點融合飛行程序設(shè)計及其容量評估

趙延毫，張勁松，路 娜

(鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 民航學(xué)院，河南 鄭州 450046)

0 引言

儀表飛行程序中的進(jìn)場航段是銜接航路飛行階段與進(jìn)近著陸階段的重要部分，其作用是理順航路與機(jī)場運行線路之間的關(guān)系，提高運行效率。目前常用的進(jìn)場方式為基于進(jìn)場程序的雷達(dá)引導(dǎo)模式。傳統(tǒng)雷達(dá)引導(dǎo)模式具有指揮靈活的優(yōu)點，但航跡的可預(yù)測性低，而且需要管制員和飛行員頻繁地通話，易出錯，工作負(fù)荷大[1]。近年來，隨著我國空域流量的大幅增加，許多機(jī)場的進(jìn)場航段已趨于飽和，傳統(tǒng)的雷達(dá)引導(dǎo)模式很容易造成航班延誤和飛行沖突。針對傳統(tǒng)雷達(dá)引導(dǎo)中存在的調(diào)控工作量大、垂直剖面預(yù)測和改善困難、低空軌跡離散等問題，歐洲航行安全組織實驗中心提出將點融合技術(shù)用于改進(jìn)傳統(tǒng)化終端區(qū)運行模式。在管制層面，點融合技術(shù)簡化了管制工作任務(wù)，提升了運行效率；在飛行層面，點融合技術(shù)有利于減少雷達(dá)引導(dǎo)，改變飛行員被動飛行的狀態(tài)[2]。本文通過對歐洲空管中心的點融合技術(shù)進(jìn)行研究，介紹了點融合程序的結(jié)構(gòu)特點、程序設(shè)計的角度限制和運行點融合程序的步驟和方法;最后研究了點融合系統(tǒng)的容量評估方法，并對某機(jī)場的點融合程序容量進(jìn)行了評估計算。

1 點融合飛行程序介紹

1.1 點融合基本結(jié)構(gòu)

點融合(Point Merge,PM)是對進(jìn)場航班流進(jìn)行線性排序的一種系統(tǒng)化方法。PM是運用了圓弧上任意一點到圓心距離相等的基本原理并基于區(qū)域?qū)Ш?RNAV)技術(shù)來設(shè)計近似弧形的飛行程序，通過使用飛行管理系統(tǒng)(FMS)橫向引導(dǎo)(LNAV)功能，在雷達(dá)管制條件下實現(xiàn)簡化管制任務(wù)的運行方式[3]。

點融合技術(shù)所設(shè)計的飛行程序主要有融合點(M點)和排序邊(S邊)組成。

融合點(M點)：負(fù)責(zé)將機(jī)場終端區(qū)范圍內(nèi)不同來向的航空器匯聚的一個點，由經(jīng)緯度坐標(biāo)所確定[4]。不同進(jìn)場方向的航班流在該點進(jìn)行排隊重組，并按照一定管制間隔有序通過，進(jìn)入下一航段。

排序邊(S邊)：一條在可用空域內(nèi)以M點為圓心，以一定的距離為半徑而設(shè)計的弧線。從實際運行角度來看，排序邊由許多條到M點距離相等的線段拼接而成[5]。據(jù)圓弧上任意一點到圓心的距離相等的原理，位于同一條排序邊上的飛機(jī)到融合點的距離相等，這樣管制員就可很方便地通過控制飛機(jī)轉(zhuǎn)彎飛向融合點的時機(jī)來準(zhǔn)確控制飛機(jī)之間的間隔，實現(xiàn)航班流的有序飛行[6]。點融合飛行程序結(jié)構(gòu)如圖1所示。

沿排序邊飛行的飛機(jī)之間需要滿足一定的管制間隔，排序邊越長、間隔越小，排序邊可以容納的航班數(shù)量越多。而飛機(jī)轉(zhuǎn)彎飛向融合點的時機(jī)，由管制員掌握和發(fā)布，通過控制飛機(jī)在排序邊上多飛或少飛，實現(xiàn)對飛機(jī)飛行路徑的拉伸和收縮功能，保證管制的精確性[7]。

對于存在多條排序邊的點融合程序，其航班在排序邊飛向融合點的過程中，通常需要減速和降低高度以通過融合點，因此為了避免內(nèi)外排序邊上的飛機(jī)在飛往融合點時飛行剖面的交叉影響，內(nèi)排序邊要比外排序邊高一個垂直間隔[8]。

1.2 點融合程序角度限制

為了方便飛行員實施，點融合系統(tǒng)對程序轉(zhuǎn)彎的角度也有限制，如圖2所示。

圖1 點融合飛行程序結(jié)構(gòu)圖

圖2 點融合程序角度示意圖

(1)進(jìn)入角α：為了方便航空器切入點融合程序，進(jìn)入點融合系統(tǒng)的第一個航路點應(yīng)為旁切點，進(jìn)入角度應(yīng)小于90°。

(2)飛向融合點的轉(zhuǎn)彎角度β：由于排序邊和弧半徑近似垂直，故β角常為90°。

(3)飛離融合點飛往下一航段的航跡變化角γ：在排序邊飛行時，轉(zhuǎn)彎時機(jī)的不同，γ角也不同，γ角最小可為0°，即飛離融合點進(jìn)入下一航段時保持直飛無須調(diào)整航跡，γ最大不應(yīng)超過90°。

(4)融合區(qū)范圍角δ：δ角的大小和排序邊的長度有關(guān)，δ角越大，融合區(qū)范圍越大，點融合系統(tǒng)可容納飛機(jī)的數(shù)量越多，容量越大，但需要的空域也越大。因此δ角需要根據(jù)可用空域情況和該區(qū)域流量的大小進(jìn)行設(shè)計。

2 點融合程序的運行

2.1 基本運行方法

點融合程序設(shè)計的宗旨是方便管制員實現(xiàn)對航班流的精細(xì)化控制，避免使用傳統(tǒng)的等待程序，造成飛機(jī)間隔過大，浪費空域[9]。其優(yōu)點在于航班可自主有序地通過點融合程序，在雷達(dá)屏幕上給管制員一個直觀化的進(jìn)場交通流，有效減少陸空通話次數(shù)，提高運行效率。其運行步驟如下：

(1)以一定的管制間隔，建立排序邊上航班飛行序列；

(2)達(dá)到規(guī)定的間隔后，向排序邊上的航班發(fā)布“轉(zhuǎn)彎直飛融合點”的指令；

(3)通過控制飛行速度和高度，保持融合區(qū)內(nèi)的航班的順序和間隔。

2.2 點融合程序運行要求

(1)空域要求。由于點融合系統(tǒng)在設(shè)置排序邊和融合點時，均以基于性能的導(dǎo)航(PBN)程序的航路點為基礎(chǔ)，因此設(shè)計點融合程序時，其空域應(yīng)能夠?qū)嵤㏄BN程序且該空域為雷達(dá)管制空域，能夠?qū)嵤├走_(dá)引導(dǎo)。

(2)航空器及駕駛員要求。運行點融合程序的航空器需確保其機(jī)載設(shè)備滿足運行RNAV-1的能力，且在其機(jī)載導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫中，已有最新的相應(yīng)點融合程序可供使用[10]。航空器駕駛員需要能夠熟練使用FMC中的LNAV功能，以保持其在排序邊上的飛行。

(3)空管人員的要求。管制人員在指揮點融合程序運行前，需經(jīng)過相應(yīng)的培訓(xùn)且考核合格，能夠熟練掌握點融合程序的運行特點和指揮技巧，能夠有效應(yīng)對突發(fā)情況和特殊情況。在程序運行過程中，管制員要注意實時監(jiān)控融合區(qū)內(nèi)的航班，當(dāng)滿足間隔標(biāo)準(zhǔn)時，對排序邊上的飛機(jī)要及時發(fā)布“直飛”指令，避免指令過晚，浪費間隔。當(dāng)終端區(qū)空域內(nèi)點融合程序和其他管制程序同時運行時，管制員需特別注意：必要時應(yīng)及時采取相應(yīng)的管制手段，避免不同運行模式間產(chǎn)生飛行沖突。

2.3 特殊情況下的運行

(1)機(jī)載導(dǎo)航精度降低。當(dāng)由于某種原因，導(dǎo)致飛機(jī)機(jī)載導(dǎo)航精度不能滿足運行點融合程序的要求時，飛行員應(yīng)當(dāng)及時將情況報告給管制員，管制員應(yīng)立即使其結(jié)束運行點融合程序并給予航空器雷達(dá)引導(dǎo)[11]。

(2)排序邊溢出。若航空器經(jīng)過點融合程序，在排序邊上飛行時一直未收到直飛指令，則默認(rèn)飛至排序邊的最后一個航路點時可轉(zhuǎn)彎飛至融合點，以應(yīng)對排序邊溢出，這種應(yīng)對方式為被動應(yīng)對；還可以將點融合程序和傳統(tǒng)等待程序結(jié)合使用，以主動應(yīng)對排序邊的溢出。

在航空器進(jìn)入點融合系統(tǒng)排序邊之前的適當(dāng)位置，設(shè)置傳統(tǒng)的等待程序，用于限制進(jìn)入排序邊的流量使其不超過點融合程序的最大容量，從而有效應(yīng)對排序邊溢出，如圖3(a)所示。也可在排序邊末端一定空域內(nèi)設(shè)置等待程序，以應(yīng)對出現(xiàn)跑道臨時關(guān)閉、前方空域臨時限制等情況時有飛機(jī)仍在排序邊上飛行，此時飛機(jī)需要飛完整個排序邊然后進(jìn)入等待程序進(jìn)行等待，如圖3(b)所示。

圖3 點融合等待程序設(shè)計方案

3 點融合系統(tǒng)容量評估

根據(jù)點融合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，其容量主要有融合點的容量C1、融合區(qū)的容量C2和排序邊的容量C3構(gòu)成。航班流經(jīng)過點融合系統(tǒng)后經(jīng)融合點流向跑道，點融合系統(tǒng)就像一個蓄水池，融合點如蓄水池的放閘口，所以點融合系統(tǒng)消化航班的能力由C1、C2、C3中較小者決定，容納航班的能力由C1、C2、C3中的較大者決定。下面以某機(jī)場的點融合程序為例，計算點融合系統(tǒng)的消化能力和容納能力。

某機(jī)場有12L/30R和12R/30L兩條跑道，運行模式為隔離平行運行，即：12R/30L用于起飛，12L/30R用于落地。以使用最頻繁的12L跑道為例，其點融合程序如圖4所示。

某機(jī)場進(jìn)場航班流主要為北邊從NOPIN進(jìn)場，西邊從P320進(jìn)場，南邊和東邊匯聚后由KADMA進(jìn)場，所以根據(jù)航班流情況，設(shè)置兩條排序邊，為了應(yīng)對點融合系統(tǒng)溢出，在進(jìn)入點融合系統(tǒng)前均設(shè)置了等待程序?？紤]到空域狀況，外排序邊高度為2400 m，長度為35 km；內(nèi)排序邊高度2700 m，長度為25 km，為了使不同類型的飛機(jī)保持安全間隔，限制進(jìn)入排序邊的速度為407 km/h。融合點設(shè)置在IAF處，高度為1200 m，限制過融合點的速度為380 km/h。

根據(jù)雷達(dá)尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)，前后均為重型航空器時，最小間隔為8 km；重型航空器在前，中型航空器在后時，最小間隔為10 km；重型航空器在前，輕型航空器在后時，最小間隔為12 km；中型航空器在前，輕型航空器在后時，最小間隔為10 km?？紤]某機(jī)場以中型航空器運行為主，故在內(nèi)排序邊上的安全間隔均為10 km，外排序邊兩頭為8 km間隔，其余為10 km間隔。

圖4 某機(jī)場12 L跑道點融合程序

3.1 融合點容量計算

3.2 融合區(qū)容量計算

3.3 排序邊容量計算

由此可見某機(jī)場12L跑道的點融合程序的消化航班的能力C消化=min{C1,C2,C3}=28，容納能力C容納=max{C1,C2,C3}=49。點融合系統(tǒng)的消化能力主要是受跑道容量的限制，當(dāng)航班量小于C1時，航班不會產(chǎn)生延誤，能夠順利通過點融合程序落地。當(dāng)航班量大于C1小于C3時，點融合系統(tǒng)就發(fā)揮了其容納航班的優(yōu)勢，使航班有序通過點融合系統(tǒng)，減少航班延誤。當(dāng)航班流量大于C3時，點融合系統(tǒng)會產(chǎn)生溢出和崩潰，所以運行時管制員要注意監(jiān)控航班流量，及時使用外接的等待程序避免進(jìn)入點融合系統(tǒng)的航班量大于C3。

4 結(jié)論

點融合系統(tǒng)作為一種航行新技術(shù)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于空中流量較大的機(jī)場終端區(qū)。本文首先對點融合系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及一些角度限制進(jìn)行了介紹，為其他機(jī)場點融合程序的設(shè)計提供參考。其次從運行層面介紹了運行點融合系統(tǒng)時應(yīng)注意的事項，以及一般運行和特殊情況下的運行方法。最后研究了點融合系統(tǒng)的容量評估，并以某機(jī)場為例，計算了該機(jī)場點融合系統(tǒng)的容量，對于該機(jī)場點融合系統(tǒng)而言，其消化航班的能力主要受跑道容量的限制，容納航班的能力主要受排序邊容量的限制。因此在程序運行時，管制員需注意監(jiān)控進(jìn)入點融合系統(tǒng)的航班流量，避免航班流量超過點融合系統(tǒng)的容納能力，造成系統(tǒng)溢出和崩潰，影響運行。