新技术应用背景下缩减管制间隔分析与探讨

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　　摘 要：管制间隔的大小是影响空中交通管理系统容量的决定性因素，间隔标准的确定需要评估航空器的位置误差是否满足一定的安全目标水平。随着各项航行新技术的涌现，航空器的轨迹保持能力已有极大的提升，给进一步缩减管制间隔标准带来了可能性和可行性。机载及空管设备能力、航空器尾流以及人为因素等都是评估间隔标准的影响因素，本文根据各项新技术应用情况，对管制间隔的缩减进行分析和探讨。
　　关键词：空管系统效率;安全间隔;CNS性能;动态尾流
　　在空域及机场容量日趋饱和的今天，每增加一架航空器对整个空中交通管理系统所带来的压力空前。在新辟航路、增加空域资源无法得到有效解决的情况下，依托各项航行新技术的应用，科学评估航空器位置誤差和碰撞风险，在满足安全目标水平基础上进一步缩减安全间隔标准，深挖空域资源潜能，提升运行容量和通行能力，是空管领域进行供给侧结构改革的必由之路。
　　事实上，新技术的应用一直都是缩减管制间隔的重要原因。在程序管制阶段，管制员无法精确获得航空器位置，所以难以实时监控航空器，所有的航行要素均需飞行员主动报告，这种被动的管制方式导致容错度很低，需要较大的间隔裕度来保证安全，这也导致空管效率极其低下，空域资源极大浪费;随着一次雷达（PSR）技术的应用，管制员可以在屏幕上实时看到很多航行要素，管制员随时可以根据需要要求驾驶员调整，提升了运行效率和安全水平，减少了判断失误带来的风险;伴随着二次雷达（SSR）、广播式自动相关监视（ADS-B）等技术的出现，目前雷达管制的最小间隔已经降低到了10km（航路）和6km（进近）。可以预见，随着更多新技术的应用，从技术角度不断为管制间隔的进一步缩减扫清了障碍。
　　6月11日，民航局召开月度安全运行形势分析会，民航局局长冯正霖强调，民航高质量发展的根本水平体现在规章标准的科学性和先进性上。就民航规章标准建设，冯局长特别指出：规章标准建设要为充分发挥航空技术装备性能提供空间。要在确保安全的前提下，大力清理那些已被现代科学技术突破、已有民航成功实践证明，但仍在执行的不科学的、束缚性能的、影响运行效率的规章规定要求，绝不能让老规章成为束缚航行新技术发展的“保护伞”。可以说，我们所处的时代需要我们打破“不符合时代要求的”旧规章的束缚，在保证安全前提下破除“规章壁垒”，推动规章建设。
　　本文将就新技术的应用及新理念的提出，分别针对不同类型的间隔，对管制间隔的缩减进行科学的分析与深入的探讨，以期为有效释放空域资源、提升管制容量和效率，降低由于管制原因导致的延误提供一种新的思路。
　　1 间隔分类
　　空中交通管制安全间隔（简称管制间隔），是航空器在运行过程中需要与某物（包括其他航空器、障碍物等）需要保持的空间或时间间隔。其中，航空器与障碍物间的高度主要通过最低安全高度（MSA）体现;而航空器间的间隔从方向上可分为水平间隔（包括纵向和侧向间隔）和垂直间隔。航空器间的间隔根据飞行方式的不同，又分为目视飞行间隔和仪表飞行间隔，运输类飞机在航路飞行及仪表着陆阶段执行仪表飞行规则，适用仪表飞行间隔，通航所使用的飞机一般具有“低慢小”特征，大多执行目视飞行规则，适用目视飞行间隔。本文主要以水平间隔为研究对象，分析影响间隔标准制定的各因素变化趋势及对进一步缩减间隔的可行性。
　　影响间隔标准制定的因素主要有设备性能、气动特性、人为因素等。其中设备性能主要包括机载设备和空管设备两方面的通信、导航及监视（CNS）设备性能，人为因素主要包括驾驶员飞行技术、管制员管制能力及知觉反应能力等，这些因素会导致航空器真实位置与标称位置之间存在一定的位置误差，这种误差会导致碰撞风险的提升，影响飞行安全。理论上，位置误差越小，满足同样的安全目标水平所需的安全间隔值也越小。而气动性能则主要考虑现代固定翼飞机机翼在翼尖处由于上下翼面压力差所致的翼尖涡，这种涡流主要向飞行方向后下方运动，是尾流的主体部分。进入前机尾流区域的飞机会发生失速、颠簸、抖震等危险现象，因此需要根据尾流强度、消散情况规定尾流间隔。一般来说，飞行速度越大、重量越大，产生的尾流强度也越大，尾流消散所需的时间也越大，后机所对应的尾流间隔也越大;类似于大部分的颠簸和乱流，后机机型尺寸越大其应对尾流的能力越强，受到尾流的影响也越小。
　　根据以上分析可知，为了进一步缩减管制间隔，可以从减小位置误差和减弱尾流影响两个角度作为切入点。下面将分别就设备性能和尾流特性两个方面方面涌现出的新技术、新理念对管制间隔的影响进行阐述。
　　2 设备性能
　　机载设备主要依赖与空管设备形成一套空-地/空-空系统实现其功能，独立的机载自主间隔保持技术主要有空中防撞系统（Traffic Collision Avoidance System，TCAS）、机载防撞系统（Airborne Collision Avoidance System，ACAS）及机舱交通信息显示（Cockpit Display of Traffic Information，CDTI）等，空管设备主要包括通信、导航及监视方面的新技术手段，如管制员和驾驶员数据链通信（Controller Pilot data Link Communications，CPDLC）、基于性能的导航（Performance Based Navigation，PBN）及广播式自动相关监视（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，ADS-B）等。
　　2.1 TCAS/ACAS技术
　　TCAS/ACAS是安装在中、大型飞机上的一组航电系统，装备该系统的飞机之间可以有效降低空中相撞风险。美国民航体系称之为空中交通预警和防撞系统（TCAS），而欧洲民航体系称之为机载防撞系统（ACAS），两个系统含义和功能类似，差别不大。
　　其中，TCAS系统分为TCAS I和TCAS II两种，TCAS I主要使用在通用航空飞机上，TCAS II主要使用在航线（公共航空运输）飞机上。然而TCAS I只可以提供交通讯息（TA），帮助驾驶员寻找冲突飞机，无法提供有冲突解脱的动作建议的决断咨询（RA）;换言之，TCAS II的功能更为强大，不仅可以提供冲突信息，还能提供解脱方案。但是其RA信息也只限于垂直机动（爬升或下降）。当RA出现时，驾驶员应该遵照RA的指示操控飞机，除非此操作会危机飞行安全或机组已经目视冲突飞机。 　　TCAS/ACAS技术的出现，在微观层面上基本消除了飞机发生空中相撞的现象，为自主间隔保持提供了条件;但是，未安装该系统或将该系统关闭的飞机之间无法实现告警服务，特别是地面管制员无法独立的获得该信息，因此还具有一定的局限性和被动性。
　　2.2 CDTI技术
　　驾驶舱交通信息显示（CDTI）的主要功能是向驾驶员传递周围航空器的交通信息，并辅助驾驶员执行看到-避让任务。当空中交通服务中断时，CDTI 可以看作是增强型的管制服务。其增强型目视搜索和跟踪目标功能，可以辅助驾驶员目视到其他邻近的航空器，并增强其交通态势意识，提高飞行安全和效率。
　　CDTI通过接收ADS-B收发信机发送的本机和周圍载机的经度、纬度、高度和速度等相关信息，通过解码运算等处理，以图形的方式将周围空中交通态势实时呈现给驾驶员。
　　相比TCAS/ACAS技术，CDTI自主接收飞机周围可被探测到的ADS-B信息，并可以提供增强型的交通态势显示，可以更为直观和准确的为驾驶员提供有效信息，也更利于实现间隔自主保持。
　　2.3 PBN规范
　　PBN是指在相应的导航基础设施条件下，航空器在指定的空域内或沿航路、仪表飞行程序飞行时对导航系统精确性、完好性、可用性、连续性以及功能等方面的性能要求。PBN分区域导航（Area Navigation，RNAV）和所需导航性能（Required Navigation Performance，RNP）两种规范。两种规范最大的区别在于是否具有机载性能监视和告警功能，并能向驾驶员显示是否达到了预定运行要求。具有该功能的被称为RNP规范，而没有这类功能的被称为RNAV规范。可以说RNP规范是具有更高性能要求的RNAV规范。
　　传统导航方式中，飞机通过接收陆基导航设备发送的导航信号沿地面导航台进行向/背台飞行。PBN是通过陆基或星基导航信号的更新，使用飞机的惯导系统连续定位，达到沿任意期望的路径飞行的能力。RNAV和RNP的精度都以海里数表示，即在95%的飞行时间内应达到的导航精度。导航精度值越小，精度越高，满足安全目标水平所需的间隔也越小，常见的精度值有12.6、10、5、4、2、1，在进近阶段已经出现了0.5、0.3，甚至0.15等更高精度导航方式。
　　实际上，PBN并不依赖某一种导航基础设施实现，它更体现为一种运行规范，只要经审定系统满足精确性、完好性、可用性、连续性以及功能等方面的性能要求，则可以使用该类飞行程序和管制间隔。
　　2.4 ADS-B技术
　　ADS-B是一种新型通信和监视系统，该系统无需人工操作或者询问，可以自动从相关机载设备获取参数向其他飞机或地面站广播相关信息，以供管制员对飞机状态进行监控。在无雷达覆盖或不能实现有效覆盖的机场，ADS-B是对终端区航空器进行监视的一个主要手段。此外，ADS-B地面站不设成本低、精度高、监视数据更新快，相比二次雷达又可提供更多的信息，可以实现空-地监视、空-空监视和地-地监视。ADS-B还可以根据管制需要进行定制，使得管制员获得更为有效的信息，同时提升航空公司安全和效益。
　　ADS-B在我国前期试验工作已经开展多年，组网覆盖已经基本实现，但是出于安全考虑，还只是一种辅助监视手段。
　　2.5 ADS-B和TCASⅡ混合监视技术
　　TCASⅡ系统不仅组成设备多、交联关系复杂，而且在实际应用过程中暴露出了虚警和不必要的告警等问题，冲突预测能力还会随着航路飞行复杂性的增加而大大降低。广播式自动相关监视（ADS-B）具有更强的监视能力、精度误差更小、数据更新率快等优势，能够更及时、准确地进行冲突检测。而现阶段ADS-B主动监视技术只能用于空域监视，还不能代替TCASⅡ进行独立的空中安全告警。因此，将TCASⅡ与ADS-B进行数据融合，发展混合监视技术也是未来的发展趋势。
　　ADS-B和TCASⅡ混合监视技术的原理是在TCASⅡ防撞功能基础上，利用ADS-B技术优势，设计一种简单、集成的机载综合防撞系统，采用将TCASⅡ主动监视数据和ADS-B被动监视数据融合处理的混合监视跟踪算法，提高防撞设备的监视能力。
　　3 尾流特性
　　尾流对航空器运行的全过程都会产生影响，但是由于尾流尺度远小于航路飞行间隔，且尾流垂直影响区域仅有295m左右，因此对于尾流的研究主要集中航空器起降阶段。翼尖涡流是尾流的主体部分翼尖涡流：飞机机翼翼尖处由于上下翼面压力差产生的尾流，对其后通过的航空器造成影响。
　　缩减航空器起降阶段的尾流间隔，主要通过提升尾流预测水平、采用偏置进近程序或尾流重新分类等手段实现。
　　3.1 尾流预测技术
　　尾流预测技术主要依靠科学、快速、有效的尾流模拟及预测系统，通过预测前机尾流的位置、强度，将后机遭遇尾流的风险控制在一定安全目标水平之下，利用动态尾流间隔，提高机场小时容量。
　　国外已经研究并投入使用很多成熟的动态尾流间隔系统。美国国家航空航天局NASA在多年研究尾流特性的基础上，结合大量实测数据，研制了尾流间隔系统（Aircraft Vortex Spacing System，AVOSS），该系统已经在达拉斯机场进行多次试验，可有效缩短单跑道着陆间隔，使得机场容量提升5%，延误降低37%。荷兰国家航空航天实验室NLR设计开发了尾流诱导风险模型（Wake Vortex Induced Risk Assessment，WAVIR），该系统可以有效提升单跑道运行容量（其中离场容量增加2%，进场增加4%）。德国宇航中心DLR设计开发的尾流预测与监控系统（WSVBS），该系统在法兰克福机场投入了实际运行，使机场容量增强3%。
　　3.2 偏置进近程序
　　偏置进近程序，主要采用偏置进近使后机避开前机的尾流影响区域。常见的偏置进近程序有同步偏置仪表进近（Simultaneous Offset Instrumented Approach，SOIA）、错列进近程序（Staggered Approach Procedure，SGAP）等。SOIA是FAA为旧金山机场设计的进近程序，主要用于近距平行跑道。SGAP由德国空中导航服务机构和汉莎航空开发的用于在法兰克福机场进近。但是，偏置进近程序受天气情况影响非常大，对导航设备性能要求较高，同时也不适合交通流量较大的机场终端区，所以在国内应用很少。 　　3.3 尾流重新分类
　　现行的尾流间隔是按航空器最大起飞重量（Maximum Take Off Weight，MTOW）进行分类，然后给出不同类别组合下的间隔标准。事实上，该标准难以实现精细化管理，在流量激增的今天已经难以满足运行需要，很多国家已经基于该分类标准进行了相应的研究并修订运行标准。
　　欧洲空中航行安全组织（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，这个概念不以MTOW为单一分类标准，而考虑航空器翼展（Wing Span，WS）、承受尾流能力等因素，将航空器重新分成A到F六大类。
　　FAA于2009年开始与欧洲联合开展RECAT技术的可行性研究，并与EUROCONTROL先后发布了RECAT最小尾流间隔标准。
　　ICAO也开展了尾流间隔优化工作。2012年11月召开的ICAO第十二次空中航行会议，提出修改全球空中航行计划（Global Air Navigation Plan，GANP）和航空系统组块升级计划（Aviation System Block Upgrades，ASBU）。ICAO综合考虑各国尾流研究项目的研究成果后，将RECAT分为三个阶段：RECAT I阶段，将航空器重新分成六个类别;RECAT II阶段，重新计算航空器在不同类别组合下的间隔，实现静态的前后机尾流间隔;RECAT III阶段，采用完全动态的前后机尾流间隔，依据航空重量、性能参数、气象条件等信息实现实时动态尾流间隔计算。
　　在国内，民航局空管局一直在大力推进RECAT技术的研究和应用。目前已与中国民航大学联合开展了技术可行性分析论证，进行了安全风险评估和模拟机系统升级，同时搭建技术验证平台进行了大量的验证及相关前期准，并多次在ATM seminar等国际会议上提交了报告，与国际空管领域的专家学者开展多项交流和分享。此外，2018年下半年在广州白云、深圳宝安机场和进近进行试验运行。
　　4 结论
　　综上所述，设备性能的不断改善、尾流研究的不断深入，将为减小航空器位置误差和精细化分配起落间隔资源以避开尾流影响提供了可行性。笔者通过对民航领域各类机载及陆基、星基等各类通信、导航和监视及告警设备的分析，对于缩减管制间隔相关技术发展趋势进行研判，最后提出一些建议与推荐措施如下：
　　（1）大力发展混合监视技术等多技术集成系统。民航新技术发展历程表明，单一系统具有较强的局限性和脆弱性，多种技术集成系统在其他领域的应用也证明，多技术集成手段可以实现优势互补、互为备份和互为增强，具有很强的适用性，同时加强试验验证以提升其工作稳定性;
　　（2）积极加快科研向应用的转化速度。无论国外国内，在缩减管制间隔方面的研究日趋完善，但是旧规章、旧思想却阻碍了这些研究成果快速向实际应用的转化，特别是在动态尾流间隔方面，我们已经落后了国外将近十年，这十年我国的航班运输增长量却远高于其他国家，这也大大激化了管制间隔与安全和效率之间实现平衡的矛盾;
　　（3）充分认识新技术、新理念前期试验运行的重要性。加快科研成果转化速度不能够以缩短、简化论证试验工作，相反需要加大在试验运行、模拟仿真、科学论证方面的投入，在试验中发现问题、解决问题。
　　总而言之，新技术、新理念的大量应用之势是不可阻挡的，因此以缩减管制间隔为目标，实现空域及机场资源精细化管理，在显著提升航空器运行效率的同时保证所需目标安全水平也将实现。
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