CN108417097A - 一种用于初始4d空地协同运行的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于初始4D空地协同运行的方法。本发明针对初始4D运行的需求，充分利用ADS‑C通信链路和CPDLC通信链路实现空地之间四维航迹等关键参数的协同。飞机将空地协商的结果作为四维航迹引导的基础，来实现四维航迹的自动飞行和精确控制。该方法能有效支撑四维航迹的平稳顺利运行，是一种易于工程实现的方法，对于航空器在民用领域运行，提高空域特别是终端区的利用率，增强飞行的安全具有重要的现实应用意义。
Description
技术领域
本发明属于通信导航技术领域。
背景技术
随着航空运输业的迅猛发展，空中交通日益繁忙，目前的航空运输系统已经不能满足需要，国际民航界正在积极进行改进航空运输系统的探索，在全球形成了新一代航空运输系统的潮流，空中交通管理系统正处于由雷达管制向基于航迹的运行(TBO)跨代升级的阶段。
欧洲单一天空计划(SESAR)是欧盟为了符合未来空域容量和安全要求，以技术和运行层面为出发点建立下一代欧洲航空管理系统的计划。根据SESAR的运行概念，未来的空中交通管理系统的发展将主要集中在如下方面：
(1)从基于空域管理过渡至基于四维航迹管理；
(2)交通同步；
(3)网络协同管理和动态容量平衡；
(4)系统广域信息管理(SWIM)；
(5)机场综合和通行能力；
(6)冲突管理和自动化。
基于具备的技术能力，SESAR运行概念分成3个阶段：基于时间的运行、基于航迹的运行(TBO)和基于性能的运行。
SESAR的阶段1“基于时间的运行”即初始四维航迹(i4D)运行，“地面系统(groundsystems)”使用的是“空中的航迹(airborne trajectories)”。即双方协调的基础是空中FMS计算的航迹，空中航迹发送给地面，地面根据收到的航迹做冲突判断，必要时给出所需到达时间(RTA)要求。对于初始四维航迹运行，仅要求系统支持一个航路点上的时间要求，而对于第二阶段，则期望飞机能够支持多个RTA。
为了解决航空运输业的快速发展与空域资源有限的矛盾，以及增加各国空中交通管制采用系统与标准的一致性，国际民航组织(ICAO)计划在未来阶段性的进行空管系统的淘汰升级，最终建立国际间协调一致、彼此合作的一体化系统。ICAO推出了航空系统组块升级计划(Aviation System Block Upgrade,ASBU)，确立全球协调一致和互用性的规划框架。ASBU概念的核心是四个相互关联的航空性能改善领域：机场运行、全球可互操作系统和数据、最佳容量和灵活飞行和高效飞行航路四个相互关联的航空性能改善领域。在高效飞行航路方面，其最终目标之一是实现基于全四维航迹的运行。
四维航迹运行开始于空域使用者和空中交通服务商协商得到的基本四维航迹，它考虑到用户的利益，空域和机场能力的约束。在得到各方认可以后，该基本四维航迹可以作为实际飞行运行的基础。在实际飞行运行时，机载FMS依据该基本的四维航迹，结合飞机性能特性和气象条件优化预测得到飞机即将飞行的精确四维航迹，并通过数据链将构建的精确四维航迹发送给地面ATC系统。地面ATC系统可以尽早检测到飞机计划航迹之间的冲突，然后通过数据链与飞机进行四维航迹协商，以获得一个避免冲突的综合飞机和地面管制限制的最佳飞行剖面。最后，机载FMS通过四维飞行引导对速度进行精确控制来实现四维航迹的自动飞行，整个飞行过程受到地面和空中的监控。
在四维航迹运行方面，随着NextGen和SESAR等空管现代化项目的牵引，国外许多FMS制造商都积极地参与了顶层运行概念的研究和验证，开展了四维航迹运行的大量地面仿真及试飞验证。当前SESAR已经分别于2012年和2014年完成了两次初始四维航迹运行的全程飞行测试，Honeywell和Thales的FMS都参与了试验，初步验证了技术可行性，下一步将进行大规模的演示验证(计划80～100个飞行架次)进一步验证技术的稳定可靠性。
空地协同运行对于国内的民用飞机制造商、科研院所、设计公司来说都是一个崭新的概念。我们国内与国外的差距较大，国内各大高校、院所一直在追赶国外技术发展的步伐，开展了一系列通信导航的技术研究，例如一些科研单位开展了航迹运行数字化工作站的研制。而面向初始4D的运行需求，即如何在飞机系统和地面系统之间进行协同，以及具体进行什么内容的协商，国内甚少涉足。
发明内容
本发明的发明目的是为了给出一种用于初始4D的空地协同运行的方法，用于空域使用者和空中交通服务提供商之间协调四维航迹等关键参数，以获得一个避免冲突的综合飞机和地面管制限制的最佳飞行剖面，提高空域特别是终端区的利用率，增强飞行的安全。该方法充分利用飞机系统和地面系统具备的通信导航能力，基于自动相关监视-协商(ADS-C)和管制员飞行员数据链路通信(CPDLC)实现空地之间四维航迹等关键参数的协同。
本发明的发明目的通过以下技术方案实现：
一种用于初始4D空地协同运行的方法，包括以下步骤：
(1)飞机系统对ADS-C通信链路和CPDLC通信链路进行初始化；
(2)飞机系统响应地面系统的协商请求，利用ADS-C通信链路下传EPP；
(3)地面系统根据飞机系统下传的EPP进行空域态势评估，利用CPDLC通信链路向飞机系统上传基于的2D航路许可；
(4)飞机系统确定是否接受2D航路许可，若接受则进入步骤(5)，若不接受则返回步骤(3)；
(5)飞机系统根据2D航路许可，重新计算EPP，并利用ADS-C通信链路重新下传EPP；
(6)地面系统利用ADS-C通信链路向飞机系统发出请求，请求飞机系统下传ETA最小/最大值；
(7)飞机系统利用ADS-C通信链路下传ETA最小/最大值；
(8)地面系统基于收到的ETA最小/最大值计算CTA，并利用CPDLC通信链路将CTA上传给飞机系统；
(9)飞机系统确认是否接受该CTA要求，若接受则进入步骤(10)，若不接受，则返回步骤(8)；
(10)飞机系统根据最新的CTA要求，计算最新的EPP，并利用ADS-C通信链路下传给地面系统。
优选地，步骤(1)中对ADS-C通信链路进行初始化的步骤为：
(1.1.a)飞行系统通过ADS-C通信链路向地面系统发送初始化信息；
(1.1.b)地面系统通过ADS-C通信链路接收到初始化信息后，通过ADS-C通信链路返回初始化回应给飞机系统；
(1.1.c)地面系统通过ADS-C通信链路发送连接请求给飞机系统；
(1.1.d)飞机系统通过ADS-C通信链路返回连接确认给地面系统。
优选地，步骤(1)中对CPDLC通信链路进行初始化的步骤为：
(1.2.a)飞行系统通过CPDLC通信链路向地面系统发送初始化信息；
(1.2.b)地面系统通过CPDLC通信链路接收到初始化信息后，通过CPDLC通信链路返回初始化回应给飞机系统；
(1.2.c)地面系统通过CPDLC通信链路发送连接请求给飞机系统；
(1.2.d)飞机系统通过CPDLC通信链路返回连接确认给地面系统。
优选地，EPP具体包括：关键飞机数据和每个航路点的信息；
其中：
关键飞机数据包括：飞机当前总重、在下降顶点的预测总重、速度排定、最小/最大速度排定和航迹意向状态；
每个航路点信息包括：航路点纬度、经度、高度、估计到达时间、速度、垂直航路点类型、水平航路点类型、高度约束、时间约束和速度约束。
优选地，步骤(2)中飞机系统响应地面系统的协商请求，利用ADS-C通信链路下传EPP的具体方法包括：
(2.a)地面系统利用ADS-C通信链路向飞机系统发送请求下传EPP的协商请求；
(2.b)飞机系统在收到协商请求后计算EPP数据，形成EPP报告，并利用ADS-C通信链路给地面系统返回协商请求的EPP信息。
优选地，步骤(5)飞机系统根据2D航路许可，重新计算EPP，并利用ADS-C通信链路重新下传EPP的具体方法包括：
(5.a)地面系统利用ADS-C通信链路向飞机系统发送请求下传EPP的协商请求；
(5.b)飞机系统在收到协商请求后，根据最新的2D航路许可，重新计算EPP数据，形成EPP报告，并利用ADS-C通信链路给地面系统返回要求的EPP信息。
优选地，步骤(10)飞机系统根据最新的CTA要求，计算最新的EPP，并利用ADS-C通信链路下传给地面系统的具体方法包括：
(10.a)地面系统利用ADS-C通信链路向飞机系统发送请求下传EPP的协商请求；
(10.b)飞机系统在收到协商请求后，根据最新的CTA要求，重新计算EPP数据，形成EPP报告，并利用ADS-C通信链路给地面系统返回要求的EPP信息。
本发明的有益效果在于：
本发明提出了一种用于初始4D空地协同运行的方法，用于空域使用者和空中交通服务提供商之间协调四维航迹等关键参数，以获得一个避免冲突的综合飞机和地面管制限制的最佳飞行剖面。飞机将空地协商的结果作为四维航迹引导的基础，来实现四维航迹的自动飞行和精确控制。该方法能有效支撑四维航迹的平稳顺利运行，是一种易于工程实现的方法，对于航空器在民用领域运行，提高空域特别是终端区的利用率，增强飞行的安全具有重要的现实应用意义。
附图说明
图1为一种用于初始4D空地协同运行的方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
参考图1，本发明针对初始4D运行的需求，提供一种用于初始4D空地协同运行的方法，充分利用飞机系统和地面系统具备的通信导航能力，基于自动相关监视-协商和管制员飞行员数据链路通信实现空地之间四维航迹等关键参数的协同。具体包括以下步骤：
(1)飞机系统对ADS-C通信链路和CPDLC通信链路进行初始化，包含以下步骤：
对ADS-C通信链路进行初始化的步骤为：
(1.1.a)飞行系统通过ADS-C通信链路向地面系统发送初始化信息；
(1.1.b)地面系统通过ADS-C通信链路接收到初始化信息后，通过ADS-C通信链路返回初始化回应给飞机系统；
(1.1.c)地面系统通过ADS-C通信链路发送连接请求给飞机系统；
(1.1.d)飞机系统通过ADS-C通信链路返回连接确认给地面系统。
优选地，步骤(1)中对CPDLC通信链路进行初始化的步骤为：
(1.2.a)飞行系统通过CPDLC通信链路向地面系统发送初始化信息；
(1.2.b)地面系统通过CPDLC通信链路接收到初始化信息后，通过CPDLC通信链路返回初始化回应给飞机系统；
(1.2.c)地面系统通过CPDLC通信链路发送连接请求给飞机系统；
(1.2.d)飞机系统通过CPDLC通信链路返回连接确认给地面系统。
(2)飞机系统响应地面系统的协商请求，利用ADS-C通信链路下传EPP，具体方法包括：
(2.a)地面系统利用ADS-C通信链路向飞机系统发送请求下传EPP的协商请求；
(2.b)飞机系统在收到协商请求后计算EPP数据，形成EPP报告，并利用ADS-C通信链路给地面系统返回协商请求的EPP信息。
EPP具体包括：关键飞机数据和每个航路点的信息。其中关键飞机数据包括飞机当前总重、在下降顶点的预测总重、速度排定、最小/最大速度排定和航迹意向状态。每个航路点信息包括：航路点纬度、经度、高度、估计到达时间、速度、垂直航路点类型、水平航路点类型、高度约束、时间约束和速度约束。
(3)地面系统根据飞机系统下传的EPP进行空域态势评估，利用CPDLC通信链路向飞机系统上传基于的2D航路许可，形如CLEARED[程序名]。
(4)飞机系统确定是否接受2D航路许可，若飞机系统接受该2D航路许可，则飞机系统回应给地面系统完全照办，形如WILCO，进入步骤(5)；若不接受，则飞机系统回应给地面系统无法照办，形如UNABLE，返回步骤(3)。
(5)飞机系统根据2D航路许可，重新计算EPP，并利用ADS-C通信链路重新下传EPP，具体方法包括：
(5.a)地面系统利用ADS-C通信链路向飞机系统发送请求下传EPP的协商请求；
(5.b)飞机系统在收到协商请求后，根据最新的2D航路许可，重新计算EPP数据，形成EPP报告，并利用ADS-C通信链路给地面系统返回要求的EPP信息。
(6)地面系统基于ADS-C向飞机系统发出请求，请求飞机系统下传ETA最小/最大值：
(7)飞机系统基于ADS-C下传ETA最小/最大值；
(8)地面系统基于收到的ETA最小/最大值，计算CTA，并基于CPDLC上传给飞机系统，形如CROSS[航路点名]AT[时间]。
(9)飞机系统确认是否接受该CTA要求，若飞机系统确定能够接受该CTA要求，则飞机系统回应给地面系统完全照办，形如WILCO，进入步骤(10)；若不接受，则飞机系统回应给地面系统无法照办，形如UNABLE，返回步骤(8)。
(10)飞机系统根据最新的CTA要求，计算最新的EPP，并利用ADS-C通信链路下传给地面系统，具体方法包括：
(10.a)地面系统利用ADS-C通信链路向飞机系统发送请求下传EPP的协商请求；
(10.b)飞机系统在收到协商请求后，根据最新的CTA要求，重新计算EPP数据，形成EPP报告，并利用ADS-C通信链路给地面系统返回要求的EPP信息。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种用于初始4D空地协同运行的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)飞机系统对ADS-C通信链路和CPDLC通信链路进行初始化；
(2)飞机系统响应地面系统的协商请求，利用ADS-C通信链路下传EPP；
(3)地面系统根据飞机系统下传的EPP进行空域态势评估，利用CPDLC通信链路向飞机系统上传基于的2D航路许可；
(4)飞机系统确定是否接受2D航路许可，若接受则进入步骤(5)，若不接受则返回步骤(3)；
(5)飞机系统根据2D航路许可，重新计算EPP，并利用ADS-C通信链路重新下传EPP；
(6)地面系统利用ADS-C通信链路向飞机系统发出请求，请求飞机系统下传ETA最小/最大值；
(7)飞机系统利用ADS-C通信链路下传ETA最小/最大值；
(8)地面系统基于收到的ETA最小/最大值计算CTA，并利用CPDLC通信链路将CTA上传给飞机系统；
(9)飞机系统确认是否接受该CTA要求，若接受则进入步骤(10)，若不接受，则返回步骤(8)；
(10)飞机系统根据最新的CTA要求，计算最新的EPP，并利用ADS-C通信链路下传给地面系统。
2.如权利要求1所述的一种用于初始4D空地协同运行的方法，其特征在于：所述步骤(1)中对ADS-C通信链路进行初始化的步骤为：
(1.1.a)飞行系统通过ADS-C通信链路向地面系统发送初始化信息；
(1.1.b)地面系统通过ADS-C通信链路接收到初始化信息后，通过ADS-C通信链路返回初始化回应给飞机系统；
(1.1.c)地面系统通过ADS-C通信链路发送连接请求给飞机系统；
(1.1.d)飞机系统通过ADS-C通信链路返回连接确认给地面系统。
3.如权利要求1所述的一种用于初始4D空地协同运行的方法，其特征在于：所述步骤(1)中对CPDLC通信链路进行初始化的步骤为：
(1.2.a)飞行系统通过CPDLC通信链路向地面系统发送初始化信息；
(1.2.b)地面系统通过CPDLC通信链路接收到初始化信息后，通过CPDLC通信链路返回初始化回应给飞机系统；
(1.2.c)地面系统通过CPDLC通信链路发送连接请求给飞机系统；
(1.2.d)飞机系统通过CPDLC通信链路返回连接确认给地面系统。
4.如权利要求1所述的一种用于初始4D空地协同运行的方法，其特征在于：所述EPP具体包括：关键飞机数据和每个航路点的信息；
其中：
关键飞机数据包括：飞机当前总重、在下降顶点的预测总重、速度排定、最小/最大速度排定和航迹意向状态；
每个航路点信息包括：航路点纬度、经度、高度、估计到达时间、速度、垂直航路点类型、水平航路点类型、高度约束、时间约束和速度约束。
5.如权利要求1所述的一种用于初始4D空地协同运行的方法，其特征在于：所述步骤(2)中飞机系统响应地面系统的协商请求，利用ADS-C通信链路下传EPP的具体方法包括：
(2.a)地面系统利用ADS-C通信链路向飞机系统发送请求下传EPP的协商请求；
(2.b)飞机系统在收到协商请求后计算EPP数据，形成EPP报告，并利用ADS-C通信链路给地面系统返回协商请求的EPP信息。
6.如权利要求1所述的一种用于初始4D空地协同运行的方法，其特征在于：所述步骤(5)飞机系统根据2D航路许可，重新计算EPP，并利用ADS-C通信链路重新下传EPP的具体方法包括：
(5.a)地面系统利用ADS-C通信链路向飞机系统发送请求下传EPP的协商请求；
(5.b)飞机系统在收到协商请求后，根据最新的2D航路许可，重新计算EPP数据，形成EPP报告，并利用ADS-C通信链路给地面系统返回要求的EPP信息。
7.如权利要求1所述的一种用于初始4D空地协同运行的方法，其特征在于：所述步骤(10)飞机系统根据最新的CTA要求，计算最新的EPP，并利用ADS-C通信链路下传给地面系统的具体方法包括：
(10.a)地面系统利用ADS-C通信链路向飞机系统发送请求下传EPP的协商请求；
(10.b)飞机系统在收到协商请求后，根据最新的CTA要求，重新计算EPP数据，形成EPP报告，并利用ADS-C通信链路给地面系统返回要求的EPP信息。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20180817 |