基于卫星着陆系统的平行跑道进近运行安全研究

2019-09-09 08:51余肖顾振中胡恉豪王威涛李雨林刘思宇
中国科技纵横 2019年13期

余肖 顾振中 胡恉豪 王威涛 李雨林 刘思宇

摘 要:在国际大型机场使用GLS进近,相对于ILS进近在成本、安全性、高效性、环境因素、环保、资源利用率等方面具有巨大优势,此外GLS属于PBN系列的精密进近,因此GLS是精密进近发展的必然趋势。2015年中国民航在上海浦东机场实施了GLS进近试飞,如今我国各地正在积极建设北斗GBAS系统,所以在GLS尚未实际应用之前,对其运行和程序进行研究,具有一定的前瞻性。倘若GLS在仿真中运行安全,實际中经济有效,那么这个技术将推广至全国各大国际机场并投入运行。本文从GLS进近技术入手,介绍了GLS的基本原理、优势以及当前应用,并结合我国当前民航运输的实际情况,引出了平行跑道的运行模式。随后以设计的平行跑道GLS进近程序为载体,对与进近运行有关的四个方面进行了研究。本文最后对中距错列平行跑道的安全性进行计算,得出了有效可行的运行方式。

关键词:卫星着陆系统;平行跑道进近;错列;安全

中图分类号:V227 文献标识码:A 文章编号:1671-2064(2019)13-0210-03

0 引言

民航发展的“十三五”规划,明确了“十三五”时期我国民航发展的总方针,明确了要建立一个现代化民航强国的目标,为全面建成小康社会在民航领域的需求做出贡献[1]。在规划实施过程中,党的十九大胜利召开,为民航发展和民航强国建设提出了新的更高的要求。我国民航业正处在黄金时期,航空承运量大大增加,国内扩建及新修机场多达上百个。对于新型机场,增加机场跑道数量可以有效缓解老机场运行压力饱和,空域利用率低等问题。机场多跑道分布方式多种多样,其中以平行跑道居多,结合当前机场设施条件及空域调用情况,中距平行跑道符合绝大多数机场的要求。目前我国的许多新型国际机场都设有双跑道平行运行,在本文假设的GLS运行环境下,其安全会受到多方面的影响。在基于卫星着陆系统的平行跑道运行研究这方面,行业经验尚且不足,中距运行过程的安全间隔标准即使在导航设备更新的情况下也未进行缩减,因此针对其中某一因素进行研究对推进安全间隔的缩减具有实际意义。

1 基于GLS的平行跑道运行的基本概念

1.1 卫星着陆系统(GLS)

1.1.1 GLS基本原理

GLS定义为GBAS系统持续不间断的向飞机输送GPS差分修正值、完好性数据以及航迹定义数据,同时涵盖与操纵飞机相关的机载GLS设备,以及以GBAS增强的卫星定位信息为基础上,实现的精密进近和着陆功能(Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ类)。

在GLS运行到最后进近阶段时,机载导航系统将收到地面导航台发来的VDB广播信号,用其定义一个虚拟的航向道/下滑道,再结合GBAS接收机/多模接收机(MMR)的高精度三维定位输出,来计算航空器偏离定义航迹的情况,形成水平方向和垂直方向的偏差,以及到跑到入口的距离,并在PFD和ND上详细显示[2]。

1.1.2 GLS运行优势

只需一套GLS设备就可同时满足多个进近程序,且其设备对场地环境的要求较低,使用时信号稳定,建设和运行成本低,使用灵活也更为灵活。如今的PBN技术可以实施仪表离场、仪表进场和类精密进近(APV),但仍然无法实施精密进近。GLS技术的使用可弥补PBN技术在低能见度运行和精密进近方面的不足,具有广阔的应用前景[3]。

1.1.3 GLS试点运行情况

2015年4月,中国民航筹备已久的首次GLS演示验证飞行在上海浦东机场完成。

2017年4月,深圳宝安机场RNPAR+GLS/ILS模拟机试飞验证顺利完成。该项试飞由波音公司、宝安机场等相关单位主导。

2019年4月,首次使用国产GBAS设备的验证飞行活动在4月9日凌晨于天津滨海国际机场圆满成功。

1.2 平行跑道

1.2.1 平行跑道定义

参考平行跑道相关规定,平行跑道指两条跑道的中心线平行或是非交叉跑道(中心线夹角<15°)。按照跑道中心线的距离不同可以将其分为远距平行跑道、中距平行跑道和近距平行跑道。远距平行跑道的跑道间距≥1310米(4300英尺);中距平行跑道的间距>760米(2500英尺)<1310米(4300英尺);近距平行跑道的间距≤760米(2500英尺)。

1.2.2 平行跑道运行模式

参考相关规定,平行跑道的运行模式有独立平行仪表进近、相关平行仪表进近、独立平行离场、隔离平行运行。

值得一提的是,平行跑道在同时实行仪表运行的时候,可以按照以上四种运行模式的不同组合,分为半混合运行和混合运行。

2 平行跑道运行安全研究

2.1 飞行间隔

飞机的安全运行受到很多因素的影响,例如飞行间隔、尾流间隔、导航设备、飞行技术以及平行跑道排列方式等。在空域运行时,飞机之间需要留有足够的空间,而航空器之间的安全碰撞模板距离就是安全飞行间隔。在空间坐标系中,两架航空器之间只要在X轴、Y轴和Z轴上有一个大于规定中的安全间隔,航空器之间就不会出现交叉,这就是安全的[4]。

2.2 尾流因素

飞机产生的尾流包括发动机向后喷出的气流、飞机构形变化产生的紊流、螺旋桨带动空气产生的滑流以及翼尖上下翼面压强差形成的涡流,这些都在不同程度上影响着后机的运行,这四者中对后机影响排在第一位的,就是翼尖涡流形成的尾涡。在实际进近运行中我们一般考虑的是翼尖产生的涡流。[5]。

2.3 GLS定位误差

GLS运行主要使用GPS系统进行导航,然而GPS定位误差主要来自于两方面,一方面是GPS系统本身的系统误差,也可称为测量误差;另一方面是干扰。测量误差与系统各组成部分和信号传输的媒介有关,各部分往往产生不同的测量误差。而干扰往往是接收机接收的对导航定位无益的信号,并且会影响导航定位信号本身的接收、处理,对GPS定位精度产生严重影响。测量误差主要分为三类:(一)与卫星相关的误差;(二)与信号传播相关的误差;(三)与接收机相关的误差。GLS运行使用的DGPS技术,能消除包括星历误差、星钟误差、电离层延迟误差和对流层延迟误差在内的公共误差。然而DGPS无法消除去多径效应和由于接收机产生的误差。GLS运行除了受导航系统本身产生的各种测量误差影响之外,还存在干扰问题。干扰是使一个高精度系统无法按照标准正常运行的一个重要因素,例如在我国使用的GPS与美国本土的GPS精度。

2.4 跑道排列运行方式

处于最后进近阶段的飞机,其速度相比航路会大幅度减小。在其他参数不变的情况下,速度越小,尾流强度越大。接近跑道时产生的强大尾流会随着侧向的风而飘到另一条跑道上,对在另一条跑道进近的飞机产生强烈影响。因此平行错列跑道作为解决这个难题的关键,亟待研究。

我国新建或改扩建机场多采用平行双跑道这一种构形。此种构型可以通过设计高边航迹和低边航迹飞行程序和进近门以获得下滑道的高度差,可以提升飞行区布局的灵活性,在运行中,一定程度上能够缓解航空器之间的尾流影响,缩短航空器之间的间隔,进而提升跑道容量。

3 中距错列独立平行仪表进近应用分析

在程序设计这一环节中,我们假设两条跑道之间的间距为d=1050m,满足CAAC相关规定可进行独立平行仪表进近的运行。然后假设两条跑道头之间的纵向间隔为L=1000m,两架飞机机型均为空客A320-100并分别命名为飞机1与飞机2,空客A320-100的机身长度为37.57米,机身高度为11.76米,翼展为34.10米,初始速度为v(0)=300km/h,飞行加速度为α=-840km/h2,飞机中间进近航段长度取程序设计的9.26km,最后进近航段下降梯度为5.2%。两架飞机从同一个位置出发,但是飞机1所处位置距离跑道相比于飞机2距离错列跑道更近,所以飞机1会先到达最后进近定位点。如图1所示。

接着计算我们可以得到:

由于两架飞机其他所有速度参数一样,所以在飞机1到达最后进近定位点(FAF点)前,二者之间的间隔不会发生改变,其碰撞风险也是一个定值。但是当飞机1到达最后进近定位点(FAF点)开始下降高度后,飞机2仍会继续向前平飞一段距离。此时,二者的縱向间隔、横向间隔和垂直间隔均会随着时间的增大而增大。在达到某一时刻后,预计二者的碰撞风险将减小到最小值并保持到落地为止。相较于未错列运行的平行跑道,其碰撞的概率会在106.69s之后开始逐渐缩小。

算式结果证明,相较于非错列平行跑道,采用卫星着陆系统的错列平行跑道的碰撞风险会在进近最后阶段大幅减小,使得航空器的运行更加安全可靠。不难推测,随着错列跑道的间距L增大,碰撞风险会更加缩小直至为0。

4 结语

GLS进近是一项新的技术,虽然当前运输航空运行中仍大量使用传统仪表进近如ILS进近、VOR/DME进近,但是在大范围推广PBN运行的环境下,GLS进近有其核心优势所在。本文意在对该技术与平行跑道的运行相结合进行研究,在GLS进近技术大规模投入使用之前对其一些安全问题做出说明,具体研究内容如下:

(1)阐述了GLS进近相对于传统仪表进近的优势所在,以及其优势的来源。并且举例介绍了当今GLS技术的应用情况以及发展趋势。

(2)通过对我国民航当前的实际情况以及发展状况的分析,指出了解决当前运输航空飞行痛点的利器,即错列平行跑道运行,并介绍了平行跑道的定义以及运行模式。

(3)通过算例分析揭示了错列运行的优势及其未来发展的必然性。

GLS进近技术终将取代传统仪表进近,而对于我国民航发展现状,其最大的优势就是可以在平行跑道的运行中提高运行的精度,在保证足够安全裕度的前提下缩小运行间隔。GLS与错列跑道运行的结合对于运输航空意义重大,本文对其安全性能进行了一定的研究并验证了其可能性。

参考文献

[1] 中国民用航空局.中国民用航空发展第十三个五年规划[Z].2017.

[2] 魏光兴.GLS进近的实施方法与优越性比较[N].中国民航飞行学院学报,2006.

[3] AC-91-FS-2015-29.卫星着陆系统(GLS)运行批准指南[S].中国民用航空局飞行标准司,2015.

[4] 应爱玲.间隔标准对飞机间碰撞危险影响的研究[D].南京:南京航空航天大学,2008.

[5] 厉耀威.尾流间隔缩减及其碰撞安全性分析[D].南京:南京航空航天大学民航学院,2015.