新技術應用背景下縮減管制間隔分析與探討

楊文繼

摘 要：管制間隔的大小是影響空中交通管理系統容量的決定性因素，間隔標準的確定需要評估航空器的位置誤差是否滿足一定的安全目標水平。隨著各項航行新技術的涌現，航空器的軌跡保持能力已有極大的提升，給進一步縮減管制間隔標準帶來了可能性和可行性。機載及空管設備能力、航空器尾流以及人為因素等都是評估間隔標準的影響因素，本文根據各項新技術應用情況，對管制間隔的縮減進行分析和探討。

關鍵詞：空管系統效率;安全間隔;CNS性能;動態尾流

在空域及機場容量日趨飽和的今天，每增加一架航空器對整個空中交通管理系統所帶來的壓力空前。在新辟航路、增加空域資源無法得到有效解決的情況下，依托各項航行新技術的應用，科學評估航空器位置誤差和碰撞風險，在滿足安全目標水平基礎上進一步縮減安全間隔標準，深挖空域資源潛能，提升運行容量和通行能力，是空管領域進行供給側結構改革的必由之路。

事實上，新技術的應用一直都是縮減管制間隔的重要原因。在程序管制階段，管制員無法精確獲得航空器位置，所以難以實時監控航空器，所有的航行要素均需飛行員主動報告，這種被動的管制方式導致容錯度很低，需要較大的間隔裕度來保證安全，這也導致空管效率極其低下，空域資源極大浪費;隨著一次雷達（PSR）技術的應用，管制員可以在屏幕上實時看到很多航行要素，管制員隨時可以根據需要要求駕駛員調整，提升了運行效率和安全水平，減少了判斷失誤帶來的風險;伴隨著二次雷達（SSR）、廣播式自動相關監視（ADS-B）等技術的出現，目前雷達管制的最小間隔已經降低到了10km（航路）和6km（進近）?？梢灶A見，隨著更多新技術的應用，從技術角度不斷為管制間隔的進一步縮減掃清了障礙。

6月11日，民航局召開月度安全運行形勢分析會，民航局局長馮正霖強調，民航高質量發展的根本水平體現在規章標準的科學性和先進性上。就民航規章標準建設，馮局長特別指出：規章標準建設要為充分發揮航空技術裝備性能提供空間。要在確保安全的前提下，大力清理那些已被現代科學技術突破、已有民航成功實踐證明，但仍在執行的不科學的、束縛性能的、影響運行效率的規章規定要求，絕不能讓老規章成為束縛航行新技術發展的“保護傘”?？梢哉f，我們所處的時代需要我們打破“不符合時代要求的”舊規章的束縛，在保證安全前提下破除“規章壁壘”，推動規章建設。

本文將就新技術的應用及新理念的提出，分別針對不同類型的間隔，對管制間隔的縮減進行科學的分析與深入的探討，以期為有效釋放空域資源、提升管制容量和效率，降低由于管制原因導致的延誤提供一種新的思路。

1 間隔分類

空中交通管制安全間隔（簡稱管制間隔），是航空器在運行過程中需要與某物（包括其他航空器、障礙物等）需要保持的空間或時間間隔。其中，航空器與障礙物間的高度主要通過最低安全高度（MSA）體現;而航空器間的間隔從方向上可分為水平間隔（包括縱向和側向間隔）和垂直間隔。航空器間的間隔根據飛行方式的不同，又分為目視飛行間隔和儀表飛行間隔，運輸類飛機在航路飛行及儀表著陸階段執行儀表飛行規則，適用儀表飛行間隔，通航所使用的飛機一般具有“低慢小”特征，大多執行目視飛行規則，適用目視飛行間隔。本文主要以水平間隔為研究對象，分析影響間隔標準制定的各因素變化趨勢及對進一步縮減間隔的可行性。

影響間隔標準制定的因素主要有設備性能、氣動特性、人為因素等。其中設備性能主要包括機載設備和空管設備兩方面的通信、導航及監視（CNS）設備性能，人為因素主要包括駕駛員飛行技術、管制員管制能力及知覺反應能力等，這些因素會導致航空器真實位置與標稱位置之間存在一定的位置誤差，這種誤差會導致碰撞風險的提升，影響飛行安全。理論上，位置誤差越小，滿足同樣的安全目標水平所需的安全間隔值也越小。而氣動性能則主要考慮現代固定翼飛機機翼在翼尖處由于上下翼面壓力差所致的翼尖渦，這種渦流主要向飛行方向后下方運動，是尾流的主體部分。進入前機尾流區域的飛機會發生失速、顛簸、抖震等危險現象，因此需要根據尾流強度、消散情況規定尾流間隔。一般來說，飛行速度越大、重量越大，產生的尾流強度也越大，尾流消散所需的時間也越大，后機所對應的尾流間隔也越大;類似于大部分的顛簸和亂流，后機機型尺寸越大其應對尾流的能力越強，受到尾流的影響也越小。

根據以上分析可知，為了進一步縮減管制間隔，可以從減小位置誤差和減弱尾流影響兩個角度作為切入點。下面將分別就設備性能和尾流特性兩個方面方面涌現出的新技術、新理念對管制間隔的影響進行闡述。

2 設備性能

機載設備主要依賴與空管設備形成一套空-地/空-空系統實現其功能，獨立的機載自主間隔保持技術主要有空中防撞系統（Traffic Collision Avoidance System，TCAS）、機載防撞系統（Airborne Collision Avoidance System，ACAS）及機艙交通信息顯示（Cockpit Display of Traffic Information，CDTI）等，空管設備主要包括通信、導航及監視方面的新技術手段，如管制員和駕駛員數據鏈通信（Controller Pilot data Link Communications，CPDLC）、基于性能的導航（Performance Based Navigation，PBN）及廣播式自動相關監視（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，ADS-B）等。

2.1 TCAS/ACAS技術

TCAS/ACAS是安裝在中、大型飛機上的一組航電系統，裝備該系統的飛機之間可以有效降低空中相撞風險。美國民航體系稱之為空中交通預警和防撞系統（TCAS），而歐洲民航體系稱之為機載防撞系統（ACAS），兩個系統含義和功能類似，差別不大。

其中，TCAS系統分為TCAS I和TCAS II兩種，TCAS I主要使用在通用航空飛機上，TCAS II主要使用在航線（公共航空運輸）飛機上。然而TCAS I只可以提供交通訊息（TA），幫助駕駛員尋找沖突飛機，無法提供有沖突解脫的動作建議的決斷咨詢（RA）;換言之，TCAS II的功能更為強大，不僅可以提供沖突信息，還能提供解脫方案。但是其RA信息也只限于垂直機動（爬升或下降）。當RA出現時，駕駛員應該遵照RA的指示操控飛機，除非此操作會危機飛行安全或機組已經目視沖突飛機。

TCAS/ACAS技術的出現，在微觀層面上基本消除了飛機發生空中相撞的現象，為自主間隔保持提供了條件;但是，未安裝該系統或將該系統關閉的飛機之間無法實現告警服務，特別是地面管制員無法獨立的獲得該信息，因此還具有一定的局限性和被動性。

2.2 CDTI技術

駕駛艙交通信息顯示（CDTI）的主要功能是向駕駛員傳遞周圍航空器的交通信息，并輔助駕駛員執行看到-避讓任務。當空中交通服務中斷時，CDTI 可以看作是增強型的管制服務。其增強型目視搜索和跟蹤目標功能，可以輔助駕駛員目視到其他鄰近的航空器，并增強其交通態勢意識，提高飛行安全和效率。

CDTI通過接收ADS-B收發信機發送的本機和周圍載機的經度、緯度、高度和速度等相關信息，通過解碼運算等處理，以圖形的方式將周圍空中交通態勢實時呈現給駕駛員。

相比TCAS/ACAS技術，CDTI自主接收飛機周圍可被探測到的ADS-B信息，并可以提供增強型的交通態勢顯示，可以更為直觀和準確的為駕駛員提供有效信息，也更利于實現間隔自主保持。

2.3 PBN規范

PBN是指在相應的導航基礎設施條件下，航空器在指定的空域內或沿航路、儀表飛行程序飛行時對導航系統精確性、完好性、可用性、連續性以及功能等方面的性能要求。PBN分區域導航（Area Navigation，RNAV）和所需導航性能（Required Navigation Performance，RNP）兩種規范。兩種規范最大的區別在于是否具有機載性能監視和告警功能，并能向駕駛員顯示是否達到了預定運行要求。具有該功能的被稱為RNP規范，而沒有這類功能的被稱為RNAV規范。可以說RNP規范是具有更高性能要求的RNAV規范。

傳統導航方式中，飛機通過接收陸基導航設備發送的導航信號沿地面導航臺進行向/背臺飛行。PBN是通過陸基或星基導航信號的更新，使用飛機的慣導系統連續定位，達到沿任意期望的路徑飛行的能力。RNAV和RNP的精度都以海里數表示，即在95%的飛行時間內應達到的導航精度。導航精度值越小，精度越高，滿足安全目標水平所需的間隔也越小，常見的精度值有12.6、10、5、4、2、1，在進近階段已經出現了0.5、0.3，甚至0.15等更高精度導航方式。

實際上，PBN并不依賴某一種導航基礎設施實現，它更體現為一種運行規范，只要經審定系統滿足精確性、完好性、可用性、連續性以及功能等方面的性能要求，則可以使用該類飛行程序和管制間隔。

2.4 ADS-B技術

ADS-B是一種新型通信和監視系統，該系統無需人工操作或者詢問，可以自動從相關機載設備獲取參數向其他飛機或地面站廣播相關信息，以供管制員對飛機狀態進行監控。在無雷達覆蓋或不能實現有效覆蓋的機場，ADS-B是對終端區航空器進行監視的一個主要手段。此外，ADS-B地面站不設成本低、精度高、監視數據更新快，相比二次雷達又可提供更多的信息，可以實現空-地監視、空-空監視和地-地監視。ADS-B還可以根據管制需要進行定制，使得管制員獲得更為有效的信息，同時提升航空公司安全和效益。

ADS-B在我國前期試驗工作已經開展多年，組網覆蓋已經基本實現，但是出于安全考慮，還只是一種輔助監視手段。

2.5 ADS-B和TCASⅡ混合監視技術

TCASⅡ系統不僅組成設備多、交聯關系復雜，而且在實際應用過程中暴露出了虛警和不必要的告警等問題，沖突預測能力還會隨著航路飛行復雜性的增加而大大降低。廣播式自動相關監視（ADS-B）具有更強的監視能力、精度誤差更小、數據更新率快等優勢，能夠更及時、準確地進行沖突檢測。而現階段ADS-B主動監視技術只能用于空域監視，還不能代替TCASⅡ進行獨立的空中安全告警。因此，將TCASⅡ與ADS-B進行數據融合，發展混合監視技術也是未來的發展趨勢。

ADS-B和TCASⅡ混合監視技術的原理是在TCASⅡ防撞功能基礎上，利用ADS-B技術優勢，設計一種簡單、集成的機載綜合防撞系統，采用將TCASⅡ主動監視數據和ADS-B被動監視數據融合處理的混合監視跟蹤算法，提高防撞設備的監視能力。

3 尾流特性

尾流對航空器運行的全過程都會產生影響，但是由于尾流尺度遠小于航路飛行間隔，且尾流垂直影響區域僅有295m左右，因此對于尾流的研究主要集中航空器起降階段。翼尖渦流是尾流的主體部分翼尖渦流：飛機機翼翼尖處由于上下翼面壓力差產生的尾流，對其后通過的航空器造成影響。

縮減航空器起降階段的尾流間隔，主要通過提升尾流預測水平、采用偏置進近程序或尾流重新分類等手段實現。

3.1 尾流預測技術

尾流預測技術主要依靠科學、快速、有效的尾流模擬及預測系統，通過預測前機尾流的位置、強度，將后機遭遇尾流的風險控制在一定安全目標水平之下，利用動態尾流間隔，提高機場小時容量。

國外已經研究并投入使用很多成熟的動態尾流間隔系統。美國國家航空航天局NASA在多年研究尾流特性的基礎上，結合大量實測數據，研制了尾流間隔系統（Aircraft Vortex Spacing System，AVOSS），該系統已經在達拉斯機場進行多次試驗，可有效縮短單跑道著陸間隔，使得機場容量提升5%，延誤降低37%。荷蘭國家航空航天實驗室NLR設計開發了尾流誘導風險模型（Wake Vortex Induced Risk Assessment，WAVIR），該系統可以有效提升單跑道運行容量（其中離場容量增加2%，進場增加4%）。德國宇航中心DLR設計開發的尾流預測與監控系統（WSVBS），該系統在法蘭克福機場投入了實際運行，使機場容量增強3%。

3.2 偏置進近程序

偏置進近程序，主要采用偏置進近使后機避開前機的尾流影響區域。常見的偏置進近程序有同步偏置儀表進近（Simultaneous Offset Instrumented Approach，SOIA）、錯列進近程序（Staggered Approach Procedure，SGAP）等。SOIA是FAA為舊金山機場設計的進近程序，主要用于近距平行跑道。SGAP由德國空中導航服務機構和漢莎航空開發的用于在法蘭克福機場進近。但是，偏置進近程序受天氣情況影響非常大，對導航設備性能要求較高，同時也不適合交通流量較大的機場終端區，所以在國內應用很少。

3.3 尾流重新分類

現行的尾流間隔是按航空器最大起飛重量（Maximum Take Off Weight，MTOW）進行分類，然后給出不同類別組合下的間隔標準。事實上，該標準難以實現精細化管理，在流量激增的今天已經難以滿足運行需要，很多國家已經基于該分類標準進行了相應的研究并修訂運行標準。

歐洲空中航行安全組織（European Organization for the Safety of Air Navigation，EUROCONTROL）在2007年提出航空器重新分類（Re-categorization，RECAT）的概念，這個概念不以MTOW為單一分類標準，而考慮航空器翼展（Wing Span，WS）、承受尾流能力等因素，將航空器重新分成A到F六大類。

FAA于2009年開始與歐洲聯合開展RECAT技術的可行性研究，并與EUROCONTROL先后發布了RECAT最小尾流間隔標準。

ICAO也開展了尾流間隔優化工作。2012年11月召開的ICAO第十二次空中航行會議，提出修改全球空中航行計劃（Global Air Navigation Plan，GANP）和航空系統組塊升級計劃（Aviation System Block Upgrades，ASBU）。ICAO綜合考慮各國尾流研究項目的研究成果后，將RECAT分為三個階段：RECAT I階段，將航空器重新分成六個類別;RECAT II階段，重新計算航空器在不同類別組合下的間隔，實現靜態的前后機尾流間隔;RECAT III階段，采用完全動態的前后機尾流間隔，依據航空重量、性能參數、氣象條件等信息實現實時動態尾流間隔計算。

在國內，民航局空管局一直在大力推進RECAT技術的研究和應用。目前已與中國民航大學聯合開展了技術可行性分析論證，進行了安全風險評估和模擬機系統升級，同時搭建技術驗證平臺進行了大量的驗證及相關前期準，并多次在ATM seminar等國際會議上提交了報告，與國際空管領域的專家學者開展多項交流和分享。此外，2018年下半年在廣州白云、深圳寶安機場和進近進行試驗運行。

4 結論

綜上所述，設備性能的不斷改善、尾流研究的不斷深入，將為減小航空器位置誤差和精細化分配起落間隔資源以避開尾流影響提供了可行性。筆者通過對民航領域各類機載及陸基、星基等各類通信、導航和監視及告警設備的分析，對于縮減管制間隔相關技術發展趨勢進行研判，最后提出一些建議與推薦措施如下：

（1）大力發展混合監視技術等多技術集成系統。民航新技術發展歷程表明，單一系統具有較強的局限性和脆弱性，多種技術集成系統在其他領域的應用也證明，多技術集成手段可以實現優勢互補、互為備份和互為增強，具有很強的適用性，同時加強試驗驗證以提升其工作穩定性;

（2）積極加快科研向應用的轉化速度。無論國外國內，在縮減管制間隔方面的研究日趨完善，但是舊規章、舊思想卻阻礙了這些研究成果快速向實際應用的轉化，特別是在動態尾流間隔方面，我們已經落后了國外將近十年，這十年我國的航班運輸增長量卻遠高于其他國家，這也大大激化了管制間隔與安全和效率之間實現平衡的矛盾;

（3）充分認識新技術、新理念前期試驗運行的重要性。加快科研成果轉化速度不能夠以縮短、簡化論證試驗工作，相反需要加大在試驗運行、模擬仿真、科學論證方面的投入，在試驗中發現問題、解決問題。

總而言之，新技術、新理念的大量應用之勢是不可阻擋的，因此以縮減管制間隔為目標，實現空域及機場資源精細化管理，在顯著提升航空器運行效率的同時保證所需目標安全水平也將實現。

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