避讓危險天氣 減少航班延誤

張宇

摘 要：空中交通管理系統中，造成航班延誤或取消的主要原因是由惡劣天氣引起的。空域中的避讓航路設計問題和安全航路的設計問題對研究避讓惡劣天氣有很重要的意義。

關鍵詞：空管安全；危險天氣；安全航路

空中交通管理系統中，造成航班延誤或取消的主要原因是由惡劣天氣引起的。常見的影響飛行的惡劣天氣有強對流天氣、低空風切變和低能見度天氣等等。文章主要介紹轉換空域中的避讓航路設計問題和安全航路的設計問題。

1 轉換空域中的避讓航路問題

1.1 簡介

在轉換空域（在給定機場大約200海里的范圍內）中，結合天氣狀況避讓航路的問題。該問題的研究可以滿足目前空域容量最大化的需求。未來的國家空域系統（NAS）也需要機場能夠有較大的容量，而危險天氣狀況的避讓也許是主要重要限制因素之一。重點是對到達交通流天氣的航路避讓和這些航路交叉點的設計。實際地天氣航路避讓是與三種類型的結論方法相比較的，即：標準進場航路的變化、結合多交叉航路的幾何最優化解決方案、自由飛行。這些解決方案表明了，針對目前的NAS來說，提高容量能力是可行的，但是要受到相關理論、空域基礎結構和天氣的惡劣性而制約。

1.2 避讓危險天氣的方法

1.2.1 標準進場航路的變化

標準進場航路變化的方法提供了一條備選航路。這條備選航路是以標準航路為基準，通過橫側平移航路點而得到的。

1.2.2 結合多交叉航路的設計（FBRP）

結合多交叉航路的設計原則是：在機場200海里的范圍內，找到一條、兩條或三條不相交的避讓航路，這些航路從航行起始點一直到目標機場。為了滿足空中交通管制的間隔要求，當三條航路上都有航空器時，它們的到場時間要滿足間隔標準。這時管制員要通過控制航空器的速度或把間隔控制到10公里來保證不違反間隔標準。

1.2.3 自由飛行

自由飛行原則可以用于沒有沖突的航空器避讓危險天氣。當航空器到達機場200海里范圍時，航路向目標機場方向按照最優化原則延伸。每架航空器的最佳航路設計時不考慮與其他航空器之間的沖突。

自由飛行原則運用了時間搜索原則，假設標準航路上有危險天氣而必須避讓，從起始點開始尋找一條時間最短的避讓航路。因為不考慮與其它航空器之間的沖突，在設計航路時每架行空器都可以任意設計，這樣從某種程度上，提高了飛行效率。

2 安全航路的設計問題

提高國家空域容量的一個方法就是在危險天氣狀況條件下，提高現有航路的能力使之與該天氣狀況相適應。本章中運用結合多交叉航路（FBRP），可以在特定空域范圍內，如：扇區或者是在機場附近的過渡空域內，保證航空器的較大流量狀態。FBRP也允許在孤寂的航路上有大量的限制因素，這其中包括：在危險變化的天氣條件下的避讓、轉彎、曲率限制以及水平間隔標準。

2.1 航路的設計

為了解決航路設計問題，航路的設計要逐個完成。每條航路包括自己的航路點、目的機場和航線。航路設計由兩步來完成，第一步：用格子法尋找一條最短的航路。第二步：修正已找到的航路，把航路簡單化。

2.1.1 初始航路的尋找

搜尋到的初始最短航路（開始點U，結束點V）要滿足以下標準：與危險天氣之間有足夠的間隔、與其他航路之間要滿足水平間隔標準和轉彎、曲率限制。

（1）搜尋的空域。最短航路的搜尋原則基于正方形格子的搜尋。格子可以是任何大小的，但是為了保證搜尋的質量和運行時間，格子的大小要適中。格子過大會降低搜尋的質量，而過大會增加運行時間。實踐中，格子的邊長一般為6.25海里。因此，400*400的空域大概有64*64=4096個格子。

如圖1所示，以格子交點P為搜索點。K定義為幅度。當K的取值一定時P點周圍有N（P）個點，搜索的原則是：已P點為中心，在各個方向上找一個最近的點與之連接。

圖1 ·K=1，2，3，4

（2）航路。搜索過程中，用時間標注每條航路的航路點。每個航路點可以延伸到每一個有效的邊界。標注表示從一條航路開始點到此點的最短時間。同一個點有可能被標不同的時間，原因是它是多條航路的航路點。當開始點和結束點之間的最短航路搜尋出來后，航路上的所有航路點就要用最短時間標注。

（3）搜索角度。搜索角度直接影響搜索的速度，搜索角度越大（小），搜索范圍就會越廣（小），因此所用時間會大大增加（減小）。但搜索角度過小會漏掉最佳航路。因此最佳角度的選擇對整個搜索過程非常重要。

2.1.2 航路的修正

在搜索到的航路基礎上對航路進行修正。對每個航路點在一個固定值內進行平移。再連接各個航路點，這樣就可以得到一系列新航路。再對航路進行簡單話處理，這樣得到的航路更適合于現行的空管系統。或許新航路的長度比原航路長，但這個差值相對于整個航路來說可以忽略不計。

這些航路同樣要滿足以下要求：與危險天氣之間有足夠的間隔、與其他航路之間要滿足水平間隔標準和轉彎、曲率限制。

2.2 航路特點

通過格子尋找法得到的最短航路有以下特點：（1）在危險天氣邊緣飛行安全的保證。本方法通過實驗數據，在航路設計是用航空器與危險天氣之間的距離來保證飛行的安全。（2）滿足航空器之間的間隔要求。在設計航路一開始就考慮到這個要求，航路是按照這個標準設計的。（3）有限的尋找點。尋找點過多會在很大程度上增加運行時間，過少會影響航路的質量。因此選擇合適的尋找點對航路設計有很大的幫作用。（4）適當的幅度K。K的值過大會增加點到點之間的連線，同時也會增加運行時間。K的值過小會降低搜索的精確性。因此選擇適當的幅度K會在保證搜索精度的同時減小運行時間。（5）合適的角度。角度越大，搜索范圍就越大，同時運行時間隨之增大。

至此，安全航路的設計問題就解決了。首先把空域劃分為有限個格子的同時格子之間的交點數也定了，接選擇是適當的幅度和合適的角度來搜尋一條最短的航路，最后所確定的航路進行修正，這樣最佳航路就設計出來了。

文章從避讓航路設計問題和安全航路的設計問題兩種途徑對避讓惡劣天氣進行了分析和探討，這兩種辦法對研究如何更有效、更經濟的避讓惡劣天氣提供很好的切入點。