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飞机驾驶舱气象信息传递与 ADS-B 应用的研究

作者:admin2014-11-17 14:47阅读:文章来源:未知

       1 引言

  2010 年 9 月 2 日 21 时 37 分[1],一架 B747-400 客机于桃园国际机场 24 跑道落地时,左翼主轮偏出跑道,造成飞机左翼起落架主轮第 1、3、4 号轮胎破损并造成跑道上 5 个跑道边灯掉落。该客机于 21 时 32 分至 21 时 37 分于桃园国际机场做最后进场降落时,机场出现大雨、能见度降低及低空风切变等重要天气现象,安装于跑道附近的低空风切变系统在21:27 时、21:40 时发出低空风切变警告,桃园机场航空气象台观测员按照观测作业流程,于21时30分依据低空风切警报系统警报发布低空风切警报信息并于21:32时发布有效时间21:30 至 23:30 的低空风切变警报。由于探测到的低空风切变信息没有及时传递到塔台管制员,航站自动情报服务 ATIS 录存语音广播发布也需要一些时间,而此时飞机已经处于准备降落的阶段,以致跑道上空出现的低空风切讯息未能及时传递到驾驶仓飞行机组,最终导致飞行安全事件发生。

  飞行机组是航空气象信息的直接使用者,而气象信息具有高时效性特点,影响飞行安全的气象信息、警报,需要及时有效地传递到驾驶仓,让飞行员提前得到影响飞行安全的灾害天气预警,获得提前采取应对措施的宝贵时间,避免飞行安全事故的发生,才能发挥气象预警的作用,真正体现气象信息的价值,为飞行安全效益服务。

  2 向驾驶仓传递气象信息现状

  目前,飞行机组进入驾驶仓后,在飞行准备及飞行过程中,通过以下途径获取气象信息:

  2.1 管制服务

  管制员可将收到的由气象部门提供气象信息通过管制服务传递到驾驶仓。通过管制服务可传递的气象信息主要有:塔台管制所在机场实时更新的天气报告、趋势预报、机场预报、实时观测的气压、风向、风速、温度、湿度、跑道视程数据等实时数据;进近管制区域有关机场、管制区内各机场的天气报告、趋势预报、机场预报、航空器观测报告,以及重要气象情报、低空气象情报、机场警报和风切变警报及告警,热带气旋情报及潜在的积冰和颠簸情报,及火山灰云和有关喷发前火山活动或者火山喷发的情报等。

  2.2 航站自动情报服务

  利用航站自动情报服务(ATIS)[2],为进离场航空器提供广播方式的语音信息服务,向驾驶仓内飞行机组传递气象信息。通过采用专用 VHF 频率对空广播(有国际航空服务的机场使用中英文双语广播),在相关机场信息如机场名称、着陆跑道号、决断高度等之后广播气象情报:地面风向风速、能见度和跑道视程,当时天气;低于 1500 米(5000ft)或低于最高扇区的最低高度(以较大着为准)的云、积雨云、垂直能见度;气温,露点,高度表拨正值,任何可提供的有关进近、起飞和开始爬高区内的重要天气现象的情报,趋势预报。

  2.3 对空气象广播

  在中国境内上空飞行的航空器机组可收听来自分别设在华北地区气象中心(北京)和中南地区气象中心(广州)的两个对空广播站播送的气象信息,驾驶舱内飞行员可通过接收广播获取有关机场气象信息,包括主要机场最新的机场例行天气报告(METAR)、趋势预报、机场预报(TAF)和重要气象情报(SIGMET)。对空气象广播主要服务对象为航路上飞行的航空器机组,在北京时间 08 点至 24 点期间,在固定时间和频率上,采用中英文双语播放。

  2.4 地空数据链

  国内航空公司的飞行机组可在任何时间,任何空域通过地空数据链(D-VOLMET)获得气象消息。中国民航在华北地区气象中心(北京)和中南地区气象中心(广州),建立两套独立运行的地空数据链(D-VOLMET)信息服务中心,北京主用,广州备用。通过 D-VOLMET 地空数据链可向驾驶仓传递最新航路上相应情报区内相关机场的气象实况、气象预报、重要气象情报(SIGMET)、低空气象情报(AIRMET)以及其他重要气象资料。

  2.5 驾驶仓气象信息传递方式改进策略

  通过以上方式,气象信息可传递到驾驶仓内为飞行机组提供航空气象服务,但提供的气象信息和服务方式,在信息的格式内容,传递的效率以及点对点形式上,与飞行机组对气象服务的要求还有很大差距,特别是危及飞行安全的气象探测及预警预报气象信息的传递,在内容和效率上需要进一步提高。随着地空通讯技术的不断发展和航空气象服务能力不断提高,飞行机组与地面之间的信息交互将朝着点对点、高速、数字化的通讯方向发展,气象信息传输也将突破语音和文字的限制,向数字图像和多媒体方向发展,向驾驶仓传递气象信息,在方式和手段以及内容上要顺应技术发展潮流进行变革,以满足航空业高速发展对气象安全保障工作的要求。 为配合中国民航建设新一代航空运输体系的构想,新一代航空气象系统建设将以“全面系统地提高天气观测和预报水平,大大减少天气对飞行的影响”为目标,建立适宜用户需求的航空气象保障服务系统,有针对性地开发航空气象服务产品和服务手段,提高气象服务水平,更好地满足用户业务系统安全运行的需求。建设一新代航空气象系统,要顺应新一代航行系统技术发展的潮流趋势,应用新技术,建立新的地空通讯服务渠道,减少气象信息传输中间环节,使气象信息使用者能更快捷、更高效获取更丰富的气象信息,为运行决策提供气象服务。

  广播式自动相关监视 ADS-B 技术是新航行系统中非常重要的通信和监视技术,根据《中国民航广播式自动相关监视(ADS-B)实施线路图》[3],在不远的将来,广播式自动相关监视(ADS-B)将作为中国民航主要监视手段。开展广播式自动相关监视(ADS-B)的应用研究,利用 ADS-B 技术,建设气象信息传输新的地空通讯方式,建设一个更为高效的、直接面向驾驶仓传递气象信息的手段和方式,为飞行机组提供传递手段更为直接、高效,内容更为及时、丰富的气象信息传递服务方式,有助提高航空气象服务水平,助力飞行安全。

  3 广播式自动相关监视(ADS-B)

  ADS-B 是 广 播 式 自 动 相 关 监 视[4]的 英 文 缩 写 ( Automatic Dependent Surveillance-Broadcast), 是利用空地/空空数据链为通信手段、以导航系统及其他设备数据源,采用机载电子设备自动广播航空器呼号、位置、高度、速度等飞行状态信息供管制指挥的技术,其他航空器、地面站都可以通过数据链接收此类数据,完成交通监视和信息传递的一种航行新技术,并可应用于多种用途,如空中交通管理监视服务、未来空-空监视、等应用服务。ADS-B 技术把冲突探测、冲突避免、冲突解决、ATC 监视和 ATC 一致性监视以及机舱综合信息显示有机的结合起来,为新航行系统增强和扩展提供非常丰富的功能,同时也带来了潜在的经济效益和社会效益。国际民航组织(ICAO)将其确定为未来监视技术发展的主要保障飞行安全、提高运行效率、增大空中交通流量、减少建设投资的重要技术手段,是我国向民航强国迈进的标志之一。 ADS-B 技术可以分为 OUT 和 IN 两种功能。

  3.1 ADS-B OUT

  如果机载系统仅广播信息,则称为ADS-B(OUT):通过ADS-B OUT功能,航空器发送自身位置信息、速度、方向和爬升率等飞行状态信息,地面系统通过接收机载设备发送的 ADS-B OUT 信息,监视空中交通状况,起到类似于雷达的作用。

  3.2 ADS-B IN

  如果机载系统既向外广播,又接收周边其他飞机的广播信息,则称为 ADS-B IN 功能。通过 ADS-B IN 功能,航空器接可收其他航空器发送的 ADS-B OUT 信息或地面服务设备发送的信息,机组通过驾驶舱交通信息显示设备(CDTI)上可“看到”其他航空器的运行状况,从而提高机组的空中交通情景意识。利用 ADS-B IN,可为机组获取飞行运行支持信息提供新渠道,机组可及时了解航路气象和空域限制等信息,为飞行安全提供保障。

  3.3 利用ADS-B IN 传输的信息

  利用ADS-B IN 功能通过ADS-B地面站向航空器发送两类信息:空中交通情报服务广播和飞行信息服务广播。

  TIS-B:ADS-B 地面站接收航空器发送的 ADS-B 位置报文,将这 些 数 据 传 递 给 监视 数 据 处 理 系 统 (Surveillance data processing system,SDPS),同时 SDPS 也接收雷达和其他监视设备的数据,SDPS 将这些数据融合为统一的目标位置信息,并发送至TIS-B 服务器。TIS-B 服务器将信息集成和过滤后,生成空中交通监视全景信息,再通过ADS-B地面站发送给航空器。这样机组就可以获得全面而清晰的空中交通信息。TIS-B的应用可以使ADS-B不同数据链类型的用户获得周边的空域运行信息,从而做到间接互相可见。 FIS-B:ADS-B 地面站向航空器传送气象、航行情报等信息。这些信息可以是文本数据,也可以是图像数据,图像格式的信息包括雷达混合图像、临时禁飞区域和其他航行信息。FIS-B 使机组可以获得更多的运行相关信息,及时了解航路气象状况和空域限制条件,为更加灵活而安全的飞行提供保障。

  3.4 驾驶舱交通信息显示设备(CDTI)

  为实现ADS-B IN功能,除地面设施外,航空器还需要安装与之交联的驾驶舱交通信息显示设备(CDTI:Cockpit Display of Traffic Information),以接收其他航空器发送的ADS-B OUT信息或地面服务设备发送的信息,飞行员通过驾驶舱交通信息显示设备(CDTI)上可 “看到”其他航空器的运行状况及空中 交 通 情 报 服 务 广 播( TIS-B)信息和飞行信息服务广播(FIS-B)信息,为机组提供运行支持。

  4 ADS-B 在航空气象领域的应用

  自动相关监视广播(ADS-B)技术功能可应用在航空气象领域中,利用ADS-B OUT技术,可下传飞机探测的气象资料,利用ADS-B IN 技术,可向航空器传递气象信息。

  4.1 ADS-B OUT在航空气象领域的应用

  应用自动相关监视广播ADS-B OUT技术,通过空-地数据链广播式向ADS-B地面站下传航空器实时探测的航向、空速、风速、风向和温度等探测信息,由此可建立飞机大气探测系统并实时收集、处理探测资料,使飞机探测气象资料的应用进一步得到加强。

  4.2 ADS-B IN 在航空气象领域的应用

  应用ADS-B IN 技术,ADS-B地面站通过空-地数据链可以向航空器传送气象信息,这些气象信息可以是文本数据,也可以是图形数据。文本格式的气象信息可包括日常报(METAR)、特选报(SPECI)、机场天气预报(TAF)及高空风温预告图等飞行气象情报;图形格式的信息包括雷达图像、气象云图图像等。

  通过向驾驶舱传递气象信息,气象信息与航空器及其他运行信息相融合,可为飞行机组提供运行图景,将有效提高机组安全运行能力,而驾驶舱以文本和图形格式获取气象信息的能力,对机组运行图景的实现至关重要。利用ADS-B IN进行飞行信息服务广播(FIS-B),将气象情报直接地传递到驾驶舱里, 机组通过驾驶舱交通信息显示设备(CDTI)即时获取气象信息,及时了解机场、机场终端区、航路的天气状况,特别是灾害天气情报的即时传递,为机组飞行计划修订、提前采取避险措施提供宝贵的时间,为飞行安全提供更加有力的气象保障。应用ADS-B IN 技术向驾驶舱传递气象信息,成为“天路”上向驾驶舱内飞行机组提供气象信息真正的“气象通道”,是气象服务机构向驾驶舱传递气象信息 ,实现航空气象面向飞行机组“点对点”服务新的技术手段。

  5 利用 ADS-B 实现气象信息传输和处理构想

  目前,美国联邦航空管理局(Federal Aviation Administration,FAA)已将自动相关监视广播 ( ADS-B )确定为下一代空中交通运输系统的基石之一,以期减少航班延误,提高系统运行的安全性。ADS-B 在越来越多的领域应用上走向正轨,在航空气象领域应用ADS-B 技术,可为机组提供图形化的气象信息,突破目前的传递方式只能传输语音、文本的限制。美国正在研制使用驾驶舱天气技术融合信息的传输、显示方式,值得我们借鉴,着手研制我国未来气象信息上传驾驶舱的方式和标准,为新一代航空气象系统建设做好准备。

  根据我国 ADS-B 建设规划,ADS-B 信息传输方案按层级传输原则,在建设 ADS-B 地面站的同时,建设三个层级的 ADS-B 信息传输网络及数据处理中心[3]:第一层级为空管局一级

  数据处理中心(1 个),负责对全国 ADS-B 信息进行汇集处理;第二层级为地区空管局二级数据处理中心(7 个),负责对辖区内 ADS-B 信息汇集处理并上传民航局空管局数据处理中心,接收相邻地区空管局瞎传的 ADS-B 信息,并对辖区内及引接相邻空管局的 ADS-B 信息传输进行配置;第三个层级为空管分局站三级数据处理中心(37 个),负责辖区内 ADS-B 信息汇集处理并上传所属地区空管局数据处理中心,接收所属地区空管局下传相邻管制区的ADS-B 信息[5]。

  民航气象业务运行体系由民航气象中心、地区气象中心、机场气象台(站)三级气象服务机构组成,与ADS-B信息传输方案三个层级相对应。民航气象三个层级的服务机构可建设与ADS-B信息传输方案三个层级数据处理中心相应的数据处理子中心,利用ADS-B地面站,应用自动相关监视广播ADS-B OUT技术下传飞机探测的气象资料及 ADS-B IN 技术向航空器传递气象信息,实现民航气象与航空器的空-地数据链气象信息传输[6]。 利用ADS-B IN 技术向驾驶舱传递气象信息,使航空气象服务机构能够直接面对航空气象信息直接使用者飞行机组,实现点对点服务,为飞行机组提供更为丰富、直观的图形化气象信息,减少气象信息传递中间环节,提高气象信息的使用效率,为飞行机组规避恶劣天气,提高飞行安全运行能力提供气象支持。

  5.1 应用 ADS-B IN 向驾驶仓传递气象信息

  应用 ADS-B IN 技术,民航气象部门通过 ADS-B IN 地面站,可向驾驶舱传递文本格式和图形格式的气象信息,通过驾驶舱内的驾驶舱交通信息显示设备(CDTI)显示图文气象信息,突破了目前的传递手段只能提供语音和文本气象信息的限制,为飞行机组提供更快捷、直观、易懂,可融入决策系统的气象信息。

  新一代航空气象系统将进一步完善地基探测网络和空基探测网络的建设,探测网络将覆盖机场、机场终端区及沿航线区域,通过提高航空气象探测技术能力和探测精度与密度,将为飞行安全提供更为丰富、精确的探测资料,特别是危险天气的探测与告警,如终端区低空风切变探测与告警、航路强雷暴区、颠簸区、积冰区的探测与告警;通过改进数值预报技术,提高预报准确率,深度开发研究精确航空气象服务种类,开发针对飞行机组在不同飞行阶段个性化的、内容更为丰富、时空分辨率更高的预报产品,如根据航路、航线,与飞行位置相结合且能够显示天气系统位置、尺度、强度及其变化、移向移速的预报产品,特别是强对流天气、低空风切变、低能见度、颠簸、积冰等对飞行安全、正常有重要影响的灾害性天气的 客观临近预报产品。这些高精度探测资料及重要天气预警、预报等影响飞行安全的气象信息可以是文字,更多的是图形格式,通过 ADS-B IN 及时传递到驾驶舱内,同化或集成隐含在机舱系统里,嵌入到驾驶舱决策系统当中,为机组提供运行图景,实现气象信息与机组运行决策高效融合,为规避恶劣天气和航空器安全运行提供高效的气象支持。

  6 结束语

  自动相关监视广播(ADS-B)在越来越多领域的应用正在走向正轨,在航空气象领域中的应用大有作为,利用 ADS-B IN 技术,可将气象信息传递到驾驶舱,气象信息嵌入驾驶舱决策系统成为可能,为飞行机组飞行安全正常决策发挥气象作用。民航气象应当抓住中国民航建设自动相关监视广播(ADS-B)契机[7],提前谋划,在建设新一代航空气象系统的同时,参与 ADS-B 的规划与建设,为今后利用 ADS-B IN 技术向驾驶舱传递气象信息,发挥气象信息在驾驶舱决策系统的作用提供发展空间。

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