基于ADS-B技术的增强型战术流量管理研究

滕冀川

摘 要：随着军事航空、公共运输航空以及通用航空的快速发展和飞行流量增加，飞行矛盾日益凸显，可利用空域日趋紧张，管制部门之间的流量协调工作负荷日益增重。实施科学、有效、低成本的空中交通流量管理是解决此类矛盾的重要方法。作为新一代监视技术的广播式自动相关监视（ADS-B：Automatic Dependence Surveillance-Broadcast），其數据信息丰富、更新速度快、自主性强、自动化程度高等优点，能够较为精准的进行4D航迹预测以及基于航空器空中态势的时间计算，更加客观、全面的知晓全局的空中态势，能够为空中交通流量制定出更加科学、及时、有效的战术管理方案提供依据。

关键词：ADS-B;战术流量管理;流量控制

中图分类号：V355.1 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）14-0250-02

0 引言

当前我国战术流量管理的最主要手段是流量控制，所谓流量控制是管制员根据本区域运行情况以及周边管制单位限制，向周边管制单位发出获传递的限制指令，通常通过拉大航班进入本管制区时间间隔或空间间隔来实现[1]。然而，这种方法存在很多问题：流量控制指令大多根据管制员自身的从业经验，缺乏全局性、系统性和前瞻性的态势分析;局部空中交通状况的获取，主要是通过引接区域内以及周边相邻管制区的雷达信号进行推测或预判，获取的数据信息较为单一，与航空器的联动性较低，对于地面雷达设备依赖度较高。尽管空管使用的地面一、二次雷达在技术性能、功能和可靠性方面都已经发展的相当成熟，但其存在建设成本高昂、选址部署与维护困难等诸多问题与局限，对于迫切需要系统性、及时性、有效性、自动化程度高的战术流量管理发展带来“瓶颈”。作为新一代监视技术的广播式自动相关监视（ADS-B），其在监视范围、性能、部署以及造价等方面较空管雷达都有较为明显的优势，其数据信息更为丰富、更新速度更快、自动化程度更高、与航空器联动性更强，对于航空器的航迹预测和时间预测更为准确，能够更为便捷的建立全局性的数据网络，为战术流量管理提供更加全面、系统、科学、有效的决策依据。

1 ADS-B相关介绍

广播式自动相关监视（ADS-B），是利用空-空和地-空数据通信实现监视和数据信息交互的新一代航行技术。其功能模块主要分为两个部分：ADS-B OUT（输出）和ADS-B IN（接收）。

1.1 ADS-B OUT

航空器将其基于星基的导航定位系统获得的实时精确的导航信息和基于航空器自身设备的其他飞行状态信息通过卫星数据链或VHF空-地数据链实时自动发送，这些数据至少包括飞机识别码，四维位置、爬升率和所需附加数据（如：飞行趋势、气象信息等）。该功能是ADS-B的基本功能，通过地面数据站接收航空器发出的ADS-B OUT信息，可以实时、准确的掌握空中态势。

1.2 ADS-B IN

该功能是指航空器ADS-B接收机接收来自其它航空器发射机发送的ADS-B OUT信息或地面站设备发送的信息。其中地面站发送的信息分为两大类：空中交通信息服务广播（TIS-B：Traffic Information Service-Broadcast） 信息和飞行信息服务（Flight Information Service-Broadcast）信息[2]。其中，TIS-B信息通过地面基站将航空器发送的ADS-B OUT位置信息与雷达等其他监视设备接收的信息融合为统一的位置信息，最后通过TIS-B服务器集成和过滤生成空中交通监视全景信息发送给航空器，使得飞行员能够在驾驶舱交通信息显示器（CDTI，Cockpit Display of Traffic Information）更加直观的、全方位的获取附近空域的交通信息，增强情境意识，提升飞行安全;FIS-B信息则可以通过地面基站向航空器传送包括流量限制（过台时间、进港时间等）、临时禁飞区域、特殊使用空域信息、空勤通知、机场天气预报和其它航行信息等，帮助飞行员获得丰富的飞行运行信息，及时并精确地知晓飞行航路的空域限制条件、流量控制指令和气象状况[3]，从而使得飞行员能够根据实际情况，自主进行速度、时间上的调整，增强空-地互动联系，ADS-B技术原理图1所示。

1.3 ADS-B数据链系统

数据链系统是ADS-B技术的重要组成部分，是传输/接收航空器四维信息、飞行状态、空中态势、流量控制等重要信息的基础。目前主要有三种数据链标准应用于ADS-B的信息传输，分别是：基于Mode S的1090 MHz扩展电文（1090ES：1090 MHz Extended Squitter）数据链、通用访问收发（UAT：Universal Access Transceiver）数据链以及甚高频数据链模式4（VDL Mode4：VHF Data Link MODE 4）数据链。其中1090ES目前主要用于民航公共运输，UAT主要用于通用航空运输，VDL-4没有广泛运用。ADS-B数据链系统具有信道容量大、传输速率快的优点，对于实时监控图像信息、文本信息等都能够快速、准确的进行传输，为使用者提供及时性、精准性。

1.4 ADS-B数据处理分级

目前，ADS-B数据处理分为三级，分别为：一级数据处理中心，二级数据处理中心以及数据站。其中，一级数据处理中心接收所有二级数据处理中心的ADS-B数据，形成全国ADS-B动态信息为空中交通流量管理、空域管理、国际间ADS-B数据交换、中外航空公司、机场、航空保障企业、运行监管和社会公众发布全国航空器态势信息;二级数据处理中心引接本区域内及相邻区域的ADS-B数据，为区域管制中心自动化系统、大型终端区管制中心自动化系统等提供ADS-B实时综合监视信息，同时为本区域内的中低空管制中心、终端（进近）管制中心、塔台自动化系统提供备份ADS-B实时综合监视信息，并且向一级数据处理中心上传ADS-B实时综合监视信息;数据站则引接ADS-B地面站数据，为所辖地区的中低空管制中心、终端（进近）管制中心、塔台等空管部门提供ADS-B实时综合监视信息。

2 基于ADS-B技术的增强型战术流量管理研究

国际民航组织（ICAO，International Civil Aviation Organizations）将空中交通流量管理（ATFM，Air Traffic Flow Management）定义为：有利于保证空中交通安全、有序和加速空中交通流量，并能极大地利用空中交通管制能力和与空中交通服务机构公布的空中交通容量相匹配的服务[4]。流量管理划分为：战略、预战术和战术三个阶段。其中，战略阶段通常发生在航班运行前一天之前，一般在二至六个月之前，管理的对象主要是定期航班，对其计划做出先期安排，是一种长期结构性的调整阶段;预战术阶段时间范畴一般指航班计划执行前七日至前一日，通过对各方资源的有效组织优化，对战略阶段形成的计划进行必要调整;战术阶段主要指计划执行当日，管理对象主要是当日即将以及正在执行的飞行计划，通过临时调整避免在实际执行过程中出现流量过载的情况发生。

2.1 何为战术流量管理

在飞行计划执行当日，利用飞行计划数据和雷达数据实现交通流量的实时统计与预测，在多种约束条件下，地面等待策略和终端区动态排序策略相结合的综合流量管理方法。

2.2 战术流量管理管理的主要方法

目前，战术流量管理方法主要有七大类，分别是：总量控制地面等待程序（GDP）、尾随间隔程序、地面停止程序、最小起飞间隔程序、高度限制程序以及改航程序。上述几种战术流量管理的方法各有优点，但又各自存在程序上的局限性。

2.3 基于ADS-B技术的增强型战术流量管理

当前的战术流量管理所依托的空中动态数据信息主要是地面一、二次空管雷达数据信息，相对于ADS-B的数据信息，ADS-B OUT/IN功能所传送的飞行实时动态信息容量更大，更新速率更快，自动化程度更高，其功能所覆盖的领域更为全面。无论是在地面，其增强的场面交通状态获取（ATSA-SURF），还是在空中，其增强的飞行进程交通状态获取（ATSA-AIRB）、增强的排队和汇聚（ASPA-S&M）等功能，都能够根据限制条件实时、自主的进行高程度的自动化测算与推演，能够更加客观、有效、自主的进行当前空域环境的容量和流量平衡性调整。

2.3.1 基于时间度量的战术流量管理

基于时间度量的流量管理概念是在充分考虑航空器性能以及监视、运行能力、自动化程度基础上的战术流量管理策略。基于时间度量的战术流量管理是通过监视交通流量，预测目标区域（航路关键点）长时间出现预计航空器数量达到或超过目标区域接受能力之时，调整进入区域内的航空器时间，使进入该空域的航空器数量控制在小于区域内航空器接受能力的条件下，使得空域利用效率最大化。

ADS-B技术正是实现这一战术流量管理策略的重要手段。ADS-B OUT功能可以精确、快速的传送航空器地面交通状况（包括：排队时间、开车时间、滑行时间等）与空中飞行状态（四维位置、航路点时间等），航空器通过ADS-B IN功能接收其他航空器ADS-B OUT发送的数据信息以及区域联网的数据站和全国联网的一、二级数据处理中心发送的各类数据信息（包括：空域限制、流量限制、飞行间隔等），再通过FMC的计算，就能测量和判别出航空器进入区域（到达航路点）的预计时间和该区域（该点的）流量限制要求的时间的差异，从而使得航空器自主在起飞后进行调整。ADS-B OUT/IN功能的实现使得流量限制不再是发布简单统一的间隔要求，而是转为确定告知每架航空器通过关键节点的时间（间隔）。ADS-B数据处理中心的全国范围联网，使得流量管理可以从全局出发，增强区域间联动性。影响基于时间度量的战术流量管理的主要因素有：冻结区、机场和空域容量、相邻机场的相互影响、最小间隔标准等。

2.3.2 基于航迹度量的战术流量管理

在第十二次空中航行会议上提出了基于航迹的运行（TBO，Trajectory Based Operation）这个概念，国际民航组织也将其纳入到航空系统组块升级（ASBUs，Aviation System Block Upgrade）当中[5]。截至2014年3月，单一欧洲天空（SESAR，Single European Sky ATM Research）空管研究联合行动成员共进行了两次初始四维航迹（i4D）飞行测试，用于验证空地数据共享，并计划于2018年开始部署i4D航迹运行，全面提高飞机运行品质。美国FAA也将航迹预测过程融合到了其研发的终端区空中交通管制自动化系统（TATCA，Terminal Air Traffic Control Automation）当中。

基于航迹的运行，其基础就是对空中航空器四维航迹的预测，而四维（4D，Four Dimensional）航迹预测就是有科学依据的对空中航空器未来某段时间内三维位置（经度、纬度、高度）进行预测。4D航迹预测能够为空中航空器提供精准的未来运行轨迹，同时也能够通过未来航迹推算出精准的航路关键点过点时间。4D航迹预测可以帮助管制员加强对航空器空中的态势掌握，同时也能够为制定准确、可靠的战术流量管理策略提供科学依据。

由于空域环境、流量限制以及天气状况，航空器在空中飞行具有不确定性，以地面一、二次雷达获取空中航空器飞行态势信息的传统监视手段在这种条件下，只能进行监视，不能对航空器未来航迹进行预测，这就为战术流量管理的策略制定带来不便。ADS-B作为新一代监视手段，其更高的精度、更快的更新速率、更大的信息容量以及更便捷的信息获取方式是4D航迹预测得以实现的重要技术保障。ADS-B OUT可以实时不间断的自主向外发送其4D位置信息及飞机意图信息（未来航迹改变关键点），通过接收航空器此类信息，利用航迹预测算法获得航空器未来某段时间的三维信息，从而能够帮助流量管理者制定出有科学依据、较为精准的战术流量管理策略。

3 结语

作为新一代监视技术的广播式自动相关监视（ADS-B），其应用不仅仅局限于空中交通活动的管制与监视，更能够通过结合航空器的航迹运行对空中飞行流量进行统计与预测，为制定准确、可靠的战术流量管理策略提供更为客观、科学、高效的依据，从而帮助空中交通能够安全、平稳、顺畅和高效的运行。

參考文献

[1] 胡明华.空中交通流量管理理论与方法[M].科学出版社，2010.

[2] 张青竹，张军，刘伟，等.民航空管应用ADS-B的关键问题分析[J].电子技术应用，2007（9）：72-74.

[3] 王小刚.基于ADS-B空管监视系统的设计与实现[D].电子科技大学，2014.

[4] 王彦兴.基于时间度量的空中交通流量管理策略研究[D].南京航空航天大学，2012.

[5] 杨东玲.基于ADS-B的4D航迹预测及应用[D].中国民航大学，2017.