光纤矩阵在民航空中交通管制系统的应用研究

赵浪涛

（民航中南空管设备工程<广州>有限公司 广东 广州 510000）

0 引言

光纤矩阵在民航空中交通管制系统的应用，是民航空中交通管制系统的升级，同时也是管制系统完善的重要手段。近年来，民航空中交通管理发展进入高速阶段，各种信息技术在空中交通管制系统中的应用，进一步完善了空管系统。当然空管系统管理内容多，管理信息多元化，加上管理规模比较大，因此在一定程度上增加了民航空中交通管制的难度。若依然采用原有的技术手段，已经不能满足民航空中交通管制系统安全运行以及设备安装等的需求。基于此，在民航空中交通管制系统中应用光纤矩阵技术，完善空管安全运行系统，强化空管系统的管理作用，为未来空管系统发展提供更多参考。

1 空中交通管制运行介绍

飞机是一种在空中运行的交通方式，逐渐成为人们远行的一种重要交通工具，飞机跟汽车一样严格遵循着相关的交通规则在空中飞行，飞行在空中所遵守的空中交通规则也受到专门机构的指挥和管控，这就是我们所说的空中交通管制。空中交通管制是指飞机在空中飞行的时候通过先进的设备和技术手段对飞机进行管理和控制，以此方式保证飞机的飞行速度和飞行安全性。空中交通管制的任务主要为了防止飞机在空中飞行的时候出现碰撞，因为撞到障碍物而造成空中交通混乱，通过采取交通管制措施来保证空中交通顺畅，飞机顺畅飞行。

空中交通管制系统的运行以及光纤矩阵技术的应用，都必须对空中交通管制有详细的了解，认识到空中交通管制组成，为光纤矩阵技术的应用奠定基础。

1.1 空中交通管制运行

空中交通管制系统，需根据民航空中管制要求，明确管制范围，随后科学展开管制运行工作。当前空中交通管制运行，主要管制单位包括3种：其一是塔台管制；其二是区域管制；其三是进近管制[1]。空中交通管制的具体场所，主要分布于民航的机场塔台附近，除此之外，还会在终端管制中心区域进行设置。管制单位根据交通管理运行情况，及时进行管制扇区划分，针对性地进行管制人员加以管理，同时完善监督控制体系，保证交通管制系统的正常运行[2]。

1.2 空中交通管制设施

空中交通管制系统中，基础设施以无线通信设备为主，此外还涉及空中交通管制正常运行的自动化处理系统，其核心以雷达监视为主。因为空中交通管制系统必须时刻与地面联系，加上民航运行线路复杂，因此还需要场面监视雷达融汇处理系统的支持，由气象自动观测系统辅助，随时掌握气象变化[3]，协同决策管理系统，协助空中交通管制系统运行。空中交通管制涉及大量数据信息，均由空管综合信息处理系统予以处理。塔台航班排序电子进程单处理系统以及飞行区视频监视系统，同样是重要组成。还需设置机场情报自动通播以及数字放行系统，帮助民航随时完成信息播报[4]。针对不同的运行系统，配备显示器以及终端工作站等，保证空管系统的正常运行。

1.3 空中交通管制方法

1.3.1 程序管制

这种管制方法对设备没有太高的要求，进行管制的时候不需要采用专门的设备来完成管制工作，其工作方法主要是通过地空通话设备来完成管制任务的。管制人员在进行交通管制的时候，通过飞行员发送的位置报告来对各个飞机之间的飞行距离和飞行位置进行分析和了解，并掌握相关的飞行状况，通过这些信息对空中交通存在的变化做出推断，并向飞机发出飞行指令，指挥飞机在空中有序飞行。在飞机起飞之前，机长必须要向报告室提交飞行计划，在经过批准之后才可以正式起飞。飞行计划涉及的内容有飞机需要携带的油量、预计飞行时间、经过各个场点的时间、使用的导航台、飞行航线、备降机场、降落时间等。当飞行计划确定之后，空中交通管制员要根据飞行计划内容对飞行进行监管。空中交通管制员会根据收到的飞行计划和机长报告的位置，对飞机的实际飞行进程单进行纠正，如果发现航空器之间的间隔小于规定的范围内，就要马上采取相应的处理措施，对其进行调配，保证航空器之间的间隔可以在规定的范围内。程序管制法具有精准度差、速度慢的特点，为了使飞机在空中飞行的时候能够保证其安全性，一般会设置很多的限制条件，例如，同一航线上的同一型号的飞行在空中的高度必须要相互间隔10 min，因为在固定的空间内能够容纳的航空器数量并不多。在中国民航管制工作中程序管制是当前应用时间最长的一种管制方法。

1.3.2 雷达管制

相对于程序管制而言，雷达管制的安全性能更好，雷达管制员在对空中交通进行管制的过程中，只要通过雷达显示就可以了解在相关的管辖范围内雷达波所探测到的航空器所处的精准位置，这样就可以在很大程度上降低航空器之间的间隔，防止出现空中相撞的问题，同时也能使管制工作从之前的被动变得更加主动，而此时管制人员的工作也可以从被动指挥逐渐过渡到主动指挥中，这种方式对于空中交通管制来说，更加高效、有序和安全。当前我国民航管制中规定能够采用的雷达种类分为两种类型，一种是一次监视雷达，这种雷达发射的无线点脉冲，有一小部分会被目标反射回来，同时反射回来的无线电脉冲会被雷达收回然后经过处理之后再次显示，一般会在显示器上只出现一个亮点，不会出现其他的数据信息。另一种是二次监视雷达，这种雷达是一种能够将以应答机形式存在的设备，与已经测到的目标有效协调起来的一种雷达系统，在这种雷达的作用下，显示器上会显示出飞机的运行轨迹、特殊编号，以及航班号、符号和标牌等数据信息。

1.3.3 程序管制和雷达管制的区别

这两种管制方式对于空中交通管制来说都取得了一定的进步和发展。二者相比存在的最大的区别就在于程序管制允许航空器之间的最小间距与雷达管制允许航空器之间存在的最小间距存在区别。在规定的管制范围内，程序管制因为具有精准度差、速度慢的特点，为了使飞机在空中飞行的时候能够保证其安全性会要求在同一个航线内，同一机型在同一高度之间存在的水平间距必须要间隔10 min。在雷达监控基础上，程序管制的间隔保持在75 km，而雷达管制规定的间隔控制在20 km。随着飞机数量的不断增加，空中交通流量不断提升，在技术快速发展的前提下，雷达管制间隔也在随之缩小，从目前的使用情况来看，已经低于20 km。间隔要求越小，就说明空中的利用率越来越大，能够容纳的飞机数量也越来越多，这样不仅有助于空中航空指挥的顺利实施，同时也有助于提升飞行的飞行效率和飞行安全。

2 空中交通管制系统存在的问题

空中交通管制系统运行，依然出现问题必然会威胁到民航正常运行。传统空中交通管制系统以塔台终端工作站为主，管制设备等均设置与安装于民航空管的管制席位桌。受到系统升级与基础设施等改善的影响，新建塔台安装位置不断调整，同时增设环形机房，空中交通管制系统中称其为“检修环”，其设置位置与塔台指挥间紧密相连。这种设计模式在多个机场均开始实践，参考北京东塔与西塔，还有昆明地区新建的塔台等。当然重庆、武汉等地区在建中的塔台也采用这种形式。采取有效手段实现键盘显示器、塔台显示器能够打破距离限制直连。当然在实际操作中，受到多方面因素的影响，其中存在一些设计与实施问题有待改进。

2.1 运行环境不确定因素多

塔台的搭建，受到运行条件限制，必须保证其自身结构没有视线遮挡，同时也要满足指挥间的设计要求[5]。不管终端工作站最终选择安装于哪个区域，都必须注意塔台环境要求。根据实践情况发现，无论是管制桌还是检修环，都不能满足机房专用空调设置的标准。近些年塔台安装的调整，从一定程度上改善了传统塔台在运行环境方面的局限，如散热不到位、空间规划不合理等[6]。但是塔台运行环境调整的同时，民航的运行业务也在不断增加，再者大众对民航运行要求越来越严格，这种情况下塔台设备运行压力加大，运行环境方面的问题解决迫在眉睫。

2.2 空中交通管制成本高

空管系统的正常运行，需要专业技术与设施的支持，不管是技术还是设施，都会消耗大量管制成本。空中交通管制系统的运行，以管制大厅为载体，采取地下管道送风形式，及时对空中交通管制环境进行控制[7]。但是空中交通管制环境的设置，均具有空间层高的特点，如此一来，不管是设备的布局还是消防方案制定等，都要受到空间规划的挟制，并且提出运行高标准要求。在这种情况下，不仅空中交通管制成本不会降低，还会出现各种成本增加的情况，这方面为空中交通管制系统运行造成很大困扰。

2.3 空管中的席位终端维护难度大

空中交通管制系统中，所有空中指挥都要求处于安静环境。为方便管制员的管制，将席位工作站设置规划到相关工作人员工作场所[8]。但是因为空中交通管制设施设置比较分散，并且均设置在检修环或者管制桌下方，所以增加了席位终端维护的难度。

3 光纤矩阵在民航空中交通管制系统的应用方案

为了科学解决民航空中交通管制系统存在的问题，积极在空中交通管制系统中加入光纤矩阵技术，帮助民航空中交通管制系统实现“人机分离”，有效改善环境方面对其的影响。利用光纤矩阵的方式，将工作站顺利从显示器上剥离，及时转移到设备机房。光纤矩阵的具体应用，具体按照如下方案展开。

3.1 增设KVM光纤延长器

通过对空中交通管制系统的研究，结合其多功能要求，积极应用光纤矩阵技术。在原有系统结构模式不改变的情况下，为满足各设施之间的连接顺利，分别从终端工作过站、显示器做出调整，增设光纤传输端口，以此达到收发器延长的目的。将打印机、显示器等有效连接，同时在KVM光纤延长器安装期间，通过点对点的方式对光缆有效连接，保证系统基础结构正常运行的基础上，顺利实现远端工作站控制操作，方便管制员的管控。除此之外，KVM延长器根据双光纤链路情况，增加双路输入以及输出端口，为光纤链路的运行增加双重保险，提高空中交通管制系统的安全性。

3.2 光纤矩阵切换设计

光纤矩阵切换器采用的主要运行方式是通过把各个电脑系统中的RS232串口、音频、视频等信号都输入到光纤矩阵服务器中，然后形成资源池，最后在输出端的作用下，使资源点通过这个资源池进行访问。空中交通管制系统应用光纤矩阵，必须做好光纤矩阵切换设计。以切换器为载体，从不同端口分别接入视频VGA以及音频等，积极打造资源池，利用光纤矩阵切换器的输出端，明确资源点后完成切换器资源访问。输出端则能够对资源进行访问，但是因为输出端数量多，所以通过资源点的设置，将输出端资源访问进行分流，由此达到输出端有序管理的目的。通过对光纤矩阵切换器的安装，协调终端工作站的运行，并且帮助空中交通管制系统对资源信息实时共享，既可以做到系统运行的集中监控，又能够增设多屏操控以及资源随时处理附加功能，增设空中交通管制的功能性，提高空中交通管制系统运行效率。除此之外，如果在进行光钎矩阵切换设计的时候，采用了单台光纤矩阵方案，就要利用KVM光纤收发器的双路输出或输入的另一路端口来增加直连光纤，通过这种点对点的光纤从而构成光纤矩阵系统的应急备份。

3.3 空中交通管制系统光纤矩阵具体应用

结合空中交通管制系统情况，应用光纤矩阵过程中，若选择单台类型，则需要将KVM光纤收发器做出调整，依然采用双路输出与输入，增加点对点光纤连接处理，在此基础上还要设计备用光纤矩阵系统，保证交通管制系统的正常运行。切换光纤矩阵模式，通过冗余配置的方式，以不同端口对光纤收发器进行连接，这样就可以保证空中交通管制系统准备矩阵的运行，还能够自动切换到传输线路系统。在光纤矩阵切换器的作用下，随时掌握空中交通管制系统情况，尤其是信号状态以及实时监测数据变化，与此同时，还能够任意指定光纤矩阵端口的输出与输入。终端给出系统信号后，结合操作权限要求，将系统信号传输至共享显示器端口，随后完成跨屏操作。

4 民航空中交通管制系统中光纤矩阵应用的价值

结合当下民航空中交通管制系统运行情况与提出的创新升级需求，科学融入光纤矩阵技术，打破传统空中交通管制系统的限制，在此基础上，从时间上与空间上实现跨屏、远端操作。尤其是光纤矩阵切换器的加入，不仅完成了席位终端的有效剥离，同时对设备机房空间规划做出调整，对空中交通管制设施有效集中，方便设施维护与系统运行监督，缓解管制人员的设备维护等压力，保证设备机房系统稳固性，时刻处于正常运行状态基础上，将设备使用寿命有效延长，及时排除设备运行风险，将设备运行隐藏的风险与故障率降到最低。通过实时信息传输与操作画面的切换，主人管制席、技术监控席等灵活调整，随时掌握空中交通管制系统运行情况，很大程度上将运行监控效率提高。“人机分离”的实现，异地显示器的安装，打破空间限制实现运行视频的实时共享，特别是席位搬迁过渡期，不会再出现同步运行中断的现象。有光纤矩阵的支持，键盘、鼠标实现跨屏操作，同时完成多系统终端控制，对席位桌面布局进行了有效简化，为人机操作的顺利完成创造有利条件。以视频矩阵的方式，帮助空中交通管制系统及时完成故障席位信号切换处理，节省更多移动位置环节，提高了工作站操作效率。

5 结语

综上所述，对于民航空中交通管制系统来讲，为打破传统管制模式，改善空中交通管制系统短板，积极提出应用光纤矩阵的策略。虽然光纤矩阵的应用很多方面还处于探索与实验阶段，但是通过目前的应用发现，光纤矩阵对空中交通管制系统运行有重要价值，从多方面改善了传统空中交通管制的问题。特别是光纤矩阵切换器的应用，提高了空中交通管制系统的稳定性与安全性，为高速发展的空中交通管制系统锦上添花。