新技術(shù)應(yīng)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(tǒng)容量的決定性因素，間隔標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)水平。隨著各項航行新技術(shù)的涌現(xiàn)，航空器的軌跡保持能力已有極大的提升，給進(jìn)一步縮減管制間隔標(biāo)準(zhǔn)帶來了可能性和可行性。機(jī)載及空管設(shè)備能力、航空器尾流以及人為因素等都是評估間隔標(biāo)準(zhǔn)的影響因素，本文根據(jù)各項新技術(shù)應(yīng)用情況，對管制間隔的縮減進(jìn)行分析和探討。

關(guān)鍵詞：空管系統(tǒng)效率;安全間隔;CNS性能;動態(tài)尾流

在空域及機(jī)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(tǒng)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(shù)的應(yīng)用，科學(xué)評估航空器位置誤差和碰撞風(fēng)險，在滿足安全目標(biāo)水平基礎(chǔ)上進(jìn)一步縮減安全間隔標(biāo)準(zhǔn)，深挖空域資源潛能，提升運行容量和通行能力，是空管領(lǐng)域進(jìn)行供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革的必由之路。

事實上，新技術(shù)的應(yīng)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(jiān)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(dǎo)致容錯度很低，需要較大的間隔裕度來保證安全，這也導(dǎo)致空管效率極其低下，空域資源極大浪費;隨著一次雷達(dá)（PSR）技術(shù)的應(yīng)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(jù)需要要求駕駛員調(diào)整，提升了運行效率和安全水平，減少了判斷失誤帶來的風(fēng)險;伴隨著二次雷達(dá)（SSR）、廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）等技術(shù)的出現(xiàn)，目前雷達(dá)管制的最小間隔已經(jīng)降低到了10km（航路）和6km（進(jìn)近）。可以預(yù)見，隨著更多新技術(shù)的應(yīng)用，從技術(shù)角度不斷為管制間隔的進(jìn)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(qiáng)調(diào)，民航高質(zhì)量發(fā)展的根本水平體現(xiàn)在規(guī)章標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)性和先進(jìn)性上。就民航規(guī)章標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，馮局長特別指出：規(guī)章標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)要為充分發(fā)揮航空技術(shù)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(xiàn)代科學(xué)技術(shù)突破、已有民航成功實踐證明，但仍在執(zhí)行的不科學(xué)的、束縛性能的、影響運行效率的規(guī)章規(guī)定要求，絕不能讓老規(guī)章成為束縛航行新技術(shù)發(fā)展的“保護(hù)傘”。可以說，我們所處的時代需要我們打破“不符合時代要求的”舊規(guī)章的束縛，在保證安全前提下破除“規(guī)章壁壘”，推動規(guī)章建設(shè)。

本文將就新技術(shù)的應(yīng)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(jìn)行科學(xué)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?qū)е碌难诱`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(xiàn);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(cè)向間隔）和垂直間隔。航空器間的間隔根據(jù)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(jī)在航路飛行及儀表著陸階段執(zhí)行儀表飛行規(guī)則，適用儀表飛行間隔，通航所使用的飛機(jī)一般具有“低慢小”特征，大多執(zhí)行目視飛行規(guī)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(biāo)準(zhǔn)制定的各因素變化趨勢及對進(jìn)一步縮減間隔的可行性。

影響間隔標(biāo)準(zhǔn)制定的因素主要有設(shè)備性能、氣動特性、人為因素等。其中設(shè)備性能主要包括機(jī)載設(shè)備和空管設(shè)備兩方面的通信、導(dǎo)航及監(jiān)視（CNS）設(shè)備性能，人為因素主要包括駕駛員飛行技術(shù)、管制員管制能力及知覺反應(yīng)能力等，這些因素會導(dǎo)致航空器真實位置與標(biāo)稱位置之間存在一定的位置誤差，這種誤差會導(dǎo)致碰撞風(fēng)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(biāo)水平所需的安全間隔值也越小。而氣動性能則主要考慮現(xiàn)代固定翼飛機(jī)機(jī)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(jìn)入前機(jī)尾流區(qū)域的飛機(jī)會發(fā)生失速、顛簸、抖震等危險現(xiàn)象，因此需要根據(jù)尾流強(qiáng)度、消散情況規(guī)定尾流間隔。一般來說，飛行速度越大、重量越大，產(chǎn)生的尾流強(qiáng)度也越大，尾流消散所需的時間也越大，后機(jī)所對應(yīng)的尾流間隔也越大;類似于大部分的顛簸和亂流，后機(jī)機(jī)型尺寸越大其應(yīng)對尾流的能力越強(qiáng)，受到尾流的影響也越小。

根據(jù)以上分析可知，為了進(jìn)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(shè)備性能和尾流特性兩個方面方面涌現(xiàn)出的新技術(shù)、新理念對管制間隔的影響進(jìn)行闡述。

2 設(shè)備性能

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

2.1 TCAS/ACAS技術(shù)

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

其中，TCAS系統(tǒng)分為TCAS I和TCAS II兩種，TCAS I主要使用在通用航空飛機(jī)上，TCAS II主要使用在航線（公共航空運輸）飛機(jī)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(jī)，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(qiáng)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(jī)動（爬升或下降）。當(dāng)RA出現(xiàn)時，駕駛員應(yīng)該遵照RA的指示操控飛機(jī)，除非此操作會危機(jī)飛行安全或機(jī)組已經(jīng)目視沖突飛機(jī)。

TCAS/ACAS技術(shù)的出現(xiàn)，在微觀層面上基本消除了飛機(jī)發(fā)生空中相撞的現(xiàn)象，為自主間隔保持提供了條件;但是，未安裝該系統(tǒng)或?qū)⒃撓到y(tǒng)關(guān)閉的飛機(jī)之間無法實現(xiàn)告警服務(wù)，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(shù)

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(zhí)行看到-避讓任務(wù)。當(dāng)空中交通服務(wù)中斷時，CDTI 可以看作是增強(qiáng)型的管制服務(wù)。其增強(qiáng)型目視搜索和跟蹤目標(biāo)功能，可以輔助駕駛員目視到其他鄰近的航空器，并增強(qiáng)其交通態(tài)勢意識，提高飛行安全和效率。

CDTI通過接收ADS-B收發(fā)信機(jī)發(fā)送的本機(jī)和周圍載機(jī)的經(jīng)度、緯度、高度和速度等相關(guān)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(tài)勢實時呈現(xiàn)給駕駛員。

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

2.3 PBN規(guī)范

PBN是指在相應(yīng)的導(dǎo)航基礎(chǔ)設(shè)施條件下，航空器在指定的空域內(nèi)或沿航路、儀表飛行程序飛行時對導(dǎo)航系統(tǒng)精確性、完好性、可用性、連續(xù)性以及功能等方面的性能要求。PBN分區(qū)域?qū)Ш剑ˋrea Navigation，RNAV）和所需導(dǎo)航性能（Required Navigation Performance，RNP）兩種規(guī)范。兩種規(guī)范最大的區(qū)別在于是否具有機(jī)載性能監(jiān)視和告警功能，并能向駕駛員顯示是否達(dá)到了預(yù)定運行要求。具有該功能的被稱為RNP規(guī)范，而沒有這類功能的被稱為RNAV規(guī)范。可以說RNP規(guī)范是具有更高性能要求的RNAV規(guī)范。

傳統(tǒng)導(dǎo)航方式中，飛機(jī)通過接收陸基導(dǎo)航設(shè)備發(fā)送的導(dǎo)航信號沿地面導(dǎo)航臺進(jìn)行向/背臺飛行。PBN是通過陸基或星基導(dǎo)航信號的更新，使用飛機(jī)的慣導(dǎo)系統(tǒng)連續(xù)定位，達(dá)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(shù)表示，即在95%的飛行時間內(nèi)應(yīng)達(dá)到的導(dǎo)航精度。導(dǎo)航精度值越小，精度越高，滿足安全目標(biāo)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(jìn)近階段已經(jīng)出現(xiàn)了0.5、0.3，甚至0.15等更高精度導(dǎo)航方式。

實際上，PBN并不依賴某一種導(dǎo)航基礎(chǔ)設(shè)施實現(xiàn)，它更體現(xiàn)為一種運行規(guī)范，只要經(jīng)審定系統(tǒng)滿足精確性、完好性、可用性、連續(xù)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(shù)

ADS-B是一種新型通信和監(jiān)視系統(tǒng)，該系統(tǒng)無需人工操作或者詢問，可以自動從相關(guān)機(jī)載設(shè)備獲取參數(shù)向其他飛機(jī)或地面站廣播相關(guān)信息，以供管制員對飛機(jī)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。在無雷達(dá)覆蓋或不能實現(xiàn)有效覆蓋的機(jī)場，ADS-B是對終端區(qū)航空器進(jìn)行監(jiān)視的一個主要手段。此外，ADS-B地面站不設(shè)成本低、精度高、監(jiān)視數(shù)據(jù)更新快，相比二次雷達(dá)又可提供更多的信息，可以實現(xiàn)空-地監(jiān)視、空-空監(jiān)視和地-地監(jiān)視。ADS-B還可以根據(jù)管制需要進(jìn)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(jīng)開展多年，組網(wǎng)覆蓋已經(jīng)基本實現(xiàn)，但是出于安全考慮，還只是一種輔助監(jiān)視手段。

2.5 ADS-B和TCASⅡ混合監(jiān)視技術(shù)

TCASⅡ系統(tǒng)不僅組成設(shè)備多、交聯(lián)關(guān)系復(fù)雜，而且在實際應(yīng)用過程中暴露出了虛警和不必要的告警等問題，沖突預(yù)測能力還會隨著航路飛行復(fù)雜性的增加而大大降低。廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）具有更強(qiáng)的監(jiān)視能力、精度誤差更小、數(shù)據(jù)更新率快等優(yōu)勢，能夠更及時、準(zhǔn)確地進(jìn)行沖突檢測。而現(xiàn)階段ADS-B主動監(jiān)視技術(shù)只能用于空域監(jiān)視，還不能代替TCASⅡ進(jìn)行獨立的空中安全告警。因此，將TCASⅡ與ADS-B進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，發(fā)展混合監(jiān)視技術(shù)也是未來的發(fā)展趨勢。

ADS-B和TCASⅡ混合監(jiān)視技術(shù)的原理是在TCASⅡ防撞功能基礎(chǔ)上，利用ADS-B技術(shù)優(yōu)勢，設(shè)計一種簡單、集成的機(jī)載綜合防撞系統(tǒng)，采用將TCASⅡ主動監(jiān)視數(shù)據(jù)和ADS-B被動監(jiān)視數(shù)據(jù)融合處理的混合監(jiān)視跟蹤算法，提高防撞設(shè)備的監(jiān)視能力。

3 尾流特性

尾流對航空器運行的全過程都會產(chǎn)生影響，但是由于尾流尺度遠(yuǎn)小于航路飛行間隔，且尾流垂直影響區(qū)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(jī)機(jī)翼翼尖處由于上下翼面壓力差產(chǎn)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(yù)測水平、采用偏置進(jìn)近程序或尾流重新分類等手段實現(xiàn)。

3.1 尾流預(yù)測技術(shù)

尾流預(yù)測技術(shù)主要依靠科學(xué)、快速、有效的尾流模擬及預(yù)測系統(tǒng)，通過預(yù)測前機(jī)尾流的位置、強(qiáng)度，將后機(jī)遭遇尾流的風(fēng)險控制在一定安全目標(biāo)水平之下，利用動態(tài)尾流間隔，提高機(jī)場小時容量。

國外已經(jīng)研究并投入使用很多成熟的動態(tài)尾流間隔系統(tǒng)。美國國家航空航天局NASA在多年研究尾流特性的基礎(chǔ)上，結(jié)合大量實測數(shù)據(jù)，研制了尾流間隔系統(tǒng)（Aircraft Vortex Spacing System，AVOSS），該系統(tǒng)已經(jīng)在達(dá)拉斯機(jī)場進(jìn)行多次試驗，可有效縮短單跑道著陸間隔，使得機(jī)場容量提升5%，延誤降低37%。荷蘭國家航空航天實驗室NLR設(shè)計開發(fā)了尾流誘導(dǎo)風(fēng)險模型（Wake Vortex Induced Risk Assessment，WAVIR），該系統(tǒng)可以有效提升單跑道運行容量（其中離場容量增加2%，進(jìn)場增加4%）。德國宇航中心DLR設(shè)計開發(fā)的尾流預(yù)測與監(jiān)控系統(tǒng)（WSVBS），該系統(tǒng)在法蘭克福機(jī)場投入了實際運行，使機(jī)場容量增強(qiáng)3%。

3.2 偏置進(jìn)近程序

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

3.3 尾流重新分類

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

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(biāo)準(zhǔn)，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(lián)合開展RECAT技術(shù)的可行性研究，并與EUROCONTROL先后發(fā)布了RECAT最小尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)。

ICAO也開展了尾流間隔優(yōu)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(tǒng)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(xiàn)靜態(tài)的前后機(jī)尾流間隔;RECAT III階段，采用完全動態(tài)的前后機(jī)尾流間隔，依據(jù)航空重量、性能參數(shù)、氣象條件等信息實現(xiàn)實時動態(tài)尾流間隔計算。

在國內(nèi)，民航局空管局一直在大力推進(jìn)RECAT技術(shù)的研究和應(yīng)用。目前已與中國民航大學(xué)聯(lián)合開展了技術(shù)可行性分析論證，進(jìn)行了安全風(fēng)險評估和模擬機(jī)系統(tǒng)升級，同時搭建技術(shù)驗證平臺進(jìn)行了大量的驗證及相關(guān)前期準(zhǔn)，并多次在ATM seminar等國際會議上提交了報告，與國際空管領(lǐng)域的專家學(xué)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(jī)場和進(jìn)近進(jìn)行試驗運行。

4 結(jié)論

綜上所述，設(shè)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(xì)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(lǐng)域各類機(jī)載及陸基、星基等各類通信、導(dǎo)航和監(jiān)視及告警設(shè)備的分析，對于縮減管制間隔相關(guān)技術(shù)發(fā)展趨勢進(jìn)行研判，最后提出一些建議與推薦措施如下：

（1）大力發(fā)展混合監(jiān)視技術(shù)等多技術(shù)集成系統(tǒng)。民航新技術(shù)發(fā)展歷程表明，單一系統(tǒng)具有較強(qiáng)的局限性和脆弱性，多種技術(shù)集成系統(tǒng)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用也證明，多技術(shù)集成手段可以實現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)、互為備份和互為增強(qiáng)，具有很強(qiáng)的適用性，同時加強(qiáng)試驗驗證以提升其工作穩(wěn)定性;

（2）積極加快科研向應(yīng)用的轉(zhuǎn)化速度。無論國外國內(nèi)，在縮減管制間隔方面的研究日趨完善，但是舊規(guī)章、舊思想?yún)s阻礙了這些研究成果快速向?qū)嶋H應(yīng)用的轉(zhuǎn)化，特別是在動態(tài)尾流間隔方面，我們已經(jīng)落后了國外將近十年，這十年我國的航班運輸增長量卻遠(yuǎn)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(xiàn)平衡的矛盾;

（3）充分認(rèn)識新技術(shù)、新理念前期試驗運行的重要性。加快科研成果轉(zhuǎn)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(xué)論證方面的投入，在試驗中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。

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

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