基于實時飛行數(shù)據(jù)的航跡沖突滾動預(yù)警

王凱倫，王強，施紅，許杰，胡明朗

（1.空軍工程大學裝備管理與安全工程學院，西安710038；2.解放軍駐七八三廠軍事代表室，四川綿陽621000）

基于實時飛行數(shù)據(jù)的航跡沖突滾動預(yù)警

王凱倫1，王強1，施紅1，許杰2，胡明朗2

（1.空軍工程大學裝備管理與安全工程學院，西安710038；2.解放軍駐七八三廠軍事代表室，四川綿陽621000）

針對民航ADS-B廣播消息的強實時性特性，提出基于ADS-B廣播消息的航跡沖突滾動預(yù)警方法；該方法是一種蒙特卡羅仿真方法和當前統(tǒng)計模型相結(jié)合的仿真預(yù)測方法，利用蒙特卡羅采樣的隨機性多次仿真，得到一個預(yù)測航跡族，空間區(qū)域內(nèi)這些隨機航跡段的數(shù)量反映未來飛機飛經(jīng)該區(qū)域的概率。該方法可用于意圖驗證、沖突預(yù)警、失速螺旋預(yù)警、重著陸預(yù)警等諸多方面，以飛機航跡沖突概率為例進行計算，仿真結(jié)果驗證了該方法有效性。

ADS-B，實時飛行數(shù)據(jù)，航跡沖突，滾動預(yù)警，飛行安全

0 引言

飛行安全是航空界永恒的主題。為了提高飛行安全，減少飛行事故，有效的辦法集中在如下兩個方面：①從飛行機組內(nèi)因出發(fā)，通過人員培訓(xùn)和科學管理，使飛行人員在主觀上實施規(guī)范操作［1］；②通過技術(shù)進步，例如在飛機上安裝安全警告設(shè)備，監(jiān)控關(guān)鍵飛行狀態(tài)并給出警告提示，提醒飛行員及時發(fā)現(xiàn)并正確處置危險、減少飛行事故［2］。但目前在飛行安全實時監(jiān)控，預(yù)警方面依然較為薄弱；目前實時監(jiān)控采用的ACARS報文數(shù)量稀疏、航跡點分布不均勻、完備性有待提高，同時時延約為5 s-20 s，遠遠不能達到危險操作秒級檢測并提前預(yù)警的需求［3，8］。與ACARS數(shù)據(jù)鏈相比，S模式ADS-B數(shù)據(jù)鏈不依賴地面雷達網(wǎng)絡(luò)，具備更強的巴拿馬，實時性、靈活性。通過相應(yīng)軟硬件配置，能夠傳送監(jiān)視任何所需的信息［4-5,8］。

本文探討利用S模式ADS-B數(shù)據(jù)鏈，監(jiān)控飛行狀態(tài)；結(jié)合飛行動力學仿真，對飛行航跡沖突可能進行滾動預(yù)測并告警。從而避免和解除沖突，保證最小飛行間隔，提高飛行安全。

1 基于ADS-B的滾動預(yù)警基本方法

1.1 基于ADS-B故障診斷體系

與ACARS報文相比，ADS-B實時性極強，位置消息和速度消息每0.4 s～0.6 s更新一次，且通過相應(yīng)軟硬件配置實現(xiàn)對任何所需信息的廣播［4］。本節(jié)探討基于ADS-B數(shù)據(jù)鏈的強實時性，在有效傳輸所需數(shù)據(jù)前提下，把機上和地面信息處理變?yōu)橐粋€有機整體，以地面強大的處理能力和數(shù)據(jù)融合處理方式，彌補機載設(shè)備數(shù)據(jù)處理、信息融合和綜合診斷能力的不足?；诳盏財?shù)據(jù)鏈的近實時綜合故障診斷體系主要包括機載和地面兩部分，如圖1所示。

圖1 ADS-B技術(shù)故障診斷

該體系采用由兩個層次組成：最底層的成員級診斷層位于飛機上；系統(tǒng)級綜合診斷層則位于地面。利用空地數(shù)據(jù)鏈技術(shù)，成員級輸出的各類實時飛行參數(shù)、異常信息、告警信息在數(shù)秒內(nèi)傳輸?shù)降孛?，地面對多架飛機的多樣本、實時數(shù)據(jù)進行比對、融合，以及進一步的故障隔離。

1.2 滾動預(yù)警過程

滾動預(yù)警是指整個預(yù)警任務(wù)沿時間軸滾動，對被監(jiān)控對象進行實時、在線的狀態(tài)估計、預(yù)測、危險識別及告警，每個滾動預(yù)警過程如圖2所示。①監(jiān)控對象一段時間內(nèi)的航跡，對當前狀態(tài)進行濾波估計；②預(yù)測其在一段時間內(nèi)的狀態(tài)和軌跡變化歷程；③分析、監(jiān)測潛在的不安全因素并預(yù)警；④空地聯(lián)合制定針對性的危險改出方式，進行管制。

設(shè)當前時刻為tk，監(jiān)控系統(tǒng)正處理tu-1，tu-1＜tk時刻根據(jù)原有預(yù)測軌跡所發(fā)現(xiàn)的警告序列。在tk時刻更新ADS-B消息后，由于態(tài)勢發(fā)生變化，重新預(yù)測軌跡并在tu更新警告序列，即在時域［tu，tu-1］內(nèi)監(jiān)控新的不安全因素；在更新點tu之前，處理原有的警告序列。監(jiān)控系統(tǒng)的計算時間為tu-tk。

圖2 滾動預(yù)警示意圖

1.3 滾動預(yù)警性能分析

滾動預(yù)警本質(zhì)上是由于無法預(yù)測未來無限時間內(nèi)，即全局狀態(tài)變化，只能通過預(yù)測有限時間內(nèi)飛機狀態(tài)變化，然后預(yù)警采取措施。這個滾動預(yù)警、管制的結(jié)果相對于全局來說是局部的、次優(yōu)的。

基于ADS-B的滾動預(yù)警體系，采用事件觸發(fā)滾動。本項目以ADS-B消息更新為最小時間單位T，以T的整數(shù)倍作為監(jiān)控窗口的觸發(fā)時間，即

理論上，新一輪滾動預(yù)警周期的觸發(fā)時間為

式中tp為關(guān)鍵事件發(fā)生的時刻，它意味著原有預(yù)測結(jié)果和調(diào)度方案的失效。某次預(yù)警結(jié)果制定的調(diào)度計劃所產(chǎn)生的效能可表示為

式中，表示時間段TP內(nèi)被執(zhí)行調(diào)度計劃序列產(chǎn)生的效能值；表示時間段TQ內(nèi)不被執(zhí)行調(diào)度計劃序列的效能值，它表示隨著窗口的滾動被放棄。整個預(yù)警過程中完成執(zhí)行的總效能為：

通過以上分析可以看出，預(yù)警結(jié)果越準確，原有的調(diào)度計劃序列就被保留，產(chǎn)生的總效能越大，這需要建立精準的預(yù)測模型，且預(yù)測時段必須受到限制。滾動觸發(fā)周期過大，系統(tǒng)反應(yīng)越遲鈍，性能就越差。因此，建立準確的預(yù)測模型，減小預(yù)測誤差，提高預(yù)測仿真頻率（N與T越?。到y(tǒng)總效能更大。

1.4 滾動更新流程

基于ADS-B技術(shù)的飛行狀態(tài)實時監(jiān)控過程中，所涉及的主要功能模塊、數(shù)據(jù)流和業(yè)務(wù)流程如圖3所示。

圖3 主要功能模塊及其數(shù)據(jù)流

圖3中，各模塊完成如下功能：

（1）報告匯總模塊根據(jù)接收的ADS-B消息，提供其他模塊可直接使用的ADS-B報告［7］；

（2）狀態(tài)估算模塊根據(jù)ADS-B提供的狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過濾波估算當前狀態(tài)量x，y，z，φ，θ，φ，p，q，r，V，α，β；

（3）根據(jù)飛機當前狀態(tài)，建立起小擾動線性方程組，通過求逆，建立飛機當前狀態(tài)的逆動力學模型；

（4）逆動力學模型根據(jù)輸入的狀態(tài)量，輸出δT，δa，δe，δr，等操作量；

（5）當前統(tǒng)計模型假設(shè)在下一次收到廣播消息前，即時段［tk，tk+1］飛行員的操作服從當前統(tǒng)計模型；

（6）動力學模型根據(jù)飛機當前狀態(tài)、飛行員當前操縱、意圖信息報，計算一段時間［tk，tf］內(nèi)飛機狀態(tài)變化歷程。

2 ADS-B航跡預(yù)測

航跡預(yù)測采用蒙特卡羅仿真方法模擬飛行過程，對狀態(tài)變化進行預(yù)測。該方法的基本原理是［6］：利用各種不同分布隨機變量的抽樣序列模擬實際系統(tǒng)，給出問題數(shù)值解的漸近統(tǒng)計估計值。利用蒙特卡羅方法模擬要解決兩個關(guān)鍵問題：①確定隨機變量及其概率密度函數(shù)；②產(chǎn)生隨機數(shù)并再現(xiàn)隨機變量的概率分布情況。采用蒙特卡洛方法對當前統(tǒng)計模型仿真的步驟，如圖4所示。

（1）獲取飛機當前時刻tk位置、姿態(tài)、速度、角速度等狀態(tài)參數(shù)，并通過逆仿真更新輸入數(shù)據(jù)δk；

（2）若時間tk+1超出tf，終止仿真過程，否則進入第（3）步；

（4）隨機抽樣抽樣方法：將δk的領(lǐng)域分成N個區(qū)間，每個區(qū)間內(nèi)概率分布值均等；

（5）在每個δk的領(lǐng)域區(qū)間內(nèi)隨機采樣，然后使用飛行動力學仿真模型計算時間段（tk，tk+1］內(nèi)狀態(tài)變化時間歷程；

（6）進入步驟（1），進行下一時段（tk+1，tk+2］仿真。

圖4 仿真步驟

圖5 仿真曲線族示意圖

圖5中的預(yù)測軌跡族中，每條軌跡的準確概率是由操作輸入在時域上的準確概率所決定。蒙特卡羅仿真方法就是從當前值領(lǐng)域內(nèi)隨機取值，任一取值的概率相等，即任一航跡段隨機出現(xiàn)的概率也是相等的。因此，蒙特卡羅仿真方法每條軌線自身的準確度轉(zhuǎn)換為空間上的準確度?；舅枷刖褪牵弘m然每條軌跡都可能不是飛機未來飛行的真實軌跡，但根據(jù)統(tǒng)計學理論，飛機真實軌跡必然從這個預(yù)測軌跡族所形成的空間管路中產(chǎn)生，且預(yù)測軌跡越密集的區(qū)域，與真實航跡吻合度越大。

3 基于預(yù)測航跡的航跡沖突預(yù)警

本節(jié)采用預(yù)測模式對航跡沖突進行預(yù)警，核心思想就是根據(jù)飛機當前的飛行信息，對其在將來一段時間內(nèi)可能飛行的軌跡族進行預(yù)測，基于此對將來可能發(fā)生的沖突危險提前告警，可提前提醒機組做好避讓準備，提高飛機飛行的安全性。

一般而言，需要對10 min～20 min內(nèi)可能存在的沖突進行預(yù)警，由上節(jié)可知，采樣蒙特卡羅仿真方法進行1 000步量級計算是一個計算爆炸過程。因此，在對多架飛機進行飛行監(jiān)控，不可能完成對每架飛機整個RNP航路進行仿真，并判斷飛機之間間距是否小于規(guī)定值。為此，本節(jié)采用如圖6所示的方法：

圖6 沖突探測及預(yù)警流程

（1）對每架飛機，預(yù)測10次仿真過程內(nèi)，飛行意圖是否與預(yù)測軌跡相吻合；

（2）如果吻合，則進入第（4）步；

（3）如果不吻合，則對120步仿真內(nèi)目標飛機的軌跡進行仿真，預(yù)測沖突及撞地等危險；

（4）根據(jù)飛機預(yù)測航跡段進行粗過濾，濾掉明顯不可能發(fā)生沖突的情況。原理是使用基于飛行意圖的沖突預(yù)警方法，判斷不同飛機的各個航跡段在空間上是否交疊［1，4］。如果交疊，進入第（5）步；否則結(jié)束；

（5）繼續(xù)采用沖突預(yù)警方法，對具有潛在沖突可能的航跡段，精確預(yù)測120步內(nèi)是否存在沖突［3，7］。

4 仿真實例

對飛機定速巡航過程進行仿真預(yù)測。初始狀態(tài)：高度5 507.5 m，經(jīng)度102.592 8°，維度29.634 87°，速度V=386 km/h，姿態(tài)角度［φ,θ,ψ］T=［0.36°2.34°-153. 59°］T，角速度［p，q，r］T=［-0.21°/s-0.17°/s0.32°］T，油門及舵量［δT，δa，δe，δr］T=［50.8°0.82°-1.7°0.32°］T。

圖7 定速巡航過程仿真預(yù)測結(jié)果

圖7中，粗黑線為真實數(shù)據(jù)，紅色線為預(yù)測值。仿真結(jié)果表明，飛機的真實飛行軌跡位于預(yù)測曲線族所形成的區(qū)域內(nèi)，一定程度上反映了仿真模型的有效性。圖中，預(yù)測曲線族沒有經(jīng)過圖中所設(shè)定的藍色區(qū)域，若該區(qū)域表示某一障礙物，預(yù)測結(jié)果表明，飛機不會與該障礙物發(fā)生沖突；若該區(qū)域表示一條RNP飛行區(qū)域，仿真結(jié)果則表明，飛機的飛行意圖與此RNP不吻合。

5 結(jié)束語

本文將基于ADS-B廣播消息的航跡沖突預(yù)測及告警方法，歸結(jié)為滾動預(yù)警問題，從本質(zhì)上闡述了該方法的基本思想、監(jiān)控性能，建立了基于ADS-B消息的滾動更新流程。給出了一種蒙特卡羅仿真方法和當前統(tǒng)計模型相結(jié)合的仿真預(yù)測方法，該方法利用蒙特卡羅采樣的隨機性多次仿真，得到一個預(yù)測航跡族，空間區(qū)域內(nèi)這些隨機航跡段的數(shù)量反映未來民航飛機飛經(jīng)該區(qū)域的概率。該方法可拓展用于意圖驗證、沖突預(yù)警、失速螺旋預(yù)警、重著陸預(yù)警等諸多方面。

［1］王天明.基于QAR數(shù)據(jù)的飛行安全模型研究［D］.天津：中國民航大學，2008.

［2］謝進一，石麗娜.空中交通管理基礎(chǔ)［M］.北京：清華大學出版社,2012.

［3］王天明.基于QAR數(shù)據(jù)的飛行安全模型研究［D］.天津：中國民航大學，2008.

［4］姚姣.ADS-B監(jiān)視功能的性能研究和仿真［D］.成都：電子科技大學，2010.

［5］王強，施紅，胡明朗.基于ADS-B飛行安全實時監(jiān)控及半物理測試平臺［J］.計算機測量與控制，2015,23（1）：27-30.

［6］徐鐘濟.蒙特卡洛方法［M］.上海：上?？茖W技術(shù)出版社，1985.

［7］胡曼.基于ADS-B的飛行航跡處理與濾波［D］.成都：電子科技大學，2012.

［8］施紅.基于ADS-B飛行安全實時監(jiān)控及預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.西安：空軍工程大學，2014.

Study on Rotative Warning of Flight Track Conflict Based on Real-Time Flight Data

WANG Kai-lun1，WANG Qiang1，SHI Hong1，XU Jie2，HU Ming-lang2
（1.Equipment Management&Safety Engineering College，Air Force Engineering University，Xi’an 710038，China；
2.PLA Military Representative Office at 783，Mianyang 621000，China）

In consideration of the strong real time properties of ADS-B broadcasting messages in civil aviation，a rotative warning technique based on these messages for flight track conflict is proposed in this paper.It is a simulation prediction technique that combines Monte Carlo simulation and current statistics model.Random multiple simulations that use Monte Carlo sampling produce a predicted flight track family；the quantity of these random flight track segments in a spatial zone represents the probability that the aircrafts may fly through this zone in the future.This technique may be applied to intention confirmation，conflict warning,stalled spiraling warning,and hard landing，etc.This technique is then exemplified by aircraft flight track conflict probability computation and the simulation results confirm the validity of this technique.

ADS-B，real-time flight data，flight track conflict，rotative warning，flight safety

TP73

A

1002-0640（2015）12-0119-04

2015-02-15

2015-03-01

王凱倫（1991-），男，北京人，碩士研究生。研究方向：裝備維修管理。