支持四维航迹运行的新一代民机数据链技术综述*

刘天华，王 丽，林 静，王 勇

(中电科航空电子有限公司，成都 611731)

0 引 言

随着全球航空运输业快速发展与空域资源有限矛盾的日益突出，美国和欧洲分别计划并实施其下一代空中交通管理系统，即美国新一代空中交通系统(Next Generation Air Transportation System，NextGen)和欧洲单一天空计划(Single European Sky Air traffic management Research，SESAR)，其核心技术之一是采用面向四维航迹的空域运行，提高飞行灵活性和空域利用率，减少飞机延误，降低二氧化碳排放，提高飞行安全。四维航迹(Four Dimensional Trajectory，4DT)运行对数据链技术提出了新的要求：一方面，现有的管制员-飞行员数据链通信(Controller Pilot Data Link Communications，CPDLC)、合约式自动相关监视(Automatic Dependent Surveillance Contract，ADS-C)等数据链应用需升级以适应四维航迹运行所需的空地航迹协调的信息传输；另一方面，数据链协议栈将在现有的基于开放系统互联的航空电信网(Aeronautical Telecommunication Network/Open Systems Interconnection，ATN/OSI)的基础上，逐步发展到采用基于互联网协议(Internet Protocol,IP)的航空电信网(Aeronautical Telecommunication Network/Internet Protocol Suite，ATN/IPS)协议栈，实现机载数据链应用间的对话、消息的路由和队列管理以及和各种宽带通信链路间的接口；再有，通信链路在沿用现有甚高频数据链模式2(VHF Data Link Mode 2，VDL M2)链路的基础上，将采用海事卫星安全快速宽带(Swift Broadband-Safety，SBB-Safety)以及铱星Iridium Certus新一代宽带卫星通信链路，同时，L频段数字航空通信系统(L-band Digital Aeronautical Communication System，LDACS)将逐渐替代现有的甚高频飞机通信寻址报告系统(Aircraft Communication Addressing and Reporting System，ACARS)链路和VDL M2链路来支持未来的四维航迹运行。

1 面向四维航迹运行的民机数据链应用

面向四维航迹运行是以飞机的四维航迹为基础，在空管部门、航空公司、飞机之间共享航迹信息，实现飞行员与地面之间的航迹协商、时间约束协商，精确地控制飞机的飞行轨迹和间隔管理，从而实现飞机的高效安全运行。SESAR将四维航迹运行分为两个阶段：初始四维航迹运行(Initial 4Dimensional，I4D)和全四维(Full 4D)航迹运行。初始四维航迹运行是“基于时间的运行”，仅要求飞机支持一个航路点上的时间要求，通常用于实现飞机到达序列的优化。全四维航迹运行是“基于性能的运行”，要求在飞行过程中实现多点、多区域、多性能领域提高飞行效率，保证安全、有序、高效的空中交通。为了支持四维航迹运行，现有的CPDLC和ADS-C数据链应用需要升级更新。

1.1 CPDLC应用

四维航迹运行要求升级现有的CPDLC应用，以实现飞行员与地面之间的航迹协商、放行许可协商等服务。CPDLC消息元素包含高度分配、穿越限制、横向偏移、航路更改和许可、速度分配、无线电通信频率指派管制指令、通信管理及各种信息请求/应答等[1]。面向四维航迹运行的CPDLC应用是基于ATN Baseline2 的数据链应用，在ATN Baseline1 消息集的基础上，面向四维航迹运行的CPDLC增加了新的服务：四维航迹数据链(4D Trajectory Data Link，4DTRAD)及支持四维航迹运行的消息集，并对现有的消息元素进行了相应的修改，如四维航迹放行许可指令增加了航路点的距离，时间约束协商时增加了所需到达时间(Required Time of Arrival,RTA)的允许误差(秒级)，消息元素支持的级联数量也由5个增加到了7个，从而支持更丰富的消息内容。ATN Baseline2 CPDLC应用新增的4DT消息元素如表1所示[2]。

表1 ATN Baseline2 CPDLC新增4DT消息元素

此外，CPDLC应用还为飞行员提供加载CPDLC上行消息到飞行管理系统(Flight Management System，FMS)的服务，以避免人工输入错误导致的危险和增加的工作量。

1.2 ADS-C应用

ADS-C应用通过与地面管制中心建立合同的方式，将飞机的位置、高度、速度、气象等信息通过数据链以报告的形式发送到地面管制中心。面向四维航迹运行的ADS-C应用是基于ATN Baseline2的数据链应用，提供四维航迹协商、时间约束协商、航迹一致性监控及修订等服务。在Baseline1消息集的基础上，ATN Baseline2 ADS-C增加了新的服务：扩展投射剖面(Extended Projected Profile，EPP)，EPP包含航路点的轨迹意图状态、水平约束、所需到达时间(Required Time of Arrival，RTA)值、速度约束及飞机当前总质量、穿越高度、预测位置、高度和时间[3]。此外，EPP支持最多128个航路点的航迹信息，最大预测时间为1 200 min，从而保证在航行阶段更有效地进行航迹协商、修改。

1.3 支持四维航迹运行的数据链协商过程

以下为四维航迹运行中CPDLC和ADS-C应用在数据链协商过程中的示例[4]：

(1)空地航迹协商

①飞机向航空公司发送气象信息请求，地面回复气象信息报(包含风向，风速，温度等信息)；

②飞机根据收到的气象信息，由飞管根据飞行计划及飞机各项参数，计算出预测4D航迹；

③航路管制中心向飞机发送ADS-C航迹数据请求，飞机回复的ADS-C报告包含4D航迹数据。

空地航迹协商过程如图1所示。

图1 空地航迹协商

(2)航路放行

①航路管制中心与终端区管制中心等共享飞机4D航迹数据，并对航迹和空域态势进行评估；

②航路管制中心通过CPDLC上传希望飞机执行的航路放行指令(Route Clearance)。

航路放行过程如图2所示。

图2 航路放行

(3) 预计到达时间和可控到达时间协商

①终端区管制中心向飞机发到指定测量点(Metering Point，MP)的预计到达时间(Estimated Time of Arrival，ETA)最小/最大值ADS-C请求；

②飞机根据飞管计算的预计到达时间(ETA)最小/最大值回复ADS-C报告；

③在飞机到达之前，终端管制中心的进港排序管理系统(Arrival Manager，AMAN)根据接收到的ETA及空域其他航班信息，计算出飞机到达指定航路点的可控到达时间(Controlled Time of Arrival，CTA)，并发送给航路管制中心。

预计到达时间和可控到达时间协商过程如图3所示。

图3 预计到达时间和可控到达时间协商

(4)所需到达时间协商

①航路管制中心对可控到达时间(CTA)进行评估，通过CPDLC向飞机发送所需到达时间指令；

②飞行员根据飞机情况回复可以执行指令或者不能执行指令的消息，并在RTA时间范围内到达指定航路点。

所需到达时间协商过程如图4所示。

图4 所需到达时间协商

1.4 四维航迹运行试验现状

欧洲于2017年启动SESAR 2020 PJ-31 DIGITS超大规模四维航迹验证飞行项目，共有6家航企的91架空客A320飞机参与了验证运行，累计航班量超过2万架次，记录的航班ADS-C信息超过140万条。在国内，2019年3月，空客公司与中国民航成功完成亚太地区天津与广州间的首次初始四维航迹运行验证项目，充分验证了我国四维航迹技术的空地数字化协同管制、空地航迹共享等能力，并在3个航路点进行了航空器所需到达时间能力测试，偏差均控制在5 s以内。未来，我国智慧空管建设将建立以航迹管理为核心的先进空管运行模式，推进航班全生命周期精细化管控，提高安全水平，提升流量管理能力，实现扩容增效[5]。

2 未来民机数据链协议栈ATN/IPS

随着全球“互联网+”趋势发展，以及民机驾驶舱飞机控制域(Aircraft Control Domain，ACD)和后舱飞机信息服务域(Aircraft Information Services Domain，AISD)数据融合发展，未来的飞机将融入全球互联网，成为“互联网+”网络中的一个节点，现有数据链ACARS和ATN/OSI协议栈已不能满足未来航空通信技术发展需求。国际民航组织(International Civil Aviation Organization,ICAO)从2000年开始引入基于IP的通信标准解决民用航空通信需求，目前正在完成ATN/IPS解决方案的标准化工作，并将其作为世界范围内民用航空通信的解决方案[6]。ATN/IPS用于支持与安全相关的空中交通服务(Air Traffic Service，ATS)和航空公司运营通信(Airline Operational Communications，AOC)数据链应用。ATN/IPS的协议栈架构如图5所示[7]。

图5 ATN/IPS协议栈架构图[7]

ATN/IPS协议栈为AOC、ATS和其他基于IP的应用提供高效和健壮的空地消息发送/接收服务。基于ATN/IPS协议栈设计、开发的AOC应用和其他IP应用可以直接调用ATN/IPS协议栈提供的应用程序接口(Application Program Interface，API)，使用相应的传输层服务。基于ATN/OSI和ACARS协议栈设计、开发的AOC、ATS和其他IP应用使用ICAO Doc 9896定义的互联网协议族(Internet Protocol Suite，IPS)对话服务，将应用数据映射为ATN数据包(Aeronautical Telecommunication Network Packet，ATNPKT)后在ATN/IPS网络中进行传输[8]。

ATN/IPS协议栈支持多种空地链路，包括VDL M2链路、适用于机场场面监视的机场航空移动通信系统(Aeronautical Mobile Airport Communication System，AeroMACS)链路、L频段数字航空通信系统链路以及Inmarsat SBB链路和Iridium Certus链路。ATN/IPS协议栈支持的多样化链路可以满足不同应用的通信需求，多种链路之间的相互备份也能最大程度上保障空地通信的可靠性。

3 未来支持4DT的宽带通信系统

四维航迹运行对数据传输速率提出了更高的要求，原来的海事卫星Classic Aero网络和铱星网络不能满足四维航迹运行要求。未来支持四维航迹运行的通信系统包括海事卫星Inmarsat的安全高速宽带系统、新一代铱星的Iridium Certus以及L频段数字航空通信系统。

3.1 Inmarsat SBB-Safety

Inmarsat SBB-Safety采用高速安全数字IP宽带链路同时支持话音和宽带数据通信，提供北纬80°到南纬80°之间的覆盖，最高通信速率可达432 kb/s，支持安全可靠未来空中导航系统(Future Air Navigation System，FANS)ACARS消息传输，满足所需通信性能240(RCP240)和所需监视性能180(RCP180)要求。Inmarsat与欧洲航天局(European Space Agency，ESA)合作开展Iris计划，基于安全、高带宽卫星的数字化通信，采用升级后的FANS3数据链应用，通过管制员-飞行员数据链通信、合约式自动相关监视数据链应用实现空地航迹协商，提高欧洲拥挤空域空中交通管理(Air Traffic Management，ATM)效率，减轻空中交通管制员的工作量，提高飞行安全性。Iris计划将实现初始4D(Initial 4D)航迹运行，目前采用基于开放式系统互连的航空电信网协议栈。海事卫星组织计划未来通过引入基于IP协议的航空电信网网关的方式，实现Iris项目ATN/OSI协议栈到ATN/IPS协议栈的升级[7]。

3.2 Iridium Certus

下一代铱星为Iridium Certus提供88 kb/s～1.4 Mb/s的宽带数据服务，并实现全球覆盖。Iridium Certus可以同时提供话音和宽带数据传输服务，Iridium Certus的机载终端可选择高增益天线(High Gain Antenna，HGA)、有源低增益天线(Active Low Gain Antenna，ALGA)、低增益天线(Low Gain Antenna，LGA)，根据安装不同的天线，可提供5个不同级别的服务，如表2所示。

表2 Iridium Certus的服务级别

在总的最大发射数据速率和最大接收数据速率的限制下，Iridium Certus的机载终端可同时提供3路话音、3路IP数据以及突发短消息服务。Iridium Certus将支持数据链ATN/OSI、ATN/IPS以及ACARS协议栈的运行[7]。

3.3 LDACS

L频段数字航空通信系统是未来面向航路阶段的空地数据链路，它采用正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技术，符合先进ATN网络协议ATN/IPS，主要用于飞机与地面管制中心、航空公司运控中心的数据交换服务[9]。LDACS将支持四维航迹运行服务所需的低延迟、高容量、高可靠性的新型空地宽带数据交换服务，根据ICAO ASBU，LDACS将逐渐替代现有的VHF ACARS和VDL Mode 2数据链。

LDACS扇区拓扑结构如图6所示。

图6 LDACS 网络结构

LDACS采用星型网络结构，覆盖范围200 n mile，LDACS地面站是系统中心，控制LDACS地空通信，可同时支持多个双向通信链路。在系统使用前，机载站需先向地面站进行注册，以获取信道分配。目前广泛应用的L-DACS1系统，其前向链路(地面站到飞机)工作在985.5～1 008.5 MHz，传输速率为303～1 373 kb/s；其反向链路(飞机到地面站)工作在1 048.5～1 071.5 MHz，传输速率为220～1 038 kb/s[10]。未来，我国将大力发展5G LDACS的标准体系建设、机载航电与地面设备研制以及5G LDACS的网络部署，5G LDACS的传输速率将大大提高。

4 结束语

未来飞机的全四维(Full 4D)航迹运行精确定位飞机的经度、纬度、高度和时间四个维度，允许飞行员和管制员在飞行航迹上进行协作并计算最短的可用航线，以最佳高度巡航，使用连续的爬升和下降路径来减少延误，节省燃料，减少对环境影响，最终实现精确的航班跟踪和更有效的空中交通管理。为了支持下一代空中交通管理的四维航迹运行，ICAO、NextGen、SESAR、中国民用航空局(Civil Aviation Administration of China，CAAC)、波音、空客等开展了FANS3数据链应用、ATN/IPS数据链协议栈、宽带卫星通信系统、LDACS等新一代数据链技术的规划，相关组织依据规划在不同时期、不同国家/地区开展标准制定、原理样机研制、试验验证以及试点应用。随着上述技术逐步成熟及推广应用，将有效提高全球民用航空运输的交通量及运行效率，提高飞行安全，并对下一代空中交通管理产生积极而深远的影响。