終端區(qū)點(diǎn)融合系統(tǒng)研究與論述

謝丹紅 張嘉銳＊

（1.北京頤和工程監(jiān)理有限責(zé)任公司，北京 100000；2.中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院，天津 300000）

隨著民航業(yè)蓬勃發(fā)展，民航運(yùn)輸體系也在不斷拓展，大型運(yùn)輸機(jī)場終端區(qū)的保障服務(wù)能力暫時(shí)不能適應(yīng)這種變化，導(dǎo)致航班延誤概率持續(xù)增加。終端區(qū)作為進(jìn)離場航空器的過渡區(qū)域，終端區(qū)的運(yùn)行效率與航班的準(zhǔn)點(diǎn)率密切相關(guān)。傳統(tǒng)的儀表飛行程序不能滿足大流量情況下的航空器運(yùn)行，管制員經(jīng)常利用開環(huán)雷達(dá)引導(dǎo)的方式為航空器提供方向指引。雷達(dá)引導(dǎo)雖然靈活高效，但存在管制員工作負(fù)荷大，無線電通信頻道擁堵，航空器安全間隔難把握等問題。當(dāng)流量超過扇區(qū)最大容量時(shí)，將會引起大面積擁堵和延誤，嚴(yán)重影響航空器的運(yùn)行效率和安全。所以，為了克服雷達(dá)引導(dǎo)的缺點(diǎn)，提高終端區(qū)空域的運(yùn)行效率，國際民航組織提出點(diǎn)融合程序。

點(diǎn)融合系統(tǒng)（Point Merge System，PMS）是由歐洲控制實(shí)驗(yàn)中心在2006年開發(fā)的一種測序到達(dá)流的系統(tǒng)化方法。區(qū)別于雷達(dá)引導(dǎo)，點(diǎn)融合技術(shù)是一種基于性能導(dǎo)航技術(shù)，并將進(jìn)場程序和排序空域方面集成應(yīng)用的新型程序，由雷達(dá)的開環(huán)引導(dǎo)航向，變?yōu)殚]環(huán)直飛融合點(diǎn)指令，實(shí)現(xiàn)對多方向進(jìn)場交通流排序和間隔管理，成為優(yōu)化空域、增加終端區(qū)運(yùn)行容量、減輕管制員工作負(fù)荷和提高空域運(yùn)行效率的新技術(shù)。

1 PMS的組成部分

基于性能導(dǎo)航PBN技術(shù)與雷達(dá)管制相結(jié)合，點(diǎn)融合技術(shù)是一種對進(jìn)場航空器的飛行軌跡進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)的進(jìn)場飛行程序。管制員可以對PMS程序中運(yùn)行的航空器進(jìn)行著陸排序，以期減小延誤，降低管制員工作負(fù)荷。

完整的PMS是由融合點(diǎn)、定位點(diǎn)以及排序邊組成的近似扇形的空域結(jié)構(gòu)。點(diǎn)融合程序運(yùn)行示意圖如圖1所示。

圖1 點(diǎn)融合程序運(yùn)行示意圖

（1）融合點(diǎn)。

融合點(diǎn)是一個(gè)具有高度空間的經(jīng)緯度坐標(biāo)點(diǎn)，在終端區(qū)范圍內(nèi)負(fù)責(zé)航空器的集成疏導(dǎo)，將不同方向的航班交通流匯集在該點(diǎn)，形成一條排序合理，間隔得當(dāng)，相對統(tǒng)一的著陸交通流。

選取融合點(diǎn)位置時(shí)，應(yīng)該確保不影響原有的飛行程序，并將點(diǎn)融合技術(shù)融入原有的飛行程序中，保證航空器能夠高效率地進(jìn)場排序降落。一般情況下，融合點(diǎn)的最理想位置是距離五邊距離相等的點(diǎn)位，如起始定位點(diǎn)附近位置。若該機(jī)場終端區(qū)存在空域不允許的情況，也可以設(shè)置于距離三邊較近的位置。

（2）定位點(diǎn)。

定位點(diǎn)主要由旁切航路點(diǎn)和飛越航路點(diǎn)組成。旁切點(diǎn)一般位于內(nèi)外排序弧上的幾個(gè)區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ稽c(diǎn)，使飛機(jī)可以在排序弧上以較小的角度運(yùn)行，主要是幫助管制員判斷航空器之間間隔，防止航空器相撞。飛越點(diǎn)一般在排序弧最后一點(diǎn)，當(dāng)飛機(jī)到達(dá)飛越點(diǎn)上空時(shí)，若未收到管制員的直飛指令，航空器應(yīng)立即轉(zhuǎn)彎直飛融合點(diǎn)，執(zhí)行應(yīng)急程序。

（3）排序邊。

排序邊是以融合點(diǎn)為圓心的近似圓弧航段，類似于扇形的內(nèi)外兩條弧，每條弧上的航空器到融合點(diǎn)的距離相等。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)用于拉伸或縮短航空器的飛行路徑，從而增加或減少等待時(shí)間，使航空器在點(diǎn)融合系統(tǒng)上進(jìn)行安全地排序等待。

航空器在排序邊上飛行時(shí)可隨時(shí)被管制員按照實(shí)際情況進(jìn)行轉(zhuǎn)彎引導(dǎo)，直飛融合點(diǎn)；未收到直飛指令的航空器則繼續(xù)在排序弧上等待飛行，但管制員仍可通過在排序弧上的航空器發(fā)布指令調(diào)整航空器在排序弧上的飛行時(shí)間，從而滿足航空器之間的間隔。

為了保證靠近外部的排序邊航跡上的航空器直飛融合點(diǎn)過程中可以穿越內(nèi)部排序邊，確保兩條排序邊有一定的高度差，即垂直間隔，設(shè)計(jì)內(nèi)部排序邊高度高于外部排序邊。內(nèi)外排序邊需要滿足最小垂直間隔與水平間隔限制，避免不同方向的飛機(jī)發(fā)生沖突。

2 PMS的設(shè)計(jì)原理

點(diǎn)融合結(jié)構(gòu)是一個(gè)扇形區(qū)域形狀，基于單一排序邊上所有點(diǎn)到融合點(diǎn)距離相等的原理，最終目的是整合終端區(qū)航空器到達(dá)流，保證航空器之間的安全間隔，共包括兩個(gè)階段：創(chuàng)造間隔和保持間隔。通過這兩個(gè)階段，可使航空器飛過排序段，達(dá)到足夠的間隔，進(jìn)而使ATC向融合點(diǎn)發(fā)出“直達(dá)”指令。飛機(jī)將立即進(jìn)行轉(zhuǎn)彎并直飛融合點(diǎn)，完成最后進(jìn)近階段。

PMS設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮運(yùn)行環(huán)境、空域結(jié)構(gòu)、超障要求、下降梯度等因素[1]。對于超障，由于進(jìn)場航空器可以從排序邊任意點(diǎn)轉(zhuǎn)向融合點(diǎn)，故融合點(diǎn)與排序邊所圍區(qū)域內(nèi)部的超障應(yīng)全部按飛行程序保護(hù)區(qū)主區(qū)進(jìn)行評估，融合點(diǎn)與排序邊所圍區(qū)域外部的超障按飛行程序保護(hù)區(qū)主區(qū)和副區(qū)進(jìn)行評估。

3 PMS系統(tǒng)構(gòu)型及運(yùn)行模式

點(diǎn)融合系統(tǒng)根據(jù)融合點(diǎn)的個(gè)數(shù)可以分為單點(diǎn)融合系統(tǒng)和多點(diǎn)融合系統(tǒng)。根據(jù)排序弧重疊部分可以分為全長重疊、部分飛行路徑重疊和完全相隔分離三種情況。運(yùn)行過程中，若有特殊情況出現(xiàn)，點(diǎn)融合系統(tǒng)可分為正常情況運(yùn)行和非正常情況運(yùn)行。PMS程序排序弧不同幾何構(gòu)型如圖2所示。

圖2 PMS程序排序弧不同幾何構(gòu)型

多點(diǎn)融合系統(tǒng)是將兩個(gè)或兩個(gè)以上的單點(diǎn)融合系統(tǒng)并聯(lián)或串聯(lián)起來，使航空器匯聚到同一個(gè)融合點(diǎn)，進(jìn)而有效處理多個(gè)不同方向進(jìn)場航空器流的排序及進(jìn)近著陸情況。但目前多點(diǎn)融合系統(tǒng)多為并聯(lián)方式，未使用串聯(lián)方式。并聯(lián)多點(diǎn)融合系統(tǒng)又可分為完全對稱型、小偏置型、大偏置型三類。

完全對稱型進(jìn)場航空器飛越融合點(diǎn)后存在對頭飛行，沖突較大，管制員需要配置不同的高度層，尤其是當(dāng)流量過大時(shí)，運(yùn)行難以實(shí)現(xiàn)，因此使用較少。偏置型并聯(lián)多點(diǎn)融合系統(tǒng)通過相互偏置不同的PMS，避免對頭飛行，并借助偏置的進(jìn)場航線，為管制員調(diào)配不同PMS進(jìn)場航空器匯聚時(shí)的潛在飛行沖突提供幫助。但小偏置型的調(diào)配時(shí)機(jī)較短，文章推薦使用大偏置型并聯(lián)多點(diǎn)融合系統(tǒng)。

在排序邊的豎直間隔方向上按照飛行航跡分為保持平飛、先下降再保持和連續(xù)下降三類情況。在排序邊上，飛行路徑的方向可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置成相同方向和相反方向的不同情況。

在實(shí)際的空域管制運(yùn)行中，終端區(qū)域內(nèi)可以根據(jù)不同的流量情況、環(huán)境變化，結(jié)合多種方式組合成不同的航空器飛行情況，不斷調(diào)整設(shè)計(jì)，使空域運(yùn)行更加高效合理。

點(diǎn)融合程序特殊情況匯總[2]如表1所示。點(diǎn)融合程序具有向下兼容的雷達(dá)引導(dǎo)功能，管制員可以在飛行過程中指揮航空器恢復(fù)雷達(dá)引導(dǎo)模式運(yùn)行，提供優(yōu)質(zhì)的飛行保障。

表1 點(diǎn)融合程序特殊情況匯總

4 PMS程序優(yōu)勢及效率評估實(shí)例

4.1 與區(qū)域?qū)Ш浇Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

為了高效地進(jìn)行終端區(qū)進(jìn)場航段交通流的排序與管理，解決空域擁擠問題，終端區(qū)多采用區(qū)域?qū)Ш剑鋵?dǎo)航方式為開環(huán)雷達(dá)引導(dǎo)，雷達(dá)引導(dǎo)存在部分問題，如導(dǎo)致管制員工作負(fù)荷大、無線電通信頻道擁堵、航空器安全間隔難把握等。當(dāng)航空器流量超過扇區(qū)最大容量時(shí)，會引起大面積擁堵和延誤，嚴(yán)重影響航空器的運(yùn)行效率和安全。歐洲為了解決空域流量擁擠問題，在進(jìn)行相關(guān)研究后，學(xué)者提出了早期的點(diǎn)融合系統(tǒng)技術(shù)雛形，即匯聚沒有航向引導(dǎo)的單跑道進(jìn)離場航班流。僅考慮一條跑道的方式能夠有效貼合跑道本身的航班流特質(zhì)，對于不同的跑道構(gòu)型可以設(shè)置特殊的進(jìn)離場程序。在多個(gè)機(jī)場進(jìn)行模擬驗(yàn)證后，管制員對于航空器下達(dá)的指令數(shù)和頻道占用率明顯減少，證明了點(diǎn)融合程序的優(yōu)勢性和可行性。

點(diǎn)融合系統(tǒng)的進(jìn)場程序結(jié)構(gòu)是建立在多維立體的環(huán)形航路上，體現(xiàn)了將交通流進(jìn)行融合的目標(biāo)特征。在匯聚集中過程中的特點(diǎn)表現(xiàn)為：每個(gè)圓弧排序邊與融合點(diǎn)的位置距離需要近似的距離相同，相鄰排序邊的側(cè)向間隔具有一定空間，一條排序邊上的前后兩個(gè)航空器留有足夠的間距，在內(nèi)部排序邊與外部排序邊之間存在設(shè)定好的高度差形成垂直間隔，在同一個(gè)三維立體空間內(nèi)，航空器的三維安全間隔都得到了有效保障。

與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)儀表進(jìn)場程序結(jié)構(gòu)相比，點(diǎn)融合系統(tǒng)表現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)為：在終端區(qū)機(jī)動區(qū)域內(nèi)，交通流航路更加簡潔直觀；融合點(diǎn)之后，航跡相對統(tǒng)一，航跡指令更準(zhǔn)確；PMS解決了排序和間隔問題，確定了航空器的著陸順序，有利于進(jìn)近；連續(xù)下降的方式，噪音降低，利于環(huán)保[3]；輔助飛行員建立更好的情景意識，減少管制員的工作負(fù)荷。

4.2 PMS效率評估及優(yōu)化管理實(shí)例

Boursier等提出了不使用航向指令的合并到達(dá)流的點(diǎn)融合系統(tǒng)方法。小規(guī)模實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，點(diǎn)融合方法在高密度交通需求下表現(xiàn)良好。通過快速時(shí)間模擬技術(shù)將點(diǎn)融合與雷達(dá)引導(dǎo)方法進(jìn)行比較，結(jié)果表明，與雷達(dá)引導(dǎo)相比，點(diǎn)融合模型的管制員平均負(fù)荷減少20%，對飛行員的指令數(shù)減少30%。NATS證實(shí)通過使用點(diǎn)融合技術(shù)，2013年在都柏林機(jī)場降落的航空公司將燃油需求降低了19.1%；飛機(jī)縮短了11.3 km的飛行時(shí)間。點(diǎn)融合技術(shù)節(jié)省了23 500 t CO2，同比減少了19%。目前，PMS技術(shù)已經(jīng)推廣到羅馬、布魯塞爾、日內(nèi)瓦等國家，也為全面實(shí)施4D航跡運(yùn)行管理奠定了重要基礎(chǔ)。在國內(nèi)民用運(yùn)輸機(jī)場中，2019年～2021年，上海、廣州、深圳相繼展開電融合系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并陸續(xù)投入使用[4]。

5 結(jié)語

PMS在雷達(dá)管制實(shí)時(shí)監(jiān)視空域態(tài)和RANV導(dǎo)航靈活性的優(yōu)勢之上，基于排序邊上任意點(diǎn)至融合點(diǎn)距離相等的原理，可以高效地解決和調(diào)配終端區(qū)密集的航班流，解決不同方向進(jìn)場航班流的沖突調(diào)配和排序問題。經(jīng)過大量機(jī)場實(shí)施驗(yàn)證對比，PMS與傳統(tǒng)程序相比，指令數(shù)大幅度減少，減小了飛行員和管制員的工作負(fù)荷，減緩了因?yàn)楹桨嗝芗斐傻难诱`，進(jìn)一步提升空域中的飛行安全和運(yùn)行效率。