CAAC理论知识 3：交通管制、任务规划

一、交通管制概念

空中交通管制（Air Traffic Control，简称 ATC）是确保飞行安全、高效运行的关键系统。以下是空中交通管制的主要职责和组成部分：

（一）空中交通管制（ATC）的主要职责

1. 监视、控制与指挥：
   • 对飞行活动进行实时监视，确保飞行安全。
   • 控制飞行路径和高度，指挥飞机的起降和飞行。
2. 划分管理空域：
   • 将空域划分为不同的区域，以便有效管理飞行活动。
3. 间隔管理：
   • 确保飞机在水平方向和垂直方向保持安全间隔，避免碰撞。
4. 监视与识别：
   • 识别并引导覆盖区域内的飞机，确保飞行活动有序进行。
5. 时间标准：
   • 使用协调世界时（UTC）作为统一时间标准，避免时差问题。

（二）管制部门

空中交通管制系统由多个部门组成，每个部门负责不同的飞行阶段和区域。

1. 航路交通管制中心（Area Control Center，ACC）

• 职责：
  • 负责高空航路的交通管理，确保飞机在长途飞行中的安全和高效。
  • 提供飞行情报服务，协助飞机避开恶劣天气和危险区域。
• 覆盖范围：
  • 边界至距离机场 50-100 公里的范围，主要管理高空航路（通常在 6000 米以上）。
• 特点：
  • 使用雷达和通信系统对飞机进行远程监控和指挥。
  • 负责跨区域的飞行协调，确保飞机在不同管制区之间的顺畅移交。

2. 进近管制室（Approach Control）

• 职责：
  • 负责机场周边一定范围内的进近和离场飞机的管理。
  • 指挥飞机进行进近和离场程序，确保飞机安全进入和离开机场。
• 覆盖范围：
  • 通常覆盖机场周边 50-100 公里的范围，高度从地面到航路管制中心的边界。
• 特点：
  • 进近管制室的工作节奏较快，需要处理大量飞机的起降。
  • 负责与机场管制塔台的协调，确保飞机顺利进入和离开机场。

3. 机场管制塔台（Airport Control Tower）

• 职责：
  • 负责机场跑道和滑行道的直接管理。
  • 指挥飞机的起飞、降落和地面滑行。
  • 确保机场内的飞行和地面活动安全有序。
• 覆盖范围：
  • 机场跑道、滑行道和停机坪区域。
• 特点：
  • 塔台管制员通过目视和雷达监控飞机的起降。
  • 负责与地面车辆的协调，确保机场内的安全。

（三）管制部门的协同工作

1. 飞行计划：
   • 飞行员在起飞前提交飞行计划，包括航线、高度和预计飞行时间。
   • 管制部门根据飞行计划分配空域和指挥飞机。
2. 通信与协调：
   • 管制部门之间通过通信系统进行实时协调，确保飞机在不同管制区之间的顺畅移交。
3. 安全间隔：
   • 管制员通过雷达和飞行数据监控飞机的间隔，确保飞行安全。
4. 应急处理：
   • 管制部门负责处理紧急情况，如飞机故障、天气变化等，提供必要的支持和引导。

二、空域及法规

（一）融合空域和隔离区域

• 融合空域：无人机与有人驾驶航空器共享同一空域，需遵循统一的空域管理规则。
• 隔离区域：为无人机单独划设的空域，避免与有人驾驶航空器冲突。

（二）无人机系统驾驶员的实施管理

• 隔离空域内超视距运行：由行业协会管理。
• 隔离空域内运行的XI级无人机：由民航局方管理。
• 融合空域300米以下运行的XI级别无人机：需持有运动或私用驾驶员执照。
• 融合空域300米以上运行的XI级别无人机：需持有商照。
• 融合空域运行的XII级别无人机：
  • 至少持有飞机或直升机等级的商照和仪表等级。
  • 无人机机长需持有航向运输执照。
• I、II级别无人机系统驾驶员：无需证照管理，自行负责。

（三）最低天气标准

地形类型	作业类型	云高要求	能见度要求
丘陵、山区、高原	农业作业	云高不低于300米	能见度不小于5公里
平原	农业作业	云高不低于150米	能见度不小于5公里
广袤水域	渔业作业	云高不低于200米	能见度不小于3公里

（四）昼间任务管理标准

地形类型	起飞时间最早不早于	起飞时间最晚不晚于
山区	日出前20分钟	日落前15分钟
平原、丘陵	日出前30分钟	-

三、机场、起降场

（一）概念

1. 起落航线

• 定义：飞机在机场附近进行起飞、着陆和复飞等操作时所遵循的飞行路径。
• 特点：
  • 一般为左航线：飞机在起落航线中通常按逆时针方向飞行，以避免与其他飞机冲突。
  • 飞行高度：一般在 300~500 米之间，具体高度视机场和飞行任务而定。
  • 等待空域：在机场附近设置的专门区域，供飞机等待起飞或着陆。等待空域的高度层距离障碍物不得低于 600 米。

2. 机场和起降场

• 定义：供飞机起飞、着陆、滑行和停放的场地及相关设施。
• 分类：
  • 民用机场：主要供商业航班起降。
  • 军用机场：供军用飞机起降。
  • 通用机场：供通用航空飞行活动（如农林作业、飞行训练、私人飞行等）起降。
  • 临时起降场：在特殊任务或紧急情况下临时设置的起降场地。

（二）机场、起降场标志

机场和起降场的标志用于引导飞机的起飞、着陆和滑行，确保飞行安全。

1. 跑道标志：

   • 跑道中心线：白色实线，指示跑道的中心。
   • 跑道入口标志：白色矩形，指示跑道的入口位置。
   • 跑道编号：根据跑道的方向，用数字表示（如 09、27）。

2. 滑行道标志：

   • 滑行道中心线：黄色实线，指示滑行道的中心。
   • 滑行道边线：黄色虚线，指示滑行道的边界。

3. 停机坪标志：

   • 停机位标志：白色或黄色的飞机轮廓，指示飞机的停放位置。
   • 引导线：黄色虚线，引导飞机进入和离开停机位。

4. 其他标志：

   • 等待位置标志：红色和白色的“STOP”标志，指示飞机等待的位置。
   • 导航标志：如 ILS（仪表着陆系统）标志，用于引导飞机在低能见度条件下着陆。

（三）机场灯光

机场灯光系统用于在夜间或低能见度条件下引导飞机的起飞、着陆和滑行。

1. 跑道灯光：

   • 跑道边灯：蓝色灯光，沿跑道边缘布置，指示跑道边界。
   • 跑道中线灯：白色灯光，沿跑道中心线布置，指示跑道中心线。
   • 跑道入口灯：绿色灯光，指示跑道入口位置。
   • 跑道末端灯：红色灯光，指示跑道末端位置。

2. 滑行道灯光：

   • 滑行道边灯：蓝色灯光，沿滑行道边缘布置，指示滑行道边界。
   • 滑行道中线灯：绿色灯光，沿滑行道中心线布置，指示滑行道中心线。

3. 停机坪灯光：

   • 停机位灯光：白色或黄色灯光，指示飞机的停放位置。

4. 导航灯光：

   • 进近灯光：用于引导飞机在低能见度条件下对准跑道。
   • PAPI（精密进近航道指示器）：提供飞机下滑道的视觉引导。

（四）观察其他飞机的灯光

在飞机上观察其他飞机的灯光时，可以通过灯光的颜色判断飞机的飞行方向：

• 右红左绿：如果看到一架飞机的右侧是红色灯光，左侧是绿色灯光，说明该飞机正朝你飞来（相向飞行）。
• 右绿左红：如果看到一架飞机的右侧是绿色灯光，左侧是红色灯光，说明该飞机正远离你飞去（同向飞行）。

四、任务规划

（一）概念与目标

无人机任务规划是指根据无人机需要完成的任务、无人机的数量以及携带任务载荷的类型，对无人机制定飞行路线并进行任务分配。任务规划是无人机自主飞行的关键环节，直接影响任务的效率和安全性。

主要目标：

1. 规划最优或次优航迹：为无人机规划出一条或多条高效的飞行路线，确保任务的顺利完成。
2. 实现自主导航与飞行控制：通过任务规划，使无人机能够在复杂环境中自主飞行，减少人工干预。

（二）约束条件与原则

任务规划需要考虑多种约束条件和原则，以确保飞行的安全性和任务的可行性。

1. 飞行环境限制（重点）

• 地形与障碍物：规划时需避开高大建筑物、山脉等障碍物，确保飞行安全。
• 气象条件：考虑风速、风向、降水等因素，避免恶劣天气对飞行的影响。
• 禁飞区与限制区：严格遵守空域管理规定，避开机场、军事区域等禁飞区。
• 通信覆盖范围：确保无人机在通信链路覆盖范围内，避免信号丢失。

2. 无人机物理限制（重点）

• 最小转弯半径：无人机在转弯时需满足最小转弯半径要求，避免因转弯过急导致失速。
• 最大俯仰角：飞行时需控制在无人机的最大俯仰角范围内，确保飞行姿态稳定。
• 最小航迹段长度：航迹段过短可能导致无人机频繁调整姿态，增加能耗和飞行风险。
• 最低安全飞行高度：确保无人机飞行高度高于最低安全高度，避免与地面障碍物碰撞。

3. 飞行任务要求

• 任务区域：根据任务需求，规划覆盖任务区域的飞行路线。
• 任务时间：考虑任务的起止时间，确保无人机在规定时间内完成任务。
• 任务载荷：根据携带的载荷类型（如相机、传感器等），优化飞行路线以满足任务需求。

4. 实时性要求

• 动态调整：任务规划需具备实时调整能力，根据飞行中的突发情况（如气象变化、障碍物出现）动态更新飞行路线。
• 快速响应：任务规划系统需具备快速响应能力，确保无人机能够及时调整飞行状态。

（三）任务规划分类

任务规划根据时间顺序和应用场景，可分为预先规划和实时规划，两者相互补充，确保任务的高效执行。

1. 预先规划

• 定义：在飞行任务开始前，根据任务需求和已知环境信息，通过选用合适的算法谋求最优飞行轨迹。
• 特点：
  • 全面性：考虑任务的整体需求和环境约束。
  • 精确性：通过复杂算法优化飞行路径，减少能耗和风险。
  • 适用场景：适用于任务目标明确、环境信息已知的情况。

2. 实时规划

• 定义：在飞行过程中，根据实时环境变化（如气象变化、未知障碍物等），采用快速航迹规划算法进行动态调整。
• 特点：
  • 快速性：算法简单高效，能够在短时间内生成新的飞行路径。
  • 灵活性：能够实时响应突发情况，确保飞行安全。
  • 适用场景：适用于复杂动态环境，如城市低空飞行、山区飞行等。

（四）任务描述与分解

任务规划是一个系统工程，涉及任务理解、环境评估、任务分配、航迹规划、航迹优化和航迹评价等多个环节。

1. 任务理解

• 定义：明确任务目标、任务区域、任务时间等关键信息。
• 内容：
  • 任务类型（如测绘、巡检、物流等）。
  • 任务区域的地理范围和环境特点。

2. 环境评估

• 定义：对任务区域的地形、气象、空域限制等环境因素进行评估。
• 内容：
  • 地形信息（如山脉、建筑物等）。
  • 气象条件（如风速、降水等）。
  • 空域限制（如禁飞区、限制区等）。

3. 任务分配

• 定义：根据任务需求和无人机能力，分配具体任务。
• 内容：
  • 载荷规划：根据任务需求选择合适的载荷（如相机、传感器等）。
  • 通信规划：确保无人机在任务过程中与地面控制站保持通信。
  • 目标分配：将任务目标分配给具体的无人机或任务阶段。

4. 航迹规划

• 定义：根据任务需求和环境信息，规划无人机的飞行路径。
• 内容：
  • 出发地点、途径地点、目的地点的位置信息。
  • 飞行高度和速度。
  • 需要达到的时间段。
• 特点：
  • 综合应用技术：结合导航技术、地理信息技术、远程感知技术。
  • 使用电子地图：显示无人机位置、飞行航迹、航迹规划信息和其他辅助信息（如图元标注）。
  • 图元标注：主要包括场地标注、警示标注、任务区域标注。

5. 航迹优化

• 定义：根据无人机的物理限制（如最小转弯半径、最大俯仰角）对航迹进行优化处理。
• 内容：
  • 标准飞行轨迹生成功能：生成符合任务需求的飞行轨迹。
  • 常规飞行航线生成与管理功能：管理飞行航线，确保任务顺利执行。
  • 应急航线和航线转移策略：考虑突发情况下的应急措施。

6. 航迹评价

• 定义：对规划的航迹进行评估，确保其符合任务需求和安全标准。
• 内容：
  • 安全性评估：确保飞行路径避开障碍物和禁飞区。
  • 效率评估：优化飞行路径，减少能耗和飞行时间。
  • 适应性评估：确保航迹能够适应实时环境变化。

（五）航线规划

航线规划是任务规划的核心环节，分为飞行前预规划和飞行过程中重规划。

1. 飞行前预规划

• 定义：在飞行任务开始前，根据任务需求和已知环境信息，规划初始飞行路径。
• 内容：
  • 出发地点、途径地点、目的地点的位置信息。
  • 飞行高度和速度。
  • 需要达到的时间段。

2. 飞行过程中重规划

• 定义：在飞行过程中，根据实时环境变化（如地形、气象变化、未知威胁区域等），动态调整飞行路径。
• 内容：
  • 应急航线：在突发情况下（如通信中断、气象恶化）切换到安全航线。
  • 航线转移策略：根据实时数据调整飞行路径，避开障碍物和禁飞区。