ATC系統(tǒng)中短期沖突探測(cè)方法的研究

程先峰 龔維強(qiáng)

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所 江蘇 210007

0 前言

近年來(lái)，隨著我國(guó)航空事業(yè)的飛速發(fā)展，空中交通流量急劇增加，對(duì)空中交通管制(Air Traffic Control, ATC)系統(tǒng)的要求越來(lái)越高，為管制人員提供高質(zhì)量高效能的現(xiàn)代化管制設(shè)備是在高密度空中交通流量中保證飛行安全的重要條件。其中對(duì)飛機(jī)安全的沖突探測(cè)預(yù)告警功能的應(yīng)用減輕了管制人員的工作壓力，為飛機(jī)的安全飛行提供了極大的幫助。天上飛的航空器和馬路上跑的汽車一樣，也有自己的“交通規(guī)則”，飛機(jī)彼此間必須保持一定的水平和垂直間隔，以確保飛行安全和交通暢通。1976年9月10日發(fā)生在前南斯拉夫薩格勒布的空中相撞和2001年1月31日發(fā)生在日本的危險(xiǎn)接近等都是飛機(jī)的飛行沖突引起的?？罩薪煌ü苤浦械亩唐跊_突探測(cè)就是對(duì)飛行目標(biāo)之間的間隔(包括垂直間隔、水平間隔)實(shí)時(shí)進(jìn)行探測(cè)和計(jì)算，當(dāng)飛行目標(biāo)之間的間隔違反和將要違反安全間隔時(shí)，系統(tǒng)能發(fā)出告警，以便管制員有充分的時(shí)間對(duì)飛行目標(biāo)進(jìn)行調(diào)配。

1 短期沖突探測(cè)的處理方法

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于沖突探測(cè)的方法主要有：基于遺傳算法的沖突探測(cè)、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的沖突探測(cè)和基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成的沖突探測(cè)。這些方法各有特點(diǎn)，并取得一定效果。本文根據(jù)實(shí)際工程中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)介紹一種新的處理方法。

飛行器之間的短期沖突探測(cè)算法分為三步來(lái)實(shí)現(xiàn)：第一步，為了減小計(jì)算量，可以按目標(biāo)當(dāng)前位置、高度進(jìn)行具有潛在沖突的航跡對(duì)的初選；第二步，對(duì)前面選出的潛在沖突航跡進(jìn)行當(dāng)前沖突探測(cè)和預(yù)沖突探測(cè)；第三步，為了降低沖突的虛警對(duì)沖突要證實(shí)和確認(rèn)。

1.1 按目標(biāo)當(dāng)前位置、高度進(jìn)行具有潛在沖突的航跡對(duì)的初選

用檢測(cè)兩個(gè)航跡之間當(dāng)前距離和高度差的方法初選具有潛在沖突的航跡對(duì)。距離門(mén)限取為沖突預(yù)測(cè)向前看時(shí)間(Tl)和目標(biāo)最大可能飛行速度(Vmh)乘積的 2倍加上允許間距(Rth)，Rt=2?Tl?Vmh+Rth高度差門(mén)限取為沖突預(yù)測(cè)時(shí)間和目標(biāo)最大可能升降速度(Vmz)乘積的 2倍，加上允許高度差(Asep)Zt=2?Tl?Vmz+Asep。僅當(dāng)兩個(gè)航跡之間的距離和高度差同時(shí)小于相應(yīng)門(mén)限時(shí)，判為具有潛在沖突的航跡對(duì)。為了減輕搜索量，可以在不同的空域使用不同的安全間距和高度差標(biāo)準(zhǔn)，不同的沖突預(yù)測(cè)向前看時(shí)間和不同的飛行器最大可能飛行速度及升降速度估值。

1.2 對(duì)潛在沖突航跡進(jìn)行當(dāng)前沖突探測(cè)和預(yù)沖突探測(cè)

1.2.1 當(dāng)前沖突檢測(cè)

（1）飛行態(tài)勢(shì)檢測(cè)，首先研究航跡對(duì)的水平飛行態(tài)勢(shì)(參見(jiàn)圖1)。

圖1 相對(duì)飛行態(tài)勢(shì)的檢測(cè)

第一步，運(yùn)用航跡對(duì)的矢量速度計(jì)算他們之間的夾角β：

① 夾角β在0β±范圍之內(nèi)，判別為同向飛行，0β為適應(yīng)性參數(shù)；

② 夾角β在180°±β0范圍之內(nèi)，判別為相向飛行；

③ 夾角β為其它數(shù)值時(shí)，判別為交叉飛行。

第二步，計(jì)算航跡對(duì)矢量速度夾角的平分角線，并計(jì)算兩個(gè)航跡點(diǎn)在夾角的平分角線的垂足(參見(jiàn)圖2航跡點(diǎn)A的垂足為a，航跡點(diǎn)B的垂足為b)。

圖2 橫向和縱向間距的計(jì)算

第三步，得到它們的橫向間距(Aa+Bb)和縱向間距(ab)。

（2）運(yùn)用配對(duì)飛行計(jì)劃判斷兩航空器飛行類型、機(jī)型和尾流類型，根據(jù)飛行是屬于目視飛行、儀表飛行、同一機(jī)場(chǎng)放行航空器等情況，以便從間隔標(biāo)準(zhǔn)表中取得相應(yīng)的橫向和縱向間距間隔標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行比較。對(duì)同一機(jī)場(chǎng)放行航空器，還要根據(jù)同一跑道、平行跑道和交叉跑道3種不同情況，取得相應(yīng)不同的橫向和縱向間距間隔標(biāo)準(zhǔn)。

（3）最后，再?zèng)Q定兩航空器當(dāng)前所處飛行空域類型，得到最終判據(jù)，作出此航跡對(duì)是否有同時(shí)違反相應(yīng)橫向、縱向和垂直間隔標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)警或告警的情況發(fā)生。在兩航空器當(dāng)前所處空域不同時(shí)，選用較嚴(yán)的標(biāo)準(zhǔn)判別，以保證不發(fā)生漏檢。

1.2.2 預(yù)沖突探測(cè)

在完成上述當(dāng)前預(yù)警或告警檢測(cè)之后，要進(jìn)一步進(jìn)行預(yù)沖突探測(cè)。線性外推預(yù)測(cè)算法適用于勻速直線飛行或可視為勻速直線飛行的航空器對(duì)，用于預(yù)測(cè)0-Tl時(shí)間發(fā)生沖突的可能性。算法基于兩航空器當(dāng)前的三維位置和三維速度矢量，計(jì)算0-Tl時(shí)間是否有可能違反高度安全間距和水平安全間距的允許標(biāo)準(zhǔn)Asep和Rth。

設(shè)升降速度差門(mén)限為Vzth，水平速度差門(mén)限為Vhth(取值與沖突預(yù)測(cè)時(shí)間 Ta有關(guān))。設(shè)航跡對(duì)的三維坐標(biāo)和速度分別

則可用下列兩式計(jì)算航跡對(duì)開(kāi)始發(fā)生和開(kāi)始脫離高度沖突的時(shí)刻Tv1和Tv2；

設(shè)：

如果：Tv2≥0并且Tv1≤Tl，則在0-Tl時(shí)間內(nèi)航跡對(duì)有高度間距小于Asep的情況存在(參見(jiàn)圖3)。

圖3 高度沖突時(shí)間段

由Tv1和Tv2的具體表達(dá)式可以看出，它們的數(shù)值除主要依賴于當(dāng)前高度差ΔZ和間隔標(biāo)準(zhǔn)Asep外，也顯著依賴于升降速度的差值ΔVz。但是，在當(dāng)前模式的高度間隔判別中，則完全不涉及升降速度的差ΔVz。由于升降速度的差值ΔVz對(duì)航空器在未來(lái)的高度差的影響隨時(shí)間按正比例關(guān)系增加，所以，預(yù)推的時(shí)間越遠(yuǎn)就越不可靠；反之，預(yù)推的時(shí)間越短越可靠。在當(dāng)前模式中，升降速度的差ΔVz將不起任何作用。

（2）CFL數(shù)據(jù)的應(yīng)用

為減少航空器上升下降過(guò)程中的虛假告警，應(yīng)該對(duì)設(shè)有許可高度(Cleared Flight Level，CFL)數(shù)據(jù)的源航跡使用高度層保護(hù)方法，探測(cè)高度沖突，與上面描述的航跡推測(cè)算法相結(jié)合，計(jì)算高度沖突發(fā)生和開(kāi)始脫離時(shí)刻Tv1和 Tv2(參見(jiàn)圖4)。

圖4 CFL保護(hù)

航空器處于上升或下降狀態(tài)并具有有效CFL值時(shí)，使用CFL加上(上升)或減去(下降)高度層容差值作為航跡推測(cè)高度的上限(上升)或下限(下降)，進(jìn)行高度沖突檢測(cè)。當(dāng)航跡通過(guò)CFL，并已穿過(guò)高度層容差時(shí)，不再使用CFL容差高度作為推測(cè)高度的極限，探測(cè)高度沖突。當(dāng)用戶未輸入CFL數(shù)據(jù)或輸入數(shù)據(jù)無(wú)效，系統(tǒng)將采用上述垂直間隔計(jì)算方式探測(cè)航跡對(duì)高度沖突。

（3）水平間距預(yù)測(cè)

可用下列兩式計(jì)算航跡對(duì)開(kāi)始發(fā)生和開(kāi)始脫離水平?jīng)_突的時(shí)刻Th1和 Th2；

則航跡對(duì)最接近點(diǎn)的距離Rm：

如果：Th2≥0并且Th1≤Tl，則在0-Tl時(shí)間內(nèi)航跡對(duì)有水平間距小于Rth的情況存在(參見(jiàn)圖5)。

圖5 水平?jīng)_突時(shí)間段

同樣，由Th1和Th2的具體表達(dá)式也可以看出，它們的數(shù)值除主要依賴于當(dāng)前位置差ΔX、ΔY和間隔標(biāo)準(zhǔn)Rth外，也顯著依賴于速度的差值ΔVx、ΔVy。由于速度的方向和大小的差值(等效地說(shuō)速度分量地差值ΔVx、ΔVy)對(duì)航空器在未來(lái)的位置差的影響隨時(shí)間按正比例關(guān)系增加，所以預(yù)推的時(shí)間越長(zhǎng)越不可靠；反之預(yù)推的時(shí)間越短越可靠。在當(dāng)前模式中，速度的差值ΔVx、ΔVy將不起任何作用。

（4）線性沖突探測(cè)

進(jìn)一步，如果：Th1≤Tv2并且Tv1≤Th2；則在0-Tl時(shí)間內(nèi)航跡對(duì)有水平間距小于Rth和高度間距同時(shí)小于Asep的情況存在，即檢測(cè)到飛行沖突，提交沖突證實(shí)處理。

1.3 沖突證實(shí)和確認(rèn)

為了把因航跡軌跡方程參數(shù)估計(jì)不準(zhǔn)等誤差因素引起的虛警概率降至最低，必須對(duì)上述方法檢測(cè)到的沖突加以證實(shí)。沖突證實(shí)采用航跡刷新周期滑窗相關(guān)法，依據(jù)計(jì)算得到的預(yù)測(cè)沖突時(shí)間 Ta與數(shù)倍航跡刷新周期K?Tc的大小關(guān)系選取滑窗寬度N和要求命中數(shù)M：

① Ta≤K1?Tc，立即確認(rèn)告警(即N=M=1)；

② K1?Tc＜Ta≤K2?Tc，連續(xù)兩個(gè)刷新周期滿足此條件后，確認(rèn)告警，否則重新確認(rèn)；

③ K2?Tc＜Ta，窗寬N，命中數(shù)M，即連續(xù)N個(gè)周期刷新中，如檢測(cè)到M次沖突，則予以確認(rèn)。

2 總結(jié)

空中交通管制系統(tǒng)是軍民航空中交通運(yùn)輸系統(tǒng)的核心，而其中的沖突探測(cè)告警功能是其重要的一部分，在全國(guó)各類ATC系統(tǒng)中此功能均有不同程度的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)關(guān)于這項(xiàng)技術(shù)的理論與應(yīng)用展開(kāi)了大量的研究，不斷完善和推出新方法。本文是在實(shí)際工作中積累的一些知識(shí)和工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)沖突探測(cè)的告警、預(yù)告警及確認(rèn)等處理方法的介紹。

[1]劉星等.遺傳算法在飛行沖突探測(cè)解脫中的應(yīng)用[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào).2002.

[2]高翼,聶潤(rùn)兔.基于幾何算法的空中交通沖突探測(cè)與解決模型[C].第六屆全國(guó)交通運(yùn)輸領(lǐng)域青年學(xué)術(shù)會(huì)議.2005.