點融合技術在機場終端區(qū)的應用研究

何秋釗，曹銀杰，侯 沖

（1.中國民用航空飛行學院科研處，四川廣漢 618307；2.中國民用航空飛行學院 機場工程與運輸管理學院，四川 廣漢 618307）

近些年，由于大型運輸機場終端區(qū)的保障服務能力不能適應民航業(yè)的急劇增加，導致航班延誤的概率大大增加。終端區(qū)作為進離場航空器的過渡區(qū)域，其運行效率與航班的準點率密切相關。傳統(tǒng)的儀表飛行程序已不能滿足大流量情況下的航空器運行，管制員通常采用開環(huán)引導的方式來建立飛行間隔，頻繁的陸空通話使管制的工作負荷也隨之增加。現(xiàn)行使用的進近程序?qū)τ诳沼蛸Y源的使用效率也不高，不能自適應維持航空器之間的間隔［1］。

為了克服雷達引導的缺陷、提升基于性能導航的優(yōu)勢、提高終端區(qū)空域的運行效率，2006 年歐洲空中導航安全組織提出了點融合系統(tǒng)（point merge system，PMS）的運行理念［2］。區(qū)別于原有方式，點融合技術是基于性能導航技術在進場程序和排序空域方面的集成應用，由雷達的開環(huán)引導航向，變?yōu)殚]環(huán)直飛融合點指令，以實現(xiàn)對多方向進場交通流排序和間隔管理。

目前，在點融合技術的應用方面，挪威Oslo 機場、愛爾蘭Dublin 機場、倫敦希斯羅等國外機場終端區(qū)已投入使用；國內(nèi)對于該程序的使用處于初步階段，上海浦東機場、廣州白云機場、深圳寶安機場僅僅采用了點融合程序的試運行。

國內(nèi)外對于點融合的理論研究集中于設計和評估運行方面。歐洲航行安全局首次提出點融合系統(tǒng)，并且對都柏林機場終端空域設計的點融合程序，撰寫了空域點融合系統(tǒng)實時仿真研究［2-3］；2010 年歐洲航行安全局提出了區(qū)域?qū)Ш脚c連續(xù)下降的點融合技術和基于PMS 的擴展終端空域運行，并在雷達模擬機上驗證了其可行性［3］。國內(nèi)對于點融合的研究主要是對點融合的概念和背景介紹。游錄寶等對點融合的基本概念和點融合的應用進行了研究［4］；晁綿博等設計了長沙黃花機場的點融合進近程序，對系統(tǒng)內(nèi)的下降梯度和靜態(tài)容量進行了評估，但是對于該靜態(tài)容量的結(jié)果有待商榷，即所計算的應用PMS 系統(tǒng)之后的終端區(qū)容量過大［5］；陳相安設計了不同交通流負荷下的寧波櫟社機場點融合進近程序，主要對點融合系統(tǒng)內(nèi)的弧上排序進行研究，利用圖論的方法對點融合系統(tǒng)的網(wǎng)絡最大流進行分析［6］；李震對重慶江北機場點融合程序可行性進行了研究［7］；馬林南等游錄寶等以上海浦東機場的點融合程序為例子討論了內(nèi)外排序弧的高度、融合點速度和內(nèi)外排序支路速度對點融合系統(tǒng)運行及環(huán)境效益的影響，并且以四維航跡預測模型進行計算機仿真，對點融合系統(tǒng)運行效能進行了評估研究［8-9］。

本文對點融合系統(tǒng)的概念做了簡單闡述，主要對系統(tǒng)的分類和終端區(qū)的運行模式進行分析討論，對已投入使用點融合系統(tǒng)的機場的關鍵參數(shù)進行對比，最后結(jié)合國內(nèi)機場終端區(qū)的應用實例，探討傳統(tǒng)運行模式和PMS 運行模式下的運行效率。

1 PMS 分類及其終端區(qū)運行模式

PMS 由一個融合點和與該點等距的兩條或多條排序邊組成，呈現(xiàn)一個收斂的幾何形狀，主要由排序弧和融合點組成［10-11］。如圖1 所示，排序弧包括內(nèi)弧和外弧，可以由一條弧或多條弧組成，允許路徑延伸或縮短。

圖1 點融合系統(tǒng)構(gòu)型-水平軌跡示意圖

如圖2 所示，對于點融合系統(tǒng)，也可以通過角度進行定義。分別為點融合進入航跡變化角α、點融合直飛航跡變化角β、點融合退出航跡變化角γ和點融合區(qū)域包圍角δ。

圖2 點融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-角度示意圖

1.1 系統(tǒng)分類

根據(jù)需要融合、優(yōu)化的進場交通流數(shù)量、方位及流量情況，點融合系統(tǒng)在設計的過程中可以劃分為單點融合系統(tǒng)和多點融合系統(tǒng)。

其中對于單點融合系統(tǒng)的設計應該考慮以下因素：

1）點融合系統(tǒng)排序邊到融合點的高度限制符合當?shù)刂髁鬟\行機型的下降梯度要求。

2）點融合系統(tǒng)排序邊上任意點到融合點的距離視為相等，內(nèi)排序邊到融合點的距離在進近（終端）管制區(qū)內(nèi)，一般設計為40 km，使具有足夠間隔便于調(diào)配。

3）點融合系統(tǒng)排序邊長度，在進近（終端）管制區(qū)內(nèi)，一般設計為40～50 km，使具有足夠的吸收延誤能力。

4）點融合系統(tǒng)設計兩條平行但不等高的排序邊，垂直間隔應當至少保持300 m，且內(nèi)排序邊高度高；水平間隔建議設計為10 km（5 n mile），經(jīng)安全評估后可以適當縮減，但不應低于4 km（2 n mile）。

5）排序邊應設計固定速度（航空器在排序邊上運行的速度），具體數(shù)值應當根據(jù)點融合系統(tǒng)距離五邊的位置遠近確定。

6）在公布排序邊所對應的進場程序時，標稱航跡應當公布為所有航路點按程序走向逐一連接直至融合點所形成的連線。

7）單點融合系統(tǒng)使用空域應當位于同一管制扇區(qū)內(nèi)。

多點融合系統(tǒng)設計包括串聯(lián)與并聯(lián)兩種設計，其中串聯(lián)設計目前在國際上尚未應用。多點融合系統(tǒng)并聯(lián)設計是多個點融合系統(tǒng)的一種連接方式，其特點是將兩個（含）以上的單個點融合系統(tǒng)并行運行，最終匯聚到同一個航路共用點，可以有效處理多個方向進場交通流的情形，如圖3 所示。

圖3 并聯(lián)點融合系統(tǒng)示意圖

并聯(lián)設計包含3 種典型方案：完全對稱型（full symmetry）、小偏置型（offset）和大偏置型（large offset）。從減小融合點附近沖突范圍的角度考慮，偏置型較完全對稱型更為安全。需要注意的是，為了使管制員更直觀地判斷兩個點融合系統(tǒng)上航空器的間隔且不造成空域使用浪費，應當將兩個融合點到后續(xù)航路共用點的距離設置為相等。

由于到達流的整合具有漸進性，可以設想設計連續(xù)點合并系統(tǒng)，對應的是一種“串聯(lián)”配置。利用串聯(lián)設計將E-TMA/TMA 或進近管制空域分開，如圖4 所示。但請注意，這種配置尚未經(jīng)過測試。

圖4 串聯(lián)點融合系統(tǒng)示意圖

1.2 終端區(qū)運行模式

根據(jù)終端區(qū)的運行環(huán)境和管制模式，點融合系統(tǒng)在終端區(qū)的應用中主要分為常規(guī)運行模式和非常規(guī)運行模式。

如圖5 所示，在常規(guī)的運行模式下，點融合系統(tǒng)的運行模式主要分為兩個主要階段：

圖5 點融合系統(tǒng)的常規(guī)運行模式

1）在沒有管制干預的情況下進行路徑延伸，讓航空器沿著排序弧飛行。當與前一航空器之間達到適當?shù)拈g距時，向航空器駕駛員發(fā)出“Direct-To”融合點指令。

2）當航空器離開排序弧之后，通過速度控制來維持航空器之間的間隔。

一般情況下，航空器在點融合系統(tǒng)內(nèi)的運行按照常規(guī)運行模式。當運行過程中出現(xiàn)特殊情況時，非常規(guī)運行模式在終端區(qū)的應用中起到了重要作用，點融合系統(tǒng)通過備用程序解決在運行過程中的特情。其中，對于特情的處置，主要分為未發(fā)布直飛指令和復飛的情況。

1）未發(fā)布直飛指令。當航空器經(jīng)過飛越航路點仍未收到“直飛（Direct-to）”指令，即排序弧溢出。處理排序弧溢出的方法有兩種，如圖6 所示，第一種方法為航空器自動轉(zhuǎn)彎飛向融合點，這種設計使航空器駕駛員更加明確轉(zhuǎn)彎時機，同時保證航空器飛完排序弧的最后一個點；第二種方法為航空器將基于旁切點轉(zhuǎn)彎，此種設計更好地控制航空器的飛行軌跡，防止航空器飛到旁切點外的區(qū)域。

圖6 點融合系統(tǒng)備用程序

2）復飛。如圖7 所示，復飛之后一般分兩種情況，一種是與起始進近定位點銜接，如圖7（a）所示，即經(jīng)過復飛程序后回到起始進近點，重新進入融合點進近程序。另一種是與排序邊銜接，如圖7（b）所示，復飛后進入與排序弧等距的虛擬弧，從虛擬弧進入排序弧，從而進入融合點程序。

圖7 點融合系統(tǒng)復飛程序示意圖

2 國內(nèi)外PMS 的相關參數(shù)對比

PMS 目前已經(jīng)成功地應用于挪威、愛爾蘭、法國等17 個國家的25 個機場，遍布四大洲［12-13］。在對點融合系統(tǒng)的應用過程中，不同機場之間的點融合系統(tǒng)相關參數(shù)也有所不同，需要密切結(jié)合當?shù)乜沼蚪Y(jié)構(gòu)、交通流量、機場條件等設置點融合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并且權(quán)衡各類設計參數(shù)設置，同時盡量結(jié)構(gòu)簡單、整體對稱，保持點融合系統(tǒng)簡單、直觀，并滿足安全的運行原則。

選取國外6 個機場和國內(nèi)的上海浦東機場和廣州白云機場對點融合系統(tǒng)內(nèi)的角度參數(shù)和距離參數(shù)設計進行比對，見表1 和表2，最后結(jié)合點融合應用過程中的角度參數(shù)和距離參數(shù)的推薦值進行比較分析。

表1 點融合系統(tǒng)角度參數(shù)對比

表2 點融合系統(tǒng)距離參數(shù)對比

通過對比不同機場點融合系統(tǒng)內(nèi)的關鍵參數(shù)，不難發(fā)現(xiàn)參數(shù)的設置是根據(jù)機場終端區(qū)的運行環(huán)境所決定的。但是不同參數(shù)的大小設置應該滿足點融合系統(tǒng)的運行規(guī)則。其中，排序邊到融合點的距離用于下降高度，對于其設置視融合點高度限制和下降梯度決定；內(nèi)外排序邊的長度主要用于吸收延誤，長度越長，吸收能力越強；內(nèi)外邊為內(nèi)高外低，為了滿足系統(tǒng)內(nèi)的安全運行，內(nèi)外邊距離不應低于1 n mile；對于包圍角δ的設置應該避免過大，減少不同方向進場交通流對風的敏感性。

3 國內(nèi)PMS 應用實例

白云機場終端區(qū)共5 個進場移交點，如圖8 所示，分別為ATAGA、IGONO、P270、IDUMA、GYA，其中，ATAGA 進場移交點為來自華北方向的航班，移交高度為4 200 m，占進港總量的20%；IGONO 進場移交點為來自華東方向的航班，移交高度為4 500 m，占進港總量的30%；P270 為來自東南沿海方向的航班，移交高度為4 800 m，占進港總量的6%；IDUMA 為來自香港東南亞方向的航班，移交高度為4 200 m，占進港總量的11%；GYA 為來自海南方向的航班，移交高度為3 900 m，占進港總量的33%。

圖8 廣州白云機場終端區(qū)

機場傳統(tǒng)運行進場圖如圖9 所示，2020 年3 月12 日啟動點融合程序的設計，通過對來自機場終端區(qū)北向的6 條進場航線進行技術研究分析，在設計點融合進近程序時，對來自AGATA 和IGONO 進場方向的航班進行點融合系統(tǒng)運行模式設計。

圖9 廣州白云機場標準儀表進場圖

圖10 為白云機場的點融合設計圖，其中排序弧采用完全重疊模式，內(nèi)排序弧以GG820 點為圓心，55 km 為半徑。外排序弧以GG820 點為圓心，65 km為半徑。根據(jù)飛行間隔標準，內(nèi)外弧上設置4 個定位點，將內(nèi)弧分為等分的5 段。在實際實施過程中，通過對高度、水平距離和速度進行控制來運行。對于高度控制，IRTAT 方向進港航空器，應在IRTAT前必須到達4 200 m（含）以下的高度進入外排序邊，以免反向運行的航空器發(fā)生飛行沖突。外排序邊的航空器在排序邊飛行時，可以根據(jù)需要機組繼續(xù)下降高度，但不得低于3 300 m（含）。OLPAB 方向進港航空器，應保持4 500 m（含）以上的高度飛越GG814，嚴禁低高度進入內(nèi)排序邊，以免與反向運行的航空器發(fā)生飛行沖突。必須保持4 500 m（含）以上的高度。當內(nèi)排序邊航空器脫離排序邊轉(zhuǎn)向融合點飛行后，可指令航空器繼續(xù)下降高度，但要注意必須與內(nèi)排序邊上飛行的其他航空器及外排序邊轉(zhuǎn)向融合點后穿越內(nèi)排序邊的航空器配備足夠安全間隔；對于水平控制，嚴格按照排序邊飛行。按13～15 km 的目標間隔依次調(diào)配各排序邊上的航空器脫離排序邊飛向融合點。包絡區(qū)間嚴禁偏航。遵循“先到先服務”的原則，按照進入點融合程序的先后次序依次調(diào)配內(nèi)外排序邊的航空器逐個脫離排序邊轉(zhuǎn)向融合點。特殊及重要航班（特殊任務航班、特情航班等）可以為航空器提供優(yōu)先服務，優(yōu)先指揮航空器脫離排序邊轉(zhuǎn)向融合點；對于速度控制，排序邊上必須嚴格按照速度限制飛行。在內(nèi)外側(cè)排序邊上，保持250 Kt 速度飛行，不得對航空器進行速度調(diào)整。轉(zhuǎn)向融合點至融合點脫離的階段嚴格遵守速度限制。特殊情況下為保證安全間隔，可以適當調(diào)整航空器速度，但該速度不得小于220 Kt（含）。

圖10 廣州白云機場終端區(qū)點融合進近程序

提取廣州白云機場某天的航班計劃對終端區(qū)傳統(tǒng)進近程序和PMS 運行模式進行實時仿真，得到表3 的結(jié)果。

表3 傳統(tǒng)運行模式和PMS 運行模式比對

通過對實時的仿真結(jié)果進行分析，可以發(fā)現(xiàn)在大流量條件下點融合技術可以提高進港效率和終端區(qū)的運行品質(zhì)。其中，在進港質(zhì)量方面，使用點融合運行模式可以使航班的間隔十分均勻；在管制員工作負荷方面，指令數(shù)減少24%～33%，對于航向指令而言，幾乎減少至零，降低了管制員的工作負荷的同時，也使管制員更精準地掌握飛行動態(tài)，完成管制任務。

4 結(jié)語

作為一種新型的進場程序，點融合進近程序有其獨特的優(yōu)勢，在緩解終端區(qū)管制員工作負荷和增加航班準確率方面有著積極的作用。從點融合系統(tǒng)的設計和終端區(qū)應用方面進行敘述，最后結(jié)合國內(nèi)機場終端區(qū)的應用實例進行了實時對比分析，可以為點融合技術在中國其他大型運輸機場終端區(qū)的應用提供參考。