尾流间隔与终端区容量增强

崔智峰

（民航华东空管局上海区域管制中心，上海 201102）

1 终端区容量和限制因素

空中交通网络的拥挤，其原因主要是由于机场、终端区、航路交叉点的容量限制造成的“瓶颈”现象所致。就中国的实际情况而言，容量限制的最主要区域是终端区。国外对终端区容量的研究开始于20世纪70年代。国内关于终端区容量的研究开始于近几年，并取得了一定的成绩。终端区容量是指在一定的系统结构、管制规则和安全等级下，考虑可变因素的影响，该终端区所能提供多少架次航空器的服务。影响终端区容量的因素很多，如地形与障碍物分布、管制员能力、飞行规则等。尾流间隔更是影响终端区容量的重要因素。尾流间隔决定了机场跑道单位时间内的飞机起降数量，也就是跑道运行的效率。所以尾流间隔直接决定了终端区的运行效率。

多数国家都采用了ICAO的尾流间隔标准，只有FAA和英国民航局（CAA）据本国实际运行数据的统计对ICAO的尾流间隔作了某些修改，使之更适应本国的情况。在IFR下应用的ICAO间隔标准，虽然有效，此规定的IFR运行没有因尾流遭遇而发生过事故，但是有证据表明这些规则仍然是建立在经验的基础上从而缺乏足够的基本原理作基础。从尾流间隔标准的制定和运行反馈来看，现行的尾流间隔标准是相当保守和宽松的，对于许多飞行来讲，他们之间必要的间隔可能比现在的标准小很多。因为现行的标准没有考虑到新技术的发展和较好的天气情况等。而随着民航运输量的不断增长，过于保守的尾流间隔标准对航空港容量的限制，已成为了跑道使用率进一步提高的主要障碍，严重影响了终端区容量的增强。因此，多年来各国的研究人员都试图从理论上研究各种飞行间隔的安全性和合理性，希望能够安全、可靠的修改规则，改进和完善各种间隔标准。

2 基于飞行程序的尾流间隔缩减技术

近距平行跑道是指两条间距小于 2 500 ft的平行跑道，而ICAO制定的尾流间隔标准规定，近距平行跑道须遵守单跑道尾流间隔。因此，尾流间隔是近距平行跑道容量增加的主要限制因素。通过对进近程序的改进，可以缩减近距平行跑道的尾流间隔，从而增大容量。这种改进主要是对两架分别向两条近距平行跑道进近的航空器，实施垂直方向或水平侧向的偏置，故将此类尾流间隔缩减技术称为基于偏置进近程序的尾流间隔缩减技术。目前世界上基于偏置进近程序的尾流间隔缩减技术主要有两种：一种是高下滑道进近着陆/双入口运行系统（HALS/DTOP）；一种是同步偏置进近系统（SOIA）。

2.1 高下滑道进近着陆/双入口运行系统

高下滑道进近着陆/双入口运行系统是由德国空中导航服务局（DFS）和德国汉莎航空公司合作在法兰克福机场开发的。此系统的工作原理较其他尾流间隔缩减系统的复杂度低，目的主要为增大到达率。运行模式是：分别沿两条近距平行跑道进近的两架航空器，在保持雷达间隔的同时，前机正常进近至跑道入口位于跑道端的跑道；后机沿距前机下滑道水平间隔518 m，垂直间隔80 m的下滑道向另一条平行跑道进近，此跑道入口内移1 500 m，装有独立的导航装置和进近灯光系统。因为尾涡的行为通常是下沉和侧向输运，因此HALS/DTOP可以有效地避免后机进入前机的尾流危险区。此系统允许在仪表气象条件（IMC）下运行。

DFS的研究者认为，高下滑道进近着陆/双入口运行系统可以在保持尾流遭遇风险水平不变或者有所减小的条件下，将进近航空器的侧向间隔从尾流间隔缩减为雷达间隔。预计将使法兰克福机场获得的容量增加2.5%。

HALS/DTOP系统的优点是采用能够有效节省成本的技术，缩减了向平行近距跑道着陆的尾流类型不同的机型对的尾流间隔。缺点是当两架分别向两条近距平行跑道进近的航空器具有相同尾流类型时，即使侧风等已将尾涡吹离后机的进近通道，仍无法缩减间隔。因此，HALS/DTOP系统应与基于动态预测的尾流间隔缩减技术联合使用，以期以较低的成本得到较大的尾流间隔缩减量。

2.2 同步偏置进近系统

同步偏置进近系统（SOIA）是由FAA为旧金山机场开发的同步偏置仪表进近系统。旧金山机场两条跑道间的间隔为225 m，在 IMC条件下禁止完全独立运行。而此系统的目的是在云高不低于1 600 ft和IMC的条件下，两条跑道能够同时运行。

在通常天气条件下，旧金山机场的28L和28R两条跑道每小时大约接受60次航班到达，但因为有雾天气或较低的云高导致仅其中一条跑道能够着陆，也就是到达率下降为30次航班/h。SOIA可以在恶劣天气下增加25%的到达航班（38次）。当两架航空器分别向28L和28R两条跑道进近，向28L进近的航空器实施直线ILS进近（以下简称ILS航空器）；向28R进近的航空器（以下简称LDA航空器）实施有下滑道的方向信标式寻向辅助装置（LDA）仪表进近，两架航空器在最后进近航段保持2 000 ft的侧向间隔，称为无侵入区域，两架航空器沿此区域进近时由精确跑道监视实施监视，为管制员提供包含两架航空器位置等信息的高精度二次雷达监视数据。LDA航空器的驾驶员负责与ILS航空器保持间隔，当其下降到决断高度时，将作目视机动在稳定进近点对正到右侧跑道中心线，并沿跑道中心线完成进近，此过程中，LDA航空器不允许超越ILS航空器。

SOIA可以使旧金山机场在1 600 ft云高，4 mile的能见度条件下，保持40架/h的到达率，而未运行SOIA之前，在上述条件下，到达率仅为30架/h。

与同属基于偏置进近程序的尾流间隔缩减技术的 HALS/DTOP相比，SOIA在不利天气下的容量改进效果更加稳定。另一方面，SOIA需要安装专门设备，因此机场方面成本增加；而对其飞行程序的执行需要对飞行员进行培训和资质审查，从而航空公司的成本亦有所增加。

3 基于动态预测的尾流间隔缩减技术

由于ICAO的尾流间隔是基于经验制定的，缺乏理论基础，在大多数气象条件下都过于保守。而另一方面，尾流的消散和传输随气象条件不同有很大变化。因此，根据不同气象条件预测尾流的消散和传输，就能够在多数气象条件下缩减尾流间隔。将此类尾流缩减技术称为基于动态预测的尾流间隔缩减技术。应用此类技术的系统通常主要有如下部分：尾流探测设施、尾涡输运和消散预测模型、高精度的气象数据以及将最终预测结果提供给管制员的显示设备和界面。

3.1 尾流预测监控系统的概念和功能

当飞机在起飞或降落的下滑道上经过时，空管系统需要有这架飞机尾流几分钟到一小时的运动和消散预测。当有其他飞机通过这条下滑道时（大约1 200 m），要对尾流情况进行评估。这个系统必须可靠、健全、经济、灵活，可以在空中管理系统中使用。

尾流预报的关键参数是预报时间、位置和高度。通过这些数据可以预测尾流未来的发展情况。另一种方法是利用各种数学方程式，模拟当时的大气情况，大概计算出尾流基本的发展情况。此方法可以给管制员一个小时以上的时间进行提前的计划安排。

大气中的涡流等级是预测尾流消散的关键因素。涡流大小的度量衡是湍流动能（turbulence kinetic energy，TKE）和能量耗散率（energy dissipation rate，EDR）。在1～100 m范围内，大气涡流对于尾流的变形和消散有影响。典型的尾流一般持续2～3 min。然而，气象中的涡流一般持续30 min，因此它对于尾流的影响面积范围很广。如果流程符合柯尔莫哥洛夫的惯性子程理论，在尾流中使用 EDR当所涡流的度量衡是十分合适的。德国航天中心（DLR）开发了天气临时预报系统NOWVIV（nowcasting of wake vortex impact variables）。

除了一个天气预报工具，WVPMS还需要一个可以时时监控当前天气情况的设备，它至少需要监控1 200 m以下的大气活动。它需要风和温度的传感器，就是由雷达（RADAR）和声雷达（SODAR）组成的RASS，测风激光雷达，和装在飞机上的传感器。SODAR向大气中发出频率在1 500～4 500 Hz的声波，然后接收被大气中涡流改变后的声波。RASS技术依赖于人工的雷达波和声波分离，SODAR的主要作用是监测大气的温度变化。通过波形的变化速率可以监测大气中湍流的变化运动情况。

最重要的环节就是尾流运动和消散的实时预测。主要目的是预测尾流的位置和强度，使航空器避过尾流的影响。为了这个目的，模型应考虑到飞行器的结构、风力因素、涡流层、风切变和地面效应。考虑到尾流的运动的概率情况，模型应该和尾流的各种运动可能同时演变。有两个模型可以模拟这种变化，即两段概率论（The probabilistic two－phase model，P2P）和尾流预报系统（The vortex forecast system，VFS）。

3.2 尾流告警系统

尾流告警系统（WVWS）是由DFS于20世纪90年代初在法兰克福机场开发的。

法兰克福机场有两条平行跑道，分别为25L和25R，因为尾流间隔而不能独立运行，限制着空港容量。WVWS首先用数理统计的方法对机场上空的风进行统计和预测；然后通过建立回归模型，预测进近航空器产生尾涡的扩散及侧向传输位置，基于预测数据，确定危险时间；最后根据危险时间的不同，计算出预计尾涡最大输运距离，据此从3种备选的进近程序中提供最优选择，作为建议提供给管制员。

WVWS的优点是采用数理统计的方法，在关于尾流物理本质的理论尚不完整的情况下，将湍流强度简化为侧风和水平风的平方和的均方根，从而避免了大气分层、风切变以及地效等参量的引入。因此，WVWS所采用的理论模型较为简单。缺点是 WVWS仅适用于缩减近距平行跑道的尾流间隔，限制了其在单跑道和交叉跑道机场的应用。

3.3 间隔管理预测系统

间隔管理预测系统（SYAGE）是由法国快速计算中心和法国航行技术中心开发的一种尾流间隔预测系统，利用在对机场上空风的测量数据和名为Vortex的尾涡模型来预测单跑道离场航空器的缩减间隔。因此，其目的是缩减离场航空器序列的间隔。该系统在巴黎奥利机场和图卢兹机场进行了测试。

Vortex模型是基于在多个机场收集的实验数据和计算流体力学数值模拟结果得到的。模型从4种可用的侧风剖面（常值切变侧风剖面、对数侧风剖面、多项式侧风剖面以及地面喷射侧风剖面）中选择了对数侧风剖面。定义了尾涡的初始环量、尾涡强度的衰减率等参数，并规定系统的安全标准为：当涡核被输运至跑道中心线两侧各45 m范围（安全通道）外，或者环量小于50 m2/s时，认为危险消除。

SYAGE系统的优点是数学模型较航空器尾涡间隔系统（AVOSS）和WVWS都简单，而且其中的参数可以通过测量直接获得，因此测量装置的成本也低廉得多。另外需要重申的是，SYAGE是用于缩减离场航空器序列的间隔，可以与作为以缩减进场航空器序列尾流间隔的AVOSS或WVWS系统联合工作。

3.4 航空器尾涡间隔系统

AVOSS由美国航空航天局（NASA）开发，可划分为5个子系统，其中在整个系统的运作中起着核心作用的两个子系统是天气子系统和尾涡消散预测子系统。

天气子系统由以下部分组成：两个装有仪表的探测塔；测量风速的多普勒雷达和声达廓线仪；一套无线电声学探测系统用来测量温度。在每半个小时的时间段内，由传感器及两台终端区多普勒气象雷达获得的数据将用由MIT的Lincoln实验室开发的融合算法，整合为风垂直剖面、温度垂直剖面和湍流垂直剖面。整合后的数据将作为短期动态的天气预测输入尾流预测模型进行尾涡消散的计算。

尾涡消散预测子系统提供侧向和垂直方向的尾流的输运数据和强度数据，尾涡消散预测算法采用湍能耗散率和环量表征尾涡强度，采用引入假想的镜像涡来模拟地效的影响。

子系统整合模块将尾涡预测模块所得的对尾涡行为的预测，应用于一个人为定义的以标称航迹为中心线的通道。此通道以标称航迹为中心线增加三自由度的缓冲区构成。关于尾流是否仍对后机构成威胁有如下规定：当尾涡漂离或者下沉至通道之外，或者当尾涡的强度衰减至与周围大气自由湍流强度相当时，认为尾涡不再对后机构成威胁。

尾流探测子系统由一些传感器组成，用来跟踪由进近航空器产生的尾流，并以时间为变量提供尾涡的位置、强度变化信息。用来确认预测的准确和安全性。典型装置是声雷达、持续波激光雷达或脉冲雷达。

空中交通管制界面直到NASA对AVOSS系统进行试运行时尚未建立。然而此子模块仍非常重要，设计时综合考虑人为因素向管制员提供最简洁、重要的咨询信息。

整个系统针对某机场可能出现的不同机型成对排列组合，以表格的形式提供建议间隔。有效时间是从输出该表格开始计时30 min的时段。计算沿着进近通道的各点进行，捕获尾涡随高度和时间变化的行为，当符合上述定义的两个无威胁条件中的任意一个时，记录时间，可以得到该机型尾涡的存在时间。在半个小时的测量时间中，选择最保守的存在时间，再根据后机的进近速度，得到该机型对的建议间隔。

未来AVOSS系统的发展概念被称作尾涡咨询系统（Wake Vortex Advisory System），它不仅应用于单跑道着陆，还应用于近距平行跑道的进近、离场和交叉跑道的运行。AVOSS系统是所有尾流间隔缩减系统中最复杂的，同时具有较好的可拓展性。其核心数学模型更多地基于尾流的物理特性。其缺点是理论模型复杂、需要解算微分方程组、耗时多、对设备数量和质量的要求高、成本较高。

3.5 容量改进量比较

WVWS：从前面的相关阐述中可见，3种进近程序因为部分地或完全地采用了最小雷达间隔（3～6 n mile），与无雷达尾流间隔相比都使到达率有不同程度的增长。具体的改进数据尚未获得，但可以采取下述方法估算：首先采用某双跑道及单跑道容量模型确定使用交错、修正交错和单跑道进近程序对容量的改进量；然后统计符合使用其中某种进近程序的最大预测输运距离出现的概率，即可得到容量改进量的期望值。

SYAGE：系统在Orly机场的实施以0.8的概率水平带来3架航空器/h的容量增量。

AVOSS：对1999年和2000年在达拉斯福特沃斯机场AVOSS系统的实验数据的分析得出：在IFR条件下，与遵照FAA尾流间隔规定能够获得的容量相比，可以获得平均6%的容量增量。而最大和最小容量增量分别是0和16%。0表示当天AVOSS建议不缩减间隔；当容量增量是16%时，间隔已接近与最小跑道占用时间所限制的间隔相等。

4 尾流间隔缩减技术的展望

尾流间隔缩减系统作为补充的缩减尾流间隔的两种可行方法之一，其缩减尾流间隔的效用是显著的。HALS/DTOP将使法兰克福机场获得2.5%的容量增量；SOIA可以在恶劣天气下增加25%的到达航；WVWS中可供选择的进近程序由于更多采用最小雷达间隔或无雷达尾流间隔，从而可以增大到达率；SYAGE在Orly机场的实施以0.8的概率水平带来3架航空器/h的容量增量；AVOSS可获得平均6%的容量增量。

针对近距平行跑道的尾流间隔缩减，可以采用HALS/DTOP或 SOIA技术，前者能够在几乎无成本增加的条件下缩减向平行近距跑道进近的机型对的尾流间隔，但条件是机型对须具有不同的尾流强度类型。而SOIA无视机型对尾流类型的异同，有更稳定的尾流间隔缩减效果和更广泛的用途，其代价是运营成本的增加。

基于动态预测的尾流间隔缩减技术不局限于平行近距跑道的尾流间隔缩减，广泛地适用于单跑道运行或交叉跑道、多跑道运行的尾流间隔缩减。针对离场航空器序列的尾流间隔缩减，SYAGE提供了低廉有效的解决方案。WVWS和AVOSS系统主要针对进场航空器序列的尾流间隔缩减，区别在于 WVWS不涉及大气分层、风切变等复杂气象因素，而AVOSS系统虽然复杂却具有更好的精确性和扩展性，代价同样是成本的增加。

研究尾流间隔和理解尾流物理过程的意义并不仅限于终端区进近起飞阶段，在缩小垂直间隔（RVSM）的航路上，有飞行员报告遭遇到前机的尾流。虽然至今尚未引起安全事故，但RVSM运行中的尾流遭遇亦需给予足够的重视。

随着先进的大气湍流探测设备和机载可视化设备的发展，未来尾流间隔缩减系统的发展将具备高动态、可视化和实时性等特点，配合正在各国发展或执行的新航行系统，使得空中交通的运行具有更高的精度、更大的容量以及更高的效率。