新冠肺炎疫情暴發(fā)前，繁忙的空中交通與指數(shù)級增長的出行需求讓航空業(yè)上下游開始探索技術(shù)升級與變革。四維航跡就是在經(jīng)度、緯度、高度和時間的基礎(chǔ)上，通過硬件與軟件升級改造，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)本身更加精準(zhǔn)、數(shù)據(jù)傳輸更加迅速、數(shù)據(jù)使用執(zhí)行統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。近年來，空客公司分別在歐洲和中國開展了四維航跡探索及實(shí)踐，讓基于四維航跡的運(yùn)行更加成熟可靠。
精確數(shù)據(jù) 安全可控
按照傳統(tǒng)的飛機(jī)運(yùn)行指揮模式，管制員需要語音告知飛行員具體指令。飛行員在收到管制員指令后復(fù)誦，管制員再監(jiān)聽飛行員復(fù)誦，以確保指令準(zhǔn)確，如此一來一回至少需要超過10秒的時間。然而，在采用了四維航跡技術(shù)后，整個流程將大為不同——在地面，管制員只需點(diǎn)擊鼠標(biāo)即可將發(fā)布指令；在空中，這條指令會直接傳到飛機(jī)上，飛行員可以在屏幕上看到更標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字指令。這種技術(shù)不僅可以降低因口誤而發(fā)錯指令的概率，在出現(xiàn)問題時也更容易及時進(jìn)行更正。
四維航跡技術(shù)的核心在于時間精確可控，采用基于經(jīng)度、緯度、高度和時間4個維度的精確數(shù)據(jù)，能夠讓飛機(jī)運(yùn)行更安全。通過對航班起飛、爬升、巡航、近進(jìn)、著陸等全階段進(jìn)行精細(xì)化控制，四維航跡運(yùn)行能夠?qū)崿F(xiàn)“定點(diǎn)定時”飛行，時間精度從分鐘級乃至10分鐘級，提升至10秒容差之內(nèi)。
對于市場體量快速發(fā)展的民航業(yè)來說，這樣的“提速”意義重大。多項(xiàng)數(shù)據(jù)顯示，疫情發(fā)生前，空中交通的繁忙程度呈指數(shù)級提升。2015年~2019年，中國民航運(yùn)輸總周轉(zhuǎn)量、旅客周轉(zhuǎn)量、貨郵周轉(zhuǎn)量逐年上升，連續(xù)5年民航運(yùn)輸增速維持在10%以上。以2019年為例，全行業(yè)運(yùn)輸航空公司完成飛機(jī)起降496.62萬架次，比上年增長5.8%。
在此背景下，提高自動化水平是避免大面積航班延誤、降低成本的有效路徑之一。近年來，基于四維航跡的運(yùn)行是民航局以及民航局空管局非常重視的新技術(shù)應(yīng)用之一，也是智慧民航、智慧空管建設(shè)的具體應(yīng)用場景之一。自2016年以來，在民航局、民航局空管局等行業(yè)主管部門的指導(dǎo)下，多家民航相關(guān)企業(yè)進(jìn)行深度合作，經(jīng)過3年多的產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同攻關(guān)，研制出了一系列四維航跡信息處理系統(tǒng)（ATN數(shù)據(jù)鏈處理系統(tǒng)、四維航跡管制自動化系統(tǒng)等）。與此同時，為驗(yàn)證該技術(shù)的系統(tǒng)能力和管制運(yùn)行程序，2016年~2018年，空客公司與中國聯(lián)合項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)以及管制運(yùn)行單位開展了多層次、全方位的模擬仿真驗(yàn)證工作。
技術(shù)升級 受益良多
在運(yùn)行時，航空器之間需要根據(jù)所在高度保持適當(dāng)?shù)陌踩嚯x。由于空管部門、機(jī)場、航空公司以及航空器等采用的信息參照不盡相同，管制員在進(jìn)行指揮時必須將數(shù)據(jù)傳輸與損耗所帶來的信息滯后考慮在內(nèi)，為安全距離留出空間。在四維航跡技術(shù)的支持下，每架飛機(jī)的數(shù)據(jù)能夠被提前確定下來，這不僅能夠提高空中交通的可預(yù)測性，也能更好地保障飛行安全。除此之外，根據(jù)優(yōu)化后的路線飛行，飛機(jī)還可以減少燃料使用，在降低成本的同時減少二氧化碳排放。
“航路間隔的優(yōu)化需要空管部門、機(jī)場、航空公司、航空器之間共享航跡動態(tài)信息。統(tǒng)一使用四維航跡進(jìn)行管理，能夠極大地提高安全裕度，提升管理效率，讓飛機(jī)運(yùn)行更加安全?！笨湛凸鞠嚓P(guān)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人告訴記者。
對于飛行來說，四維航跡的價值在于為所有系統(tǒng)提供相同的數(shù)據(jù)參照。在推算出四維航跡后，航空器飛行管理系統(tǒng)（FMS）會將相關(guān)數(shù)據(jù)傳送給空管、航空公司運(yùn)控中心以及流量管理系統(tǒng)等，保證所有相關(guān)方在閉環(huán)內(nèi)參照相同數(shù)據(jù)。依據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，四維航跡技術(shù)最多可計(jì)算128個航跡點(diǎn)。
在飛行過程中，飛行管理系統(tǒng)接收到管制數(shù)字化指令（CPDLC）后，將結(jié)合飛機(jī)實(shí)時數(shù)據(jù)動態(tài)更新預(yù)測航跡，從而增強(qiáng)航跡預(yù)測能力，實(shí)現(xiàn)對飛機(jī)的精準(zhǔn)預(yù)測和控制。而在精準(zhǔn)預(yù)測和控制背后，則是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及機(jī)載航電系統(tǒng)、地空數(shù)據(jù)鏈與空管信息系統(tǒng)等升級改造。值得一提的是，空客公司已開發(fā)出了符合適航要求的航電系統(tǒng)（FANS C）。有了配備FANS C系統(tǒng)的飛機(jī)，地面的空中導(dǎo)航服務(wù)提供商（ANSP）將能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測交通流量。
對于空管保障部門來說，四維航跡飛機(jī)數(shù)據(jù)能夠?yàn)楣苤迫萘酷尫鸥嗫臻g。據(jù)悉，四維航跡飛機(jī)數(shù)據(jù)將被應(yīng)用到各種管制自動化工具中，為指定空域甚至更遠(yuǎn)區(qū)域的交通監(jiān)控、組織和排序服務(wù)，有效降低管制員的工作強(qiáng)度。
“四維航跡技術(shù)不僅能夠讓管制員更加了解飛行員的意圖，還可以增強(qiáng)沖突探測、交通態(tài)勢感知、容量與需求平衡、復(fù)雜性管理等能力?！笨湛凸鞠嚓P(guān)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人表示，“例如，在沖突探測中，兩架飛機(jī)可能在場面滑行、航路飛行等過程中發(fā)生沖突。地面空管人員在獲取兩架飛機(jī)的四維航跡數(shù)據(jù)后，可及時比對分析，提前預(yù)判可能出現(xiàn)的問題，及早指揮避讓，從而大大提升安全裕度。此外，對多架飛機(jī)的態(tài)勢感知，涉及流量管理、容量與需求平衡，這不僅是對單一飛機(jī)的管理，更是對飛行體系的宏觀把控。”
國際合作 未來可期
對于民航業(yè)來說，四維航跡是未來發(fā)展的大勢所趨。
目前，流量管理系統(tǒng)已經(jīng)將經(jīng)度、緯度、高度和時間4個維度的數(shù)據(jù)納入考量。然而，由于數(shù)據(jù)精度不高、傳輸速度較慢等制約，其在應(yīng)對大面積航班延誤時仍顯得力不從心。與之相比，四維航跡技術(shù)可為該系統(tǒng)提供更精確、更及時的數(shù)據(jù)，對完善流量管理系統(tǒng)大有裨益。
不過，眼下四維航跡運(yùn)行尚不成熟，想要其充分發(fā)揮作用，仍需各國共同努力。目前，歐美和亞太各國已對四維航跡理念達(dá)成一致。在第十二屆全球航行大會上，國際民航組織發(fā)布了航空系統(tǒng)升級組塊計(jì)劃ASBU，將高效航跡列為四大組塊之一，四維航跡作為關(guān)鍵績效領(lǐng)域的重要部分，計(jì)劃在2028年前分四個階段逐步實(shí)現(xiàn)。
為進(jìn)一步驗(yàn)證四維航跡的可靠性，歐洲于2017年啟動SESAR 2020PJ-31 DIGITS超大規(guī)模四維航跡驗(yàn)證飛行項(xiàng)目。該項(xiàng)目關(guān)注的重點(diǎn)是四維航跡的實(shí)時傳輸，通過分析找到實(shí)現(xiàn)空管信息交互的更好方案。項(xiàng)目啟動后，共有6家航企的91架空客A320飛機(jī)參與了驗(yàn)證運(yùn)行，累計(jì)航班量超過2萬架次，記錄的航班ADS-C信息超過140萬條。
在國內(nèi)，2019年3月，空客公司參與并支持中國民航成功完成亞太地區(qū)首次初始四維航跡運(yùn)行驗(yàn)證項(xiàng)目。在此次驗(yàn)證飛行中，具備四維航跡飛行管理能力和通信能力的空客A320飛機(jī)由天津?yàn)I海機(jī)場起飛，前往廣州白云機(jī)場，抵達(dá)后再返回天津。飛行航線途經(jīng)6大管制單位，全程3800多公里。整個過程中，機(jī)載系統(tǒng)、地面系統(tǒng)以及空地?cái)?shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)工作正常，空地飛行管制按計(jì)劃順利實(shí)施。此次驗(yàn)證飛行充分驗(yàn)證了四維航跡技術(shù)的空地?cái)?shù)字化協(xié)同管制、空地航跡共享等能力，并在3個航路點(diǎn)進(jìn)行了航空器定時到達(dá)（RTA）能力測試，偏差均控制在5秒以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了飛行“定點(diǎn)定時”。
在推進(jìn)四維航跡運(yùn)行技術(shù)上，中歐雙方一直攜手并進(jìn)。試驗(yàn)飛行成功后，以四維航跡和地空通信數(shù)據(jù)鏈為主題的技術(shù)研討會等活動不斷開展，中歐雙方充分交流各自的經(jīng)驗(yàn)。未來，我國智慧空管建設(shè)將以四維航跡管理為基礎(chǔ)，建立以航跡管理為核心的先進(jìn)空管運(yùn)行模式，提升戰(zhàn)略、預(yù)戰(zhàn)術(shù)、戰(zhàn)術(shù)層面的流量管理能力，推進(jìn)航班全生命周期精細(xì)化管控，提高安全水平，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容增效。
名詞解釋
CPLDC：Controller Pilot Data Link Communications，即管制員—飛行員數(shù)據(jù)鏈通信，可用來彌補(bǔ)語音交流存在的缺陷，如語音頻道擁擠、音質(zhì)差、誤譯導(dǎo)致的誤解與同時講話所產(chǎn)生的干擾等。
合同式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-C）：Automatic Dependent Surveillance-Contract，將機(jī)上系統(tǒng)收集的位置、高度、速度、意圖和氣象等數(shù)據(jù)，以報(bào)告形式自動發(fā)送給與飛機(jī)簽署合同的空中交通服務(wù)單元，用于飛機(jī)位置和航路符合性監(jiān)控。
飛行管理系統(tǒng)（FMS）：Flight Management Computer System，是指以計(jì)算機(jī)為核心的高級區(qū)域?qū)Ш健⒅茖?dǎo)系統(tǒng)和性能管理系統(tǒng)，其主要功能是空中飛行計(jì)劃管理，經(jīng)常使用各種傳感器來確定飛機(jī)的位置。