欧洲区域内约有40多个国家众合资本，每年起降超过1000万次航班，拥有世界上最繁忙、最复杂的空域，未来航班量还将持续增长，预计到2050年航班量将达到1600万架次。为确保该空域的设计、规划和管理安全有效，欧盟委员会和欧洲航行安全组织（Eurocontrol）定义了实现欧洲天空一体化空管研究（SESAR）的目标和愿景，并共同推行了一系列服务、项目和举措。本文从欧洲空域改革新方向、应用新技术、过渡新方法等三个方面开展研究分析，结合当前空域改革的实际情况，提出我国空域改革的意见建议。
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欧洲空域改革的新方向
欧洲空域改革的演变趋势是利用现代技术将管制服务从本地基础设施解耦，同时利用数据资源丰富且安全可靠的互联生态系统逐步提高协作和自动化水平，以此实现欧洲单一天空系统的远大构想。欧洲将在充分尊重成员国领空权的前提下建立动态空域系统，并从全欧航空网络的角度优化空域构架和资源配置，提高机场连通性，优化欧洲主要交通流量，向可信用户提供数据服务和先进的空中交通管制工具，从而实现高效安全的运行协作。
SESAR的空域改革策略包括基于数字化的信息共享、系统集成及虚拟化和涵盖有人/无人机在内的所有载运工具融合运行等。总结来说呈现出三个显著特征：
（一）空域管理数字化当前我们正处于数据驱动的社会，智慧民航建设正在进入快车道，航司和机场已经开始推广应用大量的人工智能、大数据、云计算等技术，但与此同时，空域运行依赖的主要技术还源于上个世纪，如地基雷达监视系统、甚高频地空通信系统等，与数字化时代发展相比显得格格不入，欧洲空管系统仍然依靠管制员在固定划分扇区进行对空指挥，无法按需动态调整扇区以适应实时流量需求。为此欧洲提出了空域管理数字化的理念来解决这一困境。
面向服务的体系结构是空域管理数字化的基础。SESAR提出利用现代技术将管制服务从本地基础设施中剥离，在面向服务的体系结构基础上开展数字化转型，重新集成的服务能够提高灵活性、可扩展性和弹性，可以支持动态配置扇区和调整空域容量的目标。
欧洲空域架构研究的中长期目标是将空域运行从以扇区为中心转变为以飞行/流量为中心的管理模式。通过采用广域通信技术，以飞行为中心的区域甚至可能比单个甚高频频率的覆盖范围更大；通过信息共享众合资本，实现基于航迹的运行（TBO），最后实现面向服务的空中交通管理。
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面向服务的体系结构从2025年至2035年，欧洲航行安全组织计划通过新技术应用减少滑行和等待时间、优化飞行重量管理和燃料管理、借助数字化空域管理优化飞行轨迹以减少总飞行时间等方法来提高飞机燃油效率，以降低CO2排放。空域数字化将为2050年碳中和的目标达成起到至关重要的作用。
（二）空域服务虚拟化空域服务虚拟化是相对于传统的管制扇区服务和机场塔台空域服务而言，空域数字化转型完成后，管制服务、数据服务与空管基础设施实现了地理解耦，解除管制员只能为当地管制扇区或机场塔台服务的限制，实现了无缝的空中交通服务。
构建虚拟中心是空域服务虚拟化的重要抓手。在SESAR2020研究计划中，将虚拟中心定义为一个或多个空中交通服务单位使用空管数据服务提供商（ADSP）提供的数据服务，该概念使得管制服务与空管数据服务实现了地理解耦。通过服务接口协议，ADSP将整合来自多个国家的飞行计划、监视、气象和航空情报信息，支持空管数据服务实现异地的无缝备份。一个管制单位可以使用多个ADSP的数据服务，或者一个ADSP也可以服务多个管制单位，使得跨越国家边界的空管服务成为可能，且不同扇区、不同管制中心之间的容灾备份也可轻松实现。
航路管制服务虚拟化提供动态扇区配置能力。通过数字化、虚拟化技术的应用，各国在名义上控制本国领土内的空中交通，但管制员可以在各空管中心的不同扇区之间进行灵活调配，使得整个欧洲地区具有高度互操作性。各扇区或扇区组将进行重新设计或重新配置，以最大限度地支撑交通流量，并最大限度地减少军事活动对各机场之间的连通性影响。各国可以动态配置扇区，并根据交通的实际需求和资源可用性动态调整空域容量。
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单一欧洲天空空域系统示意图塔台管制服务虚拟化提供远程塔台管制能力。通过数字化、虚拟化技术可以将多个塔台所承担的塔台管制任务集中在一个远程塔台中心内执行；采用远程高清数字摄像机、气象传感器、音视频接入和其他相关设备实时采集机场和交通运行信息，能够将所管制机场场面、气象、交通等实时情况投影在远程塔台中心的环绕屏幕上，使得一个远程塔台可以监控并引导指挥一个乃至多个机场，为机场提供包括进近引导、场面监视、签派许可等全面的机场空中交通管制服务。
2015年第一个完全符合国际民航组织要求的远程塔台获得批准并在瑞典投入运行，2016年爱尔兰正式使用全世界第一个多机场远程塔台，管制中心设在都柏林机场，由1位管制员同时为2个机场提供管制服务。2020年希思罗机场利用远程塔台技术的视频功能和数据分析功能，研发全能见度下的跑道监视工具，这些跑道监视工具可以增强在雨、雾天气下对跑道的监视能力众合资本，帮助管制员监测使用跑道情况，辅助判断跑道脱离情况，预测前机与后机落地间隔以及后机飞越跑道入口处的时间等，可实现全天候高效运行。
远程塔台具有明显的低成本特点，特别适用于那些航班量有限，或是交通不便、开放时间有限、流量较小的机场，也可作为大型机场内解决目视盲区的方案。欧洲预期远程塔台是未来空中管制的趋势，将会大幅改变目前管制运作模式，可以实现安全与效率的平衡。
远程塔台与传统塔台比较图片
（三）服务对象多元化新技术革命是空域服务对象多元化的重要推手。在人工智能等全新技术革命为主的第四次工业革命浪潮中，无人机应运而生并蓬勃发展，成为先进生产力的重要载体，并逐步融入国家空域系统。民用无人机已经进入了以娱乐飞行为主向各行业生产工具载体转变的新时期，其涉及的应用已远远超出民航的传统领域，包括无人机的运行数量、起飞全重、应用场景、运行风险等要素正在发生深刻变革。2021年，SESAR开展了一系列无人机和城市空中交通（UAM）的应用，包括在2021年底推出的巴黎地区无人机管理中心及以布雷蒂尼（Brétigny）站为管理主体的无人机走廊运行。英国开始支持全球首个垂直起降电动城市航空港建设，为未来电动垂直起降（eVTOL）飞机（包括空中出租车和自主送货无人机）提供支撑。未来机场很可能成为竖向交通与横向交通的结合体，将大气层内的区域、国际飞行与大气层外的星际飞行结合起来，成为空天旅行的星际枢纽。此外，为在2050年实现欧洲航空业CO₂净零排放目标，传统飞机将陆续改装使用可持续航空燃料（SAF），以提升运行效率，业界也将投产新型电动力和氢动力飞机等，这也是和传统飞机的飞行性能有所区别的全新航空器，将对空域运行的风险识别、进入许可、运行监管等方面带来新的挑战。02
欧洲空域改革的新技术应用
新一代技术革命正在促进航空业形成新的价值链和生态圈，体现出强连接、高效率和高性能的特点。新技术的生命周期正在不断加速，环境要求对运行压力的影响越来越大，航空业需要适应生态系统建设的新要求。欧洲空域改革利用的动态空域管理、以飞行为中心的管理、基于航迹运行、基于性能的CNS服务、无人机空域管理等新技术，使得空管系统更具弹性和可扩展性，促进了空中交通管理资源的最佳利用。
（一）动态空域管理技术
动态空域管理的目的是通过提高空管单位职责范围内空域结构的颗粒度和管理灵活性，改善军民航用户空域容量。通过技术和程序的集成，使得管制单位可根据需求动态修改扇区。
由于受经验和技能的限制，管制员只能履职于有限数量的扇区，SESAR当前正在致力于通过提高自动化系统的支持来克服该限制，系统可以对管制员的相关知识进行智能补充，使管制员通过智能工具来辅助执勤，使得其与交付管制服务的地理区域无关。下图说明了传统情况下由一个区管中心静态管制的扇区，以及在空域容量动态管理理念下的两种潜在结构。在新理念指导下动态划分的Dx和Dy扇区结构内，区管中心1和区管中心2共同负责扇区S04、S07和S08的管理工作，该概念为扇区开放提供了更广泛的选择。
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动态空域管理示意图扇区融合和管理集中化是动态扇区管理技术应用的重要体现。为了改善服务多个近距离机场的终端航路和管制扇区的设计和管理，SESAR引入了两个或多个终端空域结构的融合，称为终端空域系统（TAS），如业务有需要，终端空域系统还可跨国界运行。马斯特里赫特高空空域管制中心（MUAC）及其合作伙伴加入了功能性空域区欧洲中枢（FABEC）。FABEC的目标是对六国空域实施融合管理，从而提高空域的运行效率。（二）以飞行为中心的管理技术以飞行为中心的概念将管制员的责任从管制一片空域变为管制沿各自航迹飞行的多个航空器。多个管制员共同分担空域中以飞行为中心的航迹管理责任。图片
以飞行为中心概念图进入空域的飞机根据预先建立的逻辑（例如飞行交互、交通流量或复杂性）分配给工作量最小的管制员，从而实现更均衡的工作量分配。如果与虚拟化技术集成，将允许以飞行为中心的分布式管制员团队为空域提供更高效率的保障服务。（三）基于航迹运行（TBO）技术通过基于航迹运行技术的实现，改变空中交通运行现状，特别是提高交通的整体可预测性，有利于航空公司和空中交通管理运行效率的提高。SESAR中TBO目标主要通过三个阶段来逐步完成，具体如下：阶段1是“基于时间的运行”，目标是形成一个同步的欧洲空中交通管理系统；阶段2是“基于航迹的运行”，目标是形成一个基于航迹的空管系统，航迹运行各方通过网络共享4D航迹信息；阶段3是“基于性能的运行”，建成欧洲高性能、全覆盖并以网络为中心的空地无缝链接的空管系统。当前，SESAR Horizon 2020 4D Skyways项目正在开展基于轨迹管理研究（TM），以实现基于航迹运行（TBO）的部署。该项目于2019年12月开始，计划到2023年年中交付经过验证的结果。其研究成果包括提高战略和战术间隔管理的自动化程度，实现更高效的空/地航迹同步等。相关工作组正在研发自动化工具，为管制员提供更新的冲突检测和监视增强的解决方案，提供基于ADS-C的增强型航迹预测，并引入了机器学习和大数据技术，以增强预测性能。同时通过使用水平和垂直 CPDLC指令，实现更高效的空/地航迹同步，为未来进一步提高自动化水平铺平道路。（四）基于性能和面向服务的通信导航监视CNS技术通信导航监视CNS底层基础设施与集成信息服务解耦后，可以逐步实现基于性能的CNS服务，用户只需定义技术特征，无需关心技术如何实现，高效支撑了SESAR各个运行概念的实现。空地互操作性解决方案可支持新的多链路空对地通信环境，利用扩展的预测剖面（EPP）可以将机载航迹传输至地面系统，从而确保空中和地面预测的一致性，并提高管制员所使用的冲突检测和决策工具的性能。全系统信息管理系统（SWIM）利用通信网络和计算机技术，在全系统范围内实现飞行、流量、航行情报、航空气象等信息的共享，并保证信息的安全，是营造空管协同信息环境、实现四维航迹信息全生命周期管理的关键。目前，欧洲空管在这方面的投入与建设进度是全球领先的。地面互操作性解决方案将允许管制员在相邻单元之间进行静默协调。通过这种方式，所有相关的空中交通管制单位始终保持同一飞行视图，支持跨境无缝运行，甚至是跨境自由航线运行。图片
基于性能服务的CNS示意图（五）无人机空域管理技术为了让无人机安全可靠地与现有的飞机和其他飞行器融合运行，欧洲航空安全局（EASA）于2019年6月11日在其官网上发布了“欧洲无人机通用法规”，该法规内容包括“议会授权规章（欧盟）2019/945”（关于无人驾驶飞机系统和无人驾驶飞机系统的第三国运营人）和“议会实施规章（欧盟）2019/947”（关于无人驾驶飞机运行的规则和程序）。两部规章以运行风险为基础，对无人机进行分类管理；建立注册登记系统、远程识别系统及地理感知系统；规定了对于第三国无人机系统运营人的适用性，为欧盟内的无人机相关行业创造公平的竞争环境。SESAR公布了两项将无人机整合到空域的重要工作计划，其一是无人机空域运行管理措施（U-space），对无人机服务和监管框架方面的需求进行了概述，另一个是将无人机整合到运行空域的实施路线图。U-space是无人机空域管理的核心。U-space是一组服务和程序，包括注册、电子识别、地理围栏、飞行批准和追踪等，能够确保无人机在所有运行环境和所有类型的空域中的平稳运行。U-space也是一个高度自动化的系统。无人机运行有大流量、高离散、高并发等特征，迫切需要利用人工智能、大数据、物联网等先进技术来解决高密度运行与冲突检测等方面的管理问题。另外地理感知技术取代了之前“地理围栏”（Geo-fencing）的技术，可以积极预防无人机进入禁区，并配备了反黑客技术。无人机运行需要解决的关键领域包括：1.运行概念：为U-space建立运行概念（CONOPs），该项目研究了欧洲的无人机管理，特别是解决在机场和管制空域附近的无人机运行，以及在管制和非管制空域之间转换。2.数据链：设计一种融合蜂窝网络和卫星网络的混合架构（DroC2om），确保使用U-space服务的无人机可靠运行。3.无人机信息管理：研究如何开发一个基于云端的无服务器环境（IMPETUS/ DREAMS），该环境可以对不同业务类型的多个用户进行响应，包括与有人驾驶航空器的管理系统整合。4.地面技术：了解U-space运行性能方面的需求并确定能够满足需求的各类技术，包括与有人驾驶航空器的交互（TERRA）以及U-space的追踪和监视服务（CLASS），目标有效融合现有的技术以构建无人机交通管理的核心功能。（六）FRA自由航路空域技术欧洲是世界上第一个实施全面自由航路空域概念（FRA，Free Route Airspace）的地区，经过近几年欧洲FRA项目的实施，给空域用户提供了更多选择和更灵活环境，使其能够应对更加快速的交通流变化，促进节能减排和提升航班整体效率等方面成效显著。基于传统导航方式和空域管理方式下的空中可用航路数量稀少，FRA项目通过取消自由航路空域内固定空中交通服务航路，空域用户可在指定进出点之间自由选择飞行路线，可用航路航线数量成几何级数方式增加。目前，欧洲航行安全组织范围内德国等10多个国家和地区已基本实现了全空域、全天候自由航路飞行，按计划欧洲大部分领空将在2022年12月31日之前实施初步FRA，并在2025年12月31日之前实施最终FRA。图片
德国1956年和2018年航线网络图对比图片
欧洲自由航路空域实施示意图（2022年）未完待续作者简介：陈艳彦众合资本，民航管理干部学院空管系。
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