點匯聚系統(tǒng)的設計概要與應用展望

劉博文，胡 榮，張軍峰，朱昶歆，馬林南

（1. 南京航空航天大學民航學院，江蘇 南京211106；2. 中國民用航空局空中交通管理局空域管理中心，北京101300）

目前，在繁忙的空中交通流下，空中交通管制員通常使用開環(huán)雷達引導方式指揮航空器運行，但是在高交通負荷條件下，這種工作方式會顯著增加管制員在終端控制區(qū)（terminal control area，TMA）的指令數(shù)，使得頻率占用時間增加、飛行員遵循管制指令的情景意識下降，進而可能增加航班延誤與安全風險，并產(chǎn)生額外的燃油消耗、 廢氣排放與噪聲污染。 為緩解開環(huán)運行方式的不利影響， 歐洲控制實驗中心（EUROCONTROL）于2006 年率先提出了新的運行概念——點匯聚系統(tǒng)（point merge system，PMS）。 PMS 作為一種更高效的系統(tǒng)化的航空器進近飛行程序，受到了國內(nèi)外諸多研究機構與人員的關注，并在歐洲、亞洲、非洲及南美洲多個機場開展了模擬驗證與運行實踐，實施效果良好，證明PMS 在終端區(qū)具有很高的運行效益與環(huán)境效益[1]。

為厘清點匯聚系統(tǒng)設計過程中的關鍵要素，進一步推動點匯聚系統(tǒng)的設計、應用與發(fā)展，本文對點匯聚系統(tǒng)的設計概要、應用與發(fā)展進行系統(tǒng)梳理，在點匯聚系統(tǒng)實施案例分析的基礎上，梳理點匯聚系統(tǒng)的構成要素、設計參數(shù)，并對比不同案例的設計參數(shù)與應用成效；最后，立足當前終端區(qū)日趨復雜的環(huán)境及日新月異的新技術，展望點匯聚系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢。

1 點匯聚系統(tǒng)概念與實踐

1.1 點匯聚系統(tǒng)的概念

點匯聚系統(tǒng)是EUROCONTROL 率先提出的一種對航空器到達流進行系統(tǒng)管理的飛行程序。 該系統(tǒng)基于區(qū)域導航的航路設計，通過在距離中心匯聚點等距離處，使用排序弧來縮短或拉伸路徑。 這一設計理念結合了區(qū)域導航程序和連續(xù)下降技術優(yōu)勢，改變了以往雷達管制的開環(huán)航向引導，采用閉環(huán)直飛匯聚點指令，進而改進和標準化終端空域操作[2]。 這就可以保證相較于雷達開環(huán)引導，點匯聚系統(tǒng)的飛機水平軌跡更為一致、規(guī)整，航跡的復現(xiàn)性更好（圖1 給出了奧斯陸國際機場點匯聚系統(tǒng)和雷達開環(huán)引導的地面軌跡對比圖）[3]。

PMS 基于特定的航路結構，由一個點（匯聚點）和與該點等距（垂直分離）的排序弧組成。 典型的PMS 航路結構如圖2 所示。

圖1 PMS（實線）和雷達開環(huán)引導（虛線）軌跡對比圖Fig.1 Comparison of PMS (solid line) and radar openloop guidance (dotted line) trajectories

圖2 典型PMS 航路結構示意圖Fig.2 Typical PMS route structure

完整的點匯聚系統(tǒng)通常包括如下3 個構成要素：

匯聚點：是終端區(qū)內(nèi)的一個物理坐標點，用于對不同方向的交通流進行匯聚整合，形成一個航班流。 航空器通過該點之后，完成排序工作，隨后沿著統(tǒng)一路徑飛行直至離開PMS[4]。

排序弧：是近似圓弧的一段預設航段，圓心為匯聚點，因此航段中各點距匯聚點距離近似相等。 排序弧是一種創(chuàng)新的線性保持模式，而不是傳統(tǒng)的堆棧保持模式，因而它能夠輕松適應終端區(qū)中不同流量。在低流量期間，其排序弧可以更短；在高流量期間，其排序弧可以更長，這種結構非常適合處理動態(tài)交通流。航空器飛行在排序弧上的任意時刻，都可以被管制員引導直飛（direct to）到匯聚點[1]。

定位點：根據(jù)所處位置可劃分為排序弧上定位點與排序弧末端定位點。 排序弧上定位點通常定義為旁切點，用于協(xié)助管制員確定航空器間的間隔或預設轉彎直飛點；排序弧末端定位點通常定義為飛越點，其后銜接一條延伸航段用于特殊情況（如通訊失效）下的航空器自主直飛程序[1]。

1.2 點匯聚系統(tǒng)的實踐

點匯聚系統(tǒng)自其概念提出以來，得到了相關機構與機場的關注，隨著關于PMS 設計與研究的不斷深入，全球不少機場已成功實施了PMS。 表1 給出了PMS 已經(jīng)實施或者確定將要實施的主要機場信息。

自2011 年挪威奧斯陸國際機場首次正式實施點匯聚系統(tǒng)以來，實施的機場數(shù)量持續(xù)增加，這些機場分布在歐洲、亞洲、南美洲及非洲等多個區(qū)域，并取得了涵蓋運行安全、管制員負荷、終端區(qū)容量及環(huán)境影響等多方面在內(nèi)的良好的運行成效。

表1 PMS 實施信息匯總表Tab.1 Summary of PMS implementation information

1.3 點匯聚系統(tǒng)的優(yōu)勢

根據(jù)國內(nèi)外對PMS 系統(tǒng)的理論研究和各機場的實施效果，可以發(fā)現(xiàn)PMS 主要有以下兩點突出優(yōu)勢：

1） 簡化了管制員工作：實施PMS 能顯著減少管制員的指令數(shù)，進而減少管制員的工作量、降低工作頻率和無線電話信道占用率，并且能增加管制員的情景意識。 基于此，能有效提高終端區(qū)內(nèi)航空器的運行安全性。

2） 實現(xiàn)了標準化運行：實施PMS 使管制員之間的工作分工更加明確合理，工作方法更加標準化；減少了航空器在進近過程中的飛行距離，優(yōu)化了下降剖面，使其水平軌跡更加集中。

同時，通過標準化運行，可以廣泛地應用RNAV 和使用FMS 橫向制導，提高飛行效率和可預測性；高峰期充分利用機場的可用跑道容量，并具有能力滿足未來的跑道容量增長；可以實施連續(xù)下降，最大限度地減少二氧化碳、氮氧化合物和硫化物等污染物排放，緩解機場周邊區(qū)域的噪聲影響。

當然，PMS 具有上述優(yōu)點的同時也存有若干不足，諸如PMS 對垂直剖面具有較高的敏感度，需要考慮與現(xiàn)有機場接收條件的兼容性；二次到達流排序的直觀性有待提升[9]；在高密度交通量的情況下，管制員需要使用輔助決策工具來提高其對PMS 的控制能力[10-11]，等。

2 點匯聚系統(tǒng)的設計概要

典型的點匯聚系統(tǒng)運行主要包括兩個核心步驟（見圖2）。

1） 航空器在排序弧航段上自主飛行時，管制員在發(fā)現(xiàn)當前航空器與前一航空器間隔達到間隔要求時，對該航空器發(fā)出“直飛（direct to）”指令，航空器直飛向匯聚點。

2） 航空器離開排序弧后開始下降，并通過速度控制保持前后航空器之間的安全間隔。

為了有效保證航空器在點匯聚系統(tǒng)中完成上述運行步驟，需要對匯聚點、排序弧、定位點等構成要素進行科學的設計。 PMS 的設計參數(shù)主要包括高度、速度、角度和距離4 類。

2.1 高度

高度是指PMS 相關構成要素的修正海平面氣壓高度（如圖3）。 通常有如下推薦要求：

1） 排序弧：排序弧高度一般在3 048～3 657 m[12]，且航空器在排序弧上飛行時無高度變化。 由于來自外部排序弧的航空器接到“直飛”指令后將穿過內(nèi)部排序弧，為避免沖突，內(nèi)外排序弧應保持305 m 的垂直距離，且靠近匯聚點的排序弧往往賦予高高度。

2） 匯聚點：匯聚點高度一般在1 219～1 829 m[12]。

圖3 PMS 垂直剖面示意圖Fig.3 Vertical section of PMS

2.2 速度

速度通常指航空器在PMS 排序弧上及 （或）過匯聚點的指示空速。 通常有如下推薦要求：

1） 航空器在排序弧上以固定速度飛行，一般為407～426 km/h。

2） 在排序弧各航空器應保持盡量一致的飛行速度，這可以確保高流量條件下，各航空器具備相同距離時間比，以提升PMS 運行效能。

3） 航空器過匯聚點的速度一般需低于其在排序弧上飛行的速度，以保證能夠較好地銜接后續(xù)飛行航段。

2.3 角度

角度可分為兩種類型： 一個是與航空器飛行軌跡相關，另一個是與點匯聚系統(tǒng)覆蓋范圍相關。

與航空器飛行軌跡相關包含3 種角度： 點匯聚進入航跡變化角α、點匯聚直飛航跡變化角β 與點匯聚退出航跡變化角γ。

與PMS 覆蓋范圍相關包括1 種角度：點匯聚區(qū)域包圍角δ。 具體如圖4 所示。

圖4 PMS 平面角度示意圖Fig.4 Angles of PMS

PMS 角度通常有如下推薦設計要求：

1） 進入航跡變化角α：主要由區(qū)域導航程序設計要求確定，應盡可能小于90°。

2） 直飛航跡變化角β：通常在90°左右。

3） 退出航跡變化角γ：主要由區(qū)域導航程序設計要求確定，且盡可能小于90°。

4） 區(qū)域包圍角δ： 與排序弧-匯聚點之間的距離以及排序弧的長度相關， 設計時應避免過大。 在極端情況下（δ=180°），可能導致管制自動化系統(tǒng)的短期沖突告警（STCA），如圖5 所示。

圖5 過大的區(qū)域包圍角δ 示意圖Fig.5 Oversized convergence angle δ

2.4 距離

距離通常包括排序弧的長度以及不同排序弧之間、排序弧與匯聚點之間的水平間隔長度。 通常有如下推薦要求：

1） 內(nèi)外相鄰排序弧之間的距離至少為3 704 m。

2） 匯聚點與外排序弧之間的距離至少為37 040 m。

3） 排序弧長度通常根據(jù)特定機場的空域結構、交通流量等因素確定；一般不少于37 040 m，以使其具有足夠的航空器吸納能力。

上述4 個設計參數(shù)的推薦值只是作為PMS 的設計參考值， 實際應用時需結合具體機場空域結構與限制條件加以確定，最終數(shù)值會稍有變化。

3 點匯聚系統(tǒng)的設計應用

當前，全球已有4 個大洲、近20 個機場實施運行了點匯聚系統(tǒng)，并有1 個機場確定于2020 年實施運行。 在梳理相關機場的參數(shù)設計數(shù)值的基礎上，進一步探討各類設計參數(shù)對點匯聚系統(tǒng)的設計、運行、成效等影響。

3.1 高度

高度是點匯聚系統(tǒng)的重要參數(shù)，決定了航空器在PMS 中飛行的垂直剖面。 表2 給出了若干典型點匯聚系統(tǒng)排序弧、匯聚點的實際高度設置情況。

從表2 可以看出，各機場PMS 排序弧、匯聚點的高度參數(shù)設計值存有較大差異，這與各機場實際空域條件密切相關。 通過理論分析并結合上述機場的運行狀況，發(fā)現(xiàn)：

1） 增加排序弧高度可以使航空器從更高的高度實施連續(xù)下降過程，有利于減小噪聲影響范圍與強度，并可提高飛行效率。

2） 更高的高度也意味著航空器的飛行速度更快，在排序弧長度相同的條件下，會導致PMS 延遲吸納能力下降。

3） 增加排序弧與匯聚點之間的高度落差，將會提高航空器下降率，這可能引發(fā)與航空器性能相關的問題。

4） 匯聚點高度可以是強制高度（如：914 m）也可以是建議高度（如：914 m 以上），具體由后續(xù)飛行程序銜接要求確定。

表2 PMS 高度參數(shù)設計匯總表Tab.2 Design information of PMS height parameter m

3.2 速度

航空器的運行速度對PMS 的容量產(chǎn)生影響。 表3 給出了若干典型機場點匯聚系統(tǒng)的速度參數(shù)信息。

表3 PMS 速度參數(shù)設計信息匯總表Tab.3 Design information of PMS speed parameter （km/h）

通過結合其他設計參數(shù)的理論分析與上述機場的運行狀況，發(fā)現(xiàn)：

1） 不同機場的速度參數(shù)值有較大的差異， 這與該機場PMS 的排序弧高度、 排序弧與匯聚點的高度落差、排序弧與匯聚點的距離密切相關。一般而言，排序弧高度越高、排序弧與匯聚點的高度落差越小、排序弧與匯聚點的距離越遠，則航空器在排序弧上速度越大。

2） 無論速度參數(shù)取值多少，排序弧上的飛行速度都是不變的，以保證PMS 的運行效能。

3） 當排序支路長度相同時，航空器的速度越大則點匯聚系統(tǒng)的動態(tài)容量越高。

3.3 角度

角度直接影響著點匯聚系統(tǒng)的空域水平覆蓋范圍及與區(qū)域導航程序的銜接質量。通過整理相關機場的航圖信息，表4 給出了這些機場的角度匯總信息。

表4 PMS 角度參數(shù)設計信息匯總表Tab.4 Design information of PMS angle parameter （°）

通過上述機場的運行情況并結合理論分析，可發(fā)現(xiàn)：

1） 進入航跡變化角α 與各機場空域結構、交通流向及進場程序等密切相關，差異很大；同時，考慮到航空器性能（影響航空器轉彎半徑）、旅客舒適性等要求，α 一般小于90°。

2） 直飛航跡變化角β 的度數(shù)幾乎都是恒定的（90°）。 這是由于排序弧是一段以匯聚點為圓心的近似圓弧，而β 是由該圓弧切線與半徑所包圍的。

3） 退出航跡變化角γ 與進入航跡變化角α 類似， 與各機場空域結構、 交通流向及進場程序等密切相關，一般也要求小于90°。

4） 對于某具體的點匯聚系統(tǒng)，退出航跡變化角并不是一個固定值，而是一個變化范圍，具體數(shù)值與航空器收到“直飛”指令時在排序弧上的位置密切相關。 同時，γ 存在最大值，該最大值由匯聚點所銜接的后續(xù)飛行程序決定，一般情況下不超過區(qū)域包圍角δ 的大小。

5） 區(qū)域包圍角δ 的各機場差異也很大，這與終端空域條件、空中交通特性、機場運行環(huán)境等密切相關。一般而言，δ 越大預示著排序弧越長，點匯聚系統(tǒng)的航空器延遲吸納能力越強。 但過大的δ 可能導致管制自動化系統(tǒng)的短期沖突告警。

3.4 距離

距離參數(shù)對點匯聚系統(tǒng)的空間結構與服務能力有決定性影響。 表5 給出了若干典型機場的距離信息，同時結合表2 的高度信息可以得到各機場PMS 的下降梯度信息。

表5 PMS 距離參數(shù)設計信息匯總表Tab.5 Design information of PMS distance parameter

通過上述機場的運行情況并結合理論分析，可發(fā)現(xiàn)：

1） 增加內(nèi)外排序弧距離天然地增加了航空器之間的安全間隔；但當PMS 中航空器較多時，也增加了構建著陸序列的難度。

2） 增加排序弧-匯聚點的距離，便于通過速度控制來保持航空器間距，提前構建著陸序列，增加可預測性。

3） 較長的排序弧-匯聚點的距離可能使得著陸序列構建過早，降低了序列更改的靈活性。

4） 增加排序弧長度可提高點匯聚系統(tǒng)的延遲吸納能力，可以使PMS 容納更多的航空器。

5） 較長的排序弧長度能增加對風等氣象條件的敏感度，容易累積運行中的不確定性。

4 點匯聚系統(tǒng)的未來展望

當前空域條件下，點匯聚系統(tǒng)在提高運行安全性和跑道運行效率等方面都有很大的潛力。 未來隨著民航運輸需求的持續(xù)增長[17]，結合民航新技術發(fā)展可以在傳統(tǒng)的PMS 基礎上加以改進與拓展，例如面對更復雜的終端區(qū)環(huán)境設計一個拓撲結構的PMS，進一步提高終端區(qū)運行安全與效率。

4.1 復雜環(huán)境下的多層點匯聚系統(tǒng)

鑒于復雜環(huán)境下的終端區(qū)是一個非常動態(tài)的環(huán)境，一個小的航空器重新排序動作都可能極大地增加管制員的工作量。 在這種環(huán)境下，可以考慮設計在現(xiàn)有點匯聚系統(tǒng)的基礎上，設計多層點匯聚系統(tǒng)（multilayer point merge system，ML-PMS）讓不同方向的航空器到達定序航段，圖6 通過設置兩個不同高度的PMS，實現(xiàn)兩條獨立平行跑道多層點匯聚系統(tǒng)。

當然，根據(jù)跑道之間的距離，ML-PMS 還可以如圖7 所示在同一內(nèi)外排序弧上設計兩個不同的匯聚點，這種拓撲結構的優(yōu)點是到港航空器很容易改變跑道。 此外，考慮到特定機場的運行限制，可以設計更復雜的ML-PMS 結構[18]，諸如分離的ML-PMS 或混合的ML-PMS[19]。

圖6 兩條平行跑道的ML-PMS 示意圖Fig.6 Two parallel runways of ML-PMS

圖7 ML-PMS 系統(tǒng)的變式方案Fig.7 Variant design of ML-PMS

4.2 融合CDA 的點匯聚系統(tǒng)

點匯聚系統(tǒng)與連續(xù)下降進近（continuous descent approach，CDA）融合模型是在進近區(qū)域內(nèi)設置一個規(guī)范的匯聚點，使不同方向的航空器從不同路徑下降時可采取連續(xù)下降方式并直至到達匯聚點，所有的航空器通過匯聚點后沿著同一條進近路徑飛行。

結合CDA 的運行要求，PMS 排序弧高度在1 829～3 048 m 為宜，航空器最大指示空速為463 km/h、下滑航跡角是3°時，可以帶來最小的環(huán)境與噪聲影響[20]。 為了避免ATC 顯示器的混亂及保證CDA 的順利實施，需要科學設置相鄰排序弧間的橫向間隔以及排序弧-匯聚點的距離，評估點匯聚進近程序近地碰撞風險[21]。

通過實施融合CDA 的PMS，可以將兩者效益最大化，在改善運行安全、增加交通容量、節(jié)能減排降噪等方面實現(xiàn)1 加1 大于2 的成效。

4.3 基于4D 航跡的點匯聚系統(tǒng)

4D 航跡是航空器在整個飛行全過程全部順序點跡的4D 空間坐標（包括三維位置和時間）所形成的集合[22]。 而經(jīng)典的PMS 航路結構是建立在3D 合流形式上[23]，只對航空器在PMS 中飛行的經(jīng)度、緯度和高度進行監(jiān)控與控制，如果在現(xiàn)有基礎上對其增加航空器在PMS 各個位置的時間指標[24]，就可以更好地對航空器到達流進行管理。 這種方式就是將PMS 與4D 航跡管理加以聯(lián)合，構建基于4D 航跡的PMS。

未來，通過將PMS 與4D 航跡管理聯(lián)合，將航空器到達流與“時間”更好的關聯(lián)，實現(xiàn)到達流之間更高效的沖突探測與解決，從而優(yōu)化航空器到達流的管理，提高終端區(qū)運行效率。

5 結論

點匯聚系統(tǒng)這一概念自2006 年提出就已引起學界、業(yè)界的廣大關注。 目前，PMS 已在全世界多個機場成功驗證與實施，在保證運行安全性、提升經(jīng)濟性與降低環(huán)境影響等方面體現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。 隨著民航運輸需求的增長，PMS 有著更加廣闊的應用空間。 本文對點匯聚系統(tǒng)的設計概要、 實踐應用與未來發(fā)展進行了綜述，主要結論如下：

1） 點匯聚系統(tǒng)的設計通常涵蓋高度、速度、角度與距離4 類核心設計參數(shù)。 參數(shù)的設置值需要結合終端空域、跑道設置等環(huán)境條件進行選取。

2） 點匯聚系統(tǒng)實施機場的案例表明：參數(shù)設計值的選取對PMS 的吸納能力、運行效能、環(huán)境效益等均有顯著影響。

3） 針對復雜終端空域及民航新技術發(fā)展趨勢，未來可發(fā)展多層點匯聚系統(tǒng)、融合CDA 的點匯聚系統(tǒng)及基于4D 航跡的點匯聚系統(tǒng)等更加安全、高效的點匯聚系統(tǒng)。

在開展點匯聚系統(tǒng)設計時，需密切結合當?shù)乜沼蚪Y構、交通流量、機場條件等設置點匯聚系統(tǒng)的結構，并權衡各類設計參數(shù)設置，同時盡量結構簡單、整體對稱，保持點匯聚系統(tǒng)簡單、直觀。