交通運(yùn)輸工程學(xué)（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(yùn)輸工程學(xué)（第3版）高等職業(yè)教育“十三五”規(guī)劃教材Contents項(xiàng)目一傳動(dòng)系的構(gòu)造與維修項(xiàng)目二行駛系的構(gòu)造與維修第十篇交通運(yùn)輸工程科技前沿與未來(lái)發(fā)展項(xiàng)目四制動(dòng)系的構(gòu)造與維修第十篇交通運(yùn)輸工程科技前沿與未來(lái)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(lái)發(fā)展第二節(jié)空地寬帶安全通信與可信導(dǎo)航第三節(jié)空地一體態(tài)勢(shì)認(rèn)知與自主運(yùn)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(lái)發(fā)展從上世紀(jì)90年代國(guó)際民航組織提出CNS/ATM新航行系統(tǒng)概念，未來(lái)空中航行系統(tǒng)的發(fā)展演進(jìn)也歷經(jīng)了多個(gè)階段。第一階段：技術(shù)驅(qū)動(dòng)階段。基于衛(wèi)星、數(shù)據(jù)鏈、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)化等技術(shù)手段，提供通信、導(dǎo)航、監(jiān)視方面的先進(jìn)服務(wù)。第二階段：運(yùn)行驅(qū)動(dòng)階段。強(qiáng)調(diào)了空域動(dòng)態(tài)管理、需求容量平衡、交通同步、沖突管理等聚焦空管運(yùn)行的核心要素第三階段：融合發(fā)展階段。以通信導(dǎo)航監(jiān)視設(shè)施與服務(wù)、空管運(yùn)行能力以及協(xié)同信息環(huán)境為核心組成要素的未來(lái)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(jìn)第一節(jié)空地協(xié)同新航行系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展新航行系統(tǒng)的發(fā)展演進(jìn)圖10-3-1未來(lái)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(lái)發(fā)展

通信導(dǎo)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\(yùn)行服務(wù)朝著一體化、精細(xì)化、靈活化方向發(fā)展?？展苄畔⒎?wù)朝著網(wǎng)絡(luò)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(lái)發(fā)展未來(lái)空中航行技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用將長(zhǎng)期呈現(xiàn)新舊混合的態(tài)勢(shì)，不能盲目地認(rèn)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(lái)具體分析。產(chǎn)生新型服務(wù)。新技術(shù)應(yīng)用與傳統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用并不存在矛盾，可以本著最佳效率最優(yōu)服務(wù)的原則，根據(jù)空域用戶的實(shí)際需求使用不同技術(shù)提供不同性能的服務(wù)。增強(qiáng)現(xiàn)有運(yùn)行。更加強(qiáng)調(diào)運(yùn)行方式的變革，注重人與系統(tǒng)的關(guān)系實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。用新技術(shù)提供高效服務(wù)或彌補(bǔ)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(yàn)證前的堅(jiān)實(shí)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(guò)渡新航行系統(tǒng)的應(yīng)用第二節(jié)空地寬帶安全通信與可信導(dǎo)航系統(tǒng)概述未來(lái)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(dòng)衛(wèi)星業(yè)務(wù)現(xiàn)有空管通信數(shù)據(jù)鏈：挑戰(zhàn)：需求增長(zhǎng)：航空交通增長(zhǎng)導(dǎo)致通信需求擴(kuò)大傳輸速率：窄帶系統(tǒng)速率不足合作機(jī)構(gòu)：FAA與EUROCONTROL目標(biāo)：應(yīng)對(duì)航空交通運(yùn)輸增長(zhǎng)的挑戰(zhàn)未來(lái)通信研究計(jì)劃：L-DACS：L頻段數(shù)字航空通信系統(tǒng)AeroMACS：機(jī)場(chǎng)寬帶移動(dòng)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(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)：技術(shù)發(fā)展展望：目標(biāo)：提升帶寬、覆蓋范圍和可用性效益：增強(qiáng)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(dǎo)航2.可信衛(wèi)星導(dǎo)航

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

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

原理：通過(guò)地面參考站提供差分改正信息，提高定位精度。地基增強(qiáng)系統(tǒng)（GBAS）GNSS增強(qiáng)系統(tǒng)挑戰(zhàn)與改進(jìn)：完好性：提升系統(tǒng)完好性，確保導(dǎo)航安全。精度：提高導(dǎo)航精度，滿足航空用戶需求。特點(diǎn)：利用機(jī)載設(shè)備增強(qiáng)衛(wèi)星信號(hào)，無(wú)需地面輔助?？栈鰪?qiáng)系統(tǒng)（ABAS）覆蓋：使用地球靜止軌道衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)大范圍覆蓋。例子：美國(guó)的WAAS、歐洲的EGNOS、中國(guó)的北斗SBAS。星基增強(qiáng)系統(tǒng)（SBAS）

以管制員對(duì)飛行員“單對(duì)單”通話發(fā)布管制指令方式更多融入機(jī)器智能的人機(jī)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(yùn)行管理空中航空器自主運(yùn)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(shì)認(rèn)知與自主運(yùn)行未來(lái)場(chǎng)景和趨勢(shì)第三節(jié)空地一體態(tài)勢(shì)認(rèn)知與自主運(yùn)行空地多源信息融合處理衛(wèi)星、機(jī)載、地面設(shè)備和系統(tǒng)等檢測(cè)、關(guān)聯(lián)、相關(guān)、估計(jì)和綜合等關(guān)注目標(biāo)的精確位置和高度、速度、方向信息源多級(jí)多方面處理活動(dòng)狀態(tài)估計(jì)第三節(jié)空地一體態(tài)勢(shì)認(rèn)知與自主運(yùn)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(dǎo)致機(jī)載端態(tài)勢(shì)感知信息類型有限、感知范圍不足、空地態(tài)勢(shì)感知不一致等問(wèn)題。未來(lái)發(fā)展：空地信息源多樣、全面、統(tǒng)一，重點(diǎn)研究空中交通運(yùn)行的多源異構(gòu)態(tài)勢(shì)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(shì)認(rèn)知與自主運(yùn)行多尺度空域態(tài)勢(shì)高效計(jì)算與認(rèn)知概念：對(duì)空地融合信息進(jìn)行深度處理和知識(shí)提煉，通過(guò)對(duì)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(guān)系進(jìn)行識(shí)別、理解和分析研判，分為態(tài)勢(shì)識(shí)別、態(tài)勢(shì)理解、態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)和態(tài)勢(shì)評(píng)估4個(gè)循環(huán)迭代的態(tài)勢(shì)計(jì)算和認(rèn)知核心處理環(huán)節(jié)。第三節(jié)空地一體態(tài)勢(shì)認(rèn)知與自主運(yùn)行多尺度空域態(tài)勢(shì)高效計(jì)算與認(rèn)知現(xiàn)狀：研究受實(shí)際可獲取信息等限制，傳統(tǒng)以人為主的航空器運(yùn)行方法在面對(duì)智能化航空器自主運(yùn)行、無(wú)人飛行和有人/無(wú)人混合飛行等需求時(shí)，難以確保飛行安全。有人無(wú)人混合運(yùn)行管制運(yùn)行安全態(tài)勢(shì)多尺度表征第三節(jié)空地一體態(tài)勢(shì)認(rèn)知與自主運(yùn)行空地多源信息融合處理未來(lái)發(fā)展：研究態(tài)勢(shì)要素傳播演化規(guī)律，構(gòu)建空域態(tài)勢(shì)演變的溯源鏈條，突破空地融合態(tài)勢(shì)下的安全風(fēng)險(xiǎn)智能預(yù)測(cè)技術(shù)及多尺度風(fēng)險(xiǎn)智能化消減方法?？沼蝻L(fēng)險(xiǎn)多尺度演化空域風(fēng)險(xiǎn)高效計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)智能消減第三節(jié)空地一體態(tài)勢(shì)認(rèn)知與自主運(yùn)行空地一體四維航跡管控概念：通過(guò)經(jīng)度、緯度、高度和時(shí)間（第四維），考慮飛行參數(shù)如重量和速度，提供連續(xù)的實(shí)時(shí)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(jì)劃航跡，實(shí)現(xiàn)空中交通流的精準(zhǔn)管控?，F(xiàn)狀：目前空管研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，但空地航跡信息獲取不一致和空管運(yùn)行規(guī)則不統(tǒng)一影響預(yù)測(cè)準(zhǔn)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(shì)認(rèn)知與自主運(yùn)行空地一體四維航跡管控未來(lái)發(fā)展：通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)四維航跡的高效協(xié)同控制，建立航跡共享機(jī)制，提高航跡規(guī)劃和沖突預(yù)警的準(zhǔn)確性，優(yōu)化安全間隔管理，以增強(qiáng)空地?cái)?shù)字化運(yùn)行管理?；谒木S航跡運(yùn)行的潛在優(yōu)勢(shì)第三節(jié)空地一體態(tài)勢(shì)認(rèn)知與自主運(yùn)行多模式空地協(xié)同自主運(yùn)行概念：一種以航空器自主間隔保持為核心的運(yùn)行理念，它考慮人、機(jī)、環(huán)和管等多方面因素，旨在提升航空器的態(tài)勢(shì)識(shí)別、航跡規(guī)劃和執(zhí)行能力，增強(qiáng)有人和無(wú)人航空器的自主運(yùn)行能力。自主間隔保持下的動(dòng)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(diǎn)。第三節(jié)空地一體態(tài)勢(shì)認(rèn)知與自主運(yùn)行多模式空地協(xié)同自主運(yùn)行未來(lái)發(fā)展：以空地一體的四維航跡精準(zhǔn)管控為基礎(chǔ)，探索：協(xié)同化管制運(yùn)行技術(shù)多模式間隔管理方法人工智能技術(shù)應(yīng)用尾流間隔動(dòng)態(tài)優(yōu)化智能管制引導(dǎo)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(dòng)態(tài)管理公共運(yùn)輸航空通用航空國(guó)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(jī)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)航線網(wǎng)絡(luò)低中高空全域區(qū)塊結(jié)構(gòu)航路網(wǎng)絡(luò)任務(wù)飛行、實(shí)戰(zhàn)演練等軍事活動(dòng)低空范圍塊狀、通道結(jié)構(gòu)低空物流作業(yè)巡檢應(yīng)急救援一體化運(yùn)行環(huán)境第四節(jié)空域流量協(xié)同管理與智能決策國(guó)家空域系統(tǒng)一體化運(yùn)行環(huán)境空域一體化規(guī)劃與柔性動(dòng)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(yù)測(cè)及演變運(yùn)行能力評(píng)估指標(biāo)評(píng)價(jià)與測(cè)度融合運(yùn)行與規(guī)劃動(dòng)態(tài)、(預(yù))戰(zhàn)術(shù)層面資源動(dòng)態(tài)配置動(dòng)態(tài)評(píng)估與預(yù)測(cè)資源協(xié)同配置資源使用與優(yōu)化資源使用管理國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀：空域一體化運(yùn)行概念設(shè)計(jì)=新型空域形態(tài)+運(yùn)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(guó)：軍民航空域協(xié)同運(yùn)行·德國(guó)宇航局：無(wú)扇區(qū)空管·美國(guó)：天空走廊空域一體化規(guī)劃與柔性動(dòng)態(tài)管理設(shè)計(jì)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(dá)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(xué)模型、仿真評(píng)估、統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算空中交通容量，包括靜態(tài)容量、動(dòng)態(tài)容量、運(yùn)行容量三類。靜態(tài)容量為單一固定值，形成一條直線；動(dòng)態(tài)容量為連續(xù)變化值，形成一條曲線；運(yùn)行容量則為離散變化值，形成多條分段直線。利用計(jì)量經(jīng)濟(jì)、趨勢(shì)外推、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、灰色系統(tǒng)、