ATC系統(tǒng)處理FF-ICE四維剖面的分析

李靜 朱愷杰 袁頌升 張凡 管浩潤(rùn)

（1.北京華泰英翔空管技術(shù)有限公司，北京 100088；2.中國(guó)民用航空華東地區(qū)空中交通管理局，上海 200336）

0.引言

目前的國(guó)際民航組織（International Civil Aviation Organization，ICAO）的飛行計(jì)劃?rùn)C(jī)制在飛行計(jì)劃共享、提前通知、不一致的飛行情報(bào)、信息發(fā)送、信息安全、靈活信息集以及可導(dǎo)出信息等方面存在很大限制。

FF-ICE提供一個(gè)全球統(tǒng)一的機(jī)制，用于在各個(gè)利益攸關(guān)方之間共享飛行和流量數(shù)據(jù)。ATM界將使用這一概念制定ICAO的標(biāo)準(zhǔn)和建設(shè)措施，該概念將在2025年之前貫徹實(shí)施。FF-ICE 對(duì)包括軍隊(duì)在內(nèi)的空中交通管理界的要求作了考慮，使全球的 ATM“趨于一致”。在進(jìn)行合作時(shí)，尤其應(yīng)該將重點(diǎn)放在數(shù)據(jù)保密、數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)完整性和數(shù)據(jù)共享等方面。

1.FF-ICE基本概念和發(fā)布版

FF-ICE要求ATM界多個(gè)參與方相互作用，以下為主要參與方：空域用戶（Airspace User，AU）、機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)人（Aerodrome Operations，AOPs）、ATM服務(wù)提供者（ATM Service Provider，ASPs）、空域提供者（Airspace Provider，APs）以及緊急服務(wù)提供者（Emergency Service Provider，ESPs）。

FF-ICE的概念分為幾個(gè)發(fā)布版。FF-ICE/發(fā)布版1的工作范圍是在航班起飛前，在AU和相關(guān)ASPs之間建立“商定的四維剖面”。FF-ICE/發(fā)布版2的范圍是航班起飛后，在AU和相關(guān)ASPs之間協(xié)商對(duì)“商定的四維剖面”的變更。飛行中的必須基于“商定的四維剖面”進(jìn)行協(xié)商?！吧潭ǖ乃木S剖面”由各個(gè)ASPs共享和共同維護(hù)（包括更新）。ASPs發(fā)布的許可要求根據(jù)“商定的四維剖面”實(shí)時(shí)提供給機(jī)組。FF-ICE之后的發(fā)布版將逐步完善基于航跡運(yùn)行（Trajectory Based Operations，TBO）的概念，如圖1所示。

圖1 FF-ICE發(fā)布版

2.ATC系統(tǒng)處理FF-ICE剖面的問(wèn)題分析

FF-ICE概念中的四維剖面分為如下5種：

理想的四維剖面（Desired 4D trajectory）：由空域用戶生成的最適合于完成任務(wù)目標(biāo)的剖面。對(duì)于任何一次給定的飛行來(lái)說(shuō)，在任何點(diǎn)，只有一條理想的四維剖面。理想的四維剖面與商定的四維剖面不同時(shí)，空域用戶需要對(duì)理想的四維剖面進(jìn)行維更新，由ATM服務(wù)者盡快提供者分享。

商定的四維剖面（Agreed 4D trajectory）：空域用戶和ATM服務(wù)提供者共同商定的四維剖面，是空域用戶當(dāng)前飛行所使用的剖面。

已執(zhí)行的四維剖面（Executed 4D trajectory）：航空器從啟動(dòng)至當(dāng)前位置的實(shí)際四維剖面。

需要協(xié)商的四維剖面（Negotiating 4D trajectory）：由空域用戶或者ATM服務(wù)提供者提議的一條四維剖面，該剖面有可能成為一條商定的四維剖面。在協(xié)商過(guò)程中，每個(gè)參與方一次只能提供一條需要協(xié)商的四維剖面。這些剖面不一定代表門到門的剖面。

按序排列的四維剖面（Ranked 4D trajectory）：一系列的理想的四維剖面，不強(qiáng)制要求提供。必要時(shí)由空域用戶提供余度，用于選擇優(yōu)先選擇按序排列的四維剖面。

ATC系統(tǒng)需要重點(diǎn)關(guān)注FF-ICE概念中的“商定的四維剖面”“已執(zhí)行的四維剖面”以及“需要協(xié)商的四維剖面”。本文將ATC系統(tǒng)中執(zhí)行的剖面稱為ATC四維剖面或者ATC剖面。

FF-ICE中的四維剖面主要由場(chǎng)面航段和空中航段組成。離場(chǎng)場(chǎng)面航段和進(jìn)場(chǎng)場(chǎng)面航段的信息主要由塔臺(tái)自動(dòng)化系統(tǒng)提供，空中航段信息主要由空管自動(dòng)化系統(tǒng)提供。本文以如圖2運(yùn)行場(chǎng)景為例，航空器從起飛到落地，依次經(jīng)過(guò)塔臺(tái)自動(dòng)化系統(tǒng)ASP1，空管自動(dòng)化系統(tǒng)ASP2、ASP3、ASP4以及塔臺(tái)自動(dòng)化系統(tǒng)ASP5。

圖2 四維剖面的組成部分

2.1 ATC系統(tǒng)同步“已執(zhí)行的四維剖面”

具有管制權(quán)限的ATC系統(tǒng)負(fù)責(zé)發(fā)布“已執(zhí)行的四維剖面”。不具備管制權(quán)限的ATC系統(tǒng)需要同步此剖面，在同步過(guò)程中主要關(guān)注如下場(chǎng)景：

場(chǎng)景1：當(dāng)航空器在起飛機(jī)場(chǎng)地面滑行時(shí)，ASP1不斷更新離場(chǎng)場(chǎng)面航段的信息。在此場(chǎng)景中，ASP2至ASP5不關(guān)心ASP1發(fā)布的滑行路徑細(xì)節(jié)信息，在處理“已執(zhí)行的四維剖面”時(shí)，采取直接存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的方式，不對(duì)本地ATC剖面進(jìn)行更新。因此，ATC系統(tǒng)要求界定出“已執(zhí)行的四維剖面”中需要關(guān)注的信息，便于本地更新ATC四維剖面。

場(chǎng)景2：ADS-C航跡在洋區(qū)或者沙漠飛行時(shí)，航路上兩個(gè)報(bào)高點(diǎn)之間的飛行時(shí)間會(huì)比較長(zhǎng)，導(dǎo)致“已執(zhí)行的四維剖面”會(huì)停留在前一個(gè)報(bào)高點(diǎn)很久。因此，ATC系統(tǒng)即使更新了“已執(zhí)行的四維剖面”也不能準(zhǔn)確的獲得航空器的位置，需要ATC系統(tǒng)對(duì)航跡位置進(jìn)行預(yù)測(cè)。

場(chǎng)景3：在本地系統(tǒng)中，飛行計(jì)劃與監(jiān)視源航跡相關(guān)，當(dāng)ATC系統(tǒng)收到“已執(zhí)行的四維剖面”時(shí)，對(duì)比“已執(zhí)行的四維剖面”和ATC四維剖面，判斷是否一致。如果不一致，需要判斷原因，是由于多監(jiān)視源融合機(jī)制上的差異導(dǎo)致的還是相關(guān)錯(cuò)誤等其他原因?qū)е碌摹Ｒ虼?，ATC系統(tǒng)需要界定判斷“已執(zhí)行四維剖面”和ATC剖面一致性的標(biāo)準(zhǔn)。

場(chǎng)景4：本地系統(tǒng)中無(wú)此飛行計(jì)劃，根據(jù)FF-ICE信息，在本地創(chuàng)建計(jì)劃，全面同步“已執(zhí)行的四維剖面”。因此，ATC系統(tǒng)需要界定，哪些計(jì)劃需要在本地創(chuàng)建計(jì)劃。

2.2 ATC系統(tǒng)同步“商定的四維剖面”

具有管制權(quán)限的ATC系統(tǒng)負(fù)責(zé)發(fā)布“商定的四維剖面”。不具備管制權(quán)限的ATC系統(tǒng)需要同步此剖面。如果此“商定的四維剖面”不符合本地的限制條件，ATC系統(tǒng)仍然進(jìn)行同步剖面，但是，同時(shí)需要發(fā)布本地的“需要協(xié)商的四維剖面”。

2.3 ATC系統(tǒng)提出“需要協(xié)商的四維剖面”

每個(gè)管制區(qū)都有自己的管轄范圍，可以根據(jù)協(xié)調(diào)點(diǎn)（Coordination Point，COP）來(lái)劃分航路段的責(zé)任管制區(qū)。

如果“商定的四維剖面”中由本管制區(qū)負(fù)責(zé)的航路段剖面不符合限制條件，則需要提出“需要協(xié)商的四維剖面”?？梢允褂?種方式提出：收到的限制信息或者管制員主動(dòng)改航時(shí)，主動(dòng)提出；或者判斷“商定的四維剖面”不符合條件時(shí)，主動(dòng)提出。每個(gè)管制區(qū)只需提出本管制區(qū)負(fù)責(zé)的航路段剖面的建議。

2.4 ATC系統(tǒng)處理“需要協(xié)商的四維剖面”

ATC系統(tǒng)收到“需要協(xié)商的四維剖面”后，需要判斷是否符合本地的運(yùn)行環(huán)境，每個(gè)ASP需要判斷所有航路段的合理性.

具有管制權(quán)限的自動(dòng)化系統(tǒng)，負(fù)責(zé)根據(jù)所有ASPs對(duì)每個(gè)“需要協(xié)商的四維剖面”的反饋信息，計(jì)算出新的“商定的四維剖面”，可采用如下原則：

（1）全部ASPs都認(rèn)可的“需要協(xié)商的四維剖面”，才會(huì)繼續(xù)參與計(jì)算。只要有一個(gè)ASP不認(rèn)可，則此剖面將不予以考慮。

（2）當(dāng)沒(méi)有一個(gè)“需要協(xié)商的四維剖面”被認(rèn)可時(shí)保持原有的“商定的四維剖面”。當(dāng)有多個(gè)被認(rèn)可的“需要協(xié)商的四維剖面”時(shí)從每個(gè)“需要協(xié)商的四維剖面”中截取提交方所負(fù)責(zé)的航段，組合成新的“商定的四維剖面”進(jìn)而發(fā)布。

3.基于TBO運(yùn)行時(shí)ATC系統(tǒng)需要關(guān)注的問(wèn)題分析

ICAO規(guī)定，基于TBO運(yùn)行是ATM環(huán)境，其中航空器的飛行路徑盡可能接近用戶首選的飛行路徑，從而減少潛在的沖突，更早更有效地解決需求/容量失衡的問(wèn)題。在這樣的環(huán)境中，通過(guò)協(xié)作開發(fā)、管理和共享四維剖面將成為所有利益攸關(guān)方?jīng)Q策的共同參考。TBO對(duì)機(jī)載剖面（Aircraft-derived trajectory）的定義為機(jī)載剖面由機(jī)載自動(dòng)化計(jì)算得出。當(dāng)選擇適當(dāng)?shù)哪Ｊ綍r(shí)，機(jī)載剖面包含提供給橫向和縱向引導(dǎo)功能的輸入信息以及航空器預(yù)計(jì)飛行的軌跡。

ATC系統(tǒng)處理機(jī)載剖面時(shí)，需要面臨如下問(wèn)題：

（1）界定機(jī)載剖面可靠性的標(biāo)準(zhǔn)。例如，需要考慮航空器選擇何種模式運(yùn)行、氣象信息是否及時(shí)加載到機(jī)載設(shè)備中、管制許可是否及時(shí)加載到機(jī)載設(shè)備中等。

（2）采用何種鏈路和協(xié)議將機(jī)載剖面共享給ATC系統(tǒng)。

（3）ATC系統(tǒng)如何使用機(jī)載剖面?？梢圆捎?種方式：1）直接使用“未來(lái)幾分鐘內(nèi)的機(jī)載剖面”更新“商定的四維剖面”，同時(shí)微調(diào)后續(xù)剖面。2）保持原有的“商定的四維剖面”，如果“未來(lái)幾分鐘內(nèi)的機(jī)載剖面”與“商定的四維剖面”不一致，則發(fā)出告警，提供管制員手動(dòng)確認(rèn)，選擇何種剖面。

以上是基于TBO運(yùn)行時(shí)改造ATC系統(tǒng)必然會(huì)面臨的問(wèn)題。從宏觀上講，想廣泛地推廣TBO運(yùn)行就需要所有利害攸關(guān)方對(duì)整個(gè)基于航跡的運(yùn)行，包括配套能力和流程之間所需的互動(dòng)達(dá)成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)至關(guān)重要。

4.結(jié)語(yǔ)

本文介紹了FF-ICE概念、發(fā)布版本的目標(biāo)任務(wù)以及協(xié)作環(huán)境下5種剖面：“理想的四維剖面”“已執(zhí)行的四維剖面”“商定的四維剖面”“需要協(xié)商的四維剖面”以及“按序排列的四維剖面”。同時(shí)，主要分析了ATC系統(tǒng)同步“已執(zhí)行的四維剖面”和“商定的四維剖面”的初步流程、ATC系統(tǒng)提出“需要協(xié)商的四維剖面”的場(chǎng)景和流程以及根據(jù)“需要協(xié)商的四維剖面”確定“商定的四維剖面”標(biāo)準(zhǔn)。在整個(gè)協(xié)作過(guò)程中，具有管制權(quán)限的ATC系統(tǒng)具備最高權(quán)限，可發(fā)布“商定的四維剖面”和“已執(zhí)行的四維剖面”；但是，所有協(xié)商環(huán)境下的參與者都可以提出“需要協(xié)商的四維剖面”。在實(shí)際的協(xié)同運(yùn)行環(huán)境中，需要考慮塔臺(tái)自動(dòng)化系統(tǒng)、協(xié)同決策系統(tǒng)、全國(guó)流量等系統(tǒng)。本文中介紹的解決方案，只考慮了空管自動(dòng)化系統(tǒng)，可用于驗(yàn)證FF-ICE發(fā)布版2的技術(shù)方案，為后續(xù)發(fā)布本奠定基礎(chǔ)。