多機場耦合運行的塔臺管制區(qū)劃設(shè)方法研究

王笑天,徐 晨,劉 博

(民航中南空中交通管理局 廣州510000)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,運輸機場的不斷開發(fā),新改擴(kuò)建支線機場的不斷增多,我國機場客運量和貨運量不斷增長。為避免機場間管制范圍和責(zé)任重疊,科學(xué)合理地進(jìn)行塔臺管制區(qū)的劃設(shè)對保障空域安全高效運行極為重要。

目前關(guān)于管制區(qū)劃設(shè)的研究主要聚焦于空域扇區(qū)的優(yōu)化和大型機場終端管制區(qū)的劃設(shè)方面。Yousefi等[1]將研究空域分割,以管制員工作負(fù)荷的平衡優(yōu)化為目標(biāo),得到空域的優(yōu)化方案。Brinton等[2]基于航班軌跡的統(tǒng)計特征,以降低空中交通復(fù)雜度為目標(biāo),利用最優(yōu)劃分法求解最佳劃設(shè)方案。Tobias等[3]提出了一種譜聚類算法進(jìn)行空域扇區(qū)的優(yōu)化。Flener和Pearson[4]總結(jié)了扇區(qū)劃分的原則、影響因素和劃設(shè)標(biāo)準(zhǔn),提出了扇區(qū)自動劃設(shè)的概念。俞文軍等[5]從交通流量預(yù)測的角度,對上海終端區(qū)進(jìn)行了扇區(qū)劃分。羅軍等[6]在利用粒子群優(yōu)化算法對某個航路點負(fù)荷進(jìn)行評估的基礎(chǔ)上,研究了終端區(qū)扇區(qū)的優(yōu)化問題。胡青云[7]對珠海進(jìn)近管制區(qū)進(jìn)行了Voronoi剖分,以進(jìn)行扇區(qū)劃分研究。

截至目前,較少有學(xué)者研究支線機場集中區(qū)域的塔臺管制區(qū)優(yōu)化問題。本文借鑒管制扇區(qū)劃設(shè)的研究分析工作,結(jié)合飛行程序設(shè)計、空域規(guī)劃及管制運行的實際經(jīng)驗,總結(jié)支線機場集中區(qū)域塔臺管制區(qū)劃設(shè)的基本原則和方法。以新建的湘西邊城機場塔臺管制區(qū)劃設(shè)為例,結(jié)合湘西邊城機場周邊空域環(huán)境及其進(jìn)離場飛行程序,制定湘西邊城機場塔臺管制區(qū)劃設(shè)方案及周邊銅仁鳳凰、懷化芷江機場塔臺管制區(qū)調(diào)整方案。針對前述新的塔臺管制區(qū)劃設(shè)和調(diào)整方案,進(jìn)行通信及監(jiān)視能力覆蓋分析,以期為支線機場塔臺管制區(qū)統(tǒng)籌劃設(shè)提供參考。

1 多機場耦合運行分析

近年來,為促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展,一些中小城市大力支持機場建設(shè)。這些機場大多都屬于支線機場,即年旅客運輸小于或者等于300萬人次的機場,主要供1 000～1 500 km范圍內(nèi)的短程飛機起降[8]。在空域運行上,設(shè)置機場塔臺管制區(qū)既可為民用支線機場提供空中交通管制服務(wù),也可承擔(dān)塔臺管制與進(jìn)近管制兩方面的管制運行工作。

隨著新建機場得的增多,某些區(qū)域內(nèi)的機場分布又相對集中,在一定區(qū)域內(nèi)存在多個機場、多條進(jìn)離場航線耦合運行的復(fù)雜情況,增大了塔臺管制調(diào)配的難度和安全運行的風(fēng)險。基于多機場耦合運行實際情況進(jìn)行統(tǒng)籌考慮塔臺管制范圍的劃設(shè),可避免相鄰塔臺管制區(qū)之間存在重疊區(qū)域而導(dǎo)致管制責(zé)任界定不清的問題。本文從明確管制責(zé)任、降低運行風(fēng)險和合理利用空域資源的角度出發(fā),對分布相對集中的多機場塔臺管制區(qū)的劃設(shè)進(jìn)行分析。

2 多機場區(qū)域的空域概況

多機場區(qū)域內(nèi)管制運行受到空間資源和進(jìn)離場交通流運行沖突等因素的制約[9],因此在劃設(shè)塔臺管制區(qū)時應(yīng)當(dāng)充分考慮該區(qū)域內(nèi)的空域情況。以新建的湘西邊城機場和周邊的銅仁鳳凰機場、懷化芷江機場形成的多機場區(qū)域為例,對各個機場的空域結(jié)構(gòu)的水平/垂直范圍和協(xié)同運行模式進(jìn)行分析。

湘西邊城機場與銅仁鳳凰機場、懷化芷江機場距離較近。銅仁鳳凰機場位于湘西邊城機場真方位為197°,直線距離為71 km。懷化芷江機場位于湘西邊城機場真方位為171°,直線距離為118 km。懷化芷江機場位于銅仁鳳凰機場真方位為141°,直線距離為62 km。三個機場相對位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 三個機場的相對位置關(guān)系圖

劃設(shè)塔臺管制區(qū)需要確定其水平范圍和垂直范圍。民用支線機場通常以本場臺為圓心、半徑55 km范圍為其塔臺管制區(qū)的水平范圍,依據(jù)機場進(jìn)離場航線結(jié)構(gòu)和管制運行等因素確定其垂直范圍。現(xiàn)行銅仁鳳凰機場與懷化芷江機場公布的塔臺管制區(qū)水平范圍均是采用上述方式劃定的圓形區(qū)域,銅仁鳳凰機場塔臺管制區(qū)的垂直范圍為標(biāo)準(zhǔn)氣壓高度4 200 m(含)以下,懷化芷江機場塔臺管制區(qū)的垂直范圍為標(biāo)準(zhǔn)氣壓高度3 900 m(含)以下。三個機場塔臺管制區(qū)水平范圍如圖2所示。銅仁機場塔臺管制區(qū)水平范圍局部放大如圖3所示。

圖2 三個機場塔臺管制區(qū)水平范圍示意圖

圖3 銅仁機場塔臺管制區(qū)水平范圍局部放大圖

若湘西邊城機場的仍以湘西VOR/DME臺為圓心,劃定半徑55 km圓形區(qū)域為其塔臺管制區(qū)水平范圍,與現(xiàn)行銅仁機場和芷江機場的塔臺管制區(qū)水平范圍有部分重疊,航空器在重疊區(qū)內(nèi)運行時管制責(zé)任界定不清,存在運行風(fēng)險?！睹裼煤娇湛罩薪煌ü芾硪?guī)則》[10]要求在任何時間內(nèi),對航空器的空中交通管制服務(wù)只由一個管制單位承擔(dān),為明確管制責(zé)任,消除運行風(fēng)險,保證航行情報資料的嚴(yán)謹(jǐn)性和規(guī)范性,需要統(tǒng)籌研究湘西邊城、銅仁鳳凰和懷化芷江三個機場塔臺管制區(qū)的劃設(shè)調(diào)整方案。

3 多機場塔臺管制區(qū)劃設(shè)方案

3.1 塔臺管制區(qū)劃設(shè)的基本原則

結(jié)合飛行程序設(shè)計、空域規(guī)劃及管制實際運行經(jīng)驗,塔臺管制區(qū)的劃設(shè)應(yīng)遵循以下基本原則:

(1)塔臺管制區(qū)的水平范圍應(yīng)盡量涵蓋機場的進(jìn)離場飛行程序;

(2)當(dāng)塔臺管制區(qū)的水平范圍與周邊機場塔臺管制區(qū)的水平范圍重疊時,至少應(yīng)涵蓋機場所有的起始進(jìn)近航段;

(3)塔臺管制區(qū)的垂直范圍應(yīng)考慮進(jìn)離場飛行程序的高距比;

(4)塔臺管制區(qū)的劃設(shè)應(yīng)充分考慮管制調(diào)配的需求,盡量減少不同管制單位之間的相互移交。

3.2 塔臺管制區(qū)劃設(shè)調(diào)整方法

根據(jù)湘西邊城、銅仁鳳凰和懷化芷江三個機場進(jìn)離場航線走向及交通流占比情況,制定湘西邊城機場塔臺管制區(qū)劃設(shè)方案及銅仁、懷化機場塔臺管制區(qū)調(diào)整方案,三個機場塔臺管制區(qū)垂直高度設(shè)計上按照“中間高兩邊低”的布局,盡可能減少不同管制單位之間的相互移交。根據(jù)上述原則和思路,優(yōu)化調(diào)整后的塔臺管制區(qū)劃設(shè)方案如圖4所示。

3.2.1 湘西機場塔臺管制區(qū)劃設(shè)方案

劃設(shè)方案遵循上述“便于管制調(diào)配、避免塔臺管制區(qū)重合和覆蓋機場進(jìn)離場飛行程序”的原則。湘西機場半徑為55 km范圍的西北側(cè)與西南空管局重慶區(qū)調(diào)的水平范圍部分重合,管制移交程序較為復(fù)雜,管制界限不清。由圖4可知,湘西機場進(jìn)離場程序集中在西南側(cè)與東北側(cè),西北側(cè)無進(jìn)離場程序,故用B1-B2對西北側(cè)空域進(jìn)行切分,以減少管制移交程序,降低管制復(fù)雜性,同時也完全覆蓋了湘西機場的進(jìn)離場程序。B1點為半徑55 km圓弧與W102航線的交點,B2點為半徑55 km圓弧與A581航路的交點。另外,湘西機場半徑為55 km范圍的南側(cè)與銅仁機場半徑為55 km范圍的北側(cè)存在重合區(qū)域,根據(jù)至少涵蓋機場所有起始進(jìn)近航段的原則,找到湘西機場所有進(jìn)近程序最南側(cè)的兩個起始進(jìn)近定位點,即P4點與P5點作為分界點,A1、A2點分別為P4、P5點連線的延長線與湘西機場半徑為55 km圓弧的交點。

湘西機場塔臺管制區(qū)的水平范圍為:A1-P5-P4-A2-以湘西VOR/DME為圓心,半徑為55 km的圓弧-B1-B2-A1連線范圍內(nèi);垂直范圍為標(biāo)準(zhǔn)氣壓高度3 600 m(含)以下。湘西機場塔臺管制區(qū)水平范圍如圖5所示。

圖5 湘西機場塔臺管制區(qū)水平范圍示意圖

3.2.2 懷化機場塔臺管制區(qū)調(diào)整方案

懷化機場半徑為55 km圓弧的北側(cè)與銅仁機場半徑為55 km圓弧的南側(cè)存在部分重合,考慮到懷化機場北側(cè)只有沿W102的進(jìn)離場航線,而銅仁機場南側(cè)進(jìn)離場航線較多,故將該部分空域主要劃分給銅仁機場,以方便其進(jìn)行管制調(diào)配?？梢訟3-A4-A5進(jìn)行懷化機場與銅仁機場塔臺管制區(qū)的切分,其中A4點是懷化機場PBN進(jìn)場程序的等待點CJ507,A3點是A4與懷化機場東側(cè)離場點P167的連線延長線與懷化機場半徑為55 km圓弧的交點,A5點是懷化機場半徑為55 km圓弧與H24航路的交點。

懷化機場塔臺管制區(qū)水平范圍為:A3-A4-A5-以芷江VOR/DME為圓心,半徑為55 km的圓弧-A3連線范圍內(nèi);垂直范圍為標(biāo)準(zhǔn)氣壓高度3 600 m(含)以下。懷化機場塔臺管制區(qū)水平范圍如圖6所示。

圖6 懷化機場塔臺管制區(qū)水平范圍示意圖

3.2.3 銅仁機場塔臺管制區(qū)調(diào)整方案

銅仁機場塔臺管制區(qū)東側(cè)范圍利用A2-B3界定,B3點是銅仁機場半徑為55 km圓弧與上述懷化機場塔臺管制區(qū)北側(cè)邊界的交點。銅仁機場塔臺管制區(qū)西側(cè)范圍利用A1-A6-A5界定,A6點是銅仁機場半徑為55 km圓弧與W586航線的交點。

銅仁機場塔臺管制區(qū)水平范圍為:A1-P5-P4-A2-B3-A4-A5-A6-A1連線范圍內(nèi);垂直范圍為標(biāo)準(zhǔn)氣壓高度4 200 m(含)以下。銅仁機場塔臺管制區(qū)水平范圍如圖7所示。

圖7 銅仁機場塔臺管制區(qū)水平范圍示意圖

4 通信及監(jiān)視能力覆蓋分析

塔臺管制區(qū)垂直范圍的確定需考慮相關(guān)區(qū)域管制單位的通信監(jiān)視能力。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)氣壓高度3 600 m(含)以上高度范圍的通信及監(jiān)視設(shè)備的覆蓋能力,劃定湘西邊城、銅仁鳳凰、懷化芷江三個機場塔臺管制區(qū)的垂直范圍。

4.1 甚高頻信號覆蓋分析

湘西邊城、銅仁鳳凰和懷化芷江三個機場周圍有張家界甚高頻臺和銅仁甚高頻臺,可為其提供甚高頻通信信號。對上述三個機場進(jìn)行甚高頻信號覆蓋評估分析,以上擬劃設(shè)及擬調(diào)整的塔臺管制區(qū)范圍均能滿足張家界和銅仁雷達(dá)站標(biāo)準(zhǔn)氣壓高度3 600 m高度的甚高頻信號覆蓋要求。標(biāo)準(zhǔn)氣壓高度3 600 m高度甚高頻信號覆蓋分析如圖8所示。

圖8 標(biāo)準(zhǔn)氣壓高度3 600 m高度甚高頻信號覆蓋分析示意圖

4.2 雷達(dá)信號覆蓋分析

經(jīng)對以上三個機場周邊張家界和銅仁雷達(dá)站的雷達(dá)信號覆蓋評估分析,以上擬劃設(shè)及擬調(diào)整的塔臺管制區(qū)范圍均能滿足張家界和銅仁雷達(dá)站標(biāo)準(zhǔn)氣壓高度3 600 m高度的信號覆蓋要求。標(biāo)準(zhǔn)氣壓高度3 600 m高度雷達(dá)信號覆蓋分析如圖9所示。

圖9 標(biāo)準(zhǔn)氣壓高度3 600 m高度雷達(dá)信號覆蓋分析示意圖

5 結(jié)論

(1)分析了多機場耦合運行的技術(shù)問題,包括管制調(diào)配難度、空域資源不合理利用及安全風(fēng)險增加等,提出塔臺管制區(qū)劃設(shè)的基本原則,水平范圍應(yīng)盡量涵蓋機場的進(jìn)離場飛行程序(至少應(yīng)涵蓋機場所有的起始進(jìn)近航段),垂直范圍應(yīng)考慮進(jìn)離場飛行程序的高距比,以及充分考慮管制調(diào)配的需求,盡量減少不同管制單位之間的相互移交。

(2)提出塔臺管制區(qū)劃設(shè)的具體方法步驟,并以新建湘西邊城機場、銅仁鳳凰機場和懷化芷江機場形成的典型支線機場耦合運行模式下的塔臺管制區(qū)劃設(shè)為例,描述多機場區(qū)域內(nèi)塔臺管制區(qū)的劃設(shè)調(diào)整方案,并利用甚高頻通信及雷達(dá)監(jiān)視信號的覆蓋能力分析驗證了管制區(qū)劃設(shè)的可行性。

(3)從靜態(tài)空域結(jié)構(gòu)上明確了不同塔臺管制單位的責(zé)任,在運行上可結(jié)合實際需求簽訂相關(guān)管制運行協(xié)議,明確管制責(zé)任的移交。

(4)由于在相鄰機場塔臺管制區(qū)內(nèi)運行的航空器所采用的修正海平面氣壓有所差異,建議穿越相鄰塔臺管制區(qū)小于水平間隔的航空器之間的垂直間隔應(yīng)保持在600 m(含)以上,如飛行程序高度或管制指揮引導(dǎo)高度應(yīng)相差600 m(含)以上。

(5)目前直線機場大多實施程序管制,運行上存在諸多限制,未來隨著各機場航班流量的進(jìn)一步增長,建議統(tǒng)一規(guī)劃,統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一指揮,滿足未來多機場同時運行的需求。