摘要 

　　根据美国FAA的NextGen和欧洲SESAR发展预计，到2020年航空运输需求相对2008年翻一番，而基础机场设施能力发展在7%左右。而中国到2020年预计人均乘机次数达到0.47次，旅客运输量达到7亿人次。 

　　为应对航空运输持续增长给现行空管系统带来的严峻挑战，国际民航组织空中交通管理（ATM）运行概念（DOC.9854）中提出基于航迹运行（TBO）的概念，并在国际民航组织在航空系统组块升级（ASBU）计划中，将基于航迹的运行作为高效飞行轨迹性能改进领域的关键项目。希望通过该技术提高空中交通流的可预测性、降低航空器空中等待时间，并减少碳排放和降低航班延误，使飞行更加平稳。本文在研究TBO运行概念的基础上，提出基于航迹运行的流程和技术框架，为基于航迹运行的仿真验证和试飞提供理论基础。 

　　一、TBO概念 

　　以航空器飞行管理系统（FMS）计算的四维航迹（4DT）为基础，在空管部门、航空公司、航空器之间共享并动态维护航迹信息，实现飞行效益最大化的一项技术。TBO将加强航班的计划和执行能力，尽早地减少潜在的冲突和解决即将发生的网络和系统需求/容量失衡。 

　　所谓4DT是由一连串的点连接而成的飞行路径，每个点在四个维度上（三维空间和时间）都有一定的精度要求，并以此描述飞行的运行过程。通过使用飞行管理系统（FMS）里的所需到达时间（RTA）功能自我管理速度，使得航空器运行全程“可见、可控、可达”。 

　　国际民航组织全球ATM运行概念（DOC.9854）提出了全球ATM系统元素组成，包含空域组织和管理（AOM）、需求与容量平衡（DCB）、机场运行（AO）、交通同步（TS）、冲突管理（CM）、空域用户运行（AUO），这些ATM元素在同一航迹上工作，以协同决策（CDM）准则为基础，通过全系统信息管理（SWIM）互联，共同为飞行运行提供解决方案。 

　　TBO运行和管理涉及飞行员，管制员、航空公司签派员，机场管理员和信息维护员，并贯穿于飞机所有飞行阶段。每个飞行阶段通过TBO管理，明确期望的目标，识别当前的环境，确定当前的状态，协同后续的模式，实现飞行管理。 

　　二、基于航迹运行的流程 

　　图1 基于航迹运行流程 

　　1.战略航迹规划 

　　战略航迹规划运行程序是指空域用户利用飞行前数年可获得的相关数据进行长期计划阶段的航迹规划，生成的航迹不进行共享。在战略航迹规划中需要的数据包括：定期和非定期航班飞行的以往需求、空域可用性或限制、空中交通管理资源可用性（容量和性能预测）及运行变化（新程序、新标准）的影响、空中交通管理和机场设施可用性、季节性天气条件预测，可能的商业空域用户和其他无法预测的空域用户需求预测等。 

　　2.预战术航迹规划 

　　在执行航班前，空域用户必须计划航班的运行以确保安全、并遵守相应的规则。计划是基于所建立的基本准则，通过在ATM元素间及时共享信息来完成协同过程。最终起飞前计划是在协调的航迹意图（CTI）上达成一致，这里航迹意图代表当前确定的航班航迹计划。 

　　起飞前协调航迹意图会涉及ATM元素AUO、AOM和DCB，这些概念元素以协作的方式去调整航迹意图以满足各自的运行目标和限制。基于预测信息的计划是不确定的，因此，当信息被更新时，协调的航迹需要被修正。 

　　3.战术航迹规划 

　　在接近计划的起飞时间时，需要考虑TS和AO，将会对协调航迹意图进行更新和修改。这些更新应该在容差范围内将协调航迹意图进一步细化，这里容差是由AOM-DCB-AOU协调过程确定的。在某些情况下，当在容差范围内细化协调航迹意图不能充分满足AO或TS目标时，应该通过协调AO、TS、AUO和DCB对协调航迹意图进行修改，这时AOM不需要参与到其中。 

　　4.执行 

　　TBO允许门到门的协调航迹意图，但在航班执行过程中会有很多因素触发产生新的航迹意图，包含预测信息的更新、机队任务目标改变、冲突管理等，需要对航迹进行动态管理，以满足所有ATM元素的目标。   

　　在一个不断改变的ATM环境中，航迹管理是通过一系列交互控制闭环实现的。在监视ATM元素运行情况的基础上，探测任何需要措施和解决方案的问题，并基于CDM协商准则寻求解决方案。这些解决方案包含改变当地或者区域ATM构型，或者通过增加或改变航迹约束，如图2所示。 

　　图2 航迹管理闭环 

　　三、基于航迹运行的技术框架 

　　基于对国外四维航迹运行概念及试飞情况的研究，本文提出图3所示的基于航迹运行的技术框架，利用数据链通信、航空综合监视、机载航空电子、飞行运行管控等多种专业领域的先进技术，通过技术集成、系统集成、运行集成等多层次集成从而支持基于航迹运行。 

　　图3基于航迹运行技术框架 

　　基于航迹运行的实现需要空中和地面紧密协同工作，航空器的机载飞行引导设备必须能够提供面向定时到达的飞行引导能力。面向定时到达的机载四维飞行引导技术核心内容是一套飞行管理系统，该系统将飞行计划和航迹预测结合，利用支撑航迹运行的导航数据库，结合飞机当前飞行状态（飞机实时重量、气象等）进行四维航迹计算，并且通过飞行系统误差实时评估进行航迹运行自检验，在满足所需到达时间RTA的约束条件下，实现可定时到达的飞行引导。 

　　空中交通的安全高效运行是以充足的信息获取与共享为前提的。基于航迹的运行意味着航空器的飞行意图和管制员的交通管理措施都将以数字化信息的方式表达；同时，与传统的空中交通运行相比，基于航迹的运行要求空地之间共享的信息更为丰富，同时具备更高的实时性与可靠性。空地之间除了要共享航行情报、飞行状态、管制指令等常规信息外，还需要交互气象、动态航迹、交通态势等多元化的空中交通环境信息，这些都需要空地数据链的支持。 

　　航空公司航迹运行控制系统是以航班四维飞行计划为源头，以航迹动态为核心，统一调度航空公司机队、机组和地面保障等各类资源，是航空公司管理和控制航班生产整个过程的核心应用系统。而航迹运行数字化管制工作站是实现TBO的地面核心系统，其功能包括数字化管制指令的生成与空地交互、航迹预测、RTA分配、RTA协商、航迹运行性能监视等。具体技术包括：基于CPDLC/ADS-C的数字化管制流程及指令集的研究与设计、四维航迹空地交互信息报文的设计、自动化管制系统升级（飞行计划处理系统、人机交互界面、数据链系统前端等）和航迹运行数字化管制工作站功能模块开发与系统集成。 

　　四、结语 

　　实现基于航迹运行的关键在于机载端精确预测航迹并在各ATM元素间同步，最终在动态环境中管理航迹以满足各ATM元素的目标。在实际运行中，需要明确各参与者和ATM元素的优先级，通过设计一个稳定、快速收敛的算法来寻求最优解决方案，并通过数据链将航迹修改指令上传给机组人员，由其执行新的航迹意图。 

　　基于航迹的运行作为新一代空管系统的关键核心技术，国际民航组织正在积极推进相关研究工作，欧美国家已经完成初始4D航迹的试验飞行工作，并达到预期效果。我国空域资源紧张，面对快速增长的航班量，应该紧密结合航空系统组块升级（ASBU）发展与实施规划，组织行业内外相关资源，深入开展4D航迹的研究工作，完成从现有运行方式向基于航迹运行的转变，大幅度提升和改进当前航空运输的效能、效率和可用性。 

　　（作者：齐鸣 民航局空管局技术中心）