祁振杰

民航貴州空管分局 貴州 貴陽 550005

引言

自2005年國際民用航空組織（ICAO, International Civil Aviation Organization）提出“基于航跡的運行”（TBO，Trajectory Based Operations）以來，2020年2月民航局空管局發布了《中國民航空管基于航跡運行（TBO）運行概念》[1]。TBO是對航空器全生命周期的四維航跡（4DT, 4Dimensional Trajectory）為基礎，在空管部門、航空公司、機場、航空器等相關方實時和動態維護航跡信息，進而實現多方協同決策。當前，空管自動化系統作為管制指揮使用最多、與管制指揮最為密切相關的重要核心系統，在空管自動化系統中實現高精準的“4DT航跡預測”，為“基于航跡的運行”的理念在空管部門中落地、實施，有著很強的現實意義。

1 背景與現狀

ICAO最新發布的《全球航行計劃》第六版（GANP，Global Air Navigation Plan - Sixth Edition）中，TBO是航行系統組塊升級（ASBU，Aviation System Block Upgrades）各引線繼承的總目標，計劃在2031年之前分三個階段逐步進行實現。當前，歐美航空發達國家已經在新一代空管系統的發展規劃中將TBO作為核心理念，全球各大研究機構、設備廠商也高度重視TBO技術標準制定和裝備升級。為實現民航強國戰略構想，踐行“智慧民航”的理念，我國民航各個企事業單位正積極開展以TBO為代表的空管新理念新技術的研究、開發、驗證以及應用推廣工作。

TBO的實現完全依托于4DT的全生命周期。就當前技術發展的程度而言，“4DT預測計算”的較大方面都體現在空管自動化系統（ATC，Air Traffic Control System）之中。截至2021年12月10日，貴陽現場使用的主用萊斯Numan2000系統不具備4DT預測的功能，備用二所Air Net自動化系統已經具備初步的4DT預測計算的功能，但是預測的精度與準確性都有待進一步提高。

“4DT預測計算”未來將成為空管自動化系統的一項基本功能，直接關系著管制人員使用空管自動化系統指揮航空器的體驗，其中包含預計經過扇區的“預管制狀態”預測、未飛航跡高度的預測、過點時間的預判等一系列管制指揮特別關注和必須提前掌握的信息，精準的預測航跡的“4DT軌跡”不僅在調配航空器間的沖突，增加管制指揮安全冗余度等方面，都對管制指揮工作產生直接的影響。所以，“4DT航跡預測”計算功能在空管自動化系統功能中，是當前的研究熱點與難點。

2 基本概念

空管自動化系統是空中交通管制指揮的核心系統，該系統能夠大幅提升空中交通管制效率，隨著航班的流量日益增長，管制指揮人員的面對的指揮、調配航空器的沖突壓力也隨之增加，監視數據航跡預測的準確性、及時性以及適當量的“4DT航跡預測”就成為空中交通指揮保障飛行安全的重要手段與方式。

具體來講，4DT是由一系列的點連接而成的飛行路徑，每個點在四個維度（經度、緯度、高度、時間）都有一定的精度要求，并以此描述飛行的運行過程。4DT的航路點上包含“可控到達時間”，確保航空器全程“可控、可達”。

當前，接入空管自動化系統的監視數據源包含S模式或A/C模式雷達數據、廣播式自動相關監視數據（ADS-B, Automatic Dependent Surveillance-Broadcast的縮寫）[2]、多點定位技術監視數據（MLAT，multilateration 的縮寫）等。對于以上接入空管自動化系統的各類監視源數據，在空管自動化系統中經過融合處理，形成系統綜合航跡。對于空管自動化系統而言，“航跡預測”功能的實現，就依賴于空管自動化系統中的航跡4D計算，其中的4D軌跡計算（4D Trajectory Prediction）根據航空器的飛行路線、機型、天氣等基本屬性，通過預測計算航空器經過飛行路線沿途各個航路點的位置（經緯度）、高度、時間，從而得到航空器的4D軌跡模型。有賴于4D軌跡模型的建立，地面上的空中交通管制指揮人員就可以依據航跡的預測提前做好航空器的間距（分為垂直、水平方向）調配，做好沖突化解于未然，提高管制指揮的安全冗余度。

3 多條件的預測計算

本文就針對如何提高空管自動化系統中4DT預測計算的準確性，提出基于多條件進行4DT預測計算方法，以達到提高4DT軌跡預測計算的準確性與精度，為空管自動化系統實現4DT航跡預測提供思路。

4DT的預測計算，分為水平方向和垂直方向上的推測計算。水平方向上航空器的位置變化一般會嚴格按照領航飛行計劃報（FPL，filed flight plan message的縮寫）中描述的航路、航線或者進離場程序中描述的線路進行改變，而且航路、航線上的固定報告點或者進離場程序的線路點包含經度、維度等信息。垂直方向上航空器的高度變化，就依賴于航空器飛行剖面模型進行預測計算。可以看出，空管自動化系統中的4DT的預測計算，核心的計算要素為航空器的預計過點高度與過點時間信息。對航空器的過點高度與過點時間的預測計算，需要根據航空器的飛行階段，進行剖面模型階段劃分，從而提高預測計算在不同飛行階段的預測精準度。

傳統的航空器飛行剖面模型[3-4]，分為起飛、爬升、巡航、進場、進近、著陸6個，分屬于爬升階段、巡航階段、下降階段3個階段。其中起飛、爬升屬于爬升階段，巡航屬于巡航階段，進場、進近、著陸屬于下降階段。另外，關于航空器處于哪個階段的判斷，超出了本文的討論范圍，筆者將在未來的文章中進行描述與討論。

圖1 傳統的航空器飛行剖面模型

通過為航空器建立基本飛行剖面模型的階段劃分，根據航空器的飛行高度層，并結合歐洲航行安全組織（EUROCONTROL，簡稱：歐控）實驗中心提供常見飛機的飛行性能數據庫BADA（Base of Aircraft Data的縮寫）獲取航空器在各個高度層的典型飛行速度，從而推測計算航空器的4D軌跡模型。

空管自動化系統根據航空器的4D軌跡模型，實現航空器實時狀態管理、推算航空器將經過哪些管制扇區、計算航空器下一個即將進入的扇區、精準的過點高度和過點時間等功能。在不同的飛行階段，為航空器建立基本的飛行剖面，不同的階段適用不同的推測條件。根據現有的技術發展水平，涉及的多條件主要有如下幾種：

3.1 基于人工干預的條件

航空器的空中飛行時依賴于地面管制的指揮，管制人員為了調配航空器沖突，會根據實際情況對航空器進行干預，在空管自動化系統中設置CFL高度（指令高度）。在下降階段中，進近時刻因調配沖突的工作需要管制指揮人員會發布指令使航空器繞圈（保持高度）或者使航空器在空中盤旋等待或下降。以下簡稱“條件1”。

3.2 基于歷史數據的條件

近5年來，數據挖掘技術、大數據分析歷史數據[5-6]，促進了對軌跡挖掘應用的研究與廣泛應用。數據挖掘、機器學習、大數據分析歷史數據的發展，促進了4DT軌跡預測計算應用的發展。經過大數據統計，得出一定的結論：起飛機場、目的地機場相同，過點時間間隔在無特殊情況時一定程度與精度下是相同的；同一時間段飛越航空器的過點時間間隔時相同的。以下簡稱“條件2”。

3.3 基于實時飛行數據的條件

近年來，隨著基于S模式雷達、ADS-B信號接入空管自動化系統中，在空管自動化中收到的機載下行數據中包含實時飛行信息，比如實時飛行速度、飛行員撥表高度等重要的機載數據，可以根據實時的記載下行數據進行航跡預測計算的調整與推測。以下簡稱“條件3”。

階段一：爬升階段。

水平方向：按照離場程序中的路線進行變化，根據“條件1”和“條件3”中的航空器實時水平速度信息，預測計算過點時間。

垂直方向：按照離場程序中的路線進行變化，根據“條件1”和“條件3”中的航空器實時垂直速度信息，預測計算過點高度信息。正常情況下，航空器在爬升階段不會出現高度下降的情況，因此，預測計算的下一點高度應該不低于當前的過點高度。

階段二：巡航階段。

水平方向：綜合“條件1”、“條件2”和“條件3”。根據航空器的機型，由BADA數據獲取對應航空器機型在各個飛行高度層的典型速度，通過典型速度預測計算航空器未來經過航路點的過點時間。實時根據“條件3”中的航空器實時水平速度信息，預測計算過點時間。并根據“條件2”中的過點時間間隔差，修正過點時間。

垂直方向：綜合“條件1”、“條件2”和“條件3”。根據“條件1”中的修改預測計算的高度信息，以及“條件2”，預測計算過點高度信息，綜合“條件3”中的航空器實時垂直速度信息，修正預測結果。

階段三：下降階段。

水平方向：按照進場程序中的路線進行變化，根據“條件1”和“條件3”中的航空器實時水平速度信息，預測計算過點時間。

垂直方向：按照進場程序中的路線進行變化，根據“條件1”和“條件3”中的航空器實時垂直速度信息，預測計算過點高度信息。正常情況下，航空器在下降階段一般情況下不會出現高度上降的情況，因此，預測計算的下一點高度應該不高于當前的過點高度。

空管自動化系統在實現“4DT航跡預測”計算時，需要依據航空器在不同的階段結合不同的預測條件，從而使空管自動化系統的航跡預測計算精度不斷提高。總之，基于多條件4DT航跡預測將會是空管自動化系統一項亟待提升的核心功能需求，此項功能的高精度與高準確度的實現，必須依賴于國內各個空管自動化系統的生產廠家深入研究與測試實施。

4 結束語

本文最新的基于航跡的運行概念，通過闡述空管自動化系統中航跡預測功能的重要性，依據航空器剖面模型的不同階段綜合考慮不同條件的組合，充分考慮管制人為調配因素、歷史數據規律、實時動態數據三個條件，給在空管自動化系統中對4DT預測預測計算實現提供一定的方法依據。這種根據不同飛行階段結合不同條件預測的方式，綜合多個影響因素的影響，再進行多條件4DT軌跡預測計算，能夠大大提高預測航跡的準確性與精度，為未來新一代空管自動化系統中航跡預測功能實現提供一種思路。