交通運輸工程學（第3版）課件 第十篇第3章 空地協(xié)同的新航行系統(tǒng)

交通運輸工程學（第3版）高等職業(yè)教育“十三五”規(guī)劃教材Contents項目一傳動系的構(gòu)造與維修項目二行駛系的構(gòu)造與維修第十篇交通運輸工程科技前沿與未來發(fā)展項目四制動系的構(gòu)造與維修第十篇交通運輸工程科技前沿與未來發(fā)展第三章空地協(xié)同的新航行系統(tǒng)第一節(jié)空地協(xié)同新航行系統(tǒng)的未來發(fā)展第二節(jié)空地寬帶安全通信與可信導航第三節(jié)空地一體態(tài)勢認知與自主運行第四節(jié)空域流量協(xié)同管理與智能決策第一節(jié)空地協(xié)同新航行系統(tǒng)的未來發(fā)展從上世紀90年代國際民航組織提出CNS/ATM新航行系統(tǒng)概念，未來空中航行系統(tǒng)的發(fā)展演進也歷經(jīng)了多個階段。第一階段：技術(shù)驅(qū)動階段?；谛l(wèi)星、數(shù)據(jù)鏈、計算機網(wǎng)絡、自動化等技術(shù)手段，提供通信、導航、監(jiān)視方面的先進服務。第二階段：運行驅(qū)動階段。強調(diào)了空域動態(tài)管理、需求容量平衡、交通同步、沖突管理等聚焦空管運行的核心要素第三階段：融合發(fā)展階段。以通信導航監(jiān)視設施與服務、空管運行能力以及協(xié)同信息環(huán)境為核心組成要素的未來空管技術(shù)體系框架已逐步形成。新航行系統(tǒng)的發(fā)展演進第一節(jié)空地協(xié)同新航行系統(tǒng)的未來發(fā)展新航行系統(tǒng)的發(fā)展演進圖10-3-1未來空中航行系統(tǒng)的體系框架第一節(jié)空地協(xié)同新航行系統(tǒng)的未來發(fā)展

通信導航監(jiān)視朝著高性能、高精度、空天地一體化方向發(fā)展?？展苓\行服務朝著一體化、精細化、靈活化方向發(fā)展?？展苄畔⒎粘W(wǎng)絡化、協(xié)同化、智能化方向發(fā)展?？盏貐f(xié)同新航行系統(tǒng)的特征第一節(jié)空地協(xié)同新航行系統(tǒng)的未來發(fā)展未來空中航行技術(shù)發(fā)展和應用將長期呈現(xiàn)新舊混合的態(tài)勢，不能盲目地認為新技術(shù)將取代所有的傳統(tǒng)技術(shù)，而是需要綜合考量安全、效率、性能、成本等因素來具體分析。產(chǎn)生新型服務。新技術(shù)應用與傳統(tǒng)技術(shù)應用并不存在矛盾，可以本著最佳效率最優(yōu)服務的原則，根據(jù)空域用戶的實際需求使用不同技術(shù)提供不同性能的服務。增強現(xiàn)有運行。更加強調(diào)運行方式的變革，注重人與系統(tǒng)的關系實現(xiàn)優(yōu)勢互補。用新技術(shù)提供高效服務或彌補傳統(tǒng)技術(shù)的不足，而用傳統(tǒng)技術(shù)作為新技術(shù)可靠性得到驗證前的堅實備份。完全取而代之。采用停止新建、淘汰替換的更新方法，完成新技術(shù)取代傳統(tǒng)技術(shù)過渡新航行系統(tǒng)的應用第二節(jié)空地寬帶安全通信與可信導航系統(tǒng)概述未來空地寬帶通信技術(shù)1.空地寬帶安全通信定義：用于航空器與地面之間高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)?？盏貙拵ㄐ牛篐FDL：高頻數(shù)據(jù)鏈VDL：甚高頻數(shù)據(jù)鏈AMSS：航空移動衛(wèi)星業(yè)務現(xiàn)有空管通信數(shù)據(jù)鏈：挑戰(zhàn)：需求增長：航空交通增長導致通信需求擴大傳輸速率：窄帶系統(tǒng)速率不足合作機構(gòu)：FAA與EUROCONTROL目標：應對航空交通運輸增長的挑戰(zhàn)未來通信研究計劃：L-DACS：L頻段數(shù)字航空通信系統(tǒng)AeroMACS：機場寬帶移動通信系統(tǒng)寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)：提供大容量衛(wèi)星信道關鍵技術(shù)與系統(tǒng)：技術(shù)發(fā)展展望：目標：提升帶寬、覆蓋范圍和可用性效益：增強空地航空信息的互聯(lián)、互通和共享能力第二節(jié)空地寬帶安全通信與可信導航2.可信衛(wèi)星導航

導航星座：由多顆導航衛(wèi)星組成，覆蓋全球增強技術(shù)：包括地基增強（GBAS）、空基增強（ABAS）和星基增強（SBAS）系統(tǒng)。組成全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GNSS）定義：全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，包括美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的Galileo和中國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BDS）。

定位：提供全球范圍內(nèi)的精確定位服務導航：支持各種交通工具的導航和路徑規(guī)劃授時：提供精確的時間同步服務功能應用領域：軍事、民用航空、航海、車輛導航、農(nóng)業(yè)、救援第二節(jié)空地寬帶安全通信與可信導航2.可信衛(wèi)星導航

原理：通過地面參考站提供差分改正信息，提高定位精度。地基增強系統(tǒng)（GBAS）GNSS增強系統(tǒng)挑戰(zhàn)與改進：完好性：提升系統(tǒng)完好性，確保導航安全。精度：提高導航精度，滿足航空用戶需求。特點：利用機載設備增強衛(wèi)星信號，無需地面輔助?？栈鰪娤到y(tǒng)（ABAS）覆蓋：使用地球靜止軌道衛(wèi)星，實現(xiàn)大范圍覆蓋。例子：美國的WAAS、歐洲的EGNOS、中國的北斗SBAS。星基增強系統(tǒng)（SBAS）

以管制員對飛行員“單對單”通話發(fā)布管制指令方式更多融入機器智能的人機智能融合決策側(cè)重研究全階段數(shù)字化管制、航電管制協(xié)同等前沿技術(shù)空中交通運行管理空中航空器自主運行，地面管制員僅提供必要的安全監(jiān)視第三節(jié)空地一體態(tài)勢認知與自主運行未來場景和趨勢第三節(jié)空地一體態(tài)勢認知與自主運行空地多源信息融合處理衛(wèi)星、機載、地面設備和系統(tǒng)等檢測、關聯(lián)、相關、估計和綜合等關注目標的精確位置和高度、速度、方向信息源多級多方面處理活動狀態(tài)估計第三節(jié)空地一體態(tài)勢認知與自主運行空地多源信息融合處理現(xiàn)狀：空地協(xié)同環(huán)境限制導致機載端態(tài)勢感知信息類型有限、感知范圍不足、空地態(tài)勢感知不一致等問題。未來發(fā)展：空地信息源多樣、全面、統(tǒng)一，重點研究空中交通運行的多源異構(gòu)態(tài)勢要素信息融合理論與方法。新一代空管信息系統(tǒng)體系頂層概念示意圖第三節(jié)空地一體態(tài)勢認知與自主運行多尺度空域態(tài)勢高效計算與認知概念：對空地融合信息進行深度處理和知識提煉，通過對空域與航空器、空域中航空器與航空器、地面航空器與車輛、地面航空器與人等之間的相互作用關系進行識別、理解和分析研判，分為態(tài)勢識別、態(tài)勢理解、態(tài)勢預測和態(tài)勢評估4個循環(huán)迭代的態(tài)勢計算和認知核心處理環(huán)節(jié)。第三節(jié)空地一體態(tài)勢認知與自主運行多尺度空域態(tài)勢高效計算與認知現(xiàn)狀：研究受實際可獲取信息等限制，傳統(tǒng)以人為主的航空器運行方法在面對智能化航空器自主運行、無人飛行和有人/無人混合飛行等需求時，難以確保飛行安全。有人無人混合運行管制運行安全態(tài)勢多尺度表征第三節(jié)空地一體態(tài)勢認知與自主運行空地多源信息融合處理未來發(fā)展：研究態(tài)勢要素傳播演化規(guī)律，構(gòu)建空域態(tài)勢演變的溯源鏈條，突破空地融合態(tài)勢下的安全風險智能預測技術(shù)及多尺度風險智能化消減方法?？沼蝻L險多尺度演化空域風險高效計算風險智能消減第三節(jié)空地一體態(tài)勢認知與自主運行空地一體四維航跡管控概念：通過經(jīng)度、緯度、高度和時間（第四維），考慮飛行參數(shù)如重量和速度，提供連續(xù)的實時航跡信息，并在規(guī)劃至事后分析各階段融合多方需求，調(diào)整和執(zhí)行計劃航跡，實現(xiàn)空中交通流的精準管控?，F(xiàn)狀：目前空管研究的熱點和難點，但空地航跡信息獲取不一致和空管運行規(guī)則不統(tǒng)一影響預測準確性。圖10-3-2TBO下的四維軌跡管控第三節(jié)空地一體態(tài)勢認知與自主運行空地一體四維航跡管控未來發(fā)展：通過實時數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)四維航跡的高效協(xié)同控制，建立航跡共享機制，提高航跡規(guī)劃和沖突預警的準確性，優(yōu)化安全間隔管理，以增強空地數(shù)字化運行管理?；谒木S航跡運行的潛在優(yōu)勢第三節(jié)空地一體態(tài)勢認知與自主運行多模式空地協(xié)同自主運行概念：一種以航空器自主間隔保持為核心的運行理念，它考慮人、機、環(huán)和管等多方面因素，旨在提升航空器的態(tài)勢識別、航跡規(guī)劃和執(zhí)行能力，增強有人和無人航空器的自主運行能力。自主間隔保持下的動態(tài)改航現(xiàn)狀：研究主要集中在概念和理念層面，逐漸成為熱點。第三節(jié)空地一體態(tài)勢認知與自主運行多模式空地協(xié)同自主運行未來發(fā)展：以空地一體的四維航跡精準管控為基礎，探索：協(xié)同化管制運行技術(shù)多模式間隔管理方法人工智能技術(shù)應用尾流間隔動態(tài)優(yōu)化智能管制引導策略

第四節(jié)空域流量協(xié)同管理與智能決策空域一體化規(guī)劃與柔性動態(tài)管理公共運輸航空通用航空國家空域系統(tǒng)軍事航空低中高空全域管制區(qū)、航路結(jié)構(gòu)機場網(wǎng)絡航線網(wǎng)絡低中高空全域區(qū)塊結(jié)構(gòu)航路網(wǎng)絡任務飛行、實戰(zhàn)演練等軍事活動低空范圍塊狀、通道結(jié)構(gòu)低空物流作業(yè)巡檢應急救援一體化運行環(huán)境第四節(jié)空域流量協(xié)同管理與智能決策國家空域系統(tǒng)一體化運行環(huán)境空域一體化規(guī)劃與柔性動態(tài)管理第四節(jié)空域流量協(xié)同管理與智能決策靜態(tài)、戰(zhàn)略層面要素提取與建模需求預測及演變運行能力評估指標評價與測度融合運行與規(guī)劃動態(tài)、(預)戰(zhàn)術(shù)層面資源動態(tài)配置動態(tài)評估與預測資源協(xié)同配置資源使用與優(yōu)化資源使用管理國內(nèi)外現(xiàn)狀：空域一體化運行概念設計=新型空域形態(tài)+運行管理模式·歐控：空域靈活使用自由航線空域功能空域塊·中國：軍民航空域協(xié)同運行·德國宇航局：無扇區(qū)空管·美國：天空走廊空域一體化規(guī)劃與柔性動態(tài)管理設計內(nèi)容：第四節(jié)空域流量協(xié)同管理與智能決策空中交通容量管理與供需平衡現(xiàn)狀：空中交通需求已接近、達到甚至超越空域容量供給，頻發(fā)引發(fā)空域資源“供”與“需”之間的失衡?？罩薪煌ㄈ萘抗芾砼c供需平衡挖掘空域資源效益優(yōu)化空中交通流量緩解空域擁堵緩解航班延誤第四節(jié)空域流量協(xié)同管理與智能決策空中交通容量管理與供需平衡采用數(shù)學模型、仿真評估、統(tǒng)計分析計算空中交通容量，包括靜態(tài)容量、動態(tài)容量、運行容量三類。靜態(tài)容量為單一固定值，形成一條直線；動態(tài)容量為連續(xù)變化值，形成一條曲線；運行容量則為離散變化值，形成多條分段直線。利用計量經(jīng)濟、趨勢外推、系統(tǒng)動力學、灰色系統(tǒng)、