CN109520506A - 一种四维航迹空地协商的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实现四维航迹运行的方法。本发明包括：FMS根据飞行计划信息和气象信息生成四维航迹，并通过数据链ADS‑C应用将该四维航迹下传至地面系统；航线和垂直约束的地‑地协调，确保地面系统对飞行的航线和剖面有一致认识，作为初始协调的基础航迹；航线增加垂直约束的空地协调；从飞机下传最小时间和最大时间开始，地面系统协商航路点和附加的约束；进场管理工具确定并且使用约束航路点；步骤五：地面系统和飞机协商时间约束；步骤六：地面通过数据链ADS‑C应用下传的数据监视航班继续按一致认可的四维航迹进行；当机组收到最后进近指令，飞行机组执行连续的最后进近。

Description

一种四维航迹空地协商的方法
技术领域
本发明属于民用航行系统技术领域，涉及一种四维航迹空地协商的方法。
背景技术
随着航空运输业务量飞速增长，在目前的技术手段下已无法有效地缩减飞 机间距离，导致了空域的拥堵。为了应对航空运输业快速发展需求与空域资源 有限之间日益突出的矛盾，不同国家和组织都把四维航迹运行视为下一代空中 交通管理的基础，将其作为解决航班延误问题、提高飞机飞行效率的重要技术 与手段。
四维航迹运行技术作为新一代航行任务需求，是对全飞行过程的组织、管 理和监控，通过空地一体化共享、协同、协商机制，实现飞行效益最大化的一 项综合性技术。
四维航迹运行开始于空域使用者和空中交通管理者协商得到的基本四维航 迹，它考虑到用户利益，空域资源和机场能力的多方面约束。在得到各方认可 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 飞行管理系统(FMS，FlightManagement System)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 过数据链把构建的精确四维航迹发送给地面空中交通控制(ATC，Air Traffic Control)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同时综合飞机和地 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。
发明内容
本发明的目的是：提供一种实现四维航迹运行的方法，以满足高度自动化 的新航行系统需求，在有限的空域资源约束下提高空运量，缓解当前民用航空 运输快速发展需求和空域资源紧张之间的矛盾。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
步骤一：FMS根据飞行计划信息和气象信息生成四维航迹，并通过数据链 ADS-C应用将该四维航迹下传至地面系统。
步骤二：航线和垂直约束的地-地协调，确保地面系统对飞行的航线和剖面 有一致认识，作为初始协调的基础航迹。
步骤三：航线增加垂直约束的空地协调，地面系统将一致认可的3D航线 通过数据链CPDLC应用上传给飞机，机组分析该地面建议航迹并选择接受或 者拒绝此航线：
如果机组拒绝航线，协商被终止，航班需要调整；
如果机组接受航线，通过数据链ADS-C应用下传经过认可的航线中选择的 航路点的估计最小时间和最大时间；估计最小时间和最大时间能使地面系统协 商出一个飞机可以实现的约束值。
步骤四：从飞机下传最小时间和最大时间开始，地面系统协商航路点和附 加的约束；进场管理工具确定并且使用约束航路点。
步骤五：地面系统和飞机协商时间约束：通过数据链CPDLC应用发送RTA 给机组，机组把RTA加载到飞行管理系统中，用RTA功能评估其可行性；如 时间约束不被接受，地面将尝试协商更新时间约束或者终止服务。
步骤六：地面通过数据链ADS-C应用下传的数据监视航班继续按一致认可 的四维航迹进行；当机组收到最后进近指令，飞行机组执行连续的最后进近。
进一步的，在步骤五与步骤六之间，根据不同运行的需要，机组可以通过 数据链CPDLC应用请求一个全航线许可，指出优先的航线和约束。
本发明的优点及显著效果：
1)可缓解当前民用航空运输量不断提升和空域资源紧张之间的矛盾；
2)提高飞行航迹的精确性和可预测性，从而提高空域特别是终端区的利用 率，并且增强飞行的安全性；
3)通过机载FMS自动控制RTA，而不需要通过若干速度批准来进行进场时 间的调控，可有效减少空管人员的负担；
4)促进连续下降运行的实施，从而减少燃油消耗，降低噪声和排放。
该发明方法是一种可以工程实现的方法，对于航空器在民用领域飞行，满 足新航行系统要求具有重要的现实应用意义。
附图说明
图1为本发明一种四维航迹空地协商的方法的示意图。
图2为一个典型的四维航迹运行场景示意图。
具体实现方式
下面根据说明书附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
本发明一种四维航迹空地协商的方法，其实现四维航迹飞行的操作过程， 如图一所示。
步骤一：FMS根据飞行计划信息和气象信息生成四维航迹，并通过数据链 ADS-C(Automatic Dependent Surveillance-Contract)应用将该四维航迹下传至 地面系统。
步骤二：航线和垂直约束的地-地协调。这一步的目标是确保地面系统对飞 行的航线和剖面有一致认识，作为初始协调的基础航迹。在这个阶段解决地面 系统之间计划航迹的差异，目的是给飞机提出有所地面系统都能实现的航迹。
步骤三：航线增加垂直约束的空地协调。在这个阶段地面系统将一致认可 的3D航线通过数据链CPDLC(Controller Pilot Data Link Communications)应 用上传给飞机。机组分析该地面建议航迹、选择接受或者拒绝这个航线。如果 拒绝，协商被终止，航班需要调整。这种情况下空地之间协商来解决航迹差异。 绝大多数情况下，预期地面系统建议的航迹变化是最小的并且能被机组接受。 这种情况下机组接受航迹，并且通过数据链ADS-C应用下传经过认可的航线中 选择的航路点的估计最小/最大时间(ETA min/max)。估计时间能使地面系统协 商出一个飞机可以实现的约束值。
步骤四：从飞机下传估计时间开始，地面系统协商航路点和附加的约束。 约束来源于多种工具(如进场管理等)，可能有不同的运行目的(比如在到达机 场排序，为了降低交通复杂度进行航路中排序)。对于在复杂航迹管理需求的到 达，约束航路点是在下降顶点前的航路点，航路点作为汇合和排序的开始，或 者在仪表进近程序的开始点，或者在目的地。进场管理工具确定并且使用约束 航路点。至于计划的时间表，由于当前的飞行管理系统不能同时支持多个许可 的时间约束，初始四维航迹运行服务地面部分仅能建议一个许可的时间约束 (RTA，Required Time Arrival)，这个时间约束能最大限度的受益于全航空网络。
步骤五：地面系统和飞机协商时间约束。通过数据链CPDLC应用发送RTA 给机组，机组把RTA加载到飞行管理系统中，用RTA功能评估它的可行性。 由于时间约束是基于飞机估计时间，而估计时间又是基于同步的3D航迹计算 的(步骤三)，因此绝大多数情况机组会接受该约束。万一时间约束不被接受， 地面将尝试协商更新时间约束或者终止服务。
步骤六(可选)：根据不同运行的需要，机组可以通过数据链CPDLC应用 请求一个全航线许可，指出优先的航线和约束。
步骤七：地面通过数据链ADS-C应用下传的数据监视航班继续按一致认可 的四维航迹进行。飞机可以在FMS的精确引导下按协商的下降剖面飞行，理想 情况下它是连续进近直至跑道，基于最优发动机和飞机控制面设置，并且实现RTA。当机组收到最后进近指令，飞行机组执行连续的最后进近。
此具体实施方式，是在使用四维航迹的空中交通系统下，从操作过程角度 描述飞行过程。实施过程是从离场开始到进近结束，图二展示了一个典型的四 维航迹运行场景。
飞机——CHN0001将从O城市机场(机场名为OOOO)飞到D城市(机场名 为DDDD)机场。
假设飞机即将飞过的所有空中交通服务单元都装备有数据链设备，并且已 经实现地地协调的自动支持。
CHN0001能下传它的航迹。地面系统能接收，并向所有相关单元(流量控 制，下游单元)发布，与之协调和达成一致的航迹。
航迹分段和交换的目标是支持地面和空中之间飞行数据的协商和同步过 程，对于地面系统计算关键约束航路点的时间。
在此具体实施方式的场景想定中限制的航路点是初始进近固定点。约束航 路点的时间是来自到达管理工具的输出值，目的是排序DDDD机场的交通。
1)离场阶段
CHN0001从OOOO起飞，遵循标准仪表离场航路。
(1)O城市Approach Control(进近管制)
在航班初始离场阶段后，飞机成功和O城市进近地面系统建立数据链连接。
O城市进近地面系统向飞机系统发送请求下传航迹数据。
一旦接到请求消息，飞机系统下传包含直到目的地(DDDD)前所有未来 航路点时间的飞机航迹。
下传的航迹与预离场阶段插入FMS的一致。这是基于飞行计划航路，并且 包含离场前已知的每个ATC限制。下传的航迹作为地地航迹协商的开始点。
O城市进近地面系统接收航迹，并且分发给所有下游单元(O城市区域管 制中心，A城市区域管制中心-AAA，B城市区域管制中心–BBB,C城市 区域管制中心–CCC)和流量管理。
一旦航迹数据接收，这些单元将评估4D路线，再次确认相关航路段能够 接受这次飞行。在飞行计划中考虑到主观或者客观上附加的约束(也就是说飞 行高度限制，速度/航线/时间限制)，来建立航迹剖面。这个处理和协商的结果 是所有相关单元一致同意的飞机的3D航迹。
一致同意的航迹将被上传给飞机，包括水平航线和垂直剖面一种格式。
飞行飞行员决定接收到的航迹是可接受的，用ROGER回复。
在知道飞行飞行员同意后，出发地机场发出许可，飞行飞行员将回复 WILCO。
用许可航路更新飞行计划，飞机和地面系统航迹直到目的机场实时保持一 致。
基于接收到的航迹数据，目的地进近管制的地面系统将计算出初始进近固 定点要求的时间。
一旦计算出时间约束，目的机场地面系统把这个时间约束传给正在控制飞 机的空中交通服务单元(在此是O城市区域管制中心)。
O城市进近地面系统上传时间限制给飞机。
把上传的初始进近固定点时间约束加入试验计划，通过飞机系统的 RTA/FMS功能处理并且显示给飞行员。飞行员评估FMS处理的结果并决定照 做收到的许可，下传WILCO，激活了试验计划。
一旦飞行员同意并且接受时间约束，将把它发送给所有相关单元(包括空 中交通流量和容量管理)。
O城市进近管制地面系统通过地地自动协调设备，数据链和语音通信过渡 给O城市区域管制中心。
2)巡航阶段
(1)O城市区域管制中心
飞机成功建立和O城市区域管制中心地面系统的连接。
通过地基冲突检测工具，O城市区域管制中心管控员上传相应责任空域的 许可给飞机，来确保航迹没有冲突，并且符合到下游单元可行的转移条件。根 据许可时间危险程度，这通过数据链或者语音完成。管制员也有一致监视和电 子设备支持。
在此具体实施中，冲突检测工具指出CHN0001飞机航迹通过整个O城市 区域管制中心没有冲突。所以管制员在他负责的空域上传完整航路许可。飞行 飞行员确认接受许可，并且飞行许可部分航线。
使用地地自动协调设备，数据链和语音过渡给下游单元(AAA)。
(2)A城市区域管制中心
飞机进入A城市上空区域管制中心空域，并且成功和A城市上空区域管制 中心地面系统建立数据链连接。
管控员上传相应负责空域的航路许可给飞机CHN0001。飞行飞行员确认接 受消息，并且飞行许可部分航线。
根据地基冲突检测工具飞机CHN0001通过整个A城市上空区域管制中心 空域没有冲突。飞机继续在分配的航线上飞行，并且遵守初始进近固定点的一 致同意的时间。
飞行员因为飞行效率原因请求高度改变，管制员同意相应的许可。飞行员 改变飞行高度，并且调整速度以保证仍然符合时间约束。所以就修改的迁移飞 行高度发生地地协调。
数据链和语音过渡给下游单元(BBB)。
(3)B城市区域管制中心
飞机进入B城市上空区域管制中心空域，并且成功和B城市上空区域管制 中心地面系统建立数据链连接。
地面冲突检测工具向管制员指出在18分钟后飞机CHN0001和另一架飞机 预计发生冲突。冲突探测功能帮助管制员解决冲突，通过修改飞机的高度。
管制员上传相应负责区域航路许可给飞机。飞行员接收航路许可。
管制员上传高度改变指令来确保分离。
飞行员接收到消息，用RTA功能评价许可对时间约束的影响，飞机系统报 告它不能遵照之前一致同意的时间约束。
飞行员接受垂直许可，同时同意接受飞机将不能够继续遵守时间约束。
飞机系统下传新的4D航迹给B城市区域管制中心，同时有约束点的估计 到达时间范围(ETA min–max)。
新的航迹继续发送给所有相关单元：下游单元(C城市进近管制)和流量管 理。
计算新时间约束，上传修改的时间约束给飞行员。
飞机系统通过RTA/FMS功能处理修改的时间约束，并显示给飞行飞行员。 飞行员评估结果并决定飞机照办修改的许可。所以下传确认接收。
把相应修改信息发送给下游单元和流量管理单元。
使用地地自动协调设备，把数据链和语音过渡给下游单元(C城市 Approach)。
3)到达阶段
(1)C城市进近(Approach)
飞机进入C城市进近空域，并和地面系统建立数据链连接。
管制员上传航线许可，飞行员接受它。
进近管理系统可以使用CHN0001飞机的数据，设备重新评估所有正在进 入或者即将进入C城市进近空域飞机的到达顺序。进近管理系统维持原来的初 始计算的时间和位置排序。管制员接收进近管制报告，并发送给所有相关的飞 机。因为飞机遵照它的时间限制，不需要额外排序策略。在同一时间，地基冲 突检测工具没有检测到和这架飞机有关的冲突。
飞机在要求的时刻通过目的机场的初始进近固定点(符合一致同意的时间 约束)，并且没有航向指示和等待指令发送给这架飞机。到此四维航迹应用就结 束了。

Claims (4)

1.一种四维航迹空地协商的方法，其特征为所述方法包括：
步骤一：FMS根据飞行计划信息和气象信息生成四维航迹，并通过数据链ADS-C应用将该四维航迹下传至地面系统；
步骤二：航线和垂直约束的地-地协调，确保地面系统对飞行的航线和剖面有一致认识，作为初始协调的基础航迹；
步骤三：航线增加垂直约束的空地协调，地面系统将一致认可的3D航线通过数据链CPDLC应用上传给飞机，机组分析该地面建议航迹并选择接受或者拒绝此航线；
步骤四：从飞机下传最小时间和最大时间开始，地面系统协商航路点和附加的约束；进场管理工具确定并且使用约束航路点；
步骤五：地面系统和飞机协商时间约束：通过数据链CPDLC应用发送RTA给机组，机组把RTA加载到飞行管理系统中，用RTA功能评估其可行性；如时间约束不被接受，地面将尝试协商更新时间约束或者终止服务；
步骤六：地面通过数据链ADS-C应用下传的数据监视航班继续按一致认可的四维航迹进行；当机组收到最后进近指令，飞行机组执行连续的最后进近。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征为：在步骤五与步骤六之间，根据不同运行的需要，机组可以通过数据链CPDLC应用请求一个全航线许可，指出优先的航线和约束。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征为：在步骤三中，如果机组拒绝航线，协商被终止，航班需要调整。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征为：在步骤三中，如果机组接受航线，通过数据链ADS-C应用下传经过认可的航线中选择的航路点的估计最小时间和最大时间；估计最小时间和最大时间能使地面系统协商出一个飞机可以实现的约束值。
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