ATC系统处理FF-ICE四维剖面的分析

李静 朱恺杰 袁颂升 张凡 管浩润

（1.北京华泰英翔空管技术有限公司，北京 100088；2.中国民用航空华东地区空中交通管理局，上海 200336）

0.引言

目前的国际民航组织（International Civil Aviation Organization，ICAO）的飞行计划机制在飞行计划共享、提前通知、不一致的飞行情报、信息发送、信息安全、灵活信息集以及可导出信息等方面存在很大限制。

FF-ICE提供一个全球统一的机制，用于在各个利益攸关方之间共享飞行和流量数据。ATM界将使用这一概念制定ICAO的标准和建设措施，该概念将在2025年之前贯彻实施。FF-ICE 对包括军队在内的空中交通管理界的要求作了考虑，使全球的 ATM“趋于一致”。在进行合作时，尤其应该将重点放在数据保密、数据交换、数据完整性和数据共享等方面。

1.FF-ICE基本概念和发布版

FF-ICE要求ATM界多个参与方相互作用，以下为主要参与方：空域用户（Airspace User，AU）、机场运营人（Aerodrome Operations，AOPs）、ATM服务提供者（ATM Service Provider，ASPs）、空域提供者（Airspace Provider，APs）以及紧急服务提供者（Emergency Service Provider，ESPs）。

FF-ICE的概念分为几个发布版。FF-ICE/发布版1的工作范围是在航班起飞前，在AU和相关ASPs之间建立“商定的四维剖面”。FF-ICE/发布版2的范围是航班起飞后，在AU和相关ASPs之间协商对“商定的四维剖面”的变更。飞行中的必须基于“商定的四维剖面”进行协商。“商定的四维剖面”由各个ASPs共享和共同维护（包括更新）。ASPs发布的许可要求根据“商定的四维剖面”实时提供给机组。FF-ICE之后的发布版将逐步完善基于航迹运行（Trajectory Based Operations，TBO）的概念，如图1所示。

图1 FF-ICE发布版

2.ATC系统处理FF-ICE剖面的问题分析

FF-ICE概念中的四维剖面分为如下5种：

理想的四维剖面（Desired 4D trajectory）：由空域用户生成的最适合于完成任务目标的剖面。对于任何一次给定的飞行来说，在任何点，只有一条理想的四维剖面。理想的四维剖面与商定的四维剖面不同时，空域用户需要对理想的四维剖面进行维更新，由ATM服务者尽快提供者分享。

商定的四维剖面（Agreed 4D trajectory）：空域用户和ATM服务提供者共同商定的四维剖面，是空域用户当前飞行所使用的剖面。

已执行的四维剖面（Executed 4D trajectory）：航空器从启动至当前位置的实际四维剖面。

需要协商的四维剖面（Negotiating 4D trajectory）：由空域用户或者ATM服务提供者提议的一条四维剖面，该剖面有可能成为一条商定的四维剖面。在协商过程中，每个参与方一次只能提供一条需要协商的四维剖面。这些剖面不一定代表门到门的剖面。

按序排列的四维剖面（Ranked 4D trajectory）：一系列的理想的四维剖面，不强制要求提供。必要时由空域用户提供余度，用于选择优先选择按序排列的四维剖面。

ATC系统需要重点关注FF-ICE概念中的“商定的四维剖面”“已执行的四维剖面”以及“需要协商的四维剖面”。本文将ATC系统中执行的剖面称为ATC四维剖面或者ATC剖面。

FF-ICE中的四维剖面主要由场面航段和空中航段组成。离场场面航段和进场场面航段的信息主要由塔台自动化系统提供，空中航段信息主要由空管自动化系统提供。本文以如图2运行场景为例，航空器从起飞到落地，依次经过塔台自动化系统ASP1，空管自动化系统ASP2、ASP3、ASP4以及塔台自动化系统ASP5。

图2 四维剖面的组成部分

2.1 ATC系统同步“已执行的四维剖面”

具有管制权限的ATC系统负责发布“已执行的四维剖面”。不具备管制权限的ATC系统需要同步此剖面，在同步过程中主要关注如下场景：

场景1：当航空器在起飞机场地面滑行时，ASP1不断更新离场场面航段的信息。在此场景中，ASP2至ASP5不关心ASP1发布的滑行路径细节信息，在处理“已执行的四维剖面”时，采取直接存储数据的方式，不对本地ATC剖面进行更新。因此，ATC系统要求界定出“已执行的四维剖面”中需要关注的信息，便于本地更新ATC四维剖面。

场景2：ADS-C航迹在洋区或者沙漠飞行时，航路上两个报高点之间的飞行时间会比较长，导致“已执行的四维剖面”会停留在前一个报高点很久。因此，ATC系统即使更新了“已执行的四维剖面”也不能准确的获得航空器的位置，需要ATC系统对航迹位置进行预测。

场景3：在本地系统中，飞行计划与监视源航迹相关，当ATC系统收到“已执行的四维剖面”时，对比“已执行的四维剖面”和ATC四维剖面，判断是否一致。如果不一致，需要判断原因，是由于多监视源融合机制上的差异导致的还是相关错误等其他原因导致的。因此，ATC系统需要界定判断“已执行四维剖面”和ATC剖面一致性的标准。

场景4：本地系统中无此飞行计划，根据FF-ICE信息，在本地创建计划，全面同步“已执行的四维剖面”。因此，ATC系统需要界定，哪些计划需要在本地创建计划。

2.2 ATC系统同步“商定的四维剖面”

具有管制权限的ATC系统负责发布“商定的四维剖面”。不具备管制权限的ATC系统需要同步此剖面。如果此“商定的四维剖面”不符合本地的限制条件，ATC系统仍然进行同步剖面，但是，同时需要发布本地的“需要协商的四维剖面”。

2.3 ATC系统提出“需要协商的四维剖面”

每个管制区都有自己的管辖范围，可以根据协调点（Coordination Point，COP）来划分航路段的责任管制区。

如果“商定的四维剖面”中由本管制区负责的航路段剖面不符合限制条件，则需要提出“需要协商的四维剖面”。可以使用2种方式提出：收到的限制信息或者管制员主动改航时，主动提出；或者判断“商定的四维剖面”不符合条件时，主动提出。每个管制区只需提出本管制区负责的航路段剖面的建议。

2.4 ATC系统处理“需要协商的四维剖面”

ATC系统收到“需要协商的四维剖面”后，需要判断是否符合本地的运行环境，每个ASP需要判断所有航路段的合理性.

具有管制权限的自动化系统，负责根据所有ASPs对每个“需要协商的四维剖面”的反馈信息，计算出新的“商定的四维剖面”，可采用如下原则：

（1）全部ASPs都认可的“需要协商的四维剖面”，才会继续参与计算。只要有一个ASP不认可，则此剖面将不予以考虑。

（2）当没有一个“需要协商的四维剖面”被认可时保持原有的“商定的四维剖面”。当有多个被认可的“需要协商的四维剖面”时从每个“需要协商的四维剖面”中截取提交方所负责的航段，组合成新的“商定的四维剖面”进而发布。

3.基于TBO运行时ATC系统需要关注的问题分析

ICAO规定，基于TBO运行是ATM环境，其中航空器的飞行路径尽可能接近用户首选的飞行路径，从而减少潜在的冲突，更早更有效地解决需求/容量失衡的问题。在这样的环境中，通过协作开发、管理和共享四维剖面将成为所有利益攸关方决策的共同参考。TBO对机载剖面（Aircraft-derived trajectory）的定义为机载剖面由机载自动化计算得出。当选择适当的模式时，机载剖面包含提供给横向和纵向引导功能的输入信息以及航空器预计飞行的轨迹。

ATC系统处理机载剖面时，需要面临如下问题：

（1）界定机载剖面可靠性的标准。例如，需要考虑航空器选择何种模式运行、气象信息是否及时加载到机载设备中、管制许可是否及时加载到机载设备中等。

（2）采用何种链路和协议将机载剖面共享给ATC系统。

（3）ATC系统如何使用机载剖面。可以采用2种方式：1）直接使用“未来几分钟内的机载剖面”更新“商定的四维剖面”，同时微调后续剖面。2）保持原有的“商定的四维剖面”，如果“未来几分钟内的机载剖面”与“商定的四维剖面”不一致，则发出告警，提供管制员手动确认，选择何种剖面。

以上是基于TBO运行时改造ATC系统必然会面临的问题。从宏观上讲，想广泛地推广TBO运行就需要所有利害攸关方对整个基于航迹的运行，包括配套能力和流程之间所需的互动达成统一认识至关重要。

4.结语

本文介绍了FF-ICE概念、发布版本的目标任务以及协作环境下5种剖面：“理想的四维剖面”“已执行的四维剖面”“商定的四维剖面”“需要协商的四维剖面”以及“按序排列的四维剖面”。同时，主要分析了ATC系统同步“已执行的四维剖面”和“商定的四维剖面”的初步流程、ATC系统提出“需要协商的四维剖面”的场景和流程以及根据“需要协商的四维剖面”确定“商定的四维剖面”标准。在整个协作过程中，具有管制权限的ATC系统具备最高权限，可发布“商定的四维剖面”和“已执行的四维剖面”；但是，所有协商环境下的参与者都可以提出“需要协商的四维剖面”。在实际的协同运行环境中，需要考虑塔台自动化系统、协同决策系统、全国流量等系统。本文中介绍的解决方案，只考虑了空管自动化系统，可用于验证FF-ICE发布版2的技术方案，为后续发布本奠定基础。