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NASA资助“云飞行管理系统”的背后
刘禹彤
飞行管理系统（FMS）是民用飞机管理飞行航迹的核心航电系统，在飞行各个阶段提供飞行计划、综合导航、飞行引导、航迹预测和性能计算等功能。其未来功能升级的主要方向包括性能优化、信息共享和协同决策等。
NASA正 在 资 助SmartSky Networks、GE航空航天和Mosaic ATM三家公司共同研究“云飞行管理系统”（Cloud FMS），在云计算环境中建立飞行管理系统的数字孪生，将飞机的飞行管理系统通过云服务和类似VPN的安全互联网连接与地面同步。三家公司分别在航空通信、飞行管理系统和空中交通管理（ATM）领域具备较强研发实力。Mosaic ATM在2021年和2022年发表的两篇论文阐述了“云飞行管理系统”技术。本文基于NASA提案和两篇论文内容对“云飞行管理系统”进行初步分析。
背景
基于航迹的运行（TBO）是新一代空中交通管理的核心技术之一，要求在空管、航空公司、航空器之间实时共享四维航迹信息，从而进行全域协同决策。然而，支持TBO运行的飞机航空电子设备发展相对缓慢，认证和安装成本是现有飞机技术升级的主要障碍。目前，飞行管理系统硬件的计算能力有限。无人机系统（UAS）、城市空中交通（UAM）和无人交通管理（UTM）也需要新方法来实现经济实惠、适应性强的飞行自动化功能。
概念
“云飞行管理系统”将飞行控制和自动驾驶等安全关键功能保留在飞行器上，而涉及飞行计划、轨迹预测、飞机性能和导航数据等的非安全关键功能在地面云计算资源上运行，通过高带宽、可靠的数字通信连接到飞行器。运输航空场景下，“云飞行管理系统”将有助于实现航迹同步、航迹协商和基于时间的运行等概念。城市空中交通场景下，“云飞行管理系统”将有助于航迹协商、服务提供商和运营商之间的改道信息交互、风向信息交互以及计划外进入受控空域信息提示等。“云飞行管理系统”具有多种优势，包括：为传统客机和货机提供更简单的能力升级途径无人机系统，城市空中交通飞行器的空间、载荷有限，使用“云飞行管理系统”可降低机载航电设备的复杂度需求，降低重量、功耗和运行成本，将复杂新功能的认证从每架飞机的机载航电设备转移到云系统，同时新云功能的认证将扩展到多架飞机，降低新功能的认证和安装成本。
应用场景
“云飞行管理系统”的运用场景首先体现在运输航空。航迹协商是“基于航迹的运行”的组成部分，可能受到空域限制（途中或到达拥堵）、天气限制（如不可预见的严重雷暴）或其他因素（如航空公司业务考虑）的影响。
机组人员使用电子飞行包（EFB）上的航迹协商应用程序，该应用程序与“云飞行管理系统”通信，以根据当前飞行计划识别和评估备选路线。云通过IP数据链从其航空公司运控中心（AOC）获取当前的飞行计划。机组人员使用EFB向云发送排序备选方案，云根据各种标准（例如，飞行时间、到目的地的距离、预测天气）分析备选方案，并向空管、机组人员和运控中心提供可行的航迹选项。机组人员和运控中心审查这些选项，并通过云进行协调，以商定最能满足航班总体业务目标的选项。在做出决定后，机组人员检查更新的飞行计划，用管制员和驾驶员数据链通信（CPDLC）消息确认飞行计划，并自动将飞行计划加载到飞行管理系统中。
“云飞行管理系统”在该场景下的优势包括：可将最新的预报天气信息上传到飞行员电子飞行包。访问扩展的、更详细的天气信息，而这些信息无法存储在机载飞行管理系统中。访问所有飞机当前的飞行位置、速度矢量和意图信息等，以识别无冲突的备选路线。航迹协商模块根据需要可经常更新。每架飞机都可访问云环境中的通用算法，避免版本差异。
其次运用场景体现在城市空中交通这一场景中。城市空中交通服务提供商（PSU）在航迹协商应用程序上制定飞行计划首先传输给云FMS，然后将其传输给飞行员。起飞后，各方会在飞行过程中交换天气相关信息。飞行中若出现偏离初始航迹的情况，如空中交通管制（ATC）发布新的空域限制、不利天气状况、飞行员发现飞机性能异常等，将信息转发给PSU，创建新的飞行计划后，转发给ATC，经过协商后将批准的飞行计划发送回飞行员，飞行员将其加载到机载飞行管理系统中。
“云飞行管理系统”在该场景下的优势包括：包含所有飞机当前状态的存储库及其航迹估计；可存储有关居民噪声投诉的信息，以此更改航迹；云飞行管理系统中运行的算法可快速生成并试验不同的飞行走廊和飞行矢量，而无需涉及机载飞行管理系统；通用数据源可用于航迹协商态势感知；包含最新、更详细、更扩展的天气信息。
除了改进现有空域运行和管理流程外，“云飞行管理系统”还有望为空域运行和管理增加新功能，如尾流湍流计算、噪声计算、间隔管理等，以进一步提高空域运行和管理效率。
总结
互联生态是飞行管理系统未来发展的重要方向。“互联（Connected）飞行管理系统”实现了机载飞行管理系统与电子飞行包的自动双向连接，霍尼韦尔、GE航空航天、泰雷兹等主要飞行管理系统厂商皆推出相关产品。“云飞行管理系统”则是建立飞行管理系统的地面数字孪生，目前还处于早期研发阶段。NASA资助该项目，研究了“云飞行管理系统”的概念和应用案例，并通过模拟环境中的实验，利用SmartSky的空地网络，分析通信性能，评估“云飞行管理系统”在安全和通信要求方面的可行性、延迟性、完好性、连续性等。然而，网络安全是“云飞行管理系统”亟待解决的问题，还需进一步研究。
（作者单位系中国航空工业发展研究中心）