基于北斗二代的機場場面沖突探測算法研究

杜金峰

摘 要：針對機場場面沖突問題，研究了北斗二代定位原理與場面沖突探測理論，根據(jù)航空器運動狀態(tài)判定不同沖突類型，設定不同的最小安全間隔，采用二維動態(tài)避讓策略，提出了一種基于北斗二代定位數(shù)據(jù)的機場場面短期沖突探測算法。最后通過機場場面沖突探測仿真程序驗證了算法的可行性。

關鍵詞：北斗二代；滑行沖突；沖突探測；仿真

引言

隨著民航業(yè)的快速發(fā)展，機場運行環(huán)境復雜性也逐漸增大[1]。近年來，全球發(fā)生了多次飛機與車輛相撞的事件，造成了巨大的財產(chǎn)損失。場面監(jiān)視雷達能夠在一定程度上解決機場交通沖突的問題，但價格昂貴。針對此矛盾，文章提出一種基于北斗二代定位數(shù)據(jù)[2]的場面沖突檢測算法，為解決該問題提供一種可行的方案。

1 場面沖突類型分析

1.1 滑行沖突

航空器在機場地面的活動區(qū)域主要集中在跑道和滑行道上。滑行沖突為兩架或兩架以上的航空器（因此處對車輛的沖突研究可將其大致等同為航空器，故不再單獨討論）在未來的某個時刻有可能同時占用同一個點或滑行路段的行為。該類沖突主要表現(xiàn)為三種形式：（1）對頭沖突，即兩架航空器同時占用同一段滑行道并且航向角相差180度；（2）交叉道口沖突，即兩航空器在未來某時刻要同時占用一個滑行道交叉口；（3）追尾沖突，即兩航空器同時占用一段滑行道且航向相同[3]。

1.2 跑道入侵沖突

ICAO規(guī)定一架航空器在機場保護區(qū)起飛或著陸時，遭遇任何車輛或人員不正常出現(xiàn)的行為為入侵沖突。這是一類很重要的沖突，尤其是發(fā)生在跑道處。FAA給的定義是當航空器在起飛或著陸階段，車輛或任何其他物體可能會產(chǎn)生碰撞的風險，或者間距不足的情況[4]。與碰撞沖突不同的是，該沖突探測整條跑道的沖突，而不只單獨考慮一對沖突。如果一條跑道在一個確定的時間段內(nèi)有航空器要起飛或降落那么它會被標記激活。通常來講一旦跑道開始運行起飛降落程序就會劃設相應的保護區(qū)保護區(qū)域必須被清空，排除其他移動目標或障礙物。

該類型的沖突首先需要分析每一個機場跑道的激活情況并確立保護區(qū)。然后，在相關的機場區(qū)域（例如快速脫離道，滑行道，交叉跑道等）內(nèi)運行搜索算法來尋找可能發(fā)生跑道入侵的移動目標。探測跑道入侵的方法是通過比較目標的停止距離與跑道的保護區(qū)來確定沖突是否會出現(xiàn)。

1.3 偏離沖突

該沖突是由航空器實際滑行路徑與預訂滑行路徑之間存在偏差而產(chǎn)生的，可以通過航空器實際運行路徑與預定路徑之間允許的最大側向間隔來探測的。

1.4 未授權的運動

最后這種沖突是根據(jù)當前目標的活動情況來確定的。根據(jù)機場的動態(tài)格局確定具體的規(guī)則，已經(jīng)定位的目標無論出現(xiàn)在哪個區(qū)域都有特定的規(guī)則限制它：關閉區(qū)不允許有移動體，設置單行道限制移動方向以及動態(tài)約束等。為了制定具體規(guī)則，預計位置和目標物的動態(tài)參數(shù)將用來確定是否破壞了規(guī)則的約束觸發(fā)告警[5]。

2 場面沖突探測算法

航空器只有嚴格根據(jù)一系列規(guī)則并保持一定的間隔運行才能保障安全。規(guī)則由航空器型號、航空器間的相對運動情況以及所在滑行的具體機場區(qū)域及能見度、滑行道狀態(tài)等因素決定。間隔標準的選擇要使管制員必須有充足的時間去提示飛行員或者是司機做出機動動作來避免沖突。給定的時間必須要滿足規(guī)避動作需要的時間（即是使兩架沖突飛機其中之一停下的時間），此時間由每個方案的特定動態(tài)（與速度、角度相關）決定。告警將在管制員該發(fā)出避讓機動指令來避免沖突時發(fā)出[6]。

需要比較的閾值有：最小安全間隔（Dmin）用監(jiān)視功能以保證，它是隨目標滑行所在的具體機場區(qū)域而變化的；取決于相對方位和速度，這樣，飛機在完成一次機動后要滿足最小間隔Dmin?；旧蟻碇v，可以分為以下三種情況：

發(fā)散航跡，保護區(qū)會檢查兩個目標之間是否滿足最小間隔Dmin。

否則，若是匯聚航跡，則會根據(jù)兩者相遇的幾何圖形（圖1）考慮兩個目標的停止距離。所以，若情況為對頭，兩個目標的停止距離之和須大于Dmin。

若是追及問題，追及航空器的停止距離比Dmin大。

因此所遇沖突屬于何種類型可以根據(jù)一對移動目標相對的位置和速度矢量來量化探測。一個移動物體的停止距離（dstp）可以通過速度Vm/s和加速度am/s2（考慮飛行器特性和滑行道摩擦系數(shù)）由公式（1）得出，其中Tr是總反應時間。反應總時間由北斗數(shù)據(jù)傳輸與仿真系統(tǒng)處理時間，駕駛員看到報警信號至做出剎車動作的反應時間。其中，《民用航空空中交通管理規(guī)則》第319條規(guī)定：兩架以上的航空器跟進滑行時，后方滑行的航空器不允許超越前方滑行航空器，后方航空器與前方航空器間保持的最小間隔不允許小于50m[7]。

其中Tr為反應總時間一旦相關情況確定，與實際間隔相比較的間隔閾值由以上描述的標準確定。圖2-圖4建立了不同情況，不同速度下基于此方法的示例。目標定位于（0，0），速度矢量為Y軸，且第二目標從不同的角度和速度接近。因此，飛機位置在上半平面的代表對頭沖突的情況，在下半平面的則代表追尾沖突的情況。速率按照（5，40）之間來考慮，假定加速度為-2m/s2總反應時間為5s。

這一標準是保守的做法，因為運行軌跡的最小距離通常高于在最壞的情況下整個停止拉伸的最小距離（S）。只有對頭沖突和追及沖突的情況（90度和180度的相遇）才有真正符合本標準的最小間隔情況。通常情況下，人體受到外界刺激反應時間比較小。

上述速度矢量圖所確定的安全間隔較精準，上述的沖突類型公式如下：

兩目標移動物間的距離D可根據(jù)自北斗接收的定位數(shù)據(jù)計算出：

3 仿真測試

以某機場為例，基于C#設計了仿真程序，模擬機場場面運行情況。將接收的模擬北斗定位數(shù)據(jù)轉換成大地坐標得出沖突航空器之間的距離D，判定D與最小安全間隔的大小，仿真時間為600s，結果如圖6所示。

仿真示例中，離場航空器（藍色）CSN3515與進場航空器（黃色）GCR6681在主滑行道上會發(fā)生對頭沖突，系統(tǒng)根據(jù)最小安全間隔給出告警信息并通知相關運行人員。

4 結束語

文章根據(jù)沖突航空器航向、速度等參數(shù)判斷沖突類型并計算設置最小安全間隔，提出一種基于北斗二代定位數(shù)據(jù)的機場場面沖突探測算法。通過模擬程序的測試，仿真程序能夠有效探測沖突并給出告警信息，結果驗證了該算法在解決場面沖突探測問題的有效性，提出了一種類似簡易場面監(jiān)視雷達系統(tǒng)的方案。但該算法只能處理一些短期沖突，對于一些長期的潛在沖突并不能很有效地探測到，因此，長期沖突的探測和滑行路徑的優(yōu)化是今后研究的重點。文章結束之際，感謝中國民航大學老師的辛勤栽培。

參考文獻

[1]中國民用航空局.2013年民航行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報.[EB/OL].http：//www.caac.gov.cn/I1/K3/201406/P020140623612275082363.pdf，2014-06.

[2]呂小平.“北斗”在我國民用航空的發(fā)展和應用[J].中國民用航空，2011，08：39-42.

[3]鐘育鳴.機場地面運行仿真評估系統(tǒng)研究[D].南京：南京航空航天大學，2009.

[4]Harald Wihelmsen."Preventing Runway Conflicts：The role of Airport Surveillance， Tower-Cab alerts， and Runway-Status Lights". The Lincoln Laboratory Journal， Volume 7，Number 2，1994.

[5]Juan A.Besada，JoseR.Casar.Design of an A-SMGCS prototype at Barajas airport：available information and architecture[R].IEEE International Conference on Information Fusion，2005.

[6]Garcia J，Besada J，Miguel G，et al.Data processing techniques for conflict detection on airport surface[C]//Fifth Eurocontrol-FAA ATM R&D Seminar .Budepest： IEEE，2003：1-10.

[7]鐘育鳴.機場地面運行仿真評估系統(tǒng)研究[D].南京：南京航空航天大學，2009.