空域规划管理
新航行系统(CNS/ATM)重点实验室 2007.11
一、空域规划管理的基本概念
二、空域容量与安全评估
三、空域优化方法与技术
四、空域规划管理的发展趋势
五、空域管理与评估系统介绍
一、空域规划管理的基本概念
空中交通管理
空域管理 ASM
空中交通服务 ATS
空中交通管制 ATC 飞行信息系统 FIS 告警、咨询服务…
入口点3
等待区1
复飞航线 最后进近点 Entry Gate 最后进近路线
等待区2
入口点2
入口点1
机 场 跑 道
出口点1
出口点2
空域容量评估
空中走廊飞行 按规定的航段（标准仪表进 场路线）飞向起始进近点开 始进近飞行 以规定的速度范围和高度到 达最后进近点开始最后进近 按照例行程序降落跑道
空域容量评估
终端区容量模型
假定飞机从走廊口k进入终端区与飞机从走廊 口m进入终端区这两个事件是相互独立的，可 得到
Pkm Pk Pm
Pk :指交通流从走廊口k进入终端区的比例； Pm :指交通流从走廊口m进入终端区的比例；
空域容量评估
于是，可以得到：
终端区容量模型
Pijkm Pk Pm Pi k Pj m
终端区飞行过程
空域容量评估
终端区空中交通管制系 统
终端区空管系统
跑道子系统
空域子系统
管制容量子系统
通信信道子系统
特殊事件决策时间 例行事件决策时间 机队混杂比交通流特征 空域结构 交通流状况
空域容量评估
容量限制因素
跑道的使用效率 空域结构的复杂性
影响终端区容量的因素
对安全性的要求
管制员的工作负荷 空管保障系统的可靠性 气象条件 导航设备的导航能力、航班的延误情况、跑道占有率、飞机的性能 如爬升率、最后进近速度，通信信道的容量及可用情况等
N T C [ ] T
空域容量评估
容量定义
– 由于交通流中飞机有不同的类型，航班数N(T) 是个随 机变量，因此可以通过求 N(T)/ T的期望值来求得系统 的容量，即
N T C E[ ] T
– 上面的表达式求极限
N T C Lim E[ ] T T
空域容量评估
一、空域规划管理的基本概念
空域管理是指依据既定空域结构条件，实现对空 域的充分利用，尽量满足空域用户对空域的需求
空域管理三个阶段
战略空域管理：建立空域结构及使用方案 预战术空域管理：制定空域使用分配计划
战术空域管理：实时使用空域
主要空域类型
飞行情报区：飞行情报服务是指为实现安全飞行和有效飞 行而提供咨询及有用资料的一种服务。这些情报包括机场 状态、导航设备的服务能力、气象、突发事件以及特殊飞 行限制 管制区：空中交通管制的服务范围 咨询区：介于情报区和管制区之间的一种临时过渡性区域
出口点2
入口点2和等待区2
入口点3和等待区3
起始进近点 机场跑道 最后进近点 （Entry Gate）
空域容量评估
终端区容量模型
对于模型中所涉及到的两个要素说明如下： 到达流：
飞机从终端区几个不同的走廊口(即终端区入口点)会合而成的飞机流
最小时间间隔：
在从走廊口到最后进近的过程中，飞机之间始终满足空管的间隔规则 的情况下，在最后进近点相邻飞机时间间隔的最小值
空域安全评估
– 量化空域系统运行的安全目标水平(TLS) – 衡量空域自身及其运行是否符合ICAO的技术标准
空域容量评估
空域容量的概念
空中交通管理系统的容量具有三层含义：
– 空管系统的静态容量 – 空管系统能够处理的飞机流率，即在单位时间内系统所能够处理 的事件数量 – 系统容量和系统本身能够提供服务的安全性、质量（往往表现为 航班延误时间）等因素紧密相关
km P t ijijkm Pkm Pi近点有这样一对飞机: 领头的飞机类型为i，从k号走廊口进入， 尾随的飞机类型为j，从m号走廊口进入。
终端区容量模型
km tij 设两架飞机在最后进近点的最小时间间隔为:
这种飞机对出现的概率为
km Pij
Pkm Pi k Pj
实际容量与极限容量
– 在理论研究和实际工程运用中，空管系统的容量往往从航班延误 时间的角度
空域容量评估
实际容量与极限容量
平均航班延误时间
可承受的延误时间
航班架次
实际容量
最大容量
空域容量评估
空管系统的系统容量C：
容量定义
– 系统在持续需求下，一段相当长的时间段内所具有的 平均飞机流率
– 假设考虑的时间段为t＝0到t＝T，在时间段[0,T]内空 域系统所处理的航班数为N(T)，则容量C可用[0,T]时 间段内的平均航班流来表示，即
空中 交通 管理 ATM
空中交通流量管理 ATFM
一、空域规划管理的基本概念
空域是实现空中交通的物理空间，是空中交通服务提 供者向空域用户提供服务的场所
空域用户 公共运输 航空 军事航空 通用航空
空中交通管理
空中交通 服务
空域及 管理活动 （介质）
空中交通 流量管理
表示通信、导航、监视、情报、气象支持
m
空域容量评估
km Pij
终端区容量模型
Pkm Pi k Pj
m
式中各项含义如下:
Pkm :指领头的飞机从终端区k走廊口进入，而尾随的飞机从m 走廊口进入的概率;
Pi k :指i类飞机在所有由走廊口k进入的飞机中所占的比例；
Pj m :指j类飞机在所有由走廊口m进入的飞机中所占的比例；
在高度层2万9千英尺(8845米)至4万1千英尺(12500米)之 间的高度层空间范围内，飞机之间的最小垂直间隔由过去 的2000英尺(600米)缩小为1000英尺(300米)，该空间范围 内飞行高度层的数量从原有的7个增加到13个，新增6个飞 行高度层 这个高度层空间范围刚好是现代喷气式民航客机巡航阶段 所主用的高度层，从而能有效增加空域容量，提高航空公 司的运行效益，减轻空中交通管制指挥的工作负荷
– 提高时间利用率 – 提高空间利用率 – 改善管制空域的衔接状况
主要内容包括：
– 航线、航路、进离场航线等的设计和优化
一、空域规划管理的基本概念 二、空域容量与安全评估
三、空域优化方法与技术
四、空域规划管理的发展趋势
五、空域管理与评估系统介绍
二、空域容量与安全评估
空域容量评估
– 掌握空域及空中交通服务ATS的运行能力 – 为流量战略管理的结果提供评价依据，并对战略管理 的过程有指导性作用 – 保证空管系统安全运行的前提下
危险区 、限制区 、禁止区：限制等级由低到高
放油区：主要目的是放掉多余燃油，使飞机着陆时不超过 最大允许着陆重量，对飞机不造成结构性损伤
我国的空域划分
飞行情报区
我国的空域划分
管制区
我国的空域划分
管制区
我国的空域划分
特殊空域
美国的空域结构
如何有效利用空域资源
提高空域利用率的主要途径：
四、空域规划管理的发展趋势
五、空域管理与评估系统介绍
三、空域优化方法与技术
宏观层次上的优化
是指全局范围内航行系统的改进和完善，这种优化可以大大提高航路、 终端区和机场的容量
中观层次上的优化
是指确定高峰时刻，调节和控制机场的机队混杂比例，以获得一个较 高的稳定容量值
微观层次上的优化
是指采用排队策略对飞机进行排序，使得在给定时间内，机场能够容 纳更多的飞机；同时也可以采用线性规划等方法，从机场容量曲线中
x
重要参数：
– 同航迹相邻飞行高度层航空器同、反向飞行的垂直占有率 Ez (same) Ez (opp) – 航空器飞行速度及航空器间的相对速度 – 航空器尺寸 x y z – 垂直重叠概率、侧向重叠概率 – 飞行小时数
V
V
一、空域规划管理的基本概念
二、空域容量与安全评估
三、空域优化方法与技术
空域容量评估
前提假设
终端区容量模型
假设到达流与出发流之间相互独立，出发流不受容量 的限制；并且在不考虑出发流影响的情况下，单独研 究终端区的到达容量
假设机场使用双跑道，各条进场航线、进近航线之间 没有交叉点，所以问题得以简化
空域容量评估
出口点1 入口点1和等待区1
终端区结构示意图
入口点4和等待区4
终端区的最后进近点处的飞机对的平均最小 间隔时间为
T
ijkm
tij
km
Pk Pm Pi k Pj
m
终端区的容量为
C 1 T
空域容量评估
航路容量评估
航路容量是指在航路入口点所允许的最大飞机放行率 航路容量影响因素：
– 航路的可用高度层、高度层的垂直间隔
– 航路上航空器的纵向间隔
– 导航、通信、监视设备的覆盖情况 – 航路交叉点的数量、位置
航路容量模型分为以下三种情况：
– 航路中的飞机以平均速度飞行、不允许超越、允许超越
空域容量评估
L
基于平均飞行速率的模型
A
Vt Vt
B O
D
X
Ct为航路上某一高度层t的容量 C为航路容量 △X定义为管制员实际管制间隔 高于标准最小安全间隔的平 均水平
最早是针对跑道开始研究
空域容量研究的发展
二十世纪七十年代跑道容量的概念扩展到终端区 和航路
空域容量评估方法
– 建立数学模型，针对模型求解
• 主要的理论支持是概率论、排队论、数理统计等
– 分析管制员工作负荷，以此评估容量 – 搭建计算机仿真平台，模拟运行空管系统