天气集成应用
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驱动因素
• 进一步增加民用航空量 • 技术的根本变化 （使空管进行革命的关键技术） - 全球定位系统 （GPS） - 通信技术 （Communications）: ADS-B (Automatic Dependent Surveillance-Broadcast), etc. - 高性能计算 （High performance computing） - 云计算 （Cloud computing） - 地球观测 （Earth observing technology） - 天气预报技术 （Weather forecasting technology) • 需要解决方案，以减少60～70%因天气造成的延误; 并减少天气为主要原因的事故
时间表
• 2004年开始计划，目标是2025年实现
（BTW，欧洲类似计划： SESAR － Single European Sky ATM Research）
IMSG Presentation to U.S.-China ACP ATMET Class of 2015. Distributed by Authorized Representative(s) Only. 6
• Area Navigation • Required Navigation Performance
13
NextGen 组成部分 • 增强的通讯技术 • 改进的导航系统 • 更有效率的空域使用 • 以网络为中心的基础设施 • 所有用户的共同天气图景 • 自适应的安全系统 • 增加的自动化程度
NextGen 航路和机场进近
• Area Navigation • Required Navigation Performance
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7
NextGeFra Baidu bibliotek 概念展示
IMSG Presentation to U.S.-China ACP ATMET Class of 2015. Distributed by
8
或基于轨迹的业务运营 (TBO – Trajectory Based Operations）
为什么要基于轨迹 （Why TBAS）?
预报系统除了预报结果以外，还提供可能性函数 – NextGen天气将大量使用概率预报; 集合预报技 术将成为重要组成部分。
集合预报的使用? - 怎样减少模棱两可的解释 …
IMSG Presentation to U.S.-China 16 ACP ATMET Class of 2015. Distributed by Authorized
目前管制员以目视分开所管区 域中的移动目标，避免危险
空域的低效使用
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5
2. NextGen Concept (下一代空运系统概念)
IMSG航空气象技术讲座系列
Trajectory-Based ATM and ATM-Weather Integration 基于轨迹的空管和空管－天气集成
Le Jiang I. M. Systems Group, Inc. (IMSG) Rockville, MD 20852, USA (Jun 2015)
IMSG Presentation to U.S.-China ACP ATMET Class of 2015. Distributed by Authorized Representative(s) Only.
4
目前挑战 通常，美国空域任何时候有近5,000民航飞机，预 计这一数字将进一步增加 空中交通需求在下个20～25年将继续增加; 目前的 空域系统不能支持大幅度的增加
Courtesy of Boeing
9
TBAS的几个方面：
以4维轨迹（4D trajectory） 预报飞机的经度／纬度／高度作为时间的函数 TBAS 自动监测空域中的交通 TBAS发现交通冲突并显示给管制员 交通冲突可由管制员人工解决或系统自动解决，然后通过数据链发给飞机，这样管 制员可以管理更大的空域和密度更高的飞机。 TBAS也对飞行员要求的航路作出反应 为确保安全，TBAS由两种独立对飞机分 隔算法：战略的和战术的. 两种算法依赖 与没有冲突的飞机轨迹数据库，而数据 库中的相关信息已通过数据链传给高端 设备新型飞机，通过无线电广播传给老 型飞机。由管制员协调所有活动。
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空中交通量增加
NextGen 是经美国国会授权 的倡议，以使美国空运系统 现代化： 增加空域容量与可靠性 提高安全 降低航空的环境影响
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1. Background （背景）
下一代空运系统 NextGen (starding for the Next Generation Air Transportation System): 由史以来最大代空 管革新；数百亿美元的现代化工程，使空运更加安全， 灵活，高效 新材料，新工具，及新科技大大提高飞机发动机和机体 性能，使飞行更快，更清洁，安静，节能. 当代ATM (从1950年代以来没有本质变化). (History: 1920s – night flights from bonfire to bonfire; 1930s – radio beacons replaced bonfires; 1950s – radar introduced and aircraft generally fly indirect paths over a series of ground-based beacons, while controllers “watch” the flights on radar and direct aircraft individually by radio. Today, 14,000 ATCs in 3,000 ATC facilities in U.S.) Illustration (insert clip “Air Traffic on a Typical Day”, U.S., World, etc.)
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最后的轨迹，将在管制员确认后，通过数据链自动发给飞机供执 行. 这样，轨迹改变所要求的发现，分析，解决冲突，和沟通的总 11 工作量减少，可以增加空域容量和安全.
3. 基于轨迹的空域系统 （TBAS – Trajectory Based Airspace System）
易于数字化，数值化表示 更大容量，更好效率，增进安全 降低环境影响 提高指挥和控制能力，减少系统的变 化，增加灵活性，增加可预见性 实现地面自动化和飞机性能的最佳结 合
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高时空分辨率 – 数值预报结果更加准确!
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17
增进的预报产品实时性 – 更快!
NextGen 的好处
• • • • • • • 空域使用更高效 同时容纳更多飞机 飞机靠GPS自动分隔 飞行路径优化 减轻管制员工作强度 减少飞行时间和燃油消耗／费用 减少环境影响
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预报科学的进步
将以高分辨率观测为基础对雷雨外推与数 值模式预报结合起来，提高分辨率小于 3km, 8小时及更长时间对预报。 例：CoSPA (结合CIWS和HRRR）, GTG (图形 化颠簸指导），结冰预报专家系统，等等
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3. NextGen 对 天气服务意味 着什么？
概述与天气伙 伴
今天天气对空管 对支持
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TBAS (cont’d) 一旦所有飞机的4D轨迹被确 定, TBAS可以对轨迹做相互比 较以发现可能对冲突, 然后在 不产生新冲突的前提下解决 这些冲突. (TBAS动态地对有 冲突的飞机生成新的轨迹， 测试新轨迹，并且循环此过 程，直到找到没有冲突到轨 迹） TBAS允许人在决策过程中 （human-in-the-loop）, 将来 一个管制员可以应对今天空 管系统中4到10个管制员的工 例, 管制屏幕显示TBAS信息. TBAS自动监视多个区域并将可能的冲 突列表显示给管制员; 如图中红线。系统自动显示建议的解决方案 作量 ，如图中黄线；如有必要，管制员用鼠标可以改动黄线上的航点.
NextGen’s Continuous Descent Approach （连续下降进近）
NextGen’s Runway Configuration Manager
See Clip: Tailored Arrivals
IMSG Presentation to U.S.-China ACP ATMET Class of 2015. Distributed by Authorized
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1
Outline （提纲）
1. Background（背景） 2. NextGen Concept （概念） 3. Trajectory Based ATM (基于轨迹的空管） 4. What NextGen Means to the Weather Community （下一代空运系统对气象界意味着什么） Overview and Weather Partners (概述及天气合作伙伴） 4D Weather Cube （四维天气立方） 4. Weather Integration into ATM（空管天气集成） 5. Summary
• 进一步增加民用航空量 • 技术的根本变化 （使空管进行革命的关键技术） - 全球定位系统 （GPS） - 通信技术 （Communications）: ADS-B (Automatic Dependent Surveillance-Broadcast), etc. - 高性能计算 （High performance computing） - 云计算 （Cloud computing） - 地球观测 （Earth observing technology） - 天气预报技术 （Weather forecasting technology) • 需要解决方案，以减少60～70%因天气造成的延误; 并减少天气为主要原因的事故
时间表
• 2004年开始计划，目标是2025年实现
（BTW，欧洲类似计划： SESAR － Single European Sky ATM Research）
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• Area Navigation • Required Navigation Performance
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NextGen 组成部分 • 增强的通讯技术 • 改进的导航系统 • 更有效率的空域使用 • 以网络为中心的基础设施 • 所有用户的共同天气图景 • 自适应的安全系统 • 增加的自动化程度
NextGen 航路和机场进近
• Area Navigation • Required Navigation Performance
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或基于轨迹的业务运营 (TBO – Trajectory Based Operations）
为什么要基于轨迹 （Why TBAS）?
预报系统除了预报结果以外，还提供可能性函数 – NextGen天气将大量使用概率预报; 集合预报技 术将成为重要组成部分。
集合预报的使用? - 怎样减少模棱两可的解释 …
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目前管制员以目视分开所管区 域中的移动目标，避免危险
空域的低效使用
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2. NextGen Concept (下一代空运系统概念)
IMSG航空气象技术讲座系列
Trajectory-Based ATM and ATM-Weather Integration 基于轨迹的空管和空管－天气集成
Le Jiang I. M. Systems Group, Inc. (IMSG) Rockville, MD 20852, USA (Jun 2015)
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目前挑战 通常，美国空域任何时候有近5,000民航飞机，预 计这一数字将进一步增加 空中交通需求在下个20～25年将继续增加; 目前的 空域系统不能支持大幅度的增加
Courtesy of Boeing
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TBAS的几个方面：
以4维轨迹（4D trajectory） 预报飞机的经度／纬度／高度作为时间的函数 TBAS 自动监测空域中的交通 TBAS发现交通冲突并显示给管制员 交通冲突可由管制员人工解决或系统自动解决，然后通过数据链发给飞机，这样管 制员可以管理更大的空域和密度更高的飞机。 TBAS也对飞行员要求的航路作出反应 为确保安全，TBAS由两种独立对飞机分 隔算法：战略的和战术的. 两种算法依赖 与没有冲突的飞机轨迹数据库，而数据 库中的相关信息已通过数据链传给高端 设备新型飞机，通过无线电广播传给老 型飞机。由管制员协调所有活动。
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空中交通量增加
NextGen 是经美国国会授权 的倡议，以使美国空运系统 现代化： 增加空域容量与可靠性 提高安全 降低航空的环境影响
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1. Background （背景）
下一代空运系统 NextGen (starding for the Next Generation Air Transportation System): 由史以来最大代空 管革新；数百亿美元的现代化工程，使空运更加安全， 灵活，高效 新材料，新工具，及新科技大大提高飞机发动机和机体 性能，使飞行更快，更清洁，安静，节能. 当代ATM (从1950年代以来没有本质变化). (History: 1920s – night flights from bonfire to bonfire; 1930s – radio beacons replaced bonfires; 1950s – radar introduced and aircraft generally fly indirect paths over a series of ground-based beacons, while controllers “watch” the flights on radar and direct aircraft individually by radio. Today, 14,000 ATCs in 3,000 ATC facilities in U.S.) Illustration (insert clip “Air Traffic on a Typical Day”, U.S., World, etc.)
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最后的轨迹，将在管制员确认后，通过数据链自动发给飞机供执 行. 这样，轨迹改变所要求的发现，分析，解决冲突，和沟通的总 11 工作量减少，可以增加空域容量和安全.
3. 基于轨迹的空域系统 （TBAS – Trajectory Based Airspace System）
易于数字化，数值化表示 更大容量，更好效率，增进安全 降低环境影响 提高指挥和控制能力，减少系统的变 化，增加灵活性，增加可预见性 实现地面自动化和飞机性能的最佳结 合
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高时空分辨率 – 数值预报结果更加准确!
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增进的预报产品实时性 – 更快!
NextGen 的好处
• • • • • • • 空域使用更高效 同时容纳更多飞机 飞机靠GPS自动分隔 飞行路径优化 减轻管制员工作强度 减少飞行时间和燃油消耗／费用 减少环境影响
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预报科学的进步
将以高分辨率观测为基础对雷雨外推与数 值模式预报结合起来，提高分辨率小于 3km, 8小时及更长时间对预报。 例：CoSPA (结合CIWS和HRRR）, GTG (图形 化颠簸指导），结冰预报专家系统，等等
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3. NextGen 对 天气服务意味 着什么？
概述与天气伙 伴
今天天气对空管 对支持
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TBAS (cont’d) 一旦所有飞机的4D轨迹被确 定, TBAS可以对轨迹做相互比 较以发现可能对冲突, 然后在 不产生新冲突的前提下解决 这些冲突. (TBAS动态地对有 冲突的飞机生成新的轨迹， 测试新轨迹，并且循环此过 程，直到找到没有冲突到轨 迹） TBAS允许人在决策过程中 （human-in-the-loop）, 将来 一个管制员可以应对今天空 管系统中4到10个管制员的工 例, 管制屏幕显示TBAS信息. TBAS自动监视多个区域并将可能的冲 突列表显示给管制员; 如图中红线。系统自动显示建议的解决方案 作量 ，如图中黄线；如有必要，管制员用鼠标可以改动黄线上的航点.
NextGen’s Continuous Descent Approach （连续下降进近）
NextGen’s Runway Configuration Manager
See Clip: Tailored Arrivals
IMSG Presentation to U.S.-China ACP ATMET Class of 2015. Distributed by Authorized
IMSG Presentation to U.S.-China ACP ATMET Class of 2015. Distributed by Authorized Representative(s) Only.
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Outline （提纲）
1. Background（背景） 2. NextGen Concept （概念） 3. Trajectory Based ATM (基于轨迹的空管） 4. What NextGen Means to the Weather Community （下一代空运系统对气象界意味着什么） Overview and Weather Partners (概述及天气合作伙伴） 4D Weather Cube （四维天气立方） 4. Weather Integration into ATM（空管天气集成） 5. Summary