空管系统大揭秘:飞机在天上想怎么飞就怎么飞?

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  出品 | 网易新闻

  作者 | 李会超,哈尔滨工业大学(深圳)博士后

  随着国庆的临近,首都北京除了要为国庆盛典做好准备外,还迎接了一件大事的到来——北京大兴国际机场的开通运行,北京自此将拥有两个大型枢纽机场。

  在大兴机场启用的同时,全世界最大的空管自动化系统也将同步上线,这套系统不但为大兴机场本身的运行提供服务,还将统一管理北京首都、北京大兴、天津滨海三座机场附近的空域,为繁忙的京津地区空中交通提供高效的空中交通管理。

  空中的交通与地面有何不同?空管系统究竟管些什么?大兴机场这套空管自动化系统有什么特别之处?今天我们就来说说这个话题。

  

  (一)在天空中,飞机并不是想怎么飞就怎么飞

  当一架民航客机载着乘客从地面腾空而起后,看起来就可以在天空中自由地翱翔了,但实际上,民航飞机在天空之中也并非想怎么飞就怎么飞。

  首先,由于国防或其他需要,有些空域要预留给特定的飞行器使用,不能全部开放给民航飞机;在开放给民航使用的空域中,导航设备等布局又进一步限制了民航飞机的飞行路径;在民航飞机可用的空域中,飞机之间又要保持一定的间隔,才能保证飞行的安全;在飞机于机场附近起降时,还要避开山峰等障碍物和城市禁区。

  如果你有机会通过flightradar24等民航飞机追踪网站观察民航飞机的飞行,就会发现民航飞机在空中就有如沿着一条条看不见的”空中公路“在飞行。

  

  (在航路上飞行的飞机)

  在地面真正的公路上,交通的顺畅运行有赖于交通管理部门和人员的指挥和疏导,而在天空之中,飞行的安全和稳定运行同样依赖于空中交通管制员对飞机的指挥。

  根据飞行高度和位置的不同,民航飞机在飞行过程中依次要接受塔台、进近、高空区域等空域的管制员指挥。其中,塔台管制员负责与跑道平行方向上的起落航线上的航班交通管理,确保跑道在同一时刻只被一架飞机占用;而进近管制员则负责一个或几个机场附近刚刚起飞或将降落的飞机,在6000米以下的飞行指挥;区域管制员,则负责飞行在6000米以上的飞机的指挥,这些飞机已经进入被称为“航路”的空中主干道,开始了比较平稳的飞行。

  

  (机场附近由进近管制员负责管理的空域,航班较为密集)

  在这些管制空域中,进近管制的复杂程度相对较高。

  机场附近的空域,既是到达航班汇聚的地方,又是出发航班起飞后集中的地方,空域中的航班密度较高,管制员要合理指挥航班的飞行,使它们不至于产生冲突,有时还要为有特殊情况的飞机优先安排飞行路线,同时指挥其他飞机避让。

  同时,这一空域也是各种对航班飞行有明显影响的天气现象发生的空域,管制员必须采取措施,在保证安全的情况下最大限度地保证航班飞行。例如,当机场附近出现雷雨天气时,管制员就要想方设法指挥航班绕过雷雨天气,在乘客们因为航班延误而烦躁时,往往也是管制员最为焦头烂额的时候。

  

  (北京首都机场的一个离场程序示意图,图中虚线区域为北京城区的飞行禁区。飞机在按照有关程序飞行的同时,还需要管制员按照情况对飞机进行即时的飞行指挥。)

  (二)空管自动化系统:管制员的“千里眼”与“顺风耳”

  管制员指挥空中交通,显然不会效仿交通警察,亲自飞到天空之中用手势指挥,而他们的“千里眼”与“顺风耳”,就是空管自动化系统。

  在空中交通指挥中,民航飞机的位置、速度等信息,是通过机场附近安装的雷达获取的。一个机场附近一般安装多部雷达,分别负责不同区域的监视,而这些雷达中又有以接收飞机应答机信号为主要工作方式的二次雷达,和通过发射并接收无线电信号、目前主要作为备用手段的一次雷达。

  空管自动化系统将所有雷达的信息汇总后,进行相关的处理与整合,将航班的信息展示在管制员面对的屏幕上。

  

  (空中交通管制员的工作环境)

  如果两个航班彼此间的距离即将或已经接近到了要产生危险的程度,存在相撞的可能,又或是航班的高度和航向可能存在与高山等地形相撞的危险,自动化系统还会向管制员发出警报,提醒管制员及时调度有关航班脱离危险。

  如果某个航班挂出了7500(飞机被劫持)、7600(通讯故障)、7700(机械故障或其他紧急情况)等特别的应答机编号,空管自动化系统也会识别并提醒管制员。

  同时,每个航班都需要制定并报批自己的飞行计划后,才能执行飞行。飞行计划中,包含航班从哪里来、到哪里去,自身机型等基本信息,也包括航班飞行过程中的航路点、预计使用的高度等信息,这些信息也将由空管自动化系统一并汇总,管制员在需要时可以进行参考。

  为了合理分配每个管制员的管理负荷,同一空域会根据高度和位置的不同划分为若干个扇区,当飞机从一个扇区飞到另一个扇区时,需要将航班的管制权连同它的信息进行移交。空管自动化系统可以自动完成这个过程,管制员只需响应屏幕上的有关提示即可。

  

  (空管自动化系统为管制员提供的信息)

  从以上的介绍可以看出,空管自动化系统的基本功能与管制员的秘书相仿,但不会替代管制员进行管制操作,而大兴机场新上线的空管自动化系统,还具备一些更加智能的新功能,能够成为管制员的帮手。

  飞机的机型越大,飞行时在后方产生的尾部涡流就越严重,因此大型机起飞后,要间隔较长时间才能放飞一架中型飞机。而中型机起飞后,则不需要太长的间隔就可以放飞另一架飞机。

  此外,在同一时间,可能有些航班是正点运行,空中飞行时间也比较宽裕,有些航班则因为种种原因已经延误,机上的乘客比较焦躁。

  大兴机场使用的空管自动化系统的离港排序系统,可以综合考虑这些因素,用优化算法帮助管制员排定最合理的放飞顺序与进场、离场路线,让大家都能够尽量早点走、准点走。

  (三)红灯停、绿灯行,管制员是如何引导飞机飞行的?

  航班从登机口推出,到在跑道上腾空而起,中间还要经历在机场滑行的过程,同样,当飞机降落从跑道上脱离后,也要经历滑行过程到达指定的登机口。对于中小型机场,机场的登机口、滑行道的数量较少,飞行员可以较为轻松的完成这个过程,但对于大兴机场这种超大型机场来说,这个过程就变得比较复杂。

  经常乘坐飞机的读者,有时可能会在飞机降落后看到展示“Follow Me"或”跟随我“标志的黄色小车在飞机前方行驶,它的作用就是为飞机”导航“,减轻飞行员的负担。

  

  (北京首都机场的滑行道与停机位示意图,在这样的大型复杂机场中滑行并不是一件容易的事情。)

  对于负责机场地面滑行阶段管理的管制员来说,为飞机安排合理的滑行路线仅仅是需要解决的问题之一,不同航班的滑行路线难免会产生交叉,管制员在指挥过程中要防止飞机之间相撞或剐蹭;在机场的滑行道和停机坪上运行的,除了飞机之外还有用于摆渡乘客、运送行李货物或为飞机提供保障服务的各种车辆,地面管制员既要保证这些车辆能够高效完成自己的工作,又要防止车辆与飞机之间发生冲突乃至碰撞。

  在晴好的天气里,管制员尚能目视指挥,而一旦天气与能见度转差,塔台上的管制员无法看清机场中的情况时,管制工作就变得更加困难。

  为了解决这一问题,高级地面活动和引导系统(A-SMGCS)应运而生。目前,国际航空组织将A-SMGCS系统划分为5级,大兴机场安装的是4级A-SMGCS系统,同时具备监视、告警、自动路径选择和引导四种功能。

  其中,监视、告警功能通过场面监视雷达实现,这种雷达可以探测机场地面上的飞机与车辆的实时精确位置,并将这些信息显示在管制员的监视屏幕上,即便在监视告警、自动路径选择和引导的情况下,管制员也能通过屏幕显示的信息指挥运行。当车辆、飞机之间发生潜在的冲突或者进入保护区域时,系统还会自动报警进行提醒。

  而自动路径选择功能,则通过系统掌握的飞机与车辆的起点与目的地,综合协调优化所有路径,为每架飞机和车辆选择一条行驶距离最短、交叉干扰最小的路线。

  

  (一架在绿灯带引导下滑行的飞机)

  引导功能则更为直观,就是红灯停、绿灯行:飞机在地面滑行时,飞行员会看到前方滑行道的正中央有一排绿色的灯光亮起,这是A-SMGCS系统为它已经选定的路线,飞行员只需跟随着绿色灯光延伸的方向滑行即可。如果前方没有绿色灯光或绿色灯光熄灭,则提示飞行员需要停止滑行在原地等待。而停止排灯则在关键的交叉位置横向设置,绿灯亮起时可以通行,红灯亮起时不能通行。

  对于到达的航班,系统在使用灯光带将其引导到停机位附近后,泊位引导装置还能对飞机进入停机位时的滑行方向与距离进行引导,提示飞行员在合适的位置刹车,准确停到登机廊桥可以对接的位置。

  (四)国产空管系统,正成为越来越多、越来越大的国内机场的选择

  据央视等有关媒体报道,大兴机场的空管自动化系统完全由中国自主设计制造,而由于空管自动化系统要为“两市三场五地”(北京、天津两地,北京首都、北京大兴、天津滨海三座机场,北京区管中心、北京终端管制中心、天津空管分局、北京大兴空管中心、北京航管楼五地)提供管制自动化服务,它同时也成为了全球最大的空管自动化系统。

  和不少领域的设备一样,中国使用的空管自动化系统长期被国外供货商垄断,而中国自主空管自动化系统的研发,始于1984年,中国电科的研究人员克服种种困难研发了中国第一套空管自动化系统“空管一号”,并交付济南机场使用,通过了国家级鉴定,之后,他们又研制了多型空管自动化系统,主要应用在军航的空管中。

  进入新世纪后,科研人员们总结在军航系统研发中积累的经验,研制出了具有完全自主知识产权的空管自动化系统牧羊人-2000,并在2007年中标了青岛机场项目,成为了中国民航第一套投入使用的国产空管自动化系统。这套系统在青岛机场稳定运行,成功地完成了奥运会期间的空管任务,之后,越来越多、越来越大的国内机场开始使用国产空管系统。

  当飞机腾空而起,旅客们安然地享受舒适旅程时,国产空管自动化系统将和管制员们一起,保障所有的出发和到达。

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  编辑| 史文慧

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