【摘 要】本文闡述了自由飛行的概念及其對人類生活和環(huán)境所帶來的益處，討論了實現(xiàn)自由飛行需要依靠的技術支撐，分析了美國及歐洲當前GPS的形勢及其對實現(xiàn)自由飛行進程的影響。

【關鍵詞】自由飛行 衛(wèi)星導航 數(shù)據(jù)鏈

天高任鳥飛，海闊憑魚躍，絕大部分老百姓認為天空那么大、那么寬廣，毫無遮攔，我們乘坐的飛機飛上天空以后肯定就直接對準目的地飛行了，因為兩點之間直線最短，遺憾的是這還只是我們的夢想?，F(xiàn)實工作中由于各種各樣禁飛區(qū)、限制區(qū)的存在；再加上現(xiàn)在飛行員們所使用的是由成千上萬個無線電信標建立起來的航線，由于這些設施不能在任何地方都建立，因而飛機不能選取通往目的地的最直路線，在廣袤的天空中，飛行員只能在有限的線路中選其一飛行，只有在有限的狹小空間內(nèi)自由飛行。

隨著空中交通流量的倍增，燃料價格的不斷上漲，地面交通速度的不斷提高，節(jié)能減排的呼聲一浪高過一浪，空中交通管理系統(tǒng)所受壓力越來越大，民航飛行管理中必須進行重大變革，才能滿足新形勢下的發(fā)展需要。

一、直達目的地的自由飛行

自由飛行是一個新技術概念，是由多學科協(xié)同作用、共同支撐的綜合性技術。通俗地說，就是由飛行員自由選擇航線、飛行速度，像鳥兒一樣自由飛行。雖然飛機仍然像現(xiàn)在那樣排隊飛行，但飛機之間的間距可以小得多，接近機場時可以從多個方向、高度和路徑來降落，空間的利用率可以大幅度提高。

下面就是我們所憧憬的自由飛行的偉大夢想：

飛行員坐在?？吭贏機場跑道上的飛機中，在衛(wèi)星導航計算機中輸入目的地機場B，它立即算出最佳的往返路線顯示在座艙的終端上。情報中心計算機上的飛行情報、氣象數(shù)據(jù)也傳送到此并顯示在終端上，飛行員可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)選擇合適的路線以避免風暴或別的惡劣天氣，選擇好路線飛行員就可以出發(fā)了。

在飛行中，由衛(wèi)星導航系統(tǒng)引路，衛(wèi)星接收機連續(xù)不斷計算飛機的位置，該位置信息一方面被傳送到地面管制中心，另一方面注入到數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，該數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)將把數(shù)據(jù)傳送到地面中心計算機，地面計算機又把數(shù)據(jù)傳送到地面控制器和飛行在該區(qū)域中的其他任何飛機，飛機攜帶的計算機分析接收到的數(shù)據(jù)，尋找其他飛機，監(jiān)視各飛機的飛行情況，以免碰撞。每位飛行員都能在座艙中的顯示屏上看到其他飛機。

每架飛機周圍都有兩個虛設的周界，大的是警戒區(qū)域邊界，該區(qū)域的大小，取決于飛機的性能及其飛行的速度。如果兩架飛機的警戒區(qū)域重疊交叉，計算機將警告兩位飛行員和地面控制器，兩位飛行員同時采取步驟分離。在警戒區(qū)內(nèi)還有一個更靠近飛機的小區(qū)域“保護區(qū)”，飛機之間的“保護區(qū)”如果交叉將是非常危險的。計算機利用飛機的速度和方向信息不停地估算，確保在這種情況發(fā)生之前能提前發(fā)出警告。因此，這種情況發(fā)生的概率幾乎是零。

在自由自在的飛行中地面控制器也是必不可少的。預想中的自由飛行是一套機動靈活的系統(tǒng)，飛行員有很高的自主性，但是飛行員的這種自主性在某些情況下是應該加以限制的，比如說飛機接近擁擠的機場或惡劣天氣把許多飛機“驅(qū)趕”到同一區(qū)域時，如果這些情況發(fā)生，飛行員的控制權可以被收回轉(zhuǎn)給地面控制器。

從A直接飛到B這樣一個看似很簡單的目標，卻需要眾多高級技術相互作用和支撐，這究竟有沒有可能呢？讓我們看看蜂窩移動通信系統(tǒng)，一臺中央計算機跟蹤成千上萬的移動電話的位置，為任意兩個移動中的單機發(fā)送信號，確保所有的通話不中斷，這是一套我們每天都在使用的復雜系統(tǒng)，這在幾十年前是難以想象的，我們有理由相信自由飛行的夢想總有一天能實現(xiàn)。

二、自由飛行的益處

自由飛行的實現(xiàn)不管對人類還是環(huán)境都將非常有益。自由飛行技術為飛機建立了新的安全區(qū)，縮短了飛行中的飛機間距，大大提高了空間利用率；避開惡劣天氣，減少了空中事故的發(fā)生，從而提高了安全性；縮短了飛行路線，一方面降低油耗，減少了污染，保護了環(huán)境，另一方面節(jié)約了旅客的寶貴時間，增強了航空運輸業(yè)的競爭力。

作為以上提到的自由飛行諸多益處的例證，美國宇航局的一項研究分析了由于飛行時間的縮短及其減少燃油消耗而減少的費用開支，研究者利用美國航空公司在一項試驗中取得的數(shù)據(jù)推算減少的開支，在這項試驗中挑選了一條最易被公眾接受的航線。根據(jù)這項研究估計，如果實現(xiàn)自由飛行， 2005年整個美國航空業(yè)將節(jié)約15億美元左右。另外一個例證就發(fā)生在我們身邊，在今年年初軍航執(zhí)行的一次從北京調(diào)機臨滄任務中，由于選用了相對合理的航線，總計用時160分鐘，如果采用正常飛行線路光從北京到昆明就需要190分鐘，照此推算到臨滄至少需要210分鐘，在這條航線上就節(jié)約50分鐘，占總時間約1/4，節(jié)約航油約2噸，加上飛機折舊、人員工資等費用，大約能節(jié)約2-3萬元人民幣，對航空公司來說節(jié)約了成本，對旅客來說節(jié)約了費用和時間。在今天這個火車與飛機競爭的時代，對中短程航線來說更顯得尤為重要。

三、自由飛行的支撐

要實現(xiàn)自由飛行必須要有三方面的支撐，缺一不可，首先是國家大方針，確切地說是空域管理的授權，在和平時期，除了極少數(shù)特殊區(qū)域為禁飛區(qū)以外，絕大部分區(qū)域要授權民航系統(tǒng)使用和管理，特殊時期空域的管理再由空軍管理，而我們現(xiàn)在的管理模式恰恰相反，民航只擁有很小的一部分空域管理權，大量的民航飛機只能在有限的空域中排著隊飛行。

其次是飛機性能的支持，飛機要有足夠的航程，足夠的越障能力，足夠的供氧能力等等，現(xiàn)在的飛機技術已走在了前面，現(xiàn)在的主流飛機基本上都具備，或稍加改動后都具備了這些能力，能夠在世界范圍內(nèi)絕大部分城市之間點對點直飛。

再次是以計算機和衛(wèi)星技術為基礎的通訊、導航、告警，其關鍵要素是空中導航系統(tǒng)和空中數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)。

3.1通訊

要實現(xiàn)自由飛行，必須建立一套強大的能與每一架飛機進行話音及數(shù)據(jù)通訊的系統(tǒng)。該系統(tǒng)要求容量大、可靠性高，能處理大量的數(shù)據(jù)。飛行員和飛行員之間、飛行員和地面控制站之間，要傳送的不僅有語音信號，還有導航數(shù)據(jù)和氣象信息。從實際需要看，必須存在一個數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)來完成數(shù)據(jù)通訊任務。目前，航空無線電頻率資源已十分有限，因此，各個國家的思路都是采用現(xiàn)代化的數(shù)字系統(tǒng)，并依靠衛(wèi)星進行通訊。

3.2導航

自由飛行的核心是先進的空中導航系統(tǒng)。推動未來空中導航系統(tǒng)發(fā)展的主要動力來自于衛(wèi)星導航，目前比較成熟的系統(tǒng)是美國的GPS衛(wèi)星系統(tǒng)，俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星系統(tǒng)，歐洲的伽利略衛(wèi)星系統(tǒng)，我國的北斗系統(tǒng)也取得了很大的進步，現(xiàn)已部分投入使用，精度也能達到飛行導航要求，但覆蓋范圍有限，通過衛(wèi)星導航可以提供連續(xù)、可靠的飛機位置數(shù)據(jù)，GPS定位導航系統(tǒng)因其精度高且能覆蓋全球這些優(yōu)勢而被優(yōu)先采用。

1992年及1993年，國際海事衛(wèi)星組織和美國運輸部等提出了利用地球同步衛(wèi)星，在L1頻段上轉(zhuǎn)發(fā)WADGPS（廣域差分）修正信號，并同時發(fā)射調(diào)制在L1上的C/A碼偽距的想法，稱為廣域GPS增強系統(tǒng)，即WAAS。接著制訂了從系統(tǒng)設施到各種硬、軟件與信號的WAAS技術標準。它直接利用GPS接收天線與衛(wèi)星識別及解碼技術作差分”數(shù)據(jù)鏈”，還用地球同步衛(wèi)星所發(fā)射的C/A碼測距信號來增加測距信號源，從而大大提高了系統(tǒng)的定位精度、可靠性和完備性。美國聯(lián)邦航空局（FAA）將WAAS分4個階段進行，按計劃應該于第四階段（2001年）完成實用的WAAS，但到目前為止還沒有實現(xiàn)，WAAS投入使用后，它能滿足各飛行階段必備的導航性能，提供Ⅰ類精密進場引導。

如果有廣域增強系統(tǒng)（WAAS）， GPS系統(tǒng)的性能將得到大大改善，不僅能提高GPS系統(tǒng)的定位精度，而且確保飛機之間、飛機與地面控制站之間的往來數(shù)據(jù)是完全準確無誤的。這種絕對精確的定位信息及其數(shù)據(jù)的準確性是自由飛行的關鍵。如果GPS系統(tǒng)報出飛機的位置，那么我們可以確信無疑飛機肯定就在那兒，設置飛機間距時不必考慮飛機位置會被錯報而留出很大的余量。換句話說，有了GPS及其增強系統(tǒng)，飛機的飛行間距可以小得多卻不用擔心它們會撞在一起。

3.3告警

為了確保飛行的絕對安全，自動告警系統(tǒng)也是必不可少的，自動告警系統(tǒng)的主要任務是監(jiān)視飛機的航行。當有任何飛行器靠近飛機時，該系統(tǒng)會立刻警告飛行員。每架飛機通過數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)將來自GPS的自己飛機的精確位置數(shù)據(jù)發(fā)送給本區(qū)域內(nèi)所有其它飛機和地面控制站，如果飛機接收到的位置信息表明有另一架飛機在自己的警戒區(qū)內(nèi)，將立刻警告飛行員。

四、自由飛行何時能變?yōu)楝F(xiàn)實

自由飛行是由美國聯(lián)邦航空局、航空工業(yè)界的巨頭、飛行協(xié)會提出的，正在積極籌劃中，制定計劃以及各方面的協(xié)調(diào)工作由聯(lián)邦航空局和擔任其顧問的美國航空無線電委員會共同完成。航空無線電委員會是非盈利組織，由政府及航空工業(yè)界專家組成，負責自由飛行系統(tǒng)架構的定制、建立系統(tǒng)規(guī)范描述。軍方和高級研究計劃局也參加了該社團并對這項技術的發(fā)展做出了積極的貢獻。

自由飛行并非一個單一的實體，它是需要眾多技術支撐、有許多分系統(tǒng)的一個龐大復雜的系統(tǒng)工程。目前，雖然有些概念還處于模糊狀態(tài)，但是部分工作已陸續(xù)開展起來了，不同的分系統(tǒng)只要能可靠運行，即可嵌入。由美國領導實施的試驗表明了自由飛行的實現(xiàn)可以節(jié)約大量的經(jīng)費，這一點足以激勵航空工業(yè)界對該計劃保持濃厚的興趣。

世界上絕大多數(shù)國家政府對此也非常關注，并積極參與其中。對大多數(shù)第三世界國家來說，這是一個很好的機會，不必像傳統(tǒng)基礎設施那樣大量的投資，卻可使得航空服務現(xiàn)代化。

當我們憧憬著新導航系統(tǒng)將給航空界帶來的美好前景時，不得不接受這樣一個現(xiàn)實：目前還存在許多問題阻礙自由飛行的發(fā)展進程。首先，新的導航系統(tǒng)過于依賴GPS，一旦GPS系統(tǒng)癱瘓，后果將是致命的。因此，必須確保GPS系統(tǒng)、空中數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)工作良好，提供的數(shù)據(jù)時刻保證可靠、精確，只有可靠性達到100%，才能付諸使用。另外，幾年來，前蘇聯(lián)由于經(jīng)濟原因無力發(fā)射替補衛(wèi)星使得其“全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)”（GLONASS）漸漸敗下陣來，加上歐盟的“伽利略”（Galileo）計劃擱淺，而最近美國軍方披露了全新的GPS-Ⅲ計劃，進一步威脅“伽利略”計劃。如果“伽利略”計劃最終徹底熄滅，那末國際民航組織提出的多元化全球衛(wèi)星導航將成為泡影，全球?qū)嶋H上還是只有一個美國的GPS系統(tǒng)，一個掌握在一國軍方控制下的GPS-Ⅲ，一個隨時能向不受歡迎的地區(qū)局部施加SA（Selective Availability，所謂SA，是控制非授權用戶得到高精度GPS服務而人為引入誤差）制裁手段的系統(tǒng)，這些都是全球除美國以外其它對采用GPS用于航空導航感興趣的國家所擔心的，這也是影響自由飛行進程的一個最大障礙。

五、結束語

要在某一個確定的時間內(nèi)實現(xiàn)自由飛行的夢想，是不現(xiàn)實的，也是不可能的。自由飛行之路將是坎坷曲折的，是各種權限與利益相互博弈的過程，但是，自由飛行的實現(xiàn)只是時間問題，自由飛行的壯麗畫面終將呈現(xiàn)在我們面前，飛行員在一個自由飛行的世界里翱翔，飛行會變得更簡單，但卻更安全、更可靠。

參考文獻：

[1]劉利生，《衛(wèi)星導航測量差分自校準融合技術》，國防工業(yè)出版社，2007

[2]霍曼，《飛速發(fā)展的航空電子》，航空工業(yè)出版社，2007