基于ADS-B的飛機沖突探測

倪育德，馬宇申，劉 萍

（中國民航大學(xué)智能信號與圖像處理天津市重點實驗室，天津 300300）

基于ADS-B的飛機沖突探測

倪育德，馬宇申，劉 萍

（中國民航大學(xué)智能信號與圖像處理天津市重點實驗室，天津 300300）

面對飛行流量持續(xù)快速增長、民航空域資源日益短缺的狀況，對飛機間的潛在沖突進行有效探測，是避免飛機間危險接近或碰撞發(fā)生的關(guān)鍵。對飛機周圍區(qū)域進行合理建模，給出了一種基于廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）技術(shù)的確定型沖突探測算法，充分利用ADS-B報文提供的經(jīng)度、緯度、速度和航向等信息及其報文高更新率等特點，預(yù)先排除無威脅飛機，然后分別從水平和垂直兩個方向?qū)︼w機之間的沖突進行探測。運用Matlab進行功能仿真，結(jié)果表明該算法能有效排除無威脅的飛機，并且能夠?qū)τ型{的飛機及時給出告警。該算法對保證自由飛行條件下的飛行安全具有積極意義。

廣播式自動相關(guān)監(jiān)視；沖突探測；自由飛行

民航運輸業(yè)的快速發(fā)展導(dǎo)致空中交通的擁擠程度越來越高，飛機間的沖突概率大大增加，而傳統(tǒng)雷達已無法應(yīng)付高密度空域的監(jiān)視，新一代通信、導(dǎo)航、監(jiān)視與空中交通管理（即新航行系統(tǒng)）的新概念應(yīng)運而生，其理念就是“自由飛行”，把更多的交通安全責任從地面轉(zhuǎn)向空中。

自由飛行條件下，航路選擇的任意性將大大增加沖突發(fā)生的可能，如何更有效地發(fā)現(xiàn)潛在沖突，及早進行沖突探測，對于飛行沖突的避免有著重要意義。文獻[1]提出的自由飛行條件下沖突飛機的選擇算法在排除無威脅飛機方面具有良好性能，可作為飛機沖突概率預(yù)測的預(yù)處理算法。文獻[2]提出的“自由飛行下的沖突概率估計算法”可以有效預(yù)測對本機構(gòu)成威脅的飛機，及早向飛行人員發(fā)出告警信息。文獻[3]又在此基礎(chǔ)上提出“適用于航路改變情況下的沖突概率預(yù)測算法”，可以更進一步探測出航路改變情況下的潛在沖突，有效防止沖突的發(fā)生。清華大學(xué)的王紹平和崔德光則給出了一種綜合改進的沖突探測算法[4]，該算法綜合了確定型沖突探測方法和概率型沖突探測方法在工程應(yīng)用中的優(yōu)點，考慮了空管規(guī)則和簡單的過濾算法，引入了持續(xù)探測方法。在中外學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，本文根據(jù)沖突飛機間的相對速度大小動態(tài)設(shè)定飛機的保護區(qū)域，為飛行員提供固定而充足的反應(yīng)預(yù)警時間，并結(jié)合廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）提供的豐富航行信息及高更新率等特點，給出一種基于ADS-B技術(shù)的確定型沖突探測算法。

1 廣播式自動相關(guān)監(jiān)視

ADS-B是基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）和空-地、空-空數(shù)據(jù)鏈完成信息傳遞和交通監(jiān)視的空管新技術(shù)[5-6]。ADS-B首先接收通過飛行管理系統(tǒng)（FMS）和其他機載傳感器等系統(tǒng)生成的信息，然后將這些信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字碼，該數(shù)字碼結(jié)合了飛機的四維位置信息（經(jīng)度、緯度、高度和時間）和其他附加信息（沖突告警信息、飛行員輸入信息、航跡角和航線拐點等）以及飛機的識別信息和類別信息，此外還可能包含其他的信息，如航向、空速、風(fēng)速、風(fēng)向和飛機外界溫度等，每秒更新一次，由1 090 MHz射頻通過數(shù)據(jù)鏈從飛機廣播出來。位于可接收范圍內(nèi)的其它飛機和地面站就能接收到此數(shù)據(jù)鏈廣播，將該信息顯示在駕駛艙交通信息顯示器（CDTI）上，可使飛行員獲得可靠的高精度實時空中飛行動態(tài)信息，增強飛機位置識別能力。

ADS-B是新航行系統(tǒng)中非常重要的監(jiān)視技術(shù)，它把沖突探測、沖突避免、沖突解脫、空中交通管制（ATC）監(jiān)視以及CDTI信息顯示有機的結(jié)合起來，將為新一代空管監(jiān)視系統(tǒng)增強和擴展非常豐富和人性化的功能，同時也帶來潛在的經(jīng)濟效益和社會效益[7-8]。因此，ADS-B被認為是提高安全飛行、高效飛行最有效的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2 飛機周圍區(qū)域建模

在自由飛行條件下，考慮空域中的飛機由于潛在位置信息的錯誤，以及統(tǒng)籌飛行安全和算法的可實現(xiàn)性，每一架飛機周圍的區(qū)域被劃分為避碰區(qū)域（CAZ）和保護區(qū)域（PAZ）。避碰區(qū)域和保護區(qū)域都是以飛機質(zhì)心為中心的虛擬圓柱體，如圖1所示，其中小圓柱體和大圓柱體分別代表避碰區(qū)域和保護區(qū)域。

以2架飛機的沖突探測為例，把飛機1視為一個移動的圓柱，飛機2視為質(zhì)點，2架飛機在飛行過程中速率保持不變，當飛機2進入飛機1的CAZ時就產(chǎn)生了沖突。根據(jù)國際民航組織（ICAO）的間隔和空域安全專家組（SASP）對ADS-B提供類雷達服務(wù)下間隔的安全性給出的評估結(jié)論，航路和終端區(qū)可采用5 n mile的最小間隔，因此選取RCAZ=5 n mile，HCAZ=2 000 ft[9]（1 ft=0.304 8 m，下同）。PAZ區(qū)域范圍目前仍在討論中，本文采用在CAZ區(qū)域范圍的基礎(chǔ)上，根據(jù)兩機航跡和相對運動速度來動態(tài)設(shè)置PAZ的區(qū)域范圍，即

圖1 飛機周圍區(qū)域劃分Fig.1 Aircraft surrounding area division

其中：τhor、τvert分別為PAZ水平和垂直預(yù)留時間，且τhor=τvert=10 s；vr（t）與vr，vert（t）分別是兩機在時刻t的水平和垂直相對速度；選取CAZ的時間門限為tc= 1 min，PAZ的時間門限為tp=2 min[10]。

探測飛機之間的沖突，應(yīng)預(yù)先對危險飛機進行選擇處理，即判斷飛機之間是接近飛行還是遠離飛行，如果是遠離飛行，說明飛機之間無沖突；如果飛機之間是接近飛行，接著要判斷飛機2的航跡是否經(jīng)過飛機1的CAZ，如果不經(jīng)過，說明飛機之間亦無沖突；如果飛機2的航跡經(jīng)過飛機1的CAZ，那么需計算飛機2從水平方向進入飛機1的PAZ和CAZ的時間thp、thc，以及從垂直方向進入PAZ和CAZ的時間tvp和tvc，然后分別與時間門限tp、tc比較來判斷是否告警，以此來實現(xiàn)沖突探測。

飛機2告警分為以下兩個等級：①當飛機2的thp

3 沖突探測模型

確定型沖突探測算法主要依據(jù)ADS-B提供的位置、速度、航向等信息，參照WGS-84地心地固坐標系與地理坐標系的轉(zhuǎn)換，對飛機的運動狀態(tài)建立軌跡方程，由此可以對任意時刻的2架飛機進行安全性的比較，只有當水平方向和垂直方向沖突同時存在時，才判定沖突存在。

3.1 水平?jīng)_突探測

從水平方向看飛機的PAZ和CAZ，就是兩個大小不同嵌套的圓。把飛機的水平運動狀態(tài)分解為東向（E）和北向（N）進行分析，水平?jīng)_突探測分析如圖2所示。

圖2 水平?jīng)_突探測分析圖Fig.2 Analysis figure of conflict detection in horizontal direction

把飛機1（目標飛機）和飛機2（本機）的經(jīng)緯度作差處理，把飛機1看作靜止，以O(shè)點作為飛機1的初始位置，那么飛機2相對于飛機1坐標為（xt，yt）；v1、v2分別為飛機1和飛機2的水平地速，相對速度為vr1= v2-v1；φ1、φ2分別為飛機1和飛機2的航跡角。

首先判斷2架飛機是遠離飛行還是接近飛行，判斷依據(jù)為

其中：xe1、yn1、xe2和yn2分別為飛機1、飛機2的東方向位置和北方向位置；ve1、vn1、ve2和vn2分別為飛機1、飛機2的東方向速度和北方向速度。如果s＞0，表示兩機遠離飛行，反之，s＜0表示兩機接近飛行。

假設(shè)飛機2以速度vr1沿著AC方向接近飛機1飛行，且經(jīng)過飛機1的CAZ，如圖2所示。由ADS-B提供的位置、速度、航向等信息，就可以得到vr1的大小，然后根據(jù)式（1）來劃分PAZ

根據(jù)ADS-B提供的航向信息，飛機2相對于飛機1的航跡線斜率k1為

飛機2相對于飛機1的航跡線方程為然后聯(lián)合PAZ和CAZ圓的方程，分別計算飛機2的航跡線與飛機1的PAZ和CAZ區(qū)域的交點（xp，yp）、（xc，yc），繼續(xù)計算此時飛機2到兩交點的距離lp和lc，即

這樣，就可分別得到飛機2到達飛機1的PAZ和CAZ區(qū)域的時間thp、thc為

根據(jù)計算的結(jié)果，再分別將thp與tp以及thc與tc的值進行比較，從而完成水平?jīng)_突探測。

3.2 垂直沖突探測

從垂直方向看飛機的PAZ和CAZ，就是兩個大小不同嵌套的矩形。把飛機的垂直運動狀態(tài)分解為東向（E）和地球外法線指向天頂方向（Z）進行分析，垂直沖突探測分析如圖3所示。

圖3 垂直沖突探測分析圖Fig.3 Analysis figure of conflict detection in vertical direction

設(shè)飛機1東向速度為ve1，垂直速度為vz1；飛機2東向和垂直速度分別為ve2、vz2；相對垂直速度為vr，vert=其中：ve1= v1sin φ1，ve2=v2sin φ2，v1、v2分別是飛機1與飛機2的水平地速；φ3、φ4分別為v3和v4與Z軸的夾角。

飛機2相對于飛機1航跡線斜率k2為

飛機2相對于飛機1的相對坐標為（xt，zt），那么本機航跡方程為

首先判斷飛機2航跡是否會進入飛機1的CAZ區(qū)域。由圖3可知，CAZ區(qū)域矩形的4個頂點坐標分別為M1（-RCAZ，HCAZ/2）、H1（RCAZ，-HCAZ/2）、F1（RCAZ，HCAZ/2）及N1（-RCAZ，-HCAZ/2），把M1和H1點分成一組，F(xiàn)1和N1點分為另一組，分別代入式（11），得到

如果s1≥0且s2≥0，說明飛機2航跡線與飛機1的CAZ矩形區(qū)域不存在交點，反之則存在交點。

假設(shè)飛機2的航跡與PAZ和CAZ區(qū)域存在交點，并設(shè)起始時刻兩機的高度差為h0，那么飛機2到達飛機1的PAZ和CAZ的時間分別為

然后分別比較tvp與tp以及tvc與tc之間的關(guān)系，確定垂直方向是否存在沖突。

對于平飛狀態(tài)的飛機，其相對垂直速度vr，vert為0，此時PAZ區(qū)域消失，只有CAZ區(qū)域。此時只要判斷兩飛機的高度差是否滿足h0∈（-HCAZ/2，HCAZ/2），如果滿足則沖突存在，反之則不存在。

根據(jù)ADS-B信息能推測出飛機在未來某個時刻的大概位置，而且ADS-B信息實時更新，民航運輸飛機在一段時間內(nèi)一般不會產(chǎn)生較大的機動，所以該算法能夠比較準確地進行沖突探測。

4 仿真實驗

假設(shè)在飛機1的CAZ（5 n mile）外至40 n mile圓環(huán)內(nèi)存在100架飛機，根據(jù)ADS-B報文模擬出這100架飛機在CDTI中的交通態(tài)勢顯示，報文數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)A= [東向位置北向位置速度航向]，報文數(shù)據(jù)產(chǎn)生規(guī)則為：

1）飛機的位置范圍為5cos θ

2）在巡航飛行階段，民航飛機的速度一般為700～ 1 000 km/h；

3）飛機的航向為φ∈[0，2π]。

100架飛機的模擬數(shù)據(jù)如圖4所示，初始CDTI交通態(tài)勢顯示如圖5所示。

經(jīng)過選擇排除遠離飛行的飛機和不會經(jīng)過飛機1 CAZ的飛機后，有危險接近飛機的交通態(tài)勢顯示如圖6所示，總共有11架飛機。對100架飛機的模擬數(shù)據(jù)經(jīng)過100 000次的Monte-Carlo實驗，仿真結(jié)果得到平均的威脅飛機數(shù)量是8.634 7。沖突飛機數(shù)量概率分布如圖7所示。剩余威脅飛機數(shù)量分布主要集中在7～12架，100架飛機經(jīng)過算法排除后，只有少數(shù)飛機與飛機1可能存在沖突，說明此算法排除無威脅飛機方面性能良好，排除效果明顯。

圖4 100架飛機模擬數(shù)據(jù)Fig.4 Simulating data of 100 aircrafts

圖5 初始CDTI交通態(tài)勢顯示Fig.5 Initial CDTI traffic situation display

圖6 排除后的CDTI交通態(tài)勢顯示Fig.6 CDTI traffic situation display after exclusion

圖7 沖突飛機數(shù)量概率分布Fig.7 Probability distribution of conflicting aircrafts’amount

經(jīng)過算法排除無危險的飛機后，對可能存在沖突的飛機需要進一步探測。初始化配置參數(shù)，飛機1在A地區(qū)的經(jīng)緯度為（39.076°N，116.82°E），飛機2在B地區(qū)的經(jīng)緯度為（39.081°N，116.82°E）；飛機1和飛機2的高度分別為h1=8 000 m，h2=7 000 m；飛機1和飛機2的速度分別為v1=800 km/h，v2=900 km/h；飛機1和飛機2的航跡角分別為φ1=10°，φ2=280°；飛機1和飛機2的垂直速度vz1、vz2分別為1 500 ft/min和-1 500 ft/min。

圖8 水平?jīng)_突探測圖Fig.8 Conflict detection in horizontal direction

水平方向的沖突探測如圖8所示，可知飛機2的航跡線與飛機1的CAZ區(qū)域存在交點。經(jīng)過計算，兩機的相對速度vr1=334.488 7 m/s，飛機1的PAZ區(qū)域范圍為RPAZ=12 605 m，飛機2到達飛機1的PAZ和CAZ區(qū)域的時間分別為thp=56.654 7 s，thc=66.690 9 s。由此可知，thp<2 min而thc>1 min，說明水平方向只進入了PAZ報警階段。垂直方向的沖突探測如圖9所示，經(jīng)過計算，飛機1的PAZ區(qū)域范圍大小為HPAZ= 762 m，由仿真結(jié)果得知，s1=1.290 4×107>0，s2= 1.350 9×107>0，說明飛機2的航跡線與飛機1的CAZ區(qū)域不存在交點，垂直方向無沖突存在。綜合水平和垂直兩個方向上的探測結(jié)果可知，2架飛機之間無沖突存在，可以按此時的飛行狀態(tài)繼續(xù)飛行。

圖9 垂直沖突探測圖Fig.9 Conflict detection in vertical direction

5 結(jié)語

該飛機沖突探測算法在理論分析上具有良好的性能，充分利用了ADS-B提供的豐富航行信息及高速更新率等特點，相應(yīng)的仿真實驗也驗證了算法的可用性。本文設(shè)定飛機的CAZ區(qū)域半徑為5 n mile，并且在CAZ區(qū)域的基礎(chǔ)上，根據(jù)相互沖突飛機的相對速度大小動態(tài)設(shè)定PAZ區(qū)域范圍，為飛行員提供固定且充足的反應(yīng)告警預(yù)留時間，只要接收到目標飛機的ADS-B信息，該算法就能有效判斷兩機之間是否會發(fā)生飛行沖突。對于多機沖突預(yù)警的問題，很多文獻采用的是Delaunay網(wǎng)格對ADS-B提供的飛機位置信息進行關(guān)系分區(qū)，這樣就只需分析每個區(qū)域中相互間有關(guān)聯(lián)的飛機，不必將整個空域內(nèi)的所有飛機每2架進行比較，因此提高了沖突探測的效率。但是此方法只是為沖突飛機提供了優(yōu)先權(quán)的排序，歸根到底還是2架飛機之間的探測，所以對于多機之間的沖突探測問題還需不斷進行深入研究和探索。

[1]戴超成，肖 剛，敬忠良.采用ADS-B的沖突飛機選擇算法[J].電光與控制，2011，18（10）：11-14，19.

[2]PAIELLIA R，ERZBERGER H.Conflict probability estimation for free flight[J].Journal of Guidance，Control and Dynamics，1997，20（3）：588-596.

[3]鄧 偉，張 軍，吳 限.一種適應(yīng)于航路改變情況的沖突概率預(yù)測算法[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2005，31（12）：1327-1331.

[4]王紹平，崔德光.空中交通控制的沖突探測算法[J].清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2004（10）：1368-1371.

[5]WHALEN D，RATHINAM S，BAGGE C.Advanced Developments in Airport Surface and Terminal Area Traffic Surveillance Applications[C]//Digital Avionics Systems Conference，Cedar Rapids，IA：IEEE Press，2003.

[6]羅文田，趙澤榮，張德銀.基于ADS-B的飛機預(yù)警避撞算法研究[J].控制工程，2011，18（4）：559-563.

[7]MAXIME GARIEL，F(xiàn)ABRICE KUNZI，JOHN HANSMAN R.An Algorithm for Conflict Detection in Dense Traffic Using ADS-Bs[C]//30thDigtal Avionics System Conference，2011.

[8]ROXANEH CHAMLOU，MClEAN，VIRGINIA.Design Principles and Algorithm Development for Two Types of Next Airborne Conflict Detection and Collision Avoidances[C]//2010 Integrated Communications Navigation and Surveillance（ICNS）Conference，2010.

[9]程麗媛.自由飛行空域中多機沖突探測與解脫技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2005.

[10]沈佳峰.民機TCAS機動策略與仿真研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2011.

（責任編輯：楊媛媛）

Aircraft conflict detection based on ADS-B

NI Yu-de，MA Yu-shen，LIU Ping
（Intelligent Signal and Image Processing Key Lab of Tianjin，CAUC，Tianjin 300300，China）

With continually rapid growth of flight flow and increasing shortage of civil aviation airspace，effective detection of latent aircraft conflicts becomes the key to avoid aircrafts'dangerous approach or collision occurrence.By establishing reasonable model around aircraft zone，a deterministic conflict detection algorithm is presented based on ADS-B（automatic dependent surveillance-broadcast），which first eliminates threatening aircraft，then detects aircraft conflict in horizontal and vertical directions respectively by making full use of the information such as longitude，latitude，velocity and heading of aircraft provided by ADS-B message and the ADS-B message characteristics including high-speed update rate.Matlab simulation is carried out about this detection algorithm，results show that this algorithm can remove no-threatening aircraft effectively，and timely warning can be given for threatening aircraft.This algorithm has positive significance to guarantee flight safety for free flight.

ADS-B；conflict detection；free flight

V249

：A

：1674-5590（2014）05-0031-05

2013-09-03；

：2013-10-17

天津市智能信號與圖像處理重點實驗室開放基金項目（TJKLASP-2012-4）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項（ZXH2011C013）

倪育德（1963—），男，江西鷹潭人，教授，工學(xué)碩士，研究方向為無線電導(dǎo)航與監(jiān)視.