支持四維航跡運行的新一代民機數(shù)據(jù)鏈技術綜述*

劉天華，王 麗，林 靜，王 勇

(中電科航空電子有限公司，成都 611731)

0 引 言

隨著全球航空運輸業(yè)快速發(fā)展與空域資源有限矛盾的日益突出，美國和歐洲分別計劃并實施其下一代空中交通管理系統(tǒng)，即美國新一代空中交通系統(tǒng)(Next Generation Air Transportation System，NextGen)和歐洲單一天空計劃(Single European Sky Air traffic management Research，SESAR)，其核心技術之一是采用面向四維航跡的空域運行，提高飛行靈活性和空域利用率，減少飛機延誤，降低二氧化碳排放，提高飛行安全。四維航跡(Four Dimensional Trajectory，4DT)運行對數(shù)據(jù)鏈技術提出了新的要求：一方面，現(xiàn)有的管制員-飛行員數(shù)據(jù)鏈通信(Controller Pilot Data Link Communications，CPDLC)、合約式自動相關監(jiān)視(Automatic Dependent Surveillance Contract，ADS-C)等數(shù)據(jù)鏈應用需升級以適應四維航跡運行所需的空地航跡協(xié)調(diào)的信息傳輸；另一方面，數(shù)據(jù)鏈協(xié)議棧將在現(xiàn)有的基于開放系統(tǒng)互聯(lián)的航空電信網(wǎng)(Aeronautical Telecommunication Network/Open Systems Interconnection，ATN/OSI)的基礎上，逐步發(fā)展到采用基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(Internet Protocol,IP)的航空電信網(wǎng)(Aeronautical Telecommunication Network/Internet Protocol Suite，ATN/IPS)協(xié)議棧，實現(xiàn)機載數(shù)據(jù)鏈應用間的對話、消息的路由和隊列管理以及和各種寬帶通信鏈路間的接口；再有，通信鏈路在沿用現(xiàn)有甚高頻數(shù)據(jù)鏈模式2(VHF Data Link Mode 2，VDL M2)鏈路的基礎上，將采用海事衛(wèi)星安全快速寬帶(Swift Broadband-Safety，SBB-Safety)以及銥星Iridium Certus新一代寬帶衛(wèi)星通信鏈路，同時，L頻段數(shù)字航空通信系統(tǒng)(L-band Digital Aeronautical Communication System，LDACS)將逐漸替代現(xiàn)有的甚高頻飛機通信尋址報告系統(tǒng)(Aircraft Communication Addressing and Reporting System，ACARS)鏈路和VDL M2鏈路來支持未來的四維航跡運行。

1 面向四維航跡運行的民機數(shù)據(jù)鏈應用

面向四維航跡運行是以飛機的四維航跡為基礎，在空管部門、航空公司、飛機之間共享航跡信息，實現(xiàn)飛行員與地面之間的航跡協(xié)商、時間約束協(xié)商，精確地控制飛機的飛行軌跡和間隔管理，從而實現(xiàn)飛機的高效安全運行。SESAR將四維航跡運行分為兩個階段：初始四維航跡運行(Initial 4Dimensional，I4D)和全四維(Full 4D)航跡運行。初始四維航跡運行是“基于時間的運行”，僅要求飛機支持一個航路點上的時間要求，通常用于實現(xiàn)飛機到達序列的優(yōu)化。全四維航跡運行是“基于性能的運行”，要求在飛行過程中實現(xiàn)多點、多區(qū)域、多性能領域提高飛行效率，保證安全、有序、高效的空中交通。為了支持四維航跡運行，現(xiàn)有的CPDLC和ADS-C數(shù)據(jù)鏈應用需要升級更新。

1.1 CPDLC應用

四維航跡運行要求升級現(xiàn)有的CPDLC應用，以實現(xiàn)飛行員與地面之間的航跡協(xié)商、放行許可協(xié)商等服務。CPDLC消息元素包含高度分配、穿越限制、橫向偏移、航路更改和許可、速度分配、無線電通信頻率指派管制指令、通信管理及各種信息請求/應答等[1]。面向四維航跡運行的CPDLC應用是基于ATN Baseline2 的數(shù)據(jù)鏈應用，在ATN Baseline1 消息集的基礎上，面向四維航跡運行的CPDLC增加了新的服務：四維航跡數(shù)據(jù)鏈(4D Trajectory Data Link，4DTRAD)及支持四維航跡運行的消息集，并對現(xiàn)有的消息元素進行了相應的修改，如四維航跡放行許可指令增加了航路點的距離，時間約束協(xié)商時增加了所需到達時間(Required Time of Arrival,RTA)的允許誤差(秒級)，消息元素支持的級聯(lián)數(shù)量也由5個增加到了7個，從而支持更豐富的消息內(nèi)容。ATN Baseline2 CPDLC應用新增的4DT消息元素如表1所示[2]。

表1 ATN Baseline2 CPDLC新增4DT消息元素

此外，CPDLC應用還為飛行員提供加載CPDLC上行消息到飛行管理系統(tǒng)(Flight Management System，F(xiàn)MS)的服務，以避免人工輸入錯誤導致的危險和增加的工作量。

1.2 ADS-C應用

ADS-C應用通過與地面管制中心建立合同的方式，將飛機的位置、高度、速度、氣象等信息通過數(shù)據(jù)鏈以報告的形式發(fā)送到地面管制中心。面向四維航跡運行的ADS-C應用是基于ATN Baseline2的數(shù)據(jù)鏈應用，提供四維航跡協(xié)商、時間約束協(xié)商、航跡一致性監(jiān)控及修訂等服務。在Baseline1消息集的基礎上，ATN Baseline2 ADS-C增加了新的服務：擴展投射剖面(Extended Projected Profile，EPP)，EPP包含航路點的軌跡意圖狀態(tài)、水平約束、所需到達時間(Required Time of Arrival，RTA)值、速度約束及飛機當前總質(zhì)量、穿越高度、預測位置、高度和時間[3]。此外，EPP支持最多128個航路點的航跡信息，最大預測時間為1 200 min，從而保證在航行階段更有效地進行航跡協(xié)商、修改。

1.3 支持四維航跡運行的數(shù)據(jù)鏈協(xié)商過程

以下為四維航跡運行中CPDLC和ADS-C應用在數(shù)據(jù)鏈協(xié)商過程中的示例[4]：

(1)空地航跡協(xié)商

①飛機向航空公司發(fā)送氣象信息請求，地面回復氣象信息報(包含風向，風速，溫度等信息)；

②飛機根據(jù)收到的氣象信息，由飛管根據(jù)飛行計劃及飛機各項參數(shù)，計算出預測4D航跡；

③航路管制中心向飛機發(fā)送ADS-C航跡數(shù)據(jù)請求，飛機回復的ADS-C報告包含4D航跡數(shù)據(jù)。

空地航跡協(xié)商過程如圖1所示。

圖1 空地航跡協(xié)商

(2)航路放行

①航路管制中心與終端區(qū)管制中心等共享飛機4D航跡數(shù)據(jù)，并對航跡和空域態(tài)勢進行評估；

②航路管制中心通過CPDLC上傳希望飛機執(zhí)行的航路放行指令(Route Clearance)。

航路放行過程如圖2所示。

圖2 航路放行

(3) 預計到達時間和可控到達時間協(xié)商

①終端區(qū)管制中心向飛機發(fā)到指定測量點(Metering Point，MP)的預計到達時間(Estimated Time of Arrival，ETA)最小/最大值ADS-C請求；

②飛機根據(jù)飛管計算的預計到達時間(ETA)最小/最大值回復ADS-C報告；

③在飛機到達之前，終端管制中心的進港排序管理系統(tǒng)(Arrival Manager，AMAN)根據(jù)接收到的ETA及空域其他航班信息，計算出飛機到達指定航路點的可控到達時間(Controlled Time of Arrival，CTA)，并發(fā)送給航路管制中心。

預計到達時間和可控到達時間協(xié)商過程如圖3所示。

圖3 預計到達時間和可控到達時間協(xié)商

(4)所需到達時間協(xié)商

①航路管制中心對可控到達時間(CTA)進行評估，通過CPDLC向飛機發(fā)送所需到達時間指令；

②飛行員根據(jù)飛機情況回復可以執(zhí)行指令或者不能執(zhí)行指令的消息，并在RTA時間范圍內(nèi)到達指定航路點。

所需到達時間協(xié)商過程如圖4所示。

圖4 所需到達時間協(xié)商

1.4 四維航跡運行試驗現(xiàn)狀

歐洲于2017年啟動SESAR 2020 PJ-31 DIGITS超大規(guī)模四維航跡驗證飛行項目，共有6家航企的91架空客A320飛機參與了驗證運行，累計航班量超過2萬架次，記錄的航班ADS-C信息超過140萬條。在國內(nèi)，2019年3月，空客公司與中國民航成功完成亞太地區(qū)天津與廣州間的首次初始四維航跡運行驗證項目，充分驗證了我國四維航跡技術的空地數(shù)字化協(xié)同管制、空地航跡共享等能力，并在3個航路點進行了航空器所需到達時間能力測試，偏差均控制在5 s以內(nèi)。未來，我國智慧空管建設將建立以航跡管理為核心的先進空管運行模式，推進航班全生命周期精細化管控，提高安全水平，提升流量管理能力，實現(xiàn)擴容增效[5]。

2 未來民機數(shù)據(jù)鏈協(xié)議棧ATN/IPS

隨著全球“互聯(lián)網(wǎng)+”趨勢發(fā)展，以及民機駕駛艙飛機控制域(Aircraft Control Domain，ACD)和后艙飛機信息服務域(Aircraft Information Services Domain，AISD)數(shù)據(jù)融合發(fā)展，未來的飛機將融入全球互聯(lián)網(wǎng)，成為“互聯(lián)網(wǎng)+”網(wǎng)絡中的一個節(jié)點，現(xiàn)有數(shù)據(jù)鏈ACARS和ATN/OSI協(xié)議棧已不能滿足未來航空通信技術發(fā)展需求。國際民航組織(International Civil Aviation Organization,ICAO)從2000年開始引入基于IP的通信標準解決民用航空通信需求，目前正在完成ATN/IPS解決方案的標準化工作，并將其作為世界范圍內(nèi)民用航空通信的解決方案[6]。ATN/IPS用于支持與安全相關的空中交通服務(Air Traffic Service，ATS)和航空公司運營通信(Airline Operational Communications，AOC)數(shù)據(jù)鏈應用。ATN/IPS的協(xié)議棧架構如圖5所示[7]。

圖5 ATN/IPS協(xié)議棧架構圖[7]

ATN/IPS協(xié)議棧為AOC、ATS和其他基于IP的應用提供高效和健壯的空地消息發(fā)送/接收服務?；贏TN/IPS協(xié)議棧設計、開發(fā)的AOC應用和其他IP應用可以直接調(diào)用ATN/IPS協(xié)議棧提供的應用程序接口(Application Program Interface，API)，使用相應的傳輸層服務?；贏TN/OSI和ACARS協(xié)議棧設計、開發(fā)的AOC、ATS和其他IP應用使用ICAO Doc 9896定義的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議族(Internet Protocol Suite，IPS)對話服務，將應用數(shù)據(jù)映射為ATN數(shù)據(jù)包(Aeronautical Telecommunication Network Packet，ATNPKT)后在ATN/IPS網(wǎng)絡中進行傳輸[8]。

ATN/IPS協(xié)議棧支持多種空地鏈路，包括VDL M2鏈路、適用于機場場面監(jiān)視的機場航空移動通信系統(tǒng)(Aeronautical Mobile Airport Communication System，AeroMACS)鏈路、L頻段數(shù)字航空通信系統(tǒng)鏈路以及Inmarsat SBB鏈路和Iridium Certus鏈路。ATN/IPS協(xié)議棧支持的多樣化鏈路可以滿足不同應用的通信需求，多種鏈路之間的相互備份也能最大程度上保障空地通信的可靠性。

3 未來支持4DT的寬帶通信系統(tǒng)

四維航跡運行對數(shù)據(jù)傳輸速率提出了更高的要求，原來的海事衛(wèi)星Classic Aero網(wǎng)絡和銥星網(wǎng)絡不能滿足四維航跡運行要求。未來支持四維航跡運行的通信系統(tǒng)包括海事衛(wèi)星Inmarsat的安全高速寬帶系統(tǒng)、新一代銥星的Iridium Certus以及L頻段數(shù)字航空通信系統(tǒng)。

3.1 Inmarsat SBB-Safety

Inmarsat SBB-Safety采用高速安全數(shù)字IP寬帶鏈路同時支持話音和寬帶數(shù)據(jù)通信，提供北緯80°到南緯80°之間的覆蓋，最高通信速率可達432 kb/s，支持安全可靠未來空中導航系統(tǒng)(Future Air Navigation System，F(xiàn)ANS)ACARS消息傳輸，滿足所需通信性能240(RCP240)和所需監(jiān)視性能180(RCP180)要求。Inmarsat與歐洲航天局(European Space Agency，ESA)合作開展Iris計劃，基于安全、高帶寬衛(wèi)星的數(shù)字化通信，采用升級后的FANS3數(shù)據(jù)鏈應用，通過管制員-飛行員數(shù)據(jù)鏈通信、合約式自動相關監(jiān)視數(shù)據(jù)鏈應用實現(xiàn)空地航跡協(xié)商，提高歐洲擁擠空域空中交通管理(Air Traffic Management，ATM)效率，減輕空中交通管制員的工作量，提高飛行安全性。Iris計劃將實現(xiàn)初始4D(Initial 4D)航跡運行，目前采用基于開放式系統(tǒng)互連的航空電信網(wǎng)協(xié)議棧。海事衛(wèi)星組織計劃未來通過引入基于IP協(xié)議的航空電信網(wǎng)網(wǎng)關的方式，實現(xiàn)Iris項目ATN/OSI協(xié)議棧到ATN/IPS協(xié)議棧的升級[7]。

3.2 Iridium Certus

下一代銥星為Iridium Certus提供88 kb/s～1.4 Mb/s的寬帶數(shù)據(jù)服務，并實現(xiàn)全球覆蓋。Iridium Certus可以同時提供話音和寬帶數(shù)據(jù)傳輸服務，Iridium Certus的機載終端可選擇高增益天線(High Gain Antenna，HGA)、有源低增益天線(Active Low Gain Antenna，ALGA)、低增益天線(Low Gain Antenna，LGA)，根據(jù)安裝不同的天線，可提供5個不同級別的服務，如表2所示。

表2 Iridium Certus的服務級別

在總的最大發(fā)射數(shù)據(jù)速率和最大接收數(shù)據(jù)速率的限制下，Iridium Certus的機載終端可同時提供3路話音、3路IP數(shù)據(jù)以及突發(fā)短消息服務。Iridium Certus將支持數(shù)據(jù)鏈ATN/OSI、ATN/IPS以及ACARS協(xié)議棧的運行[7]。

3.3 LDACS

L頻段數(shù)字航空通信系統(tǒng)是未來面向航路階段的空地數(shù)據(jù)鏈路，它采用正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技術，符合先進ATN網(wǎng)絡協(xié)議ATN/IPS，主要用于飛機與地面管制中心、航空公司運控中心的數(shù)據(jù)交換服務[9]。LDACS將支持四維航跡運行服務所需的低延遲、高容量、高可靠性的新型空地寬帶數(shù)據(jù)交換服務，根據(jù)ICAO ASBU，LDACS將逐漸替代現(xiàn)有的VHF ACARS和VDL Mode 2數(shù)據(jù)鏈。

LDACS扇區(qū)拓撲結構如圖6所示。

圖6 LDACS 網(wǎng)絡結構

LDACS采用星型網(wǎng)絡結構，覆蓋范圍200 n mile，LDACS地面站是系統(tǒng)中心，控制LDACS地空通信，可同時支持多個雙向通信鏈路。在系統(tǒng)使用前，機載站需先向地面站進行注冊，以獲取信道分配。目前廣泛應用的L-DACS1系統(tǒng)，其前向鏈路(地面站到飛機)工作在985.5～1 008.5 MHz，傳輸速率為303～1 373 kb/s；其反向鏈路(飛機到地面站)工作在1 048.5～1 071.5 MHz，傳輸速率為220～1 038 kb/s[10]。未來，我國將大力發(fā)展5G LDACS的標準體系建設、機載航電與地面設備研制以及5G LDACS的網(wǎng)絡部署，5G LDACS的傳輸速率將大大提高。

4 結束語

未來飛機的全四維(Full 4D)航跡運行精確定位飛機的經(jīng)度、緯度、高度和時間四個維度，允許飛行員和管制員在飛行航跡上進行協(xié)作并計算最短的可用航線，以最佳高度巡航，使用連續(xù)的爬升和下降路徑來減少延誤，節(jié)省燃料，減少對環(huán)境影響，最終實現(xiàn)精確的航班跟蹤和更有效的空中交通管理。為了支持下一代空中交通管理的四維航跡運行，ICAO、NextGen、SESAR、中國民用航空局(Civil Aviation Administration of China，CAAC)、波音、空客等開展了FANS3數(shù)據(jù)鏈應用、ATN/IPS數(shù)據(jù)鏈協(xié)議棧、寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)、LDACS等新一代數(shù)據(jù)鏈技術的規(guī)劃，相關組織依據(jù)規(guī)劃在不同時期、不同國家/地區(qū)開展標準制定、原理樣機研制、試驗驗證以及試點應用。隨著上述技術逐步成熟及推廣應用，將有效提高全球民用航空運輸?shù)慕煌考斑\行效率，提高飛行安全，并對下一代空中交通管理產(chǎn)生積極而深遠的影響。