飛機駕駛艙氣象信息傳遞與 ADS-B 應(yīng)用的研究論文
1 引言
2010 年 9 月 2 日 21 時 37 分[1]，一架 B747-400 客機于桃園國際機場 24 跑道落地時,左翼主輪偏出跑道，造成飛機左翼起落架主輪第 1、3、4 號輪胎破損并造成跑道上 5 個跑道邊燈掉落。該客機于 21 時 32 分至 21 時 37 分于桃園國際機場做最后進場降落時，機場出現(xiàn)大雨、能見度降低及低空風(fēng)切變等重要天氣現(xiàn)象,安裝于跑道附近的低空風(fēng)切變系統(tǒng)在21:27 時、21:40 時發(fā)出低空風(fēng)切變警告，桃園機場航空氣象臺觀測員按照觀測作業(yè)流程，于21時30分依據(jù)低空風(fēng)切警報系統(tǒng)警報發(fā)布低空風(fēng)切警報信息并于21:32時發(fā)布有效時間21:30 至 23:30 的低空風(fēng)切變警報。由于探測到的低空風(fēng)切變信息沒有及時傳遞到塔臺管制員，航站自動情報服務(wù) ATIS 錄存語音廣播發(fā)布也需要一些時間，而此時飛機已經(jīng)處于準(zhǔn)備降落的階段，以致跑道上空出現(xiàn)的低空風(fēng)切訊息未能及時傳遞到駕駛倉飛行機組，最終導(dǎo)致飛行安全事件發(fā)生。
飛行機組是航空氣象信息的直接使用者，而氣象信息具有高時效性特點，影響飛行安全的氣象信息、警報，需要及時有效地傳遞到駕駛倉，讓飛行員提前得到影響飛行安全的災(zāi)害天氣預(yù)警，獲得提前采取應(yīng)對措施的寶貴時間，避免飛行安全事故的發(fā)生，才能發(fā)揮氣象預(yù)警的作用，真正體現(xiàn)氣象信息的價值，為飛行安全效益服務(wù)。
2 向駕駛倉傳遞氣象信息現(xiàn)狀
目前，飛行機組進入駕駛倉后，在飛行準(zhǔn)備及飛行過程中，通過以下途徑獲取氣象信息：
2.1 管制服務(wù)
管制員可將收到的由氣象部門提供氣象信息通過管制服務(wù)傳遞到駕駛倉。通過管制服務(wù)可傳遞的氣象信息主要有：塔臺管制所在機場實時更新的天氣報告、趨勢預(yù)報、機場預(yù)報、實時觀測的氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度、跑道視程數(shù)據(jù)等實時數(shù)據(jù);進近管制區(qū)域有關(guān)機場、管制區(qū)內(nèi)各機場的天氣報告、趨勢預(yù)報、機場預(yù)報、航空器觀測報告，以及重要氣象情報、低空氣象情報、機場警報和風(fēng)切變警報及告警，熱帶氣旋情報及潛在的積冰和顛簸情報，及火山灰云和有關(guān)噴發(fā)前火山活動或者火山噴發(fā)的情報等。
2.2 航站自動情報服務(wù)
利用航站自動情報服務(wù)(ATIS)[2]，為進離場航空器提供廣播方式的語音信息服務(wù)，向駕駛倉內(nèi)飛行機組傳遞氣象信息。通過采用專用 VHF 頻率對空廣播(有國際航空服務(wù)的機場使用中英文雙語廣播)，在相關(guān)機場信息如機場名稱、著陸跑道號、決斷高度等之后廣播氣象情報：地面風(fēng)向風(fēng)速、能見度和跑道視程，當(dāng)時天氣;低于 1500 米(5000ft)或低于最高扇區(qū)的最低高度(以較大著為準(zhǔn))的云、積雨云、垂直能見度;氣溫，露點，高度表撥正值，任何可提供的有關(guān)進近、起飛和開始爬高區(qū)內(nèi)的重要天氣現(xiàn)象的情報，趨勢預(yù)報。
2.3 對空氣象廣播
在中國境內(nèi)上空飛行的航空器機組可收聽來自分別設(shè)在華北地區(qū)氣象中心(北京)和中南地區(qū)氣象中心(廣州)的兩個對空廣播站播送的氣象信息，駕駛艙內(nèi)飛行員可通過接收廣播獲取有關(guān)機場氣象信息，包括主要機場最新的機場例行天氣報告(METAR)、趨勢預(yù)報、機場預(yù)報(TAF)和重要氣象情報(SIGMET)。對空氣象廣播主要服務(wù)對象為航路上飛行的航空器機組，在北京時間 08 點至 24 點期間，在固定時間和頻率上，采用中英文雙語播放。
2.4 地空數(shù)據(jù)鏈
國內(nèi)航空公司的飛行機組可在任何時間，任何空域通過地空數(shù)據(jù)鏈(D-VOLMET)獲得氣象消息。中國民航在華北地區(qū)氣象中心(北京)和中南地區(qū)氣象中心(廣州)，建立兩套獨立運行的地空數(shù)據(jù)鏈(D-VOLMET)信息服務(wù)中心，北京主用，廣州備用。通過 D-VOLMET 地空數(shù)據(jù)鏈可向駕駛倉傳遞最新航路上相應(yīng)情報區(qū)內(nèi)相關(guān)機場的氣象實況、氣象預(yù)報、重要氣象情報(SIGMET)、低空氣象情報(AIRMET)以及其他重要氣象資料。
2.5 駕駛倉氣象信息傳遞方式改進策略
通過以上方式，氣象信息可傳遞到駕駛倉內(nèi)為飛行機組提供航空氣象服務(wù)，但提供的氣象信息和服務(wù)方式，在信息的格式內(nèi)容，傳遞的效率以及點對點形式上，與飛行機組對氣象服務(wù)的要求還有很大差距，特別是危及飛行安全的氣象探測及預(yù)警預(yù)報氣象信息的傳遞，在內(nèi)容和效率上需要進一步提高。隨著地空通訊技術(shù)的不斷發(fā)展和航空氣象服務(wù)能力不斷提高，飛行機組與地面之間的信息交互將朝著點對點、高速、數(shù)字化的通訊方向發(fā)展，氣象信息傳輸也將突破語音和文字的限制，向數(shù)字圖像和多媒體方向發(fā)展，向駕駛倉傳遞氣象信息，在方式和手段以及內(nèi)容上要順應(yīng)技術(shù)發(fā)展潮流進行變革，以滿足航空業(yè)高速發(fā)展對氣象安全保障工作的要求。 為配合中國民航建設(shè)新一代航空運輸體系的構(gòu)想，新一代航空氣象系統(tǒng)建設(shè)將以“全面系統(tǒng)地提高天氣觀測和預(yù)報水平，大大減少天氣對飛行的影響”為目標(biāo)，建立適宜用戶需求的航空氣象保障服務(wù)系統(tǒng)，有針對性地開發(fā)航空氣象服務(wù)產(chǎn)品和服務(wù)手段，提高氣象服務(wù)水平，更好地滿足用戶業(yè)務(wù)系統(tǒng)安全運行的需求。建設(shè)一新代航空氣象系統(tǒng)，要順應(yīng)新一代航行系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的潮流趨勢，應(yīng)用新技術(shù)，建立新的地空通訊服務(wù)渠道，減少氣象信息傳輸中間環(huán)節(jié)，使氣象信息使用者能更快捷、更高效獲取更豐富的氣象信息，為運行決策提供氣象服務(wù)。
廣播式自動相關(guān)監(jiān)視 ADS-B 技術(shù)是新航行系統(tǒng)中非常重要的通信和監(jiān)視技術(shù)，根據(jù)《中國民航廣播式自動相關(guān)監(jiān)視(ADS-B)實施線路圖》[3],在不遠(yuǎn)的將來，廣播式自動相關(guān)監(jiān)視(ADS-B)將作為中國民航主要監(jiān)視手段。開展廣播式自動相關(guān)監(jiān)視(ADS-B)的應(yīng)用研究，利用 ADS-B 技術(shù)，建設(shè)氣象信息傳輸新的地空通訊方式，建設(shè)一個更為高效的、直接面向駕駛倉傳遞氣象信息的手段和方式，為飛行機組提供傳遞手段更為直接、高效，內(nèi)容更為及時、豐富的氣象信息傳遞服務(wù)方式，有助提高航空氣象服務(wù)水平，助力飛行安全。
3 廣播式自動相關(guān)監(jiān)視(ADS-B)
ADS-B 是 廣 播 式 自 動 相 關(guān) 監(jiān) 視[4]的 英 文 縮 寫 ( Automatic Dependent Surveillance-Broadcast), 是利用空地/空空數(shù)據(jù)鏈為通信手段、以導(dǎo)航系統(tǒng)及其他設(shè)備數(shù)據(jù)源，采用機載電子設(shè)備自動廣播航空器呼號、位置、高度、速度等飛行狀態(tài)信息供管制指揮的技術(shù)，其他航空器、地面站都可以通過數(shù)據(jù)鏈接收此類數(shù)據(jù)，完成交通監(jiān)視和信息傳遞的一種航行新技術(shù)，并可應(yīng)用于多種用途，如空中交通管理監(jiān)視服務(wù)、未來空-空監(jiān)視、等應(yīng)用服務(wù)。ADS-B 技術(shù)把沖突探測、沖突避免、沖突解決、ATC 監(jiān)視和 ATC 一致性監(jiān)視以及機艙綜合信息顯示有機的結(jié)合起來，為新航行系統(tǒng)增強和擴展提供非常豐富的功能，同時也帶來了潛在的.經(jīng)濟效益和社會效益。國際民航組織(ICAO)將其確定為未來監(jiān)視技術(shù)發(fā)展的主要保障飛行安全、提高運行效率、增大空中交通流量、減少建設(shè)投資的重要技術(shù)手段，是我國向民航強國邁進的標(biāo)志之一。 ADS-B 技術(shù)可以分為 OUT 和 IN 兩種功能。
3.1 ADS-B OUT
如果機載系統(tǒng)僅廣播信息，則稱為ADS-B(OUT)：通過ADS-B OUT功能，航空器發(fā)送自身位置信息、速度、方向和爬升率等飛行狀態(tài)信息，地面系統(tǒng)通過接收機載設(shè)備發(fā)送的 ADS-B OUT 信息，監(jiān)視空中交通狀況，起到類似于雷達(dá)的作用。
3.2 ADS-B IN
如果機載系統(tǒng)既向外廣播，又接收周邊其他飛機的廣播信息，則稱為 ADS-B IN 功能。通過 ADS-B IN 功能，航空器接可收其他航空器發(fā)送的 ADS-B OUT 信息或地面服務(wù)設(shè)備發(fā)送的信息，機組通過駕駛艙交通信息顯示設(shè)備(CDTI)上可“看到”其他航空器的運行狀況，從而提高機組的空中交通情景意識。利用 ADS-B IN，可為機組獲取飛行運行支持信息提供新渠道，機組可及時了解航路氣象和空域限制等信息，為飛行安全提供保障。
3.3 利用ADS-B IN 傳輸?shù)男畔?/p>
利用ADS-B IN 功能通過ADS-B地面站向航空器發(fā)送兩類信息：空中交通情報服務(wù)廣播和飛行信息服務(wù)廣播。
TIS-B：ADS-B 地面站接收航空器發(fā)送的 ADS-B 位置報文，將這 些 數(shù) 據(jù) 傳 遞 給 監(jiān)視 數(shù) 據(jù) 處 理 系 統(tǒng) (Surveillance data processing system，SDPS)，同時 SDPS 也接收雷達(dá)和其他監(jiān)視設(shè)備的數(shù)據(jù)，SDPS 將這些數(shù)據(jù)融合為統(tǒng)一的目標(biāo)位置信息，并發(fā)送至TIS-B 服務(wù)器。TIS-B 服務(wù)器將信息集成和過濾后，生成空中交通監(jiān)視全景信息，再通過ADS-B地面站發(fā)送給航空器。這樣機組就可以獲得全面而清晰的空中交通信息。TIS-B的應(yīng)用可以使ADS-B不同數(shù)據(jù)鏈類型的用戶獲得周邊的空域運行信息，從而做到間接互相可見。 FIS-B：ADS-B 地面站向航空器傳送氣象、航行情報等信息。這些信息可以是文本數(shù)據(jù)，也可以是圖像數(shù)據(jù)，圖像格式的信息包括雷達(dá)混合圖像、臨時禁飛區(qū)域和其他航行信息。FIS-B 使機組可以獲得更多的運行相關(guān)信息，及時了解航路氣象狀況和空域限制條件，為更加靈活而安全的飛行提供保障。
3.4 駕駛艙交通信息顯示設(shè)備(CDTI)
為實現(xiàn)ADS-B IN功能，除地面設(shè)施外，航空器還需要安裝與之交聯(lián)的駕駛艙交通信息顯示設(shè)備(CDTI：Cockpit Display of Traffic Information)，以接收其他航空器發(fā)送的ADS-B OUT信息或地面服務(wù)設(shè)備發(fā)送的信息，飛行員通過駕駛艙交通信息顯示設(shè)備(CDTI)上可 “看到”其他航空器的運行狀況及空中 交 通 情 報 服 務(wù) 廣 播( TIS-B)信息和飛行信息服務(wù)廣播(FIS-B)信息，為機組提供運行支持。
4 ADS-B 在航空氣象領(lǐng)域的應(yīng)用
自動相關(guān)監(jiān)視廣播(ADS-B)技術(shù)功能可應(yīng)用在航空氣象領(lǐng)域中，利用ADS-B OUT技術(shù)，可下傳飛機探測的氣象資料，利用ADS-B IN 技術(shù)，可向航空器傳遞氣象信息。
4.1 ADS-B OUT在航空氣象領(lǐng)域的應(yīng)用
應(yīng)用自動相關(guān)監(jiān)視廣播ADS-B OUT技術(shù)，通過空-地數(shù)據(jù)鏈廣播式向ADS-B地面站下傳航空器實時探測的航向、空速、風(fēng)速、風(fēng)向和溫度等探測信息，由此可建立飛機大氣探測系統(tǒng)并實時收集、處理探測資料，使飛機探測氣象資料的應(yīng)用進一步得到加強。
4.2 ADS-B IN 在航空氣象領(lǐng)域的應(yīng)用
應(yīng)用ADS-B IN 技術(shù)，ADS-B地面站通過空-地數(shù)據(jù)鏈可以向航空器傳送氣象信息，這些氣象信息可以是文本數(shù)據(jù)，也可以是圖形數(shù)據(jù)。文本格式的氣象信息可包括日常報(METAR)、特選報(SPECI)、機場天氣預(yù)報(TAF)及高空風(fēng)溫預(yù)告圖等飛行氣象情報;圖形格式的信息包括雷達(dá)圖像、氣象云圖圖像等。
通過向駕駛艙傳遞氣象信息，氣象信息與航空器及其他運行信息相融合，可為飛行機組提供運行圖景，將有效提高機組安全運行能力，而駕駛艙以文本和圖形格式獲取氣象信息的能力，對機組運行圖景的實現(xiàn)至關(guān)重要。利用ADS-B IN進行飛行信息服務(wù)廣播(FIS-B)，將氣象情報直接地傳遞到駕駛艙里, 機組通過駕駛艙交通信息顯示設(shè)備(CDTI)即時獲取氣象信息，及時了解機場、機場終端區(qū)、航路的天氣狀況，特別是災(zāi)害天氣情報的即時傳遞，為機組飛行計劃修訂、提前采取避險措施提供寶貴的時間，為飛行安全提供更加有力的氣象保障。應(yīng)用ADS-B IN 技術(shù)向駕駛艙傳遞氣象信息，成為“天路”上向駕駛艙內(nèi)飛行機組提供氣象信息真正的“氣象通道”，是氣象服務(wù)機構(gòu)向駕駛艙傳遞氣象信息 ，實現(xiàn)航空氣象面向飛行機組“點對點”服務(wù)新的技術(shù)手段。
5 利用 ADS-B 實現(xiàn)氣象信息傳輸和處理構(gòu)想
目前，美國聯(lián)邦航空管理局(Federal Aviation Administration，F(xiàn)AA)已將自動相關(guān)監(jiān)視廣播 ( ADS-B )確定為下一代空中交通運輸系統(tǒng)的基石之一，以期減少航班延誤，提高系統(tǒng)運行的安全性。ADS-B 在越來越多的領(lǐng)域應(yīng)用上走向正軌，在航空氣象領(lǐng)域應(yīng)用ADS-B 技術(shù)，可為機組提供圖形化的氣象信息，突破目前的傳遞方式只能傳輸語音、文本的限制。美國正在研制使用駕駛艙天氣技術(shù)融合信息的傳輸、顯示方式，值得我們借鑒，著手研制我國未來氣象信息上傳駕駛艙的方式和標(biāo)準(zhǔn)，為新一代航空氣象系統(tǒng)建設(shè)做好準(zhǔn)備。
根據(jù)我國 ADS-B 建設(shè)規(guī)劃，ADS-B 信息傳輸方案按層級傳輸原則，在建設(shè) ADS-B 地面站的同時，建設(shè)三個層級的 ADS-B 信息傳輸網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)處理中心[3]：第一層級為空管局一級
數(shù)據(jù)處理中心(1 個)，負(fù)責(zé)對全國 ADS-B 信息進行匯集處理;第二層級為地區(qū)空管局二級數(shù)據(jù)處理中心(7 個)，負(fù)責(zé)對轄區(qū)內(nèi) ADS-B 信息匯集處理并上傳民航局空管局?jǐn)?shù)據(jù)處理中心，接收相鄰地區(qū)空管局瞎傳的 ADS-B 信息，并對轄區(qū)內(nèi)及引接相鄰空管局的 ADS-B 信息傳輸進行配置;第三個層級為空管分局站三級數(shù)據(jù)處理中心(37 個)，負(fù)責(zé)轄區(qū)內(nèi) ADS-B 信息匯集處理并上傳所屬地區(qū)空管局?jǐn)?shù)據(jù)處理中心，接收所屬地區(qū)空管局下傳相鄰管制區(qū)的ADS-B 信息[5]。
民航氣象業(yè)務(wù)運行體系由民航氣象中心、地區(qū)氣象中心、機場氣象臺(站)三級氣象服務(wù)機構(gòu)組成，與ADS-B信息傳輸方案三個層級相對應(yīng)。民航氣象三個層級的服務(wù)機構(gòu)可建設(shè)與ADS-B信息傳輸方案三個層級數(shù)據(jù)處理中心相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理子中心，利用ADS-B地面站，應(yīng)用自動相關(guān)監(jiān)視廣播ADS-B OUT技術(shù)下傳飛機探測的氣象資料及 ADS-B IN 技術(shù)向航空器傳遞氣象信息，實現(xiàn)民航氣象與航空器的空-地數(shù)據(jù)鏈氣象信息傳輸[6]。 利用ADS-B IN 技術(shù)向駕駛艙傳遞氣象信息，使航空氣象服務(wù)機構(gòu)能夠直接面對航空氣象信息直接使用者飛行機組，實現(xiàn)點對點服務(wù)，為飛行機組提供更為豐富、直觀的圖形化氣象信息，減少氣象信息傳遞中間環(huán)節(jié)，提高氣象信息的使用效率，為飛行機組規(guī)避惡劣天氣，提高飛行安全運行能力提供氣象支持。
5.1 應(yīng)用 ADS-B IN 向駕駛倉傳遞氣象信息
應(yīng)用 ADS-B IN 技術(shù)，民航氣象部門通過 ADS-B IN 地面站，可向駕駛艙傳遞文本格式和圖形格式的氣象信息，通過駕駛艙內(nèi)的駕駛艙交通信息顯示設(shè)備(CDTI)顯示圖文氣象信息，突破了目前的傳遞手段只能提供語音和文本氣象信息的限制，為飛行機組提供更快捷、直觀、易懂，可融入決策系統(tǒng)的氣象信息。
新一代航空氣象系統(tǒng)將進一步完善地基探測網(wǎng)絡(luò)和空基探測網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，探測網(wǎng)絡(luò)將覆蓋機場、機場終端區(qū)及沿航線區(qū)域，通過提高航空氣象探測技術(shù)能力和探測精度與密度，將為飛行安全提供更為豐富、精確的探測資料，特別是危險天氣的探測與告警，如終端區(qū)低空風(fēng)切變探測與告警、航路強雷暴區(qū)、顛簸區(qū)、積冰區(qū)的探測與告警;通過改進數(shù)值預(yù)報技術(shù)，提高預(yù)報準(zhǔn)確率，深度開發(fā)研究精確航空氣象服務(wù)種類，開發(fā)針對飛行機組在不同飛行階段個性化的、內(nèi)容更為豐富、時空分辨率更高的預(yù)報產(chǎn)品，如根據(jù)航路、航線，與飛行位置相結(jié)合且能夠顯示天氣系統(tǒng)位置、尺度、強度及其變化、移向移速的預(yù)報產(chǎn)品，特別是強對流天氣、低空風(fēng)切變、低能見度、顛簸、積冰等對飛行安全、正常有重要影響的災(zāi)害性天氣的 客觀臨近預(yù)報產(chǎn)品。這些高精度探測資料及重要天氣預(yù)警、預(yù)報等影響飛行安全的氣象信息可以是文字，更多的是圖形格式，通過 ADS-B IN 及時傳遞到駕駛艙內(nèi)，同化或集成隱含在機艙系統(tǒng)里，嵌入到駕駛艙決策系統(tǒng)當(dāng)中，為機組提供運行圖景，實現(xiàn)氣象信息與機組運行決策高效融合，為規(guī)避惡劣天氣和航空器安全運行提供高效的氣象支持。
6 結(jié)束語
自動相關(guān)監(jiān)視廣播(ADS-B)在越來越多領(lǐng)域的應(yīng)用正在走向正軌，在航空氣象領(lǐng)域中的應(yīng)用大有作為，利用 ADS-B IN 技術(shù)，可將氣象信息傳遞到駕駛艙，氣象信息嵌入駕駛艙決策系統(tǒng)成為可能，為飛行機組飛行安全正常決策發(fā)揮氣象作用。民航氣象應(yīng)當(dāng)抓住中國民航建設(shè)自動相關(guān)監(jiān)視廣播(ADS-B)契機[7]，提前謀劃，在建設(shè)新一代航空氣象系統(tǒng)的同時，參與 ADS-B 的規(guī)劃與建設(shè)，為今后利用 ADS-B IN 技術(shù)向駕駛艙傳遞氣象信息，發(fā)揮氣象信息在駕駛艙決策系統(tǒng)的作用提供發(fā)展空間。
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