基于性能导航的航路容量评估

基于性能导航的航路容量评估

周继华王悦航

中国民用航空飞行学院空中交通管理学院周继华王悦航

摘要：基于性能导航（PBN）是近年来民航领域广泛应用的新技术，研究基于性能导航下的容量评估具有重要的理论意义和实际应用价值。本文首先阐述了基于数学模型下的航路容量评估方法，分析了实施PBN对数学模型的影响，并根据研究成果设计了基于性能导航环境下的容量评估软件；最后，以B213航路为研究对象，验证了该模型的准确性以及评估系统的有效性，分别对传统导航和基于性能导航两种方式下的航路容量进行了评估，对比分析得出结论并针对成拉航线提出了有实际意义的运行建议，给管制员的工作提供了一定的参考。

关键词：基于性能导航；航线容量；容量评估

引言

近几年来，随着航空运输的不断发展，中国的空中交通系统面临着越来越严重的机场和空域拥挤，并因此造成了大量的经济损失和事故隐患。容量是制约我国民航发展的核心因素，在现行条件下，如何提高机场运行容量已迫在眉睫。由于我国飞行空域的限制，不仅需要依托传统导航采用调整航路航线结构、优化起飞滑跑路径、提高各项保障措施来增加容量，还可以利用基于性能的导航（PBN）程序的运行来解决容量瓶颈。而航路是空域网络的基本组成部分，其容量评估的准确性和完整性将直接影响到流量管理实施的效果，本文基于PBN运行对航路容量评估进行了优化并仿真。

1．基于性能导航对航路容量模型的影响

1.1PBN对航线容量的影响

区域导航飞行程序相对于传统导航飞行程序能优化空域结构，是更为先进的导航技术，它们之间的不同主要体现在以下几个方面。减少飞行时间；提升军航影响时容量；提升恶劣天气下容量；减少转弯的飞行程序；减少航空器间间隔和航路间隔；减少管制员飞行员的通话量。

1.2PBN对航路容量评估的影响

1.2.1航路理论最大容量评估模型

根据航路容量定义，其基本公式为：

其中，C为航路最大容量，N为服务的航空器总架次，T为服务的总时间。根据实际应用情况，可对式（1-1）做如下推导：对于一定数量的航空器N，按机型分为A、B、C、D、E五个类型，每个类型的航空器都有一个主用高度层和若干个备用高度层。设各种机型的比例依次为Pa、Pb、Pc、Pd、Pe，则存在约束[1]：

Pa+Pb+Pc+Pd+Pe=1（1-2）

由于航路具有高度层划分，且大部分航空器都在其主用高度层上飞行，为表示各种飞机类型对于主用高度层和备用高度层占用的不同情况，设ri为i类航空器在其主用高度层上飞行的占用率[1]。同时，设i类航空器主用高度层上飞行的航空器平均速度为vi，航空器之间的标准管制间隔为S，管制员考虑导航设备的定位精度、通信延迟以及管制员能力等因素所增加的管制间隔裕度为ΔS，各个主用高度层飞完所有航空器所需要的时间为Ti，航路最大容量为C，则：

1.2.2航路最大容量模型的改进

从式（1-4）的航路最大容量计算模型中可以看出，该模型考虑了航路高度层配置对航路容量的影响，体现了主用高度层和备用高度层的差异性，同时还考虑了航空器流的混杂比例、管制安全间隔和系统能力及设备精度等诸多因素的影响，具有一定的合理性和实用性。但是，通过进一步分析发现该模型没有考虑航路长度对容量的影响。也就是说，同样的机型配置在同等条件下飞越一条长度为200km的航路R1和一条长度为2000km的航路R2时，其容量计算结果为CR1=CR2，航路容量与航路长度无关，这显然与实际情况和惯常思维不一致。所以，该模型在实际应用中需要改进。

如图1-1所示，在计算航路AB的容量时，原有模型仅考虑的是从t时刻开始的一段时间T内以安全管制间隔进入航路AB的飞机流，而忽略了在t时刻航路本身所能够容纳的飞机架次。由此，定义在T时间段内保持最低安全间隔要求从A点进入航路AB的飞机架次为航路起始点A的过点容量CT；定义航路AB在自身长度L范围内能够容纳的、满足最低安全间隔的飞机架次为航路AB的固定容量Cl.根据式（1-4）可得CT的求解公式如下：

同时可以得出式（1-5）和式（1-6）分别具有以下性质：当其他限制条件一定时，航路起始点的过点容量随时间变化且与时间成正比；航路的固定容量保持不变，只与航路自身长度有关。

于是，一段时间内航路的最大容量由两部分之和构成：在该段时间内航路起始点的过点容量和航路上本身的固定容量，其基本公式如下：

改进后的航路最大容量模型体现了航路长度与容量大小的关系，避免了原有模型可能出现不同长度的航路容量相同的情况，使模型更趋合理性、更具有实用价值。在此基础上建立的交叉航路容量模型和航路容量评估模型也将更准确、更合理。在本文中，将以成都-拉萨航线为例，分析计算PBN运行下的航线容量。

2.成都——拉萨航线容量分析

2.1成都——拉萨航线基本情况

B213航路为成都及以远往返拉萨的主要航道，是一条传统航路，距离约1300km，仅有2个NDB和2个VOR，导航监视台站布局困难，信号难以覆盖；最低安全高度均在6300m以上（最高的航段航路最低安全高度为7470m）[2]。为使用成都——拉萨航路满足日益增长的飞行流量，提高航路容量，可以采用以下方法：一是缩小运行间隔，包括缩小垂直间隔和纵向间隔；二是改变航路结构，比如建立平行航路或者建立分流航路等。所谓平行航路是建立在RNAV（区域导航）基础下，对传统航路进行满足安全间隔要求的平行偏置的一种航路。根据国际民航组织《确定最小间隔标准的空域规划方法手册》，采用改进瑞驰（Reich）模型计算平行航线航空器碰撞风险，结果表明平行航线间隔不小于18.5公里才能满足国际民航组织要求的5.0×10-9每飞行小时发生碰撞事故次数的安全目标水平。

区域导航的优势是可以建立路程更短的径直航线以节约飞行成本，而且建立平行航路，既可以提高空域的容量和利用率，又不增加地面导航台的建设成本。因此，依据目前航路航线划设技术标准，在尽量减少对附近空域影响的前提下，建立成都——拉萨平行航线是比较合理的解决办法。

2.2航路容量评估

2.2.1航路容量评估结果

以成拉复线（长度1229km）为基础，按照表2-1中的试验飞机类型的比例和管制间隔进行算法试验。其中飞机类型比例是按照进出西藏区域的航班计划归总而得，管制间隔及其安全间隔裕度是由实际时间间隔换算得到（考虑了管制人员，飞行人员及通讯导航设备的反应时间）。实验结果如表2-2所示：

3．结论

理论方法是以间隔为基础，本文的数学模型在航路长度为零的情况下，仍然有航路容量。这是因为本文评估的航路最大容量是又过点容量和航路固定容量两者之和得到的。航路过点容量考虑的是在一段时间内，一定比例的飞机过点的航路动态容量。而航路的最大容量则是航路动态容量与航路固定容量之和，固当航路长度为零时，本文的航路评估模型无法对航路容量进行准确评估。

从算法试验结果可以看出平行航路的容量要比传统航路的容量增加大约50%。得到此结果的原因如下：第一，在传统航路下，逆向航空器穿越高度时将会影响到被穿越高度层的航空器的管制间隔。而基于性能导航的平行航路运行下，逆向航空器穿越高度对则穿越高度层的航空器间隔没有影响。第二，传统航路由于导航方式，定位方式和导航设施的不同，从而减少飞行时间，提升恶劣天气下容量，减少转弯的飞行程序，减少航空器间间隔和航路间隔和管制员飞行员的通话量。对航路容量的影响，体现为间隔裕度的影响。

在本模型中，航路容量和管制间隔与管制间隔裕度成反比关系，所以，当管制间隔缩小，航路容量则会增大。平行航路方式主要影响到传统航路模型中的管制间隔和管制间隔裕度，平行航路相对于传统航路方式下，会提升航路的最大容量。

参考文献：

[1]徐肖豪，王平.程序管制条件下航路容量仿真评估算法[J].中国民航大学学报.2007（S1）.

[2]E.lidaC.Smith.AnalysisofController-PilotCommunicationPerformanceinAreaNavigation（RNAV）andConventionalArrivalOperations，2008.

[3]王晓晨，杜新宇，刘卫香.考虑随机因素的多航段航路容量模型研究[J].计算机工程与设计.2012.

[4]蔡清毅.改进的航路评估模型[J].空中交通管理.2011（4）.

[5]余静，刘洪，熊运余，吕学斌.一种改进的航路动态容量计算模型[J].四川大学学报（自然科学版）.2007（05）.

作者简介：

周继华；性别：女；出生年：1983.12；籍贯：四川汉；2012年毕业于中国民航飞行学院，学历：硕士研究生；现供职中国民用航空飞行学院空中交通管理学院；职称：助教；研究方向：空中交通运输规划与管理。