智慧民航漸行漸近 全球空管現代化加速進行時
2022年10月17日
全球民航和空管係統都在經歷新一輪技術變革。當前，以新一代信息技術融合應用為主要特征的智慧民航正全方位重塑民航業的形態、模式和格局，空管現代化（新一代航空運輸係統）正是其中的重要內容之一。空域管理是航空業發展的重要基礎，出于不斷增長的航空需求和運行多樣性的需要，空管運行概念和規則標準正在重塑。
空管現代化的由來
21世紀初，民航空管依賴地基導航、有聲無線電和人工管理。這一係統以地面為中心，相關設施布局投資大、性能不佳、運行維護成本高、自動化程度低，傳統的地基導航方式對地面導航檯過度依賴。隨著民航規模日益擴大，空管係統長期面臨大容量、高密度、全天候運行壓力，成為制約民航進一步發展的瓶頸。
為更好滿足市場發展需求和應對環境約束挑戰，多個國際組織與相關國家制定了航空運輸係統規劃，旨在構建更為安全、更有效率、更加靈活、更可持續的新一代航空運輸係統。隨著世界各國的實踐不斷深入，新一代航空運輸係統的概念更加完善、係統化和本地化。
2005年，美國聯邦航空局（FAA）開始規劃構建下一代航空運輸係統（NextGen），為航空業變革作準備，並將建立一個靈活高效的空管係統作為重要目標之一。同期，為滿足持續增長的航班需求，歐洲制定了空中交通管理總體規劃，提出歐洲單一天空空中交通管理項目（SESAR），以實現歐洲空管係統現代化。SESAR的演進路徑與NextGen高度趨同，二者共同作為主要力量，孵化形成了全球普遍認可的新一代航空運輸係統概念。國際民航組織（ICAO）在國際共識的前提下組織制訂了全球空中航行計劃（GANP），此後發布並持續更新航空係統組塊升級計劃（AS？BU），ASBU成為各國空管現代化戰略的重要參考依據。
新一代航空運輸係統是啥樣
新一代航空運輸係統不是全新的獨立係統，而是在現有基礎上採用新標準、新技術、新裝備和新程序集成相關航空業務子係統，通過新的運行方式、業務方式和管理模式過渡發展成為下一代航空運輸體係。與傳統的空管係統相比，新一代航空運輸係統的重要特征是，基于衛星導航、數據鏈通信、自動相關監視、協同決策、全係統信息管理等新技術，形成空天地一體的網絡化的空管係統。
新一代航空運輸係統意味著空中交通管制從地面係統向以衛星為基礎的空中交通管理係統轉變。其技術變革主要體現在以下五個方面，分別是數據通信、衛星導航、多源監視、全係統信息管理和協同決策。
第一，新一代空管係統的通信以地空數據鏈為基礎，主要包括以甚高頻數據鏈、高頻數據鏈、通信衛星數據鏈和機場移動航空通信係統為代表的數據通信技術。在傳統的通信過程中，飛行員與空管人員主要通過無線電進行語音交流，發出指令和確認指令的過程不僅耗時，還可能出現信息傳遞錯誤。新的數據通信技術允許空管人員與飛行員相互傳遞數字信息，指令傳遞與確認快速準確。
第二，衛星導航的成熟和應用，是基于性能的導航（PBN）實現的先決條件。在航空飛行中，傳統導航是利用地面導航檯信號，通過向檯或背檯飛行實現對航空器的引導，因而航路劃設和終端區飛行程序受地面導航檯布局及設備種類的制約。從單純依靠地面導航檯演變為依靠自身設備、空間設備或多重設備結合，不僅導航精度得到提高，飛行路線也更加靈活多變，空域使用效率得到極大提高，更加先進、可靠的進近方式也成為可能。
第三，以自動相關監視為核心的多元監視，推動新的監視技術與傳統的監視技術融合應用。其中，新的監視技術主要指廣播式自動相關監視（ADS-B）。飛機將自身空間位置和飛行軌迹通過數據鏈發送到空間和地面，周邊飛機和地面管制員可以看到其實時位置及飛行軌迹，這項技術是“基于航迹的運行”（TBO）理念的重要基礎之一。
第四，全係統信息管理（SWIM）理念是實現空管係統數字化、一體化的基礎，其核心理念是在航空係統各參與方的信息係統之上建立信息共享平檯。SWIM將各類航空信息進行整合，發揮信息在決策支持中的作用，網絡平檯透明、開放、共享，實現各類數據聯通。
第五，協同決策理念。基于數據和信息共享，新一代空管係統的智能化、精細化、網絡化協同決策成為可能。通過一體化協同決策，可準確掌握各相關方運行狀態、資源配置情況和面臨的問題，及時制定方案措施，以充分利用空域資源，保障運行安全，減少航班延誤。
TBO是下一代航行係統核心運行理念
基于性能的導航（PBN）是新一代航空運輸係統建設之初最核心的變化，空管係統不再強調以地面設備為核心，而是以綜合航行性能為核心。它將航空器的機載設備能力與衛星導航及其他先進技術結合起來，涵蓋從航路、終端區到進近著陸的所有飛行階段，建立了更加精確、安全的飛行方法和更加高效的空管模式。
PBN是飛行運行方式的重大變革，能夠有效促進民航持續安全，增加空域容量，減少地面導航設施投入，提升節能減排效果。PBN的具體優勢還包括：精確引導航空器，提高飛行運行安全性；實施垂直引導，執行連續穩定的下降程序，減少可控飛行撞地（CFIT）風險；提升全天候運行水平，提高航班正常性，保障地形復雜機場運行安全；設計靈活和優化的飛行航徑，增加飛機業載，減少飛行時間，節省燃油等。隨著新一代空管係統的建設，目前PBN已經在全球得到了不同程度的推廣和應用。
面向未來，新一代航空運輸係統的終極目標是基于航迹的運行（TBO），這將完全有別于傳統的基于空域扇區的運行。TBO是目前國際民航界公認的下一代航行係統核心運行理念，是應對航空運輸量持續快速增長的革命性解決方案，可在整個運營過程中對航班進行總體規劃、管理和優化。TBO依賴空中與地面係統之間的信息交換、設計飛機飛行路線的能力以及基于時間的管理，其核心在于時間精確可控，基于經度、緯度、高度和時間四個維度的精確數據，在空管、航空公司、機場、航空器等相關方之間實時共享和動態維護航迹信息，進而實現多方協同決策。
與傳統的基于空域扇區的運行相比，TBO的主要優勢在于：航空公司與空管部門可以共享和協商航迹，航空器可根據實際情況自主選取最優化航迹，航空器之間能實現航迹共享，可根據航空器性能執行不同的間隔標準，在條件允許時由航空器自主保持間隔，對空指揮利用數據鏈修改並上傳航迹指令，可以精準掌握航空器飛行意圖且有助于流量預測。
進入21世紀以來，關于空管現代化的理念創新已取得了顯著成果，基礎技術方面也有顯著提升，空管能力得到了增強，但距離新一代航空運輸係統的終極目標TBO還有較長距離。TBO是一個覆蓋面廣、實施周期長、技術綜合性強的復雜係統工程，不僅涉及飛行計劃、流量管理係統、管制自動化係統、數據鏈係統以及機載航空電子係統設備的升級改造，還涉及管制運行流程、流量管理策略方法、飛機運行標準、協同信息等一係列技術標準的升級、制定、驗證和應用。因此，空管現代化不僅依賴科技創新能力、基礎設施保障，也離不開組織機構創新、政策制度創新、管理模式創新等組織制度的支持，需要硬實力與軟實力相結合。讓我們共同期待新一代航空運輸係統早日全面建成。
延伸閱讀 美國空管開啟智慧化階段
美國NextGen的核心技術包括廣播式自動相關監視（ADS-B）、數據通信（Data Comm）、航路自動化係統現代化（ERAM）、終端自動化係統現代化更新（STARS）和係統廣域信息管理（SWIM）等。
根據美國聯邦航空局（FAA）的NextGen項目報告，目前，NextGen的基礎設施建設已經基本完成，如航路自動化係統現代化（ERAM）、終端自動化係統現代化更新（STARS）等軟件類自動化平檯的應用提高了空管人員的工作效率；新的數據鏈通信Data Comm、PBN航路和進近程序投入使用，使航班飛行軌迹得到優化，部分繁忙機場群空域得到調整，有助于減少航班飛行時間和油耗；ADS-B設備在監視領域初步得到應用；空域流量管理係統（TFMS）、基于時間的流量管理（TBFM）等自動決策支持係統也初步産生效益。
其中，值得單獨說明的是TFMS和TBFM。空域流量管理係統（TFMS）是美國傳統空管係統的升級版本，它能夠解決極端天氣等原因造成的協調和調整航班的問題。當計劃航路出現延誤時，航空公司可通過該係統選擇並提交其他航路方案，以減少延誤時間。基于時間的流量管理（TBFM）則是用于規劃飛機從巡航高度下降到進近管制空域的飛行軌迹的係統，它利用時間這一變量，通過對飛機的各項數據進行分析，計算出經過空中重要節點的時間。因此，空管工作人員可以通過指定某個時間某架飛機到達的地點實現對飛機的排序和調度，能夠在不影響飛機運行安全的情況下最大程度增加空域容量。
除基礎設施建設外，FAA還通過一些標準層面進行優化創新，如尾流重新分類（RECAT）有效增加了美國空域容量。飛機在飛行過程中可能面臨尾流風險，飛機前後距離與垂直距離必須保持最小尾流間隔，機型分類方法是尾流間隔計算的基礎和依據。機型分類標準越精細，確定的前後間隔越精準，飛機間隔越存在縮小的空間，進而增加空域容量。RECAT是一種新的機型分類標準，2007年在歐洲被提出。2009年，美國開始與歐洲合作開展RECAT可行性研究。其將以往基于最大起飛重量的機型分類方法調整為綜合考慮最大起飛重量和翼展等因素，使機型分類標準更加精細化。目前，RECAT已經在美國部分樞紐機場得到應用。根據FAA規劃，未來幾年將在美國所有機場統一部署應用。
未來10年，FAA將加強對航路上的數據通信服務以及ADS-B、PNB等基礎設施的應用，進一步整合各種基礎設施和係統。根據FAA的最新規劃，美國NextGen的實施分為三個階段。第一階段是2010年~2015年，推進基礎設施建設；第二階段是2016年~2020年，進一步推進基礎設施建設，深化基礎設施應用，形成多個初具TBO功能的子係統；第三階段是2021年~2030年，將全面踐行NextGen的各種理念，集成全面TBO功能的係統將建設完成，屆時美國民航在安全性、運行效率等方面都將得到進一步提升。
總體來看，如果把空管現代化的過程概括為數字化、智慧化兩個階段，美國目前處在接近完成數字化建設、初步嘗試探索智慧化的階段。為推進空管係統現代化，2017年，美國政府提出，希望通過設立非營利性非政府組織（NGO），實現美國空管係統全面私有化和非營利化，減少FAA對空管的直接幹預，促進空管係統改革創新，從而提高航空係統的運行和管理效率，減少政府支出。美國政府寄希望于通過對空中交通管理係統的徹底現代化改革，加快NextGen的應用步伐，保持技術上的國際領先地位。但這一提案最終遭到美國參議院否決，受制于技術層面以外的其他機制，美國空管現代化仍有很長的路要走。 （《中國民航報》、中國民航網 特約撰稿人林懷銀）
新聞來源 ：《中國民航報》
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