終端區(qū)構(gòu)建空中立交橋相關(guān)技術(shù)研究

張泠昕，黃晉，洪銘

（中國民航飛行學(xué)院，四川廣漢，618300）

0 引言

當(dāng)前民航業(yè)發(fā)展迅猛，為了減輕管制員的工作量并維護(hù)交通安全，中國空中交通管理單位提出了在繁忙的交叉路口設(shè)置“立交橋”的想法。基本思想是通過為飛機(jī)分配相異的飛行高度，從而在戰(zhàn)略上分離垂直相交路線上的飛機(jī)流。隨著越來越多的“立交橋”的建立，可用空域變得越來越受限，其結(jié)果無法滿足民航業(yè)的發(fā)展要求，此時，隨著基于性能導(dǎo)航（Performance Based Navigation，PBN）技術(shù)的不斷發(fā)展，可以構(gòu)建大多數(shù)飛機(jī)都能夠?qū)嵤┑倪B續(xù)下降（CDA）和連續(xù)上升的飛行程序，這使得構(gòu)建可以相互交叉重疊的“空中立交橋”具有了技術(shù)可行性，基于PBN的空中立交橋是未來空中交通發(fā)展的主要趨勢，有助于極大的提高空域容量，減少燃油消耗，增加飛行的安全性和舒適性，滿足民航交通運(yùn)輸快速增長的要求。而空中立交橋因其自身的特點(diǎn)決定了在機(jī)場終端區(qū)運(yùn)行中具有較高的應(yīng)用價值。綠色機(jī)場建設(shè)要求資源節(jié)約，開展構(gòu)建終端區(qū)空中立交橋關(guān)鍵方法研究，對于我國未來高密度機(jī)場建設(shè)和“一市兩場”、“一市多場”發(fā)展都具有重要意義。

1 概述

所謂的空中立交橋是一種現(xiàn)代化空域使用方法。指多方向的航空器匯流于某一飛行區(qū)域或者某一交叉點(diǎn)，在不改變航空器流水平飛行軌跡的情況下，將可用的垂直高度層固定分配給各個航班流向，以期各個方向的航空器流能夠安全通過該區(qū)域或該交叉點(diǎn)[1]。

基于我國民航空域使用范圍受限和通常情況下空中交通管制部門解決民航航班流之間的飛行沖突在經(jīng)規(guī)劃好的航路或航線內(nèi)完成交通管制的情況，有限狹窄的水平緯度使空管部門利用側(cè)向間隔解決飛行沖突的能力有限，因此使用垂直緯度上的空域來對航空器的飛行高度層進(jìn)行配備和調(diào)整的方法在實(shí)際運(yùn)行中更高效。PBN技術(shù)是目前民用航空中較為常用的自動化導(dǎo)航技術(shù)，也在我國航空管理與運(yùn)行保障中被重點(diǎn)應(yīng)用推廣[2]，大幅度提高航路運(yùn)行精確度和機(jī)場終端區(qū)導(dǎo)航質(zhì)量，能夠?qū)⒌孛娼ㄔO(shè)成本和起降中的人力投入進(jìn)一步降低。可以說，將PBN技術(shù)融入空中立交橋的構(gòu)建中，能夠充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，促進(jìn)空中立交橋建設(shè)的優(yōu)化隨著基于性能導(dǎo)航（PBN）的不斷發(fā)展，利用構(gòu)建空中立交橋的方法簡潔化高效化空中交通管制工作。

2 基于PBN的空中立交橋優(yōu)勢分析

2.1 優(yōu)化現(xiàn)有航線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提升民航運(yùn)行效率

根據(jù)民航局空管局《關(guān)于開展空中立交橋管制運(yùn)行優(yōu)化專項(xiàng)工作的通知》以及《空中立交橋管制運(yùn)行優(yōu)化指導(dǎo)方案》中的相關(guān)要求，各管制單位對現(xiàn)有區(qū)域內(nèi)繁忙航路點(diǎn)進(jìn)行梳理、歸類，分析各繁忙航路點(diǎn)流量特點(diǎn)及空域結(jié)構(gòu)，制定“空中立交橋”專項(xiàng)優(yōu)化方案并付諸實(shí)施。2019年10月，中國民航迎史上最大范圍空域調(diào)整，此次調(diào)整，北起中蒙邊境線，南至桂林管制區(qū)，西起內(nèi)蒙古西部，東至大連管制區(qū)，東西橫跨1350公里，南北縱貫2200公里，調(diào)整航路航線200余條，調(diào)整后的航路航線新增里程約4700公里；調(diào)整班機(jī)航線走向4000多條，涉及5300余航班，此次調(diào)整是在優(yōu)化航路網(wǎng)的基礎(chǔ)上重新梳理全國大部分地區(qū)空中交通流走向，均衡航班流分布，疏解航路擁堵點(diǎn)。新增航路點(diǎn)100余個，全國共有29個民航運(yùn)輸機(jī)場進(jìn)行了相應(yīng)的飛行程序調(diào)整。而一個機(jī)場能否順暢運(yùn)行，空中環(huán)境極為重要。與地面交通不同，空中交通環(huán)境更復(fù)雜、更立體、涉及范圍更廣，空域優(yōu)化是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，稍有變動就有可能引發(fā)大范圍的調(diào)整。優(yōu)化現(xiàn)有的航路航線網(wǎng)絡(luò)，減輕交叉點(diǎn)繁忙程度，提高空管管制效率并保證機(jī)場的運(yùn)行效率。

2.2 增加沖突調(diào)配方法，保證空管服務(wù)效率

我國民航航線或航路寬度以外均屬于軍方管制范圍，空中交通管制部門通常只能在規(guī)定航線上或航路的寬度內(nèi)完成飛行沖突的解決，而狹窄的水平空域范圍嚴(yán)重制約了管制員利用側(cè)向水平安全間隔化解飛行沖突的能力，而通過構(gòu)建空中立交橋，管制員可利用垂直維度上的高度層配備或變換調(diào)整的方式來解決大部分飛行沖突，將高度層分配給各個方向的交通流，減少過橋高度變換，使管制部門實(shí)現(xiàn)了飛行沖突調(diào)配程序化，利用管制程序的設(shè)計(jì)可以有效極大減少管制員人為差錯造成事故的可能性，確保飛行過程的運(yùn)行安全[1]。空中立交橋的構(gòu)建簡化了管制工作中的與相關(guān)部門協(xié)調(diào)的環(huán)節(jié)，移交協(xié)議以及工作程序固化了隨機(jī)性的協(xié)調(diào)工作，減少了協(xié)調(diào)次數(shù)，減輕了協(xié)調(diào)工作量，間接減輕了管制員的勞動負(fù)荷。

2.3 完善空管安全管理，確保空中交通安全

管制中的人為因素理論強(qiáng)調(diào)人都有犯錯誤的傾向，錯誤是人類行為的必然組成部分。每一個人作為工作的個體，他們之間的業(yè)務(wù)技能、精神狀態(tài)、心理素質(zhì)以及工作態(tài)度等都存在著差異性。當(dāng)一名管制員面對極為復(fù)雜的沖突調(diào)配時，發(fā)生錯誤的概率會隨之不斷升高。基于上述觀點(diǎn)而推廣普及的空中立交橋使用模式，其目的就是要讓飛行沖突的調(diào)配趨于簡單化、程序化，從而擺脫個體自身差異所帶來的工作質(zhì)量差異，確保每一個個體在安全面前始終擁有足夠的安全裕度。依據(jù)管制中的人為因素理論而建立的安全管理方法促使空中立交橋模式更為普及，空中立交橋模式在空管安全管理方面所發(fā)揮的作用和效果是顯而易見的。

3 終端區(qū)構(gòu)建空中立交橋關(guān)鍵方法研究

隨著我國機(jī)場數(shù)量增多和規(guī)模擴(kuò)大，機(jī)場發(fā)展對終端區(qū)空域規(guī)劃要求不斷提高，尤其是多機(jī)場終端區(qū)的空域資源更加緊張。在機(jī)場的空域里，建立空中立交橋，也就是說，建立一個雙向航道，在同一個空域里，飛機(jī)既可以起飛，也可以降落。在這樣的情況下，為了避免出現(xiàn)像陸地上一樣的“堵車”現(xiàn)象，就需要空管人員指揮著這些進(jìn)出機(jī)場的飛機(jī)排好隊(duì)伍相互交錯著“插空”起降。就像緩解道路交通壓力一樣，有時候就需要有些飛機(jī)稍等，等別的飛機(jī)開過去之后，它再起降。這個過程就相當(dāng)于一個“錯車”的過程。

在城市交通建設(shè)中，立交橋的出現(xiàn)可以緩解交通擁堵。在空域管理中也可以利用這一原理，空管人員通過指揮在空中架起一座航班起降的“空中立交橋”，實(shí)行航班進(jìn)離場分離。這樣就將加快飛機(jī)的運(yùn)行速度，增加航班量。

3.1 連續(xù)下降運(yùn)行

國際民用航空組織（International Civil Aviation Organization，ICAO）定義的連續(xù)下降運(yùn)行（CDO）概念為：通過空域設(shè)計(jì)和飛行程序設(shè)計(jì)及空中管制運(yùn)行保障，使得進(jìn)場的航空器在到達(dá)進(jìn)近定位點(diǎn)/最后進(jìn)近點(diǎn)（FAF/FAP）之前，保持最小的發(fā)動機(jī)推力，較低的阻力構(gòu)型，最大程度地實(shí)施連續(xù)下降[3]。連續(xù)下降運(yùn)行是在全球民航大力應(yīng)用基于性能導(dǎo)航（PBN）之后，開始推廣的一種最新的航空運(yùn)行方式。使用PBN技術(shù)可以靈活構(gòu)建空中立交橋，構(gòu)建終端區(qū)進(jìn)離場分離航路，從而減少繁忙交叉點(diǎn)沖突，增大區(qū)域的飛行容量。在此基礎(chǔ)上，使用連續(xù)下降技術(shù)，可以進(jìn)一步減少飛機(jī)的燃油消耗、噪音、管制飛行員通話和工作負(fù)荷，增加飛行的穩(wěn)定性。連續(xù)下降的梯度設(shè)計(jì)時就需要考慮各種機(jī)型的實(shí)際執(zhí)行能力和在不同重量、大氣條件下的飛行性能，使得盡量多的飛機(jī)能夠?qū)嶋H執(zhí)行設(shè)計(jì)的連續(xù)下降飛行程序，從而獲得最大的運(yùn)行效益[4]。

連續(xù)下降程序應(yīng)盡量與連續(xù)上升程序相配合，構(gòu)建終端區(qū)連續(xù)下降、連續(xù)上升同時運(yùn)行的空中立交橋程序，從而進(jìn)一步提高終端區(qū)飛行的運(yùn)行效能和自動化水平。連續(xù)下降程序設(shè)計(jì)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)編碼應(yīng)考慮飛行管理系統(tǒng)的實(shí)際執(zhí)行能力，保證大多數(shù)的飛機(jī)能夠執(zhí)行。

通過在空中立交橋中應(yīng)用連續(xù)下降程序和連續(xù)上升程序可以更加高效靈活的利用空域和提高繁忙航路運(yùn)行效率。

3.2 水平方向上的盡早分離

實(shí)現(xiàn)進(jìn)離場分離要在水平方向上構(gòu)建不同的空中立交橋路線。水平空中立交橋路線之間有足夠的側(cè)向間隔就可以不考慮飛機(jī)之間的高度沖突。目前我國終端區(qū)通常采用基于RNP 1和RNAV 1/2的PBN導(dǎo)航規(guī)范，這種導(dǎo)航規(guī)范對于雷達(dá)監(jiān)視沒有硬性的要求。在設(shè)計(jì)平行的空中立交橋時，間隔應(yīng)該區(qū)分有無監(jiān)視的情況。通常終端區(qū)內(nèi)平行航路之間的間隔通常不小于7Nm（13Km），在有雷達(dá)監(jiān)視的情況下該間隔可以適當(dāng)?shù)目s小，但是必須大于終端區(qū)雷達(dá)管制6公里的側(cè)向間隔要求。

對于無法避免的進(jìn)離場交叉飛行，或者水平航跡已經(jīng)基本確定的機(jī)場，在不改變已有水平航跡的情況下。只要在安全高度以上，對于水平上的沖突還可以利用高度建立垂直間隔的方法，避免飛行沖突。

3.3 構(gòu)建空中立交橋支路

剛進(jìn)入終端區(qū)的位置可構(gòu)建空中立交橋支路。構(gòu)建的目的用于有空管自動排序系統(tǒng)情況下，不同走廊口進(jìn)場飛機(jī)在五邊IF點(diǎn)的排序。如圖1所示，在此處構(gòu)建三條空中立交橋支路，為保證通過支路能夠拉開航空器之間的間隔，三條支路之間的長度差應(yīng)該至少達(dá)到終端區(qū)雷達(dá)管制間隔—6公里。例如從A到 B，如果不偏置的航路距離為30公里，則1號偏置航路的距離應(yīng)該達(dá)到36公里，2偏置航路的距離應(yīng)該達(dá)到42公里，3 號偏置航路的距離應(yīng)該達(dá)到48公里。如果偏置航路的距離差達(dá)不到6公里以上，則可以少設(shè)計(jì)一條支路以達(dá)到上述要求。使用這樣的空中立交橋支路進(jìn)行排序可以讓同時進(jìn)入終端區(qū)的飛機(jī)經(jīng)過支路以后能夠拉開6公里以上的間隔，達(dá)到終端區(qū)雷達(dá)間隔的標(biāo)準(zhǔn)。但空中立交橋支路的主要是用以管理從不同走廊口進(jìn)場飛機(jī)在五邊IF點(diǎn)的排序。因此通常構(gòu)建一條支路就能夠?qū)崿F(xiàn)通過這種方法排序。

圖1 空中立交橋支路的設(shè)計(jì)

3.4 點(diǎn)匯聚設(shè)計(jì)

點(diǎn)匯聚的方法是建立內(nèi)側(cè)邊和外側(cè)邊，其中內(nèi)側(cè)為高邊，外側(cè)為低邊。在內(nèi)外側(cè)邊上的飛機(jī)可以直飛匯聚點(diǎn)且距離相同。點(diǎn)匯聚程序同時支持垂直剖面引導(dǎo)能力，在構(gòu)建空中立交橋中結(jié)合點(diǎn)匯聚技術(shù)，管制員使用直飛匯聚點(diǎn)指令在預(yù)先定義好的匯聚點(diǎn)處獲得匯聚后的進(jìn)場交通流，這種方法更加結(jié)構(gòu)化和直觀，同時這些運(yùn)行措施不需要新的工具來進(jìn)行支持[5]。航空器在沒有獲得ATC指令時可以自行進(jìn)行飛行路徑的延伸。新的空中立交橋在運(yùn)行方面將更具良好的空地協(xié)同性和操作簡便性。但點(diǎn)匯聚技術(shù)使用的內(nèi)側(cè)高邊和外出高邊的高度是有限制的，則能夠?qū)嵤┻B續(xù)下降的距離會受到限制，如何將點(diǎn)匯聚技術(shù)更好地融合于空中立交橋中，更待未來同行的進(jìn)一步研究。

4 結(jié)束語

基于PBN的空中立交橋可以有效提高空中交通管制效率。本文對空中立交橋做了研究，突出了基于PBN的空中立交橋的優(yōu)勢，并提出了在終端區(qū)構(gòu)建空中立交橋，并對其相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。未來，通過終端區(qū)的空中立交橋構(gòu)建，提高機(jī)場運(yùn)行效率，降低了人資投入并且改善機(jī)場環(huán)境。