智能运输概论--10-民航智能运输系统-1

1、2020/6/29,1,航空智能运输系统,季常煦 轨道交通控制与安全国家重点实验室,2020/6/29,2,航空智能运输系统是综合集成卫星导航、无线通信、有线通信、信息、控制、人工智能、航空运输、系统工程等技术，实现航线优化、飞机飞行过程、机场作业、客货运输信息服务一体化，提供安全、可靠、高效运输服务的航空运输系统。,一、民航概况,（一）基本分类,商业航空。一般也称为公共航空或航空运输，是指以航空器进行经营性客货运输的航空活动。 通用航空。是指公共航空之外的民用航空活动。,2. 通用航空 工业航空 农业航空 航空科研 公务 私人 飞行训练 航空体育,（一）基本分类,1.商业航空（航空运输） 旅

2、客运输 货物运输 国家交通运输系统 铁路运输 公路运输 水路运输 管道运输 航空运输,通用航空分类,工业航空：使用航空器进行工矿业有关的各种活动，具体的应用有航空摄影、航空遥感、航空物探、航空吊装、石油航空、航空环境监测等。 农业航空：包括为农、林、牧、渔各行业的航空服务活动。其中如森林防火、灭火、撒播农药，都是其他方式无法比拟的。 航空科研和探险活动：包括新技术的验证、新飞机的试飞，以及利用航空器进行的气象天文观测和探险活动。 飞行训练：除培养空军驾驶员外培养各类 飞行人员的学校和俱乐部的飞行活动。,通用航空分类,航空体育运动：用各类航空器开展的体育活动，如跳伞、滑翔机、热气球以及航空模型运

3、动。 公务航空：大企业和政府高级行政人员用单位自备的航空器进行公务活动。 私人航空：私人拥有航空器进行航空活动。 通用航空在我国主要指前面5类，后两类在我国才开始发展，但在一些航空强国，公务航空和私人航空所使用的航空器占通用航空的绝大部分。,通用航空分类,（二）基本构成,民用航空主要由政府部门、民航企业、民航机场等3大部分组成。 民用航空是一个庞大复杂的系统，其中有事业性的政府机构，有企业性质的航空公司，还有半企业性质的空港，各个部分协调运行才能保证民用航空事业的迅速前进。,1、政府部门,政府主管部门：中国民用航空总局 民用航空业对安全的要求高，涉及国家主权和交往的事务多，要求迅速的协调和统一

4、的调度，因而几乎各个国家都设立独立的政府机构来管理民航事务。,政府部门主要职责,制定民用航空各项法规、条例，并监督执行。 对航空企业进行规划、审批和管理。 对航路进行规划和管理，并对日常的空中交通实行管理，保障空中飞行安全、有效、迅速的实行。 对民用航空器及相关技术装备的制造、使用制定技术标准进行审核、发证，监督安全，调查处理民用飞机的飞行事故。 对民航机场进行统一的规划和业务管理。 对民航的各类专业人员制定工作标准，颁发执照，并进行考核，培训民航工作人员。 代表国家管理国际民航的交往、谈判，参加国际组织，内的活动，维护国家的利益。,中国民用航空管理机构,2、民航企业,民航企业 。指从事与民航

5、业有关的各类企业，其中最主要的是航空运输企业，即航空公司，它们掌握航空器从事生产运输，是民航业生产收入的主要来源。其他类型的航空企业如油料、航材、维修等，都是围绕着运输企业开展活动的。 航空公司的业务主要分为两个部分：一是航空器的使用（飞行）、维修和管理，另一部分是公司的经营和销售。,2002年，民航业再次进行重组，组建6大集团公司，与民航总局脱钩，交由中央管理。6大民航集团公司包括： 中国航空集团公司 东方航空集团公司 南方航空集团公司 中国民航信息集团公司 中国航空油料集团公司 中国航空器材进出口集团公司,2、民航企业,2、民航企业,2、民航企业,3、民航机场,民航机场。供航空器起飞、降落

6、和地面活动而划定的一块地域或水域，包括域内的各种建筑物和设备装置。 航空港（空港）。主要为航空运输服务的机场，使用空港的一般是较大的运输飞机，空港要有为旅客服务的地区（候机楼）和相应设施。 机场是民用航空和整个社会的结合点，机场也是一个地区的公众服务设施。机场既带有赢利的企业性质，同时也带有为地区公众服务的事业性质，因而世界上大多数机场是地方政府管辖下的半企业性质的机构。 机场实行属地管理。首都机场、西藏自治区内的民用机场继续由民航总局管理。,机场是民用航空和整个社会的结合点，也是一个地区的公众服务设施。,3、民航机场,机场及其周边交通,民航机场布局规划,二、民航信息化,1、网络资源。两大专用

7、网 空管数据专用通信网（空管网）。面向空中交通管理，以自动转报、分组交换和卫星通信为主，覆盖所有国际航路和国内干线航路，承担空中交通管制、航空气象与情报等业务传输和国际数据交换。 商务数据专用通信网（商务网）。面向航空运输服务，覆盖国内296个城市和约80个国外城市，网络用户终端数量超过28000台，承担着客货运输业务数据传输。,1、两大专网,2、九大业务系统 订座系统 代理人系统 离港系统 货运系统 收入结算系统 空管信息管理系统 航空公司综合管理系统 机场综合信息系统 民航管理信息系统,2、九大业务系统,管制部门、航空公司、机场等三大信息系统集群。,国内民航系统组成,三、民航专用数据通信网

8、,网络覆盖。遍及国内外几百个城市，并在国内省会设有网络节点机，包括一些卫星小站，形成了连接众多用户具有数万台终端设备的庞大网络，实现了同Internet网互连。 业务系统。代理人分销系统（CRS）、航班控制系统（ICS）、离港控制系统（DCS）、货运、航空保险、信息管理和辅助决策等 服务对象。向民航系统提供专业通信服务，向社会提供企业专网VPN、电子商务等通信服务，以及增值服务，如：网上航班查询、网上订票等多种业务。同时还将向多元化发展，配合民航全球分销系统（GDS）的建立，把网络延伸到旅游、出租、旅馆等多行业、多部门，为社会提供综合性服务。,1、商务网-概况,核心层。以高端路由器作为接入点，

9、实现定座、离港、货运等主机资源之间的互联互通。 分布层。提供高速的数据转发和交换 接入层。以用户端接入为主。,1、商务网-结构,2、空管网-概况,空管通信是空中交通管理系统的一个必要条件，广泛采用卫星通信、数据通信以及ATN等技术，使地-地、空-地和空-空通信有机地融为一体 ，主要包含以下两个特点： 数字化：数据链 全球化：ATN,ATN是全球范围内用于航空的数字通信网络和协议，将航空运输界的机载计算机系统与地面计算机系统连接起来，能支持多国和多组织的运行环境。,2、空管网-航空数据链,随着飞机数目的激增，人员语言表达等问题阻碍了话音通信的使用，催生出新的面向民用的航空数据链。 航空数据链系统

10、一般由传感器、通信、链路控制和信息处理显示等系统构成，成为发展的主导 克服了航空话音通信系统传输速度慢、占用信道时间长、可靠性差等缺点，并且具有抗干扰能力强、误码率低的特点。,2、空管网-航空数据链分类,空-空数据链系统 ：实现飞机间的数据通讯，为实现自由飞行奠定基础 空-地数据链系统 ：将飞机位置、飞行状态等各种信息传送给地面设备和人员，实现驾驶员与管制员之间的双向信息交换 地-地数据链系统 ：实现管制中心之间，以及管制中心与其他地面仪器及部门之间的信息交换,2、空管网-数据链示意图,2、空管网-航空数据链应用,（1）空中交通服务 （ATS） （2）航空管理通信 （ATM） （3）航空行政管

11、理通信 （AAC） （4）航空旅客通信 （APC） 在这四类数据通信中，空中交通服务和航空管理通信与飞行安全和效率有关，具有高优先级。,2、空管网-航空数据链通信技术,甚高频数据链系统（VHF）,甚高频地空数据链网络组成示意图,高频数据链系统(HF),四、飞行管理系统（ FMC ）,1、概况,飞行姿态控制系统。20世纪70年代，飞机首先使用了三个电子计算机(飞行控制计算机)分别控制飞机三个轴向的飞行姿态，实现飞机的平飞、转弯和升降的自动控制。 飞机推力控制系统。飞机飞行姿态变化时，要求发动机推力必须相应的变化，采用了机载发动机推力计算机控制系统，实现了飞机推力的自动控制。 飞行全程协同控制系统

12、。飞机飞行中需要及时响应飞行环境的变化，需要将环境变化（机载仪表系统/惯性基准系统）、姿态控制、推力控制等3大系统进行协同控制，采用了全面管理和协调3个系统的飞行管理计算机系统，实现了全程自动化飞行。,2、基本概念,FMC。以飞行管理计算机为核心，具备高级区域导航、制导、性能管理的机载计算机系统。 基本构成。由飞行管理计算机、惯性基准、自动飞行控制、自动油门控制、电子仪表等机载系统组成。,飞行管理系统,自动飞行 控制系统,自动油门 控制系统,飞行管理 计算机,电子仪表 系统,惯性基准 系统,3、特点,全程自动化飞行。FMC存储各个机场及航路的数据。在选定航路的起点和终点后，实现了飞机起飞、爬升

13、、巡航、下降直到降落在目的地机场全程自动化飞行。 飞行过程优化。在飞行全过程中即时发出指令，使飞机按照最佳的飞行状态、最合理的使用推力、最经济的油耗飞行。,航线设定。飞机航行线路要由驾驶员设定并输入计算机 应变能力。飞机在起飞和降落中，变化因素太多，计算机只能按预先编好的程序动作，不具备灵活反应的能力； 安全冗余。飞机巡航时，驾驶员必须监视FMC状态，一旦出现故障或反应不及时，驾驶员要立刻接管驾驶飞机的任务，保证飞行安全。,五、空中交通管理系统(ATM),空中交通管理是必须确保飞机在所有飞行阶段安全和效率的空基与地基功能（包括空中交通服务，空域管理和空中交通流量管理）的综合。 国际民航组织,空

14、中交通管理是有效地维护和促进空中交通安全，维护空中交通秩序，保障空中交通畅通，其内容主要包括空中交通服务、空中交通流量管理和空域管理。 中国民用航空空中交通管理规则,（一）ATM发展历程,第一阶段,19291934年 标志：飞机的出现 飞行特点：螺旋桨飞机，飞机少、航程短、飞行速度慢 空管技术：目视飞行规则、无线电通信,程序管制,第二阶段,19341945年 航路网、航路交通管制中心、塔台、航站 无线电通信设备、简单导航设施 飞行特点：飞行增多、增快、军事飞行为主 空管技术：程序管制系统，主要依靠管制员和 飞行员的经验 ATC: Air Traffic Control,（一）ATM发展历程,程

15、序管制,（一）ATM发展历程,第二阶段,雷达管制,第三阶段,19441988年 航管二次雷达的应用 1935年，英国研制出第一部雷达（RADAR） 1983年，首部二次雷达（SSR：Secondary Surveillance Radar）用于空管系统 仪表着陆系统的出现 飞行特点：航速快、航程长、飞行多 空管技术：雷达管制系统、空中交通管制ATC,（一）ATM发展历程,雷达管制,（一）ATM发展历程,第三阶段,数据链,第四阶段,（一）ATM发展历程,1988年2003年 电子、计算机技术的飞速发展：机载设备和地面 导航设施的广泛使用 卫星技术的发展 飞行特点： 航路/机场拥塞、机载设备发达

16、空管技术：形成空中交通管理（ATM：Air Traffic Management）概念,（一）ATM发展历程,（二）基本内容,1、空域管理(ASM),分隔空域，实现对可用空域的最大利用； 建立的空域要有灵活性，保证空域使各方在地位上的平等性； 空中交通国际性的特点，保证航路（线）建设符合实际使用情况和未来发展前景。,2、空中交通流量管理(ATFM),在某一划定空域，当飞行量超过或即将超过空管系统的可用容量（含机场）时，用空中交通流量管理来支持现有的空管系统以实现最大（佳）的空中交通流量。,3、空中交通服务(ATS),碰撞防护。防止空中航空器之间、在起飞、降落及其相关区域飞机和障碍物相撞等事故或

17、事件 流量控制。对空域内飞行的航空器进行切实有效的管理 ，加速空中交通流量，维持良好运行秩序 飞行建议。为航空器提供各种建议、情报、信息来避开危险天气及各种限制性空域，确保其安全、有序地运行 救援保障。在航空器遇险或需要提供搜寻、救援服务时，通知各保障单位及时开展工作,（三）空中交通服务（ATS）,向飞行中的航空器提供有益于安全、能有效地实施飞行的建议和情报的服务。主要包括： 重要气象情报 通导设备变化 机场和有关设备变化 可能影响飞行的其他情报,1、飞行情报服务(FIS),航行资料,航行情报发送和接收,告警服务：当航空器处于搜寻和救援等紧急状态时， 向有关单位发出通知，并给予协助的服务。,紧

18、急状态包括：发动机故障、无线电通信失效、座舱失压、遭遇空中非法劫机等。,2、告警服务(AL/AS),3、空中交通管制(ATC/ATCS),防止航空器与航空器相撞 防止航空器在机场机动区与障碍物相撞 加快空中交通流 保持有序的空中交通流,在航路上的管制,在飞机离场或到场时的管制,机场控制,在交通流量较小的地区,进近和机场管制是合二为一的。,（四）空中交通管制,管制业务划分,机场塔台,（五）雷达管制,按空管规则，采用雷达跟踪监视飞行中的飞机，随时掌握飞机的航迹位置和有关的飞行数据，并主动引导飞机运行。 管制员根据雷达显示，可以了解本管制空域雷达波覆盖范围内所有航空器的精确位置，因此能够大大减小航空

19、器之间的最低间隔，从而可在一定空域内增加交通量。,雷达管制,1、航管雷达的类型,目标识别 雷达间隔 雷达协助导航 雷达交通建议 最小安全高度警告,2、雷达管制的主要业务功能,目标识别-一次雷达,基本原理：地面雷达发射的无线电波，经空间目标反射至地面雷达接收机，以确定目标的位置和速度。 监视能力。监测目标大小和亮度受到目标和天线间距、大气相对传导性、目标的雷达截面积、地面杂波等等因素影响，并且无法识别目标身份。,工作方式：由地面询问机和机载应答机配合而成，采用的是问答方式。 地面二次雷达发射机发射1030MHz的脉冲信号，向机载设备发出询问； 机载应答机接收到有效询问信号后产生相应的频率为109

20、0MHz的应答信号并向地面发射。 地面接收机接收到应答机信号，经过计算机系统处理后获得所需信息。,目标识别-二次雷达,管制员从二次雷达上很容易知道飞机的编号、高度、方向等参数，可以实时地掌握每架飞机的飞行动态，有计划地指挥飞行。,目标识别-二次雷达,雷达间隔控制,雷达管制员可以控制两架飞机之间纵向间隔缩短到35海里，提高空域利用率。 离雷达站40海里内的飞机，纵向最小间隔为3海里 离雷达站40海里外的飞机，纵向最小间隔为5海里。 “前大后小”飞机间，为避开前机尾流，纵向最小间隔为5海里以上。,尾流间隔,纵向间隔,雷达间隔控制,雷达协助进近导航,雷达管制员可使用雷达导航，主要用于飞机在进近前截获

21、进近航道并使用雷达进近代替仪表进近。 雷达管制员在屏幕上能了解整个空域情况，可以引导飞机不按程序管制的既定航线飞行，由管制员指示飞机改变航向，引导飞机进近。,雷达交通建议,管制员向驾驶员提供本机和其他飞机的相对位置信息，从而消除潜在的相撞事故。 随着二次雷达的计算机化，雷达系统装有防撞警告软件，可把两架飞机预计的航线画出来，如果在航线交叉时垂直、纵向、横向间隔不够，软件会自动向管制员发出告警，管制员及时通知驾驶员处理。,最小安全高度警告,对于装有应答机可以报告飞行高度的飞机，可随时收到它的高度信息。 计算机把管制空域内的地面地形和障碍物高度存入计算机，软件不断比较飞机的高度和地面地形及障碍物高

22、度。 一旦高度差小于150米，则发出警告，并在出现“LOW ALT”（高度太低）字样，管制员通知驾驶员，避免飞机因高度太低产生的触地事故。,（六） 自动相关监视系统（ADS-C ）,ADS-C是指机载导航系统获得的导航信息，通过卫星数据链或甚高频空地数据链，自动实时地发送到地面接收和处理系统，然后通过伪雷达画面，供有关人员监视飞机运行状态。,ADS-C基本原理,将机载导航和定位系统中的飞机位置信息，通过地空数据链，自动传送到地面交通管制部门。 机载飞机位置信息包括：识别标志、四维位置信息、飞行趋向、飞行速度、气象等信息。,ADS-C的局限性,信息滞后。机上信息处理需要时间，从数据采集到发送至少

23、需64毫秒；报文从飞机传送到地面约需4560毫秒； 监测信息源单一。相关监视完全依赖机载导航信息源； 要求使用相同的基准，即GNSS的基准时间和WGS-84的坐标系统，否则精度变差。 飞行间隔较大。与话音通信相比，ADS减小了飞行间隔，增加了空域容量；与雷达管制相比，ADS飞行间隔大于雷达管制所需的飞行间隔,ADS-C定位与应用范围,辅助雷达管制。在进近和终端区以及一些流量较大的航路上，ADS仍然不能取代雷达管制，只能是雷达管制的辅助手段 拓展空域监测范围。主要运用于边远及海洋地区空域的监视，对雷达覆盖区以外的飞机提供监视手段，加强飞行安全； 飞行计划符合性监测。对当前飞行计划进行符合性监督和

24、偏离检测，及时发现飞机对放行航迹的偏离情况，加强冲突检测和解脱能力； 辅助应急处置。在紧急情况下及时得到飞机精确的位置信息和通知。,ADS-C基本结构,典型的ADS系统由ADS信源、传输信道、信息处理及应用显示等三个模块组成： ADS信源。包括各种机载导航传感器、接收机、大气数据传感器。 ADS的传输信道。包括卫星数据链、甚高频数据链、二次雷达数据链。 ADS信息的接收处理和应用显示。包括地面通信终端和显示终端两部分。,ADS与雷达数据融合处理,拓展监测内容。通过与监视雷达数据融合，可以作出飞机的航迹估计、飞行趋向推理、飞行冲突监测，实现可靠的无间断的监视。 提高监测精度。ADS速度和位置等是

25、由GPS导航系统提供，数据更准确，通过雷达位置数据和ADS地速和垂直速率的融合，可提高高密度终端区的监视精度。,ADS与雷达数据融合处理-航迹处理,航迹起始。收到一个ADS报文，将其与数据库中记录比较，如有该飞机记录，已有航迹；如没有，则为该飞机建立航线记录，并认为该点是新航迹起点。 航迹滤波。对位置数据进行处理，以提高位置数据精度，对于丢失的数据进行插补预测。 航迹终止。足够长时间未收到某已有记录飞机的位置报告，则认为该航迹不可靠，给予报警；如经过更长时间仍未收到，则认为航迹已终止，清除其记录。,（七）陆基空管系统特点,国际空管技术发展趋势,话音通信,空天一体化通信网络,宽带数据链通信,数据

26、通信,一次监视雷达,二次监视雷达,ADS-B/MLAT,多传感器组合监视,通信,监视,国际空管技术发展趋势,惯性导航,无线电导航技术,卫星导航技术,多星多频率组合导航技术,导航,航电,机械仪表,数字仪表,模块化航电设备,机载空管电子系统,信息 管理,信息 孤岛,信息互联,信息服务,广域信息管理（SWIM）,以网络化为基础、以协同式为特征的 新一代空中交通管理系统,国际空管技术发展趋势,新一代空管系统特点,何谓“新一代”,通信范围更广。空天地一体化的航空通信网络、空地数据链网络、航空移动卫星通信。 导航精度更高、更快。以卫星技术为基础的导航、定位、自动着陆系统；飞机选择相应的导航性能 监视能力更

27、强。广播式自动相关监视，超视距监视；飞机自动发送、处理、显示各种信息 自由选择航线。航路网不固定，空域灵活使用，飞机可挑选合理的灵活航线,1、天空地一体化空中交通服务网络,基于导航卫星、机载仪表、地面导航设施等多传感器组合应用，实现多种不同精度的导航方式 精确导航，缩小航路间隔，增加空域容量，提高飞行效率,2、多传感器组合导航服务,3、广播式自动相关监视系统（ADS-B）,ADS-B含义 A自动：不需要人工操作和地面的询问。 D相关：信息全部基于机载设备。 S监视：提供位置和其它用于监视的数据。 B广播：不针对某特定用户，而是周期性的广播 给任何一个有合适装备的用户。,现代空中交通管理,91,

28、机间监视,场面监视,空域监视,3、广播式自动相关监视（ADS-B）,ADS-B与二次雷达的对比,ADS-B与ADS-C的对比,绿色机场（高安全、高容量、低排放、低噪音）,基于PBN的导航技术,以ADS-B为核心的监视技术,高性能的空地数据链技术,重新制定尾流紊流间隔标准,终端区进离场排序,垂直引导,4、绿色机场,MLAT监视技术,场面高速数据通信技术,路径规划,引导控制,监视,4、绿色机场,ADS-B监视技术,绿色机场（高安全、高容量、低排放、低噪音）,网络化的协同空管,空天地一体化网络技术,航空大数据处理与服务,综合气象服务,数字化航行情报管理,5、全球互用系统与数据,FF-ICE,FF-I

29、CE（飞行与流量协同环境）,高密度安全灵活飞行,PBN技术,ADS-B技术,空天地一体化网络技术,机载空管电子技术,态势感知,间隔管理,避撞系统,6、最佳容量与灵活飞行,高效的航迹运行,PBN技术,ADS-B技术,空天地一体化网络技术,空中灵活航路,终端区持续爬升/下降,7、高效的航迹,七、民航公众信息平台,多部门协同式运行,为旅客提供全程服务,航空公司,机场,旅客,管制部门,其他运输系统,管制部门：空管局运行中心运行监控系统,拥有准确及时的飞行数据： 进离场航班数据 雷达信息 航行情报 气象信息 报文信息等,机场：首都机场运营系统,拥有准确的航空器地面状态和地面服务数据 机位（机位号，计划占位开始