基础设施过去、现在和未来案例集/空中交通管制系统
这本维基教科书是对空中交通管制系统的案例研究，由马歇尔·佩蒂特、罗伯托·波尔维里诺和扎克·迪茨为乔治·梅森大学沙尔政策与政府学院和沃尔格努工程学院西德和瑞瓦·德伯里土木、环境和基础设施工程系编写的基础设施：过去、现在和未来 GOVT 490-007/CEIE 499-001 2022 年春季课程。
在我们开始之前，了解什么是空中交通管制及其在飞行交通中的作用非常重要。空中交通管制包括监测和控制特定区域空中交通的设备和地面人员。空中交通管制可以分为三个部分，包括：塔台管制、进近和离场以及航路管制 [1]。
根据 国际航空运输协会 [7]，预计未来 20 年空中乘客数量将翻一番，空中交通管制将不得不继续发展并适应不断增长的飞行乘客数量以及空中交通管制基础设施周围不断变化的环境。由于基础设施可能容易受到世界正在经历的不同技术和条件的影响，就像 5G 推出以及可能存在的兼容性问题所看到的那样。
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空中交通管制 (ATC) 是航空基础设施的重要组成部分，负责管理国家领空内航空旅行的后勤和安全。在美国，ATC 系统由联邦航空管理局 (FAA) 运营，该机构隶属于交通部 (DOT)。改善和管理航空旅行的行为是航空界成员早在第一次世界大战就意识到需要解决的一个概念。联邦政府于 1926 年通过《航空商务法》对美国领空进行监管，并于 1938 年创建了美国第一个管理 ATC 的组织，即民用航空管理局 (CAA)。
ATC 最常被认为是航空旅行的安全措施，但也组织了国家的领空，并允许飞机沿着既定的路径或路线安全地穿越开放环境。目前的组织方法及其所使用的工具和策略已经成为航空运输中稳定的一部分，已有大约 80 年的历史。然而，它提供的稳定性使用户能够保持其运营和效率，而无需经常评估和/或升级其系统的主要部分。技术进步是 FAA 面临的两个不同方面的问题。首先，其他行业的不断发展技术，例如 5G 通信，会影响 ATC 中使用的技术。其次，在二战结束后多年以来一直依赖相同系统的基础上，FAA 需要更新自己的技术以创建一种更安全、更高效的组织航空旅行的方法，这一任务已经变得既繁琐又昂贵，需要快速完成，但也需要谨慎地认识到实施和新技术对美国社区和航空业的影响。也有一些批评人士呼吁不仅彻底改革现行制度，而且还要将责任和管理从联邦政府手中剥离，将 ATC 私有化。
公共部门
- 联邦航空管理局 (FAA)：美国交通部的下属机构；它负责管理美国领空的监管。
- 空中交通组织 (ATO)：FAA 的分支机构，直接负责管理 ATC 的运营。
- 美国交通部 (DOT)：FAA 和 ATO 运营的联邦政府内阁部门。
- 机场当局：负责维护各自机场运营的团体、个人和组织。高管通常由地方政府官员任命。
私营部门
- 航空公司：世界各地商业航空运输的主要提供商。虽然美国有四大公司（联合航空、达美航空、西南航空和美国航空），但也有一些规模较小的美国企业以及国际航空公司通过美国领空运送乘客和货物。
莱特兄弟（1903 年 12 月 17 日）
莱特兄弟首次动力飞行证明了飞机可以制造和工作，但直到 1927 年，飞机才能用于商业运送乘客。
第一次世界大战（1914 年 - 1918 年）
第一次世界大战的堑壕战使得侦察变得困难，而航空是告知盟军敌方位置和计划的唯一手段，超出其堑壕线。第一次世界大战中侦察航空的使用实际上加速了飞机和航空技术的开发过程。人们也开始了解控制飞机的重要性，以及有必要引导飞机以避免坠毁。汽车是这段时间航空发生的事件的一个很好的比较。当汽车技术首次投入使用时，在汽车使用变得越来越普遍之前，没有任何手段来控制和管理交通。
横贯大陆航空邮政服务（1920 年）
横贯大陆航空邮政服务成立于 1920 年。邮件通过飞机飞往全国各地，这将航空扩展到其他对人们日常生活有益的实际用途。在这个阶段，夜间飞行是不可能的，邮件必须放在火车上，然后完成邮件路线。然后，在 1921 年 2 月 22 日，美国邮政局尝试了一项实验，使用篝火引导飞机在夜间运送邮件。这项实验包括多架飞机，其中一架在起飞后不久坠毁，导致飞行员丧生。这导致了我们第一个形式的空中交通管制基础设施——旋转灯标，最终取代了篝火的用途。
1926 年《航空商务法》
由于意识到空中交通流量增加以及需要设定标准以使飞行更加安全和可控，联邦政府于 1926 年开始介入。航空商务法包含了涉及飞机检查、空中交通规则、需要认证的飞机和需要执照的飞行员的规定。《航空商务法》还来自 1926 年的航空商务法。
民用航空管理局（1938 年）
1938 年，国会创建了民用航空管理局 (CAA)，该局集中了空中交通管制的监管和执行。这负责将来自联邦政府的所有法规集中到一个机构中。
雷达技术（1952 年）
雷达技术是当时大多数涉及到达和离场的航班的主要工具。这被认为是空中交通管制的一项革命性技术形式。它的工作原理是通过涉及电磁波的传输。这些波束被发送出去并被物体反射。接收机接收返回的无线电波的能量，并测量自初始传输开始以来的经过时间 [3]。
联邦航空法（1958 年）
这创建了今天被称为联邦航空管理局，但当时被称为联邦航空局的机构。这使该机构能够控制和监督美国军方和民用航空业的航空安全。
合同 ATC 塔台推出（1982 年）
1981 年，超过 12,000 名隶属于专业航空交通管制员组织 (PATCO) 的工会成员开始在全国范围内罢工，以报复联邦航空管理局 (FAA)。双方未能达成满足 PATCO 要求的集体谈判协议，例如加薪和减少工作时间，并承认他们对工作压力表示担忧。随后，罗纳德·里根总统解雇了所有继续参与罢工的 ATC 工会成员，这些成员在被命令返回工作岗位后继续参与罢工，以此表明联邦政府不会容忍罢工 [19]。FAA 大量解雇员工导致该机构员工数量大幅减少，需要从新的来源获取劳动力。1982 年，FAA 启动了一项新计划来帮助缓解其劳动力问题。该机构将自己的员工调离了监管很少空域活动的 ATC 塔台，并开始雇用合同工来管理日常运营，以努力分配资源。这一政策继续由 FAA 合同塔台计划 (FCT) 执行 [18]。
劳动力（今天）
管制员 24 小时值班，工作地点遍布美国 350 多个地点。这项工作不容许出错，因为人们的生命掌握在管制员手中。精神和身体上的压力都很大，新聘用的空中交通管制员年龄不能超过 31 岁，必须在 56 岁退休。FAA 直接雇用这些管制员，一旦被雇用，他们将参加持续多年的培训。这些管制员学习了广泛的技能，包括：沟通、设备功能、团队合作和天气现象 [8]。
交付和技术
[edit | edit source]联邦航空管理局通过遍布美国的 22 个空中交通管制中心 (ARTCC) 运行 ATC 网络，这些中心处理各自的区域。它们通常设在沿海的主要城市（洛杉矶、奥克兰）、所在区域的最大都市区（休斯敦、芝加哥）、通过机场的 主要交通枢纽中心（阿尔伯克基、克利夫兰）和/或靠近主要军事设施（沃斯堡、杰克逊维尔）[21]。
雷达
雷达天线发出无线电波，这些无线电波反射回雷达天线，形成空中物体和/或天气现象的“图像”。不同的雷达天线以不同的频率或“波段”运行，使其能够以不同的精度传播不同的距离；距离越远，精度越低。例如：E 波段是长距离，K 波段是短距离。E 波段可用于探测高空飞机，而 K 波段可用于在恶劣天气条件下查看飞机和车辆在跑道附近的方位。多个雷达波段同时使用以全面了解空中交通状况。
无线电
ATC 中心和飞行员使用双向无线电相互联系。双向无线电是既可以发送又可以接收传输的无线电。
为了通过无线电进行通信
- 两个无线电必须在同一个频道上
- 两个无线电必须在同一个频率上
- 两个无线电必须使用相同的明文或密文
- 明文是未加密的，这意味着传输的数据未更改
- 密文是加密的，这意味着数据被加扰。
- 如果使用密文，每个无线电必须加载相同的加密密钥，否则它们将无法对通信进行解密。
- 必须实现无线电之间的视线。这可以是直接视线，即 ATC 操作员和飞行员的无线电可以相互直接看到，也可以是“网络”视线，即通信从一个无线电跳到另一个无线电，直到到达目的地。后者可能需要在恶劣天气条件下，例如当暴风雨云阻挡了 ATC 塔台和飞机之间的直接视线时。
大多数无线电将是模拟类型的，或者是你从二战开始就想像的典型无线电。信号传播的越远，它就越不清楚，而且一次只能一个人在一个频率上进行通信。与此同时，这些无线电易于使用、可靠且制造成本低廉。较新的无线电是数字无线电，它将你的声音转换成二进制（1 和 0 的计算机语言）。二进制比音频数据更简单，因此可以更有效地传输更远的距离，并且损失更少。因此，数字无线电往往具有更清晰的音频。数字无线电是一种较新的技术，因此它们尚未得到广泛应用。它们也比模拟无线电贵得多，而且当模拟无线电仍然能够胜任工作时，额外的成本往往不值得增加的好处 [20]。
空中交通管制的财务
[edit | edit source]与大多数联邦政府部门一样，FAA 的年度预算由总统作为交通部整体预算的一部分提出，并由国会确定和分配。预算流程是一个错综复杂且繁琐的程序，从总统在 2 月份第一个星期一将详细的预算请求发送给国会开始。国会随后将请求发送给众议院和参议院的预算委员会，他们将制定一项决议，为强制性支出和自由支配支出设定金额，必须在 4 月 15 日之前以多数票通过。一旦通过，国会将把该决议发送给每个议院的拨款委员会审查，然后每个委员会将把该决议发送给 12 个小组委员会，每个小组委员会负责监督特定机构和/或政府领域的预算。这些小组委员会将在他们之间进行辩论，并咨询专家和机构官员，以确定将向政府每个机构分配多少支出以及如何使用。小组委员会随后将他们的决定写入拨款法案，供议院投票表决。所有拨款法案必须在 10 月 1 日联邦财政年度开始之前通过，否则政府将关闭 [13]。
在 2021 财年，FAA 已获得近 180 亿美元的总预算，其中约 146 亿美元被视为自由支配资金，这意味着 FAA 可以选择将大部分资金用于什么（DOT，预算汇总表 2 页）。超过 82 亿美元已用于空中交通组织的运营，其中约 59 亿美元用于支付薪酬和费用，而超过 23 亿美元将用于支付实际的项目成本（DOT，运营 - 空中交通组织 1 页）。约 9.93 亿美元用于实施 NextGen，其中约 7.94 亿美元用于资助设施和设备成本，例如天气计划、实施组合和无人机的新系统（DOT，预算汇总表 12 页）[12]。
教训
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回顾空中交通管制的过程中，一个共同的主题是飞行技术的演变，这是由于疏忽或资源不足造成的悲惨错误造成的。其中一个例子是 1956 年两架飞机在大峡谷上空发生碰撞，造成 128 人死亡。政策会根据对事件的任何愤怒或反馈做出相应调整，可悲的是，在许多情况下，需要发生悲惨事件才能取得进展。由于在大峡谷上空发生的事件，政府做出了回应，实施了 1958 年联邦航空法，该法案允许联邦航空管理局全面、统一地负责军用和民用航空和空中交通管制系统。由于这一事件，国会还拨款约 2.5 亿美元用于改进雷达技术。这件发生在大峡谷上空的那起悲剧事件在很大程度上开启了飞行自由的终结 [2]。这意味着空中碰撞的增加为一个更加互联的系统铺平了道路，该系统使用雷达和通信技术来控制天空，而不仅仅将其视为一个开放区域，任何人都可以占用该空间。旧系统的弊端在于它缺乏控制和监控。我们今天拥有的空中交通管制系统确保利用这个互联的复杂网络来监视和控制天空。
在目睹了美国空中交通管制的变化之后，重要的是还要认识到，演变并不总是正确的向前迈进，有时情况需要其他方法来解决问题。就像目前正在发生的与 5G 推出以及现有设备问题相关的复杂情况一样。
5G 推出
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5G 是一种正在取代熟悉的 4G 的标准，用于移动通信和上网。5G 将成为最新、最快的版本，但也因可能引起的一些问题而受到关注。美国联邦航空管理局 (FAA) 最近发表声明，指出了 5G 可能对飞行员在驾驶或降落飞机时使用的一些自动化功能造成的影响 [5]。无线基站是造成这个问题的根源，因为附近的所有基站都会发射 5G 信号。
驾驶舱中的自动化系统对于飞机旅行至关重要。这项技术的首要用途是防止空中和地面碰撞，以及在危险天气条件下着陆。另一项可能受到 5G 信号威胁的技术是雷达高度计，这种仪器用于测量飞机与地面之间的距离。
3.7 - 4.2 GHz 是令人关注的频率范围，这是 5G 使用的最佳频率。航空设备的运行频率范围为 4.2 - 4.4 GHz，这使得干扰的可能性增加 [5]。
这个问题在于，5G 的速度比其 4G 前身有了大幅提升。5G 的延迟会影响美国在创新和进步方面的竞争力。这对那些使用高速通信/互联网能力的行业，以及管理这些能力的电信业务来说尤其重要。
像联合航空这样的航空公司正在向美国拜登政府表达他们的担忧，并强调其他国家在处理 5G 推出和实施新政策解决问题方面花费了更多时间。在 12 月初，AT&T 和 Verizon 都计划推出 5G，但两次推迟了计划 [4]。
到目前为止，FAA (联邦航空管理局) 正在与政府官员合作制定解决方案，该方案将允许这两者共存，因为两者都至关重要。FAA 网站上发布了新的声明以及发布时间，最新的声明是在 2 月下旬发布的。该声明提到了针对特定波音 737 系列飞机在可能出现 5G 干扰的机场着陆的要求所做的修订 [6]。
私有化
[edit | edit source]ATC 私有化一直是一个持续讨论的话题，旨在放松对航空旅行的管制，并节省联邦政府的资金。私有化问题最近在 2017 年得到了解决。众议院交通和基础设施委员会审查了由主席比尔·舒斯特 (R-PA) 和委员会成员弗兰克·洛比昂多 (R-NJ) 撰写的《21 世纪 AIRR 法案》，该法案将赋予一个私营企业董事会对美国 ATC 的控制权、管理权和财务责任。这将允许董事会对服务收费，并拥有决定性权力来分配资金到他们选择的倡议和设施 [9]。
如果 ATC 的控制权从 FAA 手中剥夺，那么剩下的几家美国航空公司将能够通过选择在哪些地方为 ATC 设施提供资金以及支持哪些倡议，在目的地和航空旅行方面拥有更大的发言权。这可能会影响未被主要公司或航空公司选择接收资金的城市的经济前景，从而危及城市的旅游业和可达性。
该法案已通过委员会审议，但 ATC 私有化在航空界仍然是一个活跃的讨论话题 [9]。有几个国家使用私有化 ATC 系统，其中最著名的是加拿大，该国在 1996 年由政府创建了一个非营利性公司，名为 Nav Canada。虽然该公司为国家政府运行 ATC 提供了一个稳定、不干预的替代方案，但它也是一个规模较小的组织，管理着比美国交通量小得多的国家的空域。Nav Canada 雇用 4,000 名员工，在 100 个设施中运营，管理着 1800 万平方公里的空域，或不到 700 万平方英里 [10]。FAA 的员工人数约为 14,000 人，在 350 个设施中工作，共同监管着约 2640 万平方英里的空域 [11]。如果联邦政府决定将 ATC 的责任交由私营部门负责，那么它应该预计会经历一个缓慢的过渡期，并且需要帮助创建一个更强大的组织来处理这个对一个不断发展的行业至关重要的工作，其能力将超过 FAA 参与的顶峰。
NextGen 的实施
[edit | edit source]无论技术多么先进、耐用和有用，最终都会过时并需要更换，FAA 正在面对其 ATC 技术的这一现实。ATC 目前通过二战期间开发的雷达系统进行管理，该系统在近 80 年的使用中已经非常有效，但在安全有效地创建直线航线方面存在局限性。FAA 旨在通过 NextGen 倡议对其系统进行全面改革，NextGen 倡议价值数十亿美元，并利用卫星导航。这不仅将允许更直接的飞行，而且将使 FAA 能够同时监控更多的航班，并帮助他们减轻航空旅行对环境的影响。 [14]
NextGen 最初是在 2003 年启动的，当时国会通过了《百年航空复兴法案》（Vision 100-Century of Aviation Reauthorization Act） [15]。然而，FAA 在实施新系统方面遇到了很多延迟。飞机、ATC 塔台和机场都需要新的设备和软件。FAA 还需要培训或雇用将参与使用这一现代化计划的员工、飞行员和机场工作人员。该机构还需要重新评估其设施、用户和全国各地的机场，以确定需要对程序进行哪些更改以适应新程序，例如起降和飞行导航。所有这些重新评估方面可能都需要逐案解决。完全实施 NextGen 的最后期限最初定在 2025 年，但冠状病毒大流行迫使该机构暂时将整合放在其优先事项清单的较低位置，而且早在 2013 年，FAA 内部就有推测称该项目落后计划约十年 [16]。
虽然该计划在完全实施后将允许航空业变得更快、更节能，但改变几十年来一直使用的航线也会导致生活其他方面的变化。全国各地的社区都开始经历由于航线改道导致的噪音增加。众议院交通和基础设施委员会呼吁解决噪音污染问题，委员会中的几位成员声称 FAA 未征求将经历航线改道的社区的意见，也未进行环境评估以解决这些变化。作为回应，FAA 打算在网上建立一个投诉程序，以收集新信息以减少噪音污染并调整飞行模式 [17]。
NextGen 的最终目标不仅仅是创造更快、更安全、更高效的航空旅行，而是重组空域的有序环境以及 FAA 用于控制空域的方法。不幸的是，空域并不是美国唯一会随着实施而发生变化的部分。就像改造其他资本投资/项目一样，NextGen 将在实施过程中显着影响周围地区，并改变机场周围社区的商业和生活质量。虽然升级 ATC 系统到卫星导航仍然是必要的，尤其是当其他国家开始转向自己的实施时，但对 FAA 来说至关重要的是要认识到其工作对设施外部地区的影响。
讨论问题
[edit | edit source]- 美国是否在 ATC 和 FAA 上花费了足够的资金？如果不是，应该花费多少钱，以及应该用于哪些政策/资本/倡议？
- FAA 应该如何处理 5G 推出以及未来可能出现的私营部门技术进步带来的问题？政府和通信公司之间是否应该合作解决当前的问题？如果是，应该合作到什么程度？
- 当社区报告由于卫星导航创建的新航线导致噪音污染增加时，FAA 应该对此感到多担忧？您认为 FAA 可以做些什么来帮助减轻这个问题以及其不断变化的系统带来的其他影响？
- NextGen 计划的实施可能会出现哪些其他问题？
- FAA 和联邦政府是否在解决升级其 ATC 系统的需要之前等了足够长的时间？如果不是，他们应该在什么时候开始解决这个问题？
- 应该从联邦政府手中夺走 ATC 的责任并将其私有化吗？如果是这样，应该创建一个非营利性公司来运营它，还是应该由航空公司委员会管理？你为什么这样想？
- 如果将 ATC 私有化不可行，但联邦政府没有提供令人满意的服务，应该怎么办？
- 你认为联邦政府和 FAA 将面临的下一个关于 ATC 运营的问题是什么？
参考资料
[edit | edit source]1) 什么是空中交通管制？(2018). Sofia Tokar. https://www.snhu.edu/about-us/newsroom/stem/what-is-air-traffic-control
2) 大峡谷的回声：美国航空的公共灾难和控制技术。(2007). Taylor & Francis. https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/0734151042000202045
3) 雷达是如何工作的？(2021, 10 月 13 日). 洛克希德·马丁公司. https://www.lockheedmartin.com/en-us/news/features/2021/how-do-radars-work.html#:%7E:text=%20How%20Do%20Radars%20Work%3F%20%201%20Step,measures%20the%20time%20elapsed%20since%20the. . .%20更多
4) Butts, T. (2022, 1 月 18 日). 美国航空公司对本周 5G 推出发出严厉警告. TVTechnology. https://www.tvtechnology.com/news/us-airlines-issue-dire-warning-over-this-weeks-5g-rollout
5) Tangel, A., & Ryan, T. (2021, 10 月 30 日). FAA 计划针对新的 5G 推出向飞行员和航空公司发出警告. 华尔街日报 https://www.proquest.com/docview/2588203846
6) 访问被拒绝. (2022). FAA. https://www.faa.gov/newsroom/faa-statements-5g
7) 2036 年预测显示空中乘客将近乎翻倍至 78 亿. (2017, 10 月 24 日). IATA. https://www.iata.org/en/pressroom/pr/2017-10-24-01/
8) 全国空中交通管制员协会. (2022, 4 月 15 日). 主页. NATCA. https://www.natca.org/
链接到从同一网站获取的关于 ATC 历史的 pdf：https://www.natca.org/wp-content/uploads/2019/12/NATCA_ATC_History.pdf
9)众议院交通与基础设施委员会. (无日期). 空中交通管制私有化. 众议院交通与基础设施委员会. https://transportation.house.gov/committee-activity/air-traffic-control-privatization
10) Nav Canada. (无日期). 关于我们. Nav Canada. https://www.navcanada.ca/en/corporate/about-us.aspx https://www.navcanada.ca/en/corporate/about-us.aspx
11) 联邦航空管理局. (2022, 3 月 18 日). 空中交通数字. 联邦航空管理局. https://www.faa.gov/air_traffic/by_the_numbers/
12) 美国交通部，2022 财年预算估计（2022）. 美国交通部. https://www.faa.gov/about/budget
链接到从同一网站获取的 2022 年 FAA 预算提案的 pdf：https://www.transportation.gov/sites/dot.gov/files/2021-05/FAA-FY-2022-Congressional-Justification.pdf</nowiki>
13) 政策基础：联邦预算流程简介. 预算与政策优先事项中心. (2020, 4 月 2 日). https://www.cbpp.org/research/introduction-to-the-federal-budget-process
14) 这就是 NextGen. 联邦航空管理局. (2022, 1 月 5 日). https://www.faa.gov/nextgen/this_is_nextgen/
15)NextGen. 联邦航空管理局. (2022, 3 月 8 日). https://www.faa.gov/nextgen/
16) Jackson, W. (2013, 7 月 22 日). 什么阻碍了 FAA 的 NextGen 空中交通管制？GCN. https://gcn.com/data-analytics/2013/07/whats-keeping-faas-nextgen-air-traffic-control-on-the-runway/281800/
17) Aratani, L. (2022, 3 月 17 日). 议员审查 FAA 对航空噪音的回应，称需要更多公众宣传. 华盛顿邮报. https://www.washingtonpost.com/transportation/2022/03/17/congress-airplane-noise-airports/
18) FAA 合同塔台计划. 联邦航空管理局. (无日期). https://www.faa.gov/about/office_org/headquarters_offices/ato/service_units/mission_support/faa_contract_tower_program
19) Barera, M. (2021, 9 月 2 日). 1981 年 PATCO 罢工. 德克萨斯州阿灵顿大学图书馆. https://libraries.uta.edu/news-events/blog/1981-patco-strike#:~:text=Forty%20years%20ago%2C%20in%20August,Administration%20(FAA)%20broke%20down
20) 数字无线电与模拟无线电：你需要了解什么. TwoWayRadioGear. (无日期). https://twowayradiogear.com/blogs/news/digital-vs-analog-radios-what-you-need-to-know
21) Kern, R. M., By, & -. (2020, 1 月 1 日). 航线交通管制. AVweb. https://www.avweb.com/flight-safety/faa-regs/air-route-traffic-control/
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