基于衛(wèi)星著陸系統(tǒng)的平行跑道進(jìn)近運(yùn)行安全研究

余肖 顧振中 胡恉豪 王威濤 李雨林 劉思宇

摘 要：在國(guó)際大型機(jī)場(chǎng)使用GLS進(jìn)近，相對(duì)于ILS進(jìn)近在成本、安全性、高效性、環(huán)境因素、環(huán)保、資源利用率等方面具有巨大優(yōu)勢(shì)，此外GLS屬于PBN系列的精密進(jìn)近，因此GLS是精密進(jìn)近發(fā)展的必然趨勢(shì)。2015年中國(guó)民航在上海浦東機(jī)場(chǎng)實(shí)施了GLS進(jìn)近試飛，如今我國(guó)各地正在積極建設(shè)北斗GBAS系統(tǒng)，所以在GLS尚未實(shí)際應(yīng)用之前，對(duì)其運(yùn)行和程序進(jìn)行研究，具有一定的前瞻性。倘若GLS在仿真中運(yùn)行安全，實(shí)際中經(jīng)濟(jì)有效，那么這個(gè)技術(shù)將推廣至全國(guó)各大國(guó)際機(jī)場(chǎng)并投入運(yùn)行。本文從GLS進(jìn)近技術(shù)入手，介紹了GLS的基本原理、優(yōu)勢(shì)以及當(dāng)前應(yīng)用，并結(jié)合我國(guó)當(dāng)前民航運(yùn)輸?shù)膶?shí)際情況，引出了平行跑道的運(yùn)行模式。隨后以設(shè)計(jì)的平行跑道GLS進(jìn)近程序?yàn)檩d體，對(duì)與進(jìn)近運(yùn)行有關(guān)的四個(gè)方面進(jìn)行了研究。本文最后對(duì)中距錯(cuò)列平行跑道的安全性進(jìn)行計(jì)算，得出了有效可行的運(yùn)行方式。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星著陸系統(tǒng);平行跑道進(jìn)近;錯(cuò)列;安全

中圖分類號(hào)：V227 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）13-0210-03

0 引言

民航發(fā)展的“十三五”規(guī)劃，明確了“十三五”時(shí)期我國(guó)民航發(fā)展的總方針，明確了要建立一個(gè)現(xiàn)代化民航強(qiáng)國(guó)的目標(biāo)，為全面建成小康社會(huì)在民航領(lǐng)域的需求做出貢獻(xiàn)[1]。在規(guī)劃實(shí)施過(guò)程中，黨的十九大勝利召開，為民航發(fā)展和民航強(qiáng)國(guó)建設(shè)提出了新的更高的要求。我國(guó)民航業(yè)正處在黃金時(shí)期，航空承運(yùn)量大大增加，國(guó)內(nèi)擴(kuò)建及新修機(jī)場(chǎng)多達(dá)上百個(gè)。對(duì)于新型機(jī)場(chǎng)，增加機(jī)場(chǎng)跑道數(shù)量可以有效緩解老機(jī)場(chǎng)運(yùn)行壓力飽和，空域利用率低等問(wèn)題。機(jī)場(chǎng)多跑道分布方式多種多樣，其中以平行跑道居多，結(jié)合當(dāng)前機(jī)場(chǎng)設(shè)施條件及空域調(diào)用情況，中距平行跑道符合絕大多數(shù)機(jī)場(chǎng)的要求。目前我國(guó)的許多新型國(guó)際機(jī)場(chǎng)都設(shè)有雙跑道平行運(yùn)行，在本文假設(shè)的GLS運(yùn)行環(huán)境下，其安全會(huì)受到多方面的影響。在基于衛(wèi)星著陸系統(tǒng)的平行跑道運(yùn)行研究這方面，行業(yè)經(jīng)驗(yàn)尚且不足，中距運(yùn)行過(guò)程的安全間隔標(biāo)準(zhǔn)即使在導(dǎo)航設(shè)備更新的情況下也未進(jìn)行縮減，因此針對(duì)其中某一因素進(jìn)行研究對(duì)推進(jìn)安全間隔的縮減具有實(shí)際意義。

1 基于GLS的平行跑道運(yùn)行的基本概念

1.1 衛(wèi)星著陸系統(tǒng)（GLS）

1.1.1 GLS基本原理

GLS定義為GBAS系統(tǒng)持續(xù)不間斷的向飛機(jī)輸送GPS差分修正值、完好性數(shù)據(jù)以及航跡定義數(shù)據(jù)，同時(shí)涵蓋與操縱飛機(jī)相關(guān)的機(jī)載GLS設(shè)備，以及以GBAS增強(qiáng)的衛(wèi)星定位信息為基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)的精密進(jìn)近和著陸功能（Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ類）。

在GLS運(yùn)行到最后進(jìn)近階段時(shí)，機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)將收到地面導(dǎo)航臺(tái)發(fā)來(lái)的VDB廣播信號(hào)，用其定義一個(gè)虛擬的航向道/下滑道，再結(jié)合GBAS接收機(jī)/多模接收機(jī)（MMR）的高精度三維定位輸出，來(lái)計(jì)算航空器偏離定義航跡的情況，形成水平方向和垂直方向的偏差，以及到跑到入口的距離，并在PFD和ND上詳細(xì)顯示[2]。

1.1.2 GLS運(yùn)行優(yōu)勢(shì)

只需一套GLS設(shè)備就可同時(shí)滿足多個(gè)進(jìn)近程序，且其設(shè)備對(duì)場(chǎng)地環(huán)境的要求較低，使用時(shí)信號(hào)穩(wěn)定，建設(shè)和運(yùn)行成本低，使用靈活也更為靈活。如今的PBN技術(shù)可以實(shí)施儀表離場(chǎng)、儀表進(jìn)場(chǎng)和類精密進(jìn)近（APV），但仍然無(wú)法實(shí)施精密進(jìn)近。GLS技術(shù)的使用可彌補(bǔ)PBN技術(shù)在低能見(jiàn)度運(yùn)行和精密進(jìn)近方面的不足，具有廣闊的應(yīng)用前景[3]。

1.1.3 GLS試點(diǎn)運(yùn)行情況

2015年4月，中國(guó)民航籌備已久的首次GLS演示驗(yàn)證飛行在上海浦東機(jī)場(chǎng)完成。

2017年4月，深圳寶安機(jī)場(chǎng)RNPAR+GLS/ILS模擬機(jī)試飛驗(yàn)證順利完成。該項(xiàng)試飛由波音公司、寶安機(jī)場(chǎng)等相關(guān)單位主導(dǎo)。

2019年4月，首次使用國(guó)產(chǎn)GBAS設(shè)備的驗(yàn)證飛行活動(dòng)在4月9日凌晨于天津?yàn)I海國(guó)際機(jī)場(chǎng)圓滿成功。

1.2 平行跑道

1.2.1 平行跑道定義

參考平行跑道相關(guān)規(guī)定，平行跑道指兩條跑道的中心線平行或是非交叉跑道（中心線夾角<15°）。按照跑道中心線的距離不同可以將其分為遠(yuǎn)距平行跑道、中距平行跑道和近距平行跑道。遠(yuǎn)距平行跑道的跑道間距≥1310米（4300英尺）;中距平行跑道的間距>760米（2500英尺）<1310米（4300英尺）;近距平行跑道的間距≤760米（2500英尺）。

1.2.2 平行跑道運(yùn)行模式

參考相關(guān)規(guī)定，平行跑道的運(yùn)行模式有獨(dú)立平行儀表進(jìn)近、相關(guān)平行儀表進(jìn)近、獨(dú)立平行離場(chǎng)、隔離平行運(yùn)行。

值得一提的是，平行跑道在同時(shí)實(shí)行儀表運(yùn)行的時(shí)候，可以按照以上四種運(yùn)行模式的不同組合，分為半混合運(yùn)行和混合運(yùn)行。

2 平行跑道運(yùn)行安全研究

2.1 飛行間隔

飛機(jī)的安全運(yùn)行受到很多因素的影響，例如飛行間隔、尾流間隔、導(dǎo)航設(shè)備、飛行技術(shù)以及平行跑道排列方式等。在空域運(yùn)行時(shí)，飛機(jī)之間需要留有足夠的空間，而航空器之間的安全碰撞模板距離就是安全飛行間隔。在空間坐標(biāo)系中，兩架航空器之間只要在X軸、Y軸和Z軸上有一個(gè)大于規(guī)定中的安全間隔，航空器之間就不會(huì)出現(xiàn)交叉，這就是安全的[4]。

2.2 尾流因素

飛機(jī)產(chǎn)生的尾流包括發(fā)動(dòng)機(jī)向后噴出的氣流、飛機(jī)構(gòu)形變化產(chǎn)生的紊流、螺旋槳帶動(dòng)空氣產(chǎn)生的滑流以及翼尖上下翼面壓強(qiáng)差形成的渦流，這些都在不同程度上影響著后機(jī)的運(yùn)行，這四者中對(duì)后機(jī)影響排在第一位的，就是翼尖渦流形成的尾渦。在實(shí)際進(jìn)近運(yùn)行中我們一般考慮的是翼尖產(chǎn)生的渦流。[5]。

2.3 GLS定位誤差

GLS運(yùn)行主要使用GPS系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航，然而GPS定位誤差主要來(lái)自于兩方面，一方面是GPS系統(tǒng)本身的系統(tǒng)誤差，也可稱為測(cè)量誤差;另一方面是干擾。測(cè)量誤差與系統(tǒng)各組成部分和信號(hào)傳輸?shù)拿浇橛嘘P(guān)，各部分往往產(chǎn)生不同的測(cè)量誤差。而干擾往往是接收機(jī)接收的對(duì)導(dǎo)航定位無(wú)益的信號(hào)，并且會(huì)影響導(dǎo)航定位信號(hào)本身的接收、處理，對(duì)GPS定位精度產(chǎn)生嚴(yán)重影響。測(cè)量誤差主要分為三類：（一）與衛(wèi)星相關(guān)的誤差;（二）與信號(hào)傳播相關(guān)的誤差;（三）與接收機(jī)相關(guān)的誤差。GLS運(yùn)行使用的DGPS技術(shù)，能消除包括星歷誤差、星鐘誤差、電離層延遲誤差和對(duì)流層延遲誤差在內(nèi)的公共誤差。然而DGPS無(wú)法消除去多徑效應(yīng)和由于接收機(jī)產(chǎn)生的誤差。GLS運(yùn)行除了受導(dǎo)航系統(tǒng)本身產(chǎn)生的各種測(cè)量誤差影響之外，還存在干擾問(wèn)題。干擾是使一個(gè)高精度系統(tǒng)無(wú)法按照標(biāo)準(zhǔn)正常運(yùn)行的一個(gè)重要因素，例如在我國(guó)使用的GPS與美國(guó)本土的GPS精度。

2.4 跑道排列運(yùn)行方式

處于最后進(jìn)近階段的飛機(jī)，其速度相比航路會(huì)大幅度減小。在其他參數(shù)不變的情況下，速度越小，尾流強(qiáng)度越大。接近跑道時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)大尾流會(huì)隨著側(cè)向的風(fēng)而飄到另一條跑道上，對(duì)在另一條跑道進(jìn)近的飛機(jī)產(chǎn)生強(qiáng)烈影響。因此平行錯(cuò)列跑道作為解決這個(gè)難題的關(guān)鍵，亟待研究。

我國(guó)新建或改擴(kuò)建機(jī)場(chǎng)多采用平行雙跑道這一種構(gòu)形。此種構(gòu)型可以通過(guò)設(shè)計(jì)高邊航跡和低邊航跡飛行程序和進(jìn)近門以獲得下滑道的高度差，可以提升飛行區(qū)布局的靈活性，在運(yùn)行中，一定程度上能夠緩解航空器之間的尾流影響，縮短航空器之間的間隔，進(jìn)而提升跑道容量。

3 中距錯(cuò)列獨(dú)立平行儀表進(jìn)近應(yīng)用分析

在程序設(shè)計(jì)這一環(huán)節(jié)中，我們假設(shè)兩條跑道之間的間距為d=1050m，滿足CAAC相關(guān)規(guī)定可進(jìn)行獨(dú)立平行儀表進(jìn)近的運(yùn)行。然后假設(shè)兩條跑道頭之間的縱向間隔為L(zhǎng)=1000m，兩架飛機(jī)機(jī)型均為空客A320-100并分別命名為飛機(jī)1與飛機(jī)2，空客A320-100的機(jī)身長(zhǎng)度為37.57米，機(jī)身高度為11.76米，翼展為34.10米，初始速度為v（0）=300km/h，飛行加速度為α=-840km/h2，飛機(jī)中間進(jìn)近航段長(zhǎng)度取程序設(shè)計(jì)的9.26km，最后進(jìn)近航段下降梯度為5.2%。兩架飛機(jī)從同一個(gè)位置出發(fā)，但是飛機(jī)1所處位置距離跑道相比于飛機(jī)2距離錯(cuò)列跑道更近，所以飛機(jī)1會(huì)先到達(dá)最后進(jìn)近定位點(diǎn)。如圖1所示。

接著計(jì)算我們可以得到：

由于兩架飛機(jī)其他所有速度參數(shù)一樣，所以在飛機(jī)1到達(dá)最后進(jìn)近定位點(diǎn)（FAF點(diǎn)）前，二者之間的間隔不會(huì)發(fā)生改變，其碰撞風(fēng)險(xiǎn)也是一個(gè)定值。但是當(dāng)飛機(jī)1到達(dá)最后進(jìn)近定位點(diǎn)（FAF點(diǎn)）開始下降高度后，飛機(jī)2仍會(huì)繼續(xù)向前平飛一段距離。此時(shí)，二者的縱向間隔、橫向間隔和垂直間隔均會(huì)隨著時(shí)間的增大而增大。在達(dá)到某一時(shí)刻后，預(yù)計(jì)二者的碰撞風(fēng)險(xiǎn)將減小到最小值并保持到落地為止。相較于未錯(cuò)列運(yùn)行的平行跑道，其碰撞的概率會(huì)在106.69s之后開始逐漸縮小。

算式結(jié)果證明，相較于非錯(cuò)列平行跑道，采用衛(wèi)星著陸系統(tǒng)的錯(cuò)列平行跑道的碰撞風(fēng)險(xiǎn)會(huì)在進(jìn)近最后階段大幅減小，使得航空器的運(yùn)行更加安全可靠。不難推測(cè)，隨著錯(cuò)列跑道的間距L增大，碰撞風(fēng)險(xiǎn)會(huì)更加縮小直至為0。

4 結(jié)語(yǔ)

GLS進(jìn)近是一項(xiàng)新的技術(shù)，雖然當(dāng)前運(yùn)輸航空運(yùn)行中仍大量使用傳統(tǒng)儀表進(jìn)近如ILS進(jìn)近、VOR/DME進(jìn)近，但是在大范圍推廣PBN運(yùn)行的環(huán)境下，GLS進(jìn)近有其核心優(yōu)勢(shì)所在。本文意在對(duì)該技術(shù)與平行跑道的運(yùn)行相結(jié)合進(jìn)行研究，在GLS進(jìn)近技術(shù)大規(guī)模投入使用之前對(duì)其一些安全問(wèn)題做出說(shuō)明，具體研究?jī)?nèi)容如下：

（1）闡述了GLS進(jìn)近相對(duì)于傳統(tǒng)儀表進(jìn)近的優(yōu)勢(shì)所在，以及其優(yōu)勢(shì)的來(lái)源。并且舉例介紹了當(dāng)今GLS技術(shù)的應(yīng)用情況以及發(fā)展趨勢(shì)。

（2）通過(guò)對(duì)我國(guó)民航當(dāng)前的實(shí)際情況以及發(fā)展?fàn)顩r的分析，指出了解決當(dāng)前運(yùn)輸航空飛行痛點(diǎn)的利器，即錯(cuò)列平行跑道運(yùn)行，并介紹了平行跑道的定義以及運(yùn)行模式。

（3）通過(guò)算例分析揭示了錯(cuò)列運(yùn)行的優(yōu)勢(shì)及其未來(lái)發(fā)展的必然性。

GLS進(jìn)近技術(shù)終將取代傳統(tǒng)儀表進(jìn)近，而對(duì)于我國(guó)民航發(fā)展現(xiàn)狀，其最大的優(yōu)勢(shì)就是可以在平行跑道的運(yùn)行中提高運(yùn)行的精度，在保證足夠安全裕度的前提下縮小運(yùn)行間隔。GLS與錯(cuò)列跑道運(yùn)行的結(jié)合對(duì)于運(yùn)輸航空意義重大，本文對(duì)其安全性能進(jìn)行了一定的研究并驗(yàn)證了其可能性。

參考文獻(xiàn)

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