ads-b技术应用于航路飞行的空中交通管制间隔研究.doc

ADS-B技术应用于航路飞行的管制间隔研究简述民航西南空管局 万嘉地址：成都双流国际机场西南空管局空管部联系：028-85706346 邮编：6102021、 概述近年，中国民航运输业正以前所未有的速度飞速向前发展随着我国实施西部大开发战略以来，西部地区的飞行流量呈现跨越式的发展，给西部地区民航空管体系提出了更新更高的要求在这种背景下，为使空管体系保障能力适应民航未来的发展需求，在民航局的统一规划指导下，民航空管系统正在对基础的通信导航监视设施设备进行大规模的换代更新改造放眼全球，航空科技正向新技术领域转型：航空器正朝着更安全、高效能、低油耗发展，而星基导航将逐步取代地基导航，数据链通信正在逐渐应用于民用航空领域……而在空中交通管理领域，新的技术和新的设备正在逐步应用到实际工作中来，广播式自动相关监视（ADS-B）技术就是其中之一广播式自动相关监视——ADS-B，即航空器自动向外界广播由机载导航设备或卫星导航系统计算的自身精确定位等信息，地面设备和其他航空器通过航空数据链接收此广播信息，获知空中交通实时态势，以此实现空中和地面的一体化协同监视ADS-B技术经过多年的发展，已经相对比较成熟，可以提供多种服务，如在无雷达覆盖地区提供空中交通监视，机场场面监视及未来空-空监视等应用服务。

随着我国民航飞行流量的迅猛增长，对空中交通管理的能力要求日益提高目前中国民航在哈尔滨-北京-西安-成都-昆明一线以东实现8400米以上高空的雷达覆盖并实施了雷达管制，但部分地区3600米以及6000米层面上仍存有雷达盲区；相比之下此线以西的地区不仅地域广袤、而且地形地貌复杂，如果仍然使用传统的一二次雷达来实现对空中交通进行监视的话，一方面成本高昂，另一方面建设难度巨大如果在西部地区推广ADS-B系统来替代雷达实现空管监控，除具有投资成本和建设速度上的诸多优势外，ADS-B系统所提供的监视数据精度和数据更新率均好于雷达系统除能监控目标的高度和速度信息外，ADS-B还能直接对外广播航空器的经纬度和航向等信息，尤其适合于西部地区的山区、高原、边远机场等不宜建设雷达的区域我国目前已经开始将ADS-B技术实验性地用于成都-九寨航线上，并已在成都-拉萨航路上开工建设ADS-B系统用于航路监控随着西部大开发的逐步推进，ADS-B技术在西部地区的广泛应用，必将在中国民航未来的空管监视系统中占据重要一席虽然我国对ADS-B的大规模应用较早、硬件设备较为领先，但使用ADS-B的“软”环境还不够完善首先，中国民航缺乏对ADS-B运行在法律法规的界定和支持；其次，还缺乏ADS-B在飞行、空管、机务等方面的相应标准和运行规程等。

对于空管而言，应尽早对基于ADS-B技术提供空中交通管制的间隔标准应尽早进行研究，而基于ADS-B技术的航路飞行间隔则更为急迫而本文是通过建立相关模型来研究广播方式自动相关监视（ADS-B）应用于航路飞行的空中交通管制间隔2、 ADS-B的特点分析及其国内外应用状况（1） ADS-B自动相关监视技术（ADS）是新航行系统（FANS-ATM）发展最重要的成果，是国际上解决空中交通管理的有效办法广播式自动相关监视（ADS-B）是一种基于机载的导航设备和空-空、地-空数据链通信的航空器运行监视技术ADS-B能够完全自动广播航空器的呼号、位置、高度、速度和其它一些参数的技术；通常每500毫秒ADS-B设备广播一次位置信息ADS-B具备以下技术特征：l 自动：不需要人工的操作，不需要地面的询问l 相关：信息都是基于机载数据l 监视：该系统提供位置和其它用于监视的数据l 广播：数据不是针对某个特殊的用户，而是周期性的广播给任何一个有合适装备的用户2） 国外的应用及范例1. 美国使用ADS-B的经验 美国是“广播式自动相关监视”（ADS-B）技术研究和应用的先行者之一美国从1992年开始就在芝加哥的O'Hare机场开展了ADS-B技术应用的研究。

进入21世纪，美国率先在阿拉斯加地区飞行的通用航空器上推广应用ADS-B技术2002年，美国联邦航空局FAA终于出台了ADS-B数据链发展政策以及支持 ADS-B技术发展的规划蓝图2. 澳大利亚大规模建设ADS-B的范例2003年9月澳大利亚运输部发布了一则消息：基于对澳大利亚中西部地区飞行流量的预期和投资成本的核算，澳大利亚决定放弃以航管雷达覆盖澳洲大陆的意图；取而代之的是，在中西部地区建设ADS-B监视系统，与现有的23套ATC雷达，组合成一个覆盖澳洲全境高空的空中交通服务监视系统在这样的基础条件下，澳大利亚仅投资1000万美元，把全国高空航路管制间隔缩小到5海里澳大利亚地广人稀，难以部署雷达监视网，严重制约了澳洲大陆空中交通容量但是澳洲人抓住了ADS-B新技术发展的机遇，短短三年，就实现了航行监视技术体制的跨越式发展，其成就令世人惊叹3. 欧洲对ADS-B的建设规划欧洲是“广播式自动相关监视”（ADS-B）技术的策源地在21世纪初期，欧洲一体化进程大大推进了新航行技术在欧洲的应用2004年5月， 欧洲空管局（EUROCONTROL，以下简称“欧空管”）发布了欧洲实施新航行技术的政策，制定了“欧洲民航委员会通过新通信和监视技术应用推进空管一体化” 的实施计划，主要有两大技术内核：ADS-B和Link 2000+。

欧空管是一个代表股东利益的代理管理组织，它的体制决定了其投资目标的现实性在ADS-B技术开发和应用方面，欧空管首先考虑的不是越洋远程航路的监视，而是紧密结合欧洲大陆的空管需求，以改进陆地区域、高密度飞行的空中交通监视为基本目标在海岛和近海等不便安装或空中交通不值得配置雷达的无雷达区域，用ADS-B作为主要监视手段；在雷达覆盖不完善的区域，以ADS-B作为补充监视手段；雷达覆盖区域，使用ADS-B作为技术升级手段；在机场运行区域，将ADS-B作为场面辅助监视手段相比澳大利亚人，欧洲人对ADS-B技术的应用更细腻，更系统，更有远见澳洲人技术应用路线是"拿来主义"，无论地面还是机载设备，技术上对外依赖性较强，而且较多地关注于眼前的受益欧洲人则更注重ADS-B技术的全面运用从他们对底层结构的设计、技术体制和产品标准的制定和认证、未来“自由飞行”（Free Flight）环境的技术准备（空对空、空对地监视技术）等方面的考虑，更值得我们仔细思量和借鉴3） 国内的实际与发展当今世界ADS-B技术发展已经进入实用阶段，而我国仍在ADS的概念阶段徘徊不前民航局相关部门已经开始考察该技术的运行状况，并表示进一步开发、利用这项新技术，以推动我国航空运输事业快速和可持续发展。

1.总体概况ADS技术的应用方面，中国航空的起步并不晚1998年，中国航空为了探索新航行系统发展之路，促进西部地区航空运输发展，在国际航空组织新航行系统发展规划指导下，抓住中国西部地区开辟欧亚新航路的战略机遇，启动了第一条基于ADS技术的新航行系统航路(L888航路)建设中国民航在发展新航行系统和改进空中交通监视技术方面开展了建设性的活动，取得了一些成果，但总体上没有突破ADS-C的技术框架因此，对解决空管的突出问题，改善安全与效率，效果并不明显ADS-B技术的逐步成熟，将为我们寻求新的突破提供了机会当今ADS-B技术发展已经进入实用阶段， 2.西部地区应用概况目前，我国已在成都—九寨建设ADS-B试验系统，并已在成都—拉萨航路建成ADS-B系统现将以成都-拉萨航路为例进行相关分析研究，相关情况如下成都—拉萨航线——即B213航线崇州VOR到拉萨VOR段：系从成都进出西藏的空中通道该航线由于其独特的保障要求和地形超障限制，其放行间隔有特殊规定而历史上该航线的间隔作为专机保障规格，即在该航线上所有飞行，无论其飞行高度配备，均为10分钟一架这是属于一种特殊的程序管制间隔，保证了该航线长期以来的飞行安全。

但随着西部经济的大发展，这样的放行间隔已成为了制约该航线空域流量的关键节点为此，目前中国民航已在该航线建设5个ADS-B地面站，分别位于拉萨甘巴拉、林芝机场、昌都达玛拉、康定机场、拉萨贡嘎机场ADS-B项目正式投产后将在成都-拉萨航线8400米高度层基本实现ADS-B监视和地空数据链(RGS为地空数据链地面站)单重覆盖、主要飞行高度层实现单重连续覆盖；为航线监视和导航提供增强卫星数据可用服务使成都-拉萨航线实现更为有效、可靠的管制服务，提高安全飞行保障能力，促进航线飞行容量的增加3、 管制间隔研究笔者在攻读工程硕士期间，充分调研学习国内外相关研究工作的资料和成果，利用高等数学和几何学的研究方法，结合Reich模型、碰撞模型理论和统计学等数学理论，对基于ADS-B的航路管制间隔进行深入细致的研究；并通过实际管制工作中获得的流量数据，最终获得确定ADS-B航路管制间隔的模型和算法，为空中交通管制部门实施科学的业务和安全管理提供依据目前国外已有相关理论模型，澳大利亚已经将ADS-B应用于实际运行国内成都-九寨航线已有两套ADS-B设备投入试验性运行，成都-拉萨航线的ADS-B项目目前已竣工验收进入ADS-B监视下的程序管制运行，相关民航院校已初步具备模拟空中交通碰撞的试验平台，因此，测算和得出ADS-B航路管制间隔的模型和算法具备可行性。

1. 主要研究内容 笔者以纵向间隔为研究对象，对纵向的碰撞风险进行建模，研究了ADS-B环境对碰撞风险的影响，从而对间隔标准的安全性进行评估，探索缩小间隔标准增加空域容量的可行性主要研究内容包括：（1）飞行间隔的概念研究：包括飞行间隔、间隔标准、碰撞风险、安全目标等级、以及冲突、危险接近和碰撞等概念；以及各因素对碰撞风险的影响的研究2）纵向碰撞风险研究：建立了基于事件的纵向碰撞风险模型，详细分析了碰撞风险模型的各个参数，研究了ADS-B环境对碰撞风险的影响，并给出了满足安全目标等级的最小纵向安全间隔此外，还对纵向碰撞风险模型进行了改进2.研究技术路线本论文技术路线如图1所示，首先针对现行的间隔标准分析具体的碰撞过程，分析进行碰撞风险计算的方法，并对给定航路上的各个参数进行分析，从而计算碰撞风险；然后确定安全目标等级，从而把碰撞风险和安全目标等级进行对比研究，分析所给定的间隔标准的安全性；求得满足安全目标等级的最小间隔标准，为缩小间隔标准提供理论依据；而且可以反向的运用碰撞风险模型得到满足安全目标等级的最小安全间隔图1 飞行间隔安全评估技术路线3. 主要碰撞风险建模简述 纵向碰撞风险研究的是同高度层同航路的前后航空器之间的碰撞风险。

纵向间隔的安全性逐渐成为一个研究的焦点，国内赵洪元首先对纵向碰撞风险进行了研究，只是没有考虑侧向和垂直方向上的误差，而实际飞行时，航空器不可能完全严格遵守垂直间隔和侧向间隔，所以必须考虑侧向误差和垂直误差基于事件的纵向碰撞风险模型建立的条件：(1) 空中相撞是发生在两架临近的航空器之间的，不考虑三架航空器相撞的情况；(2) 航空器的机身长、翼展、机身高分别为、、；(3) 纵向间隔标准为；(4) 航空器之间的位置彼此相互独立；(5) 航空器在侧向、纵向和垂直方向的位置彼此相互独立图2碰撞盒穿越纵向间隔层管制员要确保的就是同一航路上相邻的航空器之间的纵向间隔，从而保证航空器安全飞行如图2所示：把航空器A设定为一个碰撞盒，长宽高分别为航空器机身长、翼展和机身高的二倍，那么碰撞盒就是一个长宽高分别为、、的长方体把航空器B设定为一个质点，以B为原点设定一个坐标系，纵向为X轴，侧向为Y轴，垂直方向为Z轴，定义Y轴和Z轴确定的平面为纵向间隔层若碰撞盒A穿越了纵向间隔层，而此时B位于碰撞盒穿越所经过的位置。