专题 北斗与空管

空中交通管理新技术的开发与应用

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自动化技术的广泛应用提升了民航基础设施和设备的性能,这就要求空中交通管理系统的整体运行方式也需要随之进行调整。有鉴于此,美国航空航天局(NASA)近年来组织并开发诸多空中交通管理的新技术来完善和协调空管系统的运行。

到2040年,空管人员会与计算机系统“组队”,安全高效地管理高度自动化的客机,以动态协调为特征的空管系统在维持航班安全间隔的同时,可实现航路和空域容量优化,帮助航空公司节省燃油。然而,实现未来空管的目标也需要其他方面的进步,NASA阿姆斯研究中心正在测试的科研课题就属于这类研究,其中包括称作空域运行与安全(AOS)的研究项目。

AOS分为三个主要课题,NASA认为可在此基础上重塑未来的航空运输,同时研究这类课题也是全球人口流动、环境挑战以及技术趋同性的需要。就其本身而言,AOS就是通过一系列近期、中期(2025—2030年)以及远期(2040年及以后)的ATM验证项目分别达到相关目标。NASA通过这些研究项目的推进会经常向美国联邦航空局(FAA)提供一些算法或方法,以补充或更新其航路、终端以及塔台的软件平台。NASA近期向FAA交付了一个软件包,内容是提供给终端区空管员的一些使用方便的工具,帮助他们引导飞机从巡航高度到着陆过程中实现节能的进近。这套软件有可能在2018年前在机场铺开使用,即便FAA不批准使用,这套软件也可以以许可的知识产权方式转给相关的行业实体,NASA与波音公司就签署了这样一份协议,允许公司采用一内置于已购的服务包中的速度与航路提示工具,帮助航空公司缩短航路,节省燃油。

NASA的未来远景研究有部分是建立在其独立评估FAA的近、中期计划的基础上,做法是添加或更新某些现有技术以增强系统的整体性能。在远期项目中没有这类约束,研究人员预期那时管制人员和其自动化系统之间的角色将发生根本性的变化。自动化系统将设计得非常人性化,如果某一系统失效,不是必须人在回路,或指望由人来解决问题。远期的研究将是AOS安全自主系统运营(SASO)计划的一部分,主要探索“后新一代”(post-NextGen)技术,会在2030年以后实施。

NASA定义了三代ATM的发展, ATM+1正在进行中,即利用已经研发的技术增强现有ATM系统,并将运行至2020年;ATM+2 要以扩展的现有方法优化新一代系统的全部功能,同时研发新技术,从现在开始研发,将运行到2030年;ATM+3定义为具有综合的系统能力,并考虑更远的发展。

空域技术发展项目(ATD)

NASA基于已有的管制技术,于2011年启动ATD-1项目,探索提高飞机从巡航至着陆期间运行效率的新技术。ATD-1可以使终端区的航班运行更加有序,增加空域容量;减少航班延误时间、燃油消耗以及碳排放;减少飞机过渡缓冲区的范围;增加基于性能的导航(PBN)技术在进离场、进近区域的应用;提高飞行员的态势感知能力并且减少管制员的工作负荷。ATD-1主要由3部分组成:终端区交通流量统计咨询(TMA-TM)工具、终端区飞机管制间距决策支持(CMS)工具和驾驶舱飞机间距管理(FIM)工具。

NASA开发的DWR工具在美国航空控制中心进行验证。

NASA下一步计划将其他的先进技术与ATD-1整合,这些技术包括有效下降咨询通告(EDA)、动态气象路径规划(DWR)等。在未来的两年中,NASA希望研发出一个功能更强大的控制工具来实现飞机进场、离场以及场面运行的整体安排协调,这个目标也是ATD-2的一部分。

    

ATD-1技术结构图。

目前,部分ATD-2已经有了阶段性进展。由NASA阿姆斯研究中心转移到美国联邦航空局(FAA)的终端区排序和间距(TSS)系统,将于2018年在美国35个主要机场铺开使用,预计每年将为航空公司节省2~4亿美元。TSS可以在显示器上显示飞机的“位置标记”,并且可以计算出飞行速度,这样便于管制人员对飞机进行加速、减速操作,优化飞机下降剖面,保证飞机从巡航到终端区域始终以最优下降曲线飞行。在过去的几年,NASA埃姆斯研究中心进行了20次高保真人在环路的仿真,有数10名飞行员和管制员参与。ATD-2组成系统中另一个重要部分是定点和跑道脱离通告(SARDA)系统,通过对机场所有的活动建模来管理飞机在登机口的出发次序和飞机起飞次序,以减少飞机地面滑行和等待时间。2013年4月,美国航空公司与NASA签署了一项协议,在夏洛特道格拉斯国际机场试运行这个系统,并于2015年安装该套系统作为已有系统的影子系统。航路下降通告(en route descent advisor)系统是ATD-2的另一个补充,该系统可以提供来自区域管制中心对于速度和航迹修改的指导,帮助飞行员在航路到终端区的边界区域保持最优下降曲线。

美国航空公司的机场运行人员对NASA开发的SARDA系统在夏洛特道格拉斯国际机场进行仿真模拟验证。

ATD-3是与ATD-2并行开发的系统,ATD-1与ATD-2均着眼于航路下降点至飞机着陆以及飞机场面运行等阶段的协同运行控制与管理。而ATD-3着眼于航路的优化,将DWR系统引入其中,通过将计算机飞行计划航路与实时气象条件进行叠加,优化危险天气下飞机的飞行轨迹,减少因长距离绕飞而额外产生的燃油消耗和飞机延误时间。

新技术详述

动态天气路径规划(DWR)

DWR系统将天气的实时变化与计算机飞行计划航路关联在一起,为飞机提供更加精确的绕飞路线,解决不必要的大距离偏航。NASA开发的DWR系统在美国航空控制中心进行了验证,可以看出DWR根据天气的变化趋势,规划出了绕飞雷雨的最佳路径,与原计划轨迹相比可以缩短在空时间27min。

SARDA系统控制台显示飞机在停机位触发的咨询信息(中)。

定点与跑道脱离通告系统(SARDA)

SARDA是NASA开发的一款改进机场场面运行效率的系统。该系统考虑飞机在跑道上尾涡的影响、空中交通管理程序的相关限制、飞机起飞时间安排等因素,通过分析飞机在机场场面上的交通活动情况,生成飞机由登机口或定点(Spot)到跑道滑行的优化方案,减少飞机等待与滑行时间,降低了管制工作人员的工作负荷。NASA已在未来飞行模拟中心(FFC)针对达拉斯/沃斯堡国际机场(DFW)和夏洛特道格拉斯国际机场(CLT)进行了大数据仿真,研究结果表明可以减少60%的地面延误,减少30%的燃油消耗和环境污染。2016年,NASA将联合美国航空公司在夏洛特道格拉斯国际机场(CLT)进行实地测试,以检验SARDA系统实际的运行效果。

FACET围绕ORD、EWR和SFO三个机场的运行情况进行国家空域运行评估。

精密离场放行系统(PDRC)

如同汽车会通过匝道不断汇聚到主干道行驶一样,飞机起飞后经由标准离场程序及过渡航段会逐一加入计算机飞行计划航路。在交通流量小、空域充足的情况下,飞机可以顺利地加入到航路上,但在繁忙机场若遇到交通流量猛增,加上飞机放行时间本身的不确定性,将造成大量飞机地面延误。PDRC系统根据航空公司提供的计算机飞行计划信息,自动计算各飞机预计起飞的最早时间和使用的跑道,同时考虑申请放行(CFR)的限制,计算并规划飞机预计的离场时间点、加入航路的时间点。通过使用PDRC系统,管制员能够更加合理地指挥飞机,使飞行流量的增加能够适应有限的空域运行,使飞机离场与航路运行的衔接更加顺畅、高效。

未来空管构想评估工具(FACET)

NASA开发的FACET为研究人员和服务提供商提供了一种探索、开发和评估先进的ATM的途径。FACET整合机场信息、飞机性能数据、气象数据、航班时刻数据、计算机飞行计划、空中交通流量等数据,通过先进的计算机数据处理技术和图形显示系统,能够快速统计并分析国家空域系统内飞机的运行轨迹,并以2D和3D的图形显示,帮助ATM研究人员合理规划并设计满足未来交通需求的空域结构,改进ATM技术以适应空域规划发展。通过大数据分析,FACET可以帮助研究人员调整空域结构,满足快速增长的航班运行需求,减少高峰时间段和恶劣天气造成的飞机延误,提高空域运行效率。

来源:中国航空新闻网  作者:李锋  马媛

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