張宇

摘 要：空中交通管理系統(tǒng)中，造成航班延誤或取消的主要原因是由惡劣天氣引起的。空域中的避讓航路設(shè)計問題和安全航路的設(shè)計問題對研究避讓惡劣天氣有很重要的意義。

關(guān)鍵詞：空管安全；危險天氣；安全航路

空中交通管理系統(tǒng)中，造成航班延誤或取消的主要原因是由惡劣天氣引起的。常見的影響飛行的惡劣天氣有強對流天氣、低空風(fēng)切變和低能見度天氣等等。文章主要介紹轉(zhuǎn)換空域中的避讓航路設(shè)計問題和安全航路的設(shè)計問題。

1 轉(zhuǎn)換空域中的避讓航路問題

1.1 簡介

在轉(zhuǎn)換空域（在給定機場大約200海里的范圍內(nèi)）中，結(jié)合天氣狀況避讓航路的問題。該問題的研究可以滿足目前空域容量最大化的需求。未來的國家空域系統(tǒng)（NAS）也需要機場能夠有較大的容量，而危險天氣狀況的避讓也許是主要重要限制因素之一。重點是對到達交通流天氣的航路避讓和這些航路交叉點的設(shè)計。實際地天氣航路避讓是與三種類型的結(jié)論方法相比較的，即：標準進場航路的變化、結(jié)合多交叉航路的幾何最優(yōu)化解決方案、自由飛行。這些解決方案表明了，針對目前的NAS來說，提高容量能力是可行的，但是要受到相關(guān)理論、空域基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和天氣的惡劣性而制約。

1.2 避讓危險天氣的方法

1.2.1 標準進場航路的變化

標準進場航路變化的方法提供了一條備選航路。這條備選航路是以標準航路為基準，通過橫側(cè)平移航路點而得到的。

1.2.2 結(jié)合多交叉航路的設(shè)計（FBRP）

結(jié)合多交叉航路的設(shè)計原則是：在機場200海里的范圍內(nèi)，找到一條、兩條或三條不相交的避讓航路，這些航路從航行起始點一直到目標機場。為了滿足空中交通管制的間隔要求，當(dāng)三條航路上都有航空器時，它們的到場時間要滿足間隔標準。這時管制員要通過控制航空器的速度或把間隔控制到10公里來保證不違反間隔標準。

1.2.3 自由飛行

自由飛行原則可以用于沒有沖突的航空器避讓危險天氣。當(dāng)航空器到達機場200海里范圍時，航路向目標機場方向按照最優(yōu)化原則延伸。每架航空器的最佳航路設(shè)計時不考慮與其他航空器之間的沖突。

自由飛行原則運用了時間搜索原則，假設(shè)標準航路上有危險天氣而必須避讓，從起始點開始尋找一條時間最短的避讓航路。因為不考慮與其它航空器之間的沖突，在設(shè)計航路時每架行空器都可以任意設(shè)計，這樣從某種程度上，提高了飛行效率。

2 安全航路的設(shè)計問題

提高國家空域容量的一個方法就是在危險天氣狀況條件下，提高現(xiàn)有航路的能力使之與該天氣狀況相適應(yīng)。本章中運用結(jié)合多交叉航路（FBRP），可以在特定空域范圍內(nèi)，如：扇區(qū)或者是在機場附近的過渡空域內(nèi)，保證航空器的較大流量狀態(tài)。FBRP也允許在孤寂的航路上有大量的限制因素，這其中包括：在危險變化的天氣條件下的避讓、轉(zhuǎn)彎、曲率限制以及水平間隔標準。

2.1 航路的設(shè)計

為了解決航路設(shè)計問題，航路的設(shè)計要逐個完成。每條航路包括自己的航路點、目的機場和航線。航路設(shè)計由兩步來完成，第一步：用格子法尋找一條最短的航路。第二步：修正已找到的航路，把航路簡單化。

2.1.1 初始航路的尋找

搜尋到的初始最短航路（開始點U，結(jié)束點V）要滿足以下標準：與危險天氣之間有足夠的間隔、與其他航路之間要滿足水平間隔標準和轉(zhuǎn)彎、曲率限制。

（1）搜尋的空域。最短航路的搜尋原則基于正方形格子的搜尋。格子可以是任何大小的，但是為了保證搜尋的質(zhì)量和運行時間，格子的大小要適中。格子過大會降低搜尋的質(zhì)量，而過大會增加運行時間。實踐中，格子的邊長一般為6.25海里。因此，400*400的空域大概有64*64=4096個格子。

如圖1所示，以格子交點P為搜索點。K定義為幅度。當(dāng)K的取值一定時P點周圍有N（P）個點，搜索的原則是：已P點為中心，在各個方向上找一個最近的點與之連接。

圖1 ·K=1，2，3，4

（2）航路。搜索過程中，用時間標注每條航路的航路點。每個航路點可以延伸到每一個有效的邊界。標注表示從一條航路開始點到此點的最短時間。同一個點有可能被標不同的時間，原因是它是多條航路的航路點。當(dāng)開始點和結(jié)束點之間的最短航路搜尋出來后，航路上的所有航路點就要用最短時間標注。

（3）搜索角度。搜索角度直接影響搜索的速度，搜索角度越大（?。?，搜索范圍就會越廣（小），因此所用時間會大大增加（減?。５阉鹘嵌冗^小會漏掉最佳航路。因此最佳角度的選擇對整個搜索過程非常重要。

2.1.2 航路的修正

在搜索到的航路基礎(chǔ)上對航路進行修正。對每個航路點在一個固定值內(nèi)進行平移。再連接各個航路點，這樣就可以得到一系列新航路。再對航路進行簡單話處理，這樣得到的航路更適合于現(xiàn)行的空管系統(tǒng)?；蛟S新航路的長度比原航路長，但這個差值相對于整個航路來說可以忽略不計。

這些航路同樣要滿足以下要求：與危險天氣之間有足夠的間隔、與其他航路之間要滿足水平間隔標準和轉(zhuǎn)彎、曲率限制。

2.2 航路特點

通過格子尋找法得到的最短航路有以下特點：（1）在危險天氣邊緣飛行安全的保證。本方法通過實驗數(shù)據(jù)，在航路設(shè)計是用航空器與危險天氣之間的距離來保證飛行的安全。（2）滿足航空器之間的間隔要求。在設(shè)計航路一開始就考慮到這個要求，航路是按照這個標準設(shè)計的。（3）有限的尋找點。尋找點過多會在很大程度上增加運行時間，過少會影響航路的質(zhì)量。因此選擇合適的尋找點對航路設(shè)計有很大的幫作用。（4）適當(dāng)?shù)姆菿。K的值過大會增加點到點之間的連線，同時也會增加運行時間。K的值過小會降低搜索的精確性。因此選擇適當(dāng)?shù)姆菿會在保證搜索精度的同時減小運行時間。（5）合適的角度。角度越大，搜索范圍就越大，同時運行時間隨之增大。

至此，安全航路的設(shè)計問題就解決了。首先把空域劃分為有限個格子的同時格子之間的交點數(shù)也定了，接選擇是適當(dāng)?shù)姆群秃线m的角度來搜尋一條最短的航路，最后所確定的航路進行修正，這樣最佳航路就設(shè)計出來了。

文章從避讓航路設(shè)計問題和安全航路的設(shè)計問題兩種途徑對避讓惡劣天氣進行了分析和探討，這兩種辦法對研究如何更有效、更經(jīng)濟的避讓惡劣天氣提供很好的切入點。