空域训练飞行是指在一个特定的空间内进行各种飞行训练,而空域是一种有限的资源,即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。我国的军民航发展近50余年,对于有限的空域而言,日益增长的飞行量将受到严重的限制,如果不能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,也不能保证空中交通活动的安全。训练飞行大多在本场附近,且飞行流量较大,批次较多,飞行密度较大,一个有效、合理、安全的训练空域显得尤为重要,然而采用多大的间隔,才既安全又能增大机场空域的飞行容量是个值得研究的问题。如果间隔采用的过大,则会浪费空域资源,采用的过小,对于飞机在空中的飞行安全又是一种威胁。因此,必须对机场训练空域飞行的最小间隔标准以及它所直接影响到的临近飞机间的碰撞危险冲突进行研究。
2.空域训练碰撞评估
飞机之间的碰撞危险冲突可以从侧向、垂直方向、纵向三个方向上进行分解,如下图所示
图:飞机之间碰撞危险冲突的分解图
分别对侧向、垂直方向、纵向的碰撞危险模型进行推导,这样将这三个方向上的碰撞危险相加,就可得到总的碰撞危险。本文是对训练空域ADS-B水平间隔进行研究,所以只考虑水平方向的碰撞危险因素。
利用碰撞危险模型不仅可以对现行间隔标准进行安全性评估,对将要实施修改的间隔标准进行预测性安全评估,还可以在已知需要达到的安全目标等级情况下,计算出目前条件下可实现的最小间隔标准,以减少空域资源的浪费,减轻空域交通拥挤,下图反映了这个过程:
因此,要保障空域的安全性,就必须对空域的安全性进行评估。在间隔标准对空域安全影响评估的过程中,需要对由间隔标准造成的碰撞危险进行分析,得出相邻空域最小安全间隔。
3.基本概念
(1)空域结构
训练空域有圆柱型训练空域与复合型训练空域之分,圆柱型训练空域是指距离机场中心点一定距离的一个圆柱型活动区域。复合型训练空域为各种形状的训练空域组合而成的训练空域。
(2)邻近点
训练飞行空域中两机发生碰撞主要集中在同一个水平面上的相邻空域,而同一个水平面上的相邻空域的碰撞最容易发生在两空域相切的点上,所以两空域相切的点视为邻近点。如下图所示空域A和空域B 活动的飞机最容易发生碰撞的地方是邻近点。
(3)碰撞模板
由于民航院校训练机重要以初中教机为主,所以设空域活动中每架飞机的尺寸是相同的;飞机的长度、翼展、高度分别用表示。以飞机A为中心,在纵向、横向、垂直方向上分别以虚拟出一个长方形区域,因为当另一架飞机进入该区域时就会发生碰撞,因此将该区域定义为碰撞模板,本文只考虑水平方向。
4.训练空域最小水平安全间隔计算
(1)两相邻训练空域最小水平安全间隔
为了计算方便,本文只考虑同一个水平面相邻两空域活动的飞机同时出现在邻近点的情况,同时假设飞行员操作与管制指挥没有错误的情况,即只考虑各种误差。由于训练机主要以初中教机为主,其飞行速度都在250km/h以内,本文以C172飞机为例,其巡航速度(V)为:185km/h。
①训练飞行现在主要以ADS-B为监视手段,在实际工作中主要存在以下几方面的容差:
1)飞行技术容差,按规定驾驶员反应时间为3s和压坡度3s,所以=6s
2)管制员指挥容差 ,按规定指挥员的反应指挥时间为0~6秒,本文取最大值6s;
3)设备误差 ,由于当今科学技术的高速发展,民航空管系统好飞机所使用的仪器精度不断提高设备误差多在微妙级,将时间取整,收、发设备各1s;ADS-B每一秒刷新一次,即ADS-B误差为1s,所以=3s
4)信号传播时间 ,训练空域高度一般在3000m一下活动,本文按3000m计算,其信号传播时间=2倍训练空域高度/传播速度,速度按光速30万公里/秒计算,
则=6000m/(300 000 000m/s)=0.000 002s,向上取整得信号传播时间为1s。影响空域训练飞机偏离其位置的误差时间:
以C172飞机为例,影响空域训练飞机偏离其位置的可容距离:
② C172飞机的翼展长11m,即λy=11m,
③训练飞行主要以ADS-B为监视手段,航空器自身保护区可以根据航空器实际偏离ADS-B终端显示位置在程序设计范围内来确定,航空器偏离误差服从正态分布或者服从高斯分布,其概率密度函数为:
按照程序设计要求飞机偏离保护区的概率小于时确定是满足安全要求的。所以:
由参考文献附表查询及计算得在ADS-B监视下满足两机碰撞概率小于的条件模型要考虑的航空器自身保护区宽度 。
④ 飞行学院《飞行运行手册》对空域设置要求学院活塞式螺旋桨训练飞机的空域边界与其他空域的边界距离可以不小于5千米。
综上所述两相邻空域最小水平安全间隔标准为:
=2×(822m+11m+1541m)+5000m=9748m即5.2634nm,以0.5nm向上取整得,两相邻空域最小水平安全间隔标准为5.5nm。
5.结束语
一个高效、合理、安全的训练空域对于飞行训练尤为重要,本文通过对飞行训练中各种容差及监视设备ADS-B 的自身保护区计算得出两相邻空域最小水平安全间隔标准,望有助于训练飞行容量的提高。
参考文献
[1] 应爱玲,徐肖豪.空域飞行侧向碰撞危险的REICH模型方法研究.中国民航学院学报,2002
[2] 柯强,汪朝东.基于ADS-B的民航飞行训练安全间隔初步评估.科技通报出版社,2012
[3] 盛骤,谢式千,潘承毅.概率论与数理统计(第三版).高等教育出版社,2008
[4] 中国民航飞行学院训练大纲[S]