多机场耦合运行的塔台管制区划设方法研究

王笑天,徐 晨,刘 博

(民航中南空中交通管理局 广州510000)

0 引言

随着社会经济的不断发展,运输机场的不断开发,新改扩建支线机场的不断增多,我国机场客运量和货运量不断增长。为避免机场间管制范围和责任重叠,科学合理地进行塔台管制区的划设对保障空域安全高效运行极为重要。

目前关于管制区划设的研究主要聚焦于空域扇区的优化和大型机场终端管制区的划设方面。Yousefi等[1]将研究空域分割,以管制员工作负荷的平衡优化为目标,得到空域的优化方案。Brinton等[2]基于航班轨迹的统计特征,以降低空中交通复杂度为目标,利用最优划分法求解最佳划设方案。Tobias等[3]提出了一种谱聚类算法进行空域扇区的优化。Flener和Pearson[4]总结了扇区划分的原则、影响因素和划设标准,提出了扇区自动划设的概念。俞文军等[5]从交通流量预测的角度,对上海终端区进行了扇区划分。罗军等[6]在利用粒子群优化算法对某个航路点负荷进行评估的基础上,研究了终端区扇区的优化问题。胡青云[7]对珠海进近管制区进行了Voronoi剖分,以进行扇区划分研究。

截至目前,较少有学者研究支线机场集中区域的塔台管制区优化问题。本文借鉴管制扇区划设的研究分析工作,结合飞行程序设计、空域规划及管制运行的实际经验,总结支线机场集中区域塔台管制区划设的基本原则和方法。以新建的湘西边城机场塔台管制区划设为例,结合湘西边城机场周边空域环境及其进离场飞行程序,制定湘西边城机场塔台管制区划设方案及周边铜仁凤凰、怀化芷江机场塔台管制区调整方案。针对前述新的塔台管制区划设和调整方案,进行通信及监视能力覆盖分析,以期为支线机场塔台管制区统筹划设提供参考。

1 多机场耦合运行分析

近年来,为促进当地经济的发展,一些中小城市大力支持机场建设。这些机场大多都属于支线机场,即年旅客运输小于或者等于300万人次的机场,主要供1 000～1 500 km范围内的短程飞机起降[8]。在空域运行上,设置机场塔台管制区既可为民用支线机场提供空中交通管制服务,也可承担塔台管制与进近管制两方面的管制运行工作。

随着新建机场得的增多,某些区域内的机场分布又相对集中,在一定区域内存在多个机场、多条进离场航线耦合运行的复杂情况,增大了塔台管制调配的难度和安全运行的风险。基于多机场耦合运行实际情况进行统筹考虑塔台管制范围的划设,可避免相邻塔台管制区之间存在重叠区域而导致管制责任界定不清的问题。本文从明确管制责任、降低运行风险和合理利用空域资源的角度出发,对分布相对集中的多机场塔台管制区的划设进行分析。

2 多机场区域的空域概况

多机场区域内管制运行受到空间资源和进离场交通流运行冲突等因素的制约[9],因此在划设塔台管制区时应当充分考虑该区域内的空域情况。以新建的湘西边城机场和周边的铜仁凤凰机场、怀化芷江机场形成的多机场区域为例,对各个机场的空域结构的水平/垂直范围和协同运行模式进行分析。

湘西边城机场与铜仁凤凰机场、怀化芷江机场距离较近。铜仁凤凰机场位于湘西边城机场真方位为197°,直线距离为71 km。怀化芷江机场位于湘西边城机场真方位为171°,直线距离为118 km。怀化芷江机场位于铜仁凤凰机场真方位为141°,直线距离为62 km。三个机场相对位置关系如图1所示。

图1 三个机场的相对位置关系图

划设塔台管制区需要确定其水平范围和垂直范围。民用支线机场通常以本场台为圆心、半径55 km范围为其塔台管制区的水平范围,依据机场进离场航线结构和管制运行等因素确定其垂直范围。现行铜仁凤凰机场与怀化芷江机场公布的塔台管制区水平范围均是采用上述方式划定的圆形区域,铜仁凤凰机场塔台管制区的垂直范围为标准气压高度4 200 m(含)以下,怀化芷江机场塔台管制区的垂直范围为标准气压高度3 900 m(含)以下。三个机场塔台管制区水平范围如图2所示。铜仁机场塔台管制区水平范围局部放大如图3所示。

图2 三个机场塔台管制区水平范围示意图

图3 铜仁机场塔台管制区水平范围局部放大图

若湘西边城机场的仍以湘西VOR/DME台为圆心,划定半径55 km圆形区域为其塔台管制区水平范围,与现行铜仁机场和芷江机场的塔台管制区水平范围有部分重叠,航空器在重叠区内运行时管制责任界定不清,存在运行风险。《民用航空空中交通管理规则》[10]要求在任何时间内,对航空器的空中交通管制服务只由一个管制单位承担,为明确管制责任,消除运行风险,保证航行情报资料的严谨性和规范性,需要统筹研究湘西边城、铜仁凤凰和怀化芷江三个机场塔台管制区的划设调整方案。

3 多机场塔台管制区划设方案

3.1 塔台管制区划设的基本原则

结合飞行程序设计、空域规划及管制实际运行经验,塔台管制区的划设应遵循以下基本原则:

(1)塔台管制区的水平范围应尽量涵盖机场的进离场飞行程序;

(2)当塔台管制区的水平范围与周边机场塔台管制区的水平范围重叠时,至少应涵盖机场所有的起始进近航段;

(3)塔台管制区的垂直范围应考虑进离场飞行程序的高距比;

(4)塔台管制区的划设应充分考虑管制调配的需求,尽量减少不同管制单位之间的相互移交。

3.2 塔台管制区划设调整方法

根据湘西边城、铜仁凤凰和怀化芷江三个机场进离场航线走向及交通流占比情况,制定湘西边城机场塔台管制区划设方案及铜仁、怀化机场塔台管制区调整方案,三个机场塔台管制区垂直高度设计上按照“中间高两边低”的布局,尽可能减少不同管制单位之间的相互移交。根据上述原则和思路,优化调整后的塔台管制区划设方案如图4所示。

3.2.1 湘西机场塔台管制区划设方案

划设方案遵循上述“便于管制调配、避免塔台管制区重合和覆盖机场进离场飞行程序”的原则。湘西机场半径为55 km范围的西北侧与西南空管局重庆区调的水平范围部分重合,管制移交程序较为复杂,管制界限不清。由图4可知,湘西机场进离场程序集中在西南侧与东北侧,西北侧无进离场程序,故用B1-B2对西北侧空域进行切分,以减少管制移交程序,降低管制复杂性,同时也完全覆盖了湘西机场的进离场程序。B1点为半径55 km圆弧与W102航线的交点,B2点为半径55 km圆弧与A581航路的交点。另外,湘西机场半径为55 km范围的南侧与铜仁机场半径为55 km范围的北侧存在重合区域,根据至少涵盖机场所有起始进近航段的原则,找到湘西机场所有进近程序最南侧的两个起始进近定位点,即P4点与P5点作为分界点,A1、A2点分别为P4、P5点连线的延长线与湘西机场半径为55 km圆弧的交点。

湘西机场塔台管制区的水平范围为:A1-P5-P4-A2-以湘西VOR/DME为圆心,半径为55 km的圆弧-B1-B2-A1连线范围内;垂直范围为标准气压高度3 600 m(含)以下。湘西机场塔台管制区水平范围如图5所示。

图5 湘西机场塔台管制区水平范围示意图

3.2.2 怀化机场塔台管制区调整方案

怀化机场半径为55 km圆弧的北侧与铜仁机场半径为55 km圆弧的南侧存在部分重合,考虑到怀化机场北侧只有沿W102的进离场航线,而铜仁机场南侧进离场航线较多,故将该部分空域主要划分给铜仁机场,以方便其进行管制调配。可以A3-A4-A5进行怀化机场与铜仁机场塔台管制区的切分,其中A4点是怀化机场PBN进场程序的等待点CJ507,A3点是A4与怀化机场东侧离场点P167的连线延长线与怀化机场半径为55 km圆弧的交点,A5点是怀化机场半径为55 km圆弧与H24航路的交点。

怀化机场塔台管制区水平范围为:A3-A4-A5-以芷江VOR/DME为圆心,半径为55 km的圆弧-A3连线范围内;垂直范围为标准气压高度3 600 m(含)以下。怀化机场塔台管制区水平范围如图6所示。

图6 怀化机场塔台管制区水平范围示意图

3.2.3 铜仁机场塔台管制区调整方案

铜仁机场塔台管制区东侧范围利用A2-B3界定,B3点是铜仁机场半径为55 km圆弧与上述怀化机场塔台管制区北侧边界的交点。铜仁机场塔台管制区西侧范围利用A1-A6-A5界定,A6点是铜仁机场半径为55 km圆弧与W586航线的交点。

铜仁机场塔台管制区水平范围为:A1-P5-P4-A2-B3-A4-A5-A6-A1连线范围内;垂直范围为标准气压高度4 200 m(含)以下。铜仁机场塔台管制区水平范围如图7所示。

图7 铜仁机场塔台管制区水平范围示意图

4 通信及监视能力覆盖分析

塔台管制区垂直范围的确定需考虑相关区域管制单位的通信监视能力。根据标准气压高度3 600 m(含)以上高度范围的通信及监视设备的覆盖能力,划定湘西边城、铜仁凤凰、怀化芷江三个机场塔台管制区的垂直范围。

4.1 甚高频信号覆盖分析

湘西边城、铜仁凤凰和怀化芷江三个机场周围有张家界甚高频台和铜仁甚高频台,可为其提供甚高频通信信号。对上述三个机场进行甚高频信号覆盖评估分析,以上拟划设及拟调整的塔台管制区范围均能满足张家界和铜仁雷达站标准气压高度3 600 m高度的甚高频信号覆盖要求。标准气压高度3 600 m高度甚高频信号覆盖分析如图8所示。

图8 标准气压高度3 600 m高度甚高频信号覆盖分析示意图

4.2 雷达信号覆盖分析

经对以上三个机场周边张家界和铜仁雷达站的雷达信号覆盖评估分析,以上拟划设及拟调整的塔台管制区范围均能满足张家界和铜仁雷达站标准气压高度3 600 m高度的信号覆盖要求。标准气压高度3 600 m高度雷达信号覆盖分析如图9所示。

图9 标准气压高度3 600 m高度雷达信号覆盖分析示意图

5 结论

(1)分析了多机场耦合运行的技术问题,包括管制调配难度、空域资源不合理利用及安全风险增加等,提出塔台管制区划设的基本原则,水平范围应尽量涵盖机场的进离场飞行程序(至少应涵盖机场所有的起始进近航段),垂直范围应考虑进离场飞行程序的高距比,以及充分考虑管制调配的需求,尽量减少不同管制单位之间的相互移交。

(2)提出塔台管制区划设的具体方法步骤,并以新建湘西边城机场、铜仁凤凰机场和怀化芷江机场形成的典型支线机场耦合运行模式下的塔台管制区划设为例,描述多机场区域内塔台管制区的划设调整方案,并利用甚高频通信及雷达监视信号的覆盖能力分析验证了管制区划设的可行性。

(3)从静态空域结构上明确了不同塔台管制单位的责任,在运行上可结合实际需求签订相关管制运行协议,明确管制责任的移交。

(4)由于在相邻机场塔台管制区内运行的航空器所采用的修正海平面气压有所差异,建议穿越相邻塔台管制区小于水平间隔的航空器之间的垂直间隔应保持在600 m(含)以上,如飞行程序高度或管制指挥引导高度应相差600 m(含)以上。

(5)目前直线机场大多实施程序管制,运行上存在诸多限制,未来随着各机场航班流量的进一步增长,建议统一规划,统一标准、统一指挥,满足未来多机场同时运行的需求。