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当前，航空运行模式建立在空域和扇区的基础上，空中交通管制（简称空管）部门（Air Transport Management，ATM）在已知飞机当前位置的情况下做出统筹决策，飞行管理系统在接收空管部门决策指令的前提下，协助飞行员完成从起飞到着陆的各项任务。空域是根据飞行和作战需要划分的一定范围的空间，通常以明显地标和导航台为标志。由于飞行管理系统自主规划路径的能力与权限有限，因此，在传统航空运行模式下，飞机只能在规定的空间做背台飞行或向台飞行，航线比较固定，通常达不到大圆航线下的最短路径要求。又由于导航精度有限，飞行管理系统控制下飞机的飞行误差较大，因此导致航线之间容留的安全间隔较大，使有限空间能够容纳的航线数量较少，在航线繁忙的时候容易造成航线的拥挤。此时，拥堵空域的交通压力都集中到空管部门。由于空管部门不能精确地预测飞机未来的动向并进行统筹安排，因此导致扇区之间不能有效地动态分配资源，造成资源利用不均，并且容易引发安全事故。随着民用航空业的快速发展，现行空中交通管制系统保障能力却日渐局促，空中交通流量密集，枢纽机场、主要航路容量已经饱和，由此导致的空中交通拥堵和航班延误现象日益严重，极大地影响了飞行效率和飞行安全。
在空域使用矛盾和协同管制问题进一步加剧的情况下，需要对现行的空中交通管制和保障能力提出更高的要求。因此，如何提升空中交通管制系统运行和保障能力是需要解决的首要问题。在传统的航空运行模式下，空管部门承担了绝大部分的决策任务，而且，空管部门无法对所有飞机的航迹进行精确的预测，只能在飞机当前位置已知情况下做出战术决策，无法对飞行流量做出全局的战略安排。此外，繁重的管制和决策任务也增加了空管人员的压力，容易造成空中交通拥堵，引发安全问题。综上可知，传统空中交通管制模式无法满足未来大密度飞行流量的要求。
为了进一步提高飞行效率和空域流量，保障飞行安全，基于航迹运行（Trajectory Based Operation，TBO）模式应运而生。TBO的概念来源于国际民用航空组织（ICAO）发布的第9854号文件《全球空中交通管理运营概念》，其定义为空中交通管制系统在飞行的所有阶段考虑有人或无人驾驶飞机的航迹，并管理该航迹与其他航迹或其他危害的相互作用，尽可能与用户要求的航迹误差最小，以实现系统最佳的运行效果。
TBO的核心是信息交换和协同决策，是以飞机飞行全生命周期的四维航迹（Four Dimensional Trajectory，4DT）为中心，空管部门、航空公司运营通信系统和飞机之间通过共享、协商、管理动态航迹，实现飞行规划和飞行实施全过程的一体化。同时，利用数据链技术，实现空地数字化协同管制。基于航迹的全运行阶段的管理过程如图1-2所示，基于空域和扇区的运行与基于航迹的运行的区别如表1-1所示。
与传统航空运行方式相比，TBO具有以下突出特点：
1）精细化
引入四维航迹的概念，一方面使空域的使用和管理转变为四维时空资源的综合管理，另一方面使飞机的飞行过程变为定时、可控、可达，空中交通管制的时间分辨率将大大提高，由原来分钟级的管理运营控制，提高到10秒级的定时到达控制，时间和空间资源的使用效率大幅度提高。
图1-2 基于航迹的全运行阶段的管理过程
表1-1 基于空域和扇区的运行与基于航迹的运行的区别
2）协同化
TBO的核心是信息交换和协同决策，其主要作用体现在以下3个方面。
（1）运行的协同。参与航班航迹管理和维护的利益相关方通过协同的信息环境进行协同决策。
（2）信息的协同。信息的协同包括综合飞行流量、气象、情报等各类信息的协同。
（3）系统的协同。利用数据链技术实现地面空中交通管制系统与机载航空电子系统的协同。
3）可预知
地面空中交通管制系统可以获取由机载飞行管理系统计算的准确的四维航迹，进而预知指定空域未来的运行态势，从而提高空中交通管制系统的情景态势感知能力，便于提前采取措施缓解潜在的交通拥堵压力和避免飞行冲突。这些特点使TBO能够带来容量、效率和安全性的提升，减少燃油消耗和碳排放，增加航班灵活性和可预测性，充分利用地面空中交通管制系统的自动化和飞机的性能。
2012年11月，在第12届全球空中航行大会上，国际民用航空组织积极开展以基于航迹运行为核心的下一代航空运输系统和飞行管理系统的研制与升级，在《全球空中航行容量与效率计划》（第9750号文件）中正式推出了酝酿已久的“航空系统组块升级计划”（Aviation System Block Upgrade，ASBU），作为2013—2028年全球空中航行发展的战略规划。
ASBU将国际民用航空组织发布的第9854号文件所提出的新航行系统的愿景和运行概念转化成具体的、操作性更强的组块（Block）及模块（Module）。在ASBU中，关于TBO的发展路线主要体现在“高效的飞行航迹”这一性能改进领域，涉及基于航迹的运行、连续下降运行、连续爬升运行、遥控驾驶航空器4个部分。其中，基于航迹的运行是指采用先进概念和技术，支持基于四维航迹（纬度、经度、高度、时间）和速度的运行，以增强全球空管决策能力，其强调的重点是为地面自动化系统整合所有飞行信息，以获得最准确的航迹模型。
目前，欧盟和美国，欧盟和中国都开展了基于四维航迹预测的TBO具体项目。美国在掌握和实施基于四维航迹预测的多项关键技术的基础上，又提出了下一代航空运输系统（Next Generation Air Transportation System，NextGen）。欧盟提出了单一欧洲天空计划（Single European Sky ATM Research，SESAR）。这些项目已实现的效果和4D-TBO的愿景对目前航空运输问题的解决有着很好的借鉴作用。
1）美国的NextGen计划
为了满足预计的2025年航空需求，美国于2003年提出了下一代航空运输系统，简称NextGen。NextGen将美国航空运输系统的所有元素，包括空域、设备、服务、工作人员、程序等都整合起来，使如今的美国国家空域系统全面转变为一个更加安全、可靠、高效且环境友好的系统。NextGen把TBO作为核心技术，把基于飞行许可（Clearance-Based）运行转变为基于航迹运行，通过允许减少安全间隔，把基于航空飞行规则的运行转变为基于性能的运行，同时利用先进的四维天气多维数据集，把及时和准确的天气信息整合到基于航迹运行的过程中，改善决策，提高航迹预测的精度，使飞机根据商定的航迹飞行，从而精确管理飞机的当前和未来位置，把保证飞机之间安全间隔的任务由空管部门负责转变为由飞行机组负责等，提高空中交通管制系统容量和安全水平，从而达到使飞行更安全、高效和可预测的目的。
2011年11月30日—12月22日，美国联邦航空管理局（FAA）在西雅图塔科马国际机场，对配备了通用电气公司（GE）提供的U10.7飞行管理系统（FMS）的波音737NG型飞机进行了595次TBO飞行验证。验证飞行管理系统使用的要求到达时间（RTA）的能力。
在试验中，飞机在距离终端区200～300海里（1海里=1.852千米）范围内，由FMS根据地面发送预测风速、飞行限制等信息，计算出含有RTA窗口的四维航迹信息，并发送给地面空中交通管制系统，进行空地协商。
2016年，美国进行了关于使用空地广域信息管理（SWIM）共享四维航迹信息演示的相关研究；2019年5月启动了四维航迹运行演示工作。
2）欧洲的SESAR项目
随着欧洲航空运输量的增长，欧盟于1999年提出了SESAR，并在2009开始的第二阶段中提出了“单一欧洲天空”（SES）的目标：3倍于当前的容量、安全性能提高10倍，每次飞行对环境的冲击减少10%，以及减少一半的ATM成本。欧盟委员会和欧洲航天局于2004年联合启动了SESAR项目，将其作为核心项目为“单一欧洲天空”计划提供技术保障。
SESAR明确了四维航迹运行的概念，提出了多个相关的概念和解决措施，包括首选航迹、受控飞越时间、受控到达时间、初始四维（initial 4D，i4D）航迹和全面四维航迹运行等。同时提出了基于四维航迹运行的航空器、地面空中交通管制系统应具备的能力，以及地空数据交换的标准化要求。i4D是一种全新的空中交通管制技术，通过传统的三维空间和第四维（时间）来确定航空器航迹。这一技术要求航空器具有将飞行数据传输到地面的功能和预测功能，可以使航空器与地面空中交通管制系统协调后，精确地按照预定航迹飞行。其核心特点是确保空中和地面航迹信息共享与同步，并通过使用飞行管理系统（FMS）中的要求到达时间（RTA）功能自动管理速度，在受控到达时间（Controlled Time of Arrival，CTA）范围内到达汇聚点，以此提高交通排序能力。SESAR还提出了扩展到场管理区边界（Extended Arrive Manager，E-AMAN）和基于时间的间隔（Time Based Separation，TBS）概念，前者是指通过扩大终端区管制范围至200海里，可以提前对到达飞机进行航迹预测，规划排序；后者是指针对最后进近和降落过程中，飞机保持的安全距离不能体现风的影响问题，将安全间隔由距离替换为时间间隔以适应风的变化，可以更加灵活可靠地管理间隔，降低终端区容量，提高进近降落的安全性。
SESAR中的TBO目标主要通过3个阶段逐步完成，具体如下。
阶段一“基于时间的运行”，聚焦飞行效率、可预测性和环境3个方面，目标是形成一个同步的欧洲空中交通管制系统。
阶段二“基于航迹的运行”，聚焦飞行效率、可预测性、环境和容量方面，目标是形成一个基于航迹的空中交通管制系统，参与航迹运行的各方通过网络中共享的四维航迹信息和用户自定义优先级功能，优化四维任务航迹。
阶段三“基于性能的运行”，建成欧洲高性能、完整的、以网络为中心、协同和无缝的空中/地面管控系统，实现基于全系统信息管理（SWIM）以及使用用户驱动的优先级过程（User Driven Prioritization Process，UDPP）的协同规划网络运行。
2012年2月10日，欧洲用空中客车A320客机和法国泰雷兹公司的飞行管理系统完成了首次i4D航迹运行；2014年3月，测试了从法国图卢兹到丹麦哥本哈根的i4D航迹运行，并于2015年4月利用飞往汉堡和图卢兹的多个航班，向地面下传扩展投射剖面（Extended Projection Profile，EPP），以验证空地数据共享效果。在四维航迹方面验证了i4D航迹概念，开发了具备i4D航迹能力的飞行管理系统（FMS）、空中交通服务组件（Air Traffic Service Unit，ATSU）和电子信息显示系统（Electronic Information System，EIS）原型。
2019年3月，在欧洲“SESAR 2020”研究技术框架下进行了大规模的仿真，验证了100架飞机同时执行i4D航迹运行的情况。
3）中国民用航空局关于TBO的项目
为了应对中国民航发展的机遇与挑战，中国民用航空局根据世界民航发展趋势，分别于2002年和2005年提出“民航强国”战略目标和新一代航空运输系统构想。2016年，中国向国际民用航空组织提交中国民航空管现代化战略（China Aviation ATM Modernization Strategy，CAAMS），提出将围绕安全、容量、效率和服务4个性能领域的目标推进CAAMS的实施。TBO作为CAAMS核心之一，成为使运行具有航迹规划的全局性、航迹运行的可预测性、航迹管控的精细化、飞行管制的数字化和协同化的技术手段，用于提升空中交通运行效能，降低管制工作负荷，有效保障飞行安全，提高飞行效率。
2017年10月，中国民用航空局专门成立了TBO工作组，负责开展TBO运行概念的研究与论证，组织和实施中国TBO相关试验验证工作，针对空管新概念、新技术提出中国的实施指南和绘制路线图。
2019年3月20日，中国民用航空局空中交通管理局与研发团队和空中客车公司在天津至广州的航线上，共同完成了中国首次i4D航迹运行试验。试验飞机由中国南方航空公司订购，在空中客车天津总装厂交付前经过改装并由机组人员负责试飞。该飞机配备了泰雷兹公司提供的i4D航迹运行航空电子设备，支持未来空中导航系统（FANS C）和RTA的功能。