配對進近模式分析及研究進展

陳亞青，馬義龍，何昕

(1.中國民用航空飛行學(xué)院 民航飛行技術(shù)與飛行安全重點實驗室， 廣漢 618307)(2.中國民用航空飛行學(xué)院 空中交通管理學(xué)院， 廣漢 618307)

0 引 言

目前，我國平行跑道的儀表運行模式按照跑道用于進、離場的使用方式，可以分為：相關(guān)平行儀表進近模式、獨立平行儀表進近模式、獨立平行離場模式以及隔離平行運行模式四種方式。但是上述四種運行模式都要求兩條平行跑道中心線的間距不小于760 m，也就是說這四種平行跑道儀表運行模式都不適用于近距平行跑道[1]。

當(dāng)前，世界民航運輸業(yè)蓬勃發(fā)展，我國作為民航大國也正隨著民航“一帶一路”建設(shè)迎來迅猛增長的飛行流量。許多大型樞紐機場，例如北京大興機場、上海浦東機場、上海虹橋機場、廣州白云機場等都建有近距平行跑道，目前這些機場多采用一起一降的類似于隔離平行運行的模式，在相鄰的平行跑道實施進近的兩機之間需要配備與單跑道運行時相同的間隔。近距平行跑道在這種模式下運行雖然可以在一定程度上增加機場容量，但遠沒有發(fā)掘出其巨大潛力[2]。

早在1996年，美國的R.Stone就提出一種針對近距平行跑道運行的類似于相關(guān)平行儀表進近的配對進近運行模式，可以使即將在近距平行跑道著陸的航空器實現(xiàn)成對、有序地“同時”進近。該模式大幅度提升了儀表氣象條件下的近距平行跑道的容量, 縮短了和目視氣象條件下進場容量的差距，使得在大部分氣象條件下，進場容量保持穩(wěn)定，給近距平行跑道的運行提供了新的方向[3]。

國際民航組織(International Civil Aviation Organization,簡稱ICAO)于2010年提出航空系統(tǒng)組塊升級(Aviation System Block Upgrades,簡稱ASBU),組塊B1-WAKE中要素2指出，要通過修改尾流間隔的適用方式提高建有近距平行跑道機場的進場航空器架次[4]。為此，各國相繼開展通過緩解或避開尾流影響進而縮小尾流間隔來增加跑道容量的研究工作，配對進近模式也不斷被驗證以及完善[5]。

本文綜述了配對進近模式的國內(nèi)外研究進展，綜合分析了配對進近模式的總體流程及配對要求，指出了今后配對進近模式的研究發(fā)展方向。

1 配對進近模式

航空器的尾流包括發(fā)動機噴流和翼尖渦流，做尾隨飛行的飛機遭遇的前機尾流主要是翼尖渦流，當(dāng)兩架飛機在做一前一后尾隨飛行時，后機受前機翼尖渦流影響較大[6]。

配對進近的兩機中在前的飛機稱為前機(Target Aircraft)，在后的飛機稱為后機(Trail Aircraft)或間隔管理機(Interval Management Aircraft)[7]。配對過程中，后機既不能距離前機太近，以免后機誤入前機航道或前機錯誤進近而發(fā)生碰撞，也就是說兩機之間要滿足一個碰撞安全間隔；同時要求后機不能距離前機太遠，以在前機尾流到達前避開其尾流的影響，因此兩機之間還需要滿足一個尾流安全間隔，如圖1所示。

圖1 配對進近示意圖[8-9]

為了同時且更好地避免尾流遭遇和碰撞風(fēng)險，尾隨進近的航空器可以采用3°偏置進近的方式，如圖2所示。此外，尾隨航空器可以使用高于前機的進近高度以減小尾流遭遇風(fēng)險，如圖3所示。

圖2 3°偏置配對進近示意圖[10]

圖3 配對進近剖面圖[11]

美國在舊金山、波士頓等9個機場使用的同時偏置儀表進近(Simultaneous Offset Instrument Approach,簡稱SOIA)模式，以及近距平行跑道的同時相關(guān)進近模式就是典型的配對進近模式，這種配對進近模式可以在天氣惡劣的情況下(滿足儀表氣象條件)增加25%的到達班次，前后兩機之間的斜距最小已縮小至1 n mile (1 852 m)，縮小了尾流間隔，提高了航班到達率[11-12]。

2 配對進近程序分析

配對進近程序是以配對進近模式實施進近的飛行程序，可以使儀表氣象條件下的進場容量達到目視氣象條件(Visual Meteorological Condition,簡稱VMC)下的85%[8]。

2.1 配對進近程序要求

配對進近程序的實施首先要求落地機場建有近距平行跑道、儀表著陸系統(tǒng)和區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)，且要滿足VMC[7]。配對進近程序自進場航段開始至最后進近階段結(jié)束，兩機駕駛員按照機載設(shè)備提示與管制員指揮完成進近[11]。

2.1.1 機型要求

避開尾流影響是配對進近程序?qū)嵤┻^程中的關(guān)鍵一環(huán)，因此在實施配對進近程序前，必須明確航空器的尾流等級。美國聯(lián)邦航空管理局(Federal Aviation Administration，簡稱FAA)根據(jù)航空器的最大起飛重量，將航空器劃分為六個尾流等級，常見機型的尾流等級劃分如表1所示。

表1 常見機型的尾流等級劃分[13]

一般地，配對進近程序?qū)嵤┻^程中，配對前機為尾流等級為D、E、F的航空器(B757除外)；配對兩機尾隨進近的飛機可以是任意尾流等級。實際上，配對前機尾流等級類型與跑道間距、進近速度等參數(shù)有關(guān)，具體應(yīng)該按照相關(guān)管理部門針對不同機場所制定的規(guī)章選擇[14]。

2.1.2 設(shè)備要求

配對進近程序的精準實施依賴于先進的機載設(shè)備和精密的導(dǎo)航系統(tǒng)。實施配對進近程序的機場必須安裝儀表著陸系統(tǒng)(Instrument Landing System,簡稱ILS)，使進近航空器可以實施帶有垂直引導(dǎo)的進近程序[13]。符合實施配對進近程序的航空器對都必須配備廣播式自動相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，簡稱ADS-B)，以及駕駛艙間隔管理(Flight-deck Interval Management,簡稱FIM)硬件設(shè)備[15-17]。ADS-B每秒鐘更新一次數(shù)據(jù)，包括了發(fā)送裝置ADS-B OUT、接收裝置ADS-B IN和駕駛艙交通信息顯示(Cockpit Display of Traffic Information,簡稱CDTI)器。此外，終端區(qū)的管制部門還需要裝設(shè)ADS-B IN以實時監(jiān)控飛行動態(tài)。

2.1.3 人員要求

(1) 實施配對進近程序?qū)︼w行員的要求

要求飛行員掌握配對進近程序的操作流程，無論是作為前機的駕駛員還是間隔管理機的駕駛員都應(yīng)彼此熟知各自的操作流程。此外，他們必須接受FIM設(shè)備的操作培訓(xùn)，包括飛行前、飛行中以及正常和異常程序的處理方法，還應(yīng)包括前機進近至決斷高度時的復(fù)飛程序訓(xùn)練等操作[13]。

(2) 實施配對進近程序?qū)苤茊T的要求

作為負責(zé)監(jiān)控并指揮航空器完成進近程序的直接責(zé)任人，進近管制員需要厘清并熟記符合配對條件的典型航空器的機型、典型航空器的進近性能，保證在航空器進場階段前可以對可供配對的航空器進行篩選并為其配備初始間隔以及進近速度。此外，管制員也應(yīng)當(dāng)同飛行員一樣接受相關(guān)設(shè)備的操作培訓(xùn)以及配對過程中特殊情況的處理訓(xùn)練。

2.2 配對進近程序流程

(1) 進場和起始進近航段

在距離跑道入口約18 n mile，后機進入管制員移交區(qū)(Controller Delivery Zone,簡稱CDZ)。在此前的尾隨飛行過程中，兩機應(yīng)當(dāng)存在一個0.5～1.5 n mile的初始縱向間隔和300 m以上的垂直間隔[16]。

當(dāng)飛機對進入管制員移交區(qū)后，管制員將對做尾隨飛行的飛機對進行初步篩選，看其是否符合配對進近程序要求[7]。對于滿足配對進近程序要求的飛機對，管制員將在管制員決斷點(Controller Decision Point)發(fā)布下降指令，并分別為配對前機和后機配備進近高度和進近速度。后機應(yīng)以3°的偏角實施進近且較前機配備較高的進近高度，此時兩機的垂直間隔仍應(yīng)滿足300 m的安全間隔。對于不滿足配對進近程序要求的飛機對，管制員按照常規(guī)的程序指揮[16]。

(2) 中間和最后進近航段

飛機對飛過管制員決斷點后，配對后機的機組通過ADS-B IN獲取來自配對前機ADS-B OUT發(fā)送的前機進近速度、下滑角度、飛行高度以及兩機縱向間隔等數(shù)據(jù)，并顯示在駕駛艙交通信息顯示器CDTI上。后機機組根據(jù)CDTI顯示的數(shù)據(jù)信息進行調(diào)整并保持與配對前機的安全距離，以免當(dāng)配對前機錯誤進近時與配對后機發(fā)生碰撞，且使其能夠在到達尾流保護點(Wake Vortex Protection Point)后可以避開前機尾流影響[16]。

尾流保護點位于兩機航向道側(cè)向間距2 500 ft(762 m)處，當(dāng)尾機到達該點時，兩機不再需要配備300 m的垂直安全間隔。此時前機將以恒定的速度進近，尾機仍根據(jù)FIM航空電子設(shè)備給定的參數(shù)調(diào)整與前機的距離，保證其始終位于碰撞危險區(qū)和尾流危險區(qū)之間的理想運行區(qū)(Normal Operating Zone,簡稱NOZ)內(nèi)，直至兩機確定最后進近定位點各自進近完成配對，前機到達決斷高度前飛行員不可以關(guān)閉自動駕駛[16-17]。完整的配對進近程序流程如圖4所示。

圖4 配對進近程序完整流程圖

3 配對進近模式研究進展和趨勢

自提出至今，配對進近模式的研究重點主要集中于飛機對中前后兩機的碰撞安全前界和尾流安全后界及其風(fēng)險評估，也就是后機的理想運行區(qū)域即配對進近安全區(qū)域的確定，以及實施配對進近模式后的跑道容量評估。

3.1 國外研究進展

2000年，美國米特公司首次提出3°偏置配對進近，這種同時偏置儀表進近方式可以更好地避免尾流遭遇風(fēng)險，這一研究成果對此后配對進近模式的研究起到很大作用，為目前波士頓、舊金山等機場實施的同時偏置儀表進近模式提供了理論指導(dǎo)[10]。2001年，該公司的先進航空系統(tǒng)發(fā)展中心和喬治亞理工大學(xué)工業(yè)與系統(tǒng)工程學(xué)院都在飛行模擬器上對配對進近初始程序進行了測試，為進一步定義駕駛艙任務(wù)以及開發(fā)駕駛艙間隔管理系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)[18]。2009年，NASA提出蒙特卡羅的方法對于配對飛機尾流遭遇風(fēng)險的模擬計算具有適用性，配對進近的安全區(qū)、配對前機錯誤進近時的碰撞風(fēng)險也可使用蒙特卡羅方法進行模擬計算[19-21]。2014年，蘭利研究中心通過構(gòu)建尾流運動學(xué)模型的方法對實施配對進近模式的飛機對進行尾流遭遇風(fēng)險計算，為使用計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,簡稱CFD)定量的分析尾流遭遇風(fēng)險提供了參考[22]。隨著民航通信、導(dǎo)航、監(jiān)視設(shè)備和空管新技術(shù)的發(fā)展，配對進近模式的運行在ADS-B監(jiān)視設(shè)備、下一代告警系統(tǒng)ALAS等先進設(shè)備的支持下變得更加安全和高效，為實施基于間隔管理的配對進近程序奠定了基礎(chǔ)[23-26]。2018-2019年，由NASA出資，MOSAIC ATM公司、美聯(lián)航、Honeywll公司等聯(lián)合策劃并在舊金山國際機場進行了配對進近模式的飛行試驗，試驗得到的數(shù)據(jù)為配對進近模式的進一步實施提供了保障[13,16]。2019年，美國聯(lián)邦航空局飛行研究和分析小組，使用快速時間模擬方法對配對進近過程中飛機對的碰撞風(fēng)險進行分析，得出影響碰撞安全前界的因素為配對前后兩機的速度差異、跑道中心線間距及進近對準類型(直線進近或偏置進近)[27]。

3.2 國內(nèi)研究進展

3.2.1 配對進近模式碰撞風(fēng)險研究

我國近距平行跑道啟用較晚，但已有研究者參考國外先進的跑道運行模式對我國在近距平行跑道上實施配對進近模式進行了可行性分析[28-30]。2008年3月，隨著國內(nèi)首對近距平行跑道在上海浦東機場啟用，有關(guān)配對進近模式的研究也逐步深入到其運行過程中的安全問題。呂宗平等[31]使用事故樹分析法對配對進近的碰撞風(fēng)險進行了系統(tǒng)性分析；盧飛等[32]、王健等[33]基于定位誤差分布和導(dǎo)航誤差分布以及尾流避讓需求建立了配對進近碰撞風(fēng)險評估模型，對配對進近縱向碰撞風(fēng)險做出了評估；孫佳等[34]采用蒙特卡羅方法分別模擬了在有無避讓機動時前后機的碰撞風(fēng)險，并對采用3°偏置進近時的碰撞風(fēng)險進行了分析，得到可以保證安全的最小間隔；田勇等[35]在考慮了前機錯誤近進和尾流對后機的影響,建立了運動學(xué)模型,得出前后機的最佳起始縱向間隔；牛夏蕾等[36]、王莉莉等[37]通過建立配對進近最小跟馳模型獲得前后機的最佳縱向間隔和有效的起始安全區(qū)；盧飛等[38]通過建立配對進近模式的側(cè)向風(fēng)險評估模型，得出后機采用偏置進近可以有效降低該模式對實際導(dǎo)航性能的要求。

3.2.2 配對進近安全間隔研究

何昕等[39]考慮了慢機錯誤地闖入快機航向道和前機尾流在最大不利側(cè)風(fēng)影響下對后機的影響,分別建立了防撞安全邊界和尾流安全邊界模型，提出了可以實時、定量地計算兩種配對方式下的理想運行區(qū)域范圍的方法；并基于“人、機、環(huán)、管”思想對配對進近運行中可能存在的風(fēng)險進行了研究,提出人的因素是最關(guān)鍵的因素[40]。另外，通過建立運動學(xué)模型分析配對飛機對安全間隔的方法也是配對進近安全運行研究的熱點。宋斐[2]通過建立機動避讓運動模型和尾流運動模型,采用微分對策理論求解兩機的運動軌跡,確定了初始的最小縱向間隔值；谷潤平等[17]基于配對進近流程,建立了運動學(xué)模型,分析了初始間隔、最大允許間隔等參數(shù)的變化對前后兩機碰撞風(fēng)險的影響。我國對于配對進近安全間隔的研究已經(jīng)初見成果，但缺乏對配對兩機動態(tài)間隔管理的研究。

3.2.3 近距平行跑道容量研究

關(guān)于實施配對進近程序后近距平行跑道的容量問題，也有研究者做出了評估。鄭少行等[41]借鑒單跑道容量模型，構(gòu)建了配對進近運行模式下的近距平行跑道容量計算模型，結(jié)論表明配對進近模式可以大幅提高近距平行跑道容量。顏于杰[42]同樣通過近距平行跑道配對進近的跑道容量評估模型驗證了該模式在增加跑道容量上的優(yōu)勢?？梢娺@種運行模式的引入對于我國民航強國建設(shè)提供了助力。

3.3 配對進近模型發(fā)展趨勢

我國民航領(lǐng)域以及對于配對進近模式的研究主要集中在碰撞風(fēng)險評估、尾流遭遇風(fēng)險評估即配對進近安全區(qū)的前界和后界問題，實施配對進近程序機場的跑道容量評估等幾個方面，評估結(jié)果與國際相比較為保守，配對進近安全區(qū)方面的計算結(jié)果相對粗糙，這對于配對進近模式在我國成功實施來說還遠遠不夠。因而在以下四個方面還需做出努力和突破：一是根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)有研究成果和實際運行經(jīng)驗推進我國航空器尾流重新分類(RECAT-CN)的進行，完善平行跑道同時儀表運行的管理規(guī)定；二是加深對配對進近安全區(qū)的研究，使之實現(xiàn)精細化、動態(tài)化；三是加快發(fā)展民航智能交通系統(tǒng)和空管新技術(shù)，研發(fā)用于實施實時的間隔管理設(shè)備；四是在進行尾流試驗后對配對進近程序進行試驗飛行。

4 結(jié)束語

配對進近模式在舊金山機場的運行體現(xiàn)出了其十分突出的優(yōu)越性，該模式已成為目前增加近距平行跑道容量的最佳選擇之一。作為民航大國，我國大多數(shù)樞紐機場都建有或即將投用近距平行跑道，巨大的飛行流量需要更多的跑道容量作為支撐，迫切需要引進新的近距平行跑運行模式進行跑道擴容，配對進近模式或是最佳模式之一。