基于著陸許可發(fā)布時(shí)機(jī)的節(jié)點(diǎn)算法及風(fēng)險(xiǎn)分析

田曉穎

（中國(guó)民用航空華東地區(qū)空中交通管理局山東分局，濟(jì)南 250107）

國(guó)際民航組織最新發(fā)布的《Air Traffic Management（Sixteenth Edition）》（Doc 4444）[1]和《民用航空空中交通管理規(guī)則》（CCAR93-R5）[2]中都取消了原先塔臺(tái)發(fā)布著陸許可時(shí)航空器距離跑道入口不得小于4 km的限制，其實(shí)質(zhì)是增加管制靈活度、縮短著陸飛機(jī)與前機(jī)的間隔。這種改變將非常直觀的著陸許可發(fā)布時(shí)機(jī)的距離概念，更換為靠經(jīng)驗(yàn)和變化的數(shù)據(jù)判斷的時(shí)空概念。這種時(shí)空概念對(duì)管制員的綜合素質(zhì)要求較高，需要高度的專注力和準(zhǔn)確的判斷力。因此，對(duì)航空器著陸起飛的時(shí)間與距離間隔、管制員和飛行員反應(yīng)時(shí)間等進(jìn)行研究十分必要。田棟山[3]對(duì)著陸與起飛航空器位置和時(shí)間進(jìn)行研究，提出在著陸航空器著陸許可發(fā)布前，發(fā)布起飛航空器起飛許可所需最小時(shí)間間隔計(jì)算方法，可對(duì)終端區(qū)范圍內(nèi)的航空器進(jìn)行綜合管理，有效地控制到達(dá)跑道入口的時(shí)機(jī)。夏正洪等[4]對(duì)終端區(qū)飛行間隔進(jìn)行研究，根據(jù)起飛和降落時(shí)刻提出了航空器間在不同起降序列下的時(shí)間、距離計(jì)算方法，有效地縮短了航空器起飛、著陸飛行間隔。張兆寧等[5]對(duì)飛機(jī)飛行的縱向安全間隔進(jìn)行研究，利用飛行員和管制員的反應(yīng)時(shí)間建立了飛機(jī)飛行跟馳模型，為飛行間隔標(biāo)準(zhǔn)提供理論依據(jù)。董林林[6]對(duì)管制員放飛間隔問(wèn)題進(jìn)行研究，計(jì)算得出特定情況下兩架航空器放飛間隔最低標(biāo)準(zhǔn)，提出放飛的間隔應(yīng)該留有余量以保證安全。

以上研究都是基于舊版規(guī)章內(nèi)容開(kāi)展的，針對(duì)新版規(guī)章的修改部分，還需將抽象化的著陸許可發(fā)布時(shí)機(jī)轉(zhuǎn)化為具有可操作性的節(jié)點(diǎn)，因此，提出不同節(jié)點(diǎn)下的著陸許可發(fā)布時(shí)間算法，探討在不同節(jié)點(diǎn)下的著陸許可發(fā)布時(shí)機(jī)，為管制員工作提供準(zhǔn)確的參考，降低跑道入侵甚至航空事故的風(fēng)險(xiǎn)。

1 著陸許可發(fā)布時(shí)機(jī)算法

研究著陸許可發(fā)布時(shí)機(jī)及其相關(guān)節(jié)點(diǎn)需要航空器進(jìn)近至著陸的平均速度、航空器起降過(guò)程中各階段用時(shí)和飛行員對(duì)管制指令的反應(yīng)用時(shí)等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可用來(lái)計(jì)算或描述特定條件下航空器距離某個(gè)位置的距離或某個(gè)時(shí)刻的時(shí)間。設(shè)確信符合上述發(fā)布許可條件的時(shí)刻為T1，航空器下降的決斷高度或最低下降高度的時(shí)刻為T2，前行航空器過(guò)跑道入口的時(shí)刻為T3，則發(fā)布著陸許可的時(shí)機(jī)T為

基于著陸許可發(fā)布時(shí)機(jī)理論分析，T1的科學(xué)數(shù)值，可替換為距離概念，其與著陸航空器類型和速度、前行航空器類型和速度、風(fēng)向風(fēng)速、溫度、跑道長(zhǎng)度、跑道濕度、有無(wú)管制二次雷達(dá)、有無(wú)場(chǎng)監(jiān)雷達(dá)、能否目視機(jī)動(dòng)區(qū)、飛行員和管制員的反應(yīng)能力等均有關(guān)系。絕大部分航空器起降階段的速度差異不明顯，而B(niǎo)737-800型飛機(jī)在國(guó)內(nèi)數(shù)量占比較高，以其為例具有方法上的通用性，所以假設(shè)的計(jì)算條件為：前后航空器均為B737-800型、凈風(fēng)、能見(jiàn)度良好、跑道3 600 m及一類盲降進(jìn)近。

航空器的起降速度受當(dāng)時(shí)的機(jī)場(chǎng)溫度、跑道系數(shù)、客貨配載、修正海壓、是否使用減推力起飛等多種因素的影響，每次不盡相同。根據(jù)日常運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，正常情況下，B737-800中型客機(jī)，從跑道等待點(diǎn)到對(duì)正跑道時(shí)間約為60 s，從起飛滑跑到飛越跑道末端（長(zhǎng)度3 600 s）約為60 s，通常為直飛，在飛越跑道末端前很少轉(zhuǎn)彎。航空器在進(jìn)近到著陸時(shí)的平均速度為150 kn，約等于 280 km/h，約合 4.67 km/min，相關(guān)起降數(shù)據(jù)如表1所示。

發(fā)布著陸許可有3種情形：①前行進(jìn)近著陸航徑及跑道上沒(méi)有航空器；②跑道上有離場(chǎng)航空器；③跑道入口以內(nèi)及跑道上有著陸航空器。判斷著陸許可發(fā)布時(shí)機(jī)是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，這個(gè)時(shí)機(jī)不是孤立的，它產(chǎn)生于一個(gè)符合邏輯的系統(tǒng)之中。在產(chǎn)生它之前，與之相關(guān)聯(lián)的航空器是否存在有礙于合理進(jìn)程的發(fā)展，是很重要且需要一并考慮的。例如，在向五邊進(jìn)近的航空器發(fā)布著陸許可之前，離場(chǎng)航空器需要進(jìn)跑道的時(shí)機(jī)該如何掌握，等等。要分析的控制節(jié)點(diǎn)主要包括：前行無(wú)航空器時(shí)著陸許可發(fā)布時(shí)機(jī)、前行有離場(chǎng)航空器時(shí)的著陸許可發(fā)布時(shí)機(jī)、離場(chǎng)航空器進(jìn)入跑道時(shí)機(jī)、前行有著陸航空器時(shí)的著陸許可發(fā)布時(shí)機(jī)等。

表1 起降數(shù)據(jù)Tab.1 Departing and landing data

2 控制節(jié)點(diǎn)計(jì)算及其風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1 前行無(wú)航空器時(shí)著陸許可發(fā)布時(shí)機(jī)

前行進(jìn)近著陸航徑及跑道上沒(méi)有航空器時(shí)，對(duì)進(jìn)近著陸航空器的著陸許可發(fā)布時(shí)機(jī)，只需滿足在它下降到?jīng)Q斷高度之前發(fā)布即可。

2.2 前行有離場(chǎng)航空器時(shí)著陸許可發(fā)布時(shí)機(jī)

2.2.1 不同情況下著陸航空器距離跑道入口的距離

1）離場(chǎng)航空器開(kāi)始起飛滑跑

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，航空器從起飛滑跑到飛越跑道末端時(shí)間為60 s，如要滿足“著陸航空器飛越跑道入口前，前行離場(chǎng)航空器已經(jīng)飛越使用跑道末端”的條件，則需滿足前行離場(chǎng)航空器開(kāi)始滑跑時(shí)，著陸航空器到跑道入口的距離l1為

其中：t1為航空器從起飛滑跑到飛越跑道末端的時(shí)間；v為航空器在進(jìn)近著陸時(shí)的平均速度。

因此，由式（2）可得著陸航空器距跑道入口距離為4.67 km，管制員可掌握為5 km，航空器位置示意圖如圖1所示。

圖1 航空器位置示意圖（情況一）Fig.1 Aircraft position diagram （Condition one）

2）離場(chǎng)航空器抬前輪

在上述“離場(chǎng)航空器開(kāi)始起飛滑跑時(shí)，著陸航空器距跑道入口4.67 km”基礎(chǔ)上，繼續(xù)推進(jìn)32 s，即離場(chǎng)航空器抬前輪時(shí)，著陸航空器到跑道入口的距離l2為

其中，t2為航空器起飛滑跑至抬前輪的時(shí)間。

因此，由式（3）可得著陸航空器距跑道入口距離為2.2 km，管制員可掌握為2.5 km，航空器位置示意圖如圖1所示。

2.2.2 著陸許可發(fā)布時(shí)機(jī)的確定及其風(fēng)險(xiǎn)分析

發(fā)布著陸許可，應(yīng)盡可能利用雷達(dá)或目視看清著陸和離場(chǎng)航空器的位置或變化姿態(tài)。以2.2.1節(jié)1）情況中的節(jié)點(diǎn)作為著陸許可發(fā)布時(shí)機(jī)，由于離場(chǎng)航空器未達(dá)到?jīng)Q斷速度前因種種原因中斷起飛的情況并不罕見(jiàn)，因此，風(fēng)險(xiǎn)管理專家小組將起飛滑跑的航空器中斷起飛辨識(shí)為危險(xiǎn)源，并依據(jù)國(guó)際民航組織《安全管理手冊(cè)》（DOC.9859）[7]中的風(fēng)險(xiǎn)矩陣圖對(duì)其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析如表2所示。管制員有可能在發(fā)布著陸許可后因話筒短時(shí)卡阻或者干擾而無(wú)法及時(shí)進(jìn)行沖突解脫，從而導(dǎo)致前機(jī)中斷起飛同時(shí)后機(jī)落地的跑道侵入事件，跑道侵入事件的風(fēng)險(xiǎn)可能性是3（偶然的），嚴(yán)重度則是A（災(zāi)難性的），風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為3A，屬不可接受風(fēng)險(xiǎn)，最徹底的風(fēng)險(xiǎn)控制措施就是不采納這種方式。

表2 安全風(fēng)險(xiǎn)分析Tab.2 Safety risk analysis

上述2.2.1節(jié)2）情況中，因?yàn)殡x場(chǎng)航空器抬前輪時(shí)速度已經(jīng)大于決斷速度，根據(jù)飛行原理，飛機(jī)已不可能中斷起飛；同時(shí)，著陸航空器距離跑道入口為2.5 km，一般規(guī)定著陸飛機(jī)進(jìn)跑道入口的高度為15 m，飛行高度 h（設(shè)定下滑角 3°）為

由式（4）可得飛行高度約為145 m，如圖1所示，執(zhí)行復(fù)飛程序的可操作性強(qiáng)。因此，以此種情況下節(jié)點(diǎn)作為著陸許可發(fā)布時(shí)機(jī)，發(fā)生跑道侵入的可能性極低，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為1A，為可接受風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.3 著陸許可發(fā)布程序

當(dāng)前行有離場(chǎng)航空器時(shí)，首先將著陸航空器距跑道入口5 km作為檢查點(diǎn)，即此時(shí)若離場(chǎng)航空器還未開(kāi)始起飛滑跑，則管制員應(yīng)指令離場(chǎng)航空器取消起飛，同時(shí)指令著陸航空器復(fù)飛；若離場(chǎng)航空器已開(kāi)始起飛滑跑，則說(shuō)明調(diào)配預(yù)案正確，繼續(xù)觀察。其次，將離場(chǎng)航空器抬前輪且著陸航空器距離跑道入口大于2.5 km，作為發(fā)布著陸許可的最早時(shí)機(jī)，如著陸航空器距離跑道入口2.5 km時(shí)，離場(chǎng)航空器尚未抬前輪，管制員應(yīng)果斷指揮著陸航空器復(fù)飛。

2.3 離場(chǎng)航空器進(jìn)入跑道時(shí)機(jī)

上述著陸許可發(fā)布時(shí)機(jī)的計(jì)算結(jié)果是建立在離場(chǎng)航空器已進(jìn)入跑道等待起飛為前提的基礎(chǔ)上的。管制員指揮離場(chǎng)航空器進(jìn)入跑道等待起飛的時(shí)機(jī)掌握不準(zhǔn)會(huì)對(duì)后續(xù)一系列的飛行活動(dòng)包括著陸許可的發(fā)布產(chǎn)生影響。過(guò)晚進(jìn)入，會(huì)導(dǎo)致著陸航空器復(fù)飛；如因五邊有航空器進(jìn)近而遲遲不指揮離場(chǎng)航空器進(jìn)入，則會(huì)導(dǎo)致效率下降。此外，在計(jì)算過(guò)程中還應(yīng)考慮到，由于著陸航空器的數(shù)量不同，計(jì)算數(shù)據(jù)也應(yīng)有所不同。

2.3.1 單架航空器著陸前插入離場(chǎng)航空器

飛行員對(duì)系列起飛相關(guān)指令的反應(yīng)及操作時(shí)間[8]總計(jì)平均為23 s，根據(jù)表1可知，航空器從跑道外等待點(diǎn)開(kāi)始滑行進(jìn)跑道至飛越跑道末端需要120 s（等待點(diǎn)至進(jìn)入跑道對(duì)正60 s+起飛滑跑至飛越跑道末端60 s）。設(shè)單架著陸航空器之前x的距離可插入離場(chǎng)航空器，則

其中：t3為飛行員對(duì)系列起飛相關(guān)指令的反應(yīng)及操作時(shí)間總計(jì)平均值；t4為等待點(diǎn)至進(jìn)入跑道對(duì)正的時(shí)間。

因此，由式（5）可得單架著陸航空器之前11.1 km可插入離場(chǎng)航空器，管制員可掌握為11 km。也就是說(shuō)，在判斷五邊進(jìn)近的著陸航空器距跑道入口大于或等于11 km時(shí)，管制員可以允許離場(chǎng)航空器進(jìn)入跑道起飛，航空器位置示意圖如圖2所示。

圖2 航空器位置示意圖（情況二）Fig.2 Aircraft position diagram （Condition Two）

2.3.2 兩架著陸航空器之間插入離場(chǎng)航空器

假設(shè)第1架著陸航空器飛越跑道入口時(shí)允許離場(chǎng)航空器進(jìn)跑道。在上述單架航空器著陸前插入離場(chǎng)航空器時(shí)間要素基礎(chǔ)上，增加第1架著陸航空器從飛越跑道入口至完全脫離跑道60 s要素，該60 s可與離場(chǎng)航空器從等待點(diǎn)至進(jìn)入跑道對(duì)正的60 s相抵消，但要考慮第1架著陸航空器脫離跑道時(shí)間的不確定性，對(duì)離場(chǎng)航空器進(jìn)入跑道起飛滑跑可能產(chǎn)生一定影響，即存在時(shí)間干擾，需再增加10 s的裕度。設(shè)兩架著陸航空器之間距離y可插入離場(chǎng)航空器，則

其中，t5為干擾情況下的時(shí)間裕度值。

因此，由式（6）可得兩架著陸航空器之間11.9 km可插入離場(chǎng)航空器，管制員可掌握為12 km。也就是說(shuō)，在判斷五邊進(jìn)近的兩架著陸航空器之間間隔大于或等于12 km時(shí)，管制員可在前架航空器飛越跑道入口時(shí)允許離場(chǎng)航空器進(jìn)入跑道。

2.4 前行有著陸航空器時(shí)的著陸許可發(fā)布時(shí)機(jī)

如需滿足“著陸航空器飛越跑道入口前，前行著陸航空器已經(jīng)脫離使用跑道”條件，應(yīng)計(jì)算出第1架著陸航空器過(guò)跑道入口時(shí)，第2架著陸航空器距跑道入口的距離。因?yàn)楹娇掌鲝娘w越跑道入口到完全脫離跑道平均需要60 s，據(jù)此前溯，當(dāng)前機(jī)飛越跑道入口時(shí)，后機(jī)距離跑道入口距離為4.67 km。

2.4.1 不同情況下后機(jī)距離跑道入口的距離

1）前行著陸航空器落地滑跑沖程結(jié)束

在“前機(jī)飛越跑道入口，后機(jī)距跑道入口4.67 km”基礎(chǔ)上，前行著陸航空器從飛越跑道入口到落地滑跑沖程結(jié)束需45s，此時(shí)后機(jī)距離跑道入口距離l3為

其中，t6為航空器飛越跑道入口至滑跑沖程結(jié)束的時(shí)間。

因此，由式（7）可得此時(shí)后機(jī)距離跑道入口距離為1.16 km，該位置在復(fù)飛點(diǎn)（一類盲降時(shí)決斷高度位置距離跑道入口0.86 km）之外。

2）前行著陸航空器開(kāi)始進(jìn)脫離道口

在“前機(jī)飛越跑道入口，后機(jī)距跑道入口4.67 km”基礎(chǔ)上，前行著陸航空器從飛越跑道入口到開(kāi)始進(jìn)入脫離道口50 s，此時(shí)后機(jī)距離跑道入口距離l4為

其中：t7為航空器飛越跑道入口至開(kāi)始進(jìn)入脫離道口的時(shí)間。

因此，由式（8）可得此時(shí)后機(jī)距離跑道入口距離為0.87 km，該位置在復(fù)飛點(diǎn)之內(nèi)。

3）復(fù)飛指令下前行著陸航空器開(kāi)始進(jìn)脫離道口

管制員發(fā)布復(fù)飛指令需要3 s，機(jī)長(zhǎng)復(fù)誦需要3 s，管制員與機(jī)長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間加操作設(shè)備時(shí)間需要12 s，共計(jì)18 s，即發(fā)布復(fù)飛指令距離復(fù)飛點(diǎn)距離l5為

其中，t8為管制員與機(jī)長(zhǎng)反應(yīng)與操作的時(shí)間。

因此，由式（9）可得發(fā)布復(fù)飛指令點(diǎn)距離復(fù)飛點(diǎn)距離為1.4 km。即前行著陸航空器開(kāi)始進(jìn)入脫離道口，后機(jī)可安全執(zhí)行復(fù)飛指令時(shí)距跑道入口距離l6為

因此，由式（10）可得發(fā)布復(fù)飛指令時(shí)距離跑道入口距離為2.26 km，管制員可按2.5 km掌握。

4）前行著陸航空器過(guò)跑道入口

基于2.4.1節(jié)3）所述，前行著陸航空器過(guò)跑道入口時(shí)，后機(jī)著陸航空器距跑道入口的距離l7為

因此，由式（11）可得此時(shí)的距離為6.15 km，管制員可按7 km掌握。

2.4.2 著陸許可發(fā)布時(shí)機(jī)的確定及其風(fēng)險(xiǎn)分析

以2.4.1節(jié)1）的節(jié)點(diǎn)或更早作為后機(jī)著陸許可發(fā)布時(shí)機(jī)，風(fēng)險(xiǎn)管理專家小組將前行著陸航空器出現(xiàn)前輪卡阻等問(wèn)題時(shí)無(wú)法正常脫離跑道辨識(shí)為危險(xiǎn)源，并依據(jù)國(guó)際民航組織《安全管理手冊(cè)》DOC.9859中的風(fēng)險(xiǎn)矩陣圖對(duì)其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析如表2所示。前行著陸航空器因故不能正常脫離跑道同時(shí)后機(jī)落地導(dǎo)致的跑道侵入事件，因此，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為3A，屬不可接受風(fēng)險(xiǎn)，最徹底的風(fēng)險(xiǎn)控制措施就是不采納這種方式。

2.4.1 節(jié) 2）中借鑒 FAA7110.65X[9]做法，將“前行著陸航空器開(kāi)始進(jìn)入脫離道口，且確保后續(xù)持續(xù)運(yùn)動(dòng)脫離跑道等待點(diǎn)的過(guò)程中暢行無(wú)阻”作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)。出現(xiàn)該節(jié)點(diǎn)情形時(shí)，飛機(jī)已不可能停留在跑道上，發(fā)生跑道侵入的可能性極低，但著陸航空器在過(guò)復(fù)飛點(diǎn)時(shí)還未得到落地許可，同樣是不可接受的。

2.4.1節(jié)3）中同樣以“前行著陸航空器開(kāi)始進(jìn)入脫離道口，且確保后續(xù)持續(xù)運(yùn)動(dòng)脫離跑道等待點(diǎn)的過(guò)程中暢行無(wú)阻”作為條件之一，再增加后機(jī)距離跑道入口2.5 km（確保在復(fù)飛點(diǎn)之前獲得著陸許可，增加安全余度），兩者同時(shí)具備情況下，發(fā)生跑道侵入事件的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為1A，屬于可接受風(fēng)險(xiǎn)。

2.4.3 著陸許可發(fā)布程序

具體程序如下：

1）當(dāng)前行有著陸航空器時(shí)，首先將著陸航空器距跑道入口7 km作為檢查點(diǎn)，即此時(shí)若前行著陸航空器還沒(méi)飛越跑道入口，則管制員應(yīng)指令后機(jī)中止進(jìn)近；

2）若前行著陸航空器已飛越跑道入口，則說(shuō)明調(diào)配預(yù)案正確，繼續(xù)觀察；

3）將前行著陸航空器開(kāi)始進(jìn)入脫離道口、確保后續(xù)持續(xù)運(yùn)動(dòng)脫離跑道等待點(diǎn)的過(guò)程中暢行無(wú)阻，且著陸航空器距離跑道入口大于2.5 km，作為發(fā)布著陸許可的最早時(shí)機(jī)；

4）如著陸航空器距離跑道入口2.5 km時(shí)，前行著陸航空器還未開(kāi)始進(jìn)入脫離道口或者不能確保后續(xù)持續(xù)運(yùn)動(dòng)脫離跑道等待點(diǎn)的過(guò)程中暢行無(wú)阻，管制員應(yīng)果斷指揮著陸航空器復(fù)飛。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析新規(guī)章對(duì)管制發(fā)布著陸許可的實(shí)際操作帶來(lái)的影響，利用B737-800機(jī)型的相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)，提出需要控制的節(jié)點(diǎn)，得出以下結(jié)論：

1）在假設(shè)前后航空器均為B737-800型，凈風(fēng)，能見(jiàn)度良好，跑道3 600 m，一類盲降進(jìn)近的條件下，分別對(duì)前行無(wú)航空器時(shí)的著陸許可發(fā)布時(shí)機(jī)、前行有離場(chǎng)航空器時(shí)的著陸許可發(fā)布時(shí)機(jī)、離場(chǎng)航空器進(jìn)入跑道時(shí)機(jī)、前行有著陸航空器時(shí)的著陸許可發(fā)布時(shí)機(jī)等4種情況進(jìn)行詳細(xì)分析計(jì)算，計(jì)算得出著陸許可發(fā)布時(shí)機(jī)和離場(chǎng)航空器進(jìn)入跑道時(shí)機(jī)；

2）在分析計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)主要控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分析，得出可行性的結(jié)論，并給出了相應(yīng)著陸許可發(fā)布程序；

3）下一步工作將結(jié)合雷達(dá)或ADS-B記錄的進(jìn)近、起飛離場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)上述經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行分析驗(yàn)證。