飞行组合间隔的应用

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随着我国民用航空器的增加，空中交通流量有显著的增加，飞行量的大幅增长与空域资源有限性使得航路十分拥挤。在这种情况下，需要增加空域容量以满足不断增加的航空器，以提高空域利用率，这对中国民航发展来讲有重要的意义。通过建立在通信、导航、监视等硬件设备的发展及飞行员管制员技术水平不断提升的基础上设计合理的平行航路组合间隔，既可以保证飞行安全也可以充分利用有限的空域资源。组合间隔是在不改变现有空域结构和航线划设的基础上再横向和垂直范围内新增更多可用航线，从而增加空域容量。

间隔规定是保证空中交通活动安全、正常运行的核心措施，是空中交通管制部门履行职责的基础法则，其重要性是不言而喻的。组合间隔能使空域容量得到大幅提升，但是间隔的降低势必会增大飞机碰撞的几率，影响航空安全。组合间隔空域中的安全问题：一方面是由于航空器的间隔缩小而增大的碰撞风险问题，；另一方面，组合间隔运行对飞机高度保持性能提出了更高的要求，飞机必须通过组合间隔的审核才能在组合间隔空域中飞行。目前在国外中东太平洋地区（CEP）和北太平洋（NOPAC）使用组合间隔。

关行间隔的研究，国外很早就开始了，主要有两种研究方法：其中一个研究方法是以英国的 P.G.Reich 建立的航空器碰撞模型理论为基础，针对平行航路系统在侧向、纵向、垂直方向分别进行碰撞风险建模的研究；另一个研究方法是用概率论的方法展开的。两者研究方法都是用研究数据与安全指标相比较，来评估该飞行间隔是否符合标准。

组合间隔是为了增加空域容量，减少航班在空中延误的一种手段。从而加快空中流量，使管制的实施更有效率，航空公司也能节省燃油成本以扩大经济效益。在空中交通管制过程中，采用的是利用最小间隔来保证航空器不会发生相撞。但是飞行活动通常在一定的空域内进行，为了满足最小间隔使得空域所能容纳的交通量是极其有限的，日益增长的飞行量将造成航路上的拥堵使空域安全受到威胁。如果不能合理划分和使用甚至不能保证空中交通活动的安全，因此设计新的航路间隔以增加空域的容量，合理设计组合间隔空域以及调整最小间隔等，达到安全、合理、有效地利用空域资源是具有深远意义的。

在两条平行航路之间增加一条航路，新的航路与两条平行航路在水平的面上也是平行的，水平面上看在两条平行航路上插入一条航路。同时航路之间的横向间隔也缩短为原来的二分之一，但是从三维空间上来看，新增的航路与原本的两条航路之间还存在着垂直间隔，并且垂直间隔为最小垂直间隔的一半，所以新增航路与两条平行航路之间的空间间隔为横向间隔与垂直间隔组合的斜向间隔。在考虑其安全可靠性之后，虽然同时不满足最小横向间隔与最小垂直间隔规定，但是新增航路与另外两条航路之间同时存在着垂直间隔与横向间隔，而不仅仅是只存在并满足一种间隔规定。因此笔者认为这种将垂直间隔与水平间隔的组合间隔可以适用于平行航路上，以增加空域的容量。假设最小垂直间隔为V两条平行航路之间的横向间隔为L，利用组合间隔的的概念将横向间隔缩短为L/2，同时在垂直间隔上提供不小于V/2的垂直间隔。如图所示。

从图1与图2可知在两条平行航路之间新增的航路处于平行航路的中间且横向间隔为原平行航路的二分之一，但是新增的航路上的飞机与两平行航路上的飞机不在同一高度层上，而是在同一航路上相邻的不同高度层的中间高度层上。也就是说新增航路上的飞机与两平行航路上的飞机存在着一种新的的间隔，同时具有横向间隔与垂直间隔，暂且定义为“斜向间隔”，我们认为这种间隔可以用来保证飞机有足够的安全运行空间。垂直方向上看，新增的航路上不同高度层上的飞机都与两平行航路上不同高度上的飞机存在着这种“斜向间隔”，并且新增航路上不同高度层的飞机满足最小垂直间隔。设计组合间隔可以使航路的容量得到很大的提升，同时提供一个安全有效的空中交通。

如图3所示， 为A机定义一个长方体碰撞盒，且为A机定义了一个间隔片，该间隔片是以B机为原点在纵向和垂直方向所确定的平面，当航空器之间出现侧向偏离时，碰撞盒A就有可能穿越间隔片。

如图4所示，若侧向穿越时，B机位于碰撞盒A穿越所经过的空间，则两机机发生碰撞，如图所示。图中，线段FG为碰撞盒A纵向移动的距离为：

线段GH为垂直移动的距离为：

EF、HI别为长方体碰撞盒的长度和宽度，EF为2a，HI为2b，基于长方体碰撞盒的碰撞概率为：

其中P为碰撞概率，P（侧）为侧向重叠概率，E（0）为纵向临近率，P（0）同一高度层两架飞机垂直重叠概率，S为纵向间隔标准，a、b、h为机长、翼展、机身高，u、v、w为同高度层相邻航路上两架纵向、侧向、垂直方向上的相对速度。

如图5所示， 以飞机A为中心，a为长半轴，b为短半轴，h为极半径的椭球体，a、b、h分别为飞机的机身长、翼展和机身高） 当B飞机正好在A飞机椭球体的边缘上时，两机发生了机体接触，相当于B飞机与A飞机发生了绝对碰撞。飞机 A穿越侧向间隔层的频率与其性能及导航精度等因素有关，与碰撞盒的形状无关，而飞机B位于扩展碰撞盒内的概率与扩展碰撞盒的面积成正比由于碰撞风险是飞机A穿越侧向间隔层的频率与飞机B位于扩展碰撞盒内概率的乘积，因此，只需计算改进前后扩展碰撞盒在间隔层上的投影面积的比例关系，即可得出的碰撞概率。