新一代空中交通管制系統(tǒng)共覽

荊虎

空中交通管制（Air Traffic Control，ATC）工作，是保證空中飛行安全的三大要素之一。伴隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，航空運(yùn)輸業(yè)持續(xù)保持著高速發(fā)展的態(tài)勢(shì)，據(jù)波音公司最新的報(bào)告顯示，全球民航飛機(jī)總數(shù)將在今后20年內(nèi)翻一番達(dá)到35000架，過去10年全球航空客運(yùn)量保持5%左右的年均增量，2013年預(yù)計(jì)全球平均每天飛行的航班數(shù)量將突破10萬架次。面對(duì)如此繁忙的空中航運(yùn)，空中交通管制的任務(wù)與壓力與日俱增。為應(yīng)對(duì)當(dāng)前航空運(yùn)輸快速發(fā)展的形勢(shì)和在此形勢(shì)下對(duì)安全與效率的挑戰(zhàn)，國(guó)際民航組織提出了“全球空管運(yùn)行”的新概念，主導(dǎo)建立共享、交互集成平臺(tái)，使參與民航運(yùn)輸?shù)母鞣皆诎踩那疤嵯绿嵘到y(tǒng)績(jī)效。在此概念基礎(chǔ)上，世界許多國(guó)家依據(jù)自身情況開始規(guī)劃和建立新一代空中交通管制系統(tǒng)，以適應(yīng)新趨勢(shì)的發(fā)展要求。

走在前列的美國(guó)新一代空管系統(tǒng)

在美國(guó)國(guó)家空域系統(tǒng)中，任何時(shí)候都有至少5000架飛機(jī)在空中飛行，到2020年美國(guó)民航載客量將達(dá)到每年10億客次。2005年，美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）開始規(guī)劃“未來一代航空運(yùn)輸系統(tǒng)”，作為系統(tǒng)的重要組成部分，其新一代空中交通管制系統(tǒng)將對(duì)美國(guó)國(guó)家空域內(nèi)的交通與空域的綜合動(dòng)態(tài)實(shí)施管理。該系統(tǒng)計(jì)劃于2012～2025年分階段實(shí)施，至2018年將節(jié)約燃油64億升，減少二氧化碳排放量1400萬噸，航班延誤將減少35%。據(jù)FAA估算，與2010年相比，該計(jì)劃在2018年帶來的總收益將達(dá)到230億美元。

新的空管系統(tǒng)由如圖1所顯示的三部分組成：基于性能的運(yùn)行與基于性能的服務(wù)、以網(wǎng)絡(luò)為中心的基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)、態(tài)勢(shì)信息分享服務(wù)?；谛阅艿倪\(yùn)行與基于性能的服務(wù)包括基于航跡的運(yùn)行和基于航跡的間隔管制、空中交通服務(wù)、動(dòng)態(tài)資源管理、氣象影響管理和現(xiàn)代化場(chǎng)面管制。美國(guó)聯(lián)邦航空局在規(guī)劃新一代空管系統(tǒng)之初就將安全、有效地化解空中交通量的增長(zhǎng)作為設(shè)計(jì)的基本要求，經(jīng)過與相關(guān)各方的共同研究確定走“精密管理”的路子，提出基于航跡的運(yùn)行與基于航跡的間隔管理。在航班密度高、管控空域復(fù)雜的區(qū)域，把基于航跡運(yùn)行作為基本運(yùn)行機(jī)制之一，從容量管制、交通流應(yīng)急管制、航跡管理和間隔管制等四個(gè)方面改進(jìn)空中交通服務(wù)。容量管制主要是指空域資源的設(shè)計(jì)與配置，預(yù)先確定飛行航跡的四維信息（經(jīng)度、緯度、高度和時(shí)間），減少航空器航跡的不確定性，提高空域和機(jī)場(chǎng)資源的利用率與安全性。交通流應(yīng)急管制是主動(dòng)針對(duì)大型容量需求以及容量管理計(jì)劃中出現(xiàn)的不平衡而進(jìn)行的流量管理，當(dāng)多條航跡組成的交通流出現(xiàn)于同一空域時(shí)，利用靈活的航路定義，交通流可以隨機(jī)應(yīng)變，實(shí)現(xiàn)安全和高效的空中通行?；诤桔E的間隔管理是基于航跡運(yùn)行的一個(gè)主要部分，空管系統(tǒng)通過自動(dòng)化分析和航跡信息共享，各班次客機(jī)均能夠有條不紊的飛行在自己的航空保護(hù)區(qū)內(nèi)而互不進(jìn)入其他方的告警區(qū)（如圖2）。利用動(dòng)態(tài)資源管理，系統(tǒng)的資源和服務(wù)得到極大使用效率，避免資源的利用不足而長(zhǎng)時(shí)間限制用戶所需。新的系統(tǒng)還采用新傳感技術(shù)，把氣象信息融入自動(dòng)化系統(tǒng)，增強(qiáng)氣象信息的共享。場(chǎng)面運(yùn)行現(xiàn)代化是ATC 系統(tǒng)改造的最后一個(gè)領(lǐng)域，改造方向是從高能見度、高戰(zhàn)術(shù)性操作發(fā)展到更戰(zhàn)略性的系統(tǒng)運(yùn)行。

以網(wǎng)絡(luò)為中心的基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)作為橋梁和紐帶，對(duì)上支持基于性能的運(yùn)行與服務(wù)，對(duì)下支持態(tài)勢(shì)信息分享服務(wù)；網(wǎng)絡(luò)化使系統(tǒng)具有更寬泛的信息儲(chǔ)運(yùn)和訪問能力，通過協(xié)同使每個(gè)決策人了解所有的限制因素，并預(yù)測(cè)出單獨(dú)、局部的決策與全局、系統(tǒng)性決策的沖突。態(tài)勢(shì)信息分享服務(wù)涉及航空氣象信息、定位導(dǎo)航授時(shí)、監(jiān)視、飛行計(jì)劃處理與飛行數(shù)據(jù)管理、流量與航跡沖突分析等。在GPS衛(wèi)星技術(shù)的支持下，地面管制中心可以將氣象信息、定位導(dǎo)航信息以及飛行數(shù)據(jù)等實(shí)時(shí)傳輸給空中客機(jī)，客機(jī)在征得管制員的許可后，可利用上述信息選擇星基區(qū)域?qū)Ш剑瑢?shí)施自主飛行，飛行期間管制員只要對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視和適時(shí)干預(yù)即可。

協(xié)作共贏的單一歐洲天空計(jì)劃

在歐洲，空中運(yùn)輸量預(yù)計(jì)到2025年將呈翻倍增長(zhǎng)的趨勢(shì)，由于歐洲各國(guó)空中交通管制獨(dú)立運(yùn)行，各自為政，這種空域嚴(yán)重分割現(xiàn)象使得航班延誤率激增，每年給歐洲的航空公司造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)13～19億歐元，越來越復(fù)雜的空管工作對(duì)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)和歐洲航運(yùn)系統(tǒng)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力造成了實(shí)際的制約。為解決這方面的難題，2004年歐盟正式啟動(dòng)“歐洲單一天空（Single European Sky）”計(jì)劃，其中空管技術(shù)層面的研究工作（Single European Sky ATC Research，即SESAR）確立的戰(zhàn)略目標(biāo)是到2020年在伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)支持下，實(shí)現(xiàn)一體化的通信、導(dǎo)航、監(jiān)視，通過建立通用數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)和廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)歐洲空域的統(tǒng)一協(xié)調(diào)指揮，以最大限度地提高歐洲空域安全、容量和效率。

在宏偉戰(zhàn)略規(guī)劃的背后，SESAR的進(jìn)展并不是一帆風(fēng)順。最初在1999年12月，歐洲就成立了一個(gè)由軍民空管當(dāng)局組成的高級(jí)別小組，為歐洲空管系統(tǒng)的體制和技術(shù)設(shè)計(jì)新的規(guī)范。最終，小組提交了一份建設(shè)性報(bào)告建議歐洲在6個(gè)方面采取行動(dòng)：一是希望歐洲成員達(dá)成全歐洲空域?yàn)闅W洲共同資源的共識(shí)。二是建立獨(dú)立的歐盟管理機(jī)構(gòu)，維護(hù)和改善空中交通安全。三是機(jī)構(gòu)成立后逐步形成軍民共管、聯(lián)合對(duì)外的運(yùn)營(yíng)局面。四是新空管的運(yùn)行要在歐盟機(jī)構(gòu)框架內(nèi)。五是鼓勵(lì)引進(jìn)新技術(shù)。六是招募和培訓(xùn)高素質(zhì)的空管人員。小組所提出的空管體制是歐洲政治舞臺(tái)上的獨(dú)立部分，但由于各國(guó)在軍事方面的考慮，該報(bào)告遭遇擱置。2001年10月，歐洲委員會(huì)通過軍用和民用空中交通管制一體化的研討，提出了一套全面的立法與合作行動(dòng)，推行歐洲單一天空計(jì)劃。該計(jì)劃從兼顧安全與效率的角度出發(fā)，根據(jù)空中交通流量而非完全根據(jù)國(guó)界來重新規(guī)劃歐洲空域，從整體上提高歐洲空中交通的管制水平。2002 年3月，歐洲議會(huì)在法國(guó)斯特拉斯堡舉行會(huì)議，批準(zhǔn)了歐洲委員會(huì)提出的關(guān)于在歐洲范圍內(nèi)實(shí)行統(tǒng)一空中交通管制的“歐洲單一天空”計(jì)劃。直至2004年11月，該計(jì)劃得以正式啟動(dòng)。

SESAR項(xiàng)目是歐盟和歐洲空中航行安全組織之間合作的一個(gè)具體展示，作為歐洲繼伽利略項(xiàng)目之后的最重要的高科技項(xiàng)目，整個(gè)SESAR項(xiàng)目的投資將達(dá)500億歐元。SESAR全面建成后可以將航空管制基礎(chǔ)設(shè)施的能力整體提高3倍，將空管安全性能提高10倍，而且將各個(gè)航空公司所負(fù)擔(dān)的空管費(fèi)用降低一半。SESAR將成為歐洲伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的首批實(shí)際用戶，通過衛(wèi)星技術(shù)的支撐空中交通管制系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)更加安全、可靠的優(yōu)化。

整個(gè)SESAR項(xiàng)目分為三個(gè)階段（圖3）：第一階段為定義階段，成立由多家航空公司和機(jī)場(chǎng)組成的SESAR項(xiàng)目聯(lián)合體，其主要工作目標(biāo)是在兩年內(nèi)為項(xiàng)目制定路線圖，其中包括對(duì)于將要采用的技術(shù)的選擇以及整個(gè)項(xiàng)目的組織框架。定義階段的研發(fā)費(fèi)用估計(jì)為6000萬歐元左右，由歐洲委員會(huì)和歐洲空中航行安全組織共同承擔(dān)。第二階段為開發(fā)階段，由歐盟、歐洲空中航行安全組織和工業(yè)界共同開發(fā)第一階段路線圖中所確定的關(guān)鍵性技術(shù)。該的費(fèi)用約為每年3億歐元，由參與開發(fā)的各方共同承擔(dān)。第三階段為部署階段，按照路線圖的規(guī)劃將開發(fā)階段所取得的技術(shù)成果向?qū)嶋H應(yīng)用轉(zhuǎn)化，歐洲工業(yè)界將承擔(dān)該階段的大部分費(fèi)用。

自信崛起的中國(guó)民航新航行系統(tǒng)

作為世界第二大航空運(yùn)輸主體和民航運(yùn)輸業(yè)增長(zhǎng)最快的國(guó)家，我國(guó)發(fā)展新一代空中交通管制系統(tǒng)的需要更為迫切。由于起步較晚及當(dāng)時(shí)發(fā)展條件下經(jīng)濟(jì)積累相對(duì)薄弱等原因，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比我國(guó)空管系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)在數(shù)量和質(zhì)量上都存在不足，而不斷發(fā)展的航空運(yùn)行又需要空管設(shè)備安全、有效地保障，面對(duì)相對(duì)薄弱的局面和發(fā)展的需求，我國(guó)的新一代空管系統(tǒng)的發(fā)展必須走綜合性、跨越式的道路。早在1995年我國(guó)民航局就頒布了“中國(guó)民航新航行系統(tǒng)實(shí)施政策”和“中國(guó)民航新航行系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)施技術(shù)政策”。中國(guó)民航自那時(shí)起就逐步開始了從現(xiàn)有體系向到新一代空管系統(tǒng)的平穩(wěn)過渡。根據(jù)規(guī)劃我國(guó)將在20年的時(shí)間框架內(nèi)，建立天空地一體化的中國(guó)民航空中交通管制運(yùn)行模式和技術(shù)支持體系，使國(guó)家民用航空的運(yùn)行和資源得到有效、充分、靈活的管理。

中國(guó)民航新一代空中交通管制系統(tǒng)（圖4）由通信、導(dǎo)航、監(jiān)視和自動(dòng)化系統(tǒng)、航空氣象服務(wù)、航空情報(bào)服務(wù)、綜合空管信息處理與服務(wù)、流量管理等8個(gè)系統(tǒng)組成。在新技術(shù)的支撐下，空管通信方面將實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)鏈的空地高速無縫數(shù)據(jù)通信；航空導(dǎo)航方面，到2025年將實(shí)現(xiàn)由陸基導(dǎo)航系統(tǒng)向星基導(dǎo)航系統(tǒng)過渡的基于所需導(dǎo)航性能的運(yùn)行；航空監(jiān)視方面，經(jīng)過15～20年的系統(tǒng)建設(shè)，將逐步達(dá)到基于空地協(xié)同監(jiān)視和基于所需性能監(jiān)視的總體目標(biāo)。綜合信息的共享將通過飛行數(shù)據(jù)集中處理系統(tǒng)和自動(dòng)化系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)工程，實(shí)現(xiàn)信息自動(dòng)交換，為用戶提供一致的、準(zhǔn)確的、完整的空中交通信息?？罩薪煌髁抗芾矸矫妫诮煌髁看蟮膮^(qū)域，建設(shè)協(xié)同區(qū)域流量管理系統(tǒng)，支持從管制區(qū)層面實(shí)施區(qū)域性的協(xié)同流量管理；在繁忙機(jī)場(chǎng)終端區(qū)，建設(shè)協(xié)同進(jìn)離場(chǎng)流量管理系統(tǒng)，支持從機(jī)場(chǎng)運(yùn)行層面實(shí)施進(jìn)離場(chǎng)協(xié)同流量管理；建設(shè)全國(guó)空中交通流量管理中心，統(tǒng)籌規(guī)劃交通流量走廊，支持各個(gè)管制區(qū)、機(jī)場(chǎng)和航空公司運(yùn)行中心之間協(xié)同決策，實(shí)現(xiàn)從流量管理中心層面的全國(guó)范圍協(xié)同流量管理。

與美國(guó)及歐洲國(guó)家的空管系統(tǒng)相比，我國(guó)的新一代空管系統(tǒng)還具有適應(yīng)性強(qiáng)、容量大、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化明顯的優(yōu)勢(shì)。高適應(yīng)性包含新系統(tǒng)對(duì)原有系統(tǒng)在技術(shù)和運(yùn)行過程的兼容性，以及系統(tǒng)對(duì)國(guó)際運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的支持，如我國(guó)的機(jī)載設(shè)備便可同時(shí)兼容美國(guó)的GPS和歐洲的伽利略系統(tǒng)。大容量是指具備強(qiáng)大的信息采集、處理、傳遞和發(fā)布能力，不僅滿足未來我國(guó)空中交通運(yùn)輸量大幅度增長(zhǎng)的海量數(shù)據(jù)需要，并為未來的發(fā)展保留進(jìn)一步擴(kuò)展的余地。我國(guó)新一代空管系統(tǒng)的規(guī)劃和實(shí)施從國(guó)家和地區(qū)范圍的系統(tǒng)角度考慮的結(jié)構(gòu)和技術(shù)應(yīng)用要求，將現(xiàn)有分散的、獨(dú)立的、不兼容的各類設(shè)施組織演化成為綜合的、一體的、交互的，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化明顯的優(yōu)勢(shì)使其成為具備全球服務(wù)能力的業(yè)務(wù)應(yīng)用體系。

中國(guó)民航新一代空中交通管制系統(tǒng)的建設(shè)將跨越從“十一五”到“十三五”的3個(gè)五年計(jì)劃，重點(diǎn)突破衛(wèi)星導(dǎo)航、數(shù)據(jù)通信、多模式監(jiān)視以及空管自動(dòng)化和流量管理等核心技術(shù)，并研制擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)系統(tǒng)和核心裝備，使我國(guó)空管系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展?！笆晃濉逼陂g，我們已對(duì)空中交通管制系統(tǒng)運(yùn)行體系架構(gòu)和有關(guān)程序、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范進(jìn)行了總體布局，重點(diǎn)完成了核心技術(shù)的研究突破和技術(shù)驗(yàn)證，在衛(wèi)星、區(qū)域?qū)Ш?、多模式監(jiān)視、流量管理、綜合信息管理等領(lǐng)域的核心技術(shù)上實(shí)現(xiàn)突破，對(duì)一些在近中期有應(yīng)用需求的技術(shù)分別進(jìn)行了運(yùn)行試驗(yàn)和工程驗(yàn)證?！笆濉逼陂g，我國(guó)將繼續(xù)開展空管系統(tǒng)總體研究和前瞻性核心技術(shù)研究，重點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)施設(shè)備的研發(fā)，進(jìn)行新技術(shù)和新系統(tǒng)的功能驗(yàn)證、產(chǎn)品認(rèn)證、運(yùn)行評(píng)估，對(duì)新的運(yùn)行程序進(jìn)行驗(yàn)證評(píng)估。在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)上，根據(jù)管制業(yè)務(wù)的發(fā)展需求，用新一代空管系統(tǒng)設(shè)備逐步替換原有設(shè)備，促進(jìn)新技術(shù)和新系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展?！笆濉逼陂g，將重點(diǎn)進(jìn)行基礎(chǔ)架構(gòu)體系建設(shè)，在新技術(shù)驗(yàn)證評(píng)估的基礎(chǔ)上，對(duì)成熟的系統(tǒng)，逐步實(shí)施項(xiàng)目建設(shè)，分階段、分區(qū)域進(jìn)行新系統(tǒng)、新裝備和新技術(shù)的應(yīng)用，形成新一代空管系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)體系的雛形。屆時(shí)，隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的成功運(yùn)行和空管系統(tǒng)新技術(shù)產(chǎn)品的成熟，適應(yīng)我國(guó)實(shí)際并與國(guó)際接軌的新一代空管系統(tǒng)產(chǎn)品、運(yùn)行模式和規(guī)范將逐步形成，新一代空管系統(tǒng)的全面建成將使中國(guó)在世界航空的藍(lán)天上更加自信地實(shí)現(xiàn)我們的民航強(qiáng)國(guó)夢(mèng)。