尾流間隔與終端區(qū)容量增強(qiáng)

崔智峰

（民航華東空管局上海區(qū)域管制中心，上海 201102）

1 終端區(qū)容量和限制因素

空中交通網(wǎng)絡(luò)的擁擠，其原因主要是由于機(jī)場、終端區(qū)、航路交叉點(diǎn)的容量限制造成的“瓶頸”現(xiàn)象所致。就中國的實際情況而言，容量限制的最主要區(qū)域是終端區(qū)。國外對終端區(qū)容量的研究開始于20世紀(jì)70年代。國內(nèi)關(guān)于終端區(qū)容量的研究開始于近幾年，并取得了一定的成績。終端區(qū)容量是指在一定的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、管制規(guī)則和安全等級下，考慮可變因素的影響，該終端區(qū)所能提供多少架次航空器的服務(wù)。影響終端區(qū)容量的因素很多，如地形與障礙物分布、管制員能力、飛行規(guī)則等。尾流間隔更是影響終端區(qū)容量的重要因素。尾流間隔決定了機(jī)場跑道單位時間內(nèi)的飛機(jī)起降數(shù)量，也就是跑道運(yùn)行的效率。所以尾流間隔直接決定了終端區(qū)的運(yùn)行效率。

多數(shù)國家都采用了ICAO的尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)，只有FAA和英國民航局（CAA）據(jù)本國實際運(yùn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計對ICAO的尾流間隔作了某些修改，使之更適應(yīng)本國的情況。在IFR下應(yīng)用的ICAO間隔標(biāo)準(zhǔn)，雖然有效，此規(guī)定的IFR運(yùn)行沒有因尾流遭遇而發(fā)生過事故，但是有證據(jù)表明這些規(guī)則仍然是建立在經(jīng)驗的基礎(chǔ)上從而缺乏足夠的基本原理作基礎(chǔ)。從尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)的制定和運(yùn)行反饋來看，現(xiàn)行的尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)是相當(dāng)保守和寬松的，對于許多飛行來講，他們之間必要的間隔可能比現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)小很多。因為現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)沒有考慮到新技術(shù)的發(fā)展和較好的天氣情況等。而隨著民航運(yùn)輸量的不斷增長，過于保守的尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)對航空港容量的限制，已成為了跑道使用率進(jìn)一步提高的主要障礙，嚴(yán)重影響了終端區(qū)容量的增強(qiáng)。因此，多年來各國的研究人員都試圖從理論上研究各種飛行間隔的安全性和合理性，希望能夠安全、可靠的修改規(guī)則，改進(jìn)和完善各種間隔標(biāo)準(zhǔn)。

2 基于飛行程序的尾流間隔縮減技術(shù)

近距平行跑道是指兩條間距小于 2 500 ft的平行跑道，而ICAO制定的尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，近距平行跑道須遵守單跑道尾流間隔。因此，尾流間隔是近距平行跑道容量增加的主要限制因素。通過對進(jìn)近程序的改進(jìn)，可以縮減近距平行跑道的尾流間隔，從而增大容量。這種改進(jìn)主要是對兩架分別向兩條近距平行跑道進(jìn)近的航空器，實施垂直方向或水平側(cè)向的偏置，故將此類尾流間隔縮減技術(shù)稱為基于偏置進(jìn)近程序的尾流間隔縮減技術(shù)。目前世界上基于偏置進(jìn)近程序的尾流間隔縮減技術(shù)主要有兩種：一種是高下滑道進(jìn)近著陸/雙入口運(yùn)行系統(tǒng)（HALS/DTOP）；一種是同步偏置進(jìn)近系統(tǒng)（SOIA）。

2.1 高下滑道進(jìn)近著陸/雙入口運(yùn)行系統(tǒng)

高下滑道進(jìn)近著陸/雙入口運(yùn)行系統(tǒng)是由德國空中導(dǎo)航服務(wù)局（DFS）和德國漢莎航空公司合作在法蘭克福機(jī)場開發(fā)的。此系統(tǒng)的工作原理較其他尾流間隔縮減系統(tǒng)的復(fù)雜度低，目的主要為增大到達(dá)率。運(yùn)行模式是：分別沿兩條近距平行跑道進(jìn)近的兩架航空器，在保持雷達(dá)間隔的同時，前機(jī)正常進(jìn)近至跑道入口位于跑道端的跑道；后機(jī)沿距前機(jī)下滑道水平間隔518 m，垂直間隔80 m的下滑道向另一條平行跑道進(jìn)近，此跑道入口內(nèi)移1 500 m，裝有獨(dú)立的導(dǎo)航裝置和進(jìn)近燈光系統(tǒng)。因為尾渦的行為通常是下沉和側(cè)向輸運(yùn)，因此HALS/DTOP可以有效地避免后機(jī)進(jìn)入前機(jī)的尾流危險區(qū)。此系統(tǒng)允許在儀表氣象條件（IMC）下運(yùn)行。

DFS的研究者認(rèn)為，高下滑道進(jìn)近著陸/雙入口運(yùn)行系統(tǒng)可以在保持尾流遭遇風(fēng)險水平不變或者有所減小的條件下，將進(jìn)近航空器的側(cè)向間隔從尾流間隔縮減為雷達(dá)間隔。預(yù)計將使法蘭克福機(jī)場獲得的容量增加2.5%。

HALS/DTOP系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是采用能夠有效節(jié)省成本的技術(shù)，縮減了向平行近距跑道著陸的尾流類型不同的機(jī)型對的尾流間隔。缺點(diǎn)是當(dāng)兩架分別向兩條近距平行跑道進(jìn)近的航空器具有相同尾流類型時，即使側(cè)風(fēng)等已將尾渦吹離后機(jī)的進(jìn)近通道，仍無法縮減間隔。因此，HALS/DTOP系統(tǒng)應(yīng)與基于動態(tài)預(yù)測的尾流間隔縮減技術(shù)聯(lián)合使用，以期以較低的成本得到較大的尾流間隔縮減量。

2.2 同步偏置進(jìn)近系統(tǒng)

同步偏置進(jìn)近系統(tǒng)（SOIA）是由FAA為舊金山機(jī)場開發(fā)的同步偏置儀表進(jìn)近系統(tǒng)。舊金山機(jī)場兩條跑道間的間隔為225 m，在 IMC條件下禁止完全獨(dú)立運(yùn)行。而此系統(tǒng)的目的是在云高不低于1 600 ft和IMC的條件下，兩條跑道能夠同時運(yùn)行。

在通常天氣條件下，舊金山機(jī)場的28L和28R兩條跑道每小時大約接受60次航班到達(dá)，但因為有霧天氣或較低的云高導(dǎo)致僅其中一條跑道能夠著陸，也就是到達(dá)率下降為30次航班/h。SOIA可以在惡劣天氣下增加25%的到達(dá)航班（38次）。當(dāng)兩架航空器分別向28L和28R兩條跑道進(jìn)近，向28L進(jìn)近的航空器實施直線ILS進(jìn)近（以下簡稱ILS航空器）；向28R進(jìn)近的航空器（以下簡稱LDA航空器）實施有下滑道的方向信標(biāo)式尋向輔助裝置（LDA）儀表進(jìn)近，兩架航空器在最后進(jìn)近航段保持2 000 ft的側(cè)向間隔，稱為無侵入?yún)^(qū)域，兩架航空器沿此區(qū)域進(jìn)近時由精確跑道監(jiān)視實施監(jiān)視，為管制員提供包含兩架航空器位置等信息的高精度二次雷達(dá)監(jiān)視數(shù)據(jù)。LDA航空器的駕駛員負(fù)責(zé)與ILS航空器保持間隔，當(dāng)其下降到?jīng)Q斷高度時，將作目視機(jī)動在穩(wěn)定進(jìn)近點(diǎn)對正到右側(cè)跑道中心線，并沿跑道中心線完成進(jìn)近，此過程中，LDA航空器不允許超越ILS航空器。

SOIA可以使舊金山機(jī)場在1 600 ft云高，4 mile的能見度條件下，保持40架/h的到達(dá)率，而未運(yùn)行SOIA之前，在上述條件下，到達(dá)率僅為30架/h。

與同屬基于偏置進(jìn)近程序的尾流間隔縮減技術(shù)的 HALS/DTOP相比，SOIA在不利天氣下的容量改進(jìn)效果更加穩(wěn)定。另一方面，SOIA需要安裝專門設(shè)備，因此機(jī)場方面成本增加；而對其飛行程序的執(zhí)行需要對飛行員進(jìn)行培訓(xùn)和資質(zhì)審查，從而航空公司的成本亦有所增加。

3 基于動態(tài)預(yù)測的尾流間隔縮減技術(shù)

由于ICAO的尾流間隔是基于經(jīng)驗制定的，缺乏理論基礎(chǔ)，在大多數(shù)氣象條件下都過于保守。而另一方面，尾流的消散和傳輸隨氣象條件不同有很大變化。因此，根據(jù)不同氣象條件預(yù)測尾流的消散和傳輸，就能夠在多數(shù)氣象條件下縮減尾流間隔。將此類尾流縮減技術(shù)稱為基于動態(tài)預(yù)測的尾流間隔縮減技術(shù)。應(yīng)用此類技術(shù)的系統(tǒng)通常主要有如下部分：尾流探測設(shè)施、尾渦輸運(yùn)和消散預(yù)測模型、高精度的氣象數(shù)據(jù)以及將最終預(yù)測結(jié)果提供給管制員的顯示設(shè)備和界面。

3.1 尾流預(yù)測監(jiān)控系統(tǒng)的概念和功能

當(dāng)飛機(jī)在起飛或降落的下滑道上經(jīng)過時，空管系統(tǒng)需要有這架飛機(jī)尾流幾分鐘到一小時的運(yùn)動和消散預(yù)測。當(dāng)有其他飛機(jī)通過這條下滑道時（大約1 200 m），要對尾流情況進(jìn)行評估。這個系統(tǒng)必須可靠、健全、經(jīng)濟(jì)、靈活，可以在空中管理系統(tǒng)中使用。

尾流預(yù)報的關(guān)鍵參數(shù)是預(yù)報時間、位置和高度。通過這些數(shù)據(jù)可以預(yù)測尾流未來的發(fā)展情況。另一種方法是利用各種數(shù)學(xué)方程式，模擬當(dāng)時的大氣情況，大概計算出尾流基本的發(fā)展情況。此方法可以給管制員一個小時以上的時間進(jìn)行提前的計劃安排。

大氣中的渦流等級是預(yù)測尾流消散的關(guān)鍵因素。渦流大小的度量衡是湍流動能（turbulence kinetic energy，TKE）和能量耗散率（energy dissipation rate，EDR）。在1～100 m范圍內(nèi)，大氣渦流對于尾流的變形和消散有影響。典型的尾流一般持續(xù)2～3 min。然而，氣象中的渦流一般持續(xù)30 min，因此它對于尾流的影響面積范圍很廣。如果流程符合柯爾莫哥洛夫的慣性子程理論，在尾流中使用 EDR當(dāng)所渦流的度量衡是十分合適的。德國航天中心（DLR）開發(fā)了天氣臨時預(yù)報系統(tǒng)NOWVIV（nowcasting of wake vortex impact variables）。

除了一個天氣預(yù)報工具，WVPMS還需要一個可以時時監(jiān)控當(dāng)前天氣情況的設(shè)備，它至少需要監(jiān)控1 200 m以下的大氣活動。它需要風(fēng)和溫度的傳感器，就是由雷達(dá)（RADAR）和聲雷達(dá)（SODAR）組成的RASS，測風(fēng)激光雷達(dá)，和裝在飛機(jī)上的傳感器。SODAR向大氣中發(fā)出頻率在1 500～4 500 Hz的聲波，然后接收被大氣中渦流改變后的聲波。RASS技術(shù)依賴于人工的雷達(dá)波和聲波分離，SODAR的主要作用是監(jiān)測大氣的溫度變化。通過波形的變化速率可以監(jiān)測大氣中湍流的變化運(yùn)動情況。

最重要的環(huán)節(jié)就是尾流運(yùn)動和消散的實時預(yù)測。主要目的是預(yù)測尾流的位置和強(qiáng)度，使航空器避過尾流的影響。為了這個目的，模型應(yīng)考慮到飛行器的結(jié)構(gòu)、風(fēng)力因素、渦流層、風(fēng)切變和地面效應(yīng)。考慮到尾流的運(yùn)動的概率情況，模型應(yīng)該和尾流的各種運(yùn)動可能同時演變。有兩個模型可以模擬這種變化，即兩段概率論（The probabilistic two－phase model，P2P）和尾流預(yù)報系統(tǒng)（The vortex forecast system，VFS）。

3.2 尾流告警系統(tǒng)

尾流告警系統(tǒng)（WVWS）是由DFS于20世紀(jì)90年代初在法蘭克福機(jī)場開發(fā)的。

法蘭克福機(jī)場有兩條平行跑道，分別為25L和25R，因為尾流間隔而不能獨(dú)立運(yùn)行，限制著空港容量。WVWS首先用數(shù)理統(tǒng)計的方法對機(jī)場上空的風(fēng)進(jìn)行統(tǒng)計和預(yù)測；然后通過建立回歸模型，預(yù)測進(jìn)近航空器產(chǎn)生尾渦的擴(kuò)散及側(cè)向傳輸位置，基于預(yù)測數(shù)據(jù)，確定危險時間；最后根據(jù)危險時間的不同，計算出預(yù)計尾渦最大輸運(yùn)距離，據(jù)此從3種備選的進(jìn)近程序中提供最優(yōu)選擇，作為建議提供給管制員。

WVWS的優(yōu)點(diǎn)是采用數(shù)理統(tǒng)計的方法，在關(guān)于尾流物理本質(zhì)的理論尚不完整的情況下，將湍流強(qiáng)度簡化為側(cè)風(fēng)和水平風(fēng)的平方和的均方根，從而避免了大氣分層、風(fēng)切變以及地效等參量的引入。因此，WVWS所采用的理論模型較為簡單。缺點(diǎn)是 WVWS僅適用于縮減近距平行跑道的尾流間隔，限制了其在單跑道和交叉跑道機(jī)場的應(yīng)用。

3.3 間隔管理預(yù)測系統(tǒng)

間隔管理預(yù)測系統(tǒng)（SYAGE）是由法國快速計算中心和法國航行技術(shù)中心開發(fā)的一種尾流間隔預(yù)測系統(tǒng)，利用在對機(jī)場上空風(fēng)的測量數(shù)據(jù)和名為Vortex的尾渦模型來預(yù)測單跑道離場航空器的縮減間隔。因此，其目的是縮減離場航空器序列的間隔。該系統(tǒng)在巴黎奧利機(jī)場和圖盧茲機(jī)場進(jìn)行了測試。

Vortex模型是基于在多個機(jī)場收集的實驗數(shù)據(jù)和計算流體力學(xué)數(shù)值模擬結(jié)果得到的。模型從4種可用的側(cè)風(fēng)剖面（常值切變側(cè)風(fēng)剖面、對數(shù)側(cè)風(fēng)剖面、多項式側(cè)風(fēng)剖面以及地面噴射側(cè)風(fēng)剖面）中選擇了對數(shù)側(cè)風(fēng)剖面。定義了尾渦的初始環(huán)量、尾渦強(qiáng)度的衰減率等參數(shù)，并規(guī)定系統(tǒng)的安全標(biāo)準(zhǔn)為：當(dāng)渦核被輸運(yùn)至跑道中心線兩側(cè)各45 m范圍（安全通道）外，或者環(huán)量小于50 m2/s時，認(rèn)為危險消除。

SYAGE系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)學(xué)模型較航空器尾渦間隔系統(tǒng)（AVOSS）和WVWS都簡單，而且其中的參數(shù)可以通過測量直接獲得，因此測量裝置的成本也低廉得多。另外需要重申的是，SYAGE是用于縮減離場航空器序列的間隔，可以與作為以縮減進(jìn)場航空器序列尾流間隔的AVOSS或WVWS系統(tǒng)聯(lián)合工作。

3.4 航空器尾渦間隔系統(tǒng)

AVOSS由美國航空航天局（NASA）開發(fā)，可劃分為5個子系統(tǒng)，其中在整個系統(tǒng)的運(yùn)作中起著核心作用的兩個子系統(tǒng)是天氣子系統(tǒng)和尾渦消散預(yù)測子系統(tǒng)。

天氣子系統(tǒng)由以下部分組成：兩個裝有儀表的探測塔；測量風(fēng)速的多普勒雷達(dá)和聲達(dá)廓線儀；一套無線電聲學(xué)探測系統(tǒng)用來測量溫度。在每半個小時的時間段內(nèi)，由傳感器及兩臺終端區(qū)多普勒氣象雷達(dá)獲得的數(shù)據(jù)將用由MIT的Lincoln實驗室開發(fā)的融合算法，整合為風(fēng)垂直剖面、溫度垂直剖面和湍流垂直剖面。整合后的數(shù)據(jù)將作為短期動態(tài)的天氣預(yù)測輸入尾流預(yù)測模型進(jìn)行尾渦消散的計算。

尾渦消散預(yù)測子系統(tǒng)提供側(cè)向和垂直方向的尾流的輸運(yùn)數(shù)據(jù)和強(qiáng)度數(shù)據(jù)，尾渦消散預(yù)測算法采用湍能耗散率和環(huán)量表征尾渦強(qiáng)度，采用引入假想的鏡像渦來模擬地效的影響。

子系統(tǒng)整合模塊將尾渦預(yù)測模塊所得的對尾渦行為的預(yù)測，應(yīng)用于一個人為定義的以標(biāo)稱航跡為中心線的通道。此通道以標(biāo)稱航跡為中心線增加三自由度的緩沖區(qū)構(gòu)成。關(guān)于尾流是否仍對后機(jī)構(gòu)成威脅有如下規(guī)定：當(dāng)尾渦漂離或者下沉至通道之外，或者當(dāng)尾渦的強(qiáng)度衰減至與周圍大氣自由湍流強(qiáng)度相當(dāng)時，認(rèn)為尾渦不再對后機(jī)構(gòu)成威脅。

尾流探測子系統(tǒng)由一些傳感器組成，用來跟蹤由進(jìn)近航空器產(chǎn)生的尾流，并以時間為變量提供尾渦的位置、強(qiáng)度變化信息。用來確認(rèn)預(yù)測的準(zhǔn)確和安全性。典型裝置是聲雷達(dá)、持續(xù)波激光雷達(dá)或脈沖雷達(dá)。

空中交通管制界面直到NASA對AVOSS系統(tǒng)進(jìn)行試運(yùn)行時尚未建立。然而此子模塊仍非常重要，設(shè)計時綜合考慮人為因素向管制員提供最簡潔、重要的咨詢信息。

整個系統(tǒng)針對某機(jī)場可能出現(xiàn)的不同機(jī)型成對排列組合，以表格的形式提供建議間隔。有效時間是從輸出該表格開始計時30 min的時段。計算沿著進(jìn)近通道的各點(diǎn)進(jìn)行，捕獲尾渦隨高度和時間變化的行為，當(dāng)符合上述定義的兩個無威脅條件中的任意一個時，記錄時間，可以得到該機(jī)型尾渦的存在時間。在半個小時的測量時間中，選擇最保守的存在時間，再根據(jù)后機(jī)的進(jìn)近速度，得到該機(jī)型對的建議間隔。

未來AVOSS系統(tǒng)的發(fā)展概念被稱作尾渦咨詢系統(tǒng)（Wake Vortex Advisory System），它不僅應(yīng)用于單跑道著陸，還應(yīng)用于近距平行跑道的進(jìn)近、離場和交叉跑道的運(yùn)行。AVOSS系統(tǒng)是所有尾流間隔縮減系統(tǒng)中最復(fù)雜的，同時具有較好的可拓展性。其核心數(shù)學(xué)模型更多地基于尾流的物理特性。其缺點(diǎn)是理論模型復(fù)雜、需要解算微分方程組、耗時多、對設(shè)備數(shù)量和質(zhì)量的要求高、成本較高。

3.5 容量改進(jìn)量比較

WVWS：從前面的相關(guān)闡述中可見，3種進(jìn)近程序因為部分地或完全地采用了最小雷達(dá)間隔（3～6 n mile），與無雷達(dá)尾流間隔相比都使到達(dá)率有不同程度的增長。具體的改進(jìn)數(shù)據(jù)尚未獲得，但可以采取下述方法估算：首先采用某雙跑道及單跑道容量模型確定使用交錯、修正交錯和單跑道進(jìn)近程序?qū)θ萘康母倪M(jìn)量；然后統(tǒng)計符合使用其中某種進(jìn)近程序的最大預(yù)測輸運(yùn)距離出現(xiàn)的概率，即可得到容量改進(jìn)量的期望值。

SYAGE：系統(tǒng)在Orly機(jī)場的實施以0.8的概率水平帶來3架航空器/h的容量增量。

AVOSS：對1999年和2000年在達(dá)拉斯福特沃斯機(jī)場AVOSS系統(tǒng)的實驗數(shù)據(jù)的分析得出：在IFR條件下，與遵照FAA尾流間隔規(guī)定能夠獲得的容量相比，可以獲得平均6%的容量增量。而最大和最小容量增量分別是0和16%。0表示當(dāng)天AVOSS建議不縮減間隔；當(dāng)容量增量是16%時，間隔已接近與最小跑道占用時間所限制的間隔相等。

4 尾流間隔縮減技術(shù)的展望

尾流間隔縮減系統(tǒng)作為補(bǔ)充的縮減尾流間隔的兩種可行方法之一，其縮減尾流間隔的效用是顯著的。HALS/DTOP將使法蘭克福機(jī)場獲得2.5%的容量增量；SOIA可以在惡劣天氣下增加25%的到達(dá)航；WVWS中可供選擇的進(jìn)近程序由于更多采用最小雷達(dá)間隔或無雷達(dá)尾流間隔，從而可以增大到達(dá)率；SYAGE在Orly機(jī)場的實施以0.8的概率水平帶來3架航空器/h的容量增量；AVOSS可獲得平均6%的容量增量。

針對近距平行跑道的尾流間隔縮減，可以采用HALS/DTOP或 SOIA技術(shù)，前者能夠在幾乎無成本增加的條件下縮減向平行近距跑道進(jìn)近的機(jī)型對的尾流間隔，但條件是機(jī)型對須具有不同的尾流強(qiáng)度類型。而SOIA無視機(jī)型對尾流類型的異同，有更穩(wěn)定的尾流間隔縮減效果和更廣泛的用途，其代價是運(yùn)營成本的增加。

基于動態(tài)預(yù)測的尾流間隔縮減技術(shù)不局限于平行近距跑道的尾流間隔縮減，廣泛地適用于單跑道運(yùn)行或交叉跑道、多跑道運(yùn)行的尾流間隔縮減。針對離場航空器序列的尾流間隔縮減，SYAGE提供了低廉有效的解決方案。WVWS和AVOSS系統(tǒng)主要針對進(jìn)場航空器序列的尾流間隔縮減，區(qū)別在于 WVWS不涉及大氣分層、風(fēng)切變等復(fù)雜氣象因素，而AVOSS系統(tǒng)雖然復(fù)雜卻具有更好的精確性和擴(kuò)展性，代價同樣是成本的增加。

研究尾流間隔和理解尾流物理過程的意義并不僅限于終端區(qū)進(jìn)近起飛階段，在縮小垂直間隔（RVSM）的航路上，有飛行員報告遭遇到前機(jī)的尾流。雖然至今尚未引起安全事故，但RVSM運(yùn)行中的尾流遭遇亦需給予足夠的重視。

隨著先進(jìn)的大氣湍流探測設(shè)備和機(jī)載可視化設(shè)備的發(fā)展，未來尾流間隔縮減系統(tǒng)的發(fā)展將具備高動態(tài)、可視化和實時性等特點(diǎn)，配合正在各國發(fā)展或執(zhí)行的新航行系統(tǒng)，使得空中交通的運(yùn)行具有更高的精度、更大的容量以及更高的效率。