飛機駕駛艙氣象資訊傳遞與 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 客機於桃園國際機場 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 號輪胎破損並造成跑道上 5 個跑道邊燈掉落。該客機於 21 時 32 分至 21 時 37 分於桃園國際機場做最後進場降落時，機場出現大雨、能見度降低及低空風切變等重要天氣現象,安裝於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，於21時30分依據低空風切警報系統警報釋出低空風切警報資訊並於21:32時釋出有效時間21:30 至 23:30 的低空風切變警報。由於探測到的低空風切變資訊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，而此時飛機已經處於準備降落的階段，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資訊的直接使用者，而氣象資訊具有高時效性特點，影響飛行安全的氣象資訊、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，獲得提前採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，真正體現氣象資訊的價值，為飛行安全效益服務。

　　2 向駕駛倉傳遞氣象資訊現狀

　　目前，飛行機組進入駕駛倉後，在飛行準備及飛行過程中，透過以下途徑獲取氣象資訊：

　　2.1 管制服務

　　管制員可將收到的由氣象部門提供氣象資訊透過管制服務傳遞到駕駛倉。透過管制服務可傳遞的氣象資訊主要有：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、溼度、跑道視程資料等實時資料;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，及火山灰雲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資訊服務，向駕駛倉內飛行機組傳遞氣象資訊。透過採用專用 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)，在相關機場資訊如機場名稱、著陸跑道號、決斷高度等之後廣播氣象情報：地面風向風速、能見度和跑道視程，當時天氣;低於 1500 米(5000ft)或低於最高扇區的最低高度(以較大著為準)的雲、積雨雲、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資訊，駕駛艙內飛行員可透過接收廣播獲取有關機場氣象資訊，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物件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，採用中英文雙語播放。

　　2.4 地空資料鏈

　　國內航空公司的飛行機組可在任何時間，任何空域透過地空資料鏈(D-VOLMET)獲得氣象訊息。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)，建立兩套獨立執行的地空資料鏈(D-VOLMET)資訊服務中心，北京主用，廣州備用。透過 D-VOLMET 地空資料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 駕駛倉氣象資訊傳遞方式改進策略

　　透過以上方式，氣象資訊可傳遞到駕駛倉內為飛行機組提供航空氣象服務，但提供的氣象資訊和服務方式，在資訊的格式內容，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資訊的傳遞，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髮展和航空氣象服務能力不斷提高，飛行機組與地面之間的資訊互動將朝著點對點、高速、數字化的通訊方向發展，氣象資訊傳輸也將突破語音和文字的限制，向數字影象和多媒體方向發展，向駕駛倉傳遞氣象資訊，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，建立適宜使用者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，更好地滿足使用者業務系統安全執行的需求。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，減少氣象資訊傳輸中間環節，使氣象資訊使用者能更快捷、更高效獲取更豐富的氣象資訊，為執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訊和監視技術，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，建設氣象資訊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資訊的手段和方式，為飛行機組提供傳遞手段更為直接、高效，內容更為及時、豐富的氣象資訊傳遞服務方式，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/空空資料鏈為通訊手段、以導航系統及其他裝置資料來源，採用機載電子裝置自動廣播航空器呼號、位置、高度、速度等飛行狀態資訊供管制指揮的技術，其他航空器、地面站都可以透過資料鏈接收此類資料，完成交通監視和資訊傳遞的一種航行新技術，並可應用於多種用途，如空中交通管理監視服務、未來空-空監視、等應用服務。ADS-B 技術把衝突探測、衝突避免、衝突解決、ATC 監視和 ATC 一致性監視以及機艙綜合資訊顯示有機的結合起來，為新航行系統增強和擴充套件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、提高執行效率、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誌之一。 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資訊，則稱為ADS-B(OUT)：透過ADS-B OUT功能，航空器傳送自身位置資訊、速度、方向和爬升率等飛行狀態資訊，地面系統透過接收機載裝置傳送的 ADS-B OUT 資訊，監視空中交通狀況，起到類似於雷達的作用。

　　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資訊，則稱為 ADS-B IN 功能。透過 ADS-B IN 功能，航空器接可收其他航空器傳送的 ADS-B OUT 資訊或地面服務裝置傳送的資訊，機組透過駕駛艙交通訊息顯示裝置(CDTI)上可“看到”其他航空器的執行狀況，從而提高機組的空中交通情景意識。利用 ADS-B IN，可為機組獲取飛行執行支援資訊提供新渠道，機組可及時瞭解航路氣象和空域限制等資訊，為飛行安全提供保障。

　　3.3 利用ADS-B IN 傳輸的資訊

　　利用ADS-B IN 功能透過ADS-B地面站向航空器傳送兩類資訊：空中交通情報服務廣播和飛行資訊服務廣播。

　　TIS-B：ADS-B 地面站接收航空器傳送的 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裝置的資料，SDPS 將這些資料融合為統一的目標位置資訊，併發送至TIS-B 伺服器。TIS-B 伺服器將資訊整合和過濾後，生成空中交通監視全景資訊，再透過ADS-B地面站傳送給航空器。這樣機組就可以獲得全面而清晰的空中交通訊息。TIS-B的應用可以使ADS-B不同資料鏈型別的使用者獲得周邊的空域執行資訊，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、航行情報等資訊。這些資訊可以是文字資料，也可以是影象資料，影象格式的資訊包括雷達混合影象、臨時禁飛區域和其他航行資訊。FIS-B 使機組可以獲得更多的執行相關資訊，及時瞭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 駕駛艙交通訊息顯示裝置(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訊息顯示裝置(CDTI：Cockpit Display of Traffic Information)，以接收其他航空器傳送的ADS-B OUT資訊或地面服務裝置傳送的資訊，飛行員透過駕駛艙交通訊息顯示裝置(CDTI)上可 “看到”其他航空器的執行狀況及空中交通情報服務廣播( TIS-B)資訊和飛行資訊服務廣播(FIS-B)資訊，為機組提供執行支援。

　　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資訊。

　　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，透過空-地資料鏈廣播式向ADS-B地面站下傳航空器實時探測的航向、空速、風速、風向和溫度等探測資訊，由此可建立飛機大氣探測系統並實時收集、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地面站透過空-地資料鏈可以向航空器傳送氣象資訊，這些氣象資訊可以是文字資料，也可以是圖形資料。文字格式的氣象資訊可包括日常報(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;圖形格式的資訊包括雷達影象、氣象雲圖影象等。

　　透過向駕駛艙傳遞氣象資訊，氣象資訊與航空器及其他執行資訊相融合，可為飛行機組提供執行圖景，將有效提高機組安全執行能力，而駕駛艙以文字和圖形格式獲取氣象資訊的能力，對機組執行圖景的實現至關重要。利用ADS-B IN進行飛行資訊服務廣播(FIS-B)，將氣象情報直接地傳遞到駕駛艙裡, 機組透過駕駛艙交通訊息顯示裝置(CDTI)即時獲取氣象資訊，及時瞭解機場、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、提前採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資訊，成為“天路”上向駕駛艙內飛行機組提供氣象資訊真正的“氣象通道”，是氣象服務機構向駕駛艙傳遞氣象資訊，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 實現氣象資訊傳輸和處理構想

　　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，提高系統執行的安全性。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資訊，突破目前的傳遞方式只能傳輸語音、文字的限制。美國正在研製使用駕駛艙天氣技術融合資訊的傳輸、顯示方式，值得我們借鑑，著手研製我國未來氣象資訊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 資訊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 資訊傳輸網路及資料處理中心[3]：第一層級為空管局一級

　　資料處理中心(1 個)，負責對全國 ADS-B 資訊進行彙集處理;第二層級為地區空管局二級資料處理中心(7 個)，負責對轄區內 ADS-B 資訊彙集處理並上傳民航局空管局資料處理中心，接收相鄰地區空管局瞎傳的 ADS-B 資訊，並對轄區內及引接相鄰空管局的 ADS-B 資訊傳輸進行配置;第三個層級為空管分局站三級資料處理中心(37 個)，負責轄區內 ADS-B 資訊彙集處理並上傳所屬地區空管局資料處理中心，接收所屬地區空管局下傳相鄰管制區的ADS-B 資訊[5]。

　　民航氣象業務執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資訊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資訊傳輸方案三個層級資料處理中心相應的資料處理子中心，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資訊，實現民航氣象與航空器的空-地資料鏈氣象資訊傳輸[6]。利用ADS-B IN 技術向駕駛艙傳遞氣象資訊，使航空氣象服務機構能夠直接面對航空氣象資訊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、直觀的圖形化氣象資訊，減少氣象資訊傳遞中間環節，提高氣象資訊的使用效率，為飛行機組規避惡劣天氣，提高飛行安全執行能力提供氣象支援。

　　5.1 應用 ADS-B IN 向駕駛倉傳遞氣象資訊

　　應用 ADS-B IN 技術，民航氣象部門透過 ADS-B IN 地面站，可向駕駛艙傳遞文字格式和圖形格式的氣象資訊，透過駕駛艙內的駕駛艙交通訊息顯示裝置(CDTI)顯示圖文氣象資訊，突破了目前的傳遞手段只能提供語音和文字氣象資訊的限制，為飛行機組提供更快捷、直觀、易懂，可融入決策系統的氣象資訊。

　　新一代航空氣象系統將進一步完善地基探測網路和空基探測網路的建設，探測網路將覆蓋機場、機場終端區及沿航線區域，透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;透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、時空解析度更高的預報產品，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資訊可以是文字，更多的是圖形格式，透過 ADS-B IN 及時傳遞到駕駛艙內，同化或整合隱含在機艙系統裡，嵌入到駕駛艙決策系統當中，為機組提供執行圖景，實現氣象資訊與機組執行決策高效融合，為規避惡劣天氣和航空器安全執行提供高效的氣象支援。

　　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，可將氣象資訊傳遞到駕駛艙，氣象資訊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，為今後利用 ADS-B IN 技術向駕駛艙傳遞氣象資訊，發揮氣象資訊在駕駛艙決策系統的作用提供發展空間。