點(diǎn)融合技術(shù)在機(jī)場終端區(qū)的應(yīng)用研究

何秋釗，曹銀杰，侯 沖

（1.中國民用航空飛行學(xué)院科研處，四川廣漢 618307；2.中國民用航空飛行學(xué)院 機(jī)場工程與運(yùn)輸管理學(xué)院，四川 廣漢 618307）

近些年，由于大型運(yùn)輸機(jī)場終端區(qū)的保障服務(wù)能力不能適應(yīng)民航業(yè)的急劇增加，導(dǎo)致航班延誤的概率大大增加。終端區(qū)作為進(jìn)離場航空器的過渡區(qū)域，其運(yùn)行效率與航班的準(zhǔn)點(diǎn)率密切相關(guān)。傳統(tǒng)的儀表飛行程序已不能滿足大流量情況下的航空器運(yùn)行，管制員通常采用開環(huán)引導(dǎo)的方式來建立飛行間隔，頻繁的陸空通話使管制的工作負(fù)荷也隨之增加?，F(xiàn)行使用的進(jìn)近程序?qū)τ诳沼蛸Y源的使用效率也不高，不能自適應(yīng)維持航空器之間的間隔［1］。

為了克服雷達(dá)引導(dǎo)的缺陷、提升基于性能導(dǎo)航的優(yōu)勢、提高終端區(qū)空域的運(yùn)行效率，2006 年歐洲空中導(dǎo)航安全組織提出了點(diǎn)融合系統(tǒng)（point merge system，PMS）的運(yùn)行理念［2］。區(qū)別于原有方式，點(diǎn)融合技術(shù)是基于性能導(dǎo)航技術(shù)在進(jìn)場程序和排序空域方面的集成應(yīng)用，由雷達(dá)的開環(huán)引導(dǎo)航向，變?yōu)殚]環(huán)直飛融合點(diǎn)指令，以實(shí)現(xiàn)對(duì)多方向進(jìn)場交通流排序和間隔管理。

目前，在點(diǎn)融合技術(shù)的應(yīng)用方面，挪威Oslo 機(jī)場、愛爾蘭Dublin 機(jī)場、倫敦希斯羅等國外機(jī)場終端區(qū)已投入使用；國內(nèi)對(duì)于該程序的使用處于初步階段，上海浦東機(jī)場、廣州白云機(jī)場、深圳寶安機(jī)場僅僅采用了點(diǎn)融合程序的試運(yùn)行。

國內(nèi)外對(duì)于點(diǎn)融合的理論研究集中于設(shè)計(jì)和評(píng)估運(yùn)行方面。歐洲航行安全局首次提出點(diǎn)融合系統(tǒng)，并且對(duì)都柏林機(jī)場終端空域設(shè)計(jì)的點(diǎn)融合程序，撰寫了空域點(diǎn)融合系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真研究［2-3］；2010 年歐洲航行安全局提出了區(qū)域?qū)Ш脚c連續(xù)下降的點(diǎn)融合技術(shù)和基于PMS 的擴(kuò)展終端空域運(yùn)行，并在雷達(dá)模擬機(jī)上驗(yàn)證了其可行性［3］。國內(nèi)對(duì)于點(diǎn)融合的研究主要是對(duì)點(diǎn)融合的概念和背景介紹。游錄寶等對(duì)點(diǎn)融合的基本概念和點(diǎn)融合的應(yīng)用進(jìn)行了研究［4］；晁綿博等設(shè)計(jì)了長沙黃花機(jī)場的點(diǎn)融合進(jìn)近程序，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的下降梯度和靜態(tài)容量進(jìn)行了評(píng)估，但是對(duì)于該靜態(tài)容量的結(jié)果有待商榷，即所計(jì)算的應(yīng)用PMS 系統(tǒng)之后的終端區(qū)容量過大［5］；陳相安設(shè)計(jì)了不同交通流負(fù)荷下的寧波櫟社機(jī)場點(diǎn)融合進(jìn)近程序，主要對(duì)點(diǎn)融合系統(tǒng)內(nèi)的弧上排序進(jìn)行研究，利用圖論的方法對(duì)點(diǎn)融合系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)最大流進(jìn)行分析［6］；李震對(duì)重慶江北機(jī)場點(diǎn)融合程序可行性進(jìn)行了研究［7］；馬林南等游錄寶等以上海浦東機(jī)場的點(diǎn)融合程序?yàn)槔佑懻摿藘?nèi)外排序弧的高度、融合點(diǎn)速度和內(nèi)外排序支路速度對(duì)點(diǎn)融合系統(tǒng)運(yùn)行及環(huán)境效益的影響，并且以四維航跡預(yù)測模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，對(duì)點(diǎn)融合系統(tǒng)運(yùn)行效能進(jìn)行了評(píng)估研究［8-9］。

本文對(duì)點(diǎn)融合系統(tǒng)的概念做了簡單闡述，主要對(duì)系統(tǒng)的分類和終端區(qū)的運(yùn)行模式進(jìn)行分析討論，對(duì)已投入使用點(diǎn)融合系統(tǒng)的機(jī)場的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，最后結(jié)合國內(nèi)機(jī)場終端區(qū)的應(yīng)用實(shí)例，探討傳統(tǒng)運(yùn)行模式和PMS 運(yùn)行模式下的運(yùn)行效率。

1 PMS 分類及其終端區(qū)運(yùn)行模式

PMS 由一個(gè)融合點(diǎn)和與該點(diǎn)等距的兩條或多條排序邊組成，呈現(xiàn)一個(gè)收斂的幾何形狀，主要由排序弧和融合點(diǎn)組成［10-11］。如圖1 所示，排序弧包括內(nèi)弧和外弧，可以由一條弧或多條弧組成，允許路徑延伸或縮短。

圖1 點(diǎn)融合系統(tǒng)構(gòu)型-水平軌跡示意圖

如圖2 所示，對(duì)于點(diǎn)融合系統(tǒng)，也可以通過角度進(jìn)行定義。分別為點(diǎn)融合進(jìn)入航跡變化角α、點(diǎn)融合直飛航跡變化角β、點(diǎn)融合退出航跡變化角γ和點(diǎn)融合區(qū)域包圍角δ。

圖2 點(diǎn)融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-角度示意圖

1.1 系統(tǒng)分類

根據(jù)需要融合、優(yōu)化的進(jìn)場交通流數(shù)量、方位及流量情況，點(diǎn)融合系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的過程中可以劃分為單點(diǎn)融合系統(tǒng)和多點(diǎn)融合系統(tǒng)。

其中對(duì)于單點(diǎn)融合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮以下因素：

1）點(diǎn)融合系統(tǒng)排序邊到融合點(diǎn)的高度限制符合當(dāng)?shù)刂髁鬟\(yùn)行機(jī)型的下降梯度要求。

2）點(diǎn)融合系統(tǒng)排序邊上任意點(diǎn)到融合點(diǎn)的距離視為相等，內(nèi)排序邊到融合點(diǎn)的距離在進(jìn)近（終端）管制區(qū)內(nèi)，一般設(shè)計(jì)為40 km，使具有足夠間隔便于調(diào)配。

3）點(diǎn)融合系統(tǒng)排序邊長度，在進(jìn)近（終端）管制區(qū)內(nèi)，一般設(shè)計(jì)為40～50 km，使具有足夠的吸收延誤能力。

4）點(diǎn)融合系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩條平行但不等高的排序邊，垂直間隔應(yīng)當(dāng)至少保持300 m，且內(nèi)排序邊高度高；水平間隔建議設(shè)計(jì)為10 km（5 n mile），經(jīng)安全評(píng)估后可以適當(dāng)縮減，但不應(yīng)低于4 km（2 n mile）。

5）排序邊應(yīng)設(shè)計(jì)固定速度（航空器在排序邊上運(yùn)行的速度），具體數(shù)值應(yīng)當(dāng)根據(jù)點(diǎn)融合系統(tǒng)距離五邊的位置遠(yuǎn)近確定。

6）在公布排序邊所對(duì)應(yīng)的進(jìn)場程序時(shí)，標(biāo)稱航跡應(yīng)當(dāng)公布為所有航路點(diǎn)按程序走向逐一連接直至融合點(diǎn)所形成的連線。

7）單點(diǎn)融合系統(tǒng)使用空域應(yīng)當(dāng)位于同一管制扇區(qū)內(nèi)。

多點(diǎn)融合系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括串聯(lián)與并聯(lián)兩種設(shè)計(jì)，其中串聯(lián)設(shè)計(jì)目前在國際上尚未應(yīng)用。多點(diǎn)融合系統(tǒng)并聯(lián)設(shè)計(jì)是多個(gè)點(diǎn)融合系統(tǒng)的一種連接方式，其特點(diǎn)是將兩個(gè)（含）以上的單個(gè)點(diǎn)融合系統(tǒng)并行運(yùn)行，最終匯聚到同一個(gè)航路共用點(diǎn)，可以有效處理多個(gè)方向進(jìn)場交通流的情形，如圖3 所示。

圖3 并聯(lián)點(diǎn)融合系統(tǒng)示意圖

并聯(lián)設(shè)計(jì)包含3 種典型方案：完全對(duì)稱型（full symmetry）、小偏置型（offset）和大偏置型（large offset）。從減小融合點(diǎn)附近沖突范圍的角度考慮，偏置型較完全對(duì)稱型更為安全。需要注意的是，為了使管制員更直觀地判斷兩個(gè)點(diǎn)融合系統(tǒng)上航空器的間隔且不造成空域使用浪費(fèi)，應(yīng)當(dāng)將兩個(gè)融合點(diǎn)到后續(xù)航路共用點(diǎn)的距離設(shè)置為相等。

由于到達(dá)流的整合具有漸進(jìn)性，可以設(shè)想設(shè)計(jì)連續(xù)點(diǎn)合并系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)的是一種“串聯(lián)”配置。利用串聯(lián)設(shè)計(jì)將E-TMA/TMA 或進(jìn)近管制空域分開，如圖4 所示。但請注意，這種配置尚未經(jīng)過測試。

圖4 串聯(lián)點(diǎn)融合系統(tǒng)示意圖

1.2 終端區(qū)運(yùn)行模式

根據(jù)終端區(qū)的運(yùn)行環(huán)境和管制模式，點(diǎn)融合系統(tǒng)在終端區(qū)的應(yīng)用中主要分為常規(guī)運(yùn)行模式和非常規(guī)運(yùn)行模式。

如圖5 所示，在常規(guī)的運(yùn)行模式下，點(diǎn)融合系統(tǒng)的運(yùn)行模式主要分為兩個(gè)主要階段：

圖5 點(diǎn)融合系統(tǒng)的常規(guī)運(yùn)行模式

1）在沒有管制干預(yù)的情況下進(jìn)行路徑延伸，讓航空器沿著排序弧飛行。當(dāng)與前一航空器之間達(dá)到適當(dāng)?shù)拈g距時(shí)，向航空器駕駛員發(fā)出“Direct-To”融合點(diǎn)指令。

2）當(dāng)航空器離開排序弧之后，通過速度控制來維持航空器之間的間隔。

一般情況下，航空器在點(diǎn)融合系統(tǒng)內(nèi)的運(yùn)行按照常規(guī)運(yùn)行模式。當(dāng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)特殊情況時(shí)，非常規(guī)運(yùn)行模式在終端區(qū)的應(yīng)用中起到了重要作用，點(diǎn)融合系統(tǒng)通過備用程序解決在運(yùn)行過程中的特情。其中，對(duì)于特情的處置，主要分為未發(fā)布直飛指令和復(fù)飛的情況。

1）未發(fā)布直飛指令。當(dāng)航空器經(jīng)過飛越航路點(diǎn)仍未收到“直飛（Direct-to）”指令，即排序弧溢出。處理排序弧溢出的方法有兩種，如圖6 所示，第一種方法為航空器自動(dòng)轉(zhuǎn)彎飛向融合點(diǎn)，這種設(shè)計(jì)使航空器駕駛員更加明確轉(zhuǎn)彎時(shí)機(jī)，同時(shí)保證航空器飛完排序弧的最后一個(gè)點(diǎn)；第二種方法為航空器將基于旁切點(diǎn)轉(zhuǎn)彎，此種設(shè)計(jì)更好地控制航空器的飛行軌跡，防止航空器飛到旁切點(diǎn)外的區(qū)域。

圖6 點(diǎn)融合系統(tǒng)備用程序

2）復(fù)飛。如圖7 所示，復(fù)飛之后一般分兩種情況，一種是與起始進(jìn)近定位點(diǎn)銜接，如圖7（a）所示，即經(jīng)過復(fù)飛程序后回到起始進(jìn)近點(diǎn)，重新進(jìn)入融合點(diǎn)進(jìn)近程序。另一種是與排序邊銜接，如圖7（b）所示，復(fù)飛后進(jìn)入與排序弧等距的虛擬弧，從虛擬弧進(jìn)入排序弧，從而進(jìn)入融合點(diǎn)程序。

圖7 點(diǎn)融合系統(tǒng)復(fù)飛程序示意圖

2 國內(nèi)外PMS 的相關(guān)參數(shù)對(duì)比

PMS 目前已經(jīng)成功地應(yīng)用于挪威、愛爾蘭、法國等17 個(gè)國家的25 個(gè)機(jī)場，遍布四大洲［12-13］。在對(duì)點(diǎn)融合系統(tǒng)的應(yīng)用過程中，不同機(jī)場之間的點(diǎn)融合系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)也有所不同，需要密切結(jié)合當(dāng)?shù)乜沼蚪Y(jié)構(gòu)、交通流量、機(jī)場條件等設(shè)置點(diǎn)融合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并且權(quán)衡各類設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置，同時(shí)盡量結(jié)構(gòu)簡單、整體對(duì)稱，保持點(diǎn)融合系統(tǒng)簡單、直觀，并滿足安全的運(yùn)行原則。

選取國外6 個(gè)機(jī)場和國內(nèi)的上海浦東機(jī)場和廣州白云機(jī)場對(duì)點(diǎn)融合系統(tǒng)內(nèi)的角度參數(shù)和距離參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行比對(duì)，見表1 和表2，最后結(jié)合點(diǎn)融合應(yīng)用過程中的角度參數(shù)和距離參數(shù)的推薦值進(jìn)行比較分析。

表1 點(diǎn)融合系統(tǒng)角度參數(shù)對(duì)比

表2 點(diǎn)融合系統(tǒng)距離參數(shù)對(duì)比

通過對(duì)比不同機(jī)場點(diǎn)融合系統(tǒng)內(nèi)的關(guān)鍵參數(shù)，不難發(fā)現(xiàn)參數(shù)的設(shè)置是根據(jù)機(jī)場終端區(qū)的運(yùn)行環(huán)境所決定的。但是不同參數(shù)的大小設(shè)置應(yīng)該滿足點(diǎn)融合系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)則。其中，排序邊到融合點(diǎn)的距離用于下降高度，對(duì)于其設(shè)置視融合點(diǎn)高度限制和下降梯度決定；內(nèi)外排序邊的長度主要用于吸收延誤，長度越長，吸收能力越強(qiáng)；內(nèi)外邊為內(nèi)高外低，為了滿足系統(tǒng)內(nèi)的安全運(yùn)行，內(nèi)外邊距離不應(yīng)低于1 n mile；對(duì)于包圍角δ的設(shè)置應(yīng)該避免過大，減少不同方向進(jìn)場交通流對(duì)風(fēng)的敏感性。

3 國內(nèi)PMS 應(yīng)用實(shí)例

白云機(jī)場終端區(qū)共5 個(gè)進(jìn)場移交點(diǎn)，如圖8 所示，分別為ATAGA、IGONO、P270、IDUMA、GYA，其中，ATAGA 進(jìn)場移交點(diǎn)為來自華北方向的航班，移交高度為4 200 m，占進(jìn)港總量的20%；IGONO 進(jìn)場移交點(diǎn)為來自華東方向的航班，移交高度為4 500 m，占進(jìn)港總量的30%；P270 為來自東南沿海方向的航班，移交高度為4 800 m，占進(jìn)港總量的6%；IDUMA 為來自香港東南亞方向的航班，移交高度為4 200 m，占進(jìn)港總量的11%；GYA 為來自海南方向的航班，移交高度為3 900 m，占進(jìn)港總量的33%。

圖8 廣州白云機(jī)場終端區(qū)

機(jī)場傳統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)場圖如圖9 所示，2020 年3 月12 日啟動(dòng)點(diǎn)融合程序的設(shè)計(jì)，通過對(duì)來自機(jī)場終端區(qū)北向的6 條進(jìn)場航線進(jìn)行技術(shù)研究分析，在設(shè)計(jì)點(diǎn)融合進(jìn)近程序時(shí)，對(duì)來自AGATA 和IGONO 進(jìn)場方向的航班進(jìn)行點(diǎn)融合系統(tǒng)運(yùn)行模式設(shè)計(jì)。

圖9 廣州白云機(jī)場標(biāo)準(zhǔn)儀表進(jìn)場圖

圖10 為白云機(jī)場的點(diǎn)融合設(shè)計(jì)圖，其中排序弧采用完全重疊模式，內(nèi)排序弧以GG820 點(diǎn)為圓心，55 km 為半徑。外排序弧以GG820 點(diǎn)為圓心，65 km為半徑。根據(jù)飛行間隔標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)外弧上設(shè)置4 個(gè)定位點(diǎn)，將內(nèi)弧分為等分的5 段。在實(shí)際實(shí)施過程中，通過對(duì)高度、水平距離和速度進(jìn)行控制來運(yùn)行。對(duì)于高度控制，IRTAT 方向進(jìn)港航空器，應(yīng)在IRTAT前必須到達(dá)4 200 m（含）以下的高度進(jìn)入外排序邊，以免反向運(yùn)行的航空器發(fā)生飛行沖突。外排序邊的航空器在排序邊飛行時(shí)，可以根據(jù)需要機(jī)組繼續(xù)下降高度，但不得低于3 300 m（含）。OLPAB 方向進(jìn)港航空器，應(yīng)保持4 500 m（含）以上的高度飛越GG814，嚴(yán)禁低高度進(jìn)入內(nèi)排序邊，以免與反向運(yùn)行的航空器發(fā)生飛行沖突。必須保持4 500 m（含）以上的高度。當(dāng)內(nèi)排序邊航空器脫離排序邊轉(zhuǎn)向融合點(diǎn)飛行后，可指令航空器繼續(xù)下降高度，但要注意必須與內(nèi)排序邊上飛行的其他航空器及外排序邊轉(zhuǎn)向融合點(diǎn)后穿越內(nèi)排序邊的航空器配備足夠安全間隔；對(duì)于水平控制，嚴(yán)格按照排序邊飛行。按13～15 km 的目標(biāo)間隔依次調(diào)配各排序邊上的航空器脫離排序邊飛向融合點(diǎn)。包絡(luò)區(qū)間嚴(yán)禁偏航。遵循“先到先服務(wù)”的原則，按照進(jìn)入點(diǎn)融合程序的先后次序依次調(diào)配內(nèi)外排序邊的航空器逐個(gè)脫離排序邊轉(zhuǎn)向融合點(diǎn)。特殊及重要航班（特殊任務(wù)航班、特情航班等）可以為航空器提供優(yōu)先服務(wù)，優(yōu)先指揮航空器脫離排序邊轉(zhuǎn)向融合點(diǎn)；對(duì)于速度控制，排序邊上必須嚴(yán)格按照速度限制飛行。在內(nèi)外側(cè)排序邊上，保持250 Kt 速度飛行，不得對(duì)航空器進(jìn)行速度調(diào)整。轉(zhuǎn)向融合點(diǎn)至融合點(diǎn)脫離的階段嚴(yán)格遵守速度限制。特殊情況下為保證安全間隔，可以適當(dāng)調(diào)整航空器速度，但該速度不得小于220 Kt（含）。

圖10 廣州白云機(jī)場終端區(qū)點(diǎn)融合進(jìn)近程序

提取廣州白云機(jī)場某天的航班計(jì)劃對(duì)終端區(qū)傳統(tǒng)進(jìn)近程序和PMS 運(yùn)行模式進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，得到表3 的結(jié)果。

表3 傳統(tǒng)運(yùn)行模式和PMS 運(yùn)行模式比對(duì)

通過對(duì)實(shí)時(shí)的仿真結(jié)果進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)在大流量條件下點(diǎn)融合技術(shù)可以提高進(jìn)港效率和終端區(qū)的運(yùn)行品質(zhì)。其中，在進(jìn)港質(zhì)量方面，使用點(diǎn)融合運(yùn)行模式可以使航班的間隔十分均勻；在管制員工作負(fù)荷方面，指令數(shù)減少24%～33%，對(duì)于航向指令而言，幾乎減少至零，降低了管制員的工作負(fù)荷的同時(shí)，也使管制員更精準(zhǔn)地掌握飛行動(dòng)態(tài)，完成管制任務(wù)。

4 結(jié)語

作為一種新型的進(jìn)場程序，點(diǎn)融合進(jìn)近程序有其獨(dú)特的優(yōu)勢，在緩解終端區(qū)管制員工作負(fù)荷和增加航班準(zhǔn)確率方面有著積極的作用。從點(diǎn)融合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和終端區(qū)應(yīng)用方面進(jìn)行敘述，最后結(jié)合國內(nèi)機(jī)場終端區(qū)的應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行了實(shí)時(shí)對(duì)比分析，可以為點(diǎn)融合技術(shù)在中國其他大型運(yùn)輸機(jī)場終端區(qū)的應(yīng)用提供參考。