军用飞机扩展民航空中交通管理能力探析

罗海明

（中国西南电子技术研究所，成都 610036）

1 引言

军用飞机和民用飞机在不同的空域飞行，接受不同部门的交通管制，早期军民航空中交通管理体制的差异和空域管理的冲突并不明显。随着军事训练任务增多，训练高度、地域范围增大，军机容易出现偏离训练空域靠近民用航路航线，导致军民航飞机小于安全间隔的情况。另外军用运输类飞机在执行撤侨、远程运输等任务时，会在境外民航空域飞行并接受他国的空中交通管制。目前军民航之间的飞行活动信息不能实现有效且及时的沟通，造成空管信息传递不畅，从而增加了军民航管制协调工作量，带来飞行安全隐患，也影响民航运行效率。

军民融合国家战略为军用和民用航空在空中交通管理领域的融合创新发展提供了理论指导，军机通过扩展通信导航监视技术兼容民航空中交通管理是其中的一个融合方向。具备民航通信导航监视技术能力的军机在民航空域飞行时，支持空中交通管制部门与其进行通信及监视，从而实现空管信息的无缝传递。随着全球航行系统的发展，空中交通管理对飞行安全和运行效率提出更高要求，通信导航监视等技术也在不断发展革新。本文主要探讨为满足兼容民航空中交通管理需要，军机在通信导航监视领域可扩展的技术能力。

2 民航航空系统组块升级技术路线图

国际民用航空组织（ICAO）早期以技术为出发点推出了新航行系统(CNS/ATM)，近期以全球空中交通管理运行概念作为愿景，以运行效能要求为目标，提出了航空系统组块升级（ASBU）概念，用工程化的方法指导全球空中交通管理系统的规划与实施。中国民用航空局于2015年发布了《中国民航航空系统组块升级发展与实施策略》，从通信导航监视及航电技术等方面提出了指导中国民航航行系统的发展规划。

2.1 通信技术

民航通信方式正从话音通信逐步向数据通信过渡，通信技术实施路线如图1所示。飞机通信寻址与报告新系统（ACARS）是目前民航应用最为广泛的地空数据通信系统，绝大多数民航飞机均装备了ACARS通信管理设备，通过甚高频（VHF）、雷达（SATCOM）和高频（HF）链路支持面向航空公司的航空运营控制（AOC）应用，面向交通管制部门的管制员飞行员数据链通信（CPDLC），以及合约式自动相关监视（ADS-C）等FANS-1/A空中交通服务（ATS）应用。

虽然ACARS在未来一段时间内仍将继续提供数据服务，但航空电信网（ATN）作为ICAO规划和推动新一代全球航空业的专用互联网络已在欧洲等地区开始运行。欧洲空管局基于Link2000+项目通过VDL模式2技术及ATN网络提供CPDLC服务。中国民航已开始规划建设ATN网络并分阶段实施，近期逐步升级现有地面站、应用系统及ACARS 地空数据链网络，提供基于AOA协议的VDL模式2服务；中期将地空数据通信转移到ATN网络中，推动机载数据链设备的升级，支持VDL模式2和ATN/OSI地空网络，支持CPDLC等ATN基线1服务和应用；远期全面实施支持ATN网络的地面基础设施和机载设备，将数据链应用过渡到ATN地空网络，推进基于ATN基线2服务和应用。

除空地通信外，用于机场无线通信的机场航空移动通信系统（AeroMACS）是一个新的技术应用方向。AeroMACS基于WiMAX无线城域网技术，实现机场范围内飞机、桥位、塔台、移动车辆之间的高速数据通信，按规划可接入ATN地面网络实现ATS应用。

2.2 导航技术

民航计划从传统的基于传感器的导航逐步过渡到基于性能的导航（PBN），从陆基导航逐步过渡到星基导航，导航技术及应用实施路线如图2所示。PBN通过区域导航（RNAV）和所需导航性能（RNP）来规范，将飞机机载设备能力与卫星导航及其他先进技术结合起来，涵盖了从航路、终端区到进近着陆的所有飞行阶段，为民航提供更加精确、安全的飞行方法和更高效的空中交通管理模式。

全球卫星导航系统（GNSS）是PBN发展的核心技术，也是未来导航服务能力提升的基础。GNSS通过地基增强系统（GBAS）等外部系统以增强其性能，基于GPS的GBAS在部分国家和地区的机场已用于I类精密进近。ICAO正在进行针对GBAS用于Ⅱ/Ⅲ类精密进近的运行验证。

近年来，随着RNAV和RNP的逐步应用，新的航路网络规划对陆基导航设施（VOR/DME/NDB/ILS）的依赖逐渐减少，但传统导航设施在未来仍会作为GNSS的备份，同时惯性导航仍将持续使用。

支持多种传感器、传统导航和区域导航管理的飞行管理功能是实现PBN不可或缺的关键技术，中远期规划飞行管理系统需进一步提升能力以支持4D航迹能力。

图1 ASBU通信技术路线图

图2 ASBU导航技术路线图

2.3 监视技术

我国现用于空中交通服务的监视技术主要有一次监视雷达、场面监视雷达、二次监视雷达、自动相关监视和多点定位等，监视技术实施路线如图3所示。其中广播式自动相关监视（ADS-B）是未来的主要监视技术，它将卫星导航、通信技术、机载设备及地面设备等先进技术相结合，为空中交通提供了更加安全、高效的监视手段，能有效提高管制员和飞行员的运行态势感知能力。目前国内重点区域已实现ADS-B OUT初始运行，计划在2020年前实现全空域覆盖，并在2025年运行ADS-B IN扩展空空监视功能，实现空中交通情景意识功能和机载间隔辅助应用。对于机载ADS-B设备来说，导航源将引入北斗卫星导航系统，以提高GNSS的安全性与定位能力。ADS-B的地空通信链路可扩展到卫星通信，通过星基ADS-B技术的应用，实现洋区和极地区域的覆盖。

3 军用飞机扩展民航空中交通管理

军机航空无线电系统中普遍包含通信、导航、识别（监视）设备，现有的AM话音通信、卫星导航和VOR/DME/NDB/ILS无线电导航、S模式航管应答等技术能够与民航空中交通管理兼容。随着全球航行系统的发展，民航通信导航监视领域的新技术可用于提升军机的空中交通管理能力和安全飞行水平。从国外情况来看，美国国防部实施CNS/ATM现代化项目来升级其C-5、KC-10、C-130等飞机，以满足空中交通管理的需要。

图3 ASBU监视技术路线图

3.1 ACARS/ATN及空中交通服务应用

运输类中大型军用飞机通过扩展ACARS/ATN功能及提升ATS应用能力，可实现与民航空管通信系统的无缝连接，以提升空中交通管理的自动化能力，增强其在民航空域的飞行安全。另外，我军现有通信网络只覆盖了国内及周边区域，军机在执行境外飞行任务时缺乏有效通信手段，升级民航ACARS及ATN数据通信功能后，可借助民用海事卫星通信及民航覆盖全球的数据通信网络，实现对军机的远程位置跟踪和状态监控。

机载数据通信系统按功能可分为通信子网、网络协议、数据链应用3层。ACARS系统的通信子网包含VHF模式A、VDL模式2和提供Aero服务的卫通子网，网络协议层驻留ACARS消息处理和链路管理协议，数据链应用层驻留AOC和ATS应用。AOC应用可根据对军机使用需求进行自定义，通常包括飞行计划请求、位置报告、飞机状态信息通告、故障信息下传和文电上传等。ACARS支持的ATS应用包括ARINC 623中规定的面向字符的应用及FANS 1/A应用。ATN系统的通信子网包含VDL模式2和提供宽带数据服务的卫通子网，网络层驻留ATN协议栈，数据链应用层驻留AOC应用及CPDLC、ADS-C、飞行情报服务（FIS）等ATS应用。

对于采用联合式架构的航电系统，ACARS及ATN功能实现方案如图4所示。在改装方案中通信子网驻留于超短波数传电台和卫通设备等通信设备中，数据链应用功能与飞行计划等功能一起驻留在飞行管理计算机中，也可将数据链应用层与ACARS/ATN协议栈一起在通信管理设备中得以实现。在加装设备方案中将数据链协议、应用及显示控制放在一个独立设备（ATSU）中实现。

对于采用综合式架构的航电系统，数据链协议和应用均以软件形式驻留在通用信息处理器中，超短波或卫星通信子网可与现有的信道资源复用。

图4 联合式架构下ACARS/ATN实现框架

3.2 RNP

由于受地形和气候因素影响，在高原机场起降时可能出现传统导航进近程序无法实施的情况。军用飞机在具备RNP运行能力后，可根据导航精度要求在航路和终端进近区提供连续精确的航迹引导，减少对陆基导航设施的依赖及气候的影响，以保障飞行安全。

RNP是指航空器在指定空域或根据航路、仪表飞行程序飞行时，对系统精确性、完好性、可用性、连续性及功能方面的性能要求，它包含对导航设备的性能要求，也包含对飞行管理系统的导航管理功能要求。RNP导航功能框架如图5所示，主要功能如下：

（1）从飞机计划功能中获取航线信息并进行同步更新和调整；

（2）从导航数据库中获取航段对应的RNP值及各个导航台站信息；

（3）多传感器数据进行信息融合；

（4）根据当前可用导航源选择对应的导航模式，即将惯性参考系统（IRS）作为基准导航源与其他导航源进行组合，导航模式按优先顺序有：IRS/GNSS、IRS/DME/DME(或 TACAN)、IRS/DME/VOR，进近阶段采用IRS/LOC/MLS模式；

（5）根据航路选择合适的导航台，对机载DME和VOR设备进行自动调谐；

（6）进行实时位置估算和系统误差评估，计算实际导航性能（ANP），当ANP大于RNP值时进行警告。

军用运输类飞机普遍装备有GNSS和无线电导航设备，部分机型也装备有飞行管理计算机，后续将逐步升级飞行管理的RNP导航功能，通过试飞测试等手段评估和优化飞机RNP运行能力，提升飞机导航精度和航迹引导能力。

图5 RNP导航功能框图

3.3 ADS-B IN

航管应答机也是军用飞机的标配。空中交通管制部门通过航管二次雷达的A/C及S模式询问实现对军机的地空监视，虽然民航逐渐开始应用ADS-B技术，但军方对ADS-B OUT的应用并不迫切。另外，对于无人机来说，飞行空域更复杂，在空中情景感知方面要求更高，ADS-B IN技术可实现军用无人机与其他飞行器之间的空空监视，自主实现航行调整和防撞规避操作。

ADS-B是一种基于GNSS，利用数据链通信完成交通监视和飞行信息传递的监视技术，现阶段主要通过S模式二次雷达的1090ES数据链实现。机载ADS-B接收设备接收空域其他飞机发射的ADS-B OUT信息，获取其飞行位置等信息，通过交通防撞算法实现避让防撞。ADS-B IN功能可通过军机现有的航管应答设备实现ADS-B消息接收处理，不需额外增加硬件设备，实施周期短、成本低。

4 结束语

军用飞机为实现战术目标更重视作战效能和战术技术指标的先进性，民用飞机更注重飞行安全和规则标准符合性。从军民融合的角度，借助民航的设计理念可提升军机的安全性和可靠性，扩展民航通信导航监视领域最新技术，兼容民航空中交通管理，可提升国内外民航空域、高原地区等特殊场景下军机的飞行安全。

军用和民用通信导航监视技术有共通性，我国工业部门在民航相关产品研制上有技术积累和工程经验，目前部分技术已具备设备产业化能力，因此在军机上扩展兼容空中交通管理能力完全可行。