绿色电动滑行系统在低能见度运行中的应用设想

作者：运行风险控制中心-吴明奎
摘要：随着中国民航全天候运行的稳步推进，航空公司在低能见度条件下运行的航班越来越多。然而，地面滑行环节却成为低能见度运行的瓶颈，飞行员无法目视规避碰撞风险，地面的滑行变得十分困难。因此，新的地面运行程序的建立变得非常重要。本文结合绿色滑行系统的发展前景以及优势，在保证地面安全的前提下，从解决实际问题、提高运行效率的角度出发，进行了可行性分析。
关键词： 绿色滑行系统；夔龙系统；低能见度运行；ADS-B；CPDLC；A-SMGCS
一、现状
随着HUD新技术在国内的推进，部分机场已经开始实施HUD200米低能见度起飞程序。目前，这些机场没有建立A-SMGCS（先进的场面引导与控制系统），在地面仅使用FOLLOW ME车引导飞机滑行。然而，仅FOLLOW ME车引导方式效率低下、操作繁琐，已经难以满足实际运行的要求。在局部能见度低于100米的条件下，飞行员甚至无法追踪FOLLOW ME车，只能依靠拖车拖行飞机至停机位，这也增加了地面碰撞的风险。
二、绿色滑行系统及未来应用设想
（一）绿色滑行系统的功能原理
绿色电动滑行系统技术由霍尼韦尔与赛峰集团于2011年合资的EGTS International公司研发，此项技术与混合动力汽车在低速行驶时使用电力的原理相似。绿色电动滑行系统借用辅助动力装置(APU)的发电机来驱动安装于起落架主轮中的电动马达，使飞机能够自主推出，自主滑行。在不使用主发动机的情况下，以飞机自身的电力系统驱动，滑行于登机门和跑道之间[1]。每个由绿色电动滑行系统驱动的飞机机轮均配有一套控制系统，飞行员在自主滑行期间仍然可以操控飞机，掌控飞机的速度及方向。
（二）未来应用前景展望
2.2.1管制员指挥方式的改变
未来，通过对场面设备、设施、障碍物、区域分布等静态数据的采集，建立高精度的机场场面数字地图；利用场面监视雷达、ADS-B（广播式自动相关监视）、多点定位等先进技术对在机场场面运行的航空器、车辆等目标进行高精度定位并挂牌，将机场场面活动完整的呈现在管制员面前，并实现数据分析、风险识别、告警等功能。
同时，可以在此基础上建立管制员与飞行员的数据链通信，实现由语音通信到数字通信，避免口令复述错误。管制员对地面运行活动进行优先级分类，在同一优先级进行再排序，并将排序通过数据通信告知飞机，来实现地面活动的有序进行[2]。这就是A-SMGCS（先进的场面引导与控制系统），它将实现管制员通信、指挥、监控等职能。
2.2.2飞行员操作模式的改变
飞机、车辆等通过数据链通信获得管制员指令，建立滑行路线、滑行计划实现顺序滑行。飞行员通过ADS-B IN感知场面目标的活动情况，监控、识别潜在的地面交通冲突，规避障碍物，不再依赖于视觉规避冲突，从而实现低能见度滑行。
飞机与飞机、飞机与地面活动目标建立数据链通信，互相感知对方前进方向、顺序、速度等数据信息，通过地面交通防撞系统来实现地面交通冲突的识别、规避。
2.2.3地面交通防撞系统
地面滑行时，活动目标根据自身滑行速度，制动加速度，反应时间，自身的长度、宽度以及机场安全净距要求来建立自身的保护区[3]，通过数据链与其他活动目标进行数据交流，对一定范围内的目标进行监视，在感知潜在的冲突时，对飞行员进行提醒，并按照管制员赋予的优先级、排序和避让规则，地面防撞系统提供避让方案，自动避让，进而防止地面交通冲突的发生。

未来，在低能见度条件下，通过绿色电动滑行系统，飞行员无需操作飞机，完全按照管制员给出的滑行路线和指令自主滑行，只需要通过ADS-B IN系统进行地面交通监控；而管制员只需指挥系统上给出滑行路线，通过数据链直接传输到飞机上，自由的将飞机指挥至机场内任意一点。
三、 未来应用设想的可行性分析
（一）高精度定位导航系统是前提条件
通过以上的介绍我们可以发现，实现自主滑行、先进的场面引导与控制的前提是实现高精度的定位。高精度定位的地基增强系统（GBAS）也是中国民航未来发展的主要方向[4]。中国民航基于性能的导航实施路线图
不久的将来，我国的北斗定位系统也将实现高精度定位。2016年11月1日，中国航天科技集团在珠海航展现场召开新闻发布会，宣布夔龙系统建设工作全面启动。


夔龙系统从全球多达300个以上的多系统卫星导航参考站获取观测数据，计算并修正轨道误差、时钟误差等参数，并通过5颗地球同步轨道卫星和60颗以上的低轨通信卫星星座，向卫星导航终端播发相关修正参数，将卫星导航终端定位精度提高到 “厘米级” [5]。
目前，大型飞机长度和宽度达到几十米、十几米，“厘米级”的定位对于这样的庞然大物来说，定位误差可以忽略不计。如果给出飞机具体的滑行路线，精确的定位对于自主滑行的飞机来讲就像列车在铁轨上运行一样，在两点之间自由穿行。
（二）数字通信链路的建立
随着无线电语音通信凸显频率拥挤、抗干扰能力差等种种弊端，管制员飞行员数据链通信（CPDLC）应运而生。它将有效克服语音通信当中存在的问题和缺陷，实现管制指令的编译、发送、接收和解析报文的能力，将终止飞行员对于复杂管制指令的记录、复颂，提高指令的清晰度，减少差错的概率。CPDLC（管制员-飞行员数据链通信）也将作为民航通信服务的业务之一，CPDLC允许数字信息在管制员和飞行员之间往返发送[6]。
（三）场面监视技术的实现
对于场面活动的监视，机场范围内可以部署场面监视雷达，可以使用多点定位技术，也可以使用广播式自动相关监视（ADS-B）来实现对场面活动的监视，而先进场面活动引导与控制系统具备多种监视源数据接收和航迹融合功能。
广播式自动相关监视作为下一代空中运输系统的重要组成部分，将被广泛地应用于航路、终端和机场场面监视，为飞行员提供交通和气象服务，其使用S 模式1090 兆赫扩展电文数据链实现地-空、空-空数据链传输。目前，大部分航空公司飞机具有ADS-B out功能。2021-2025 年，在通过 ADS-B IN 运行试验与验证的条件下，中国民航将根据运行需求，有计划地完善广播式自动相关监视地面设施及其配套系统，实现ADS-B IN 功能[7]。
（四）先进场面活动引导与控制系统（A-SMGCS）的建立
为适应全天候运行的实施要求，在低能见度条件下实现“登机口-登机口”无缝隙、无障碍运行，ICAO对先进的地面活动引导和控制系统提出了相应的要求，中国民航也将根据机场场面监视技术的部署进度，在“十三•五”期间，适时应用先进场面活动引导与控制系统。目前，国内关于场面移动目标冲突探测、先进的滑行辅助与引导系统、场面移动目标监视和避撞技术等机场场面交通管理的先进理论已经趋于成熟，并且首都机场已经开始使用先进场面活动引导与控制系统。未来，先进的场面活动引导和控制系统将不是问题。
四、实现未来设想所带来的优势
（一）减少飞行操纵，自动滑行
绿色电动滑行系统将飞行员的工作由目前的滑行路线计划、目视观察与避让、滑行操作变更为滑行路线计划、滑行冲突监控。其中，滑行操作由飞行员变更为电动系统自动操作，飞行员只需在系统中输入指令到达点和指令路线。这将极大的缓解飞行员的劳动强度，使飞行员将精力和时间分配到飞行前计划、起飞前准备以及其他危险要素识别中，提高飞行的安全性。
（二）减少车辆使用，降低车辆对飞机的碰撞风险
绿色电动滑行系统的使用，不仅可以实现自动滑行，还可以实现飞机“后退模式”下自主运行，可以减少推车、引导车的使用；自动滑行系统的使用，可以提高飞机在机坪的便利性，实现在远机位等待，廊桥上下客、装卸货物、行李，提高廊桥的使用效率，避免廊桥拥堵，减少客梯车、摆渡车、货运托盘车等车辆的使用，最大限度的降低车辆与飞机碰撞的概率。
（三）降低燃油消耗，减少地面安全风险
绿色电动滑行系统使飞机在滑行期间无需使用主发动机动力，改为以飞机自身的电力系统驱动自主滑行。由于飞机主发动机的最佳使用状态是在飞行状态下而非滑行期间，因此飞机在地面滑行时，会造成与功率不成比例的燃油浪费。根据霍尼韦尔和赛峰集团估计，中短程飞机每天的滑行时间最多长达2.5个小时，绿色电动滑行系统可帮助每架飞机每天节省大约600公斤的燃油量。这将减少地面噪音污染、碳及氧化氮排放，有益于环境保护。同时，发动机关闭状态滑行，将降低发动机启动中对地面人员伤害的风险概率；还能帮助减少发动机和刹车片磨损，并将外来物损伤发动机的风险降到最低，从而以获去更多收益[1]。
（四）提高情景意识，有效缓解飞机冲突
在低能见度条件下，飞机自动滑行。那么，地面滑行冲突监控由飞行员通过ADS-B IN系统、管制员通过场面活动引导与控制系统、飞机自身地面交通防撞系统共同负责识别、规避风险。在能见度正常的情况下，虽然使用传统滑行模式，依然能够提高飞行员和管制员的情景意识。同时，地面防撞系统也能够进行过地面交通告警，提醒机组进行避让操作。这样将有效避免类似2016年10月11日虹桥机场飞机险撞事件的发生。
（五）与GBAS（地基增强系统）结合，前景广阔
GBAS是中国民航未来发展的主要方向，GBAS是通过对卫星定位数据的精度进行修正，来实现高精度的定位导航，进而满足航空器在进场、进近、着陆阶段实施精确导航，未来也可以为起飞、滑行提供精确数据指引。这样，GBAS的应用范围将覆盖终端区运行的全部阶段，从而提高GBAS的使用效率，并降低对传统导航设备的依赖。
（六）不必依赖滑行灯光，降低机场要求，提高机场运行容量
低能见度条件下，绿色电动滑行系统通过高精度的定位来确定滑行间隔，使用先进的场面活动引导与控制系统来规避碰撞风险，这将使得飞行员不必依靠目视规避碰撞风险，降低了对机场地面灯光系统要求，减少机场改造费用。同时，先进的运行技术和运行程序，将有效降低运行间隔，提升机场运行效率，提高低能见度运行容量。
五、结语
绿色电动滑行系统是一种新的技术，对于低能见度运行有着积极的意义。它不仅有利于航空公司节油开支，而且能够降低地面运行的安全风险。可以预见，未来随着GBAS、ADS-B IN、夔龙系统、A-SMGCS等各种先进技术在民航业的不断实施，将为绿色电动滑行系统的应用铺平了道路，最终将实现 “登机口对登机口”之间的最佳运行。
本文已发表在《交通企业管理》杂志。
参考文献：
[1] 金卯． 霍尼韦尔携手赛峰集团于巴黎航展演示绿色电动滑行系统［J］． 航空制造技术，2013（14）.
[2]霍振飞. 高级机场场面活动引导控制系统介绍［J］. 空中交通管制,2011（8）.
[3]牟奇锋，冯晓磊． 航空器地面滑行碰撞检测方法研究［J］． 中国安全科学学报，2013（12）.
[4]中国民航基于性能的导航实施路线图［R］． 中国民用航空局，2009（10）.
[5]王攀． 我国启动首个北斗全球“厘米级”定位系统建设［N］． 新华社，2016-11-1.
[6]李慧君． 管制员飞行员数据链通信的研究与实现［J］． 科技创新与应用，2015（5）.
[7]中国民航监视技术应用政策［S］． AC-115-TM-2010-01，2010-11-02.