4月20日,民航局就《关于修改〈民用航空空中交通管理规则〉的决定》公开征求意见。本次拟修订条款共9条及1个附件,内容涉及雷达管制水平间隔标准、跑道表面状况评估和报告规则等方面。
作为国家综合交通运输体系的重要组成部分,空中交通管理是保障航空事业发展的重要基础。近年来,为提高管制运行效率,提升安全裕度,空管行业借鉴国际民航组织航行服务程序,在科学论证的基础上,实施了缩小雷达管制水平间隔和航空器尾流重新分类实验运行,在保证运行安全的同时,进一步提高了管制运行效率和空中容量。围绕“四强空管”建设目标,以智慧空管为主线,构建安全稳、效率高、智慧强、协同好的现代空中交通管理系统,是破解空域瓶颈限制、支撑民航高质量发展的金钥匙。
管制间隔新标准——动态尾流间隔
碰撞间隔和尾流间隔是空管安全的两大屏障。自2000年以来,随着通信、导航、监视技术的发展,水平间隔已从程序管制时的数百公里缩减到了目前雷达管制时的几公里,大幅提升了空域通行潜力。我国从2007年开始实施RVSM(缩小垂直间隔)运行,中高空的垂直间隔从600米缩减到300米,进一步释放了空域资源。现行尾流间隔形成于20世纪60年代末,基于飞行实验与经验数据,按照最大起飞重量将机型分为若干类,然后明确不同类别组合下的最小安全间隔值。与20世纪末相比,现行尾流间隔的缩减幅度相对较小,已逐步成为空域容量的限制瓶颈。
自2015年以来,民航局空管局先后组织开展了基于RECAT(尾流间隔分类新标准)技术的缩减尾流间隔可行性研究与验证,支持中国民航大学设立飞机尾流研究中心、搭建动态尾流间隔仿真与安全评估平台、开展RECAT技术研究与推广应用工作。
2019年,民航局发布了中国民航航空器尾流重新分类方法与间隔标准(RE?CAT-CN),实现了从理论突破、技术攻关到规章起草、落地应用的全流程覆盖。在广州白云机场、深圳宝安机场开展的RE?CAT-CN管制实验运行中,空客A350、波音787等中型飞机前后机尾流间隔从7.4公里缩减到5.6公里,目前北京、上海等12个主要机场正在推广应用该技术。
近地风场对尾涡强度消散、涡核运行和威胁演化有重要影响。充分利用有利的气象要素,随风场变化动态调整尾流间隔,可以在RECAT的基础上进一步提高终端空域运行效率。美国2012年启动了离场尾流间隔缩减(WTMD)和进场尾流间隔缩减(WTMA)项目,通过对机场近地面风场数据的精准感知与预测,动态缩减近距平行跑道尾流间隔,并正在多个机场进行技术验证。欧盟于2010年6月启动了CROPS项目(SESAR 1P1),该项目致力于在侧风情况下有条件地缩减进离场飞机间隔,使跑道利用率达到最高。英国伦敦希思罗机场于2015年5月开展了基于时间的尾流间隔(TBS)运行,依据顶风数据对现行间隔标准进行动态调整。
民航局于今年初发布的《智慧民航建设路线图》提出,未来将通过对尾流间隔的静态优化与动态缩减,进一步提升空域运行容量。为实现这一目标,需要研究解决气象要素演变态势全息感知、飞机尾流危害包络的时空推演、基于激光雷达的尾流探测反演、动态间隔标准拟定与安全评估等关键问题,打造以动态尾流间隔为主要特征的空管运行新范式,安全审慎地缩减管制间隔。
间隔调配新手段——“数智管制员”
空中交通的通行能力与可用空域资源成正比,与管制间隔大小成反比。坚守安全底线、借助智慧手段、打造数智间隔新范式,是提升空域运行效率、深挖空域运行潜力的根本。在飞行中,前后机的实际间隔不仅取决于管制间隔标准,还取决于管制调配手段、空地协同效率等因素。
在管制意图的实现方式上,国内外目前主要采用“以扇区为单元”“以人为中心”“以语音为手段”的间隔调配模式。随着空中交通规模不断扩大、复杂度不断提升,飞机飞行速度快与人工决策慢、飞行过程不间断与扇区分块多、空地意图交互多与语音交互慢的矛盾日益突出,越来越难以支撑未来发展,从调冲突到管航迹的转变迫在眉睫。
基于航迹的运行 (Trajectory based operation,TBO)应运而生。基于航迹的运行是目前国际民航界普遍公认的下一代航行系统核心运行理念,是应对航空运输量持续快速增长的一种革命性解决方案,打破了现有分时、分段、分头管理模式,实现空中交通从“扇区”到“全域”、从“战术”到“战略”、从“管制”到“管理”、从微观防相撞到宏观态势掌控的根本性转变。2019年3月底,中国民航在天津与广州之间成功完成了中国和亚太地区首次初始四维航迹(i-4D)演示验证,实现了飞行中该架空客A320neo飞机的飞行轨迹全程与地面保持同步。《智慧民航建设路线图》提出,以四维航迹全生命周期管理为基础,推进航班运行的精细化管制,实现多端协同与扩容增效,构建以航迹管理为核心的先进空管运行模式。
未来,空管要实现从“人工管制”到“数智管制”的转变,推动前沿信息科学技术与空中交通管理有机融合,借助人工智能、大数据、飞联网等智能技术,搭建基于算力的空中交通运行数字孪生平台,研发“数智管制员”,实现基于算力的态势感知、数字推演、智能决策、自主协商、精准管控,从而提高管制间隔调配精度,实现全局、全域、全过程的间隔协同与优化,减少不必要的间隔余量,提升空中交通运行效率。
空地协同新模式——自主间隔运行
现行的管制间隔空地协同链路包括获取飞机位置、推算飞行趋势、拟定管制指令、语音交互意图、飞行员操作、飞机响应等环节。由于管制自动化系统的态势推演与辅助决策功能的智慧性不足,需要依靠管制员个体经验和技能对飞行冲突进行预测与解脱,并通过与飞行员的语音通话进行意图交互,然后通过飞行员的操作实现管制意图。受限于人的经验和技能以及相对低下的空地信息交互能力,在理解、反应、操作、监控等方面存在一定延时和不确定性,不得不通过提升安全裕度确保飞行安全。
为缩短管制间隔的空地协同链路,美国联邦航空管理局和欧洲航空安全局在20世纪90年代开始推行目视间隔与目视进近运行。中国民用航空局空管局从2008年开始在大型机场推广该技术。在气象条件满足要求时,授权飞行员在目视可见前机和地形的条件下,依靠主观判定和经验灵活规避安全威胁,灵活掌握尾随飞行的安全间距。由于不再受现有间隔标准的约束,同时更多依赖飞行员感知和处置,实现了飞行威胁管控链路优化,可大幅度提升机场进场落地容量。但在双目运行中,空中交通整体运行态势依赖飞行员的经验、技能和偏好,交通流的可预测性较低,飞行安全隐患较多,交通流的鲁棒性较差,总体比较脆弱。
基于机载端态势感知的自主间隔技术是缩短空地间隔协同链路、提高间隔管控效率的关键举措。美国国家航空航天局和美国联邦航空管理局从2004年开始基于驾驶舱设备辅助的目视运行(CAVS)和尾随飞行(ITP)技术攻关,通过机载ADS-B IN设备接收周边飞机发送的位置信息,并在驾驶舱内导航显示仪(ND)上直观显示出周边态势信息,使飞行员不仅可以对驾驶舱外目标进行目视观察,还可以通过导航显示仪判定空中飞行态势。从2017年开始,美国联邦航空管理局在多个机场开展了CAVS和ITP技术验证试飞,有效提高了目视运行执行率。
2017年5月,民航局组织协调吉祥航空、华东空管局、上海虹桥机场、泰雷兹公司等,使用吉祥航空3架空客A320飞机,实施了中国民航首次基于ADS-B IN技术的目视间隔进近(VSA)演示飞行,取得了圆满成功。《智慧民航建设路线图》提出,通过推进机载ADS-B IN技术应用实施,增强驾驶舱态势显示能力,提升目视间隔运行效果,优化飞机进近着陆的间隔管理,实现航空器自主间隔保持运行。(作者:魏志强,系中国民航大学空中交通管理学院教授)