2024年10月12日发(作者:)

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
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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)
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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
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