1.3　基于四维航迹运行的飞行管理系统需求分析

TBO以对空域所有飞行器的精确四维航迹的掌握为基础，特别是未来航迹的掌握，从而保证航空器满足安全间隔要求，提高航空运输系统的效率和安全性。四维航迹相对于一般的三维航迹增加了时间维的要求，即对规划航迹上的航路点增加要求到达时间（RTA）的限制。四维航迹的位置精度和时间精度相较于三维航迹有更高的要求，TBO通过保证航迹精度确保飞机之间的安全间隔要求。基于四维航迹运行（4D-TBO）的空地信息交互示意如图1-3所示。

由图1-3可以看出，按时到达引导和精确的机载间隔保持是实现4D-TBO的核心功能。因此，能够提供定时到达的精准飞行引导能力的机载飞行管理系统是实现4D-TBO的关键核心航空电子设备。由于TBO的核心是信息交换和协同决策，包括共享航迹信息、通过协同决策管理航迹、共享飞行计划，因此，不仅需要地面自动化系统、空地数据链技术的支持，还要求4D-FMS能够结合气象数据，实现高精度、鲁棒性的四维航迹预测和控制。四维航迹的空地协同决策包括四维航迹规划和航迹监控两部分工作，如图1-4所示。

4D-FMS中满足RTA要求的航迹规划计算是一个多约束动态优化过程，其约束条件包括飞机性能限制、空管要求（高度、航线位置、速度、时间等）、成本限制、环境约束、航空运输法规要求等。我们的目的就是在满足上述条件约束的情况下，根据飞机当前的状态、环境约束等信息，找到一个期望指标最优的航迹并由此产生飞行引导指令。整个四维航迹规划过程可分为3个阶段，包括初始航迹规划、航迹循环规划、飞行引导指令计算和航迹监控循环。

为支持4D-FMS，需要在传统FMS的基础上，增加支持4D-TBO的飞行引导技术升级改造所需的内容，标准ARINC 702A《增强型飞行管理计算机系统》中的FMS功能划分总结如下：

（1）导航。导航功能用于从合适的数据来源获取相关数据，输出高度、经度、纬度、地速、航向角、风、真航向和磁航向、偏流角、磁差等信息，以确定飞机的位置和速度等状态。

（2）飞行计划。飞行计划用于提供从起飞机场到目的机场的航路点、航路、飞行高度层、离场程序、进场和进近程序等信息，飞行计划可以通过MCDU输入，或通过空地数据链上传。FMS中的导航数据库（NDB）包含整个飞行区域飞行计划相关元素的必要数据。

（3）水平和垂直引导。水平引导功能用于计算与飞行计划有关的航段和过渡路径，以提供航向引导；垂直引导功能用于根据储存或计算的剖面，提供高度和速度引导。

（4）航迹预测。航迹预测功能用于估算待飞距离、待飞时间和飞行计划中未来各个航路点的速度、高度和总质量。

（5）性能计算。性能计算功能用于优化高度剖面和速度剖面，使飞行成本最小，或者在某些限制下满足其他指标要求。

（6）空地数据链。空地数据链用于提供航空公司运营通信（AOC）和空中交通管制（ATC）数据链。

（7）MCDU接口。MCDU接口用于响应飞行员在MCDU上的操作和显示FMS相应的数据。

（8）电子飞行仪表系统（Electronic Flight Instrument System，EFIS）接口。EFIS接口用于给主飞行显示器（Primary Flight Display，PFD）和导航显示器（Navigation Display，ND）输出飞机动态信息。 IWaXKcXwPnu7XTwfELjOCnYPynO7KMwHbuAhWhl0BT04nmCC1Jsy6O15IEzBMGy1