自由飛行

【摘 要】本文闡述了自由飛行的概念及其對人類生活和環(huán)境所帶來的益處，討論了實(shí)現(xiàn)自由飛行需要依靠的技術(shù)支撐，分析了美國及歐洲當(dāng)前GPS的形勢及其對實(shí)現(xiàn)自由飛行進(jìn)程的影響。

【關(guān)鍵詞】自由飛行 衛(wèi)星導(dǎo)航 數(shù)據(jù)鏈

天高任鳥飛，海闊憑魚躍，絕大部分老百姓認(rèn)為天空那么大、那么寬廣，毫無遮攔，我們乘坐的飛機(jī)飛上天空以后肯定就直接對準(zhǔn)目的地飛行了，因?yàn)閮牲c(diǎn)之間直線最短，遺憾的是這還只是我們的夢想?，F(xiàn)實(shí)工作中由于各種各樣禁飛區(qū)、限制區(qū)的存在；再加上現(xiàn)在飛行員們所使用的是由成千上萬個(gè)無線電信標(biāo)建立起來的航線，由于這些設(shè)施不能在任何地方都建立，因而飛機(jī)不能選取通往目的地的最直路線，在廣袤的天空中，飛行員只能在有限的線路中選其一飛行，只有在有限的狹小空間內(nèi)自由飛行。

隨著空中交通流量的倍增，燃料價(jià)格的不斷上漲，地面交通速度的不斷提高，節(jié)能減排的呼聲一浪高過一浪，空中交通管理系統(tǒng)所受壓力越來越大，民航飛行管理中必須進(jìn)行重大變革，才能滿足新形勢下的發(fā)展需要。

一、直達(dá)目的地的自由飛行

自由飛行是一個(gè)新技術(shù)概念，是由多學(xué)科協(xié)同作用、共同支撐的綜合性技術(shù)。通俗地說，就是由飛行員自由選擇航線、飛行速度，像鳥兒一樣自由飛行。雖然飛機(jī)仍然像現(xiàn)在那樣排隊(duì)飛行，但飛機(jī)之間的間距可以小得多，接近機(jī)場時(shí)可以從多個(gè)方向、高度和路徑來降落，空間的利用率可以大幅度提高。

下面就是我們所憧憬的自由飛行的偉大夢想：

飛行員坐在?？吭贏機(jī)場跑道上的飛機(jī)中，在衛(wèi)星導(dǎo)航計(jì)算機(jī)中輸入目的地機(jī)場B，它立即算出最佳的往返路線顯示在座艙的終端上。情報(bào)中心計(jì)算機(jī)上的飛行情報(bào)、氣象數(shù)據(jù)也傳送到此并顯示在終端上，飛行員可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)選擇合適的路線以避免風(fēng)暴或別的惡劣天氣，選擇好路線飛行員就可以出發(fā)了。

在飛行中，由衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)引路，衛(wèi)星接收機(jī)連續(xù)不斷計(jì)算飛機(jī)的位置，該位置信息一方面被傳送到地面管制中心，另一方面注入到數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，該數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)將把數(shù)據(jù)傳送到地面中心計(jì)算機(jī)，地面計(jì)算機(jī)又把數(shù)據(jù)傳送到地面控制器和飛行在該區(qū)域中的其他任何飛機(jī)，飛機(jī)攜帶的計(jì)算機(jī)分析接收到的數(shù)據(jù)，尋找其他飛機(jī)，監(jiān)視各飛機(jī)的飛行情況，以免碰撞。每位飛行員都能在座艙中的顯示屏上看到其他飛機(jī)。

每架飛機(jī)周圍都有兩個(gè)虛設(shè)的周界，大的是警戒區(qū)域邊界，該區(qū)域的大小，取決于飛機(jī)的性能及其飛行的速度。如果兩架飛機(jī)的警戒區(qū)域重疊交叉，計(jì)算機(jī)將警告兩位飛行員和地面控制器，兩位飛行員同時(shí)采取步驟分離。在警戒區(qū)內(nèi)還有一個(gè)更靠近飛機(jī)的小區(qū)域“保護(hù)區(qū)”，飛機(jī)之間的“保護(hù)區(qū)”如果交叉將是非常危險(xiǎn)的。計(jì)算機(jī)利用飛機(jī)的速度和方向信息不停地估算，確保在這種情況發(fā)生之前能提前發(fā)出警告。因此，這種情況發(fā)生的概率幾乎是零。

在自由自在的飛行中地面控制器也是必不可少的。預(yù)想中的自由飛行是一套機(jī)動靈活的系統(tǒng)，飛行員有很高的自主性，但是飛行員的這種自主性在某些情況下是應(yīng)該加以限制的，比如說飛機(jī)接近擁擠的機(jī)場或惡劣天氣把許多飛機(jī)“驅(qū)趕”到同一區(qū)域時(shí)，如果這些情況發(fā)生，飛行員的控制權(quán)可以被收回轉(zhuǎn)給地面控制器。

從A直接飛到B這樣一個(gè)看似很簡單的目標(biāo)，卻需要眾多高級技術(shù)相互作用和支撐，這究竟有沒有可能呢？讓我們看看蜂窩移動通信系統(tǒng)，一臺中央計(jì)算機(jī)跟蹤成千上萬的移動電話的位置，為任意兩個(gè)移動中的單機(jī)發(fā)送信號，確保所有的通話不中斷，這是一套我們每天都在使用的復(fù)雜系統(tǒng)，這在幾十年前是難以想象的，我們有理由相信自由飛行的夢想總有一天能實(shí)現(xiàn)。

二、自由飛行的益處

自由飛行的實(shí)現(xiàn)不管對人類還是環(huán)境都將非常有益。自由飛行技術(shù)為飛機(jī)建立了新的安全區(qū)，縮短了飛行中的飛機(jī)間距，大大提高了空間利用率；避開惡劣天氣，減少了空中事故的發(fā)生，從而提高了安全性；縮短了飛行路線，一方面降低油耗，減少了污染，保護(hù)了環(huán)境，另一方面節(jié)約了旅客的寶貴時(shí)間，增強(qiáng)了航空運(yùn)輸業(yè)的競爭力。

作為以上提到的自由飛行諸多益處的例證，美國宇航局的一項(xiàng)研究分析了由于飛行時(shí)間的縮短及其減少燃油消耗而減少的費(fèi)用開支，研究者利用美國航空公司在一項(xiàng)試驗(yàn)中取得的數(shù)據(jù)推算減少的開支，在這項(xiàng)試驗(yàn)中挑選了一條最易被公眾接受的航線。根據(jù)這項(xiàng)研究估計(jì)，如果實(shí)現(xiàn)自由飛行， 2005年整個(gè)美國航空業(yè)將節(jié)約15億美元左右。另外一個(gè)例證就發(fā)生在我們身邊，在今年年初軍航執(zhí)行的一次從北京調(diào)機(jī)臨滄任務(wù)中，由于選用了相對合理的航線，總計(jì)用時(shí)160分鐘，如果采用正常飛行線路光從北京到昆明就需要190分鐘，照此推算到臨滄至少需要210分鐘，在這條航線上就節(jié)約50分鐘，占總時(shí)間約1/4，節(jié)約航油約2噸，加上飛機(jī)折舊、人員工資等費(fèi)用，大約能節(jié)約2-3萬元人民幣，對航空公司來說節(jié)約了成本，對旅客來說節(jié)約了費(fèi)用和時(shí)間。在今天這個(gè)火車與飛機(jī)競爭的時(shí)代，對中短程航線來說更顯得尤為重要。

三、自由飛行的支撐

要實(shí)現(xiàn)自由飛行必須要有三方面的支撐，缺一不可，首先是國家大方針，確切地說是空域管理的授權(quán)，在和平時(shí)期，除了極少數(shù)特殊區(qū)域?yàn)榻w區(qū)以外，絕大部分區(qū)域要授權(quán)民航系統(tǒng)使用和管理，特殊時(shí)期空域的管理再由空軍管理，而我們現(xiàn)在的管理模式恰恰相反，民航只擁有很小的一部分空域管理權(quán)，大量的民航飛機(jī)只能在有限的空域中排著隊(duì)飛行。

其次是飛機(jī)性能的支持，飛機(jī)要有足夠的航程，足夠的越障能力，足夠的供氧能力等等，現(xiàn)在的飛機(jī)技術(shù)已走在了前面，現(xiàn)在的主流飛機(jī)基本上都具備，或稍加改動后都具備了這些能力，能夠在世界范圍內(nèi)絕大部分城市之間點(diǎn)對點(diǎn)直飛。

再次是以計(jì)算機(jī)和衛(wèi)星技術(shù)為基礎(chǔ)的通訊、導(dǎo)航、告警，其關(guān)鍵要素是空中導(dǎo)航系統(tǒng)和空中數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)。

3.1通訊

要實(shí)現(xiàn)自由飛行，必須建立一套強(qiáng)大的能與每一架飛機(jī)進(jìn)行話音及數(shù)據(jù)通訊的系統(tǒng)。該系統(tǒng)要求容量大、可靠性高，能處理大量的數(shù)據(jù)。飛行員和飛行員之間、飛行員和地面控制站之間，要傳送的不僅有語音信號，還有導(dǎo)航數(shù)據(jù)和氣象信息。從實(shí)際需要看，必須存在一個(gè)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)來完成數(shù)據(jù)通訊任務(wù)。目前，航空無線電頻率資源已十分有限，因此，各個(gè)國家的思路都是采用現(xiàn)代化的數(shù)字系統(tǒng)，并依靠衛(wèi)星進(jìn)行通訊。

3.2導(dǎo)航

自由飛行的核心是先進(jìn)的空中導(dǎo)航系統(tǒng)。推動未來空中導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的主要?jiǎng)恿碜杂谛l(wèi)星導(dǎo)航，目前比較成熟的系統(tǒng)是美國的GPS衛(wèi)星系統(tǒng)，俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星系統(tǒng)，歐洲的伽利略衛(wèi)星系統(tǒng)，我國的北斗系統(tǒng)也取得了很大的進(jìn)步，現(xiàn)已部分投入使用，精度也能達(dá)到飛行導(dǎo)航要求，但覆蓋范圍有限，通過衛(wèi)星導(dǎo)航可以提供連續(xù)、可靠的飛機(jī)位置數(shù)據(jù)，GPS定位導(dǎo)航系統(tǒng)因其精度高且能覆蓋全球這些優(yōu)勢而被優(yōu)先采用。

1992年及1993年，國際海事衛(wèi)星組織和美國運(yùn)輸部等提出了利用地球同步衛(wèi)星，在L1頻段上轉(zhuǎn)發(fā)WADGPS（廣域差分）修正信號，并同時(shí)發(fā)射調(diào)制在L1上的C/A碼偽距的想法，稱為廣域GPS增強(qiáng)系統(tǒng)，即WAAS。接著制訂了從系統(tǒng)設(shè)施到各種硬、軟件與信號的WAAS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。它直接利用GPS接收天線與衛(wèi)星識別及解碼技術(shù)作差分”數(shù)據(jù)鏈”，還用地球同步衛(wèi)星所發(fā)射的C/A碼測距信號來增加測距信號源，從而大大提高了系統(tǒng)的定位精度、可靠性和完備性。美國聯(lián)邦航空局（FAA）將WAAS分4個(gè)階段進(jìn)行，按計(jì)劃應(yīng)該于第四階段（2001年）完成實(shí)用的WAAS，但到目前為止還沒有實(shí)現(xiàn)，WAAS投入使用后，它能滿足各飛行階段必備的導(dǎo)航性能，提供Ⅰ類精密進(jìn)場引導(dǎo)。

如果有廣域增強(qiáng)系統(tǒng)（WAAS）， GPS系統(tǒng)的性能將得到大大改善，不僅能提高GPS系統(tǒng)的定位精度，而且確保飛機(jī)之間、飛機(jī)與地面控制站之間的往來數(shù)據(jù)是完全準(zhǔn)確無誤的。這種絕對精確的定位信息及其數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性是自由飛行的關(guān)鍵。如果GPS系統(tǒng)報(bào)出飛機(jī)的位置，那么我們可以確信無疑飛機(jī)肯定就在那兒，設(shè)置飛機(jī)間距時(shí)不必考慮飛機(jī)位置會被錯(cuò)報(bào)而留出很大的余量。換句話說，有了GPS及其增強(qiáng)系統(tǒng)，飛機(jī)的飛行間距可以小得多卻不用擔(dān)心它們會撞在一起。

3.3告警

為了確保飛行的絕對安全，自動告警系統(tǒng)也是必不可少的，自動告警系統(tǒng)的主要任務(wù)是監(jiān)視飛機(jī)的航行。當(dāng)有任何飛行器靠近飛機(jī)時(shí)，該系統(tǒng)會立刻警告飛行員。每架飛機(jī)通過數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)將來自GPS的自己飛機(jī)的精確位置數(shù)據(jù)發(fā)送給本區(qū)域內(nèi)所有其它飛機(jī)和地面控制站，如果飛機(jī)接收到的位置信息表明有另一架飛機(jī)在自己的警戒區(qū)內(nèi)，將立刻警告飛行員。

四、自由飛行何時(shí)能變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)

自由飛行是由美國聯(lián)邦航空局、航空工業(yè)界的巨頭、飛行協(xié)會提出的，正在積極籌劃中，制定計(jì)劃以及各方面的協(xié)調(diào)工作由聯(lián)邦航空局和擔(dān)任其顧問的美國航空無線電委員會共同完成。航空無線電委員會是非盈利組織，由政府及航空工業(yè)界專家組成，負(fù)責(zé)自由飛行系統(tǒng)架構(gòu)的定制、建立系統(tǒng)規(guī)范描述。軍方和高級研究計(jì)劃局也參加了該社團(tuán)并對這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展做出了積極的貢獻(xiàn)。

自由飛行并非一個(gè)單一的實(shí)體，它是需要眾多技術(shù)支撐、有許多分系統(tǒng)的一個(gè)龐大復(fù)雜的系統(tǒng)工程。目前，雖然有些概念還處于模糊狀態(tài)，但是部分工作已陸續(xù)開展起來了，不同的分系統(tǒng)只要能可靠運(yùn)行，即可嵌入。由美國領(lǐng)導(dǎo)實(shí)施的試驗(yàn)表明了自由飛行的實(shí)現(xiàn)可以節(jié)約大量的經(jīng)費(fèi)，這一點(diǎn)足以激勵(lì)航空工業(yè)界對該計(jì)劃保持濃厚的興趣。

世界上絕大多數(shù)國家政府對此也非常關(guān)注，并積極參與其中。對大多數(shù)第三世界國家來說，這是一個(gè)很好的機(jī)會，不必像傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施那樣大量的投資，卻可使得航空服務(wù)現(xiàn)代化。

當(dāng)我們憧憬著新導(dǎo)航系統(tǒng)將給航空界帶來的美好前景時(shí)，不得不接受這樣一個(gè)現(xiàn)實(shí)：目前還存在許多問題阻礙自由飛行的發(fā)展進(jìn)程。首先，新的導(dǎo)航系統(tǒng)過于依賴GPS，一旦GPS系統(tǒng)癱瘓，后果將是致命的。因此，必須確保GPS系統(tǒng)、空中數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)工作良好，提供的數(shù)據(jù)時(shí)刻保證可靠、精確，只有可靠性達(dá)到100%，才能付諸使用。另外，幾年來，前蘇聯(lián)由于經(jīng)濟(jì)原因無力發(fā)射替補(bǔ)衛(wèi)星使得其“全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”（GLONASS）漸漸敗下陣來，加上歐盟的“伽利略”（Galileo）計(jì)劃擱淺，而最近美國軍方披露了全新的GPS-Ⅲ計(jì)劃，進(jìn)一步威脅“伽利略”計(jì)劃。如果“伽利略”計(jì)劃最終徹底熄滅，那末國際民航組織提出的多元化全球衛(wèi)星導(dǎo)航將成為泡影，全球?qū)嶋H上還是只有一個(gè)美國的GPS系統(tǒng)，一個(gè)掌握在一國軍方控制下的GPS-Ⅲ，一個(gè)隨時(shí)能向不受歡迎的地區(qū)局部施加SA（Selective Availability，所謂SA，是控制非授權(quán)用戶得到高精度GPS服務(wù)而人為引入誤差）制裁手段的系統(tǒng)，這些都是全球除美國以外其它對采用GPS用于航空導(dǎo)航感興趣的國家所擔(dān)心的，這也是影響自由飛行進(jìn)程的一個(gè)最大障礙。

五、結(jié)束語

要在某一個(gè)確定的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)自由飛行的夢想，是不現(xiàn)實(shí)的，也是不可能的。自由飛行之路將是坎坷曲折的，是各種權(quán)限與利益相互博弈的過程，但是，自由飛行的實(shí)現(xiàn)只是時(shí)間問題，自由飛行的壯麗畫面終將呈現(xiàn)在我們面前，飛行員在一個(gè)自由飛行的世界里翱翔，飛行會變得更簡單，但卻更安全、更可靠。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉利生，《衛(wèi)星導(dǎo)航測量差分自校準(zhǔn)融合技術(shù)》，國防工業(yè)出版社，2007

[2]霍曼，《飛速發(fā)展的航空電子》，航空工業(yè)出版社，2007