近距平行跑道配對進近中的碰撞風險分析

孫 佳，田 勇

(南京航空航天大學民航學院，南京210016)

近距平行跑道(CSPR)定義為兩條平行跑道中心線之間的距離小于762 m的跑道對.其主要運行方式為隔離平行運行模式，即一條跑道只用于離場，另一條跑道只用于進近.近幾年，一些國家已經實現近距平行跑道的配對進近運行，但只允許在目視氣象條件下飛行員依據經驗判斷需要與前機保持的間距以避免受前機產生的尾流影響.因此，若機場氣象條件低于目視氣象條件時，CSPR的運行效率將大幅降低，這不僅會造成機場大量的航班延誤，而且也會影響到高空管制區域以及其他機場的正常運行.

國內對于近距平行跑道的研究起步較晚，如胡明華等分析了如何提高近距平行跑道容量的主要進近方法，包括NASA Langley的空中側向間隔信息(AILS)系統［1］;王維等主要針對近距平行跑道一起一降運行模式得出了起飛和到達容量數學模型［2］;顧正兵研究了基于虹橋機場的近距平行跑道運行方式［3］;相關研究甚少涉及近距平行跑道的配對進近運行模式，對于采用配對進近時的碰撞風險更是從未提及.

本文就基于近距平行跑道的配對進近運行模式，分析配對進近方式，并應用Monte Carlo方法模擬得到在有或無避讓機動時，前后機的碰撞風險，并對比較為嚴格的安全目標水平，得到前后機在不同條件下需要保持的最小縱向間隔.為我國近距平行跑道配對進近運行模式的實施奠定理論基礎.

1 CSPR的配對進近運行模式

最早提出配對進近這一思想的是美國學者Jonathan Hammer，當兩架航空器建立了各自的航向道后，前機與后機可以在保持一定斜距的條件下配對進近［4］.但當機場氣象低于目視氣象條件時，CSPR不能進行配對進近運行，這會導致跑道容量的大幅降低.為了改善這種情況，FAA允許滿足以下兩種情況下繼續進行CSPR的配對進近:1)文件8260.49A規定當限制高度低于640 m、能見度低于4英里時，配對航空器可以進行偏置進近(SOIA);2)文件7110.308規定當前機為除重型或B757時的任何機型，允許一些具備特定條件的機場在低于I類精密進近最低標準條件下，繼續進行配對進近運行模式.

近距平行跑道配對進近過程中航空器之間的實時縱向間隔，由廣播式自動相關監視(ADS－B)和空中交通駕駛艙顯示(CDTI)設備配合提供.飛行員必須要保證前后機之間的縱向間距滿足一距離界限，Lmin≤L≤Lmax即，最小縱向距離Lmin即是考慮前機可能會發生錯誤進近，闖入后機的航向道，造成危險接近甚至碰撞的風險;最大縱向距離Lmax即是考慮到若前機為重型或中型機，其產生的尾流在最大不利側風的影響下會對后機的正常進近造成影響［5］，為了避開尾流，前后機縱向間距需在一定值之內.

當無沖突避讓時，配對進近的后機可以進行3°的偏置進近以減小碰撞風險，為了更大程度地減小配對進近前后機當前機發生錯誤進近時對后機造成的碰撞風險，通常會采用避讓機動程序，見圖1.

FAA提出配對進近過程中的航空器，一旦前機闖入，后機可以在一定的條件下進行避讓機動，從而降低碰撞風險.在實際運行中，這一程序必須由新的機載顯示設備和航空電子系統支持，包括:ADS－B，III類數字飛行控制系統，側向導航系統和提供40 m或95%總體系統誤差(TSE)的導航設施.滿足這一TSE的導航系統包括:地基導航系統(GBAS)、星基導航系統(SBAS)和帶垂直引導的WAAS進近程序(LPV).有避讓機動的航空器可以采用靈活的間隔規范，航空器之間可以實現自由穿梭，如圖2.

圖1 近距平行跑道配對進近程序

圖2 有避讓機動的配對進近程序

本文將在前人的研究基礎上延伸考慮當機場運行條件低于II類精密進近最低標準時，CSPR配對進近運行的前后機碰撞風險，并分析在滿足較為嚴格的安全目標水平下，不同條件下的保守的前后機縱向間隔值.

2 碰撞風險分析

采用Monte Carlo模擬航空器配對進近程序，分析平行進近和3°偏置進近程序有或無避讓機動下的碰撞概率.在精密跑道監視下，平行進近的航空器需滿足次碰撞每飛行小時的安全目標水平(TLS).但由于導航、監視設備的快速發展，文中將采用更為嚴格的的TLS.在計算碰撞風險時，需考慮兩個關鍵因素:發生前機闖入非侵入區(NTZ)的概率和前機闖入后發生碰撞的概率.

其中:p闖入可由進近過程中航空器發生錯誤進近的歷史數據統計獲取.p碰撞|闖入由 Monte Carlo分析得到.對美國2007年10月到2009年6月的共785 203個儀表進近過程中發生闖入NTZ的次數進行統計，闖入NTZ的總次數占總進近次數的4×10－5，要達到上述 10－9的 TLS，由式(1)可得，前機闖入后發生碰撞的概率應不大于10－4.

在直線進近中，假定側向導航路徑追蹤精度為40 m(95%)，為確保在跑道上安全著陸，航空器應在距離跑道頭至少4.2 km的距離范圍內采用該ILS側向導航精度.若航空器采用3°的偏置進近，則該ILS側向導航精度應應用在整個進近過程中.假定某機場的機型組合為:13%重型機、70%中型機和17%的輕型機.在Monte Carlo模擬過程中，每次迭代將隨機地選擇航空器的機型.

航空器到達外指點標的空速為180 kt，隨后一直減速到最后進近速度，本文中各機型的最后進近速度由經驗分析得出，如圖3所示.

圖3 各機型最后進近速度分布

圖4 無避讓機動時配對前后機的運行程序

通過分別建立無避讓機動和有避讓機動模型.在有避讓機動的模型中，考慮前機發生錯誤進近后，后機在開始避讓前有3、5、8 s的延時，并進行35°的轉彎，圖4、5分別表示無避讓機動和有避讓機動中前后機的運行程序.

圖5 有避讓機動時配對前后機的運行程序

從圖中可以看出，當無避讓機動時，配對前機發生錯誤進近后，后機繼續沿其航向道進近，前后機的碰撞風險很大;當有避讓機動時，通過先進的導航、監視系統，可以讓后機進行一定角度的避讓，從圖4可以看出，由于后機的避讓機動使得前后機發生碰撞的可能性明顯減小.通過分析不同機型組合配對進近程序，應用Monte Carlo方法進行重復迭代，為了得到最為保守的前后機最小縱向間距值，且現美國實行的目視配對進近所需要保證的跑道中心線最小間距為213 m，因此，本文考慮近距平行跑道跑道中心線間距為213 m.

表1為通過計算仿真得到的當考慮航空器在直線進近中的任何進近位置都有可能發生錯誤進近時，后機采用避讓機動(3、5、8 s延遲)及不采用避讓機動時，前后機在不同縱向間距下，發生碰撞的風險概率，即p碰撞|闖入，依據上文中提到的錯誤進近概率p闖入，可以得到在滿足TLS下的前機發生錯誤進近且前后機發生碰撞的概率p碰撞|闖入應不大于10－4.

結果顯示，跑道中心線之間間距為213 m時，不論是有避讓機動或是無避讓機動時，當碰撞風險概率不滿足要求，則配對進近的前后機之間需保持必要的垂直間距.對有避讓機動的程序，所需的最小縱向間距將隨著后機反應延時的減少而減少.在滿足TLS的情況下，延時為3、5 s的配對航空器之間的最小縱向間距應為762 m，8 s延時的配對航空器之間的最小縱向間距為914 m，對于無避讓機動程序，所需的最小縱向間距為1 067 m，以上結果表明，有避讓機動程序的優勢取決于后機避讓的反應時間.此外，避讓機動程序提供75%的可接受航空器對，而無避讓機動程序提供67%的可接受航空器對.

表1 當前機在進近中任何位置都有可能闖入NTZ時，不同情況下的碰撞風險概率

表2為在FAF點之外直線進近時，前機發生錯誤進近的情況，與上述情況類似，在外指點標以后前后機間距大于229 m時，最小縱向間距基本不變化.在外指點標之前，最小縱向間距會發生變化.

表2 當前機僅可能在FAF點之前闖入NTZ時，不同情況下的碰撞風險概率

從表2可以看出，有避讓機動的航空器對之間需要保持的最小縱向間距會比無避讓機動的間距要小，可接受的最小縱向間距有避讓機動為457 m，無避讓機動為610 m.當前機錯誤進近僅發生在FAF點之前時，前機闖入的速度將相比于之前更快同時需要保證的縱向間距也更加嚴苛.這些因素也導致了無論后機的避讓機動延遲多長時間，前后機之間需要保持的最小安全縱向間距都很穩定.

表3顯示了應用3°偏置進近的優勢，并考慮前機錯誤進近在配對進近的任何地方都可能發生的情況.

表3 3°偏置進近且在進近中任何位置都可能闖入NTZ時，不同情況下的碰撞風險概率

由結果分析，當采用3°偏置進近時，同時后機的避讓機動延遲3 s，則不論哪一種情況，前后機都不會發生碰撞.當有5 s延時時，前后機之間最小縱向間距應為305 m，相比于直線進近的762 m減少了.在有和無避讓機動的時候，前后機之間的最小縱向間距為914 m和1 219 m，這和直線進近時的結論類似.

由于采用的是3°偏置進近的方法，因此航空器之間的側向間距大于762 m，排除最大縱向間距的限制，直到航空器距離限制點12.1km.在表中最后一列顯示，幾乎所有航空器對都提供了可接受的最后進近速度組合.可以看出，3°偏置程序有較好的安全性能，能在前后機間距較小的情況下仍保持安全，但該種程序的實施可能會受到地形或環境條件以及通信導航性能的制約.

3 結語

本文首先對近距平行跑道配對進近程序進行了介紹，隨后分別對后機無避讓機動和有避讓機動兩種情況加以考慮，應用Monte Carlo模擬分析方法得到了其在前機錯誤進近的前提下發生碰撞的風險概率，其中后機有避讓機動的程序分別分析了飛行員反應3、5、8 s的延遲時間，得到了在錯誤進近發生不同位置時的前后機需保持的最小縱向間距，最后，對3°偏置進近程序的碰撞風險進行了仿真分析，看出了其較大的安全優勢.

近距平行跑道是我國未來中大型機場的主要跑道構型之一，而近距平行跑道配對進近運行模式更是未來的發展趨勢，本文主要解決了近距平行跑道配對進近程序中，前后機需要保持的最小縱向間距問題，為以后更好的實施近距平行跑道的配對進近，提供了理論參考數據，從而更大程度地提高跑道容量，增加機場運行效率.

［1］胡明華，田 勇，李 凱.機場近距平行跑道進近方法研究［J］.交通運輸工程與信息學報，2003，1(1):64－69.

［2］顧正兵.虹橋機場近距平行跑道儀表運行方式研究［J］.中國民航大學學報，2010，28(5):21－24.

［3］王 維，李 偉.機場近距平行跑道一起一降模式下的容量計算［J］.中國民航大學學報，2009，27(3):20－22.

［4］HAMMER J.Case study of paired approach procedure to closely spaced parallel runways［J］.Air Traffic Control Quarterly，2000，8(4):223－252.

［5］VEILLETTE R.Data show that US wake－turbulence accidents are most frequent at low altitudeand during approach and landing［J］.Flight Safety Digest，2002，21(3):1－47.