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罗德与施瓦茨基于CERTIUM®VCS-4G的虚拟ATC管制中心助力“智慧空管”建设

【空管新技术应用分析】罗德与施瓦茨公司的CERTIUM®VCS-4G基于全IP架构,是市场上最具创新性的空中交通管制(ATC)语音交换通信(VCS)系统,能够提供丰富的功能和无缝空域切换操作。CERTIUM®VCS-4G利用了IP的优势技术,在提供强大的安全性和灵活性的同时简化ATC管制员的操作,并且易于管理,进一步助力和促进“智慧空管”建设。

罗德与施瓦茨提出的CERTIUM®是一种先进的ATC系统架构,CERTIUM®VCS-4G属于CERTIUM®架构的一部分。CERTIUM®架构由多款产品构成,能够有效的为ATC关键基础设施提供有效的安全保障。

例如,CERTIUM®VCS-4G与CERTIUM®电台系列的组合,显著改善了系统集成方式,并能实现集中监控和管理。CERTIUM具有市场上独一无二的四重冗余,CERTIUM®VCS-4G在系统、m+n电台冗余备份、集中监控管理、网络等领域都确保系统保持运行的可靠性。

 

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图 1 CERTIUM架构概念

航班密度、成本与不断发展的航空产业之间的矛盾

目前,各地的ATC机构都面临着不断上升的航班密度和降低成本的压力。例如在欧洲,由于每个国家都有各自的空域,航班在飞行途中会经过多个空域。下图显示了中欧上空ATC管制区的现状。红线表示两条假设的航线,一条从法国飞往德国,另一条从意大利飞往德国。从图中可以看出,即使是像这样的短途航班,也需要在多个ATC管制区之间频繁切换:法国-比利时-荷兰-德国,意大利-瑞士-奥地利-德国。

 

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图 2 在欧洲上空的航班路线(红色),飞行过程中遇到频繁的ATC管制移交

ATC管制空域的移交也经常由地理条件决定(见图3)。图中存在无线电覆盖盲区,这就导致需要额外的ATC通信设备来保障跨区域航班的无缝通信。如果使用传统的时分复用(TDM)技术,ATC管制员只能使用本地ATC管制中心的设备。由于这些设备无法接入到网络,各个管制中心之间无法直通连接,所以在每个ATC管制中心都必须有相关的ATC管制员时刻进行管制。

 

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图 3 地理环境产生的无线电盲区导致的ATC切换示意

这种工作机制都会对空中交通产生不利影响。一方面,频繁的ATC管制职责移交需要大量的管制员——这最终会影响机票价格。另一方面,每一次ATC管制职责移交都需要在不同的管制中心之间对被管制航班进行正式交接,会造成管制员的工作量的增大和工作时间的延长。这种频繁的管制移交增加了飞行员和管制员的负荷,提高了运行成本,限制了空域的航班容量。同样的问题在全球很多地区都存在。这种高运营成本和有限的空域容量,同不断发展的航空产业之间,产生了直接的矛盾。

解决方案:IP技术与标准化

有两项措施可用解决上述矛盾。第一种是在不同国家和地区之间使用通用的通信资源。第二种是对管制员和飞行员之间的无线语音通信,采用标准化的通信接口。该接口用于提供管制员和飞行员之间的无线语音通信(地-空通信),以及在各区域管制中心之间搭建专用的通信设备,供管制员之间使用(地-地通信)。

第一种方法需要所有ATC设备都来自同一家供应商,而第二种方法只需ATC设备都采用统一的标准,显然第二种方法更为可行。而IP协议是这样的一种通用的标准。几年前,欧洲民航设备组织(EUROCAE)联合包括罗德与施瓦茨在内的行业内多家公司和机构建立了EUROCAE ED-137接口标准。现在源自欧洲的ED-137标准已经被世界上越来越多的ATC机构采用,包括美国、澳大利亚、巴西、中国等,并且国际民航组织(ICAO)也将该标准加入到了它的全球规范中。

目前,通过IP进行语音通话(VoIP)的技术正在逐步进入ATC领域。为满足ATC对安全性的要求,在标准中增加了增强的失效保护能力、单工方法等多种适应性和扩展性。罗德与施瓦茨公司提供的CERTIUM®VCS-4G语音通信解决方案和CERTIUM®架构中的M3SR系列4100/4400和4200电台都配备了符合EUROCAE ED-137标准的接口。通过CERTIUM®,罗德与施瓦茨公司将VoIP技术使用在控制中心语音通信系统和电台系统中,是世界上首家实现了ATC云通信的厂商。

罗德与施瓦茨的ATC通信系统解决方案将IP技术贯穿整体,完全替代了传统的TDM方式。所有通信资源均配备ED-137 VoIP接口,并通过高效、安全的IP网络进行连接。用户可以搭建虚拟管制中心,将分布在不同地区的多个管制中心集中控制。通过这种VoIP云通信的方式,甚至可以取消某些管制中心,以虚拟管制中心的方式来访问远端的电台。罗德与施瓦茨提供的虚拟管制中心可以有效的降低成本,还具有更高的工作效率和更低的整体系统故障率,提高安全性。如图4所示,两个虚拟管制中心和3个电台通过IP网络连接,当一号虚拟管制中心发生故障,或者停机维护时,二号虚拟管制中心可以无缝切换并接管全部3个电台,从而承担一号虚拟管制中心的职责。这种切换对ATC是透明的。 

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图 4 采用的统一ED 137接口的组网式ATC管控

罗德与施瓦茨使用CERTIUM®VCS-4G系统的解决方案,全球首次实现了基于云的虚拟ATC管制中心技术,支持对多个国家、地区的ATC联合管制的空域进行必要的架构调整。不同的国家、地区在ATC方面存在不同的规定,虚拟管制中心能够兼容不同的规定,将多个国家和地区的ATC管制区域联合在一起。系统能够整合所需的管制中心,并提供基于云的通信资源访问,减少了航班在跨区域飞行时,多个管制中心之间复杂、耗时的ATC管制移交次数,并降低了运营成本。

应用案例:爱尔兰和冰岛

罗德与施瓦茨基于CERTIUM®VCS-4G的虚拟ATC管制中心技术已经得到了应用,典型的案例来自爱尔兰和冰岛,即北大西洋空中飞行走廊虚拟管制中心项目。

如下图所示,爱尔兰(IAA)和冰岛(ISAVIA)的ATC管制机构共同负责北大西洋空中飞行走廊的空域交通管制。IAA和ISAIVA两地ATC区管中心之间空域较大,距离较远且存在大量的跨区域航班,需要在双方ATC管制中心之间频繁的进行高效、动态的ATC资源的分配和切换。为了高效管制空域,IAA和ISAVIA联合对双方现有ATC系统进行了改造,采用了ATC虚拟管制中心架构,能够实现以前不可行的要求,即冰岛的ATC管制中心可以完全接管爱尔兰ATC管制中心的职能,反之亦然。此外,在发生重大系统故障,甚至两个管制中心中任何一个中心的系统发生故障时,另外一个中心仍可以保障两个区管中心的管制需求。

 

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图 5 北大西洋飞行走廊空管区域示意图

罗德与施瓦茨CERTIUM®VCS-4G虚拟中心技术完全实现了上述要求。爱尔兰和冰岛的ATC区管中心在配备了CERTIUM®VCS-4G系统后,实现了两地在云架构中互联互通,一个ATC区管中心的管制员能够完全或部分接管另一个ATC区管中心的管制职责。

总结

目前,国际上各国、各地区的ATC都面临着空域内航班密度上升和降低成本这两方面的需求。罗德与施瓦茨通过CERTIUM®VCS-4G,实现了虚拟ATC管制中心,能够有效的缓解两个需求之间的矛盾。罗德与施瓦茨采用了全IP的架构,将多个ATC管制区域的通信功能共享于云端,多个ATC管制中心可以联合工作,整合使用云中的资源。这种虚拟ATC管制中心已经在北大西洋空中飞行走廊(爱尔兰和冰岛)虚拟管制中心项目中得到了应用,证明了它的优势。

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