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羅德與施瓦茨基于CERTIUM?VCS-4G的虛擬ATC管制中心助力“智慧空管”建設

【空管新技術應用分析】羅德與施瓦茨公司的CERTIUM?VCS-4G基于全IP架構,是市場上最具創新性的空中交通管制(ATC)語音交換通信(VCS)系統,能夠提供豐富的功能和無縫空域切換操作。CERTIUM?VCS-4G利用了IP的優勢技術,在提供強大的安全性和靈活性的同時簡化ATC管制員的操作,并且易于管理,進一步助力和促進“智慧空管”建設。

羅德與施瓦茨提出的CERTIUM?是一種先進的ATC系統架構,CERTIUM?VCS-4G屬于CERTIUM?架構的一部分。CERTIUM?架構由多款產品構成,能夠有效的為ATC關鍵基礎設施提供有效的安全保障。

例如,CERTIUM?VCS-4G與CERTIUM?電臺系列的組合,顯著改善了系統集成方式,并能實現集中監控和管理。CERTIUM具有市場上獨一無二的四重冗余,CERTIUM?VCS-4G在系統、m+n電臺冗余備份、集中監控管理、網絡等領域都確保系統保持運行的可靠性。

 

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圖 1 CERTIUM架構概念

航班密度、成本與不斷發展的航空產業之間的矛盾

目前,各地的ATC機構都面臨著不斷上升的航班密度和降低成本的壓力。例如在歐洲,由于每個國家都有各自的空域,航班在飛行途中會經過多個空域。下圖顯示了中歐上空ATC管制區的現狀。紅線表示兩條假設的航線,一條從法國飛往德國,另一條從意大利飛往德國。從圖中可以看出,即使是像這樣的短途航班,也需要在多個ATC管制區之間頻繁切換:法國-比利時-荷蘭-德國,意大利-瑞士-奧地利-德國。

 

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圖 2 在歐洲上空的航班路線(紅色),飛行過程中遇到頻繁的ATC管制移交

ATC管制空域的移交也經常由地理條件決定(見圖3)。圖中存在無線電覆蓋盲區,這就導致需要額外的ATC通信設備來保障跨區域航班的無縫通信。如果使用傳統的時分復用(TDM)技術,ATC管制員只能使用本地ATC管制中心的設備。由于這些設備無法接入到網絡,各個管制中心之間無法直通連接,所以在每個ATC管制中心都必須有相關的ATC管制員時刻進行管制。

 

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圖 3 地理環境產生的無線電盲區導致的ATC切換示意

這種工作機制都會對空中交通產生不利影響。一方面,頻繁的ATC管制職責移交需要大量的管制員——這最終會影響機票價格。另一方面,每一次ATC管制職責移交都需要在不同的管制中心之間對被管制航班進行正式交接,會造成管制員的工作量的增大和工作時間的延長。這種頻繁的管制移交增加了飛行員和管制員的負荷,提高了運行成本,限制了空域的航班容量。同樣的問題在全球很多地區都存在。這種高運營成本和有限的空域容量,同不斷發展的航空產業之間,產生了直接的矛盾。

解決方案:IP技術與標準化

有兩項措施可用解決上述矛盾。第一種是在不同國家和地區之間使用通用的通信資源。第二種是對管制員和飛行員之間的無線語音通信,采用標準化的通信接口。該接口用于提供管制員和飛行員之間的無線語音通信(地-空通信),以及在各區域管制中心之間搭建專用的通信設備,供管制員之間使用(地-地通信)。

第一種方法需要所有ATC設備都來自同一家供應商,而第二種方法只需ATC設備都采用統一的標準,顯然第二種方法更為可行。而IP協議是這樣的一種通用的標準。幾年前,歐洲民航設備組織(EUROCAE)聯合包括羅德與施瓦茨在內的行業內多家公司和機構建立了EUROCAE ED-137接口標準?,F在源自歐洲的ED-137標準已經被世界上越來越多的ATC機構采用,包括美國、澳大利亞、巴西、中國等,并且國際民航組織(ICAO)也將該標準加入到了它的全球規范中。

目前,通過IP進行語音通話(VoIP)的技術正在逐步進入ATC領域。為滿足ATC對安全性的要求,在標準中增加了增強的失效保護能力、單工方法等多種適應性和擴展性。羅德與施瓦茨公司提供的CERTIUM?VCS-4G語音通信解決方案和CERTIUM?架構中的M3SR系列4100/4400和4200電臺都配備了符合EUROCAE ED-137標準的接口。通過CERTIUM?,羅德與施瓦茨公司將VoIP技術使用在控制中心語音通信系統和電臺系統中,是世界上首家實現了ATC云通信的廠商。

羅德與施瓦茨的ATC通信系統解決方案將IP技術貫穿整體,完全替代了傳統的TDM方式。所有通信資源均配備ED-137 VoIP接口,并通過高效、安全的IP網絡進行連接。用戶可以搭建虛擬管制中心,將分布在不同地區的多個管制中心集中控制。通過這種VoIP云通信的方式,甚至可以取消某些管制中心,以虛擬管制中心的方式來訪問遠端的電臺。羅德與施瓦茨提供的虛擬管制中心可以有效的降低成本,還具有更高的工作效率和更低的整體系統故障率,提高安全性。如圖4所示,兩個虛擬管制中心和3個電臺通過IP網絡連接,當一號虛擬管制中心發生故障,或者停機維護時,二號虛擬管制中心可以無縫切換并接管全部3個電臺,從而承擔一號虛擬管制中心的職責。這種切換對ATC是透明的。 

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圖 4 采用的統一ED 137接口的組網式ATC管控

羅德與施瓦茨使用CERTIUM?VCS-4G系統的解決方案,全球首次實現了基于云的虛擬ATC管制中心技術,支持對多個國家、地區的ATC聯合管制的空域進行必要的架構調整。不同的國家、地區在ATC方面存在不同的規定,虛擬管制中心能夠兼容不同的規定,將多個國家和地區的ATC管制區域聯合在一起。系統能夠整合所需的管制中心,并提供基于云的通信資源訪問,減少了航班在跨區域飛行時,多個管制中心之間復雜、耗時的ATC管制移交次數,并降低了運營成本。

應用案例:愛爾蘭和冰島

羅德與施瓦茨基于CERTIUM?VCS-4G的虛擬ATC管制中心技術已經得到了應用,典型的案例來自愛爾蘭和冰島,即北大西洋空中飛行走廊虛擬管制中心項目。

如下圖所示,愛爾蘭(IAA)和冰島(ISAVIA)的ATC管制機構共同負責北大西洋空中飛行走廊的空域交通管制。IAA和ISAIVA兩地ATC區管中心之間空域較大,距離較遠且存在大量的跨區域航班,需要在雙方ATC管制中心之間頻繁的進行高效、動態的ATC資源的分配和切換。為了高效管制空域,IAA和ISAVIA聯合對雙方現有ATC系統進行了改造,采用了ATC虛擬管制中心架構,能夠實現以前不可行的要求,即冰島的ATC管制中心可以完全接管愛爾蘭ATC管制中心的職能,反之亦然。此外,在發生重大系統故障,甚至兩個管制中心中任何一個中心的系統發生故障時,另外一個中心仍可以保障兩個區管中心的管制需求。

 

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圖 5 北大西洋飛行走廊空管區域示意圖

羅德與施瓦茨CERTIUM?VCS-4G虛擬中心技術完全實現了上述要求。愛爾蘭和冰島的ATC區管中心在配備了CERTIUM?VCS-4G系統后,實現了兩地在云架構中互聯互通,一個ATC區管中心的管制員能夠完全或部分接管另一個ATC區管中心的管制職責。

總結

目前,國際上各國、各地區的ATC都面臨著空域內航班密度上升和降低成本這兩方面的需求。羅德與施瓦茨通過CERTIUM?VCS-4G,實現了虛擬ATC管制中心,能夠有效的緩解兩個需求之間的矛盾。羅德與施瓦茨采用了全IP的架構,將多個ATC管制區域的通信功能共享于云端,多個ATC管制中心可以聯合工作,整合使用云中的資源。這種虛擬ATC管制中心已經在北大西洋空中飛行走廊(愛爾蘭和冰島)虛擬管制中心項目中得到了應用,證明了它的優勢。

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