基于PBN飛行程序的機場空域容量研究

摘要：隨著民航業的迅速發展，空域容量成為限制機場容量的瓶頸因素，而飛行程序又直接影響空域結構，進而影響空域容量，通過PBN飛行程序重構終端區的空域結構，構建基于飛行程序的容量模型，對空域容量進行科學計算。

關鍵詞：PBN飛行程序;空域規劃;空域容量模型

PBN即基于性能的導航，是國際民航組織于2006年正式提出，它包括區域導航（RNAV）和所需性能導航（RNP）兩部分。它是指基于在指定空域內飛機沿ATC航路或儀表進近程序的特定的系統性能要求。性能要求是以準確性，完整性，連續性和可用性為特征[1]。

傳統的飛行程序的導航方式是接受地面導航臺的信號，區域導航（RNAV）飛行程序是接受星基導航或者陸基導航，所需性能導航（RNP）飛行程序則只接受星基導航。PBN飛行程序的星基導航方式決定了其可以不受陸基導航臺站的限制，使其具有靈活使用空域的特點，這也從根本上決定了PBN飛行程序是解決我國目前空域擁擠、航空器沖突、航班延誤情況嚴重、噪聲污染嚴重、管制員工作負荷過高等問題的有效途徑。國際民航組織認為基于性能導航的飛行程序是未來解決空域問題的關鍵，是程序發展的方向。同中國情況較為類似的歐洲已經制定了詳細的PBN發展計劃，國際民航組織也有具體的PBN實施方案。我國在這方面的研究和部署雖然起步較歐洲晚一些，但中國民航局已經制定了我國的具體PBN發展的戰略實施計劃，明確了PBN飛行程序的優點和發展空間，指出PBN飛行程序的發展目標是在我國的航路飛行和終端區飛行中逐步取代現有的傳統飛行程序。

終端區空域結構一般包括進出走廊口（終端區入口和出口）、標準進離場航線、起始進近航線、中間進近航線、最后進近航線、復飛航線、等待航線。

運行PBN飛行程序的空域結構同運行傳統程序的空域結構有著很大不同。傳統的飛行程序采用陸基導航的方式，要求飛機飛越或旁切導航設備，這樣航跡的選擇比較固定，難免在導航臺位置造成航路的交叉，空域利用率低，PBN飛行程序則可以在導航信號覆蓋范圍之內，或在機載導航設施的能力限制之內，或二者的組合，沿任意期望的航徑飛行，這就使飛行程序設計不再受制于導航臺的位置，可以更加科學、靈活利用空域，也極大的改變了終端區空域的結構，更好的實現進離場分離，避免交叉航路的出現，使終端區的空域結構更加合理。

由于PBN飛行程序航跡選擇靈活的特點，基于PBN飛行程序運行的終端區空域同運行傳統飛行程序的空域相比，結構較為規范，各進離場航線，進近航線之間存在的交叉點較少，進離場分離的工作在PBN飛行程序的設計過程中也比較容易完成，即使像廈門這樣空域資源較為緊張的情況，結合高度限制，也可以使進離場的飛機流的相互影響降到最小程度。這樣，對終端區空域容量的分析和建模就可以在較為理想的情況下進行。

假設兩架機型分別為a和b的飛機先后進入終端區空域，前機a從終端區m口進入，后機b從終端區n口進入，不同機型出現的概率相互獨立，互不影響，這種情況出現的概率為[2]：

上式中各符號的意義如下表所示：

假設跑道入口為O點，即最后進近定位點為O點，則兩種類型飛機相繼通過O點的平均時間間隔為：

其中為a，b兩種類型飛機通過最后進近定位點的最小時間間隔。

由上式可得進入終端區空域的容量，即終端區空域到達容量：

從以上公式的計算過程可以看出，a，b兩種類型的飛機通過最后進近點的平均時間間隔為求得終端區空域到達容量的關鍵，而要求得這個平均時間間隔，就要先計算進入終端區空域的任意兩架航空器間的最小距離，通過距離，求出它們的最小時間間隔，從而利用公式求得兩架飛機的平均時間間隔。這樣問題就轉化成了計算任意兩架航空器之間的距離和方位，為解決此問題，對終端區的空域進行理想狀態下的呈現，將跑道入口即最后進近定位點O點作為原點，跑道方向即飛機的起飛著陸方向做為X軸，水平方向和垂直方向分別作為Y軸和Z軸，這樣，將終端區空域建立為一個右手直角坐標系。根據PBN飛行程序的設計情況確定終端區空域結構，通過進入終端區空域的不同類型飛機的性能數據，計算航班在某一時刻內在該坐標系內的位置坐標，從而求得任意兩架航空器之間的距離和相對位置。

對于終端區的離場容量，其模型建立原理同進場容量模型相同，計算過程和公式運用都同進場容量模型相似，模型中涉及參數為離場航空器運行參數。

終端區空域容量評估需要的參數如下：

PBN飛行程序的設計方案。通過PBN飛行程序的設計方案，得到個導航定位點，并把這些定位點的坐標轉化到評估模型中建立的坐標系中，完成對空域結構的構建。

機型比例。不同的航空器在隨機飛機流中所占比例，重型、中型還是輕型航空器。

進離場航空器的比例。進場航空器和離場航空器的間隔計算算法雖然大體相似，但是進場航空器和離場航空器在速度、程序、占用跑道時間上都有很大不同，需要不同的參數來進行計算。

不同機型航空器的速度參數。不同機型航空器在起飛或者進近階段所采用的平均速度，它是沖突判斷算法中非常重要的參數。

管制員反應時間和空管系統延遲。實際的操作情況中，管制員存在反應的時間和空管設備的通話延遲時間。

通過確定機型比例，進離場飛機比例，速度范圍，隨機飛機流的數目等參數的確定，產生隨機的飛機流;接著確定PBN飛行程序運行條件下的空域結構參數，將飛行程序涉及到的各個定位點經緯度輸入系統數據庫;根據進入終端區的飛機架次及運行時間可計算空域容量[3]。

參考文獻：

[1] David K.Schmidt. A queuing analysis of the air traffic controller’s work load. IEEE Transactions on systems，man，and cybernetics，June 1978，Vol. Smc-8，No.6：492-498

[2] 王曉敏. 基于MONTE-CARLO隨機模擬方法的空域容量評估[D]. 南京：南京航空航天大學，2010[3]

[3]倪寅.基于性能導航（PBN）運行的廈門翔安機場容量評估[D]. 廣漢：中國民航飛行學院，2013

基金項目：青年基金Q2014-013 基于PBN飛行程序的機場空域容量研究。