颠覆者们

NextGen:空中交通管理系统最需要的一次升级

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旧金山的天空一片晴朗,看不到一丝云雾,这时你会听到一个声音,那是机长宣布你所乘坐的航班因天气状况晚点到达。这不仅仅是驾驶员、飞机或航空公司的事情——这次跨境旅行的背后包含着更为深刻的含义,超越你所看到的现象。你所乘坐的这架 117 英尺宽的飞机在旧金山湾区上空盘旋着,等待当地领域的管理者——空中交通控制塔——来清理航空路线。

空中交通控制塔(ATC)在现代化机场随处可见,其作用仅次于飞机本身。然而,这些控制塔只占据了庞大航空网的一小部分,却控制着飞机航行的整个过程。飞机就像是以前的宠物,当它们在美国上空飞行时,要由多种不同的控制塔来监管和引导。

这些控制塔就像造价数百万美元的飞机和大型雷达设施一样先进、精密,但它们对飞机跟踪记录的方式看起来却相当古老。它们会根据处理顺序对塑料卡片进行分类,然后把塑料卡片贴到行李架上。这些卡片被冠以“飞行进度纪录条”(flight strip)的称谓,在很大程度上,它们在空中交通控制系统中起着重要作用。塑料卡片上标有航班号、目的地国家和航线信息,将它们插入插槽的声音,就如同控制塔前方绿色雷达显示屏一样无处不在。

不久,这一切就要发生变化了。美国联邦航空管理局(以下简称“FAA”)正准备推出一套全新的系统 NextGen,它将标志着 21 世纪科技要融入到空中交通控制系统中。

打造多层次系统

在美国国内,民用航空运输主要依照三个层次进行管理。机场的指挥塔负责地面交通运营、起飞时间安排、飞机降落,同时还要努力化解进出航班的冲突,确保跑道之间具有合适的空间。但这仅仅是冰山一角——虽然本地指挥塔负责旅程的终点,但整个规划工作的大部分内容都发生在飞机起飞之前。

美国东部标准时间每天早晨 6 点,作为与 FAA 所属戴维-赫尔利(David J.Hurley)指挥中心电话会议内容的一部分,航空公司必须报告全美国内和国际航班离开时间的暂定飞行计划。另外,参加电话会议的还有地区性空中交通控制中心、进场(area approach)控制和机场控制塔。

作为 FAA 所称的“交通流量管理”的一部分,每一架商用飞机、货机和企业包机的飞行日程都需要在覆盖整个北美大陆的航空网络内进行安排。这些飞行计划都必须遵守航空时刻表、航空运营,同时决定着起飞顺序、降落时间和不同地点的路线等。

你可能认为,飞机在从约翰-肯尼迪国际机场起飞后,会以直线飞往洛杉矶,但事实并非如此。在起飞后不久,飞机转由一个称为“终端雷达进场控制”(Terminal Radar Approach Control)的系统负责,它会管理着机场周围 30 至 50 海里的飞机进出。这些控制中心简称为“TRACON”,其中 27 个负责管理进场控制,化解进出交通的冲突等。

以纽约市的空域(包括约翰-肯尼迪机场、拉瓜迪亚机场、纽瓦克自由国际机场和费城国际机场)为例,周围多个机场都由一个终端控制中心管理。据一位熟悉航空业情况的高级官员介绍,纽约市终端控制中心管理着全美三分之一的空中交通以及全球六分之一的航班。

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在飞机清除了 5 到 40 英里不等的飞行距离后,根据机场的不同,航班会从 TRACON 或终端控制(Terminal Control)交由航线交通控制中心(Air Route Traffic Control Centers,即 ARTCC)管理。由于控制了大片的空域,一旦飞机清除了高度为 1.8 万英尺的空域,或者驾驶员准许乘客在机舱内活动和站立的时候,它们即会管理航线与飞行高度。

在常见的跨境旅行中,飞机需要由 4 到 5 个控制中心进行管理,这就像是玩跳房子游戏一样,由多个控制中心交替管理,然后交由目的地机场指定的 TRACON 负责。

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虽然一想到所有这些航线飞行决策同时发生,会令人生畏,但重要的是要记住,每个航线选择都是实时做出的决定。飞机的飞行计划要经过整个系统审核,并交到空管人员手中,后者负责航线和飞行日程安排。正如熟悉这方面业务的知情人士透露,一旦因为天气状况或是其他原因,要改变原有行程或是计划,飞行员必须向该系统中输入相关数据。

新旧系统混杂

  引进并实行新的航空技术,是一个充斥着严格安全检查与评估的过程,也是一个充斥着复杂认证和整合的过程。这样做也有其充分的理由,因为重要系统首先需要多层次冗余性和安全性,然后才可以在飞行中携带乘客。

过时的信息管理系统让它们与新技术的整合变得十分困难,由于管理高空飞行所需要的高强度冗余和测试,升级执行起来也就相当迟缓。

举一个合适的例子:用于更换高空交通管理的系统(ERAM:航路自动化现代化)及其 2000 万个计算机代码行的工作直到今年 3 月份才完成,它们目前正在盐湖城市空管中心进行部署,到今年年底将配备 20 个航行交通控制中心。ERAM 是 FAA NextGen 系统的组成部分,也是一个需要航空业积极参与的项目。

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美联航发言人说:“NextGen 需要航空公司和 FAA 之间密切配合,才能发展和提供一系列新能力。有些能力可以改善全美航空系统以及空中交通在全国的流动,我们支持一切可以加快这种能力部署的项目。”

这种乏味和枯燥,也是整合航空旅行新技术系统的先天问题。例如,最近整合到空中交通控制系统中的基于云的通信能力,便让我们对这种问题有了深入了解。这种系统被称为“Data Comm”,类似于飞机和空管人员之间的短信息通讯。该系统目前正处于部署到地面控制塔的阶段,要到 2019 年才能被部署到航路交通管制中心(Air Route Centers)。

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尽管如此,ERAM 仍然代表着飞行管理技术的一次巨大飞跃,不仅可用于追踪飞机身份信息、高度、飞行路线和速度等,将空管人员可追踪的航班数量翻了一番,还能充当其他多种技术的平台。FAA 局长迈克尔·霍尔塔(Michael Huerta)今年 4 月份在一份 声明 中称:“ERAM 让我们在技术能力上有了巨大的提升。”

在今年 5 月份,FAA 宣布在纽瓦克自由国际机场和孟菲斯机场推出一个试点项目,从语音交流变为空管人员与飞机之间基于数据的交流。一位熟悉这项技术的官员称,该技术就类似于短信,将增减信息流的数量和速度,进而可以实现更好的线路规划,减少航班延误问题。

这位官员进一步解释说,所有这一切都会降低成本,有效避免因恶劣天气和空域堵塞而造成的延误和其他问题。这个项目目前仍处于试点阶段,计划在今年年底前部署到 50 多个空中交通指挥塔,从 2019 年开始逐步提供给区域性“空管中心”。

对于正在读这篇文章的人来说,当他们身在一个待命航线的飞机上时,一项名为自动相关监视系统(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast,简称“ADS-B”)的技术也许让他们更感兴趣。这是一种基于卫星追踪飞机活动及通讯的方法。

作为相比使用地面雷达的旧有系统的一大进步,ADS-B 数据可以通过卫星传输给 ERAM 系统,让空管人员加强对缺乏雷达覆盖地区的飞行器操作的认识。ADS-B 可借助于卫星导航数据来确定飞机位置,通过卫星与控制中心保持联系。将 ADS-B 数据整合到 ERAM 系统,有助于 ADS-B 成为二级监控雷达系统(通俗的说法是,飞机的“应答器返回 ping 指令”)的替代品。

尽管如此,对 ADS-B 的整合不可能在一朝一夕完成。正如美联航首席技术测试员罗基·斯通(Rocky Stone)介绍,FAA 的 ADS-B 设备标准要到 2020 年才开始生效。斯通解释说:“当这一标准生效时,估计业内会呼吁 ADS-B 成为最主要的监控来源,从而实现更准确的监控。”他还补充说,监控能力的改善将可以实现各种气象条件下的准确预测。

尽管 ADS-B 最初的普及率相当低,但航空公司相信 ADS-B 的益处最终会传递给飞行员。美联航发言人说:“得益于这些新技术,更多的飞机可以在更直的航线上,以更近的距离安全飞行,从而减少航班延误,给环境和经济带来前所未有的好处。”该发言人还表示,这些调整会导致二氧化碳排放量、燃料消耗以及地面噪音的减少。

参与 ADS-B 开发的航空公司也可以在缓解整合担忧方面发挥一定的作用。斯通说:“美联航一直在通过航空规则制订委员会(Aviation Rulemaking Committee),积极参与初始 ADS-B 规定的制订”,而这种规定最终在 2009 年问世,并在 2010 开始生效。

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另外一位熟悉 FAA 和商用航空业的官员解释说,这项技术最明显的使用案例将发生在墨西哥湾,在那一地区,FAA 与钻探设备运营商已经达成了合作,可用于替代石油钻探平台上的旧有 ADS-B 系统。覆盖范围的增加可降低墨西哥湾上空飞机之间的距离要求,提升运行在该地区的众多直升机的安全性。

一位熟悉美国航空业事务的知情人士指出,这种升级的最大潜在益处是,增加了墨西哥湾附近的主要终点(即位于亚特兰大的哈兹菲尔德-杰克逊国际机场)的航班密度,减少了飞机等待时间。

按客流量计算,哈兹菲尔德-杰克逊国际机场是世界上最为繁忙的机场,在这种情况下,即便在效率上有非常小的提升,也有可能极大地改善全美所有航空公司的表现——例如,达美航空公司每天有 1000 个航班经过哈兹菲尔德-杰克逊国际机场。

加速航空业创新

  当你下一次乘坐飞机外出旅行时,一定要思考一下这套让你成为其中一员的系统的复杂性——飞行员和飞机只是夜以继日发生于我们脚下的大规模活动的冰山一角。

尽管这套系统看似复杂、让人生畏,但空中交通管理计算机化的增强肯定是大势所趋:将来,其他许多国家也会采用类似于 FAA 的系统。飞行管理是一个已为下一波创新做好准备的领域,这种变革将如何影响人们的出行方式,还请大家拭目以待。

翻译:皓岳

Air Traffic Control Is Getting A Much-Needed Upgrade

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