近距平行跑道配對進近方式的安全區域

何昕，蔣豪，韓丹

(1.中國民用航空飛行學院 空中交通管理學院，廣漢 618307)(2.西南交通大學 交通運輸與物流學院，成都 610031)(3.中國民用航空飛行學院 教務處，廣漢 618307)(4.中國民用航空飛行學院 航空工程學院，廣漢 618307)

近距平行跑道配對進近方式的安全區域

何昕1,2，蔣豪3，韓丹4

(1.中國民用航空飛行學院 空中交通管理學院，廣漢 618307)(2.西南交通大學 交通運輸與物流學院，成都 610031)(3.中國民用航空飛行學院 教務處，廣漢 618307)(4.中國民用航空飛行學院 航空工程學院，廣漢 618307)

為了提高我國近距平行跑道的運行效率，對配對進近方式的安全區域進行研究。根據配對過程中快機和慢機的相對運動關系和速度特征，將配對進近分為快機不可超越慢機和快機超越慢機兩種方式。將慢機作為參考量，分析快機的相對運動狀態，定性地給出兩種配對方式的安全區域范圍。在此基礎上，考慮慢機錯誤地闖入快機航向道，建立防撞安全邊界計算模型；考慮配對前機在最大不利側風影響下的尾流對后機的影響，建立尾流安全邊界模型。利用虹橋機場的相關數據，采用C類航空器B737-800，D類航空器B747-400作為配對進近的兩架飛機，對模型進行驗證。結果表明：該方法可以實現實時定量地計算兩種配對方式下的安全區域范圍。

配對進近；安全區域；快機不可超越慢機配對方式；快機超越慢機配對方式；防撞安全邊界；尾流安全邊界

0 引 言

隨著航空運輸需求的不斷增加，近距平行跑道的數量逐年增加。但是受當前我國民航相關法規的限制，近距平行跑道機場實施的是一條主用于起飛、一條主用于降落的運行方式，運行效率不高，僅比單條跑道節約了約10 s的進跑道時間[1]。與航空發達國家相比，我國的近距平行跑道尚未發揮其最大作用。目前，國外在近距平行跑道的運行方面已研發并投入使用了一些新技術，例如，微波著陸系統(Microwave Landing System，簡稱MLS)、同時偏置儀表進近(Simultaneous Offset Instrument Approaches，簡稱SOIA)、用于側向距離的機載信息(The Airborne Information for Lateral Spacing，簡稱AILS)和配對進近(Paired Approaches)等。綜合考慮配對進近的特點和運行要求[2]，認為該方式用于我國機場具有一定的可行性。

美國(以NASA蘭利研究中心為代表)已對配對進近方式進行了大量的研究工作[3-11]。1996年，R.Stone[7]在NASA召開的基于駕駛艙的平行跑道進近程序會議上提出了配對進近的概念；2000年，J.Hammer[8]提出了近距平行跑道配對進近的概念，并給出了運行程序；2003年，Rodney Teo等[9]對配對進近危險區域進行了研究；2012年，D.C.Burnham等[10]研究了側風情況下尾流對近距平行跑道配對進近的影響；2014年，Michael M.Madden[11]采用運動學模型對近距平行跑道配對進近的間隔壓縮量進行了研究。

近年來，我國也開始對配對進近展開研究，主要側重于對配對進近方式的引進和初步分析[12-16]。2009年，劉源[2]從空管角度在我國首次提出了配對進近概念，并從可行性角度分析了必須考慮的四方面內容；2013年，呂宗平等[12]基于事故樹分析法，對配對進近過程中碰撞風險的影響因素進行了分析；同年，孫佳等[14]對相關進近模式下的尾流危險區域進行了研究；2014年，孫佳等[15]還采用蒙特卡洛方法對配對進近過程中，配對后機有無機動避讓下的碰撞風險進行了分析；2015年，田勇等[16]基于速度和導航誤差，對配對進近的碰撞風險模型進行了研究。

本文結合以往有關近距平行跑道配對進近方式的相關研究，根據配對進近過程中快機和慢機的相對運動關系及速度特征，對快機相對于慢機的安全區域進行分析，研究防撞安全邊界和尾流安全邊界，以期能夠實時定量地確定出配對進近過程中快機相對于慢機的安全范圍。

1 配對進近方式

配對進近是針對間距在700 ft(213 m)至2 500 ft(762 m)之間的平行跑道上，儀表氣象條件下(Instrument Meteorological Conditions，簡稱IMC)實施類似于相關儀表進近的程序，配對的兩架航空器在避免碰撞和尾流影響的雙重條件下，一前一后陸續完成進近著陸過程的一種運行方式。

根據配對的兩架航空器的速度和相對位置關系，將配對進近方式分為兩種：快機不可超越慢機配對方式和快機超越慢機配對方式。快機不可超越慢機配對方式指在配對過程中慢機始終為前機，快機始終為后機；快機超越慢機配對方式即在配對過程中快機超越慢機由配對后機變為配對前機，慢機由配對前機變為配對后機。

2 安全區域邊界的研究

針對兩種配對進近方式，在兩機配對的過程中，可以將慢機作為參考量，分析快機的相對運動狀態。對于快機不可超越慢機配對方式，為了確保安全，快機需要避免慢機誤入自己的進近航徑，并在慢機尾流的影響下，與慢機保持足夠“近”的距離，即兩機間隔需避免碰撞和尾流的雙重危險。快機必須在慢機后與其保持一定的縱向間隔，以避免慢機誤入快機的航徑時與其發生危險接近或重疊；同時，這一合理的縱向間隔還應保證快機在最大不利側風下能夠避免來自慢機尾流的影響。快機不可超越慢機配對方式的安全區域，即防撞安全邊界和尾流安全邊界所確定的區域如圖1所示。該運行方式下，快機不需要配備特殊的機載設備。

圖1 快機不可超越慢機配對方式下的安全區域

對于快機超越慢機配對方式，為了確保安全，快機需要避免遭受來自慢機尾流的影響，同時還要保證慢機不受其自身尾流的影響。即兩機間隔需考慮避免兩機尾流的影響，快機必須在后尾流安全邊界前，以避免遭受慢機的尾流影響；同時，快機也必須在前尾流安全邊界后，以保證慢機不會遭遇快機的尾流影響?？鞕C超越慢機配對方式的安全區域，即尾流安全間隔前界和尾流安全間隔后界所確定的區域如圖2所示。該運行方式下，快機需要配備空中防撞系統。

圖2 快機超越慢機配對方式下安全區域

2.1 防撞安全邊界的計算

防撞安全邊界是指由于前機錯誤進近至后機的航跡后，為了保證不會引起兩機危險接近甚至重疊這一前提條件而確定的。即在保證安全的前提下，當前機改變航向誤闖入后機的進近航徑飛行時，后機繼續進近但要與前機必須保持的最小縱向間隔。

配對進近過程中前機錯誤進近示意圖如圖3所示。

在進近過程中，假設前機改變航向闖入后機航徑，后機仍按照原飛行路線飛行。忽略兩架航空器的高度差，將兩架航空器看作兩個質點，記配對前機的位置為(xf，yf)，配對后機的位置為(xl，yl)，如圖4所示，△t為前機從開始錯誤進近至誤入后機航道時所用時間。記錯誤進近開始時配對前機的位置為坐標零點，即(xf(0)，yf(0))=(0，0)。

圖3 錯誤進近示意圖

圖4 錯誤進近速度示意圖

根據歐幾里得距離公式，前機與后機之間的距離為

(1)

式中：x(t)，y(t)為t(單位為s)時刻航空器的位置(單位為ft)。

假設前機以某一轉彎角度轉入某一航向，然后按照該航向繼續進近，則式(1)中的兩架航空器的位置可通過式(2)計算得到：

(2)

(xl(0)，yl(0))是航空器實施配對時后機的位置(即配對后機相對于配對前機的位置坐標)。

假設兩架配對進近航空器的位置和速度已知，發生危險接近的時間未知，則有：

(3)

將式(3)的參數帶入式(1)，整理可得：

D2=xf(0)+A0+A1t2+A2+A3t2

(4)

美國對配對進近技術的應用較為成熟，且NASA在尾流方面做了大量的研究及模擬仿真工作。因此，在本文兩機間隔的計算中，危險接近的概念參照FAA8020.16文件中的定義：規定在飛行過程中，當兩架航空器之間的間隔小于500ft或是由機組報告兩架及以上航空器之間存在碰撞風險。

在防撞安全邊界的計算中，以500ft作為配對的兩架航空器發生危險接近的距離，即D為500ft。對于式(4)，當D為500ft時，把t看做為T，則T為前機錯誤進近到與后機發生危險接近過程中飛行所用時間；若該式無解，則后機需按照尾流間隔標準與前機保持規定的間隔。xl(0)為錯誤進近開始時后機相對于前機的位置，即兩機的縱向間隔。建立xl(0)的二次求解方程式：

(5)

(6)

采用非線性方法對式(5)進行求解，可得：

國際市場：上周國際氯化鉀價格基本平穩。馬來西亞方面，作物價格疲軟影響鉀肥價格上行；歐洲方面，鉀肥價格趨于穩定；巴西方面，正處于庫存消化期，新單成交暫緩。相比前周，約旦氯化鉀高端價格上漲1美元/噸，低端價格上漲1美元/噸，為270-293美元/噸；以色列氯化鉀低端價格上漲1美元/噸，為273-323美元/噸；加拿大、俄聯邦、東南亞、巴西氯化鉀價格保持穩定，分別為254-306美元/噸、234-318美元/噸、300-320美元/噸、350-360美元/噸。

(7)

已知兩條近距平行跑道的間隔及配對兩架航空器的速度，即(yl(0),vf,vl)。通過式(7)便可求得配對前機誤入后機航道后，后機為了避免發生危險接近或重疊，需要保持的最小縱向間隔值。

2.2 尾流安全邊界的計算

配對進近方式下，后機基本不受前機尾流影響的區域是指發生在前機尾流產生的初始階段，如圖5所示。在前機尾流產生的初期，即使通過側風和自身的擴散運動，該尾流在短時間內也很難對后機的安全性造成威脅，不足以影響后機的運動，即安全區域Ⅰ；而安全區域Ⅱ是指隨著時間的推移，在尾流的消散階段，尾流強度很快消失而產生的安全區域。針對安全區域Ⅱ，我國已制定了相關的尾流間隔標準[17]。因此，分析尾流安全邊界即對安全區域Ⅰ進行研究。通過對尾流運動特征進行研究，計算在該區域內后機運動不受前機影響下可以保持的最大縱向尾流間隔。

圖5 航空器尾流影響區域示意圖

配對進近方式下后機尾流安全邊界的確定需考慮進近過程中前后機的相對位置。應保證即使在最大不利側風的影響下，前機的尾流運動到后機航道的位置恰好在后機的運動軌跡之后，不至于對后機的飛行安全造成影響。

在配對進近過程中，前機尾流對后機的影響主要取決于：兩條平行跑道中心線間距、風速、風向、前機的機型參數等，如圖6所示。

圖6 在有正側風分量下前機尾流對后機影響示意圖

前機機型決定尾流影響的起始危險區域寬度。VernonJ.Rossow等[18-19]通過對尾流進行系統地分析后指出，尾流的起始危險區域寬度與前后兩架航空器的翼展比的關系為

Bhz0≈[2+(bl/bf-0.5)]bf

(8)

式中：bl為配對后機的翼展；bf為配對前機的翼展。

由于漩渦對的長波不穩定的自誘導速度的影響，尾流危險區域的寬度會隨著時間的增加而變寬。在長波不穩定之后，尾流的危險區域寬度達到最大，即

Bhz(t)≈bfChz(Δtfl)1/2

(9)

式中：Chz≈0.5；Δtfl為尾流從產生到擴散至配對后機航跡之間對應的縱向間隔所用時間。

計算中取式(8)和式(9)二者中的較大值，可以得到較為保守的危險區域寬度。

尾流影響區域與側風關系密切。NASA研究了1988～1999年發生的165起飛行事故，針對側風對飛行安全的影響，其研究表明：正側風風速為1.0～3.0m/s，是尾流導致事故發生的最危險環境[20]。

因此，綜合考慮風及尾流的發展趨勢，配對前機的尾流對后機進近的影響時間應滿足：

(10)

式中：vl為常量，vl=2m/s；vhz為正側風，m/s；Bhz(t)/2為危險區域半寬；d1、d2分別為兩條近距跑道的跑道寬度。

3 實例分析

上海虹橋機場是我國近距平行跑道運行的典型代表，該機場兩條跑道中心線間距365m，取該機場正側向風分量為3m/s。選取C類航空器B737-800，D類航空器B747-400為配對進近的兩架飛機，記B737-800為航空器1，B747-400為航空器2。起始進近速度v為335km/h(180kt)；B737-800和B747-400在進近過程中的具體參數分別為：B737-800翼展b1=34.3m，機高12.55m，最后進近速度v1=260km/h，即140kt；B747-400翼展b2=64.3m，機高19.41m，最后進近速度v2=295km/h，即160kt。

在該算例中，根據配對進近條件，假設在初始配對過程中，B737-800是前機，B747-400是后機，為快機不可超越慢機配對方式；B747-400超越B737-800變成配對前機，B737-800變成后機為快機超越慢機配對方式。

3.1 快機不可超越慢機配對方式

(1) 防撞安全邊界的計算

取T=30s，根據式(7)：yl(0)為兩條跑道間隔值(365m)，vf=v1，vl=v2，帶入參數計算得到xl(0)=488m。因此，在該配對方式下當前機錯誤進近至后機航道后，要使配對前后機不發生碰撞，繼續進近，則兩機在最后進近定位點(FinalApproachFix，簡稱FAF點)的縱向間隔應不小于488m。

(2) 尾流安全后界的計算

配對后機與前機的翼展比b2/b1=1.8，即b2/b1>0.5，則配對前機產生的危險區域的起始寬度為118m。

根據式(10)有：d1=45m，d2=60m，y=365m，帶入參數計算得到Δtfl的最大值為39.9s。對于尾流安全后界的計算，顯然兩架飛機的速度為起始進近速度。因此，該方式下配對兩機的最大縱向間隔為4 683m。

3.2 快機超越慢機配對方式

(1) 尾流安全前界的計算

配對后機與前機的翼展比b1/b2=0.55，則配對前機產生的危險區域的起始寬度為132m。

根據式(10)有：d1=45m，d2=60m，y=365m，帶入參數計算得到Δtfl的最大值為28.3s。航空器2在到達FAF點之后自行減速至其最后進近速度，根據調研數據，航空器2一般從起始進近速度達到最后進近速度過程中大概需要30s。以FAF點為坐標零點，可知航空器2還未減速到其最后進近速度時，航空器1與航空器2之間的最大縱向間隔為尾流安全前界的臨界值，即2 782m。

(2) 尾流安全后界的計算

該方式下的尾流安全后界的確定依據是：航空器2還未運動到FAF點，此時航空器1仍為配對前機。這種情況與快機不可超越慢機配對方式下的尾流安全后界計算一致，即該方式下配對兩機的最大縱向間隔為4 683m。

因此，以慢機運動到FAF點為坐標零點，對于快機不可超越慢機配對方式，快機的安全區域范圍為[488，4 683]；對于快機超越慢機配對方式，快機的安全區域范圍為[-306，4 683]。

4 結束語

針對近距平行跑道配對進近過程中兩機的安全間隔問題，本文分析了兩種配對進近方式下兩機的相對位置特點，結合兩機的相對運動特征，建立了防撞安全邊界和尾流安全邊界的模型和計算方法。該方法可以用于實時定量地計算兩種配對方式下快機相對于慢機的安全區域范圍，便于對配對進近方式的碰撞風險進行評估，也有利于航空器駕駛員和管制員對配對兩機安全間隔的把握。但是，本文在對防撞安全邊界進行分析的過程中未考慮配對后機的機動避讓。在后續研究中可以考慮該因素，以得到更為精確的安全區域范圍。

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(編輯：馬文靜)

Research on the Safe Zones for Paired Approaches to Closely Spaced Parallel Runways

He Xin1,2, Jiang Hao3, Han Dan4

(1.College of Air Traffic Management, Civil Aviation Flight University of China, Guanghan 618307, China)(2.School of Transportation and Logistics, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)(3.China Civil Aviation Flight College Office of Academic Affairs, Guanghan 618307, China)(4.College of Aeronautical Engineering, Civil Aviation Flight University of China, Guanghan 618307, China)

In order to improve the operating efficiency of closely spaced parallel runways, safe zones of paired approaches is analyzed. Combined with the relative motion relationship and speed characteristics of paired aircraft, paired approaches is divided into fast aircraft can not pass the slow aircraft pairing mode and fast aircraft beyond the slow aircraft pairing mode. Regarding the slow aircraft as the reference volume, the relative motion state of the fast is analyzed, and the safe area of the two pairing modes is given qualitatively. And then, taking account blunder, the model of collision-safety boundary is established. Meanwhile, considering the effect of the lead aircraft to the trailing because of side wind, the model of collision-safety boundary is established. The model is verified by using the C class aircraft B737-800 and the D class of aircraft B747-400 as the paired aircraft on the base of relevant data of Hongqiao international airport. The results show that the proposed method can be used to quantitatively calculate the safe zones of the paired approaches in real time.

paired approaches; safe zones; fast aircraft can not pass the slow aircraft pairing mode; fast aircraft beyond the slow aircraft pairing mode; collision-safety boundary; wake-safety boundary

2017-01-12；

2017-02-28

2015年民航局科技創新引導資金項目(20150226)

韓丹,419025046@qq.com

1674-8190(2017)03-321-07

V355.1

A

10.16615/j.cnki.1674-8190.2017.03.012

何 昕(1979-)，女，博士，副教授。主要研究方向：空中交通管理。

蔣 豪(1989-)，男，碩士，助教。主要研究方向：空中交通管理。

韓 丹(1991-)，女，碩士，助教。主要研究方向：空中交通管理。