飛機駕駛艙氣象信息傳遞與 ADS-B 應用的研究論文
1 引言
2010 年 9 月 2 日 21 時 37 分[1]，一架 B747-400 客機于桃園國際機場 24 跑道落地時,左翼主輪偏出跑道，造成飛機左翼起落架主輪第 1、3、4 號輪胎破損并造成跑道上 5 個跑道邊燈掉落。該客機于 21 時 32 分至 21 時 37 分于桃園國際機場做最后進場降落時，機場出現大雨、能見度降低及低空風切變等重要天氣現象,安裝于跑道附近的低空風切變系統在21:27 時、21:40 時發出低空風切變警告，桃園機場航空氣象臺觀測員按照觀測作業流程，于21時30分依據低空風切警報系統警報發布低空風切警報信息并于21:32時發布有效時間21:30 至 23:30 的低空風切變警報。由于探測到的低空風切變信息沒有及時傳遞到塔臺管制員，航站自動情報服務 ATIS 錄存語音廣播發布也需要一些時間，而此時飛機已經處于準備降落的階段，以致跑道上空出現的低空風切訊息未能及時傳遞到駕駛倉飛行機組，最終導致飛行安全事件發生。
飛行機組是航空氣象信息的直接使用者，而氣象信息具有高時效性特點，影響飛行安全的氣象信息、警報，需要及時有效地傳遞到駕駛倉，讓飛行員提前得到影響飛行安全的災害天氣預警，獲得提前采取應對措施的寶貴時間，避免飛行安全事故的發生，才能發揮氣象預警的作用，真正體現氣象信息的價值，為飛行安全效益服務。
2 向駕駛倉傳遞氣象信息現狀
目前，飛行機組進入駕駛倉后，在飛行準備及飛行過程中，通過以下途徑獲取氣象信息：
2.1 管制服務
管制員可將收到的由氣象部門提供氣象信息通過管制服務傳遞到駕駛倉。通過管制服務可傳遞的氣象信息主要有：塔臺管制所在機場實時更新的天氣報告、趨勢預報、機場預報、實時觀測的氣壓、風向、風速、溫度、濕度、跑道視程數據等實時數據;進近管制區域有關機場、管制區內各機場的天氣報告、趨勢預報、機場預報、航空器觀測報告，以及重要氣象情報、低空氣象情報、機場警報和風切變警報及告警，熱帶氣旋情報及潛在的積冰和顛簸情報，及火山灰云和有關噴發前火山活動或者火山噴發的情報等。
2.2 航站自動情報服務
利用航站自動情報服務(ATIS)[2]，為進離場航空器提供廣播方式的語音信息服務，向駕駛倉內飛行機組傳遞氣象信息。通過采用專用 VHF 頻率對空廣播(有國際航空服務的機場使用中英文雙語廣播)，在相關機場信息如機場名稱、著陸跑道號、決斷高度等之后廣播氣象情報：地面風向風速、能見度和跑道視程，當時天氣;低于 1500 米(5000ft)或低于最高扇區的最低高度(以較大著為準)的云、積雨云、垂直能見度;氣溫，露點，高度表撥正值，任何可提供的有關進近、起飛和開始爬高區內的重要天氣現象的情報，趨勢預報。
2.3 對空氣象廣播
在中國境內上空飛行的航空器機組可收聽來自分別設在華北地區氣象中心(北京)和中南地區氣象中心(廣州)的兩個對空廣播站播送的氣象信息，駕駛艙內飛行員可通過接收廣播獲取有關機場氣象信息，包括主要機場最新的機場例行天氣報告(METAR)、趨勢預報、機場預報(TAF)和重要氣象情報(SIGMET)。對空氣象廣播主要服務對象為航路上飛行的航空器機組，在北京時間 08 點至 24 點期間，在固定時間和頻率上，采用中英文雙語播放。
2.4 地空數據鏈
國內航空公司的飛行機組可在任何時間，任何空域通過地空數據鏈(D-VOLMET)獲得氣象消息。中國民航在華北地區氣象中心(北京)和中南地區氣象中心(廣州)，建立兩套獨立運行的地空數據鏈(D-VOLMET)信息服務中心，北京主用，廣州備用。通過 D-VOLMET 地空數據鏈可向駕駛倉傳遞最新航路上相應情報區內相關機場的氣象實況、氣象預報、重要氣象情報(SIGMET)、低空氣象情報(AIRMET)以及其他重要氣象資料。
2.5 駕駛倉氣象信息傳遞方式改進策略
通過以上方式，氣象信息可傳遞到駕駛倉內為飛行機組提供航空氣象服務，但提供的氣象信息和服務方式，在信息的格式內容，傳遞的效率以及點對點形式上，與飛行機組對氣象服務的要求還有很大差距，特別是危及飛行安全的氣象探測及預警預報氣象信息的傳遞，在內容和效率上需要進一步提高。隨著地空通訊技術的不斷發展和航空氣象服務能力不斷提高，飛行機組與地面之間的信息交互將朝著點對點、高速、數字化的通訊方向發展，氣象信息傳輸也將突破語音和文字的限制，向數字圖像和多媒體方向發展，向駕駛倉傳遞氣象信息，在方式和手段以及內容上要順應技術發展潮流進行變革，以滿足航空業高速發展對氣象安全保障工作的要求。 為配合中國民航建設新一代航空運輸體系的構想，新一代航空氣象系統建設將以“全面系統地提高天氣觀測和預報水平，大大減少天氣對飛行的影響”為目標，建立適宜用戶需求的航空氣象保障服務系統，有針對性地開發航空氣象服務產品和服務手段，提高氣象服務水平，更好地滿足用戶業務系統安全運行的需求。建設一新代航空氣象系統，要順應新一代航行系統技術發展的潮流趨勢，應用新技術，建立新的地空通訊服務渠道，減少氣象信息傳輸中間環節，使氣象信息使用者能更快捷、更高效獲取更豐富的氣象信息，為運行決策提供氣象服務。
廣播式自動相關監視 ADS-B 技術是新航行系統中非常重要的通信和監視技術，根據《中國民航廣播式自動相關監視(ADS-B)實施線路圖》[3],在不遠的將來，廣播式自動相關監視(ADS-B)將作為中國民航主要監視手段。開展廣播式自動相關監視(ADS-B)的應用研究，利用 ADS-B 技術，建設氣象信息傳輸新的地空通訊方式，建設一個更為高效的、直接面向駕駛倉傳遞氣象信息的手段和方式，為飛行機組提供傳遞手段更為直接、高效，內容更為及時、豐富的氣象信息傳遞服務方式，有助提高航空氣象服務水平，助力飛行安全。
3 廣播式自動相關監視(ADS-B)
ADS-B 是 廣 播 式 自 動 相 關 監 視[4]的 英 文 縮 寫 ( Automatic Dependent Surveillance-Broadcast), 是利用空地/空空數據鏈為通信手段、以導航系統及其他設備數據源，采用機載電子設備自動廣播航空器呼號、位置、高度、速度等飛行狀態信息供管制指揮的技術，其他航空器、地面站都可以通過數據鏈接收此類數據，完成交通監視和信息傳遞的一種航行新技術，并可應用于多種用途，如空中交通管理監視服務、未來空-空監視、等應用服務。ADS-B 技術把沖突探測、沖突避免、沖突解決、ATC 監視和 ATC 一致性監視以及機艙綜合信息顯示有機的結合起來，為新航行系統增強和擴展提供非常豐富的功能，同時也帶來了潛在的.經濟效益和社會效益。國際民航組織(ICAO)將其確定為未來監視技術發展的主要保障飛行安全、提高運行效率、增大空中交通流量、減少建設投資的重要技術手段，是我國向民航強國邁進的標志之一。 ADS-B 技術可以分為 OUT 和 IN 兩種功能。
3.1 ADS-B OUT
如果機載系統僅廣播信息，則稱為ADS-B(OUT)：通過ADS-B OUT功能，航空器發送自身位置信息、速度、方向和爬升率等飛行狀態信息，地面系統通過接收機載設備發送的 ADS-B OUT 信息，監視空中交通狀況，起到類似于雷達的作用。
3.2 ADS-B IN
如果機載系統既向外廣播，又接收周邊其他飛機的廣播信息，則稱為 ADS-B IN 功能。通過 ADS-B IN 功能，航空器接可收其他航空器發送的 ADS-B OUT 信息或地面服務設備發送的信息，機組通過駕駛艙交通信息顯示設備(CDTI)上可“看到”其他航空器的運行狀況，從而提高機組的空中交通情景意識。利用 ADS-B IN，可為機組獲取飛行運行支持信息提供新渠道，機組可及時了解航路氣象和空域限制等信息，為飛行安全提供保障。
3.3 利用ADS-B IN 傳輸的信息
利用ADS-B IN 功能通過ADS-B地面站向航空器發送兩類信息：空中交通情報服務廣播和飛行信息服務廣播。
TIS-B：ADS-B 地面站接收航空器發送的 ADS-B 位置報文，將這 些 數 據 傳 遞 給 監視 數 據 處 理 系 統 (Surveillance data processing system，SDPS)，同時 SDPS 也接收雷達和其他監視設備的數據，SDPS 將這些數據融合為統一的目標位置信息，并發送至TIS-B 服務器。TIS-B 服務器將信息集成和過濾后，生成空中交通監視全景信息，再通過ADS-B地面站發送給航空器。這樣機組就可以獲得全面而清晰的空中交通信息。TIS-B的應用可以使ADS-B不同數據鏈類型的用戶獲得周邊的空域運行信息，從而做到間接互相可見。 FIS-B：ADS-B 地面站向航空器傳送氣象、航行情報等信息。這些信息可以是文本數據，也可以是圖像數據，圖像格式的信息包括雷達混合圖像、臨時禁飛區域和其他航行信息。FIS-B 使機組可以獲得更多的運行相關信息，及時了解航路氣象狀況和空域限制條件，為更加靈活而安全的飛行提供保障。
3.4 駕駛艙交通信息顯示設備(CDTI)
為實現ADS-B IN功能，除地面設施外，航空器還需要安裝與之交聯的駕駛艙交通信息顯示設備(CDTI：Cockpit Display of Traffic Information)，以接收其他航空器發送的ADS-B OUT信息或地面服務設備發送的信息，飛行員通過駕駛艙交通信息顯示設備(CDTI)上可 “看到”其他航空器的運行狀況及空中 交 通 情 報 服 務 廣 播( TIS-B)信息和飛行信息服務廣播(FIS-B)信息，為機組提供運行支持。
4 ADS-B 在航空氣象領域的應用
自動相關監視廣播(ADS-B)技術功能可應用在航空氣象領域中，利用ADS-B OUT技術，可下傳飛機探測的氣象資料，利用ADS-B IN 技術，可向航空器傳遞氣象信息。
4.1 ADS-B OUT在航空氣象領域的應用
應用自動相關監視廣播ADS-B OUT技術，通過空-地數據鏈廣播式向ADS-B地面站下傳航空器實時探測的航向、空速、風速、風向和溫度等探測信息，由此可建立飛機大氣探測系統并實時收集、處理探測資料，使飛機探測氣象資料的應用進一步得到加強。
4.2 ADS-B IN 在航空氣象領域的應用
應用ADS-B IN 技術，ADS-B地面站通過空-地數據鏈可以向航空器傳送氣象信息，這些氣象信息可以是文本數據，也可以是圖形數據。文本格式的氣象信息可包括日常報(METAR)、特選報(SPECI)、機場天氣預報(TAF)及高空風溫預告圖等飛行氣象情報;圖形格式的信息包括雷達圖像、氣象云圖圖像等。
通過向駕駛艙傳遞氣象信息，氣象信息與航空器及其他運行信息相融合，可為飛行機組提供運行圖景，將有效提高機組安全運行能力，而駕駛艙以文本和圖形格式獲取氣象信息的能力，對機組運行圖景的實現至關重要。利用ADS-B IN進行飛行信息服務廣播(FIS-B)，將氣象情報直接地傳遞到駕駛艙里, 機組通過駕駛艙交通信息顯示設備(CDTI)即時獲取氣象信息，及時了解機場、機場終端區、航路的天氣狀況，特別是災害天氣情報的即時傳遞，為機組飛行計劃修訂、提前采取避險措施提供寶貴的時間，為飛行安全提供更加有力的氣象保障。應用ADS-B IN 技術向駕駛艙傳遞氣象信息，成為“天路”上向駕駛艙內飛行機組提供氣象信息真正的“氣象通道”，是氣象服務機構向駕駛艙傳遞氣象信息 ，實現航空氣象面向飛行機組“點對點”服務新的技術手段。
5 利用 ADS-B 實現氣象信息傳輸和處理構想
目前，美國聯邦航空管理局(Federal Aviation Administration，FAA)已將自動相關監視廣播 ( ADS-B )確定為下一代空中交通運輸系統的基石之一，以期減少航班延誤，提高系統運行的安全性。ADS-B 在越來越多的領域應用上走向正軌，在航空氣象領域應用ADS-B 技術，可為機組提供圖形化的氣象信息，突破目前的傳遞方式只能傳輸語音、文本的限制。美國正在研制使用駕駛艙天氣技術融合信息的傳輸、顯示方式，值得我們借鑒，著手研制我國未來氣象信息上傳駕駛艙的方式和標準，為新一代航空氣象系統建設做好準備。
根據我國 ADS-B 建設規劃，ADS-B 信息傳輸方案按層級傳輸原則，在建設 ADS-B 地面站的同時，建設三個層級的 ADS-B 信息傳輸網絡及數據處理中心[3]：第一層級為空管局一級
數據處理中心(1 個)，負責對全國 ADS-B 信息進行匯集處理;第二層級為地區空管局二級數據處理中心(7 個)，負責對轄區內 ADS-B 信息匯集處理并上傳民航局空管局數據處理中心，接收相鄰地區空管局瞎傳的 ADS-B 信息，并對轄區內及引接相鄰空管局的 ADS-B 信息傳輸進行配置;第三個層級為空管分局站三級數據處理中心(37 個)，負責轄區內 ADS-B 信息匯集處理并上傳所屬地區空管局數據處理中心，接收所屬地區空管局下傳相鄰管制區的ADS-B 信息[5]。
民航氣象業務運行體系由民航氣象中心、地區氣象中心、機場氣象臺(站)三級氣象服務機構組成，與ADS-B信息傳輸方案三個層級相對應。民航氣象三個層級的服務機構可建設與ADS-B信息傳輸方案三個層級數據處理中心相應的數據處理子中心，利用ADS-B地面站，應用自動相關監視廣播ADS-B OUT技術下傳飛機探測的氣象資料及 ADS-B IN 技術向航空器傳遞氣象信息，實現民航氣象與航空器的空-地數據鏈氣象信息傳輸[6]。 利用ADS-B IN 技術向駕駛艙傳遞氣象信息，使航空氣象服務機構能夠直接面對航空氣象信息直接使用者飛行機組，實現點對點服務，為飛行機組提供更為豐富、直觀的圖形化氣象信息，減少氣象信息傳遞中間環節，提高氣象信息的使用效率，為飛行機組規避惡劣天氣，提高飛行安全運行能力提供氣象支持。
5.1 應用 ADS-B IN 向駕駛倉傳遞氣象信息
應用 ADS-B IN 技術，民航氣象部門通過 ADS-B IN 地面站，可向駕駛艙傳遞文本格式和圖形格式的氣象信息，通過駕駛艙內的駕駛艙交通信息顯示設備(CDTI)顯示圖文氣象信息，突破了目前的傳遞手段只能提供語音和文本氣象信息的限制，為飛行機組提供更快捷、直觀、易懂，可融入決策系統的氣象信息。
新一代航空氣象系統將進一步完善地基探測網絡和空基探測網絡的建設，探測網絡將覆蓋機場、機場終端區及沿航線區域，通過提高航空氣象探測技術能力和探測精度與密度，將為飛行安全提供更為豐富、精確的探測資料，特別是危險天氣的探測與告警，如終端區低空風切變探測與告警、航路強雷暴區、顛簸區、積冰區的探測與告警;通過改進數值預報技術，提高預報準確率，深度開發研究精確航空氣象服務種類，開發針對飛行機組在不同飛行階段個性化的、內容更為豐富、時空分辨率更高的預報產品，如根據航路、航線，與飛行位置相結合且能夠顯示天氣系統位置、尺度、強度及其變化、移向移速的預報產品，特別是強對流天氣、低空風切變、低能見度、顛簸、積冰等對飛行安全、正常有重要影響的災害性天氣的 客觀臨近預報產品。這些高精度探測資料及重要天氣預警、預報等影響飛行安全的氣象信息可以是文字，更多的是圖形格式，通過 ADS-B IN 及時傳遞到駕駛艙內，同化或集成隱含在機艙系統里，嵌入到駕駛艙決策系統當中，為機組提供運行圖景，實現氣象信息與機組運行決策高效融合，為規避惡劣天氣和航空器安全運行提供高效的氣象支持。
6 結束語
自動相關監視廣播(ADS-B)在越來越多領域的應用正在走向正軌，在航空氣象領域中的應用大有作為，利用 ADS-B IN 技術，可將氣象信息傳遞到駕駛艙，氣象信息嵌入駕駛艙決策系統成為可能，為飛行機組飛行安全正常決策發揮氣象作用。民航氣象應當抓住中國民航建設自動相關監視廣播(ADS-B)契機[7]，提前謀劃，在建設新一代航空氣象系統的同時，參與 ADS-B 的規劃與建設，為今后利用 ADS-B IN 技術向駕駛艙傳遞氣象信息，發揮氣象信息在駕駛艙決策系統的作用提供發展空間。
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