機(jī)載間隔管理技術(shù)研究及實(shí)現(xiàn)

章學(xué)鋒 馮濤

摘 要 本文簡(jiǎn)要介紹了機(jī)載間隔管理的工作原理，描述了機(jī)載間隔管理的關(guān)鍵技術(shù)及其系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法，并通過(guò)半物理仿真方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了初步測(cè)試，驗(yàn)證了機(jī)載間隔管理系統(tǒng)的技術(shù)能力，表明了機(jī)載間隔管理實(shí)現(xiàn)的可行性，最后指出機(jī)載間隔管理在當(dāng)前階段下的現(xiàn)實(shí)意義，也是未來(lái)空中航行管理的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞 機(jī)載間隔管理；飛行安全；沖突探測(cè)

前言

空中間隔管理最基本的方法是飛行規(guī)則和地面ATC人員的管制指揮。當(dāng)因管制員指揮失誤、管制設(shè)備故障等各種原因?qū)е嘛w行出現(xiàn)了沖突碰撞危險(xiǎn)時(shí)，空中交通防撞系統(tǒng)TCAS將發(fā)揮作用，提前發(fā)出預(yù)警并在最后階段給出碰撞解脫咨詢，確保飛機(jī)及時(shí)調(diào)整飛行高度以避免碰撞。TCAS是戰(zhàn)術(shù)級(jí)的防撞手段，具有典型的“應(yīng)急”、“緊急”特征，不具備靈活性，無(wú)法支持飛行員靈活飛行的咨詢建議和管理。

機(jī)載間隔管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)基于ADS-B技術(shù)的空中沖突管理（沖突檢測(cè)、沖突預(yù)警、沖突解脫），可以在較大范圍內(nèi)給出沖突預(yù)警，支持自主間隔保障，極大程度上支撐飛行靈活性的需要。系統(tǒng)成本低，可以實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)行TCAS的兼容。

1 機(jī)載間隔管理技術(shù)

1.1 基本原理及關(guān)鍵技術(shù)

在實(shí)際處理中，根據(jù)飛機(jī)的速度、航向和三維位置建立以時(shí)間間隔和空間間隔結(jié)合的沖突區(qū)域，包括沖突避免區(qū)（CAZ）和保護(hù)間隔區(qū)（PAZ）。沖突檢測(cè)的方法是通過(guò)計(jì)算兩架飛機(jī)在未來(lái)一定時(shí)間段內(nèi)是否存在PAZ/CAZ區(qū)域相互交疊的可能性，以及保護(hù)區(qū)域相互交疊的時(shí)間等信息來(lái)判斷沖突的可能和危險(xiǎn)級(jí)別，提出的沖突解決措施不能產(chǎn)生新的沖突狀況[1]。TCAS系統(tǒng)能夠在飛機(jī)之間出現(xiàn)沖突危險(xiǎn)后給出解決措施，機(jī)載間隔管理系統(tǒng)要完成“事后”，還要在“事前”即出現(xiàn)威脅之前就能預(yù)測(cè)到?jīng)_突的發(fā)生，進(jìn)而提出避免的方法。

1.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法

（1）信息融合方法

基于多源監(jiān)視信息的差異性，采用局部最優(yōu)結(jié)合最后的全局最優(yōu)估計(jì)的信息融合方法。子系統(tǒng)1到N分別與主系統(tǒng)由局部濾波器1到N進(jìn)行組合，完成局部最優(yōu)狀態(tài)估計(jì)。這一層是并行處理的分散最優(yōu)估計(jì)，是基于測(cè)量空間的分散化估計(jì)，經(jīng)過(guò)局部最優(yōu)估計(jì)后再由全局濾波器進(jìn)行融合，以獲得組合導(dǎo)航和監(jiān)視系統(tǒng)的全局最優(yōu)融合估計(jì)。

對(duì)于線性離散系統(tǒng)，若由N個(gè)局部濾波器得到的狀態(tài)估計(jì)為，假設(shè)局部估計(jì)不相關(guān)，相應(yīng)的估計(jì)誤差方差為，則全局最優(yōu)估計(jì)為：

（2）沖突檢測(cè)方法

①水平方向侵入保護(hù)區(qū)。當(dāng)垂直速度為零時(shí)，如果將有沖突發(fā)生，垂直方向上已處于保護(hù)區(qū)內(nèi)，同時(shí)水平方向上進(jìn)入保護(hù)區(qū)。為本機(jī)與目標(biāo)機(jī)在水平面上的相對(duì)位置，為相對(duì)速度水平方向分量，假設(shè)本機(jī)為坐標(biāo)中心，則目標(biāo)機(jī)在秒后的位置為。這里和均是水平方向上的二維向量。設(shè)

在檢驗(yàn)是否有沖突時(shí)，需要判斷的是判別式是否大于零。所以只需計(jì)算是否大于零。

②垂直方向侵入保護(hù)區(qū)。如果垂直速度不為零，需要考慮目標(biāo)飛機(jī)從水平方向和垂直方向侵入本機(jī)保護(hù)區(qū)的時(shí)間。垂直方向侵入保護(hù)區(qū)的時(shí)間為：

（3）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)空中間隔管理功能，系統(tǒng)與本地信息源GPS、氣壓高度編碼表、ADS-B機(jī)載端機(jī)、TCAS和CDTI等設(shè)備交聯(lián)。其中，本地信息源為系統(tǒng)提供本地導(dǎo)航信息，包括飛機(jī)的位置、時(shí)間、水平速度和垂直速度等；ADS-B、TCAS、數(shù)據(jù)鏈等設(shè)備通過(guò)旁路輸入作用距離內(nèi)的目標(biāo)數(shù)據(jù)報(bào)告，提供周邊空域的交通態(tài)勢(shì)；CDTI接收系統(tǒng)提供的告警信息，當(dāng)檢測(cè)到?jīng)_突時(shí)顯示相關(guān)告警信息和解脫建議。系統(tǒng)組成及交聯(lián)關(guān)系如圖1所示。

1.3 仿真測(cè)試

通過(guò)系統(tǒng)主機(jī)結(jié)合模擬信息源和專用軟件仿真測(cè)試，對(duì)系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證，表明系統(tǒng)在仿真條件下的可行性。數(shù)據(jù)鏈模擬器軟件通過(guò)設(shè)置可產(chǎn)生和代替數(shù)據(jù)鏈設(shè)備發(fā)出UAT、1090ES等報(bào)文，模擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的真實(shí)數(shù)據(jù)[2]。利用Creator和Vega軟件配置輸入，仿真三級(jí)沖突檢測(cè)算法，根據(jù)算法計(jì)算結(jié)果表明在路徑交叉點(diǎn)周圍發(fā)生沖突，并給出相應(yīng)沖突級(jí)別、沖突時(shí)間和極坐標(biāo)位置。軟件仿真測(cè)試界面如圖2所示。

2 結(jié)論與展望

空中間隔管理系統(tǒng)在現(xiàn)階段下可以依賴ADS-B和TCAS數(shù)據(jù)源，并可結(jié)合TIS-B、S模式數(shù)據(jù)鏈等數(shù)據(jù)源，獲得高精度的目標(biāo)定位和交通態(tài)勢(shì)，從而支撐間隔保持和沖突避免。但仍然存在一些需要改善的問(wèn)題，如ADS-B數(shù)據(jù)的可用性、S模式數(shù)據(jù)鏈的更新速率等，這些問(wèn)題會(huì)影響對(duì)目標(biāo)精確定位的可靠性，給沖突檢測(cè)及解脫帶來(lái)誤差，從而影響飛行安全，抑制飛行靈活性。

參考文獻(xiàn)

[1] 張軍.現(xiàn)代空中交通管理[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2005：112-114.

[2] 杜萬(wàn)營(yíng)，陳惠萍.ADS-B監(jiān)視技術(shù)在空中交通服務(wù)中的應(yīng)用研究[J].中國(guó)民航大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28（6）：23-28.