空中交通管理系统与技术国家重点实验室.docx

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空中交通管理系统与技术国家重点实验室

2017年开放基金课题指南

空中交通管理系统与技术国家重点实验室

中国电子科技集团公司第二十八研究所

二〇一七年四月

一、 概述

空中交通管理（以下简称“空管”）由空中交通服务、空中交通流量管理、空域管理组成，其中空中交通服务包括空中交通管制服务、飞行情报服务、航行情报服务、气象服务、告警服务等，空管是保证飞行安全、正点、高效，维护飞行秩序的重要手段。

空中交通管理系统与技术国家重点实验室（以下简称“实验室”）是国家科技部依托中国电子科技集团公司第二十八研究所建设，重点开展空中交通管理应用基础理论和共性技术研究、新技术应用与演示验证、产品与技术研发的综合性实验室，下设空管系统顶层规划和体系结构理论与方法、空中交通态势生成服务理论与技术、空管智能化辅助决策理论与技术、空管系统仿真评估理论与技术四个研究方向。

实验室面向国家空管产业发展需求和趋势，通过建立基础理论与新技术研究、试验、评估环境以及成果转化机制，加快科研成果向现实生产力转化，搭建产业与科研之间的“桥梁”，提升我国空管系统自主创新能力，为我国空管系统建设提供先进的理论和具有自主知识产权的核心技术。

2017年，实验室结合自身定位和研究方向,围绕近期和中期建设目标，瞄准国际空管技术研究前沿和我国空管技术应用需求，将开展一系列关键技术及专项研究攻关。

为支撑2017年度工作内容，提升自主创新能力，聚集和培养领域高层次人才，促进学科交叉和高水平学术交流，实验室聚焦星基导航应用、基于轨迹运行、协同流量管理和网络安全等方向发布开放基金课题，以期通过课题开放与合作研究，开展新思想、新技术、新方法的探索性、创造性研究与应用，为我国当前和未来新一代空管系统的发展和建设提供可控实用的顶层设计技术与关键性基础技术支撑。

二、 国内外研究情况

2003年，国际民航组织第11次航行大会提出并正式通过了全球空管一体化运行概念，其中包含空域组织与管理、需求与容量平衡、机场运行、交通同步、冲突管理、空域用户运行和空管服务七个组成部分，核心理念是一体化、互操作、无缝、全系统信息管理和协同决策，旨在指导CNS/ATM技术的实施，满足高度发达国家和地区的航空发展需求。

2012年，国际民航组织第12次航行大会在《全球空中航行计划》第四版（Doc9750）中提出了“航空系统组块升级”方案（ASBU），作为全球航空政策原则的总体框架。

ASBU包括机场运行、全球可互用的系统和数据、最佳容量和灵活飞行、高效的飞行路径四个绩效域,其目的是在改进安全或至少在保持安全的同时，提高全球航空系统的能力及效率，帮助实现全球范围的协调一致和可互用性。

为接轨国际空管发展趋势，适应我国航空业的发展需要，我国也相应提出了新一代空中交通管理运行概念，强调“以飞行运行为中心，以协同决策为手段，以新技术为支撑”，建立空天地一体化的空管运行模式和技术支持体系，全面提升空中交通服务水平。

2016年发布的中国民航空管现代化战略（CAAMS）围绕空域组织与管理、协同流量管理、繁忙机场运行、基于航迹的运行、多模式间隔管理、军民航联合运行和基于性能的服务等运行概念，也规划制定了相应的战略目标与能力需求。

在星基导航应用方面，由地基导航逐渐向星基导航过渡。

国际上已经针对CATI的精密进近着陆完成了相关标准和规范的制定，个别公司已经完成了设备研制、设计取证和I类精密进近的适航认证工作。

美国联邦航空委员会（FAA）已在纽约和休斯顿开展了CATI的设施建设和运行认证，CATIII系统的地面和机载系统开发也都已经进入原型样机阶段。

国内的CATI系统尚在取证过程中，也同步开展了基于北斗的军民航精密进近应用和II、III类系统演进的研究工作。

同时，随着伪卫星软硬件技术的不断发展和用户接收机水平的提高，很多研究都表明伪卫星增强GPS技术能够有效地改善GPS卫星定位图形结构，并提高系统的可用性、可靠性和精确性。

因此，研究提升I类向II、III类所需的关键技术，将为我国卫星地基增强系统的发展提供有力的技术支撑。

在基于轨迹运行方面，作为下一代空管系统的核心概念与技术，基于轨迹运行已经引起了各国研究机构、设备厂商的高度重视，相关精准引导机载飞行管理系统、地空数据链通信系统和地面支持辅助工具的研究，也成为各个国家的一项前瞻性、战略性工作，美国开发并应用了飞行冲突与解脱系统、自主间隔管理系统等，欧洲率先开展了I4D飞行试验，实现飞机到达指定下降点的时间精度控制在10秒以内。

我国目前尚处在基于位置运行向基于轨迹运行转变阶段，要想实现航空强国战略，必须积极开展这方面新技术的研究。

在协同流量管理方面，提出基于CDM的合作理念，通过各利益相关方的系统整合、信息共享与协同决策，提高航班轨迹的可预测性，解决容流失衡问题。

终端区作为典型容量瓶颈区域，高效的进离场管理有助于充分利用终端区容量资源，欧美新一代空管系统旨在通过采用基于时间的进离场一体化管理模式、动态尾流评估技术等，改进对跑道容量的限制，提高航班正点率以及航空公司运行效益；目前国内进离场管理系统国产化步伐缓慢，相关研究成果实用性欠缺，需紧跟国际发展动态，结合国内行业应用需求，研究具备实用价值的进离场管理技术，为航空运行管理提供科学支撑。

在空管网络安全方面，随着下一代空管系统向分布式、开放式、网络化方向的发展，其面临的网络安全问题日趋严峻。

欧美等航空强国在研制下一代空管系统时都将网络安全放在非常重要的位置，其发展方向已由单点防御体系向网络化安全防御转变。

目前我国空管系统仍然以攻击检测、防火墙、防病毒系统等孤立的单点防御为主，相互间缺乏有效协作，无法体现空管系统全局的安全态势。

在网络中心化的环境下，只有掌握网络安全监测“大数据”，并从不同维度全面分析网络安全事件，生成综合安全态势，才能形成真正的网络安全防御能力。

由此可见，随着国际国内空中交通需求和技术的发展，空中交通管理的理念正在发生重大变革。

聚焦到实验室开放基金课题所涉及的具体应用方向上，国内外相关研究提出了一系列新概念新理论、技术发展设想和应用需求，既取得了很多研究成果，也面临着一些问题和技术难点。

本次开放基金课题将针对这些技术问题进行基础性、探索性研究，为相关方向的技术发展与应用提供支撑。

三、 研究目标

实验室开放基金项目的研究目标是以国际民航组织全球空管一体化和航空系统组块升级计划为背景，以我国空管系统发展与建设的实际需求为牵引，探索与研究当前和未来支持我国空天地一体化空管系统建设中的基础性、前沿性技术。

一是通过开放基金项目,开展新概念、新理论、新方法、新技术的探索性、创造性研究，获取先进、实用的系统顶层设计技术和关键性基础技术，为新一代空管系统的发展提供技术支撑；二是通过开放基金项目，与实验室工作任务紧密结合，为开展四个研究方向的具体工作提供思路、方法和途径，通过合作研究与成果共享，提高实验室自主创新能力。

四、 项目研究内容

（一） 伪卫星协作定位技术研究（编号：

SKLATM201702）

1、 研究目标

针对现有机场伪卫星（APL）存在远近效应、多径等诸多不足，重点开展APL与GNSS的兼容互操作、几何分布，组网技术等APL实用化过程中面临的关键技术研究，并设计出一种单伪卫星精密辅助定位的演示验证平台，以验证CATIII类进近要求的精度、完好性、连续性等导航指标，为GLS系统的渐进演化提供技术支撑。

2、 主要研究内容

1） APL实际运行中所需要解决的关键技术问题及解决方法研究；

2） 单伪卫星精密定位技术及演示验证；

3） 机场伪卫星布局及其对定位精度、完好性的提升研究。

3、 技术指标

1） 伪卫星定位精度（垂直）小于1米；

2） 支持GPS（L1/L2/L5）、BD2（B1/B2）多频点；

3） 调制方式：

BPSK，支持GPS、北斗的信号调制体制；

4） 可应用于II、III类地面增强系统的增强。

4、 进度要求

18个月。

5、 经费要求

建议不超过30万元。

6、 成果形式

1） 中文核心期刊以上论文2-3篇；

2） 单伪卫星精密定位技术及原型演示验证系统一套；

3） 机场伪卫星关键技术报告；

4） 基于实测数据的单伪卫星实验报告。

7、 应用方向

星基导航GLS系统。

（二） 面向下一代空管系统安全态势的数据高效组织技术（编号：

SKLATM201703）

1、 研究目标

针对下一代空管系统向分布式、开放式、网络化方向发展需求，以实现对海量的分布式安全数据的全面监视与高效组织为抓手，围绕空管系统网络安全大数据的特点，研究提出对空管系统资产设备、数据流、安全运行状态等数据的组织模型和方法，支持按照时间尺度、关联关系、影响效果等多维度分析，形成对空管系统关键要素、安全事件等态势信息的综合展现能力。

为下一代空管系统网络安全态势感知提供技术支撑。

2、 研究内容

1） 分布式安全数据分类与组织模型

2） 面向空管系统的安全数据知识图谱

3） 空管系统安全态势分析与展现技术

3、 技术指标

1） 建立安全数据的分类体系，提出各类安全数据的编目和索引模型，形成分布式数据访问调度架构；

2） 安全数据知识图谱至少包括资产设备、网络流量、安全日志、安防计划等要素，支持不少于2层的知识推理；

3） 提供可视化尺度可调的安全态势视图，支持区域、系统、设备等多个尺度，支持根据从一个安全态势维度关联分析其他维度信息，关联分析时间平均不大于3秒。

4、 进度要求

12个月。

5、 经费要求

建议不超过20万元。

6、 成果形式

1） 安全数据的高效组织技术研究报告；

2） 空管系统安全态势分析与展现原型软件；

3） 专利1项；

4） SCI/EI论文1篇。

7、 应用方向

以网络为中心的下一代空管系统网络安全态势的实时监控、分析与展现。

（三） 基于动态尾流间隔的终端区进离场混合排序算法（编号：

SKLATM201704）

1、 研究目标

针对大型繁忙机场终端区运行效能提升需求，优化进离场航班时空资源分配过程，减少静态尾流间隔对跑道容量资源的浪费，研究动态尾流评估技术、多目标终端区进离场一体化排序技术等，解决以往多目标智能优化算法因计算效率低下、计算结果稳定性较差等弊端而难以应用于航班排序工程实际应用的困境，为大型繁忙机场进离场管理提供技术支撑。

2、 主要研究内容

1） 动态尾流评估技术

2） 多目标终端区进离场混合排序优化算法

3、 技术指标

1） 能够动态评估跑道周边气象要素变化（如风向、风速）对航班尾流的影响；

2） 排序模型中优化目标函数至少包含进离场航班延误、进离场飞行时间、跑道流量均衡三项关键指标；

3） 终端区内机场个数不少两个；

4） 进离场航班总量达到100架次时，算法求解效率控制在1分钟以内。

4、 进度要求

12个月。

5、 经费要求

建议不超过20万元。

6、 成果形式

1） 发表SCI/EI检索论文1篇，核心期刊论文1篇；

2） 进离场过程尾流动态特性分析报告；

3） 进离场多目标组合优化排序算法构件（含源码）。

7、 应用方向

大型枢纽机场的进离场航班协同管理。

（四） 连续下降运行下基于融合点的终端区航迹优化（编号：

SKLATM201705）

1、 研究目标

针对减少管制员航向引导指令、减轻管制员工作负荷、提高终端区进近航班运行效率的需求，在不满足标准终端区八分圆构型条件下，针对高负荷交通流环境，研究空中交通流梯次合并、融合点航迹优化、航迹性能评估等方法，解决终端区传统梯级下降进近运行方式效率低、管制压力大等问题，提高终端区航班运行的经济性、环保性，为下一代空管系统中连续上升/连续下降运行概念研究及应用提供支撑。

2、 研究内容

1） 进场交通流梯次合并模式

分析起始进近定位点以及需融合的交通流特性，研究终端区融合点进近程序设计，阐明设计程序位置和范围，建立进场交通流梯次合并排序模型。

2） 连续下降运行下多融合点航迹优化

连续下降运行下终端区无冲突融合点航迹快速生成，研究多融合点的航迹优化模型和算法，并进行模拟仿真。

3） 连续下降运行航迹性能评估方法

分析连续下降运行对机载设备、管制运行方法、飞行程序的影响，研究连续下降开始位置、汇聚点的选择方法与评估手段，研究连续下降运行航迹性能评估方法。

3、 主要技术指标

1） 点融合程序满足ICAO相关标准要求（近地碰撞风险小于10-7）；

2） 管制员工作负荷减少8%；

3） 终端区空域容量提高5%。

4、 进度要求

12个月。

5、 经费要求

建议不超过20万元。

6、 成果形式

1） 技术研究报告1份；

2） 发表论文3篇，其中SCI至少1篇；

3） 软件构件（含源码）。

7、 应用方向

基于轨迹的运行。

（五） 基于4D航迹的航空器预战术及战术间隔管理研究（编号：

SKLATM201706）

1、 研究目标

针对下一代空管系统向基于4D航迹运行理念发展的需求，围绕合理规划航迹、管理航空器间隔，以合理利用空域为目标。

研究基于4D航迹的航空器预战术阶段间隔管理策略，优化控制航空器到达时间窗，研究战术阶段冲突探测与最优解脱方法，避免飞行冲突，为下一代空管系统实现缩小飞行间隔和提升空域利用率提供技术支撑。

2、 主要研究内容

1） 基于4D航迹的多航空器预战术间隔管理研究

采用航空器飞行剖面优化策略生成无冲突的和满足一定优化排序目标的调整航迹，实现航空器控制到达时间（CTA）的优化和预战术飞行间隔的配备。

2） 基于4D航迹的多航空器战术间隔管理研究

在时间轴上对4D航迹战术冲突进行预探测，并结合航空器飞行剖面优化策略生成解脱目标的最优调整航迹，从战术层面避免飞行冲突。

3、 技术指标

1） 至少对500个航空器进行实施预战术4D航迹间隔管理；

2） 预战术阶段优化调整算法总耗时不超过60s；

3） 对单架航空器战术4D航迹的解算时间不超过5s。

4、 进度要求

12个月。

5、 经费要求

建议不超过20万元。

6、 成果形式

1） 基于4D航迹的航空器间隔管理软件包；

2） 关键技术研究报告1份；

3） 发表SCI/EI论文2篇。

7、 应用方向

基于轨迹的运行。

（六） 不确定性容量约束下的网络流优化算法（编号：

SKLATM201707）

1、 研究目标

针对空中交通运行过程中由于恶劣天气、设施设备突发故障、重大活动保障等因素的影响，终端区动态容量呈现出一定的不确定性，同时产生空中交通网络的时空波及效应，流量调控策略的制定难等问题，通过构建空中交通运行网络，以领域知识挖掘结合人工智能技术为思路，研究具有较强适应性、稳定性的智能化网络流优化模型与控制方法，提高求解效率，优化广域飞行流量，为解决大面积范围内多机场的流量控制优化问题提供技术支撑。

2、 主要研究内容

1） 不确定性容量约束下的网络流优化模型

考虑容量的不确定性，分析由于不确定容量约束带来的网络波及性延误等关键因素，构建空中交通系统的流量网络优化模型。

2） 智能化网络流优化控制算法

在构建的不确定性容量约束下的网络流优化模型基础上，基于人工智能技术，考虑容流平衡与网络延误，兼顾算法效率问题，生成基于多个流量调控策略组合的网络流量优化方法。

3、 技术指标

1） 模型中考虑的网络节点数≥100个，平均度不小于4；

2） 支持预战术、战术不同阶段的多航班协同控制；

3） 终端区流量调控相比调控前减少航班总延误时间10%。

4） 网络流优化控制算法响应时间≤120s。

4、 进度要求

18个月。

5、 经费要求

建议不超过30万元。

6、 成果形式

1） 不确定性容量约束下的网络流优化技术报告；

2） 智能化网络流优化算法构件（含源码）；

3） SCI论文1篇，EI/核心期刊论文2篇；

4） 专利1项。

7、 应用方向

本课题的研究成果可以应用于解决大面积范围内多机场的流量协同控制优化问题。

（七） 基于视频处理的跑道侵入告警技术研究（编号：

SKLATM201708）

1、 研究目标

针对国内跑道侵入事件多发的问题，研究基于视频处理的跑道侵入检测技术，使用视频设备采集机场跑道及周边视频信息，从视频图像序列中自动提取动目标，判别目标属性，对动目标的运动趋势进行预测，实现与其他监视手段的多源融合，并对异常侵入目标给出告警提示，为保障机场运行安全提供有效手段。

2、 主要研究内容

1） 基于视频处理的机场跑道动目标提取技术研究

采用视频、图像处理技术，利用帧间差、背景差等方法，考虑人工智能等技术，从机场跑道周边采集的视频图像中检测出运动目标，根据动目标图像信息，识别包括航空器类型、车辆类型等动目标属性。

2） 目标运动趋势预测技术

参考飞行计划和机场跑道基础设施信息，结合动目标当前位置和运动趋势，给出目标预测轨迹。

3） 侵入目标告警

结合飞行计划和目标预测轨迹，对目标的运行状态进行分析，实现正常目标与其他监视手段的多源融合，与飞行计划关联，识别目标冲突，对冲突情况和异常目标侵入跑道等给出预告警提示。

3、 技术指标

1） 航空器、车辆、行人类动目标识别概率高于99.5%、虚警低于2%；

2） 从视频接收到识别出动目标处理时间小于2.5秒；

3） 同时处理目标数不少于20个；

4） 目标轨迹位置预测时间不小于60秒，预测误差小于25米；

5） 侵入事件提前预警时间大于60秒。

4、 进度要求

12个月。

5、 经费要求

建议不超过20万元。

6、 成果形式

1） 视频处理、趋势分析和告警软件构件（含源码）；

2） 关键技术研究报告1份；

3） 发表SCI/EI论文1篇。

7、 应用方向

机场运行，应用于中小机场的跑道安全监控。