面向四维航迹运行的空地数据链架构设计*

邱艺煌，卞启龙，徐浚哲，李 莎，任明轩

(中国民航大学，天津300300)

随着民航空域受限、航班延误、冲突加剧的问题日益严重，在无法扩大空域的前提下，当前行之有效的策略之一是缩小航空器的最小间隔，从而增加空中流量。基于四维航迹的运行(Trajectory Based Operation，TBO)可以将飞机到达预计点的时刻精度从分钟级提高到十秒级。因此基于四维航迹的运行不但可以增加空中流量，而且可以使飞机飞得更加平稳，改善航班运行现状。

1 ATS通信网络的架构

航空电信网简称ATN。ATN可使航空通信网络整体向着民航地空一体化发展。在ATN的地对空应用上，利用数据链传输信息是一种新兴的通信方式[1]。它使地空通信效率显著提高，同时降低管制员的工作负荷。

ATN网络主要可分为ATN Baseline 1和ATN Baseline 2。ATN Baseline 1支持如下CPDLC应用：数据链初始化(DLIC)、CPDLC提供的ATC通信管理(ACM)、ATC管制指令(ACL)、数字放行(DCL)、ATC话筒检查(AMC)。

ATN B2是基于ATN网络的数据链系统，ATN B2可以实现以下额外服务：数据链4D航迹起始(Initial 4D Trajectory Data Link)、基于ADS-C报告中扩展投影剖面(EPP，Extended Projected Profile)、ADS-C提供的四维航迹数据链(4DTRAD)。

2 基于四维航迹的运行

2.1 基于四维航迹运行的概念

基于四维航迹的运行是在传统三维空间(经度、纬度和高度)运行中加入时间维度，要求航空器在规定时刻到达规定航路点[2]。对于飞行路线不同的飞机，四维航迹信息一定不同，但对于一个定期航班，每天的四维航迹信息也会随气象、业载、巡航高度变化。因此航空器的四维航迹(4 Dimensional Trajectory，4DT)具有特定性和动态性。综合TBO的原理及其特点，基于四维航迹运行是指：综合考虑当前飞行的重量、机型、速度、高度、气象、航线等因素，预先计算出航空器到达下一个航路点的时刻，然后将此信息在空管部门、航空公司和航空器之间进行实时同步和更新，从而实现航空器基于不同部门协同决策的安全高效运行。基于四维航迹运行与传统空管运行概念的区别如表1所示。

表1

2.2 实现TBO的关键技术与系统

2.2.1 飞行管理系统

要想使飞机在预计时间到达预计的航路点，就必须提前根据飞机的重量、飞行高度等大量参数计算出下一个航路点。FMS能够结合飞行计划和实时的气象信息，计算出飞机如何进行速度和方向的调整，从而满足所需到达时间RTA的要求。FMS还应该与自动驾驶仪、电子飞行仪表系统和导航传感器、飞行人员互相共享航迹信息，从而实现精准的航迹引导。

2.2.2 空地数据链通信系统

在传统运行中，主要通过陆空通话的方式指挥飞机，这种方式传输信息效率低，且易受人为因素的影响。而基于四维航迹的运行除了要交互航行情报、管制指令、位置信息等常规信息外，还需要交互气象、发动机参数、4D动态航迹等多元化的空中交通环境信息。RTCA SC-214和EUROCAE WG-78联合委员会已共同制定出面向TBO的新一代空地通信数据链服务的需求，并将其命名为4DTRAD(4D Trajectory Data Link)。2.2.3地面空管优化系统

对于地面空管，应该在保障扇区内飞机没有冲突的前提下，尽可能提高整个空域的运行效率。如果扇区内的飞机数量较多时，就必须依靠计算机来进行飞机间隔控制和飞机的排序，这样才能从根本上提升管制运行效率。实现这些优化目标的决策支持工具包括：飞行冲突探测与解脱(CD&R)系统、自主间隔保持系统、航班进离港排序系统(AMAN/DMAN)、4D航迹网络化管理系统等。

2.2.4 四维高分辨率的数值气象预报技术

在飞机飞行阶段，风对飞机有很大的影响，能否准确预测下一时间的风速和风向很大程度上决定飞机能否准时达到下一个航路点。因此四维航迹运行必然要求实现四维数值气象预报。结合世界区域预报系统的格点预报数据、航空气象资料下传与转发等多源气象数据，进行同化处理，构建四维数值气象预报模型，可满足飞机FMS四维航迹准确计算对气象数据的要求。

3 空地通信数据链体系架构

3.1 CPDLC

管制员飞行员数据链通信(CPDLC：Controller Pilot Data Link Communication)是一种支持管制员和飞行员在航班运行过程中直接进行飞行数据交换的新型数据链系统。它能大大减少因陆空听话产生口误，信息失真等引起的事故。

3.1.1 CPDLC通信实现过程

(1)空中交通服务设备通告(ATS Facilities Notification，AFN)登录

机组成员完成初始化登录(LOG ON)步骤之后，飞行管理系统FMS将向某个指定的ATSU发送一个“AFN CONTACT”消息，告知可接受的空中交通服务的能力，ATSU回复“AFN ACKNOWLEGEMENT”，AFN登录完成。

(2)CPDLC链接的建立

CPDLC链接的发起方通常是地面管制单位。指定的ATSU向飞机发送一个“CONNECTION REQUEST”消息，飞机自动以一个“CONNECTION CONFIRM”消息回复，至此有效的CPDLC建立。

(3)与下一管制单位NDA建立登陆关联

首先当前管制单位CDA需要发送消息通知下一管制单位NDA，随后CDA向飞机发送一个“AFN CONTACT ADVISORY”消息，告知飞机与NDA进行AFN登录，并提供AFN登录所需信息。飞机以一个“AFN RESPONSE”消息回复CDA，表明已接收到相关指令，并向NDA发送一个“AFN CONTACT”消息，请求与其进行AFN登录。NDA以一个“AFN ACKNOWLEGEMENT”消息回复飞机，飞机同时向CDA发送一个“AFN COMPLETE”消息，向CDA表明飞机已与NDA建立登陆关联。

(4)CPDLC链接的终止

CPDLC链接的终止通常由当前地面管制单位CDA发起。在适合的时间和相应的管制移交地点，CDA向飞机发送一个“END SERVICE”消息，初始化终止CPDLC链接。飞机回复一个“DISCONNECT”消息，即刻终止CPDLC链接。特殊情况下，飞机也可以主动发送一个“DISCONNECT REQUEST”消息来强制终止与地面管制单位之间的CPDLC链接。

3.1.2 CPDLC报文规范

CPDLC消息报文一般由以下几部分组成：

(1)消息识别码；

(2)时间和日期；

(3)逻辑确认指示；

(4)1至7个消息元素，每个消息元素包含消息元素识别信息、指定的消息元素数据和相关的消息元素属性。报文的消息属性决定了CPDLC用户接受指定信息时的处理方式和需求。

3.2 ADS-C

CPDLC主要用于飞行员与管制员的通信，而ADS-C更偏向于对航班信息的实时监视[3]。其能够将机载设备计算出的有关飞机位置、速度等信息，利用空地数据链传输给地面站，经地面网络，将收集到的信息发送给监视中心，将接收的每个点的数据转化为航迹，以此来实时地监视飞机。

3.2.1 ADS-C的合同类型

ADS-C合同由ATSU发起。ATSU可向一架飞机发起多个合同。一些信息在每份报告中都需采集下传，如果地面需要额外地信息，则需在报告中要求。合同的类型根据所要求地信息和触发合同汇报地特殊条件而确定。具体分类方式如下：

周期合同：ATSU要求飞机按照一定的时间间隔发送ADS-C报文，并选择包含在周期合同中的数据组。ATSU可以根据需要设置周期或更新频率或调整时间间隔。

要求合同：当ATSU在规定时间内没有收到飞机端发送的合同时，可以向飞机发送要求合同。要求合同可以向飞机请求传输单一地ADS-C报告。要求合同无法修改和退出其他类型的ADS-C合同。

事件合同：当飞机系统判断飞机状态达到ATSU设定的条件时，如：航路点变更、侧向偏差、垂直速率变化时向ATSU通报。事件协约将一直有效，直到ATSU取消协约或发生用于触发报告的事件为止。

3.2.2 连接管理

AFN是使用数据链ADS-C的第一步，航空用户向地面端发送登录请求后，就可以接入ADS-C数据链。飞机管理系统可以向地面端提供航空器位置、高度、爬升率、速度等信息。当地面系统收到飞机发起的登录请求时，就会向飞机发送一个ADS-C合同的请求。当飞机的ADSC功能没有关闭时，就会自动连接。

连接优先级：当ATS地面系统接收到一个登录请求消息，ATSU即可以通过向飞机发送一个ADS合同请求，初始化一个ADS-C连接。

ADS-C在连接时没有优先级顺序，飞机需等待地面端许可，再按照ADS-C连接优先级进行初始化地址转发。

3.2.3 ADS-C报文传输机制

ADS-C将飞机的信息通过空地数据链，以报文形式发送到地面端。只有在飞机注册AFN后了才能与地面端建立合同。ADS-C常用的传输路径有两种：RGS和INMARST，分别用于陆地和大洋。

ADS-C的传输过程为：由机载传感器和大气数据传感器收集信息，由机载管理模块整合后，通过卫星数据链，甚高频数据链或者二次雷达数据链传输到地面网络，将飞机的实时位置显示在屏幕上。

4 ATC通信管理

ATC通信管理(ACM)是基于CPDLC的空地数据链通信在涉及空中交通服务单位移交时的一种自动化通信服务。ATC通信管理提供机组和空中交通服务单位之间的自动化通信移交，可实现：

(1)空中交通服务单位初始化CPDLC建立；

(2)两家空中交通服务单位的CPDLC移交和语音移交；

(3)空中交通服务单位CPDLC的终止；

(4)CPDLC移交和语音移交同时完成。

4.1 数据链初始能力建立

数据链初始能力建立(DLIC)是ATC通信管理的先决条件。DLIC应用提供在飞机与地面系统之间建立通信的能力。一旦通信建立，数据链应用就自动提供。这个能力支持飞机向其他系统的登录和登录信息的自动更新。

在DLIC中，登录是数据链建立的第一步，目的是：(1)向空中交通服务单位提供数据链应用；航空器身份识别。(2)向空中交通服务单位提供相关的航班信息。

4.2 ACM典型服务场景

根据空中交通服务单位的移交方和接受方是否使用CPDLC，以及是否改变语音频率，可将ACM服务划分为以下7个场景：

(1)相互联系的两家空中交通服务单位均使用CPDL C，且语音频率变化指令独立于数据通信传输；

(2)相互联系的两家空中交通服务单位均使用CPDL C，且语音频率变化指令依附于数据通信传输；

(3)移交方不使用CPDLC，接收方使用CPDLC(支持DLIC)；

(4)移交方使用CPDLC，但接收方不使用CPDLC。且语音频率变化指令与数据通信传输并行；

(5)移交方使用CPDLC，但接收方不使用CPDLC。且语音频率变化指令独立于数据通信传输；

(6)机组人员要求更改频率；

(7)终止CPDLC而不转移CPDLC或改变语音通话频率。

4.3 ACM移交的典型操作方法

在RTCA DO-350中，写明了针对不同条件下的具体移交步骤[4]。下面以移交方和接收方都配备CPDLC，且语音频率变化指令依附于数据通信传输的情况为例，模拟ACM的典型运行场景。

第一步：向NDA飞机发出T-ATSU通知。

T-ATSU发送UM160Next数据授权，授权飞机系统接受指定为NDA的R-ATSU提出的建立CPDLC的请求。

第二步：在R-ATSU和飞机之间建立CPDLC。

当不作为DLIC的一部分执行时，在请求CPDLC建立之前，R-ATSU系统确保：飞机与R-ATSU系统飞行计划信息的明确关联；飞机系统和R-ATSU系统使用兼容版本的CPDLC。

第三步：发出T-ATSU与飞机之间的语音传输指令并终止CPDLC。

在发送CPDLC终止请求之前，将通知控制器任何开放的上行链路消息。T-ATSU：在收到转移指令后，机组人员确认转移语音通信和CPDLC的指示。

第四步：飞机认为R-ATSU是CDA。

在与T-ATSU终止CPDLC后，飞机系统将R-ATSU识别为CDA，并发送DM99当前数据授权通知R-ATSU它是CDA。

第五步：在R-ATSU和飞机之间启用CPDLC。

5 结束语

本文以ATS通信网络技术为切入点，对TBO进行研究分析，着重阐明了相关报文规范、数据传输合同类型。在此基础上，我们进行了空地通信数据链体系的架构，由CPDLC，ADS-C进行分析，从通信的建立、通信的规范、通信的传输模式和管理方式等方面分析其各自特点，并进一步提出自动化的ATC通信管理移交服务。本文中所描述的四维航迹的空地数据链系统架构也存在一定的缺陷，如飞机数量过多时所面临的通信排队优化和部分传输功能自动化后地面管制的不确定因素分析等问题还有待研究。