權飛機系統接受指定為NDA的R-ATSU提出的建立CPDLC的請求。

第二步：在R-ATSU和飛機之間建立CPDLC。

當不作為DLIC的一部分執行時，在請求CPDLC建立之前，R-ATSU系統確保：飛機與R-ATSU系統飛行計劃信息的明確關聯；飛機系統和R-ATSU系統使用兼容版本的CPDLC。

第三步：發出T-ATSU與飛機之間的語音傳輸指令并終止CPDLC。

在發送CPDLC終止請求之前，將通知控制器任何開放的上行鏈路消息。T-ATSU：在收到轉移指令后，機組人員確認轉移語音通信和CPDLC的指示。

第四步：飛機認為R-ATSU是CDA。

在與T-ATSU終止CPDLC后，飛機系統將R-ATSU識別為CDA，并發送DM99當前數據授權通知R-ATSU它是CDA。

第五步：在R-ATSU和飛機之間啟用CPDLC。

5 結束語

本文以ATS通信網絡技術為切入點，對TBO進行研究分析，著重闡明了相關報文規范、數據傳輸合同類型。在此基礎上，我們進行了空地通信數據鏈體系的架構，由CPDLC，ADS-C進行分析，從通信的建立、通信的規范、通信的傳輸模式和管理方式等方面分析其各自特點，并進一步提出自動化的ATC通信管理移交服務。本文中所描述的四維航跡的空地數據鏈系統架構也存在一定的缺陷，如飛機數量過多時所面臨的通信排隊優化和部分傳輸功能自動化后地面管制的不確定因素分析等問題還有待研究。