孫 佳，田 勇

(南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院，南京210016)

近距平行跑道(CSPR)定義為兩條平行跑道中心線之間的距離小于762 m的跑道對(duì).其主要運(yùn)行方式為隔離平行運(yùn)行模式，即一條跑道只用于離場(chǎng)，另一條跑道只用于進(jìn)近.近幾年，一些國(guó)家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)近距平行跑道的配對(duì)進(jìn)近運(yùn)行，但只允許在目視氣象條件下飛行員依據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷需要與前機(jī)保持的間距以避免受前機(jī)產(chǎn)生的尾流影響.因此，若機(jī)場(chǎng)氣象條件低于目視氣象條件時(shí)，CSPR的運(yùn)行效率將大幅降低，這不僅會(huì)造成機(jī)場(chǎng)大量的航班延誤，而且也會(huì)影響到高空管制區(qū)域以及其他機(jī)場(chǎng)的正常運(yùn)行.

國(guó)內(nèi)對(duì)于近距平行跑道的研究起步較晚，如胡明華等分析了如何提高近距平行跑道容量的主要進(jìn)近方法，包括NASA Langley的空中側(cè)向間隔信息(AILS)系統(tǒng)［1］;王維等主要針對(duì)近距平行跑道一起一降運(yùn)行模式得出了起飛和到達(dá)容量數(shù)學(xué)模型［2］;顧正兵研究了基于虹橋機(jī)場(chǎng)的近距平行跑道運(yùn)行方式［3］;相關(guān)研究甚少涉及近距平行跑道的配對(duì)進(jìn)近運(yùn)行模式，對(duì)于采用配對(duì)進(jìn)近時(shí)的碰撞風(fēng)險(xiǎn)更是從未提及.

本文就基于近距平行跑道的配對(duì)進(jìn)近運(yùn)行模式，分析配對(duì)進(jìn)近方式，并應(yīng)用Monte Carlo方法模擬得到在有或無(wú)避讓機(jī)動(dòng)時(shí)，前后機(jī)的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，并對(duì)比較為嚴(yán)格的安全目標(biāo)水平，得到前后機(jī)在不同條件下需要保持的最小縱向間隔.為我國(guó)近距平行跑道配對(duì)進(jìn)近運(yùn)行模式的實(shí)施奠定理論基礎(chǔ).

1 CSPR的配對(duì)進(jìn)近運(yùn)行模式

最早提出配對(duì)進(jìn)近這一思想的是美國(guó)學(xué)者Jonathan Hammer，當(dāng)兩架航空器建立了各自的航向道后，前機(jī)與后機(jī)可以在保持一定斜距的條件下配對(duì)進(jìn)近［4］.但當(dāng)機(jī)場(chǎng)氣象低于目視氣象條件時(shí)，CSPR不能進(jìn)行配對(duì)進(jìn)近運(yùn)行，這會(huì)導(dǎo)致跑道容量的大幅降低.為了改善這種情況，F(xiàn)AA允許滿足以下兩種情況下繼續(xù)進(jìn)行CSPR的配對(duì)進(jìn)近:1)文件8260.49A規(guī)定當(dāng)限制高度低于640 m、能見(jiàn)度低于4英里時(shí)，配對(duì)航空器可以進(jìn)行偏置進(jìn)近(SOIA);2)文件7110.308規(guī)定當(dāng)前機(jī)為除重型或B757時(shí)的任何機(jī)型，允許一些具備特定條件的機(jī)場(chǎng)在低于I類精密進(jìn)近最低標(biāo)準(zhǔn)條件下，繼續(xù)進(jìn)行配對(duì)進(jìn)近運(yùn)行模式.

近距平行跑道配對(duì)進(jìn)近過(guò)程中航空器之間的實(shí)時(shí)縱向間隔，由廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視(ADS－B)和空中交通駕駛艙顯示(CDTI)設(shè)備配合提供.飛行員必須要保證前后機(jī)之間的縱向間距滿足一距離界限，Lmin≤L≤Lmax即，最小縱向距離Lmin即是考慮前機(jī)可能會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤進(jìn)近，闖入后機(jī)的航向道，造成危險(xiǎn)接近甚至碰撞的風(fēng)險(xiǎn);最大縱向距離Lmax即是考慮到若前機(jī)為重型或中型機(jī)，其產(chǎn)生的尾流在最大不利側(cè)風(fēng)的影響下會(huì)對(duì)后機(jī)的正常進(jìn)近造成影響［5］，為了避開(kāi)尾流，前后機(jī)縱向間距需在一定值之內(nèi).

當(dāng)無(wú)沖突避讓時(shí)，配對(duì)進(jìn)近的后機(jī)可以進(jìn)行3°的偏置進(jìn)近以減小碰撞風(fēng)險(xiǎn)，為了更大程度地減小配對(duì)進(jìn)近前后機(jī)當(dāng)前機(jī)發(fā)生錯(cuò)誤進(jìn)近時(shí)對(duì)后機(jī)造成的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，通常會(huì)采用避讓機(jī)動(dòng)程序，見(jiàn)圖1.

FAA提出配對(duì)進(jìn)近過(guò)程中的航空器，一旦前機(jī)闖入，后機(jī)可以在一定的條件下進(jìn)行避讓機(jī)動(dòng)，從而降低碰撞風(fēng)險(xiǎn).在實(shí)際運(yùn)行中，這一程序必須由新的機(jī)載顯示設(shè)備和航空電子系統(tǒng)支持，包括:ADS－B，III類數(shù)字飛行控制系統(tǒng)，側(cè)向?qū)Ш较到y(tǒng)和提供40 m或95%總體系統(tǒng)誤差(TSE)的導(dǎo)航設(shè)施.滿足這一TSE的導(dǎo)航系統(tǒng)包括:地基導(dǎo)航系統(tǒng)(GBAS)、星基導(dǎo)航系統(tǒng)(SBAS)和帶垂直引導(dǎo)的WAAS進(jìn)近程序(LPV).有避讓機(jī)動(dòng)的航空器可以采用靈活的間隔規(guī)范，航空器之間可以實(shí)現(xiàn)自由穿梭，如圖2.

圖1 近距平行跑道配對(duì)進(jìn)近程序

圖2 有避讓機(jī)動(dòng)的配對(duì)進(jìn)近程序

本文將在前人的研究基礎(chǔ)上延伸考慮當(dāng)機(jī)場(chǎng)運(yùn)行條件低于II類精密進(jìn)近最低標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，CSPR配對(duì)進(jìn)近運(yùn)行的前后機(jī)碰撞風(fēng)險(xiǎn)，并分析在滿足較為嚴(yán)格的安全目標(biāo)水平下，不同條件下的保守的前后機(jī)縱向間隔值.

2 碰撞風(fēng)險(xiǎn)分析

采用Monte Carlo模擬航空器配對(duì)進(jìn)近程序，分析平行進(jìn)近和3°偏置進(jìn)近程序有或無(wú)避讓機(jī)動(dòng)下的碰撞概率.在精密跑道監(jiān)視下，平行進(jìn)近的航空器需滿足次碰撞每飛行小時(shí)的安全目標(biāo)水平(TLS).但由于導(dǎo)航、監(jiān)視設(shè)備的快速發(fā)展，文中將采用更為嚴(yán)格的的TLS.在計(jì)算碰撞風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，需考慮兩個(gè)關(guān)鍵因素:發(fā)生前機(jī)闖入非侵入?yún)^(qū)(NTZ)的概率和前機(jī)闖入后發(fā)生碰撞的概率.

其中:p闖入可由進(jìn)近過(guò)程中航空器發(fā)生錯(cuò)誤進(jìn)近的歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)獲取.p碰撞|闖入由 Monte Carlo分析得到.對(duì)美國(guó)2007年10月到2009年6月的共785 203個(gè)儀表進(jìn)近過(guò)程中發(fā)生闖入NTZ的次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，闖入NTZ的總次數(shù)占總進(jìn)近次數(shù)的4×10－5，要達(dá)到上述 10－9的 TLS，由式(1)可得，前機(jī)闖入后發(fā)生碰撞的概率應(yīng)不大于10－4.

在直線進(jìn)近中，假定側(cè)向?qū)Ш铰窂阶粉櫨葹?0 m(95%)，為確保在跑道上安全著陸，航空器應(yīng)在距離跑道頭至少4.2 km的距離范圍內(nèi)采用該ILS側(cè)向?qū)Ш骄?若航空器采用3°的偏置進(jìn)近，則該ILS側(cè)向?qū)Ш骄葢?yīng)應(yīng)用在整個(gè)進(jìn)近過(guò)程中.假定某機(jī)場(chǎng)的機(jī)型組合為:13%重型機(jī)、70%中型機(jī)和17%的輕型機(jī).在Monte Carlo模擬過(guò)程中，每次迭代將隨機(jī)地選擇航空器的機(jī)型.

航空器到達(dá)外指點(diǎn)標(biāo)的空速為180 kt，隨后一直減速到最后進(jìn)近速度，本文中各機(jī)型的最后進(jìn)近速度由經(jīng)驗(yàn)分析得出，如圖3所示.

圖3 各機(jī)型最后進(jìn)近速度分布

圖4 無(wú)避讓機(jī)動(dòng)時(shí)配對(duì)前后機(jī)的運(yùn)行程序

通過(guò)分別建立無(wú)避讓機(jī)動(dòng)和有避讓機(jī)動(dòng)模型.在有避讓機(jī)動(dòng)的模型中，考慮前機(jī)發(fā)生錯(cuò)誤進(jìn)近后，后機(jī)在開(kāi)始避讓前有3、5、8 s的延時(shí)，并進(jìn)行35°的轉(zhuǎn)彎，圖4、5分別表示無(wú)避讓機(jī)動(dòng)和有避讓機(jī)動(dòng)中前后機(jī)的運(yùn)行程序.

圖5 有避讓機(jī)動(dòng)時(shí)配對(duì)前后機(jī)的運(yùn)行程序

從圖中可以看出，當(dāng)無(wú)避讓機(jī)動(dòng)時(shí)，配對(duì)前機(jī)發(fā)生錯(cuò)誤進(jìn)近后，后機(jī)繼續(xù)沿其航向道進(jìn)近，前后機(jī)的碰撞風(fēng)險(xiǎn)很大;當(dāng)有避讓機(jī)動(dòng)時(shí)，通過(guò)先進(jìn)的導(dǎo)航、監(jiān)視系統(tǒng)，可以讓后機(jī)進(jìn)行一定角度的避讓，從圖4可以看出，由于后機(jī)的避讓機(jī)動(dòng)使得前后機(jī)發(fā)生碰撞的可能性明顯減小.通過(guò)分析不同機(jī)型組合配對(duì)進(jìn)近程序，應(yīng)用Monte Carlo方法進(jìn)行重復(fù)迭代，為了得到最為保守的前后機(jī)最小縱向間距值，且現(xiàn)美國(guó)實(shí)行的目視配對(duì)進(jìn)近所需要保證的跑道中心線最小間距為213 m，因此，本文考慮近距平行跑道跑道中心線間距為213 m.

表1為通過(guò)計(jì)算仿真得到的當(dāng)考慮航空器在直線進(jìn)近中的任何進(jìn)近位置都有可能發(fā)生錯(cuò)誤進(jìn)近時(shí)，后機(jī)采用避讓機(jī)動(dòng)(3、5、8 s延遲)及不采用避讓機(jī)動(dòng)時(shí)，前后機(jī)在不同縱向間距下，發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)概率，即p碰撞|闖入，依據(jù)上文中提到的錯(cuò)誤進(jìn)近概率p闖入，可以得到在滿足TLS下的前機(jī)發(fā)生錯(cuò)誤進(jìn)近且前后機(jī)發(fā)生碰撞的概率p碰撞|闖入應(yīng)不大于10－4.

結(jié)果顯示，跑道中心線之間間距為213 m時(shí)，不論是有避讓機(jī)動(dòng)或是無(wú)避讓機(jī)動(dòng)時(shí)，當(dāng)碰撞風(fēng)險(xiǎn)概率不滿足要求，則配對(duì)進(jìn)近的前后機(jī)之間需保持必要的垂直間距.對(duì)有避讓機(jī)動(dòng)的程序，所需的最小縱向間距將隨著后機(jī)反應(yīng)延時(shí)的減少而減少.在滿足TLS的情況下，延時(shí)為3、5 s的配對(duì)航空器之間的最小縱向間距應(yīng)為762 m，8 s延時(shí)的配對(duì)航空器之間的最小縱向間距為914 m，對(duì)于無(wú)避讓機(jī)動(dòng)程序，所需的最小縱向間距為1 067 m，以上結(jié)果表明，有避讓機(jī)動(dòng)程序的優(yōu)勢(shì)取決于后機(jī)避讓的反應(yīng)時(shí)間.此外，避讓機(jī)動(dòng)程序提供75%的可接受航空器對(duì)，而無(wú)避讓機(jī)動(dòng)程序提供67%的可接受航空器對(duì).

表1 當(dāng)前機(jī)在進(jìn)近中任何位置都有可能闖入NTZ時(shí)，不同情況下的碰撞風(fēng)險(xiǎn)概率

表2為在FAF點(diǎn)之外直線進(jìn)近時(shí)，前機(jī)發(fā)生錯(cuò)誤進(jìn)近的情況，與上述情況類似，在外指點(diǎn)標(biāo)以后前后機(jī)間距大于229 m時(shí)，最小縱向間距基本不變化.在外指點(diǎn)標(biāo)之前，最小縱向間距會(huì)發(fā)生變化.

表2 當(dāng)前機(jī)僅可能在FAF點(diǎn)之前闖入NTZ時(shí)，不同情況下的碰撞風(fēng)險(xiǎn)概率

從表2可以看出，有避讓機(jī)動(dòng)的航空器對(duì)之間需要保持的最小縱向間距會(huì)比無(wú)避讓機(jī)動(dòng)的間距要小，可接受的最小縱向間距有避讓機(jī)動(dòng)為457 m，無(wú)避讓機(jī)動(dòng)為610 m.當(dāng)前機(jī)錯(cuò)誤進(jìn)近僅發(fā)生在FAF點(diǎn)之前時(shí)，前機(jī)闖入的速度將相比于之前更快同時(shí)需要保證的縱向間距也更加嚴(yán)苛.這些因素也導(dǎo)致了無(wú)論后機(jī)的避讓機(jī)動(dòng)延遲多長(zhǎng)時(shí)間，前后機(jī)之間需要保持的最小安全縱向間距都很穩(wěn)定.

表3顯示了應(yīng)用3°偏置進(jìn)近的優(yōu)勢(shì)，并考慮前機(jī)錯(cuò)誤進(jìn)近在配對(duì)進(jìn)近的任何地方都可能發(fā)生的情況.

表3 3°偏置進(jìn)近且在進(jìn)近中任何位置都可能闖入NTZ時(shí)，不同情況下的碰撞風(fēng)險(xiǎn)概率

由結(jié)果分析，當(dāng)采用3°偏置進(jìn)近時(shí)，同時(shí)后機(jī)的避讓機(jī)動(dòng)延遲3 s，則不論哪一種情況，前后機(jī)都不會(huì)發(fā)生碰撞.當(dāng)有5 s延時(shí)時(shí)，前后機(jī)之間最小縱向間距應(yīng)為305 m，相比于直線進(jìn)近的762 m減少了.在有和無(wú)避讓機(jī)動(dòng)的時(shí)候，前后機(jī)之間的最小縱向間距為914 m和1 219 m，這和直線進(jìn)近時(shí)的結(jié)論類似.

由于采用的是3°偏置進(jìn)近的方法，因此航空器之間的側(cè)向間距大于762 m，排除最大縱向間距的限制，直到航空器距離限制點(diǎn)12.1km.在表中最后一列顯示，幾乎所有航空器對(duì)都提供了可接受的最后進(jìn)近速度組合.可以看出，3°偏置程序有較好的安全性能，能在前后機(jī)間距較小的情況下仍保持安全，但該種程序的實(shí)施可能會(huì)受到地形或環(huán)境條件以及通信導(dǎo)航性能的制約.

3 結(jié)語(yǔ)

本文首先對(duì)近距平行跑道配對(duì)進(jìn)近程序進(jìn)行了介紹，隨后分別對(duì)后機(jī)無(wú)避讓機(jī)動(dòng)和有避讓機(jī)動(dòng)兩種情況加以考慮，應(yīng)用Monte Carlo模擬分析方法得到了其在前機(jī)錯(cuò)誤進(jìn)近的前提下發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)概率，其中后機(jī)有避讓機(jī)動(dòng)的程序分別分析了飛行員反應(yīng)3、5、8 s的延遲時(shí)間，得到了在錯(cuò)誤進(jìn)近發(fā)生不同位置時(shí)的前后機(jī)需保持的最小縱向間距，最后，對(duì)3°偏置進(jìn)近程序的碰撞風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了仿真分析，看出了其較大的安全優(yōu)勢(shì).

近距平行跑道是我國(guó)未來(lái)中大型機(jī)場(chǎng)的主要跑道構(gòu)型之一，而近距平行跑道配對(duì)進(jìn)近運(yùn)行模式更是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，本文主要解決了近距平行跑道配對(duì)進(jìn)近程序中，前后機(jī)需要保持的最小縱向間距問(wèn)題，為以后更好的實(shí)施近距平行跑道的配對(duì)進(jìn)近，提供了理論參考數(shù)據(jù)，從而更大程度地提高跑道容量，增加機(jī)場(chǎng)運(yùn)行效率.

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