基于PBN飛行程序的機(jī)場空域容量研究

摘要：隨著民航業(yè)的迅速發(fā)展，空域容量成為限制機(jī)場容量的瓶頸因素，而飛行程序又直接影響空域結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響空域容量，通過PBN飛行程序重構(gòu)終端區(qū)的空域結(jié)構(gòu)，構(gòu)建基于飛行程序的容量模型，對空域容量進(jìn)行科學(xué)計(jì)算。

關(guān)鍵詞：PBN飛行程序;空域規(guī)劃;空域容量模型

PBN即基于性能的導(dǎo)航，是國際民航組織于2006年正式提出，它包括區(qū)域?qū)Ш剑≧NAV）和所需性能導(dǎo)航（RNP）兩部分。它是指基于在指定空域內(nèi)飛機(jī)沿ATC航路或儀表進(jìn)近程序的特定的系統(tǒng)性能要求。性能要求是以準(zhǔn)確性，完整性，連續(xù)性和可用性為特征[1]。

傳統(tǒng)的飛行程序的導(dǎo)航方式是接受地面導(dǎo)航臺的信號，區(qū)域?qū)Ш剑≧NAV）飛行程序是接受星基導(dǎo)航或者陸基導(dǎo)航，所需性能導(dǎo)航（RNP）飛行程序則只接受星基導(dǎo)航。PBN飛行程序的星基導(dǎo)航方式?jīng)Q定了其可以不受陸基導(dǎo)航臺站的限制，使其具有靈活使用空域的特點(diǎn)，這也從根本上決定了PBN飛行程序是解決我國目前空域擁擠、航空器沖突、航班延誤情況嚴(yán)重、噪聲污染嚴(yán)重、管制員工作負(fù)荷過高等問題的有效途徑。國際民航組織認(rèn)為基于性能導(dǎo)航的飛行程序是未來解決空域問題的關(guān)鍵，是程序發(fā)展的方向。同中國情況較為類似的歐洲已經(jīng)制定了詳細(xì)的PBN發(fā)展計(jì)劃，國際民航組織也有具體的PBN實(shí)施方案。我國在這方面的研究和部署雖然起步較歐洲晚一些，但中國民航局已經(jīng)制定了我國的具體PBN發(fā)展的戰(zhàn)略實(shí)施計(jì)劃，明確了PBN飛行程序的優(yōu)點(diǎn)和發(fā)展空間，指出PBN飛行程序的發(fā)展目標(biāo)是在我國的航路飛行和終端區(qū)飛行中逐步取代現(xiàn)有的傳統(tǒng)飛行程序。

終端區(qū)空域結(jié)構(gòu)一般包括進(jìn)出走廊口（終端區(qū)入口和出口）、標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)離場航線、起始進(jìn)近航線、中間進(jìn)近航線、最后進(jìn)近航線、復(fù)飛航線、等待航線。

運(yùn)行PBN飛行程序的空域結(jié)構(gòu)同運(yùn)行傳統(tǒng)程序的空域結(jié)構(gòu)有著很大不同。傳統(tǒng)的飛行程序采用陸基導(dǎo)航的方式，要求飛機(jī)飛越或旁切導(dǎo)航設(shè)備，這樣航跡的選擇比較固定，難免在導(dǎo)航臺位置造成航路的交叉，空域利用率低，PBN飛行程序則可以在導(dǎo)航信號覆蓋范圍之內(nèi)，或在機(jī)載導(dǎo)航設(shè)施的能力限制之內(nèi)，或二者的組合，沿任意期望的航徑飛行，這就使飛行程序設(shè)計(jì)不再受制于導(dǎo)航臺的位置，可以更加科學(xué)、靈活利用空域，也極大的改變了終端區(qū)空域的結(jié)構(gòu)，更好的實(shí)現(xiàn)進(jìn)離場分離，避免交叉航路的出現(xiàn)，使終端區(qū)的空域結(jié)構(gòu)更加合理。

由于PBN飛行程序航跡選擇靈活的特點(diǎn)，基于PBN飛行程序運(yùn)行的終端區(qū)空域同運(yùn)行傳統(tǒng)飛行程序的空域相比，結(jié)構(gòu)較為規(guī)范，各進(jìn)離場航線，進(jìn)近航線之間存在的交叉點(diǎn)較少，進(jìn)離場分離的工作在PBN飛行程序的設(shè)計(jì)過程中也比較容易完成，即使像廈門這樣空域資源較為緊張的情況，結(jié)合高度限制，也可以使進(jìn)離場的飛機(jī)流的相互影響降到最小程度。這樣，對終端區(qū)空域容量的分析和建模就可以在較為理想的情況下進(jìn)行。

假設(shè)兩架機(jī)型分別為a和b的飛機(jī)先后進(jìn)入終端區(qū)空域，前機(jī)a從終端區(qū)m口進(jìn)入，后機(jī)b從終端區(qū)n口進(jìn)入，不同機(jī)型出現(xiàn)的概率相互獨(dú)立，互不影響，這種情況出現(xiàn)的概率為[2]：

上式中各符號的意義如下表所示：

假設(shè)跑道入口為O點(diǎn)，即最后進(jìn)近定位點(diǎn)為O點(diǎn)，則兩種類型飛機(jī)相繼通過O點(diǎn)的平均時(shí)間間隔為：

其中為a，b兩種類型飛機(jī)通過最后進(jìn)近定位點(diǎn)的最小時(shí)間間隔。

由上式可得進(jìn)入終端區(qū)空域的容量，即終端區(qū)空域到達(dá)容量：

從以上公式的計(jì)算過程可以看出，a，b兩種類型的飛機(jī)通過最后進(jìn)近點(diǎn)的平均時(shí)間間隔為求得終端區(qū)空域到達(dá)容量的關(guān)鍵，而要求得這個(gè)平均時(shí)間間隔，就要先計(jì)算進(jìn)入終端區(qū)空域的任意兩架航空器間的最小距離，通過距離，求出它們的最小時(shí)間間隔，從而利用公式求得兩架飛機(jī)的平均時(shí)間間隔。這樣問題就轉(zhuǎn)化成了計(jì)算任意兩架航空器之間的距離和方位，為解決此問題，對終端區(qū)的空域進(jìn)行理想狀態(tài)下的呈現(xiàn)，將跑道入口即最后進(jìn)近定位點(diǎn)O點(diǎn)作為原點(diǎn)，跑道方向即飛機(jī)的起飛著陸方向做為X軸，水平方向和垂直方向分別作為Y軸和Z軸，這樣，將終端區(qū)空域建立為一個(gè)右手直角坐標(biāo)系。根據(jù)PBN飛行程序的設(shè)計(jì)情況確定終端區(qū)空域結(jié)構(gòu)，通過進(jìn)入終端區(qū)空域的不同類型飛機(jī)的性能數(shù)據(jù)，計(jì)算航班在某一時(shí)刻內(nèi)在該坐標(biāo)系內(nèi)的位置坐標(biāo)，從而求得任意兩架航空器之間的距離和相對位置。

對于終端區(qū)的離場容量，其模型建立原理同進(jìn)場容量模型相同，計(jì)算過程和公式運(yùn)用都同進(jìn)場容量模型相似，模型中涉及參數(shù)為離場航空器運(yùn)行參數(shù)。

終端區(qū)空域容量評估需要的參數(shù)如下：

PBN飛行程序的設(shè)計(jì)方案。通過PBN飛行程序的設(shè)計(jì)方案，得到個(gè)導(dǎo)航定位點(diǎn)，并把這些定位點(diǎn)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化到評估模型中建立的坐標(biāo)系中，完成對空域結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。

機(jī)型比例。不同的航空器在隨機(jī)飛機(jī)流中所占比例，重型、中型還是輕型航空器。

進(jìn)離場航空器的比例。進(jìn)場航空器和離場航空器的間隔計(jì)算算法雖然大體相似，但是進(jìn)場航空器和離場航空器在速度、程序、占用跑道時(shí)間上都有很大不同，需要不同的參數(shù)來進(jìn)行計(jì)算。

不同機(jī)型航空器的速度參數(shù)。不同機(jī)型航空器在起飛或者進(jìn)近階段所采用的平均速度，它是沖突判斷算法中非常重要的參數(shù)。

管制員反應(yīng)時(shí)間和空管系統(tǒng)延遲。實(shí)際的操作情況中，管制員存在反應(yīng)的時(shí)間和空管設(shè)備的通話延遲時(shí)間。

通過確定機(jī)型比例，進(jìn)離場飛機(jī)比例，速度范圍，隨機(jī)飛機(jī)流的數(shù)目等參數(shù)的確定，產(chǎn)生隨機(jī)的飛機(jī)流;接著確定PBN飛行程序運(yùn)行條件下的空域結(jié)構(gòu)參數(shù)，將飛行程序涉及到的各個(gè)定位點(diǎn)經(jīng)緯度輸入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫;根據(jù)進(jìn)入終端區(qū)的飛機(jī)架次及運(yùn)行時(shí)間可計(jì)算空域容量[3]。

參考文獻(xiàn)：

[1] David K.Schmidt. A queuing analysis of the air traffic controller’s work load. IEEE Transactions on systems，man，and cybernetics，June 1978，Vol. Smc-8，No.6：492-498

[2] 王曉敏. 基于MONTE-CARLO隨機(jī)模擬方法的空域容量評估[D]. 南京：南京航空航天大學(xué)，2010[3]

[3]倪寅.基于性能導(dǎo)航（PBN）運(yùn)行的廈門翔安機(jī)場容量評估[D]. 廣漢：中國民航飛行學(xué)院，2013

基金項(xiàng)目：青年基金Q2014-013 基于PBN飛行程序的機(jī)場空域容量研究。