空中交通管制（Air Traffic Control）
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>>> 2025-05-11 空中交通管制（Air Traffic Control） (PDF)
最近，空中交通管制（Air Traffic Control，ATC）频频见诸报端，原因是我国在这方面的能力日益下降。 实际上，这是一个长期趋势，是几十年投资不足、日益无能的国防工业集团严重把持、美国联邦航空管理局（FAA）管理不善，以及里根总统镇压 PATCO 罢工的长期影响造成的。 当然这只是我的个人看法，也许是飞机变得太“觉醒”了。 无论如何，现在正是思考空中交通管制中那些“怪异”之处的有趣时机。 ATC 在技术、行政和社会层面的复杂程度，似乎都超出了人们的预期。 ATC 受到其特殊且往往是偶然的发展历程的深刻影响，它是一种始终滞后于需求的必需品，并且受益于军事实践和技术的传承。
航空无线电
在航空业的早期，对 ATC 的需求很小——飞机数量很少，而且技术还不允许地面管制员发挥太大的作用。 当时使用旗帜和信号灯来指示飞机着陆，但在很大程度上，ATC 必须等待航空无线电的发展。 这项工作的动力主要来自第一次世界大战。
在这里，我们必须注意到，航空史与战争史密切相关。 航空技术在重大冲突期间总是突飞猛进，正如我们将看到的，ATC 也不例外。
到 1913 年，美国陆军信号兵团（US Army Signal Corps）正在试验使用无线电与飞机通信。 这在无线电技术发展早期是很早就开始的，当时的飞机无线电设备庞大且难以操作，但当时航空业也处于早期阶段，“庞大且难以操作”同样适用于当时的飞机。 尽管如此，无线电在航空领域具有明显的潜力。 飞机的第一个军事应用是侦察。 飞行员可以飞过前线以寻找火炮阵地并提供其他有用的信息，然后带着地图返回。 当然，比带着地图返回更好的是实时提供信息，到战争结束时，用于飞机的中频 AM 无线电已经得到很好的发展。
飞机上的无线电自然导致了另一项战时创新：地面控制。 地面军事人员使用无线电协调侦察机的飞行计划和路线，后来告知战斗机和其他敌方资产的位置。 在没有任何真正的方法知道飞机在哪里情况下，这一切都非常原始，但这确立了基本的模式，即地面上的人员可以跟踪飞机并提供有用的信息。
战后，民用航空迅速发展。 20 世纪 20 年代初，许多商业航空公司开始采用无线电，主要用于诸如时刻表协调之类的商业目的。 但是，一旦您与地面上的人员建立了联系，询问天气和状况就变得很自然了。 许多现代实践，例如天气简报、飞行计划和航线许可，都源于各个航空公司内部或多或少正式的实践。
航空邮件
政府也没有被排除在外。 邮局在 20 世纪 20 年代初期运营着可能是世界上最大的商业航空业务，即航空邮件（Air Mail）。 邮局本身没有任何飞机；所有的飞行都外包出去——最初外包给陆军航空兵，后来外包给一大批地区性航空公司。 邮局认为航空邮件是一项高度优先事项，并且非常受公众欢迎。 当横贯大陆的航线于 1920 年开始正常运营时，通过在近乎不间断的接力赛中在飞机之间转移信件，就可以在短短 33 小时内将信件从纽约市寄到旧金山。
邮局在将服务承包给私人运营商方面的慷慨大方，不仅为我们现代航空业提供了资金，而且提供了动力。 当时航空旅行不是很受欢迎，因为它很吵而且不舒服，但邮件没有抱怨。 20 世纪 20 年代的许多合同邮件运营商发展壮大并合并为现在美国最大的公司之一。 大约十年时间里，邮局几乎单枪匹马地资助了民用航空，而乘客只是副业 [1]。
航空邮件的雄心不仅具有经济效益。 航空邮件航线通常比商业客运航线更长且更具挑战性。 横贯大陆的服务需要定期飞越人口稀少的内陆地区，这挑战了当时的导航技术，并使营救遇难飞行员成为一个主要问题。 值得注意的是，航空邮件运营商在 20 世纪 20 年代比任何其他商业航空业务的夜间飞行都要多得多。 邮局成为政府在民用航空领域的实际技术领导者。 除了为引导城市之间的航空邮件而建造的信标和标志网络外，邮局还在横贯大陆的航线上建造了 17 个航空邮件无线电台（Air Mail Radio Stations）。
航空邮件无线电台是整个航空邮件企业的公司无线电系统，也是当时存在的全国性公共空中交通管制服务的最接近形式。 但是，他们没有提供我们现在所说的控制。 他们的作用主要是向飞行员提供信息（包括关键的天气报告），并粗略地掌握航空邮件航班的情况，以便及时发现失踪情况并派遣搜救人员。
1926 年，《瓦特斯法案》（Watres Act）成立了商务部的航空部门（Aeronautic Branch of the Department of Commerce）。 航空部门承担了许多职责，其中之一就是维护航空邮件航线。 同样，航空邮件无线电台也变成了航空部门的设施，并更名为飞行服务站（Flight Service Stations）。 飞行服务站不再仅仅为合同邮件运营商服务，而是构成了一个全国性的政府提供的飞行员服务网络。 它们是我们现在所说的国家空域系统（National Airspace System，NAS）中的第一个建筑：NAS 是物理设施、技术和运营实践的复杂组合，可实现安全的航空。
1935 年，第一个航路空中交通管制中心开放，该设施位于纽瓦克，由一群航空公司所有。 航空部门（当时已更名为航空商务局）支持航空公司开发这种新的航路管制概念，该概念使用无线电通信和文书工作来跟踪哪些飞机位于哪些航路上。 越来越多的商业飞机使空中相撞成为一个更大的问题，因此纽瓦克管制中心之后很快又建立了更多基于相同模式的设施。 1936 年，航空商务局接管了这些中心的所有权，并且 ATC 与飞行服务站提供的咨询和安全服务一起成为了政府职能。
航路中心管制员通过无线电接收飞行员的位置报告，但需要一种方法来可视化和跟踪飞机的位置及其预定的飞行路线。 几种技术有所帮助：首先，航空公司与管制中心共享其飞行计划文书工作，从而建立了与天空中每架飞机相对应的“飞行计划”。 管制员采用了一种名为“飞行条”（flight strip）的工作辅助工具，这是一张小纸片，上面包含有关飞机身份和飞行计划的关键信息，可以很容易地在各站点之间传递。 通过将飞行条排列在布满插槽的显示板上，管制员可以根据高度和航路可视化飞机的顺序。
其次，每个中心都配备了一个大型标绘表地图，管制员在上面推动标记，以对应于飞机的位置报告。 每个标记上的小旗子都标明了航班号，因此可以很容易地将其与安装在标绘表周围的其中一块板上的飞行条相关联。 这种空中交通管制的基本概念，即飞行条和位置标记，至今仍在使用。
雷达
第二次世界大战对航空业的改变比历史上任何其他事件都大。 在众多进步中，有两项英国发明尤其重要：首先是喷气发动机，它将使现代客机成为现实。 其次是雷达，更具体地说是磁控管。 这是一项如此重要的发展，以至于英国政府将其视为与核武器类似的秘密； 事实上，英国实际上是将雷达技术交易给美国，以换取参与美国的核武器研究。
雷达为防空创造了全新的可能性，并完善了英国之前的防空发展。 在第一次世界大战期间，负责保护伦敦免受空中袭击的组织开发了一种称为“地面控制拦截”（ground-controlled interception，GCI）的方法。 在 GCI 下，地面观察员识别可能的攻击目标，然后通过无线电引导攻击机朝目标方向飞行。 雷达的出现使 GCI 的功能大大增强，从而使相对少量的雷达辅助防空中心可以监控入站攻击，然后通过实时矢量引导防御者。
在最初的实现中，雷达站通过电话向“过滤中心”（filter centers）报告接触情况，这些过滤中心关联来自单独雷达的跟踪信息，以创建空域的统一视图——用油性铅笔绘制在预先打印的地图上。 过滤中心的工作人员获取雷达和视觉报告，并通过移动标记来更新地图。 然后，再次通过电话将此合并的信息提供给防空基地。
英国后来的技术发展使该过程更加自动化。“计划位置指示器”（plan position indicator，PPI）的发明（我们今天都熟悉的雷达屏幕类型）使雷达更容易操作和解释。 自动在 360 度范围内扫描的雷达装置使每个雷达站都可以看到其区域内的所有活动，而不仅仅是穿过防御线的飞机。 这些新功能消除了许多手动工作：雷达站可以在一个 PPI 上看到攻击机和防御机，并通过无线电直接与防御机通信。
雷达操作员根据对飞行员位置和航向的实时观察，通过无线电向飞行员提供导航矢量已成为一种惯例。 管制员从自上而下的角度对空域进行战略指挥，从而有效地操纵飞机。 这种工作流程的简便性和效率是英国战役结束的重要因素，并且它显着的效果也在美国得到了注意。
与此同时，美国也发生了变化。 第二次世界大战极大地扰乱了民用航空；虽然航空技术由于战时需求而迅速发展，但这些同样紧迫的需求导致非军事活动放缓。 大量的军事后勤飞行和飞行训练，以及对保护美国免受入侵的日益增长的担忧，意味着 ATC 仍然是一项优先事项。 航空商务局的重组将其替换为民用航空管理局（Civil Aeronautics Authority，CAA）。 随着 CAA 承担机场控制塔的责任并委托新的航路中心，CAA 的作用大大扩展。
随着第二次世界大战接近尾声，CAA 航路管制中心开始采用 GCI 技术。 到 1955 年，航路中心采用了航路交通管制中心（Air Route Traffic Control Center，ARTCC）的名称，并安装了第一批空中监视雷达。 在配备雷达的 ARTCC 中，管制员在上面推动标记来跟踪飞机身份的地图被替换为按照海军设计建造的大型台式 PPI。 管制员仍然推动标记来跟踪飞机的身份，但是他们根据相应的雷达“光点”而不是无线电位置报告来移动它们。
空中防御
第二次世界大战后，战后繁荣和喷气发动机等战时技术导致商业航空的巨大增长。 在 20 世纪 50 年代，越来越多的 ATC 设施（机场的“终端”和 ARTCC 的“航路”）采用了雷达，但是 ATC 程序几乎没有重大变化。 随着越来越多的飞机在空中飞行，跟踪飞行计划及其相应的位置变得非常耗力且容易出错。 一个特殊的问题是飞机的航程和速度越来越快，相应的客运航班也越来越长，这意味着许多飞机从一个 ARTCC 的领空飞到另一个 ARTCC 的领空。 这要求管制员“移交”（hand off）飞机，告知“下一个”ARTCC 飞机将进入其空域的飞行计划和位置。
1956 年，两架商业客机在大峡谷上空发生空中相撞，造成 128 人死亡。 1958 年，一架军用战斗机在内华达州上空撞上一架商业客机，造成 49 人死亡。 这些不是 20 世纪 50 年代中期发生的唯一此类事件，公众对航空的信任开始下降。 必须做点什么。 首先，在 1958 年，CAA 让位于美国联邦航空管理局（Federal Aviation Administration，FAA）。 这不仅仅是名称的更改：与 CAA 相比，FAA 的权力大大增加，最值得注意的是，它被授予对军事航空的权力。
这是一个难以用简洁的方式解释的话题，所以我只会大致介绍一下。 在 1958 年之前，军事航空与民用航空完全不同，两者之间没有任何协调，甚至根本没有通信。 当然，这是 1958 年碰撞的一个因素。 此外，1956 年的碰撞虽然没有涉及军方，但部分原因是由于独立的 CAA 设施与航空公司自身的控制设施之间的通信问题造成的。 1958 年之后，ATC 完全统一为一个组织，即 FAA，它承担了当时军事管制员的工作以及航空公司的一些角色。 军方至今仍拥有自己的空中管制员，并且军用飞机继续享有特权，例如（实际但非法）免除应答器要求，但是飞越美国的军用航班仍受与民用航班相同的 ATC 的约束。 适用一些例外情况，在禁止的情况下无效，等等。
FAA 突然增加的范围只会使 ATC 的实际挑战更加困难，并且商业航空的数量继续增加。 FAA 成立后不久，人们就意识到需要对改进国家空域系统进行重大投资。 虽然最初的几年主要集中在过渡上，但 FAA 的第二任局长（Najeeb Halaby）准备了两份冗长的报告，审查了情况并提出了改进建议。 其中一份报告《信标报告》（Beacon report）（也称为“信标项目”（Project Beacon））专门讨论了 ATC。 《信标报告》的建议包括大规模扩展基于雷达的控制（由于管制员可以实时反馈飞机移动，因此称为“正控制”）以及用于航路和机场的新控制程序。 更好的是，就我们的目的而言，它建议采用通用计算机和软件来自动化 ATC 功能。
与此同时，冷战正在升温。 美国空防在二战后的几年里只是一个小问题，但现在它比以往任何时候都更加重要。 苏联拥有可以到达美国的远程飞机，并且核武器意味着只有少数此类飞机必须到达才能造成大规模破坏。 考虑到美国的广阔幅员（并且考虑到美国和加拿大之间新的统一防空司令部，整个北美地区）使这成为一项艰巨的挑战。
在 20 世纪 50 年代，新成立的空军与麻省理工学院的林肯实验室（MIT's Lincoln Laboratory，雷达研究的重要中心）和 IBM 密切合作，设计了一个计算机化的、集成的、联网的 GCI 系统。 当空军承诺购买该系统时，它被命名为半自动地面环境（Semi-Automated Ground Environment，SAGE）。 SAGE 是计算机和计算机通信历史上至关重要的时刻，是第一个演示现代计算机技术许多部分的系统，而且，它可能是任何类型的第一台大型计算机系统。
SAGE 是一个广阔的话题，我不会在这里讨论；我相信它将成为未来文章的重点，但它是一个广为人知且被广泛报道的话题。 到目前为止，我一直觉得我没有太多新东西可以贡献，尽管它是过去五年我的“主题列表”中的第一项。 但是，我想告诉您有关 SAGE 的一件事，也许不是那么广为人知的是，SAGE 没有用于 ATC。 SAGE 是一个纯粹的军事系统。 它由空军委托，其众多的运营设施（称为“指挥中心”）与他们将指挥的拦截部队一起位于空军基地内。
但是，SAGE 的功能与 ATC 的需求之间存在明显的重叠。 SAGE 指挥中心使用调制解调器通过租赁电话线不断接收来自远程数据站点的数据跟踪，并自动将多个雷达跟踪关联到一架飞机。 一旦操作员输入有关飞机的信息，SAGE 就会存储该信息，以供其他雷达操作员检索。 当具有关联数据的飞机从一个指挥中心的领空飞到另一个指挥中心的领空时，飞机的状态和相关信息会自动通过调制解调器传输到下一个指挥中心。
防空的关键要求之一是识别飞机——任何未知的跟踪都可能是日常商业活动，或者可能是入站攻击。 防空司令部从 FAA 接收商业航班（更广泛地说，是所有进入北美的航班）的飞行计划数据，并将其输入 SAGE，从而允许雷达操作员检索其屏幕上任何飞机的“飞行条”数据。
认识到与 ATC 的这种互连，在 SAGE 指挥中心开始安装后，空军立即开始进行一项名为 SAGE 空中交通集成（SAGE Air Traffic Integration，SATIN）的升级工作。 SATIN 将扩展 SAGE 以服务于 ATC 用例，直接在 ARTCC 中提供 SAGE 控制台，并增强 SAGE 以执行非军事安全功能，例如冲突警告和飞行计划的未来预测以进行调度。 飞行条将被电传打字机输出取代，并且通常由于计算机能够过滤雷达屏幕而变得不那么必要。
进行了实验性的试用安装，并且 FAA 积极参与了研究工作。 增强 SAGE 以满足 ATC 的要求似乎很可能满足《信标报告》的建议，并比开发 FAA 专用系统更快、更便宜地从根本上改善 ARTCC 的运营。
结果是，好吧，它没有发生。 SATIN 与另一个计划中的 SAGE 升级连接到超级作战中心（Super Combat Centers，SCC），这是一种深埋地下的作战指挥中心，具有大大增强的 SAGE 计算机设备。 SATIN 和 SCC 的规划者非常自信，以至于计划安装 SAGE 的最后三个防空区（包括我自己的阿尔伯克基）被推迟了，因为他们假设应该安装改进的 SATIN/SCC 设备，而不是即将过时的原始系统。 SCC 的成本估算不断膨胀，并且该计划的雄心壮志逐月减少，直到 1960 年完全取消。 阿尔伯克基从未安装 SAGE，并且阿尔伯克基防空区也在 1960 年晚些时候被重组取消。
飞行服务站
还记得那些飞行服务站（Flight Service Stations）吗，最初是由邮局建造的那些？ ATC 的一个奇怪之处在于它们从未消失。 FSS 被转移到 CAB，转移到 CAA，然后再转移到 FAA。 在 20 世纪 30 年代和 40 年代，建造了更多的 FSS，从而扩大了对该国大部分地区的覆盖范围。
在 ATC 的整个发展过程中，FSS 仍然负责非控制功能，例如天气简报和飞行计划管理。 由于根据仪表飞行规则运行的飞机必须严格遵守 ATC，因此 FSS 对 IFR 航班的参与非常有限，并且 FSS 主要为 VFR 流量提供服务。
随着 ATC 变得普遍，FSS 获得了一个新的且有些奇怪的角色：充当 ATC 的中间人。 FSS 的数量更多，并且通常位于城市之间较为稀疏的地区（而 ATC 设施往往位于城市中），因此尤其是在本世纪中叶，飞行员更容易联系到 FSS 而不是 ATC。 在一段时间内，FSS 例行地在飞行员和管制员之间中继指令。 今天仍然这样做，尽管改进的通信使这种需求变得不那么普遍了。
随着天气传播的改进（这是未来文章的另一个主题），FSS 可以从气象局访问广泛的天气状况和预报信息。 这种连接是双向的；在本世纪中叶，FSS 不仅通过电传打字机接收天气预报，还将飞行员对天气状况的报告发送回气象局。 当然，今天这些通信已经计算机化，尽管传统的电传打字机格式仍然顽固地存在。
FSS 和 ATC 之间一直存在着奇怪的分裂：它们由不同的部门运营，来自不同的设施，具有不同的功能和运营惯例。 2005 年，FAA 通过将 FSS 功能完全私有化来削减成本。 飞行服务现在由最大的政府承包商之一 Leidos 运营。 所有 FSS 操作都已集中到一个通过远程无线电站点进行通信的设施。
虽然飞行服务仍然可用，但日益增长的自动化使电台的重要性大大降低，并且普遍认为飞行服务已进入最后几年。 上次我看的时候，Leidos 没有招聘飞行服务人员，并且预计他们再也不会招聘，而是让这项服务及其员工一起退休。
飞行服务确实维护了我最喜欢的互联网现象之一，电话号码域名：1800wxbrief.com。 FSS/ATC 分裂和 FAA 非常部分的私有化的一种奇怪的表现是，Leidos 维护了一个与气象局的 aviationweather.gov 分开且竞争的在线航空天气门户。 由于飞行服务传统上负责天气简报，因此老实说，Leidos 与国家气象局应该在航空天气信息服务上投入多少资金尚不清楚。 就 FAA 而言，它似乎将 aviationweather.gov 视为官方来源，但它为 1800wxbrief.com 付费。 还有 weathercams.faa.gov，它复制了 Leidos 门户网站和 NWS 上天气信息的大部分（可能全部？）。 这只是其中的一件事。 或者更确切地说，是三件事。 谈到由于计划不周而造成的重复......
国家空域系统
由于空军的抛弃，FAA 启动了自己的 ATC 自动化计划。 当空军部署 SAGE 时，FAA 大部分时间都在等待，并且各种 ARTCC 采用了各种各样的方法，从一次性计算机系统到完全基于纸张的跟踪。 到 1960 年，雷达已经无处不在，但是不同的雷达系统在不同的设施中使用，并且雷达接触和飞行计划之间的关联完全是手动的。 FAA 需要更好的东西，并且随着国会对 ATC 现代化越来越支持，他们有资金资助他们所谓的国家空域系统航路阶段 A（National Airspace System En Route Stage A）。
为了进一步加剧 SAGE 和 ATC 之间的历史混淆，FAA 决定采用一种实用的（如果具有讽刺意味的）解决方案：购买他们自己的 SAGE。
在即将发表的一篇文章中，我们将了解 FAA 的第一个完全集成的计算机化空中交通管制系统。 虽然通过 SATIN 的失败绕行延误了该系统的开发，但 SAGE 的设计和 FAA 的合同之间近十年的延误使得技术得到了显着改进。 这种“新 SAGE”虽然在功能层面上直接基于 SAGE，但使用了后来的现成计算机设备，包括 IBM System/360，这使其比 SAGE 及其巨大的定制 AN/FSQ-7 更像我们现代的计算世界。
而且我们今天仍在处理这些后果！
[1] 它也为行业整合奠定了基础，1930 年的一项决定将航空邮件合同从大多数较小的公司手中夺走，而是授予了联合航空公司、环球航空和美国航空的前身。
sincerely,
j. b. crawford
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