CADAS：全球空管现代化进程
空管现代化并非一个新鲜的事物，它伴随着中国民航近年来的高速发展，也将贯穿未来中国民航的高质量发展阶段，未来民航业运输形态是什么样，枢纽机场的保障能力如何提升，这些都直接与空管的现代化建设相关。本文将梳理回顾全球空管现代化建设进程。
空管现代化的由来
全球民航和空管系统都在经历新一轮的技术变革。当前，以新一代信息技术融合应用为主要特征的智慧民航正全方位重塑民航业的形态、模式和格局，空管现代化（新一代航空运输系统）正是其中的重要内容之一。空域管理是航空业发展的重要基础，出于不断增长的航空需求和运行多样性的需要，空管运行概念和规则标准正在重塑。
在21世纪初，民航空管依赖地基导航、有声无线电和人工管理，这一系统以地面为中心，相关设施布局投资大、性能不足、运行维护成本高、自动化程度低。传统的地基导航方式对地面导航台过度依赖，随着民航规模日益壮大，空管系统长期面对大容量、高密度、全天候运行压力，成为制约民航进一步发展的巨大瓶颈。
为积极应对市场发展需求和环境约束挑战，多个国际组织与国家制定了航空运输系统规划，旨在构建更为安全、更有效率、更加灵活、更可持续的新一代航空运输系统。随着世界各国的实践加深，新一代航空运输系统的概念逐步完善化、系统化和本地化。
2005年，美国联邦航空管理局（FAA）开始规划下一代航空运输系统（NextGen），为航空业的变革进行准备，将建立一个灵活高效的空管系统作为重要目标之一。同期，为应对持续增长的航班需求，欧洲制定了空中交通管理总体规划，提出欧洲单一天空空中交通管理项目（SESAR），以实现欧洲空管系统现代化。SESAR的演进路径与NextGen高度趋同，两者共同作为主要力量，孵化形成了全球普遍认可的新一代航空运输系统概念。国际民航组织ICAO在国际共识的前提下，组织制定了全球空中航行计划（GANP），此后发布并持续更新航空系统组块升级计划（ASBU），而ASBU也成为各国空管现代化战略的重要参考依据。
空管现代化的定义
新一代航空运输系统不是全新的独立系统，而是在现有基础上采用新标准、新技术、新装备和新程序集成相关航空业务子系统，通过新的运行方式、业务方式和管理模式过渡发展成为下一代航空运输体系。与传统的空管系统相比，新一代航空运输系统的重要特征是，基于卫星导航、数据链通信、自动相关监视、协同决策、全系统信息管理等新技术，形成空天地一体的网络化的空管系统。
新一代航空运输系统意味着空中交通管制从地面系统向以卫星为基础的空中交通管理系统转变。其主要技术变革主要体现在以下5个方面，分别是数据通信、卫星导航、多源监视、全系统信息管理和协同决策。
第一，新一代空管系统的通信以地空数据链为基础，主要包括甚高频数据链，高频数据链、通信卫星数据链和机场移动航空通信系统为代表的一批数据通信技术。在传统的通信方式中，飞行员与空管主要通过无线电进行语音交流，发出指令和确认指令的过程不仅耗时，还可能出现信息传达错误。新的数据通信技术允许空管和飞行员之间相互传递数字信息，实现快速准确的指令传递与确认。
第二，卫星导航的成熟和应用，是基于性能的导航（PBN）实现的先决条件。在航空飞行中，传统导航是利用地面导航台信号，通过向台或背台飞行实现对航空器的引导，因此，航路划设和终端区飞行程序受地面导航台布局和设备种类的制约。从单纯依靠地面导航台演变成依靠自身设备、空间设备或多重设备结合，不仅导航精度得到提高，飞行路线也更加灵活多变，空域使用效率得到极大提高，更加先进、可靠的进近方式也成为可能。
第三，以自动相关监视为核心的多元监视，将新的和传统的监视技术融合应用。其中，新的监视技术主要指广播式自动相关监视（ADS-B）。飞机将自身空间位置和轨迹通过数据链广播到空间和地面，周边飞机和地面管制员可以看到实时位置及飞行轨迹，这项技术是“基于航迹的运行”（TBO）理念的重要基础之一。
第四，全系统信息管理（SWIM）理念，是实现空管系统数字化、一体化的基础设施，其核心理念是在航空系统各参与方的信息系统之上建立信息共享平台。SWIM将航空各类信息进行整合，发挥信息在决策支持中的作用，网络平台透明、开放、共享，实现各类数据的打通。
第五，协同决策理念。基于数据和信息共享，新一代空管系统的智能化、精细化、网络化的协同决策成为可能。通过一体化的协同决策过程，准确掌握各相关方的运行状态、资源配置和面临问题，及时迅速地统筹制定出优化的方案措施，以充分利用空域资源、保障运行安全、减少航班延误。
空管现代化的目标
基于性能的导航（PBN）是新一代航空运输系统提出之初最核心的变化，空管系统不再强调地面设备为核心，而是以综合航行性能为核心。它将航空器的机载设备能力与卫星导航及其他先进技术结合起来，涵盖了从航路、终端区到进近着陆的所有飞行阶段，提供了更加精确、安全的飞行方法和更加高效的空管模式。
PBN是飞行运行方式的重大变革，能够有效促进民航持续安全，增加空域容量，减少地面导航设施投入，提高节能减排效果。PBN的具体优势还包括：精确地引导航空器，提高飞行运行安全性；提供垂直引导，实施连续稳定的下降程序，减少可控飞行撞地（CFIT）的风险；改善全天候运行水平，提高航班正常性，保障地形复杂机场运行的安全；实现灵活和优化的飞行航径，增加飞机业载，减少飞行时间，节省燃油等。随着新一代空管系统建设，目前，PBN已经在全球得到不同程度的推广和应用。
面向未来，新一代航空运输系统的终极目标是基于航迹的运行（TBO），这将完全有别于传统的基于空域扇区的运行。TBO是目前国际民航界普遍公认的下一代航行系统核心运行理念，是应对航空运输量持续快速增长的革命性解决方案，用于在整个运营过程中对航班进行总体规划、管理和优化。TBO依赖于空中和地面系统之间的信息交换、飞机精确飞行路线的能力以及基于时间的管理，其核心在于时间精确可控，基于经度、纬度、高度和时间4个维度的精确数据，在空管、航空公司、机场、航空器等相关方之间实时共享和动态维护航迹动态信息，进而实现多方协同决策。
与传统的基于空域扇区的运行相比，TBO的主要区别在于：航空公司与空管部门可以共享和协商航迹，航空器可根据实际情况自主选取最优化航迹，航空器之间能实现航迹共享，根据航空器性能采取不同的间隔标准，条件允许时由航空器自主保持间隔，对空指挥利用数据链修改并上传航迹指令，能精准掌握航空器飞行意图并且有助于流量预测。
中国的空管现代化
基于性能的导航（PBN）具有重要的实际应用意义，是我国从航空大国向航空强国迈进，建设新一代航空运输系统的核心技术之一。早在2009年，民航局发布了《基于性能的导航实施路线图》，将中国民航PBN实施分为三个阶段，近期（2009-2012）、中期（2013-2016）、远期（2017-2025）。近期实现PBN重点应用，中期实现PBN全面应用，远期实现PBN与CNS/ATM系统整合，成为我国发展“新一代航空运输系统”的基石之一。2010年，民航局发布了《在终端区和进近中实施RNP的运行批准指南》，PBN开始正式推进实施。目前，RNPAPCH类精密进近程序以及RNPAR已在国内得到广泛实施（RNP是PBN规范的一种），减少了非精密进近的使用，有效提升了运行安全水平。
2016年，中国民航局根据国际民航组织有关规定和标准及航空系统组块升级（ASBU）计划，充分借鉴NextGen、SESAR理念，结合中国民航发展趋势，提出了建设空管现代化发展战略（2016-2030年）。该战略共有7个运行概念：空域组织与管理、协同流量管理、繁忙机场运行、基于航迹的运行（TBO）、多模式间隔管理、军民航联合运行、基于性能的服务。战略明确了未来几年重点任务，主要在空域改革、运行效率、基础设施、新技术、人才队伍五个方面聚力攻关。
推进空域改革方面，主要包括配合国家启动空域管理体制改革，研究空域分类、民航干线航路网规划、终端区规划、飞行繁忙地区空域优化等工作并尽早实施。在总结京昆、广兰等大通道建设的基础上，继续推进中韩、京广、沪兰等单向循环大通道建设。
提升运行效率方面，将建设国家级流量管理系统和协同决策系统，完善大面积延误应急响应机制MDRS；全面应用国际民航组织新型尾流间隔标准（RECAT），完善多跑道运行模式，有条件的机场实施目视间隔和目视进近，具备管制服务能力的空域进一步缩小飞行间隔，提升空管系统运行效率。
加快基础设施建设方面，将加快建设民航运行管理中心（飞行流量管理系统）、空域管理中心（空域规划、仿真、评估系统）、航空气象中心（全国数值预报系统，亚洲气象中心）、航空情报管理中心（全国导航数据库）、覆盖全国的民航通信网工程和ADS-B、管制中心自动化系统和通信导航监视及气象设备等。
推进新技术应用方面，将继续推进已经开展的SWIM、ATN、EFP、GBAS相关项目或研究，在繁忙机场部署进离场管理（AMAN/DMAN）和先进场面引导和控制（A-SMGCS）等系统，选取有条件的机场实验连续爬升和连续下降运行（CCO/CDO），实现全国所有航路航线和终端区PBN运行。
2019年，民航局发布了中国民航航空器尾流重新分类方法与间隔标准（RECAT-CN），实现了从理论突破、技术攻关到规章起草、落地应用的全流程覆盖，目前正在北京、上海等12个主要机场推广应用。
2022年，民航局发布了《智慧民航建设路线图》，智慧民航核心建设内容包括：智慧出行、智慧空管、智慧机场和智慧监管。其中，智慧空管是指围绕四强空管建设，构建安全稳、效率高、智慧强、协同好的新一代空中交通管理系统，实现广域覆盖感知、深度网络互联、数据融合赋能、智能协同响应和智慧高效运行，提升空中交通全局化、精细化、智慧化运行能力和服务水平。路线图设置了分阶段的目标，空管层面，到2025年，开展基于四维航迹的航班运行示范应用，在全国机场实施航空器尾流重新分类管制运行，具备保障年起降1700万架次能力。
美国空管现代化现状
美国NextGen的核心技术包括广播式自动相关监视（ADS-B）、数据通信（DataComm）、航路自动化系统现代化（ERAM）、终端自动化系统现代化更新（STARS）和系统广域信息管理（SWIM）等。
根据FAA的NextGen项目报告，目前，NextGen的基础设施建设已经基本完成，例如航路自动化系统现代化（ERAM）、终端自动化系统现代化更新（STARS）等软件类自动化平台的应用提高了空管工作人员效率；新的数据链通信DataComm、PBN航路和进近程序投入使用，航班飞行轨迹得到优化、部分繁忙机场群空域得到调整，有助于减少航班飞行时间、降低油耗；ADS-B设备在监视领域初步得到应用；空域流量管理系统（TFMS）、基于时间的流量管理（TBFM）等自动决策支持系统也初步产生效益。
其中，值得单独说明的是TFMS和TBFM。空域流量管理系统（TFMS）是美国传统空管系统的升级版本，它能够缓解例如极端天气等原因造成的协调和调整航班的问题，当计划航路出现延误时，航空公司可通过该系统选择并提交其他航路方案，以减少延误时间。基于时间的流量管理（TBFM）则是一个用于规划飞机从巡航高度下降到进近管制空域的飞行轨迹的系统，它利用时间这一变量，通过对飞机的各项数据进行分析，计算出经过空中重要节点的时间，因此，空管人员可以通过指定某个时间某架飞机到达的地点来实现对飞机的排序和调度，能够在不影响飞机安全的情况下，最大程度地提升空域容量。
除基础设施和建设以外，FAA还一些通过标准层面的优化创新，例如尾流重新分类（RECAT），有效地提升了美国空域容量。飞机在飞行过程中可能遭遇尾流风险，飞机之间前后与垂直距离必须保持最小尾流间隔，机型分类方法是尾流间隔计算的基础和依据。机型分类标准越精细，前后确定的间隔越精准，飞机间隔就存在缩小空间，进而增加空域容量。RECAT概念就是一种新的机型分类标准，它首次在2007年被欧洲提出，2009年，美国开始与欧洲合作开展RECAT可行性研究。这一概念将以往基于最大起飞重量的机型分类方法调整为综合考虑最大起飞重量和翼展等因素，使得机型分类标准更加精细化。目前，RECAT已经在美国部分枢纽机场得到应用，根据FAA规划，未来几年将推进在美国所有机场统一部署。
在未来十年，FAA还加强对航路上的数据通信服务、ADS-B、PNB等基础设施的运用，进一步充分整合利用各种基础设施和系统。根据FAA的最新规划，美国NextGen的实施分为三个阶段。第一阶段是2010至2015年，主要推进基础设施建设；第二阶段是2016至2020年，主要进一步扩大基础设施的建设和深化基础设施的应用，形成多个初具TBO功能的子系统；第三阶段是2021至2030年，将完全实现NextGen的各种理念，集成全面TBO功能的系统建设完成，届时美国民航在安全性、运行效率等方面都将有进一步提升。
总体上，如果把空管现代化的过程概括为数字化、智慧化两个阶段，美国目前处在接近完成数字化建设、初步尝试探索智慧化的阶段。为推进空管系统现代化，在2017年，特朗普政府曾提出，希望通过设立非营利性非政府组织（NGO），将美国空管系统全面私有化和非营利化，减少FAA对空管的直接干预，促进空管系统改革创新，从而提高航空系统的运行和管理效率、减少政府支出。特朗普政府寄希望于通过对空中交通管理系统的彻底现代化改革，加快NextGen的应用步伐，保持技术上的国际领先地位。但这一提案最终遭到美国参议院否决，受制于一系列技术层面以外的其他机制原因，美国空管现代化仍有很长的路要走。
小结
21世纪以来，关于空管现代化的理念创新已有了显著成果，基础技术方面也有显著提升，空管能力有了长足的进步，但距离新一代航空运输系统的终极目标——TBO，还有较长的距离。TBO是一项覆盖面广、实施周期长、技术综合性强的复杂系统工程，不仅涉及飞行计划、流量管理系统、管制自动化系统、数据链系统以及机载航空电子系统设备的升级改造，更涉及管制运行流程、流量管理策略方法、飞机运行标准、协同信息等一系列技术标准的升级、制定、验证和应用。因此，空管现代化不仅依赖于科技创新能力、基础设施保障，也离不开组织机构创新、政策制度创新、管理模式创新等组织制度的支持，需要硬实力与软实力的结合与碰撞。
在此期间，中国民航市场规模高速增长，同时，空管基础设施与技术应用也突飞猛进，横向比较，中国民航已位于国际第一梯队。随着中国民航步入高质量发展阶段，在空管现代化和发展线路的理论创新方面，中国民航从最初的跟随到提出了自己的顶层设计和理论体系，国际话语权和影响力在此过程中得到提升。
笔者期待新一代航空运输系统理念早日全面实现，也期待我们早日走出一条具有中国特色、引领全球的民航创新发展之路。