無錫碩放機場雷達管制安全評估方法研究

王勇

摘 要：本文分析了當前學者研究碰撞風險的主要方向，確定了本項研究的主要意圖，計算進近或復飛的碰撞可能性，也就是碰撞風險。本次研究先介紹了與文章相關的前提條件和運行狀態，隨后介紹了碰撞風險模型的算法，最后用該算法分析了無錫機場雷達運行的進近、復飛階段碰撞風險。

關鍵詞：雷達管制;航空器;障礙物;碰撞風險

隨著航班量的持續增長，我國民航運行存在著空域使用率不高，管制人員工作壓力大，不利于民航安全運行的困難，空管保障能力不足與快速發展的市場需求矛盾日益加大。僅通過機場管制已不能滿足管制運行所需要具備的條件，為了使航空器在空中的飛行過程能夠更加安全有保障、且可提高運行效率，設置進近管制就迫在眉睫，同時進一步實施雷達管制。為了評估實施雷達管制時簡化飛行程序，縮小飛行間隔的安全性，開展了本項研究。

近年來，關于碰撞風險的研究比較豐富。左諦[1]等人在考慮了航空器保持性能的情況下，研究航空器的風險碰撞模型;張兆寧[2]利用雷達數據研究航空器側向跑道進場的保護區大小;陳華群[3]對儀表專場飛行訓練作了風險評估;李琦[4]等人研究了軍用無人機和民航客機的碰撞風險;陳亞青[5]主要通過構建有關防撞系統的碰撞風險模型，李娜[6]主要的研究內容是航空器執行精密進近程序的情況下，當航跡發生偏差時，航班與地面障礙物發生碰撞的可能性;張智巍[7]的主要研究內容是考慮雙流機場平行進近狀態下的碰撞風險。

本文主要通過碰撞風險模型研究進近、復飛階段航空器于地面障礙物的碰撞風險，并通過這一方法評估無錫碩放機場的運行風險。

1 理論基礎

雷達運行風險評估主要包括雷達管制下的飛行程序運行風險評估和進近雷達管制系統危險辨識與風險評估。本項研究主要從飛行程序運行風險評估這一角度進行論述，首先敘述飛行程序運行過程中的相關安全風險，其次深入分析近地風險，再次研究起飛離場和進近過程中穿透超障高度的風險概率，最后分析航空器進近過程中與障礙物的碰撞概率和復飛航空器接地概率。

建立飛行程序的目的是為了指引航空器在終端區內，遵循飛行程序安全、有序地飛行，避免航空器在起飛離場或進近著陸中與障礙物或其他航空器之間失去間隔，按照飛行程序執行飛行任務的航空器，它們的運行安全風險包含航班與已知固定的地面障礙物之間的風險，即近地風險。根據不同的飛行階段，可將近地風險分為接近風險和碰撞風險。在本文討論的起飛離場和進場兩個飛行過程主要研究航空器和已知固定的地面障礙物之間的發生碰撞的可能性。

在公布機場的飛行程序之前，設計人員按照8168文件《航空器運行》和《民用機場飛行區技術標準》，考慮航空器與地面障礙物之間的間隔去設計程序。

安全余度是航空器沿飛行程序飛行時，能夠確保航空器安全運行的最保守的保護區范圍。由于氣候、導航和人為操作等因素的影響，以上因素會使得航空器觸發近地警告，出現近地風險。航空器按照ILS導航進近的過程中，由于航向臺和下滑臺的精度更高，使得航空器高度更低，航空器與地面障礙物間的距離更小，近地風險模型不再適用于這一類型的碰撞風險計算。于是，本次研究主要針對航空器在ILS設備導航的前提下，在進近和復飛兩個航段與地面障礙物之間的安全風險。

研究將近地風險評估分為兩個部分：

（1）對于離場階段和進場的起始進近、中間進近兩個飛行階段，主要研究了民航客貨機與已知的地面障礙物的近地風險，用穿透超障高度/高（Obstacle Clearance Altitude/Height，OCA/H）來表示;

（2）對于最后進近和復飛階段，主要分析ILS進近中航空器與地面的碰撞風險，利用碰撞風險模型（Collision Risk Model，CRM）來計算風險。

2 航空器與障礙物的碰撞風險評估模型

2.1 CRM模型

CRM主要用于評估飛機在進近和復飛的過程中，而飛機與障礙物的近地碰撞風險是國際民航組織相關專家組的研究成果，它也是ILS運行標準的重要內容。CRM模型不考慮最后進近前、超過復飛轉彎高度之后和低于OCA/H目視下降及著陸的運行風險。模型包含兩個方面的內容：

（1）計算跑道和凈空環境的碰撞風險，這一范圍內的OCA/H值可以保證航空器在極端情況下安全運行;

（2）提供機場選址規劃，分析障礙物影響。航空器若無法在決斷高之上獲得目視參考，或航空器沒有做好著陸準備，按照規定必須復飛，如圖1所示：

在進近和復飛階段中，航空器的航跡可以由下滑道角度、復飛過程中的爬升梯度、航空器自身性能、跑道中線反向延長線來確定。

在外部條件的影響下，航空器航跡會出現偏差，此時航空器就會受到地面障礙物的影響，因此，利用CRM模型可計算飛機沿精密進近下滑道或復飛程序飛行時的真實航跡與標準航跡的偏差，再根據已知的地面障礙物去評估飛機運行過程中和他們發生碰撞的風險，然后再將航空器飛行過程中沿途所飛越的障礙物風險累加即為航空器總碰撞風險。總碰撞風險與預先規定的安全目標比較，判斷當前的碰撞風險是否為人們所接受。

2.2 航空器與單一障礙物碰撞風險

CRM采用機場笛卡爾坐標，如圖2（a）所示：坐標原點位于跑道入口，X軸方向為跑道中心線的反向延長線，Y軸垂直于跑道中心線，Z軸滿足右手法則與X軸、Y軸垂直;用坐標表示障礙物位置，如圖2（b）所示：

進近階段中，在調整了障礙物尺寸和橫向分布后，計算橫向碰撞風險。

2.3 航空器與多障礙物碰撞風險

計算碰撞風險之前要判斷障礙物是否相互獨立，若相互獨立則總碰撞風險就是多個碰撞風險的累加;若障礙物之間并非相互獨立，則要考慮航空器沿飛行程序運行沿途所飛越障礙之間相互的遮蔽關系。在進近階段時，當有障礙物被其他障礙物遮蔽時，其碰撞風險的計算方法如下：

假設進近航段中存在兩個障礙物，如圖3所示：

（5）上述結果作差為障礙物2的風險值。

3 無錫碩放機場安全評估

3.1 碰撞風險

對03號跑道進近著陸過程中，航空器與障礙物的碰撞風險進行評估，各個障礙物對于航空器的碰撞風險均小于10E-07。

03號跑道的風險評估結果為小于1.0E-25。

對21跑道進近著陸運行下的飛行程序碰撞風險進行評估，結果如下表所示。對21跑道進近著陸運行安全影響較大的障礙物為09號信號塔障礙物。

3.2 復飛點的接地風險

根據建立的航空器復飛點接地風險評估模型，對03號跑道和21號跑道復飛程序優化調整后的復飛接地風險進行評估，結果如表2、表3所示。

參考文獻：

[1]左諦，許有臣，金開研.基于航空器高度保持性能的風險碰撞模型優化[J].中國安全生產科學技術，2020，16（08）：31-36.

[2]張兆寧，徐超，盧婷婷，李欣.基于雷達數據的側向跑道進場保護區研究[J].安全與環境學報，2020，20（04）：1391-1396.

[3]陳華群，劉俊杰.儀表轉場飛行訓練風險評估[J].中國安全科學學報，2020，30（06）：64-70.

[4]李琦，甘旭升，孫靜娟，王明華.軍用無人機與民航航班側向碰撞風險評估研究[J/OL].北京航空航天大學，1-11[2020-10-02].

[5]陳亞青，侯宇杰，胡登峰，李哲.飛行碰撞風險安全評估研究[J].航空計算技術，2020，50（03）：129-134.

[6]李娜，葛飛.基于精密進近航段航跡偏差的航空器近地碰撞風險評估[J].安全與環境學報，2019，19（06）：1903-1908.

[7]張智巍.雙流機場平行進近碰撞風險研究[D].中國民用航空飛行學院，2020.