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，民航運輸體系也在不斷拓展，大型運輸機場終端區(qū)的保障服務(wù)能力暫時不能適應(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)的運行效率與航班的準(zhǔn)點率密切相關(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，將會引起大面積擁堵和延誤，嚴(yán)重影響航空器的運行效率和安全。所以，為了克服雷達(dá)引導(dǎo)的缺點，提高終端區(qū)空域的運行效率，國際民航組織提出點融合程序。

點融合系統(tǒng)（Point Merge System，PMS）是由歐洲控制實驗中心在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)直飛融合點指令，實現(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)運行容量、減輕管制員工作負(fù)荷和提高空域運行效率的新技術(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、定位點以及排序邊組成的近似扇形的空域結(jié)構(gòu)。點融合程序運行示意圖如圖1所示。

圖1 點融合程序運行示意圖

（1）融合點。

融合點是一個具有高度空間的經(jīng)緯度坐標(biāo)點，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，形成一條排序合理，間隔得當(dāng)，相對統(tǒng)一的著陸交通流。

選取融合點位置時，應(yīng)該確保不影響原有的飛行程序，并將點融合技術(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，融合點的最理想位置是距離五邊距離相等的點位，如起始定位點附近位置。若該機場終端區(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。

定位點主要由旁切航路點和飛越航路點組成。旁切點一般位于內(nèi)外排序弧上的幾個區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ稽c，使飛機可以在排序弧上以較小的角度運行，主要是幫助管制員判斷航空器之間間隔，防止航空器相撞。飛越點一般在排序弧最后一點，當(dāng)飛機到達(dá)飛越點上空時，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，執(zhí)行應(yīng)急程序。

（3）排序邊。

排序邊是以融合點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的距離相等。該結(jié)構(gòu)設(shè)計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間，使航空器在點融合系統(tǒng)上進(jìn)行安全地排序等待。

航空器在排序邊上飛行時可隨時被管制員按照實際情況進(jìn)行轉(zhuǎn)彎引導(dǎo)，直飛融合點；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發(fā)生沖突。

2 PMS的設(shè)計原理

點融合結(jié)構(gòu)是一個扇形區(qū)域形狀，基于單一排序邊上所有點到融合點距離相等的原理，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，共包括兩個階段：創(chuàng)造間隔和保持間隔。通過這兩個階段，可使航空器飛過排序段，達(dá)到足夠的間隔，進(jìn)而使ATC向融合點發(fā)出“直達(dá)”指令。飛機將立即進(jìn)行轉(zhuǎn)彎并直飛融合點，完成最后進(jìn)近階段。

PMS設(shè)計時應(yīng)綜合考慮運行環(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轉(zhuǎn)向融合點，故融合點與排序邊所圍區(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)型及運行模式

點融合系統(tǒng)根據(jù)融合點的個數(shù)可以分為單點融合系統(tǒng)和多點融合系統(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。運行過程中，若有特殊情況出現(xiàn)，點融合系統(tǒng)可分為正常情況運行和非正常情況運行。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

多點融合系統(tǒng)是將兩個或兩個以上的單點融合系統(tǒng)并聯(lián)或串聯(lián)起來，使航空器匯聚到同一個融合點，進(jìn)而有效處理多個不同方向進(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，運行難以實現(xiàn)，因此使用較少。偏置型并聯(lián)多點融合系統(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)場航空器匯聚時的潛在飛行沖突提供幫助。但小偏置型的調(diào)配時機較短，文章推薦使用大偏置型并聯(lián)多點融合系統(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)實際情況設(shè)置成相同方向和相反方向的不同情況。

在實際的空域管制運行中，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，使空域運行更加高效合理。

點融合程序特殊情況匯總[2]如表1所示。點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)模式運行，提供優(yōu)質(zhì)的飛行保障。

表1 點融合程序特殊情況匯總

4 PMS程序優(yōu)勢及效率評估實例

4.1 與區(qū)域?qū)Ш浇Y(jié)構(gòu)特點分析

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，會引起大面積擁堵和延誤，嚴(yán)重影響航空器的運行效率和安全。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。在多個機場進(jìn)行模擬驗證后，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，證明了點融合程序的優(yōu)勢性和可行性。

點融合系統(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表現(xiàn)為：每個圓弧排序邊與融合點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，點融合系統(tǒng)表現(xiàn)的優(yōu)點為：在終端區(qū)機動區(qū)域內(nèi)，交通流航路更加簡潔直觀；融合點之后，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)化管理實例

Boursier等提出了不使用航向指令的合并到達(dá)流的點融合系統(tǒng)方法。小規(guī)模實驗結(jié)果表明，點融合方法在高密度交通需求下表現(xiàn)良好。通過快速時間模擬技術(shù)將點融合與雷達(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證實通過使用點融合技術(shù)，2013年在都柏林機場降落的航空公司將燃油需求降低了19.1%；飛機縮短了11.3 km的飛行時間。點融合技術(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，也為全面實施4D航跡運行管理奠定了重要基礎(chǔ)。在國內(nèi)民用運輸機場中，2019年～2021年，上海、廣州、深圳相繼展開電融合系統(tǒng)設(shè)計，并陸續(xù)投入使用[4]。

5 結(jié)語

PMS在雷達(dá)管制實時監(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至融合點距離相等的原理，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)過大量機場實施驗證對比，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，減緩了因為航班密集造成的延誤，進(jìn)一步提升空域中的飛行安全和運行效率。