王勇

摘 要：本文分析了當(dāng)前學(xué)者研究碰撞風(fēng)險的主要方向，確定了本項研究的主要意圖，計算進(jìn)近或復(fù)飛的碰撞可能性，也就是碰撞風(fēng)險。本次研究先介紹了與文章相關(guān)的前提條件和運行狀態(tài)，隨后介紹了碰撞風(fēng)險模型的算法，最后用該算法分析了無錫機場雷達(dá)運行的進(jìn)近、復(fù)飛階段碰撞風(fēng)險。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)管制;航空器;障礙物;碰撞風(fēng)險

隨著航班量的持續(xù)增長，我國民航運行存在著空域使用率不高，管制人員工作壓力大，不利于民航安全運行的困難，空管保障能力不足與快速發(fā)展的市場需求矛盾日益加大。僅通過機場管制已不能滿足管制運行所需要具備的條件，為了使航空器在空中的飛行過程能夠更加安全有保障、且可提高運行效率，設(shè)置進(jìn)近管制就迫在眉睫，同時進(jìn)一步實施雷達(dá)管制。為了評估實施雷達(dá)管制時簡化飛行程序，縮小飛行間隔的安全性，開展了本項研究。

近年來，關(guān)于碰撞風(fēng)險的研究比較豐富。左諦[1]等人在考慮了航空器保持性能的情況下，研究航空器的風(fēng)險碰撞模型;張兆寧[2]利用雷達(dá)數(shù)據(jù)研究航空器側(cè)向跑道進(jìn)場的保護區(qū)大小;陳華群[3]對儀表專場飛行訓(xùn)練作了風(fēng)險評估;李琦[4]等人研究了軍用無人機和民航客機的碰撞風(fēng)險;陳亞青[5]主要通過構(gòu)建有關(guān)防撞系統(tǒng)的碰撞風(fēng)險模型，李娜[6]主要的研究內(nèi)容是航空器執(zhí)行精密進(jìn)近程序的情況下，當(dāng)航跡發(fā)生偏差時，航班與地面障礙物發(fā)生碰撞的可能性;張智巍[7]的主要研究內(nèi)容是考慮雙流機場平行進(jìn)近狀態(tài)下的碰撞風(fēng)險。

本文主要通過碰撞風(fēng)險模型研究進(jìn)近、復(fù)飛階段航空器于地面障礙物的碰撞風(fēng)險，并通過這一方法評估無錫碩放機場的運行風(fēng)險。

1 理論基礎(chǔ)

雷達(dá)運行風(fēng)險評估主要包括雷達(dá)管制下的飛行程序運行風(fēng)險評估和進(jìn)近雷達(dá)管制系統(tǒng)危險辨識與風(fēng)險評估。本項研究主要從飛行程序運行風(fēng)險評估這一角度進(jìn)行論述，首先敘述飛行程序運行過程中的相關(guān)安全風(fēng)險，其次深入分析近地風(fēng)險，再次研究起飛離場和進(jìn)近過程中穿透超障高度的風(fēng)險概率，最后分析航空器進(jìn)近過程中與障礙物的碰撞概率和復(fù)飛航空器接地概率。

建立飛行程序的目的是為了指引航空器在終端區(qū)內(nèi)，遵循飛行程序安全、有序地飛行，避免航空器在起飛離場或進(jìn)近著陸中與障礙物或其他航空器之間失去間隔，按照飛行程序執(zhí)行飛行任務(wù)的航空器，它們的運行安全風(fēng)險包含航班與已知固定的地面障礙物之間的風(fēng)險，即近地風(fēng)險。根據(jù)不同的飛行階段，可將近地風(fēng)險分為接近風(fēng)險和碰撞風(fēng)險。在本文討論的起飛離場和進(jìn)場兩個飛行過程主要研究航空器和已知固定的地面障礙物之間的發(fā)生碰撞的可能性。

在公布機場的飛行程序之前，設(shè)計人員按照8168文件《航空器運行》和《民用機場飛行區(qū)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，考慮航空器與地面障礙物之間的間隔去設(shè)計程序。

安全余度是航空器沿飛行程序飛行時，能夠確保航空器安全運行的最保守的保護區(qū)范圍。由于氣候、導(dǎo)航和人為操作等因素的影響，以上因素會使得航空器觸發(fā)近地警告，出現(xiàn)近地風(fēng)險。航空器按照ILS導(dǎo)航進(jìn)近的過程中，由于航向臺和下滑臺的精度更高，使得航空器高度更低，航空器與地面障礙物間的距離更小，近地風(fēng)險模型不再適用于這一類型的碰撞風(fēng)險計算。于是，本次研究主要針對航空器在ILS設(shè)備導(dǎo)航的前提下，在進(jìn)近和復(fù)飛兩個航段與地面障礙物之間的安全風(fēng)險。

研究將近地風(fēng)險評估分為兩個部分：

（1）對于離場階段和進(jìn)場的起始進(jìn)近、中間進(jìn)近兩個飛行階段，主要研究了民航客貨機與已知的地面障礙物的近地風(fēng)險，用穿透超障高度/高（Obstacle Clearance Altitude/Height，OCA/H）來表示;

（2）對于最后進(jìn)近和復(fù)飛階段，主要分析ILS進(jìn)近中航空器與地面的碰撞風(fēng)險，利用碰撞風(fēng)險模型（Collision Risk Model，CRM）來計算風(fēng)險。

2 航空器與障礙物的碰撞風(fēng)險評估模型

2.1 CRM模型

CRM主要用于評估飛機在進(jìn)近和復(fù)飛的過程中，而飛機與障礙物的近地碰撞風(fēng)險是國際民航組織相關(guān)專家組的研究成果，它也是ILS運行標(biāo)準(zhǔn)的重要內(nèi)容。CRM模型不考慮最后進(jìn)近前、超過復(fù)飛轉(zhuǎn)彎高度之后和低于OCA/H目視下降及著陸的運行風(fēng)險。模型包含兩個方面的內(nèi)容：

（1）計算跑道和凈空環(huán)境的碰撞風(fēng)險，這一范圍內(nèi)的OCA/H值可以保證航空器在極端情況下安全運行;

（2）提供機場選址規(guī)劃，分析障礙物影響。航空器若無法在決斷高之上獲得目視參考，或航空器沒有做好著陸準(zhǔn)備，按照規(guī)定必須復(fù)飛，如圖1所示：

在進(jìn)近和復(fù)飛階段中，航空器的航跡可以由下滑道角度、復(fù)飛過程中的爬升梯度、航空器自身性能、跑道中線反向延長線來確定。

在外部條件的影響下，航空器航跡會出現(xiàn)偏差，此時航空器就會受到地面障礙物的影響，因此，利用CRM模型可計算飛機沿精密進(jìn)近下滑道或復(fù)飛程序飛行時的真實航跡與標(biāo)準(zhǔn)航跡的偏差，再根據(jù)已知的地面障礙物去評估飛機運行過程中和他們發(fā)生碰撞的風(fēng)險，然后再將航空器飛行過程中沿途所飛越的障礙物風(fēng)險累加即為航空器總碰撞風(fēng)險?？偱鲎诧L(fēng)險與預(yù)先規(guī)定的安全目標(biāo)比較，判斷當(dāng)前的碰撞風(fēng)險是否為人們所接受。

2.2 航空器與單一障礙物碰撞風(fēng)險

CRM采用機場笛卡爾坐標(biāo)，如圖2（a）所示：坐標(biāo)原點位于跑道入口，X軸方向為跑道中心線的反向延長線，Y軸垂直于跑道中心線，Z軸滿足右手法則與X軸、Y軸垂直;用坐標(biāo)表示障礙物位置，如圖2（b）所示：

進(jìn)近階段中，在調(diào)整了障礙物尺寸和橫向分布后，計算橫向碰撞風(fēng)險。

2.3 航空器與多障礙物碰撞風(fēng)險

計算碰撞風(fēng)險之前要判斷障礙物是否相互獨立，若相互獨立則總碰撞風(fēng)險就是多個碰撞風(fēng)險的累加;若障礙物之間并非相互獨立，則要考慮航空器沿飛行程序運行沿途所飛越障礙之間相互的遮蔽關(guān)系。在進(jìn)近階段時，當(dāng)有障礙物被其他障礙物遮蔽時，其碰撞風(fēng)險的計算方法如下：

假設(shè)進(jìn)近航段中存在兩個障礙物，如圖3所示：

（5）上述結(jié)果作差為障礙物2的風(fēng)險值。

3 無錫碩放機場安全評估

3.1 碰撞風(fēng)險

對03號跑道進(jìn)近著陸過程中，航空器與障礙物的碰撞風(fēng)險進(jìn)行評估，各個障礙物對于航空器的碰撞風(fēng)險均小于10E-07。

03號跑道的風(fēng)險評估結(jié)果為小于1.0E-25。

對21跑道進(jìn)近著陸運行下的飛行程序碰撞風(fēng)險進(jìn)行評估，結(jié)果如下表所示。對21跑道進(jìn)近著陸運行安全影響較大的障礙物為09號信號塔障礙物。

3.2 復(fù)飛點的接地風(fēng)險

根據(jù)建立的航空器復(fù)飛點接地風(fēng)險評估模型，對03號跑道和21號跑道復(fù)飛程序優(yōu)化調(diào)整后的復(fù)飛接地風(fēng)險進(jìn)行評估，結(jié)果如表2、表3所示。

參考文獻(xiàn)：

[1]左諦，許有臣，金開研.基于航空器高度保持性能的風(fēng)險碰撞模型優(yōu)化[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2020，16（08）：31-36.

[2]張兆寧，徐超，盧婷婷，李欣.基于雷達(dá)數(shù)據(jù)的側(cè)向跑道進(jìn)場保護區(qū)研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報，2020，20（04）：1391-1396.

[3]陳華群，劉俊杰.儀表轉(zhuǎn)場飛行訓(xùn)練風(fēng)險評估[J].中國安全科學(xué)學(xué)報，2020，30（06）：64-70.

[4]李琦，甘旭升，孫靜娟，王明華.軍用無人機與民航航班側(cè)向碰撞風(fēng)險評估研究[J/OL].北京航空航天大學(xué)，1-11[2020-10-02].

[5]陳亞青，侯宇杰，胡登峰，李哲.飛行碰撞風(fēng)險安全評估研究[J].航空計算技術(shù)，2020，50（03）：129-134.

[6]李娜，葛飛.基于精密進(jìn)近航段航跡偏差的航空器近地碰撞風(fēng)險評估[J].安全與環(huán)境學(xué)報，2019，19（06）：1903-1908.

[7]張智巍.雙流機場平行進(jìn)近碰撞風(fēng)險研究[D].中國民用航空飛行學(xué)院，2020.