近距平行跑道配对进近中的碰撞风险分析

孙 佳，田 勇

(南京航空航天大学民航学院，南京210016)

近距平行跑道(CSPR)定义为两条平行跑道中心线之间的距离小于762 m的跑道对.其主要运行方式为隔离平行运行模式，即一条跑道只用于离场，另一条跑道只用于进近.近几年，一些国家已经实现近距平行跑道的配对进近运行，但只允许在目视气象条件下飞行员依据经验判断需要与前机保持的间距以避免受前机产生的尾流影响.因此，若机场气象条件低于目视气象条件时，CSPR的运行效率将大幅降低，这不仅会造成机场大量的航班延误，而且也会影响到高空管制区域以及其他机场的正常运行.

国内对于近距平行跑道的研究起步较晚，如胡明华等分析了如何提高近距平行跑道容量的主要进近方法，包括NASA Langley的空中侧向间隔信息(AILS)系统［1］;王维等主要针对近距平行跑道一起一降运行模式得出了起飞和到达容量数学模型［2］;顾正兵研究了基于虹桥机场的近距平行跑道运行方式［3］;相关研究甚少涉及近距平行跑道的配对进近运行模式，对于采用配对进近时的碰撞风险更是从未提及.

本文就基于近距平行跑道的配对进近运行模式，分析配对进近方式，并应用Monte Carlo方法模拟得到在有或无避让机动时，前后机的碰撞风险，并对比较为严格的安全目标水平，得到前后机在不同条件下需要保持的最小纵向间隔.为我国近距平行跑道配对进近运行模式的实施奠定理论基础.

1 CSPR的配对进近运行模式

最早提出配对进近这一思想的是美国学者Jonathan Hammer，当两架航空器建立了各自的航向道后，前机与后机可以在保持一定斜距的条件下配对进近［4］.但当机场气象低于目视气象条件时，CSPR不能进行配对进近运行，这会导致跑道容量的大幅降低.为了改善这种情况，FAA允许满足以下两种情况下继续进行CSPR的配对进近:1)文件8260.49A规定当限制高度低于640 m、能见度低于4英里时，配对航空器可以进行偏置进近(SOIA);2)文件7110.308规定当前机为除重型或B757时的任何机型，允许一些具备特定条件的机场在低于I类精密进近最低标准条件下，继续进行配对进近运行模式.

近距平行跑道配对进近过程中航空器之间的实时纵向间隔，由广播式自动相关监视(ADS－B)和空中交通驾驶舱显示(CDTI)设备配合提供.飞行员必须要保证前后机之间的纵向间距满足一距离界限，Lmin≤L≤Lmax即，最小纵向距离Lmin即是考虑前机可能会发生错误进近，闯入后机的航向道，造成危险接近甚至碰撞的风险;最大纵向距离Lmax即是考虑到若前机为重型或中型机，其产生的尾流在最大不利侧风的影响下会对后机的正常进近造成影响［5］，为了避开尾流，前后机纵向间距需在一定值之内.

当无冲突避让时，配对进近的后机可以进行3°的偏置进近以减小碰撞风险，为了更大程度地减小配对进近前后机当前机发生错误进近时对后机造成的碰撞风险，通常会采用避让机动程序，见图1.

FAA提出配对进近过程中的航空器，一旦前机闯入，后机可以在一定的条件下进行避让机动，从而降低碰撞风险.在实际运行中，这一程序必须由新的机载显示设备和航空电子系统支持，包括:ADS－B，III类数字飞行控制系统，侧向导航系统和提供40 m或95%总体系统误差(TSE)的导航设施.满足这一TSE的导航系统包括:地基导航系统(GBAS)、星基导航系统(SBAS)和带垂直引导的WAAS进近程序(LPV).有避让机动的航空器可以采用灵活的间隔规范，航空器之间可以实现自由穿梭，如图2.

图1 近距平行跑道配对进近程序

图2 有避让机动的配对进近程序

本文将在前人的研究基础上延伸考虑当机场运行条件低于II类精密进近最低标准时，CSPR配对进近运行的前后机碰撞风险，并分析在满足较为严格的安全目标水平下，不同条件下的保守的前后机纵向间隔值.

2 碰撞风险分析

采用Monte Carlo模拟航空器配对进近程序，分析平行进近和3°偏置进近程序有或无避让机动下的碰撞概率.在精密跑道监视下，平行进近的航空器需满足次碰撞每飞行小时的安全目标水平(TLS).但由于导航、监视设备的快速发展，文中将采用更为严格的的TLS.在计算碰撞风险时，需考虑两个关键因素:发生前机闯入非侵入区(NTZ)的概率和前机闯入后发生碰撞的概率.

其中:p闯入可由进近过程中航空器发生错误进近的历史数据统计获取.p碰撞|闯入由 Monte Carlo分析得到.对美国2007年10月到2009年6月的共785 203个仪表进近过程中发生闯入NTZ的次数进行统计，闯入NTZ的总次数占总进近次数的4×10－5，要达到上述 10－9的 TLS，由式(1)可得，前机闯入后发生碰撞的概率应不大于10－4.

在直线进近中，假定侧向导航路径追踪精度为40 m(95%)，为确保在跑道上安全着陆，航空器应在距离跑道头至少4.2 km的距离范围内采用该ILS侧向导航精度.若航空器采用3°的偏置进近，则该ILS侧向导航精度应应用在整个进近过程中.假定某机场的机型组合为:13%重型机、70%中型机和17%的轻型机.在Monte Carlo模拟过程中，每次迭代将随机地选择航空器的机型.

航空器到达外指点标的空速为180 kt，随后一直减速到最后进近速度，本文中各机型的最后进近速度由经验分析得出，如图3所示.

图3 各机型最后进近速度分布

图4 无避让机动时配对前后机的运行程序

通过分别建立无避让机动和有避让机动模型.在有避让机动的模型中，考虑前机发生错误进近后，后机在开始避让前有3、5、8 s的延时，并进行35°的转弯，图4、5分别表示无避让机动和有避让机动中前后机的运行程序.

图5 有避让机动时配对前后机的运行程序

从图中可以看出，当无避让机动时，配对前机发生错误进近后，后机继续沿其航向道进近，前后机的碰撞风险很大;当有避让机动时，通过先进的导航、监视系统，可以让后机进行一定角度的避让，从图4可以看出，由于后机的避让机动使得前后机发生碰撞的可能性明显减小.通过分析不同机型组合配对进近程序，应用Monte Carlo方法进行重复迭代，为了得到最为保守的前后机最小纵向间距值，且现美国实行的目视配对进近所需要保证的跑道中心线最小间距为213 m，因此，本文考虑近距平行跑道跑道中心线间距为213 m.

表1为通过计算仿真得到的当考虑航空器在直线进近中的任何进近位置都有可能发生错误进近时，后机采用避让机动(3、5、8 s延迟)及不采用避让机动时，前后机在不同纵向间距下，发生碰撞的风险概率，即p碰撞|闯入，依据上文中提到的错误进近概率p闯入，可以得到在满足TLS下的前机发生错误进近且前后机发生碰撞的概率p碰撞|闯入应不大于10－4.

结果显示，跑道中心线之间间距为213 m时，不论是有避让机动或是无避让机动时，当碰撞风险概率不满足要求，则配对进近的前后机之间需保持必要的垂直间距.对有避让机动的程序，所需的最小纵向间距将随着后机反应延时的减少而减少.在满足TLS的情况下，延时为3、5 s的配对航空器之间的最小纵向间距应为762 m，8 s延时的配对航空器之间的最小纵向间距为914 m，对于无避让机动程序，所需的最小纵向间距为1 067 m，以上结果表明，有避让机动程序的优势取决于后机避让的反应时间.此外，避让机动程序提供75%的可接受航空器对，而无避让机动程序提供67%的可接受航空器对.

表1 当前机在进近中任何位置都有可能闯入NTZ时，不同情况下的碰撞风险概率

表2为在FAF点之外直线进近时，前机发生错误进近的情况，与上述情况类似，在外指点标以后前后机间距大于229 m时，最小纵向间距基本不变化.在外指点标之前，最小纵向间距会发生变化.

表2 当前机仅可能在FAF点之前闯入NTZ时，不同情况下的碰撞风险概率

从表2可以看出，有避让机动的航空器对之间需要保持的最小纵向间距会比无避让机动的间距要小，可接受的最小纵向间距有避让机动为457 m，无避让机动为610 m.当前机错误进近仅发生在FAF点之前时，前机闯入的速度将相比于之前更快同时需要保证的纵向间距也更加严苛.这些因素也导致了无论后机的避让机动延迟多长时间，前后机之间需要保持的最小安全纵向间距都很稳定.

表3显示了应用3°偏置进近的优势，并考虑前机错误进近在配对进近的任何地方都可能发生的情况.

表3 3°偏置进近且在进近中任何位置都可能闯入NTZ时，不同情况下的碰撞风险概率

由结果分析，当采用3°偏置进近时，同时后机的避让机动延迟3 s，则不论哪一种情况，前后机都不会发生碰撞.当有5 s延时时，前后机之间最小纵向间距应为305 m，相比于直线进近的762 m减少了.在有和无避让机动的时候，前后机之间的最小纵向间距为914 m和1 219 m，这和直线进近时的结论类似.

由于采用的是3°偏置进近的方法，因此航空器之间的侧向间距大于762 m，排除最大纵向间距的限制，直到航空器距离限制点12.1km.在表中最后一列显示，几乎所有航空器对都提供了可接受的最后进近速度组合.可以看出，3°偏置程序有较好的安全性能，能在前后机间距较小的情况下仍保持安全，但该种程序的实施可能会受到地形或环境条件以及通信导航性能的制约.

3 结语

本文首先对近距平行跑道配对进近程序进行了介绍，随后分别对后机无避让机动和有避让机动两种情况加以考虑，应用Monte Carlo模拟分析方法得到了其在前机错误进近的前提下发生碰撞的风险概率，其中后机有避让机动的程序分别分析了飞行员反应3、5、8 s的延迟时间，得到了在错误进近发生不同位置时的前后机需保持的最小纵向间距，最后，对3°偏置进近程序的碰撞风险进行了仿真分析，看出了其较大的安全优势.

近距平行跑道是我国未来中大型机场的主要跑道构型之一，而近距平行跑道配对进近运行模式更是未来的发展趋势，本文主要解决了近距平行跑道配对进近程序中，前后机需要保持的最小纵向间距问题，为以后更好的实施近距平行跑道的配对进近，提供了理论参考数据，从而更大程度地提高跑道容量，增加机场运行效率.

［1］胡明华，田 勇，李 凯.机场近距平行跑道进近方法研究［J］.交通运输工程与信息学报，2003，1(1):64－69.

［2］顾正兵.虹桥机场近距平行跑道仪表运行方式研究［J］.中国民航大学学报，2010，28(5):21－24.

［3］王 维，李 伟.机场近距平行跑道一起一降模式下的容量计算［J］.中国民航大学学报，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.