王勇

摘 要：本文分析了當(dāng)前學(xué)者研究碰撞風(fēng)險(xiǎn)的主要方向，確定了本項(xiàng)研究的主要意圖，計(jì)算進(jìn)近或復(fù)飛的碰撞可能性，也就是碰撞風(fēng)險(xiǎn)。本次研究先介紹了與文章相關(guān)的前提條件和運(yùn)行狀態(tài)，隨后介紹了碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型的算法，最后用該算法分析了無(wú)錫機(jī)場(chǎng)雷達(dá)運(yùn)行的進(jìn)近、復(fù)飛階段碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)管制;航空器;障礙物;碰撞風(fēng)險(xiǎn)

隨著航班量的持續(xù)增長(zhǎng)，我國(guó)民航運(yùn)行存在著空域使用率不高，管制人員工作壓力大，不利于民航安全運(yùn)行的困難，空管保障能力不足與快速發(fā)展的市場(chǎng)需求矛盾日益加大。僅通過(guò)機(jī)場(chǎng)管制已不能滿足管制運(yùn)行所需要具備的條件，為了使航空器在空中的飛行過(guò)程能夠更加安全有保障、且可提高運(yùn)行效率，設(shè)置進(jìn)近管制就迫在眉睫，同時(shí)進(jìn)一步實(shí)施雷達(dá)管制。為了評(píng)估實(shí)施雷達(dá)管制時(shí)簡(jiǎn)化飛行程序，縮小飛行間隔的安全性，開(kāi)展了本項(xiàng)研究。

近年來(lái)，關(guān)于碰撞風(fēng)險(xiǎn)的研究比較豐富。左諦[1]等人在考慮了航空器保持性能的情況下，研究航空器的風(fēng)險(xiǎn)碰撞模型;張兆寧[2]利用雷達(dá)數(shù)據(jù)研究航空器側(cè)向跑道進(jìn)場(chǎng)的保護(hù)區(qū)大小;陳華群[3]對(duì)儀表專場(chǎng)飛行訓(xùn)練作了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估;李琦[4]等人研究了軍用無(wú)人機(jī)和民航客機(jī)的碰撞風(fēng)險(xiǎn);陳亞青[5]主要通過(guò)構(gòu)建有關(guān)防撞系統(tǒng)的碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型，李娜[6]主要的研究?jī)?nèi)容是航空器執(zhí)行精密進(jìn)近程序的情況下，當(dāng)航跡發(fā)生偏差時(shí)，航班與地面障礙物發(fā)生碰撞的可能性;張智巍[7]的主要研究?jī)?nèi)容是考慮雙流機(jī)場(chǎng)平行進(jìn)近狀態(tài)下的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

本文主要通過(guò)碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型研究進(jìn)近、復(fù)飛階段航空器于地面障礙物的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，并通過(guò)這一方法評(píng)估無(wú)錫碩放機(jī)場(chǎng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

1 理論基礎(chǔ)

雷達(dá)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主要包括雷達(dá)管制下的飛行程序運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和進(jìn)近雷達(dá)管制系統(tǒng)危險(xiǎn)辨識(shí)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。本項(xiàng)研究主要從飛行程序運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估這一角度進(jìn)行論述，首先敘述飛行程序運(yùn)行過(guò)程中的相關(guān)安全風(fēng)險(xiǎn)，其次深入分析近地風(fēng)險(xiǎn)，再次研究起飛離場(chǎng)和進(jìn)近過(guò)程中穿透超障高度的風(fēng)險(xiǎn)概率，最后分析航空器進(jìn)近過(guò)程中與障礙物的碰撞概率和復(fù)飛航空器接地概率。

建立飛行程序的目的是為了指引航空器在終端區(qū)內(nèi)，遵循飛行程序安全、有序地飛行，避免航空器在起飛離場(chǎng)或進(jìn)近著陸中與障礙物或其他航空器之間失去間隔，按照飛行程序執(zhí)行飛行任務(wù)的航空器，它們的運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)包含航班與已知固定的地面障礙物之間的風(fēng)險(xiǎn)，即近地風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)不同的飛行階段，可將近地風(fēng)險(xiǎn)分為接近風(fēng)險(xiǎn)和碰撞風(fēng)險(xiǎn)。在本文討論的起飛離場(chǎng)和進(jìn)場(chǎng)兩個(gè)飛行過(guò)程主要研究航空器和已知固定的地面障礙物之間的發(fā)生碰撞的可能性。

在公布機(jī)場(chǎng)的飛行程序之前，設(shè)計(jì)人員按照8168文件《航空器運(yùn)行》和《民用機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，考慮航空器與地面障礙物之間的間隔去設(shè)計(jì)程序。

安全余度是航空器沿飛行程序飛行時(shí)，能夠確保航空器安全運(yùn)行的最保守的保護(hù)區(qū)范圍。由于氣候、導(dǎo)航和人為操作等因素的影響，以上因素會(huì)使得航空器觸發(fā)近地警告，出現(xiàn)近地風(fēng)險(xiǎn)。航空器按照ILS導(dǎo)航進(jìn)近的過(guò)程中，由于航向臺(tái)和下滑臺(tái)的精度更高，使得航空器高度更低，航空器與地面障礙物間的距離更小，近地風(fēng)險(xiǎn)模型不再適用于這一類型的碰撞風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算。于是，本次研究主要針對(duì)航空器在ILS設(shè)備導(dǎo)航的前提下，在進(jìn)近和復(fù)飛兩個(gè)航段與地面障礙物之間的安全風(fēng)險(xiǎn)。

研究將近地風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分為兩個(gè)部分：

（1）對(duì)于離場(chǎng)階段和進(jìn)場(chǎng)的起始進(jìn)近、中間進(jìn)近兩個(gè)飛行階段，主要研究了民航客貨機(jī)與已知的地面障礙物的近地風(fēng)險(xiǎn)，用穿透超障高度/高（Obstacle Clearance Altitude/Height，OCA/H）來(lái)表示;

（2）對(duì)于最后進(jìn)近和復(fù)飛階段，主要分析ILS進(jìn)近中航空器與地面的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，利用碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型（Collision Risk Model，CRM）來(lái)計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)。

2 航空器與障礙物的碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型

2.1 CRM模型

CRM主要用于評(píng)估飛機(jī)在進(jìn)近和復(fù)飛的過(guò)程中，而飛機(jī)與障礙物的近地碰撞風(fēng)險(xiǎn)是國(guó)際民航組織相關(guān)專家組的研究成果，它也是ILS運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的重要內(nèi)容。CRM模型不考慮最后進(jìn)近前、超過(guò)復(fù)飛轉(zhuǎn)彎高度之后和低于OCA/H目視下降及著陸的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。模型包含兩個(gè)方面的內(nèi)容：

（1）計(jì)算跑道和凈空環(huán)境的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，這一范圍內(nèi)的OCA/H值可以保證航空器在極端情況下安全運(yùn)行;

（2）提供機(jī)場(chǎng)選址規(guī)劃，分析障礙物影響。航空器若無(wú)法在決斷高之上獲得目視參考，或航空器沒(méi)有做好著陸準(zhǔn)備，按照規(guī)定必須復(fù)飛，如圖1所示：

在進(jìn)近和復(fù)飛階段中，航空器的航跡可以由下滑道角度、復(fù)飛過(guò)程中的爬升梯度、航空器自身性能、跑道中線反向延長(zhǎng)線來(lái)確定。

在外部條件的影響下，航空器航跡會(huì)出現(xiàn)偏差，此時(shí)航空器就會(huì)受到地面障礙物的影響，因此，利用CRM模型可計(jì)算飛機(jī)沿精密進(jìn)近下滑道或復(fù)飛程序飛行時(shí)的真實(shí)航跡與標(biāo)準(zhǔn)航跡的偏差，再根據(jù)已知的地面障礙物去評(píng)估飛機(jī)運(yùn)行過(guò)程中和他們發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，然后再將航空器飛行過(guò)程中沿途所飛越的障礙物風(fēng)險(xiǎn)累加即為航空器總碰撞風(fēng)險(xiǎn)?？偱鲎诧L(fēng)險(xiǎn)與預(yù)先規(guī)定的安全目標(biāo)比較，判斷當(dāng)前的碰撞風(fēng)險(xiǎn)是否為人們所接受。

2.2 航空器與單一障礙物碰撞風(fēng)險(xiǎn)

CRM采用機(jī)場(chǎng)笛卡爾坐標(biāo)，如圖2（a）所示：坐標(biāo)原點(diǎn)位于跑道入口，X軸方向?yàn)榕艿乐行木€的反向延長(zhǎng)線，Y軸垂直于跑道中心線，Z軸滿足右手法則與X軸、Y軸垂直;用坐標(biāo)表示障礙物位置，如圖2（b）所示：

進(jìn)近階段中，在調(diào)整了障礙物尺寸和橫向分布后，計(jì)算橫向碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 航空器與多障礙物碰撞風(fēng)險(xiǎn)

計(jì)算碰撞風(fēng)險(xiǎn)之前要判斷障礙物是否相互獨(dú)立，若相互獨(dú)立則總碰撞風(fēng)險(xiǎn)就是多個(gè)碰撞風(fēng)險(xiǎn)的累加;若障礙物之間并非相互獨(dú)立，則要考慮航空器沿飛行程序運(yùn)行沿途所飛越障礙之間相互的遮蔽關(guān)系。在進(jìn)近階段時(shí)，當(dāng)有障礙物被其他障礙物遮蔽時(shí)，其碰撞風(fēng)險(xiǎn)的計(jì)算方法如下：

假設(shè)進(jìn)近航段中存在兩個(gè)障礙物，如圖3所示：

（5）上述結(jié)果作差為障礙物2的風(fēng)險(xiǎn)值。

3 無(wú)錫碩放機(jī)場(chǎng)安全評(píng)估

3.1 碰撞風(fēng)險(xiǎn)

對(duì)03號(hào)跑道進(jìn)近著陸過(guò)程中，航空器與障礙物的碰撞風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，各個(gè)障礙物對(duì)于航空器的碰撞風(fēng)險(xiǎn)均小于10E-07。

03號(hào)跑道的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果為小于1.0E-25。

對(duì)21跑道進(jìn)近著陸運(yùn)行下的飛行程序碰撞風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果如下表所示。對(duì)21跑道進(jìn)近著陸運(yùn)行安全影響較大的障礙物為09號(hào)信號(hào)塔障礙物。

3.2 復(fù)飛點(diǎn)的接地風(fēng)險(xiǎn)

根據(jù)建立的航空器復(fù)飛點(diǎn)接地風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，對(duì)03號(hào)跑道和21號(hào)跑道復(fù)飛程序優(yōu)化調(diào)整后的復(fù)飛接地風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果如表2、表3所示。

參考文獻(xiàn)：

[1]左諦，許有臣，金開(kāi)研.基于航空器高度保持性能的風(fēng)險(xiǎn)碰撞模型優(yōu)化[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2020，16（08）：31-36.

[2]張兆寧，徐超，盧婷婷，李欣.基于雷達(dá)數(shù)據(jù)的側(cè)向跑道進(jìn)場(chǎng)保護(hù)區(qū)研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2020，20（04）：1391-1396.

[3]陳華群，劉俊杰.儀表轉(zhuǎn)場(chǎng)飛行訓(xùn)練風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2020，30（06）：64-70.

[4]李琦，甘旭升，孫靜娟，王明華.軍用無(wú)人機(jī)與民航航班側(cè)向碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究[J/OL].北京航空航天大學(xué)，1-11[2020-10-02].

[5]陳亞青，侯宇杰，胡登峰，李哲.飛行碰撞風(fēng)險(xiǎn)安全評(píng)估研究[J].航空計(jì)算技術(shù)，2020，50（03）：129-134.

[6]李娜，葛飛.基于精密進(jìn)近航段航跡偏差的航空器近地碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2019，19（06）：1903-1908.

[7]張智巍.雙流機(jī)場(chǎng)平行進(jìn)近碰撞風(fēng)險(xiǎn)研究[D].中國(guó)民用航空飛行學(xué)院，2020.