先进的机场场面导向和控制系统浅析

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2024年10月12日发(作者:)

先进的机场场面导向和控制系统浅析

民用飞机设计与研究 

Civil Aircraft Design&Research 

先进的机场场面导向和 

控制系统浅析 

Investigation and Analysis for Advanced Airport 

Surface Movement Guidance and Control System 

丁汀/Ding Ting 

(上海飞航设计研究院,上海200232) 

Shanghai Aircraft Design and Research Institute,Shanghai 200232,China 

摘要: 

放眼全球化的当今社会,航空交通密度日益增大,机场运营繁忙,部分枢纽型机场的吞吐量逐渐趋近饱和。 

这种现状对先进的机场场面导向和控制系统提出了更高的要求。与传统的机场导向和控制系统SMGCS 

(Surface Movement Guidance and Control System)相比,先进的机场场面导向和控制系统A—SMGCS(Advanced 

surface Movement Guidance and Control System)功能分为四部分:监视、路由、导向及控制。将对A—SMGCS 

的应用背景和发展状况给出较为全面的调研总结 ],并结合ICAO A—SMGCS Manuall3]论述对A—SMGCS提 

出详细功能需求,最后在此基础上提出A—SMGCS的系统功能架构。 

关键词:场面冲撞;事故统计;功能需求;机场运行地图;功能架构 

[Abstract]Due to an increasing air trafifc density all around the mordent world,some of the airport operations, 

with a SMGCS(Surface Movement Guidance and Control System)performance,are suffering overloads to their ca- 

pacities.This project intends to search for a solution for the above difficulty.Compared with SMGCS,A—SMGCS 

(Advanced—Surface Movement Guidance and Control System)is facilitated with promoted functions spited as guid— 

ance,routing,navigation,and contro1.This paper gives a conclusion covering the investigation into the A—SMGCS 

application and development .Additionally,system performance requirements are outlined based on ICAO(In- 

ternational Civil Aeronautics Organization)A—SMGCS Manual[2]_Finally,the A—SMGCS system architecture is 

developed in the paper.The introduction of A-SMGCS is capable to improve the aiporrt operation eficifency and re— 

duce the accident rate. 

[Key words]Surface Collision;Accident Statistics;Performance Requirements;Function Architecture 

间.平均每350 000次航班运营就会有一起严重的 

1 机场场面交通运营情况 

在过去的数十年内.全球民用航空产业经历了 

跑道冲撞情况发生。每3.7年就会有一起因跑道冲 

撞而引发航空事故。 

迅猛的发展,在如今这种交通密度下,机场的运营 

管理能力在各个方面都面临着巨大的挑战,例如滑 

行道堵塞、跑道或滑行道冲撞、机场构型复杂化以 

及航班延迟等情况。这一系列困难导致了机场的 

运营现状很难满足民航市场的需求。早在2004年, 

FAA即对机场场面运营安全情况进行统计分析,在 

其跑道安全性报告_l 中显示.从1994年至2004年 

图1显示了从1994年到2001年的跑道冲撞数 

据统计,以及冲撞产生的原因分析[2]。 

图1的横轴为年度标识.纵轴为跑道事故的统 

计数据。由图1可知,引起事故的原因有: 

1)机场场面车辆/行人因素: 

2)飞行员因素: 

(1)忽略了路口或滑行道指示; 

—■l 44 2012 No.2/(季刊1总第105期 

民用飞机设计与研究 

Civil Aircraft Design&Research 

针对这种情况,NASA和其合作伙伴开发了A— 

SMGCS,包括系统架构和操作规程。ICAO A— 

SMGCS手册_3]也对A—SMGCS的性能进行了各种 

3)通信资源消耗率: 

4)可靠性: 

5)未来改装的效率。 

根据ICAO A—SMGCS手册_3]的阐述.A~ 

规定,包括系统概念、应用说明、性能要求及优化 

评估。 

SMGCS需要综合人机接口(Human Machine Inter. 

face,简称HMI)的支持。HMI能提供在计算机上的 

自动化操作。同时保持手动操作的能力,这种应用 

能够为飞行员及地面交通管制员减轻工作量。 

与SMGCS相比较,A—SMGCS能为机场场面运 

A~SMGCS能在机场视觉可操作水平(Aero. 

drome Visibility Operational Level,简称AVOL)内,针 

对场面内的飞机和车辆,提供监视、路由、导向和控 

制功能,支持机场场面交通的有效性和安全性。因 

此,与SMGCS相比,A—SMGCS最大的区别在于能 

行带来以下几方面优势: 

1)地面交通管制员和飞行员有明确的职能定 

义,这样能够减少两者在操作和运行中的交流误解 

及执行偏差: 

够适应更广泛的天气条件、视野情况、交通密度和 

机场场面构型;同时也能提供更为精确的场面导向 

和控制,为运行在滑行道或跑道上的飞机确保安全 

间距。 

2)使用了先进的场面监视手段,使得在视野不 

清晰、交通繁忙或机场构型复杂的情况下,地面交 

通管制员或飞行员仍然能得到良好的机场场面交 

通信息报告: 

A—SMGCS的应用需要考虑到天气情况(在 

AVOL水平范围内)、交通密度、机场构型和其他的 

本地环境因素,并且最终取决于各子系统的支持条 

件、航空公司和机场的授权和配合。 

机场常常对场面交通运营配置不同的控制权 

限。有些情况下,空中交通管制(Air Traffic Control, 

简称ATC)拥有完全的控制权限,而在其他情况下, 

3)将先进的导向形式和有关操作作为系统要 

求的一部分.基于清晰的场面标识,飞行员在预定 

的路由下能够避免由于模糊的导向标识而产生的 

危险: 

机场控制机制会代替机场授权执行全部或者部分 

控制权限。无论哪种情形,A—SMGCS均应能提供 

从跑道到停机坪的全范围服务。 

4)涵盖了机场场面上各种级别的飞机和交通 

工具。 

综上所述,A—SMGCS与SMGCS相比能够减少 

为了充分发挥A—SMGCS的功能,系统可以与 

空中交通管制(Air ̄afic Management,简称ATM)f 

接口 A—SMGCS协助制订机场场面交通计划,管 

理在机场内运行的飞机,以适应现代机场复杂的交 

通流。与之相关的功能包括: 

机场延迟、降低运行风险、增加系统可操作性和提 

高机场运营能力。 

3 A—SMGCS功能需求 

构成A—SMGCS功能的主要因素可以从以下几 

点来考虑。 

1)进港和离港管理; 

2)进港和离港协调; 

3)对站队顺序和时间安排进行最优化; 

1)先进的监视功能:在AVOL条件下,保证地 

面交通管制员能接收到运行范围内所有飞机和其 

4)对拖回顺序和时间安排进行最优化; 

5)集成了飞行计划处理系统等,中央交通流处 

理单元等。 

机场的运营可以认为是ATM的一个有机组成 

部分。机场地面的运营能力应该能与机场附近的 

飞行环境相匹配,因此A—SMGCS应该有能力与 

ATM实现信息无缝交换。 

他交通工具的必要信息。 

2)先进的显示功能:当机场能见度过低,影响 

地面交通管制员或飞行员判断场面情况时,为飞行 

员提供显示方式,实现对机场场面交通情况的掌握。 

3)先进的路由设备:为地面交通管制员提供合 

理的HMI,实现路由计划功能。 

4)先进的场面导向:为飞行员提供清晰合理的 

场面路由标识,使得他们能够在AVOL条件下执行 

预定的路由计划。 

5)先进的控制功能:对飞机在跑道和滑行道上 

配备了A—SMGCS的ATM系统,可以提高以下 

几个方面效率: 

1)地面交通管制效率; 

2)维护效率; 

的运行进行控制,实现冲撞预测、指示、告警,并能 

分析报道 

Analysis Report 

提供解决方案。 

由此可见,A—SMGCS的基本功能可分为四类: 

监视、路由、导向和控制。 

A—SMGCS的监视功能应能满足如下需求: 

2)尽量减少交叉冲撞; 

3)能及时反映运行场面的变化(例如,跑道变 

化,因为维修而关闭的路由,临时的事故或障碍); 

4)使用标准的术语和标识; 

5)所有经过授权的使用者都能够使用; 

6)提供一种路由确认的反馈机制。 

A—SMGCS的导向功能应该包括: 

1)向在飞机运营场面上运行的所有飞机提供 

准确的位置信息; 

2)对于被监视的飞机,在显示其位置的同时提 

供ID和其他标识: 

3)在系统涵盖的区域内,对静止和运行的飞机 

1)为所有运行中的路由提供必要的导向: 

2)为飞行员提供清晰的指示,以便跟从预定的 

均提供监视功能: 

4)有更新时间和机场场面目标位置数据的能 

力,满足导向和控制的要求; 

5)不受天气变化和地形情况的影响。 

系统应该能够监视系统的工作状态,一旦失效 

即产生告警。在运营区域里的控制系统也应该受到 

监控。 

当飞机即将要进入跑道运行时(距跑道在一定 

距离内),包括穿越跑道和起降,A—SMGCS应该能 

够对运行目标进行监视,以支持全面的管理。A— 

SMGCS和机场附近的空中交通管理体系之间应存 

在无缝连接。 

A—SMGCS应该能够发现侵人运行区域的任何 

冲撞,对于侵入的场面目标,A—SMGCS能提供持续 

的位置指示。指示的更新率能够保证系统作出有 

效反应。 

无论是手动还是自动,A—SMGCS的路由功能 

应满足: 

1)能对运行区域内的任何目标进行路由的 

预设: 

2)在任何时候支持目的地的变化; 

3)支持路由的变化; 

4)有能力满足复杂机场场面上的高密度交通 

路由需求: 

5)在飞机着陆后,不限制飞行员离开跑道进入 

滑行道的路径。 

在半自动模式里,路由设置是由地面交通管制 

员来执行的。 

在自动模式里,路由功能还包括: 

1)设置路由; 

2)在自动控制间断或出错时,允许人工介入。 

在设置路由时,A—SMGCS应该能够满足: 

1)在最高效的控制方式内选择最短的滑行 

距离: 

路由: 

3)在预定的路由上,保证所有的飞行员能明确 

他们当前所处的位置: 

d)在任何时候能接受路由的变化: 

5)能够显示受限制或禁止使用的区域: 

6)对所有导向目标的工作状态提供监视。 

当机场场面的视野情况能支持安全、有序、迅 

捷地运行时。导向功能主要由标准的场地视觉目标 

来实现。如果视野情况不佳,则需要额外的设备和 

系统来补充导向目标从而保证运营效率。 

A—SMGCS的控制功能应包括: 

1)支持最高运行效率(动态功能); 

2)对预定的运行需制订长达1h的计划(静态 

功能): 

3)能发现潜在冲撞并提供解决方案; 

4)根据预定的参数值确定场面目标之间的间 

隔距离。有关参数包括以下几方面 

(1)速度; 

(2)有关方向; 

(3)飞机尺寸: 

(4)飞机发动机效应; 

(5)人工和系统反应时间; 

(6)减速性能 

5)对侵入跑道或超越停止线的目标发出告警: 

6)对侵入敏感区域、受限区域及紧急区域运行 

的目标发出告警: 

7)包含基于计算机的交通管理工具: 

8)将地面交通管制员、飞行员和交通工具驾驶 

员的能力都包含在决定控制方案的机制内: 

9)结合运行方式,将场面运行目标的速度控制 

在一定范围内: 

l0)能够支持在AVOL范围内的所有运行: 

11)能针对不同运行制订优先级: 

12)对起降飞机进行最优化列队,保证最小的 

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过站延迟和最高的机场功能利用率。 

A—SMGCS提供即时告警功能,能够支持下列 

有关操作。 

并不断更新位置以显示其运行状况。机场交通控 

制数据包括路由计划和接近告警,并以此来维持正 

常的机场运营。 

根据ICAO A—SMGCS手册[ ,至少有下列基本 

1)冲撞告警:当场面目标之间的预测距离等于 

或低于目标最小间距时,应立即触发告警。 

2)区域侵人告警:当运行目标有进入限制区域 

信息需要在机场运行地图上得到显示: 

1)基本的机场场面构型: 

2)监视目标所处的运行通道(滑行道或者跑 

道); 

的危险时,立即触发告警。 

3)偏差告警:当计算出来的可能偏差距离大于 

最大偏差距离时,立即触发告警。 

4)跑道侵入告警:当运行目标有可能进入正在 

3)监视目标的位置及其更新: 

4)监视目标的标识; 

5)本机和其它飞机的过近告警; 

使用中的跑道时,立即出发告警。 

5)滑行道或停机坪侵入告警:当运行目标有可 

能进入不属于其路由计划里的滑行道或停机坪.且 

此滑行道或停机坪正在使用中时,立即触发告警。 

A—SMGCS还提供长期告警功能,保证以下有 

关补救措施能够预先实行: 

1)冲撞预测: 

2)冲撞检测: 

3)冲撞解决方案。 

当被检’?贝4到有冲撞危险发生时,A—SMGCS应 

6)跑道使用中的告警。 

为支持AMM显示,A—SMGCS需综合具备监 

视、路由、导向及控制等各项功能。为实现各项功 

能,图3和图4提供了A—SMGCS的架构构想。 

能自动提供解决方案,或者向地面交通管制员发出 

请求,请求合理的解决方案。 

4 A—SMGCS功能架构 

机场运行地图AMM是A—SMGCS人机接口的 

重要组成部分,集中体现了A—SMGCS的功能性。 

考虑到A—SMGCS的概念,在机场场面上运行的监 

视目标都需要在机场运行地图AMM上显示出来, 

图3 A—SMGCS地面系统架构 

图4 A—SMGCS机上系统架构 

(下转第66页) 

民用飞机设计与研究 

Civil Aircraft Design&Research 

4 结论 

根据民机研制的需求和适航要求,通过对材 

验平台,以满足民用飞机的研制质量和适航控制 

要求。同时,根据材料/标准件实现国产化的经 

验和探索出的控制方法,为将来实现系统件国产 

化的有效控制打下基础.进一步实现民机产业国 

产化的愿望,生产出我国真正自主产权的民用 

扔 

料/标准件国产化控制流程的研究,采取对潜在供 

应商实施综合能力评估的方式,帮助潜在供应商转 

变观念。适应民机研制特点,按照材料/标准件的标 

准及规范的要求,对潜在供应商在工程、质量、适航 

和特种工艺方面提出改进要求.完善现有质量管理 

体系,以满足适航符合性审定流程。 

潜在供应商通过生产和检测设备改造、工艺 

流程优化、试验步骤及程序的完善、过程控制体 

系的建立等,逐步建立起符合产品标准、试验验 

证标准和适用的生产工艺标准要求的生产及检 

参考文献: 

[1]总装备部电子信息基础部技术基础局.国家军用标准 

GJB9001A一2001质量管理体系要求解释提纲与实施要 

点.2001. 

(上接第48页) 

如图3所示,A—SMGCS的地面系统包括下列组 

的综合性支持。因此其当前的应用可能会受到装机 

设备和机场设施的限制,尤其以后者的影响更为明 

显。值得注意的一点是,与完备的系统架构相比, 

只具有部分配置的机场和飞机也能发挥一定程度 

的A—SMGCS功能。而且,在机场建设迅猛发展的 

今天,越来越多的机场和飞机已经配备了A—SMGCS 

成部分。 

1)机场场面监视,即主监视雷达(PSR)、自动相 

关监视广播(ADS—B)、二次雷达(SSR); 

2)数据处理单元: 

3)基于地面的告警发生器: 

4)机场运行地图AMM显示单元: 

5)路由计划人机接口HMI: 

6)机地数据通信。 

图4则显示了A—SMGCS系统机上部分的架 

所需的系统单元,因此由A—SMGCS带来的机场运 

营能力增强和相应的ATM效率提高,是可以预 

见的 

构,分别由下列单元组成: 

参考文献: 

[1]FAA Runway Safety Report.Runway Incursion Trends and 

Initiatives at Towered Airports in the United States.FY 2000一 

FY 2003.August,2004. 

1)机地数据通信收发机: 

2)局域增强系统Local Area Augmentation Sys. 

tern(全球定位系统Gps)收发机; 

3)ADS—B收发机(The ADS—B transceiver); 

[2]Singh G.K.,Meier Chistoph.Preventing Runway Incur— 

sions and Conflicts.Aerospace Science and Technology 8 

4)机载告警发生机; 

5)机载机场运行地图AMM显示器: 

(2004)653—670.Received 1 July 2002;received in revised 

form 6 April 2004;accepted 6 August 2004;available online 15 

September 2004. 

6)音频告警单元。 

5总结和展望 

机场运行在当前被认为是空中交通管制 

(ATM)的瓶颈之一。机场的延误会造成ATM的总 

[3]Advanced Surface Movement Guidance and Control System 

(A—SMGCS)Manua1.ICAO.Doc 9830.AN/452. 

『4]Advanced Surface Movement Guidance and Control System 

(A-SMGCS);Part 2:Community Specification for application 

under the Single European Sky Interoperability Regulation EC 

552/2004 for A-SMGCS Level 2 including external interfaces. 

Draft ETSI EN 303 213-2 VI.1.1.December.2009. 

体延误。而在很多城市里,对机场扩建等工程实施 

的可能性都很低。因此,对机场能力进行最大限度 

的利用显得尤为重要。A—SMGCS的出现和发展填 

补了“机场自动化管理”的空白,为缓解机场运营压 

[5]Cassell Rick,Evers Carl,Esche Jef,and Sleep Benjamin. 

NASA Runway Incursion Prevention System(RIPS)Dallas—Fort 

Worth Demonstration Performance Analysis.NASA/CR-2002— 

211677.Rannoch Corporation,Alexandria,Virgin. 

力和提高ATM整体工作效率提供了行之有效的解 

决之道。 

由于A—SMGCS的正常工作需要多方面子系统 

先进的机场场面导向和控制系统浅析

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标签:机场   场面   运行   路由   目标   功能
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