基于ADS—B的分類系統(tǒng)協(xié)調(diào)航路沖突解脫方法

李波 翟書穎 李茹 劉建都

摘 要：針對(duì)當(dāng)前航路沖突解脫方法不能有效實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)入侵飛機(jī)原始航路和沖突解脫航路避撞的問題，提出分類系統(tǒng)協(xié)調(diào)航路沖突解脫方法。首先根據(jù)沖突飛機(jī)間夾角的大小將沖突分為五類，然后對(duì)每一類的兩架沖突飛機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)協(xié)調(diào)沖突解脫，使每一架沖突飛機(jī)能同時(shí)與另一架飛機(jī)的原始航路和沖突解脫航路進(jìn)行有效沖突解脫。該沖突解脫方法原理清晰、行之有效。

關(guān)鍵詞：ADS-B；防撞；飛行沖突；沖突解脫

中圖分類號(hào)：TP39；V328.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2018）09-00-04

0 引 言

伴隨著低空空域的開放，通用航空將快速發(fā)展[1-2]。通用航空屬于劃定空域的自由飛行，飛行安全問題將愈加突出。進(jìn)入21世紀(jì)以來，飛機(jī)相撞事件屢屢發(fā)生，數(shù)據(jù)表明，90%以上的飛機(jī)相撞事故發(fā)生在低空空域，且大部分為通用航空[2]。

根據(jù)ATC規(guī)定，飛機(jī)方圓5海里（5海里≈9.26 km）、上下1 200 ft（1 200 ft≈366 m）為避撞區(qū)域，禁止其他航空器闖入，否則就有碰撞的可能，需要進(jìn)行避撞處理[2]。

ADS-B可提供位置、速度等信息，且工作范圍廣，基于ADS-B技術(shù)構(gòu)建的通用航空防撞系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)明顯?？梢越柚鶤DS-B在ATC規(guī)定的避撞區(qū)域外構(gòu)建保護(hù)區(qū)域，提前避撞[2-9]，

以增強(qiáng)避撞性能，如文獻(xiàn)[4]中介紹的5 min范圍內(nèi)保護(hù)區(qū)域避撞，文獻(xiàn)[2-3，5-6]中介紹的40～100海里范圍內(nèi)提前避撞，文獻(xiàn)[7]中介紹的5～40海里的保護(hù)區(qū)域避撞等。

保護(hù)區(qū)域范圍較大，對(duì)進(jìn)入該區(qū)域的入侵飛機(jī)應(yīng)先與本飛機(jī)進(jìn)行航路沖突檢測(cè)，只對(duì)有沖突的飛機(jī)進(jìn)行航路沖突解脫處理[2-3，5-7]。

有效的沖突解脫是避撞系統(tǒng)中的重要部分，也是研究難點(diǎn)和研究熱點(diǎn)，關(guān)于沖突解脫算法的研究很多，而關(guān)于ADS-B保護(hù)區(qū)內(nèi)航路沖突解脫的研究也有不少，如文獻(xiàn)[2-4，7-9]等都從不同方面、不同角度對(duì)航路沖突解脫的算法進(jìn)行了研究。

上述研究主要存在兩個(gè)突出問題：

（1）算法研究中常以入侵飛機(jī)航路不變或者入侵飛機(jī)協(xié)作避讓為前提進(jìn)行研究，因此，研究得到的算法也僅適用于該前提。實(shí)際上，通用航空可能存在各種情況，比如入侵飛機(jī)不進(jìn)行沖突解脫，保持航路不變，僅依靠本飛機(jī)避讓，而該協(xié)作避讓算法得到的本飛機(jī)航路可能與入侵飛機(jī)的原航路沖突；入侵飛機(jī)也可能進(jìn)行沖突解脫處理，使本飛機(jī)與入侵飛機(jī)之前的航路不再?zèng)_突，但卻與入侵飛機(jī)的解脫航路相

沖突。

（2）算法研究中常針對(duì)一種沖突情況進(jìn)行研究，所得的沖突解脫方法對(duì)所研究的沖突情況無疑是有效的，但考慮到航路沖突有多種情況，針對(duì)一種情況研究得到的沖突解脫算法一般都無法滿足其他情況，即一種沖突解脫算法一般無法有效對(duì)所有沖突進(jìn)行解脫。

在航路沖突中，絕大多數(shù)的沖突都是兩架飛機(jī)間的沖突，多架飛機(jī)同時(shí)沖突的情況少之又少。針對(duì)上述兩個(gè)突出問題，本文的重點(diǎn)在于兩架飛機(jī)的沖突問題，研究水平調(diào)整航向的沖突解脫算法，將沖突情況按沖突夾角分為5類進(jìn)行研究，在每一類中又根據(jù)位置關(guān)系對(duì)兩架飛機(jī)進(jìn)行編號(hào)，從系統(tǒng)總體角度分別求出各自有效的沖突解脫算法，使一架飛機(jī)進(jìn)行沖突解脫處理時(shí)既能實(shí)現(xiàn)有效解脫，使解脫航路與入侵飛機(jī)的原航路有效解脫，還能與入侵飛機(jī)的解脫航路有效解脫。

1 沖突解脫條件設(shè)定

航路沖突解脫方法主要包括在水平方向上調(diào)整飛行航向和飛機(jī)速度，在垂直方向上調(diào)整飛行高度[2-4，7-9]。

上述沖突解脫方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。調(diào)整飛行航向是實(shí)現(xiàn)航路沖突解脫的重要方法，也是通用航空中使用較多的方法，當(dāng)前對(duì)調(diào)整航向方法的研究最多。本文將只對(duì)通過調(diào)整航向單獨(dú)實(shí)現(xiàn)沖突解脫的方法進(jìn)行研究。

本文主要研究保護(hù)區(qū)域的航路沖突解脫問題，所以飛機(jī)空間區(qū)域只關(guān)注避撞區(qū)域（CAZ）和保護(hù)區(qū)域（PAZ），如圖1所示。

CAZ：采用ATC規(guī)定的避撞區(qū)域，即以本飛機(jī)為中心，水平面半徑為9.26 km（5海里），上下0.366 km（1 200 ft）的圓柱體區(qū)域。

PAZ：本區(qū)域的大小可根據(jù)需要由使用者設(shè)定，在本文研究中采用半徑為185 km（100海里）的圓球體作為ADS-B的工作范圍。

航路沖突即為一架飛機(jī)的航路在某時(shí)刻進(jìn)入另一架飛機(jī)航路中的CAZ區(qū)域。假定在某時(shí)刻通過航路沖突檢測(cè)得到兩架飛機(jī)在位置C（XC，YC，ZC）處沖突，此時(shí)，兩架飛機(jī)的位置分別為A（XA，YA，ZA）和B（XB，YB，ZB），其速度分別為VA（VXA，VYA，VZA）和VB（VXB，VYB，VZB），考慮到研究的是水平航向調(diào)整的沖突解脫問題，故將X和Y方向的航速統(tǒng)一表示為XY平面的航速，得到的速度分別為VA（VXYA，VZA）和VB（VXYB，VZB），這樣文中所提到的速度即為VXYA和VXYB。

沖突解脫時(shí)要求一方進(jìn)行沖突解脫處理，以完全實(shí)現(xiàn)沖突解脫，即使兩方都進(jìn)行沖突解脫也能實(shí)現(xiàn)，即沖突解脫航路不僅與入侵飛機(jī)的原航路不沖突，也與入侵飛機(jī)的沖突解脫航路不沖突。

沖突解脫時(shí)在保證有效進(jìn)行沖突解脫的前提下，為使調(diào)整算法趨優(yōu)避劣[10]，把握的原則是轉(zhuǎn)向次數(shù)應(yīng)盡可能的少，轉(zhuǎn)向角度盡可能的小，調(diào)整后航路盡可能短，而且通過調(diào)整航向?qū)崿F(xiàn)有效沖突解脫后都要回到原來的航路上。

2 沖突解脫方法

分析：此處是讓A繞行延時(shí)，讓B按照原始航路先通過沖突區(qū)；之后讓B通過繞行，從A的后面穿過，由于c值必然大于9.26，所以調(diào)整的航路不會(huì)與A的原始航路沖突，同樣，也不會(huì)與A的調(diào)整航路沖突。

2.3 60°≤θ<120°時(shí)航向調(diào)整方法

按圖5所示的位置關(guān)系設(shè)定兩飛機(jī)為A和B。

分析：因?yàn)榻?20°≤θ<180°，所以180°-θ≤60°，一般a值要遠(yuǎn)大于9.26，因此a-a · sin（180°-θ）>9.26可以認(rèn)為是成立的，也就是A沿垂直于B航路的方向航行可以提前穿過B航路，而與B不沖突。B沿設(shè)定的航路繞行到A后面航行，不會(huì)與A原航路沖突；由于B調(diào)整航路比原航路長(zhǎng)，因此不會(huì)與A調(diào)整航路沖突。

2.5 θ=180°時(shí)航向調(diào)整方法

指定初始Y坐標(biāo)值較小者為A，另一方為B，如圖7所示。

飛機(jī)A調(diào)整航向方法：向右轉(zhuǎn)向η，航行距離d，再向左轉(zhuǎn)向2η，航行距離d，向右轉(zhuǎn)向η，回到原來的航路上。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文根據(jù)沖突飛機(jī)在水平面航路的夾角大小將航路沖突情況分成五類，對(duì)每一類分別研究沖突解脫的調(diào)整航向方法，所給出的調(diào)整航向方法可以實(shí)現(xiàn)一方調(diào)整便有效避撞，且調(diào)整航向即可與入侵飛機(jī)的原航路有效避讓，還可與入侵飛機(jī)的調(diào)整航向航路有效避撞。論文中給出的避撞方法十分有效，但非最優(yōu)，如果將沖突情況進(jìn)一步細(xì)分為更多種類，對(duì)每一類研究調(diào)整航向方法，則會(huì)得到更優(yōu)的結(jié)果，如果調(diào)整航向結(jié)合調(diào)整速度和高度的方法，效果會(huì)更加顯著。

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