非常规天气下航空器飞行的改航策略研究

李纯柱

（中国民用航空华北地区空中交通管理局天津分局，天津 300300）

影响飞行安全和导致民航运行事故的因素较多。目前，考虑飞行安全的重要性，国内外学者已从人的因素、航空器机载设备因素及地面通讯导航设备因素等方面进行相关研究，但不良天气对民航安全运行造成的影响一直未能解决。遭遇非常规天气时，航空器在航路上飞行有可能导致航班延误，甚至发生航空安全事件，为保障航空器飞行的安全和效率，必须及时对航空器进行改航飞行。

国外，针对改航问题的研究主要集中在规划航班改航路径、非常规天气即将影响的区域、航班改航后的放行时间3 个方向。文献[1]分析了极端天气的具体案例，并给出航空器在航路飞行阶段相应的安全评估策略。文献[2-3]基于网格、自由飞行的改航规划，利用雷达回波并根据非常规天气影响的范围，制作网络图等方法，给出相应的管制策略。经过多次改进，这些方法在使用时具有空域分配合理、搜索范围可变、改航路径简单等诸多特点，但在航路结构及不同环境下航空器改航路线的多变随机性等方面考虑不够充分，很可能由于天气变化导致改航规划计算量增加。

国内，高政[4]针对动态飞行空域的实时改航，提出了基于椭圆边界的改航路径规划方法。徐肖豪等[5]设计出动态天气下的航线规划工具，能够连续自动地分析空域内的飞行情况并进行航线修正，进而有效规避恶劣天气。万莉莉等[6]将地面等待和空中等待与改航策略相结合建立多目标优化模型。杨双双[7]通过对多目标模型分析得到最优的改航策略，对不利气象对飞行的影响进行简要分析，并建立了各种飞行受限制区域模型。王莉莉等[8]提出基于椭圆的改进威胁概率模型，通过分析得出最佳改航路径并确定最小改航时间。王飞等[9]采用人工势场理论对航空器进行静态航路规划研究。张兆宁等[10]针对多机改航问题建立了改进人工势场的多机动态改航模型。赵召娜等[11]采用删格法建立环境模型及改进蚁群算法的改航模型。张兆宁等[12]针对终端危险区的特点，提出基于多重Morphin算法的终端区三位实时改航方法。吕宗平等[13]运用形态学方法，从雷暴图中分析空中限制区，考虑改航的可能性及便捷性，保证航空器绕开限制区后得到最短航程。

近年来对航班改航问题的研究多是基于数学模型并运用不同数学算法推算出改航方案，主要以理论数据分析为主，在理想状态下经过严密计算得到的结论与多变的实际运行情况结合不够紧密。因此，研究根据非常规天气的单体云体实际形状及运行方向，并结合航空器的计划航线和航路结构，通过推算得出操作性强、便于运行实施的改航方案。

1 改航策略研究

各类非常规天气中，经常遇到雷暴、台风、大雨，风切变，颠簸等情况。数据表明，航空器在空中风速大于11 m/s 的条件下飞行时，飞行员的操控难度明显增加，若同时在雷雨或降水中飞行，其操控将更加困难。在实际运行中，雷雨和大风及风切变常常同时出现，有时还伴有闪电和冰雹。因此，对飞行员来说，面对非常规天气提前做好正确的改航路线尤为重要。

改航策略通常有两种：垂直改航策略和水平改航策略。一般情况下飞行员会依据气象雷达数据提出一种改航策略，管制员可根据实际运行情况提供具体改航方法或建议。下面将分析面对不同天气条件下，应该如何制定改航策略，计算改航路线。

1.1 垂直改航策略

在非常规天气中，如果孤立分散的积雨云体形成热雷暴或地形雷暴，云顶的高度一般很高，只有执行改航的航空器升限性能满足爬升高度要求且油料充足，并在其他各方面条件允许时，才可以从高于云顶至少1 500 m 的云上飞越。非常规天气不断发生变化，影响范围的判断结果并不是一成不变的，采取这种方法必须在改航前对天气影响范围、飞机性能等因素进行严密分析后才能选择。

云下绕飞由于限制较多，一般在非常规天气下改航时很少采用，除非云下未出现降水，能见度足够好，航空器已临近机场并准备着陆时，才有可能选择云下绕飞。

1.2 水平改航策略

对于水平绕飞，结合天气系统的影响范围及运行趋势，根据单体云体形状及运行方向，分析在不同天气情况下的6 种改航方法。不同的改航方案，将影响到航空器的改航角度、飞行距离、安全余度及改航后航空器间的水平间隔等航行要素，应依据实际情况而定。

图1为需寻求改航的路线图。随机形状的图形表示需要绕飞躲避的区域，A 为改航起始点，B 为改航结束点。考虑到航空器与非常规天气系统之间保持的安全间隔，应沿天气系统外围画出受限制保护区域。

图1 考虑安全间隔的非常规天气与航路Fig.1 Special weather and air route considering safe seperation

1）改航方法1

航空器从改航起始点A 飞至绕飞区域顶点b 或f，然后沿绕飞区域边界飞行，结束于B 点，则得到距离较短的两条路线：A—b—c—B、A—f—e—B，如图2所示。如采用A—b—c—B 路线，定义绕飞区域顶点b 到原航路的垂直距离为G，垂直点到改航起始点的距离为L，则偏离原航路的角度应满足tan φ=G/L（以下改航方法其改航角度的计算同理）。

图2 改航方法1Fig.2 Rerouting strategy One

该方法适用于云体移动较慢、范围较小、云体边界强度较弱的情况，只需引导航空器直接飞向绕飞区域的顶点b 或f，路线规划简单，航空器飞行路径较短。

2）改航方法2

航空器先直飞至与A 点最近的绕飞区顶点a 或g，有如下路线：A—a—b—c—B、A—g—f—e—B，如图3所示，航空器沿绕飞区域边界飞行。

该方法适用于云体移动范围较大、移动较慢，飞行员对前方天气发展不太确定的情况。其特点是操作简单、不需要计算，引导航空器直接切入安全边界即可，但沿边界的飞行方法存在飞行路径长且需要多次转弯、航向改变频繁等缺点。

图3 改航方法2Fig.3 Rerouting strategy Two

3）改航方法3

从改航起始点A 和改航结束点B 出发，分别对绕飞区域作切线，这两条切线两两相交，交于点R1、R2，围成两条绕飞路线，即：A—R1—B、A—R2—B，如图4所示。

图4 改航方法3Fig.4 Rerouting strategy Three

该方法适用于天气系统范围较小，其运行方向与计划航路交叉或接近垂直时使用。由于改航路线只有一个转弯点，便于飞行员操作，若选择上风口的方向绕航，绕航路径还能逐渐缩短，此方法在实际运行中使用较为方便。

4）改航方法4

分别在绕飞区域的四周作两条垂直于航路的切线、两条平行于航路的切线，得到如图5所示的I、II两种飞行路线。

图5 改航方法4Fig.5 Rerouting strategy Four

该方法适用于天气系统影响范围不是很大，云体运行方向与计划航路接近平行时使用。改航航空器无需按照绕飞区域的边界飞行，转弯点少，与云体间有充足的安全余度，飞行员及管制员可有效减少工作负荷，缺点是航空器飞行距离增加，影响经济效益。

5）改航方法5

图6为沿绕飞区域外围做作两条切线。第1 条切线从A 点向绕飞区域作切线，第2 条切线是与计划航路垂直的外围切线。航空器先从改航起始点A 直飞两条切线相交点，再飞往改航结束点B。

图6 改航方法5Fig.6 Rerouting strategy Five

该方法适用于天气系统影响范围小，运行方向与计划航路交叉或接近垂直时使用。其优点是与方法四相比，一定程度上缩短了改航路径，可以灵活掌握切回计划航路的时机，且便于控制航空器间的水平间隔。

6）改航方法6

当天气系统挡住某个计划航路的航路转弯点，直飞下一个或其他航路点能够完全绕过天气系统时，可以实施如下改航方法，即A 点直飞B 点，如图7所示。

图7 改航方法6Fig.7 Rerouting strategy Six

该方法适用于天气系统影响范围不大、运行缓慢的情况。其优点是改航路线易于规划、无转弯点、距离短、飞行员易于接受，缺点是偏离航路过多，如航空器改航后需要飞入其他管制区，需提前与相关管制单位协调。此方法实际工作中运用较多。

上述6 种改航方案适用于不同的实际运行情况，管制员在选择时应根据本区域航路结构、空域结构、扇区划分及天气情况的发展形势等因素综合考虑，选择最适合的改航路线提供给飞行员，以便机组人员尽快确定最优改航路线。

2 案例分析与验证

2.1 强台风“利奇马”简介

台风“利奇马”于北京时间2019年8月7日23时被中央气象台升级为超强台风后，持续向北移动，并向中国沿海逐渐靠近，于8月10日1 时45 分在浙江温岭市沿海登陆，沿华东地区继续北上。8月12日起进入渤海海域，开始影响天津进近管制区附近航路，如图8所示。该台风具有登陆强度强、陆上滞留长、风雨强度大、影响范围广、灾害影响重等特点。

根据天津气象中心对“利奇马”雷达图的分析报告，8月12日“利奇马”中心南侧有大片云团，海上的暖湿空气不断向北输送，进一步为“利奇马”提供能量。图9为当日天津机场气象台提供的气象雷达图。

图9雷达图可看出，03 时35 分后台风外围螺旋云带已开始影响天津附近航路，对流云团主要位于南侧，由此可预测天津机场将被“利奇马”大片云团控制，出现较长时间强阵雨。

2.2 改航策略

气象部门通知，受台风外围云系影响，当日天津区域附近有大到暴雨，同时伴有5～7 级大风，渤海海面风力可达8～12 级。受“利奇马”正面袭击，天津机场持续降水6 h，最大风力达31 m/s。

参考图9，该风暴强降水天气占据航路点VYK 以南，缓慢向东北方向移动，影响阻碍了部分天津进港航班的正常飞行。当时，A593、B215 两航路有航班进港，均需要改航。考虑到VYK 附近为航空器高密度运行空域，云层上方飞越航空器较多及可使用高度层的限制，无法实现垂直改航策略。因此，只能实施水平方向的改航策略。

首先，列出天津进近的3 条航路和热带风暴的影响范围示意图，如图10 所示，该示意图范围已考虑了与雷雨应保持的安全间隔。

图10 天津3 条进近航路和热带风暴影响位置示意图Fig.10 Three approach airways affected by tropical storm in Tianjin

当日两个进港航班与热带风暴影响范围及3 条航路的相对位置，如图11 所示。CES5325 航班飞行路线为JB—B215—VYK—CG 来津落地，另一航班CHH7206 则执行BTO—A593—VYK—CG 来津落地路线，其中，B、C 分别为CHH7206 和CES5325 航班的改航起始点。

图11 CHH7206 和CES5325 改航策略示意图Fig.11 Diagram of rerouting strategy of CHH7206 and CES5325

根据气象资料提供的热带风暴的影响范围，对于CES5325 航班，考虑到左侧为繁忙的首都终端管制扇区，强降水天气逐渐北移，不宜左转改航，应选择右转改航。CHH7206 航班采取与CES5325 航班同样的改航方法也选择右转改航。为提高安全裕度，要注意错开高度层，保持足够垂直间隔，同时，考虑到两机飞越风暴影响区后的降落排序和水平间隔，应选取不同改航结束点。

具体改航策略是：CES5325 航班改航方法采用前面论述的改航方法三，改航结束点选择LADIX，从该机的改航起始点和LADIX 依次向影响区域作切线，两条切线相交于A 点，改航后CES5325 航班将直飞A点，并在A 点转弯后飞向LADIX（CES5325 的航向改变角度tan φ1=G1/L1，其中，G1为A 点至B215 的垂直距离，L1为A 点相应垂点至改航起始点C 的距离）；CHH7206 航班改航方法采用改航方法六，提前协调相关管制单位，得到同意后，指挥CHH7206 航班由改航起始点B 直飞CG 导航台。两机改航后落地顺序明确，且获得较大水平间隔，为后续调配提供了便利。

后续另有两航班进港，当时强降水天气已逐渐北移。CCA1417 航班的计划飞行路线为JB—B215—VYK—CG来津落地，另一航班CSH9132 的计划飞行路线为BTO—A593—VYK—CG，如图12 所示。

图12 CCA1417 和CSH9132 改航策略示意图Fig.12 Diagram of rerouting strategy of CCA1417 and CSH9132

具体改航策略是：两机均采用改航方法六的改航策略，提前协调相关管制单位得到同意后，由改航起始点直飞改航结束点，只不过CCA1417 航班选择的改航结束点为LADIX。选择这种点对点直飞，改航路线简单，飞行员易于操作，工作负荷有效降低，提高了安全裕度。同时，此方案为两航班归航过程提供较充足的水平间隔，也便于管制员后续指挥。

3 结语

根据航空器计划航路与非常规天气的影响范围及运行方向的相互关系，制作模拟图形，并运用逻辑推算的方法，提出改航策略。重点分析了各种水平改航策略的使用方法及优缺点，并结合实例验证，结果表明，所提出的改航策略是有效的。如果在实际运用中，能够将经过论证的改航公式输入到管制自动化系统工具中，在航空器需要改航时，将绕航线路显示在雷达视频图上作为参考，可提高管制员工作效率，降低管制工作负荷，提高航空安全水平。