基于衛(wèi)星著陸系統(tǒng)的平行跑道進近運行安全研究

余肖 顧振中 胡恉豪 王威濤 李雨林 劉思宇

摘 要：在國際大型機場使用GLS進近，相對于ILS進近在成本、安全性、高效性、環(huán)境因素、環(huán)保、資源利用率等方面具有巨大優(yōu)勢，此外GLS屬于PBN系列的精密進近，因此GLS是精密進近發(fā)展的必然趨勢。2015年中國民航在上海浦東機場實施了GLS進近試飛，如今我國各地正在積極建設北斗GBAS系統(tǒng)，所以在GLS尚未實際應用之前，對其運行和程序進行研究，具有一定的前瞻性。倘若GLS在仿真中運行安全，實際中經濟有效，那么這個技術將推廣至全國各大國際機場并投入運行。本文從GLS進近技術入手，介紹了GLS的基本原理、優(yōu)勢以及當前應用，并結合我國當前民航運輸?shù)膶嶋H情況，引出了平行跑道的運行模式。隨后以設計的平行跑道GLS進近程序為載體，對與進近運行有關的四個方面進行了研究。本文最后對中距錯列平行跑道的安全性進行計算，得出了有效可行的運行方式。

關鍵詞：衛(wèi)星著陸系統(tǒng);平行跑道進近;錯列;安全

中圖分類號：V227 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）13-0210-03

0 引言

民航發(fā)展的“十三五”規(guī)劃，明確了“十三五”時期我國民航發(fā)展的總方針，明確了要建立一個現(xiàn)代化民航強國的目標，為全面建成小康社會在民航領域的需求做出貢獻[1]。在規(guī)劃實施過程中，黨的十九大勝利召開，為民航發(fā)展和民航強國建設提出了新的更高的要求。我國民航業(yè)正處在黃金時期，航空承運量大大增加，國內擴建及新修機場多達上百個。對于新型機場，增加機場跑道數(shù)量可以有效緩解老機場運行壓力飽和，空域利用率低等問題。機場多跑道分布方式多種多樣，其中以平行跑道居多，結合當前機場設施條件及空域調用情況，中距平行跑道符合絕大多數(shù)機場的要求。目前我國的許多新型國際機場都設有雙跑道平行運行，在本文假設的GLS運行環(huán)境下，其安全會受到多方面的影響。在基于衛(wèi)星著陸系統(tǒng)的平行跑道運行研究這方面，行業(yè)經驗尚且不足，中距運行過程的安全間隔標準即使在導航設備更新的情況下也未進行縮減，因此針對其中某一因素進行研究對推進安全間隔的縮減具有實際意義。

1 基于GLS的平行跑道運行的基本概念

1.1 衛(wèi)星著陸系統(tǒng)（GLS）

1.1.1 GLS基本原理

GLS定義為GBAS系統(tǒng)持續(xù)不間斷的向飛機輸送GPS差分修正值、完好性數(shù)據(jù)以及航跡定義數(shù)據(jù)，同時涵蓋與操縱飛機相關的機載GLS設備，以及以GBAS增強的衛(wèi)星定位信息為基礎上，實現(xiàn)的精密進近和著陸功能（Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ類）。

在GLS運行到最后進近階段時，機載導航系統(tǒng)將收到地面導航臺發(fā)來的VDB廣播信號，用其定義一個虛擬的航向道/下滑道，再結合GBAS接收機/多模接收機（MMR）的高精度三維定位輸出，來計算航空器偏離定義航跡的情況，形成水平方向和垂直方向的偏差，以及到跑到入口的距離，并在PFD和ND上詳細顯示[2]。

1.1.2 GLS運行優(yōu)勢

只需一套GLS設備就可同時滿足多個進近程序，且其設備對場地環(huán)境的要求較低，使用時信號穩(wěn)定，建設和運行成本低，使用靈活也更為靈活。如今的PBN技術可以實施儀表離場、儀表進場和類精密進近（APV），但仍然無法實施精密進近。GLS技術的使用可彌補PBN技術在低能見度運行和精密進近方面的不足，具有廣闊的應用前景[3]。

1.1.3 GLS試點運行情況

2015年4月，中國民航籌備已久的首次GLS演示驗證飛行在上海浦東機場完成。

2017年4月，深圳寶安機場RNPAR+GLS/ILS模擬機試飛驗證順利完成。該項試飛由波音公司、寶安機場等相關單位主導。

2019年4月，首次使用國產GBAS設備的驗證飛行活動在4月9日凌晨于天津濱海國際機場圓滿成功。

1.2 平行跑道

1.2.1 平行跑道定義

參考平行跑道相關規(guī)定，平行跑道指兩條跑道的中心線平行或是非交叉跑道（中心線夾角<15°）。按照跑道中心線的距離不同可以將其分為遠距平行跑道、中距平行跑道和近距平行跑道。遠距平行跑道的跑道間距≥1310米（4300英尺）;中距平行跑道的間距>760米（2500英尺）<1310米（4300英尺）;近距平行跑道的間距≤760米（2500英尺）。

1.2.2 平行跑道運行模式

參考相關規(guī)定，平行跑道的運行模式有獨立平行儀表進近、相關平行儀表進近、獨立平行離場、隔離平行運行。

值得一提的是，平行跑道在同時實行儀表運行的時候，可以按照以上四種運行模式的不同組合，分為半混合運行和混合運行。

2 平行跑道運行安全研究

2.1 飛行間隔

飛機的安全運行受到很多因素的影響，例如飛行間隔、尾流間隔、導航設備、飛行技術以及平行跑道排列方式等。在空域運行時，飛機之間需要留有足夠的空間，而航空器之間的安全碰撞模板距離就是安全飛行間隔。在空間坐標系中，兩架航空器之間只要在X軸、Y軸和Z軸上有一個大于規(guī)定中的安全間隔，航空器之間就不會出現(xiàn)交叉，這就是安全的[4]。

2.2 尾流因素

飛機產生的尾流包括發(fā)動機向后噴出的氣流、飛機構形變化產生的紊流、螺旋槳帶動空氣產生的滑流以及翼尖上下翼面壓強差形成的渦流，這些都在不同程度上影響著后機的運行，這四者中對后機影響排在第一位的，就是翼尖渦流形成的尾渦。在實際進近運行中我們一般考慮的是翼尖產生的渦流。[5]。

2.3 GLS定位誤差

GLS運行主要使用GPS系統(tǒng)進行導航，然而GPS定位誤差主要來自于兩方面，一方面是GPS系統(tǒng)本身的系統(tǒng)誤差，也可稱為測量誤差;另一方面是干擾。測量誤差與系統(tǒng)各組成部分和信號傳輸?shù)拿浇橛嘘P，各部分往往產生不同的測量誤差。而干擾往往是接收機接收的對導航定位無益的信號，并且會影響導航定位信號本身的接收、處理，對GPS定位精度產生嚴重影響。測量誤差主要分為三類：（一）與衛(wèi)星相關的誤差;（二）與信號傳播相關的誤差;（三）與接收機相關的誤差。GLS運行使用的DGPS技術，能消除包括星歷誤差、星鐘誤差、電離層延遲誤差和對流層延遲誤差在內的公共誤差。然而DGPS無法消除去多徑效應和由于接收機產生的誤差。GLS運行除了受導航系統(tǒng)本身產生的各種測量誤差影響之外，還存在干擾問題。干擾是使一個高精度系統(tǒng)無法按照標準正常運行的一個重要因素，例如在我國使用的GPS與美國本土的GPS精度。

2.4 跑道排列運行方式

處于最后進近階段的飛機，其速度相比航路會大幅度減小。在其他參數(shù)不變的情況下，速度越小，尾流強度越大。接近跑道時產生的強大尾流會隨著側向的風而飄到另一條跑道上，對在另一條跑道進近的飛機產生強烈影響。因此平行錯列跑道作為解決這個難題的關鍵，亟待研究。

我國新建或改擴建機場多采用平行雙跑道這一種構形。此種構型可以通過設計高邊航跡和低邊航跡飛行程序和進近門以獲得下滑道的高度差，可以提升飛行區(qū)布局的靈活性，在運行中，一定程度上能夠緩解航空器之間的尾流影響，縮短航空器之間的間隔，進而提升跑道容量。

3 中距錯列獨立平行儀表進近應用分析

在程序設計這一環(huán)節(jié)中，我們假設兩條跑道之間的間距為d=1050m，滿足CAAC相關規(guī)定可進行獨立平行儀表進近的運行。然后假設兩條跑道頭之間的縱向間隔為L=1000m，兩架飛機機型均為空客A320-100并分別命名為飛機1與飛機2，空客A320-100的機身長度為37.57米，機身高度為11.76米，翼展為34.10米，初始速度為v（0）=300km/h，飛行加速度為α=-840km/h2，飛機中間進近航段長度取程序設計的9.26km，最后進近航段下降梯度為5.2%。兩架飛機從同一個位置出發(fā)，但是飛機1所處位置距離跑道相比于飛機2距離錯列跑道更近，所以飛機1會先到達最后進近定位點。如圖1所示。

接著計算我們可以得到：

由于兩架飛機其他所有速度參數(shù)一樣，所以在飛機1到達最后進近定位點（FAF點）前，二者之間的間隔不會發(fā)生改變，其碰撞風險也是一個定值。但是當飛機1到達最后進近定位點（FAF點）開始下降高度后，飛機2仍會繼續(xù)向前平飛一段距離。此時，二者的縱向間隔、橫向間隔和垂直間隔均會隨著時間的增大而增大。在達到某一時刻后，預計二者的碰撞風險將減小到最小值并保持到落地為止。相較于未錯列運行的平行跑道，其碰撞的概率會在106.69s之后開始逐漸縮小。

算式結果證明，相較于非錯列平行跑道，采用衛(wèi)星著陸系統(tǒng)的錯列平行跑道的碰撞風險會在進近最后階段大幅減小，使得航空器的運行更加安全可靠。不難推測，隨著錯列跑道的間距L增大，碰撞風險會更加縮小直至為0。

4 結語

GLS進近是一項新的技術，雖然當前運輸航空運行中仍大量使用傳統(tǒng)儀表進近如ILS進近、VOR/DME進近，但是在大范圍推廣PBN運行的環(huán)境下，GLS進近有其核心優(yōu)勢所在。本文意在對該技術與平行跑道的運行相結合進行研究，在GLS進近技術大規(guī)模投入使用之前對其一些安全問題做出說明，具體研究內容如下：

（1）闡述了GLS進近相對于傳統(tǒng)儀表進近的優(yōu)勢所在，以及其優(yōu)勢的來源。并且舉例介紹了當今GLS技術的應用情況以及發(fā)展趨勢。

（2）通過對我國民航當前的實際情況以及發(fā)展狀況的分析，指出了解決當前運輸航空飛行痛點的利器，即錯列平行跑道運行，并介紹了平行跑道的定義以及運行模式。

（3）通過算例分析揭示了錯列運行的優(yōu)勢及其未來發(fā)展的必然性。

GLS進近技術終將取代傳統(tǒng)儀表進近，而對于我國民航發(fā)展現(xiàn)狀，其最大的優(yōu)勢就是可以在平行跑道的運行中提高運行的精度，在保證足夠安全裕度的前提下縮小運行間隔。GLS與錯列跑道運行的結合對于運輸航空意義重大，本文對其安全性能進行了一定的研究并驗證了其可能性。

參考文獻

[1] 中國民用航空局.中國民用航空發(fā)展第十三個五年規(guī)劃[Z].2017.

[2] 魏光興.GLS進近的實施方法與優(yōu)越性比較[N].中國民航飛行學院學報，2006.

[3] AC-91-FS-2015-29.衛(wèi)星著陸系統(tǒng)（GLS）運行批準指南[S].中國民用航空局飛行標準司，2015.

[4] 應愛玲.間隔標準對飛機間碰撞危險影響的研究[D].南京：南京航空航天大學，2008.

[5] 厲耀威.尾流間隔縮減及其碰撞安全性分析[D].南京：南京航空航天大學民航學院，2015.