避让危险天气 减少航班延误

张宇

摘 要：空中交通管理系统中，造成航班延误或取消的主要原因是由恶劣天气引起的。空域中的避让航路设计问题和安全航路的设计问题对研究避让恶劣天气有很重要的意义。

關键词：空管安全；危险天气；安全航路

空中交通管理系统中，造成航班延误或取消的主要原因是由恶劣天气引起的。常见的影响飞行的恶劣天气有强对流天气、低空风切变和低能见度天气等等。文章主要介绍转换空域中的避让航路设计问题和安全航路的设计问题。

1 转换空域中的避让航路问题

1.1 简介

在转换空域（在给定机场大约200海里的范围内）中，结合天气状况避让航路的问题。该问题的研究可以满足目前空域容量最大化的需求。未来的国家空域系统（NAS）也需要机场能够有较大的容量，而危险天气状况的避让也许是主要重要限制因素之一。重点是对到达交通流天气的航路避让和这些航路交叉点的设计。实际地天气航路避让是与三种类型的结论方法相比较的，即：标准进场航路的变化、结合多交叉航路的几何最优化解决方案、自由飞行。这些解决方案表明了，针对目前的NAS来说，提高容量能力是可行的，但是要受到相关理论、空域基础结构和天气的恶劣性而制约。

1.2 避让危险天气的方法

1.2.1 标准进场航路的变化

标准进场航路变化的方法提供了一条备选航路。这条备选航路是以标准航路为基准，通过横侧平移航路点而得到的。

1.2.2 结合多交叉航路的设计（FBRP）

结合多交叉航路的设计原则是：在机场200海里的范围内，找到一条、两条或三条不相交的避让航路，这些航路从航行起始点一直到目标机场。为了满足空中交通管制的间隔要求，当三条航路上都有航空器时，它们的到场时间要满足间隔标准。这时管制员要通过控制航空器的速度或把间隔控制到10公里来保证不违反间隔标准。

1.2.3 自由飞行

自由飞行原则可以用于没有冲突的航空器避让危险天气。当航空器到达机场200海里范围时，航路向目标机场方向按照最优化原则延伸。每架航空器的最佳航路设计时不考虑与其他航空器之间的冲突。

自由飞行原则运用了时间搜索原则，假设标准航路上有危险天气而必须避让，从起始点开始寻找一条时间最短的避让航路。因为不考虑与其它航空器之间的冲突，在设计航路时每架行空器都可以任意设计，这样从某种程度上，提高了飞行效率。

2 安全航路的设计问题

提高国家空域容量的一个方法就是在危险天气状况条件下，提高现有航路的能力使之与该天气状况相适应。本章中运用结合多交叉航路（FBRP），可以在特定空域范围内，如：扇区或者是在机场附近的过渡空域内，保证航空器的较大流量状态。FBRP也允许在孤寂的航路上有大量的限制因素，这其中包括：在危险变化的天气条件下的避让、转弯、曲率限制以及水平间隔标准。

2.1 航路的设计

为了解决航路设计问题，航路的设计要逐个完成。每条航路包括自己的航路点、目的机场和航线。航路设计由两步来完成，第一步：用格子法寻找一条最短的航路。第二步：修正已找到的航路，把航路简单化。

2.1.1 初始航路的寻找

搜寻到的初始最短航路（开始点U，结束点V）要满足以下标准：与危险天气之间有足够的间隔、与其他航路之间要满足水平间隔标准和转弯、曲率限制。

（1）搜寻的空域。最短航路的搜寻原则基于正方形格子的搜寻。格子可以是任何大小的，但是为了保证搜寻的质量和运行时间，格子的大小要适中。格子过大会降低搜寻的质量，而过大会增加运行时间。实践中，格子的边长一般为6.25海里。因此，400*400的空域大概有64*64=4096个格子。

如图1所示，以格子交点P为搜索点。K定义为幅度。当K的取值一定时P点周围有N（P）个点，搜索的原则是：已P点为中心，在各个方向上找一个最近的点与之连接。

图1 ·K=1，2，3，4

（2）航路。搜索过程中，用时间标注每条航路的航路点。每个航路点可以延伸到每一个有效的边界。标注表示从一条航路开始点到此点的最短时间。同一个点有可能被标不同的时间，原因是它是多条航路的航路点。当开始点和结束点之间的最短航路搜寻出来后，航路上的所有航路点就要用最短时间标注。

（3）搜索角度。搜索角度直接影响搜索的速度，搜索角度越大（小），搜索范围就会越广（小），因此所用时间会大大增加（减小）。但搜索角度过小会漏掉最佳航路。因此最佳角度的选择对整个搜索过程非常重要。

2.1.2 航路的修正

在搜索到的航路基础上对航路进行修正。对每个航路点在一个固定值内进行平移。再连接各个航路点，这样就可以得到一系列新航路。再对航路进行简单话处理，这样得到的航路更适合于现行的空管系统。或许新航路的长度比原航路长，但这个差值相对于整个航路来说可以忽略不计。

这些航路同样要满足以下要求：与危险天气之间有足够的间隔、与其他航路之间要满足水平间隔标准和转弯、曲率限制。

2.2 航路特点

通过格子寻找法得到的最短航路有以下特点：（1）在危险天气边缘飞行安全的保证。本方法通过实验数据，在航路设计是用航空器与危险天气之间的距离来保证飞行的安全。（2）满足航空器之间的间隔要求。在设计航路一开始就考虑到这个要求，航路是按照这个标准设计的。（3）有限的寻找点。寻找点过多会在很大程度上增加运行时间，过少会影响航路的质量。因此选择合适的寻找点对航路设计有很大的帮作用。（4）适当的幅度K。K的值过大会增加点到点之间的连线，同时也会增加运行时间。K的值过小会降低搜索的精确性。因此选择适当的幅度K会在保证搜索精度的同时减小运行时间。（5）合适的角度。角度越大，搜索范围就越大，同时运行时间随之增大。

至此，安全航路的设计问题就解决了。首先把空域划分为有限个格子的同时格子之间的交点数也定了，接选择是适当的幅度和合适的角度来搜寻一条最短的航路，最后所确定的航路进行修正，这样最佳航路就设计出来了。

文章从避让航路设计问题和安全航路的设计问题两种途径对避让恶劣天气进行了分析和探讨，这两种办法对研究如何更有效、更经济的避让恶劣天气提供很好的切入点。