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点融合系统PMS在机场终端区运行研究

来源:民航资源网 作者: 马江涛 2022-05-12 17:29:56

专业分类空管

  

  民航快速发展导致我国大型机场终端区空域相对紧张,进场航空器拥堵常有发生,管制员指挥航空器盘旋等待、雷达引导航空器偏离预定航路航线较为频繁,极大限制了机场运行效率、降低了空管服务品质、增加了管制员和飞行员工作负荷。鉴于此,国际民航组织ICAO、美国联邦航空局FAA以及我国民航相关科研单位进行大量新技术研究。

  2006年,欧洲控制实验中心提出点融合系统PMS(Point Merge System)。根据ICAO“航空系统组块升级ASBU”计划和我国民航局《中国民用航空系统组块升级发展与实施策略》要求,未来可能大范围实施PMS。目前,PMS已在全球4大洲25个地区成功投入运行,包括挪威、爱尔兰、韩国、法国、马来西亚、俄罗斯、土耳其、意大利、日本等多个国家,我国上海浦东国际机场于2019年12月5日开始运行PMS,是国内第一家运行点融合系统的机场,随后广州白云国际机场于2020年1月2日正式运行PMS、深圳宝安国际机场于2020年12月3日正式运行PMS。

  点融合系统PMS

  点融合系统PMS由一个融合点和与该点等距(垂直分离)的两条或多条排序边组成,将飞行管理系统FMS水平导航LNAV功能同雷达引导结合,实现优化多向进场交通流排序及间隔管理,达到简化管制指挥、提升飞行员情景意识的目的。点融合系统空域结构主要由融合点与排序边所围成的近似扇形空域构成,水平范围由排序边长度、排序边到融合点距离共同决定。该空域必须能实施基于性能导航和雷达管制,并在主要交通流上实现了进离场分离,水平剖面结构如图1所示、垂直剖面结构如图2所示。

  点融合系统充分发挥PBN技术“导航精准、航迹灵活”的运行优势,其中,排序边是以融合点为圆心的近似圆弧航段,其任意一点到融合点距离相等。排序边长度反映了点融合系统消耗飞行时间的能力,管制员通过向排序边上的航空器发布直飞融合点指令,缩短或延长飞行时间,以精准控制航空器间隔;融合点是一个坐标点,用于汇聚不同方向进场航空器流,以形成一个稳定、统一的交通流。

  PMS改进、规范和标准化终端管制调配方法,弥补了雷达引导多样化、复杂性、间隔难以掌控等缺点,优化了多个方向进场航空器流排序及间隔管理,对提高运行效率、增加终端区容量、简化管制工作、减轻管制员负荷、增强飞行员情景意识、减少飞行冲突、提升安全保障能力具有良好效果。

  图1点融合系统水平剖面结构示意图

  图2点融合系统垂直剖面结构示意图

  系统设计

  点融合系统是基于性能导航PBN技术与雷达管制相结合,在空域和飞行程序上的集成应用。完整的PMS包括3个构成要素,分别为融合点、排序边、定位点,设计时应综合考虑运行环境、空域结构、超障要求等。对于超障,由于进场航空器可以从排序边任意点转向融合点,故融合点与排序边所围区域内部的超障应全部按飞行程序保护区主区进行评估,融合点与排序边所围区域外部的超障按飞行程序保护区主区和副区进行评估。

  单点融合系统与多点融合系统

  根据进场航空器方向与流量需求,点融合系统分为单点融合系统、多点融合系统,实际使用中以单点融合系统为主,如图1所示。多点融合系统是将两个(含)以上的单点融合系统并联或串联起来运行,最终汇聚到同一个融合点,能有效处理多个不同方向进场航空器流的排序落地问题。目前多点融合系统全部为并联单点融合系统,未使用串联方式。并联多点融合系统可分为完全对称型、小偏置型、大偏置型三类,分别如图3、4、5所示。

  图3完全对称型并联多点融合系统

  图4小偏置型并联多点融合系统

  图5大偏置型并联多点融合系统

  完全对称型并联多点融合系统中进场航空器飞越融合点后存在对头飞行,冲突较大,管制员必须为其配置不同的高度层,大流量运行时难以实现,因此使用较少。

  小偏置型并联多点融合系统和大偏置型并联多点融合系统通过相互偏置不同的点融合系统,避免进场航空器对头飞行,还能借助偏置的进场航线,为管制员调配不同点融合系统进场航空器汇聚时的潜在飞行冲突提供帮助,但小偏置型并联多点融合系统提供的调配时机较短,大偏置型并联多点融合系统则较为宽裕,故推荐使用大偏置型并联多点融合系统。

  在使用偏置型并联多点融合系统时,为了使管制员能够直观判断两个点融合系统上的航空器间隔,将两个融合点到后续航路共用点距离设计为相等。

  标准复飞程序设计

  复飞程序对于所有进场航空器不可或缺,在点融合系统中,标准复飞程序同样至关重要。它能确保航空器再次加入新的进近程序或重新加入点融合进场程序,但应有助于管制员调配复飞航空器和其他航空器的飞行冲突并配备合适间隔。通常点融合系统复飞程序有两种设计方案:

  (1)与进近程序起始进近定位点衔接;

  (2)与点融合排序边衔接。

  两种方案各有优劣,第一种方案需要管制员调配其他进场航空器为复飞航空器留出落地间隔,在航班流量大时,难度较大;第二种方案需要管制员通过点融合系统将复飞航空器引导至排序边,重新加入进场航空器序列,容易造成复飞航空器延误较多。根据实际管制运行和深入对比,认为第一种方案更便于执行,但负责五边盲降的管制员需要向负责PMS运行的管制员提出申请,通过控制排序边航空器向融合点飞行的时机为复飞航空器配备合适间隔,在融合点再由管制员指挥复飞航空器加入进场航空器序列。该方案要求管制员之间充分协调、密切配合。

  此外,两种方案都必须为复飞航空器设置标准等待程序,用于飞行员检查航空器状况、调整人员状态,为重新进近或备降做准备。

  等待程序设计

  当出现进场航空器流量超过点融合系统、管制员工作负荷、临时空域限制以及受恶劣气象条件、跑道关闭、航空器超重、盘旋检查等其他特殊因素影响,需要为执行点融合系统的进场航空器设计等待程序。根据需求差异,等待程序有两种设计方案:

  (1)航空器进入排序边前设计等待程序。该方案适于当航空器流量大于点融合系统容量限制或超过管制员工作负荷时,如图6所示。

  图6为航空器进入点融合系统前设计的等待程序

  (2)航空器进入排序边后设计等待程序。该方案适于发生紧急情况,如已经在排序边飞行的航空器报告超重、后机由于故障或医疗救护需要前机避让、跑道起降受限等特殊情况,如图7所示。

  图7为航空器进入点融合系统后设计的等待程序

  两种等待程序设计方案的区别在于,第一种方案不允许进场航空器继续进入点融合系统,主要用于缓解点融合系统内的运行压力;第二种方案允许进场航空器进入点融合系统,主要用于避让需要优先落地航空器。两者使用场景不同,管制运行单位应根据实际情况选择使用。

  备用程序设计

  点融合系统备用程序是为了解决航空器在按照点融合系统飞行过程中,一直未收到管制员发布的直飞融合点指令或由于通信失效,飞行员无法与管制员建立联系时,航空器飞越排序边末端后面临的问题。通常有两种设计方案:

  (1)将排序边末端的定位点设计为飞越航路点。当航空器飞过该点仍未收到管制员发布的管制指令时,飞行员默认直飞融合点。

  (2)在点融合系统排序边末端增加一个旁切航路点。该航路点与排序边末端航路点以及融合点连接,形成一条进场航线。当航空器飞越排序边末端航路点,仍未收到管制员发布的管制指令时,飞行员按照旁切航路点和融合点形成的进场航线飞向融合点。

  两种方案共同点在于都能为航空器飞越排序边末端航路点,未收到管制员发布的管制指令时,飞行员后续采取措施提供支持;区别在于第二种方案能够通过既定的程序规范航空器飞行轨迹,避免因机型、速度、气象因素等影响飞向融合点的飞行轨迹。因此,第二种方案能够实现对航空器精准控制,缺点是增加了程序设计复杂性。

  运行标准与环境

  点融合系统作为一种新的运行程序,对终端区空域、空管单位、航空公司提出一些要求,具体有:

  (1)终端或进近管制区满足RNAV-1运行规范;

  (2)航空器需具备相应RNAV-1运行能力;

  (3)管制单位提供雷达管制服务;

  (4)需要较大范围可用空域,能够覆盖融合点和排序边组成的扇形结构。

  点融合系统设计两条平行但不等高的排序边,在每条排序边上允许设置多个可用高度,但每条排序边上可用高度层不超过两个,两条排序边可用高度范围不能重合,且内排序边至少比外排序边高300米。融合点高度限制应当符合所有能够实施PMS的航空器下降梯度要求,使航空器按规定高度从排序边直飞融合点,在到达融合点后满足高度限制或管制需求。

  点融合系统排序边长度一般设计为40至50公里,保证航空器充分“消化”延误;排序边上任意航路点到融合点的距离相等,一般设计为40公里,使管制员具有足够空域进一步调节航空器间隔、速度和高度,还能根据点融合系统距五边位置,在飞行程序上为航空器设置速度限制。内外排序边水平间隔通常设计为10公里,经安全评估可缩减至不低于2海里。运行点融合系统初期,空管单位可在排序边至融合点之间的雷达屏幕上设置距离环,使管制员准确判断间隔,精准掌握排序边航空器直飞融合点时机,提高运行效率。

  实施点融合时,应考虑外围不同方向进港航班流有序进入,不能将点融合系统作为承载航空器大流量的工具,避免超过负荷,限制效能发挥。此外,不同PMS排序边和融合点高度、速度差异对运行影响存在差异,各机场应基于实际,确定合适的设计参数,以期达到最佳效果。

  实例分析

  点融合系统运行程序需要根据机场终端区空域结构、航班流量分布等设计,我国上海浦东国际机场、广州白云国际机场、深圳宝安国际机场PMS程序中各参数如内外排序边间距、长度、到融合点距离、融合点高度、速度限制等有所不同,本文以最新运行PMS程序的深圳宝安国际机场为例进行分析,如表1所示。

  表1深圳宝安国际机场PMS程序参数

  该机场进场航空器主要集中在西侧,因此在终端区西侧空域为15/16跑道、33/34跑道设计了点融合程序,且两条跑道PMS程序中各定位点相同。

  由于受空域结构限制,深圳机场点融合程序为从LANDA、LOVTA、P50进场的航空器设置了等待程序,而没有为从SAREX进场的航空器设置。实际运行中,管制员指挥由SAREX进场的航空器沿PMS程序加入外排序边SZ307-SZ308-SZ309-SZ310,由LANDA、LOVTA、P50进场的航空器加入内排序边SZ301-SZ302-SZ303-SZ304,融合点为起始进近定位点IAF(南朗台NLG)。

  当在排序边上飞行的航空器与转向融合点的前机满足13至15km间隔时,管制员向其发布直飞融合点指令,内排序边航空器飞向融合点且与前、后机满足安全间隔后,才允许管制员发布下降高度的指令。

  当进近的航空器复飞或终止进近,机组决定再次进近时,管制员有以下几种处置方案:

  (1)雷达引导复飞航空器飞向SZ306重新加入外排序边再次进场;

  (2)复飞或者终止进近的航空器沿标准复飞程度,在南朗台等待后重新进近;

  (3)东侧跑道进港航空器复飞或终止进近后,管制员引导其飞向机场东侧空域等待重新进近,并向负责PMS指挥的席位提出进场间隔申请,由PMS席位管制员根据情况配备出可供复飞或终止进近航空器再次进近的水平间隔。

  方案2和方案3本质相同,都是从融合点重新开始进近,区别在于方案2侧重于标准复飞程序,方案3是基于雷达引导后的复飞方案。通常规定不对融合区内的航空器进行雷达引导,因此复飞或终止进近航空器开始重新进近所需时间相对较长。

  深圳机场终端区为了防止点融合程序溢出,采用预防手段为主、应急处置为辅的措施。当排序边航空器数量过多或后机由于特殊原因需要优先落地,管制员通过引导后续航空器机动飞行或盘旋等待,增大航空器进入排序边的水平间隔;当内外排序边溢出时,管制员指挥航空器飞越融合区即飞过SZ304或SZ310,满足间隔要求后再引导航空器向融合点南朗台NLG归航。

  深圳机场点融合飞行程序运行前期,珠海终端管制中心进行了大量模拟验证,结果表明点融合系统可减少管制员雷达引导60%~70%、管制指令约20%、航向指令约60%,降低陆空通话量50%以上,减轻管制员单位小时工作负荷15%,机场运行效率显著提高。

  由此可见,点融合系统是一种能够有效降低飞行员和管制员工作负荷、提高机场运行效率、提升安全保障能力的先进技术,但目前在国内使用较少。随着航班流量持续增长,机场终端区日渐拥堵,根据国际民航组织和我国民航局相关规划,国内其他各大型机场未来有望在借鉴上海浦东国际机场、广州白云国际机场、深圳宝安国际机场点融合系统运行经验的基础上,结合自身实际逐步开始应用该技术。

  本文刊发于2021年9月《国际航空》

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