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空中交通安全间隔的理论方法研究

时间:2017-08-30 14:36来源:蓝天飞行翻译公司 作者:民航翻译 点击:

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研究背景
随着人类文明的的进一步发展,航空运输在整个综合交通运输体系中占有愈来愈重要的地位。但由于空域资源的有限性,飞行量的大幅增长使得飞行冲突变得日益严重,不仅限制了航班量的增加,也对现有航班造成了许多延误。
随着航空运输的不断发展,使得空中交通系统面临着越来越严重的航线拥挤,并因此造成了巨大的经济损失,埋下了事故隐患。1999年,印度一架波音747客机在升空后不久,与一架小型客机在空中发生相撞事故,造成四百多人丧生,造成了极大的经济损失和社会影响。在我国,由于空中交通系统设备不完善,航路航线设计不合理,空中交通管制员和飞行员素质不高等问题,每年也不可避免的要发生一些飞机空中危险接近的事故,虽然并没有造成直接的经济损失,但却为发生空难事故埋下了隐患。
为了防止飞机发生危险接近甚至碰撞,国际民航组织(ICAO)对飞机的横向、纵向和垂直间隔作了明确规定.这些规定涉及 VFR(目视飞行),IFR(仪表飞行),机场区域飞行,航线飞行,进、离场飞行和使用二次雷达的监视飞行等。例如IFR条件下区域管制员直接使用二次雷达显示器监视指挥飞机,若飞机同航迹同高度顺向飞行,其雷达间隔不少于60km.然而在现实中,违反这些规定的现象也不少见,当然这其中有仪器仪表显示精度问题,气象及航线数据不准问题,也有管制员和飞行员人为指挥差错和操作失误等问题。但后果却不寻常,轻则造成危险接近,重则两机相撞。面对这些实际问题,科研人员多年来试图从理论上研究飞机的飞行安全性,因此,需要从理论的高度来对这些人为的间隔规定提供理论依据,以求对那些不合理的间隔规定进行改进和完善。
1.2 国内外有关研究的发展与现状
在诸如美国等航空业发达国家,这方面的工作早在六七十年代就已经开始进行了,并且取得了很多的研究成果。在这些国家,研究人员通过在实际的飞行试验中取得的大量的实际数据,又通过对这些实际数据的研究分析,建立起了一整套比较完善的理论体系,并且经过了多年的各种研究、会议,经过历次修改、补充,对现行国际上执行的飞机最小间隔规定的制定,起到了指导性的作用,为国际民航组织(ICAO)制定一系列的间隔规定,以及各个国家的民航系统的航路设计、制定管制方法以及管制规定提供了理论上的依据。
国际上对这方面问题的研究早在六七十年代就已经开始了,主要是分为冲突可能性分析和飞机保护区重合两大方向进行的,冲突可能性分析方向是从概率论的角度入手,对飞机间发生危险情况的可能性进行分析;飞机保护区重合方向是从为飞机飞行的航路预设一个保护区来实现的,对飞机之间发生冲突只是从几何的角度进行预测的。
在冲突可能性分析方面,美国密歇根大学交通管理技术研究所的Lyle D.Filkins和Joseph W.Little为美国民用航空局(FAA)所做的对飞机间隔标准的研究[10],其重点都放在了用概率论的思想来讨论飞机在航路飞行情况下,考虑所飞航路的几何结构,以及飞机在空中进行定位时可能存在的位置误差,以侧向间隔为主,对飞机之间发生碰撞的可能性进行分析,从概率的意义上对飞机间的安全间隔进行了讨论。
在飞机保护区重合方面,美国国家技术信息服务部(NTIS)的Frank V.Giallanza、Charles P.Giallanza和James C.Brown为美国民用航空局(FAA)所作的报告中[11],对飞机在洋区飞行时有可能发生的冲突进行了研究,研究的重点主要集中在为飞机所飞航路提供一个保护区上,找出航路有交叉的地方,当飞机进入其他飞机的保护区并且该飞机正在该交叉点时,就判定两架飞机之间发生了冲突。该研究基本上是从纯几何的角度对飞机之间可能发生的冲突进行预测,主要是依靠飞机飞行的航班时刻表和所飞的航路结构,并考虑上飞机的飞行速度、高度,以及时间因素,来对飞机之间的冲突进行预测的。然而在该项研究中,作者对飞机速度、高度等信息没有进行严格的讨论,都以该型号飞机的标准值作为计算的参数进行计算,没有考虑到飞机在空中的位置所受到的影响,因此,该研究所得到的成果只能是一个比较粗糙的计算方法。
另外,从九十年代开始,鉴于通讯、导航等方面技术的发展水平,美国等一些航空业发达国家提出了一个“自由飞行”的概念,在开放的天空中,飞机所飞的路径由飞行员自己决定,这样的一个思想为解决空中航路拥挤的局面,更高效率的利用空间资源开辟了另外一条新的道路。美国航空航天局(NASA)的Russell A.Paielli和Heinz Erzberger所做的对自由飞行中的飞机冲突预测的研究[13],主要思想也是为在自由飞行中的飞机提供一个保护区,然而与第二种讨论不同的是,这个保护区在能精确定位的地方是一个圆形的,但随着飞机的移动,该保护区的形状将发生变化,将沿着飞机飞行的方向拉长成为一个椭圆形,同样的,在对飞机进行冲突预测时也是考虑飞机的保护区的重合的问题,只是该保护区考虑了飞机在空中位置的不确定因素,这样得出的计算结果自然比单纯的保护区重合法要精确得多。
在我国,在这方面的研究以往基本上还没有开始进行,广大研究人员的注意力主要也还是放在对空中交通流量进行管理的方向上,在这些基础理论的方向上进行过的研究有,北方交通大学交通运输学院的赵洪元所做的违反飞机纵向间隔概率模型的研究[9],他主要是从统计学的角度给出了计算违反飞机纵向间隔的概率模型,并分析了这个概率与飞机几何尺寸、飞行器纵向间隔、航线长度、飞行流量等影响因素之间的数学关系,为航线的规划、飞行流量的管制提供了一定的理论依据。
1.3 本篇研究的目的和内容
空中交通管制系统的一项基本功能就是让航空器之间互相间隔开来。在空中交通管制过程中,采用最小间隔来保证系统中的误差和干扰不会导致航空器发生碰撞的间隔。通常,飞行活动在一定的空域内进行,而空域是一种有限的资源。在一定的间隔标准和空中交通管制规则下,一定空域所能容纳的交通量是有限的。对于有限的领空而言,日益增长的飞行量将受到严重的限制,如果不能够对空域进行科学的规划和合理的使用,就不能发挥最大的经济效益,就不能保证空中交通活动的安全。在空中飞行的飞机之间的间隔,其大小直接决定了一个特定空域的容量大小,决定了该空域内所能容纳航空器的数量。如果间隔采用的过大,浪费空域资源,采用的过小,对于飞行的安全又是一种严重的威胁。因此,必须对空域飞行的最小间隔标准以及与其密切相关的飞机之间将会产生的冲突进行研究。
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