基于管制指令的中期沖突告警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

談 江

（民航湖南空管分局，長(zhǎng)沙 410137）

0 引言

隨著航班的持續(xù)增長(zhǎng)，民航空域的流量密度越來(lái)越大，出現(xiàn)航班沖突的情況越來(lái)越多，使得管制員工作強(qiáng)度變大，指揮調(diào)配難度提高，容易造成由人為失誤引起的安全隱患。因此，空管自動(dòng)化系統(tǒng)能否提供可靠的沖突告警 （Confilict Alert）功能成為管制員能否及早發(fā)現(xiàn)可能存在危險(xiǎn)的關(guān)鍵一環(huán)，而傳統(tǒng)的短期沖突告警（Short-term Conflict Alert，STCA）已經(jīng)無(wú)法給管制員足夠的沖突調(diào)整余量。因此，業(yè)內(nèi)對(duì)中期沖突探測(cè)（Mid-term Conflict Detection，MTCD）進(jìn)行了廣泛研究。MTCD與現(xiàn)有管制中心系統(tǒng)的STCA相比，沖突探測(cè)時(shí)間提前到20～30 min，能夠有效保證飛行安全、提高空域利用，因此引起日益廣泛的關(guān)注[1]。歐美的空管系統(tǒng)均有此功能，國(guó)內(nèi)在這方面的研究也正處于積極進(jìn)行階段[2]。當(dāng)前，主流的探測(cè)方法主要有概率型中期沖突探測(cè)方法以及非概率型中期沖突探測(cè)方法[3]。概率型中期沖突探測(cè)方法最典型的代表是Prandini隨機(jī)化算法和Paielli近似解析算法[4]；非概率型中期沖突探測(cè)算法最典型的代表是歐洲幾何型中期沖突探測(cè)算法。概率型中期沖突探測(cè)方法由于計(jì)算量大和計(jì)算過(guò)程復(fù)雜而不適合應(yīng)用于實(shí)時(shí)探測(cè)系統(tǒng)中；歐洲幾何算法在軌跡預(yù)測(cè)上考慮要素較少，但計(jì)算告警虛警率較高。本文根據(jù)實(shí)際的航路飛行情況，在充分考慮雷達(dá)探測(cè)誤差和管制指令高度（也稱(chēng)當(dāng)前許可高度層，Current Cleared Flight Level，CFL）對(duì)飛行剖面計(jì)算的影響基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于管制指令的中期沖突探測(cè)系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1 實(shí)現(xiàn)方法與總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用基于C#語(yǔ)言的C/S架構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)搭建。系統(tǒng)主要分為數(shù)據(jù)接收解析模塊、中期沖突探測(cè)模塊和顯示模塊。數(shù)據(jù)接收解析模塊主要在服務(wù)端程序使用異步UDP實(shí)時(shí)接收并解析自動(dòng)化系統(tǒng)的綜合航跡信息Cat062數(shù)據(jù)[5]和MHT4029.3[6]飛行計(jì)劃信息，融合跟蹤處理數(shù)據(jù)生成并更新航班動(dòng)態(tài)列表；中期沖突探測(cè)模塊則實(shí)時(shí)探測(cè)所有航跡對(duì)是否滿(mǎn)足告警條件，同時(shí)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)識(shí)別與航空器高度、航向、航路等航行諸元相關(guān)的管制指令，對(duì)管制意圖和飛行執(zhí)行進(jìn)行監(jiān)督，并能對(duì)危及飛行安全的操作或指令進(jìn)行輔助性提醒、告警、糾錯(cuò)，將航跡的相關(guān)信息通過(guò)組播方式發(fā)送至客戶(hù)端程序；顯示模塊主要在客戶(hù)端接收服務(wù)端發(fā)送的航跡對(duì)信息，在基于GIS的HMI客戶(hù)端創(chuàng)建航跡目標(biāo)或更新目標(biāo)狀態(tài)，最終對(duì)告警置位的航跡對(duì)進(jìn)行沖突連線(xiàn)和航跡紅色顯示。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 關(guān)鍵模塊及算法

2.1 數(shù)據(jù)融合跟蹤處理

系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合跟蹤處理模塊通過(guò)異步UDP協(xié)議實(shí)時(shí)接收空管自動(dòng)化系統(tǒng)（ATC）發(fā)送的Cat062綜合航跡數(shù)據(jù)和MHT4029.3飛機(jī)計(jì)劃信息，并分別按照Asterix Cat062數(shù)據(jù)格式定義和《MHT4029.3-2015》數(shù)據(jù)格式定義分別進(jìn)行數(shù)據(jù)項(xiàng)的分解，提取出主要信息，包括目標(biāo)的航跡號(hào)、航班號(hào)、二次代碼、位置、高度、速度、航向、上升率、CFL、扇區(qū)等，并按照自定義多邊形告警區(qū)（外擴(kuò)管制區(qū)）進(jìn)行目標(biāo)過(guò)濾，將位置在告警區(qū)的目標(biāo)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝，根據(jù)航班號(hào)主鍵進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。最終，系統(tǒng)將最新目標(biāo)航跡位置變化采用改進(jìn)的卡爾曼濾波方法來(lái)線(xiàn)性遞推獲得系統(tǒng)位置的最佳估計(jì)，即對(duì)同一個(gè)目標(biāo)位置進(jìn)行平滑跟蹤處理。

目標(biāo)航跡跟蹤處理包括新航跡目標(biāo)的生成、已存在航跡目標(biāo)的更新和出區(qū)域或落地目標(biāo)從動(dòng)態(tài)列表刪除。該系統(tǒng)判定最新接收到的目標(biāo)屬性信息與動(dòng)態(tài)列表中某個(gè)航跡目標(biāo)是否為同一航空器，則認(rèn)為此次收到的目標(biāo)信息為此航跡目標(biāo)的更新信息，系統(tǒng)將在動(dòng)態(tài)列表更新；否則系統(tǒng)將根據(jù)此次目標(biāo)信息在動(dòng)態(tài)列表創(chuàng)建一個(gè)新的航跡目標(biāo)；此外，為了避免從告警區(qū)飛出去和落地的目標(biāo)信息對(duì)告警計(jì)算的影響，系統(tǒng)建立目標(biāo)刪除機(jī)制，通過(guò)判斷2個(gè)周期內(nèi)目標(biāo)不更新后從動(dòng)態(tài)列表中刪除。流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)航跡融合跟蹤處理模塊流程圖

系統(tǒng)采用卡爾曼濾波方法建立了綜合航跡跟蹤模型，對(duì)空中目標(biāo)航跡進(jìn)行濾波，減少雷達(dá)量測(cè)噪聲的不穩(wěn)定變化對(duì)系統(tǒng)跟蹤性能的影響。經(jīng)過(guò)濾波后的位置和速度誤差仍然趨于穩(wěn)定。該方法具有較好的濾波性能及跟蹤精度，并可以提高空中目標(biāo)航跡預(yù)測(cè)的精確性。

式中：X(k |k-1)為利用上一狀態(tài)預(yù)測(cè)的結(jié)果；X(k -1|k-1)為上一狀態(tài)最優(yōu)的結(jié)果；U(k)為現(xiàn)在狀態(tài)的控制量。

式中：P(k |k-1)為X(k |k-1)對(duì)應(yīng)的協(xié)方差，P(k -1|k-1)為X(k |k-1)對(duì)應(yīng)的協(xié)方差，AT為A的轉(zhuǎn)置矩陣。

式中：I為單位矩陣，對(duì)于單模型單測(cè)量，I=1。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入k+1狀態(tài)時(shí)，P(k |k)就是式（2）的P(k -1|k-1)。

2.2 中期探測(cè)模型及算法

系統(tǒng)的中期告警模塊計(jì)算是由定時(shí)程序觸發(fā)的，每個(gè)定時(shí)周期（1 s）都會(huì)通過(guò)循環(huán)遍歷動(dòng)態(tài)列表中所有航跡進(jìn)行兩兩中期告警計(jì)算，總共遍歷次數(shù)為n×（n-1）/2，若空域中目標(biāo)數(shù)量較大，必將影響程序計(jì)算的效率。為此，系統(tǒng)在進(jìn)入告警模塊計(jì)算之前，判斷“至少1個(gè)處于管制狀態(tài)”濾除用戶(hù)不關(guān)心的目標(biāo)（如兩兩高空目標(biāo)和兩兩管制區(qū)外的目標(biāo)等）來(lái)提高程序計(jì)算效率。通過(guò)“至少1個(gè)具有CFL”條件分別進(jìn)入中期告警和指令糾錯(cuò)模塊進(jìn)行過(guò)濾，分別判斷是否滿(mǎn)足相應(yīng)中期告警和指令糾錯(cuò)模塊條件來(lái)進(jìn)行航跡對(duì)置告警位置位或置0，最后把動(dòng)態(tài)列表目標(biāo)信息通過(guò)組播方式發(fā)送出去。流程圖如圖3所示。

圖3 中期告警模塊流程圖

2.2.1 航空器保護(hù)區(qū)模型及中期沖突界定

飛行沖突就是檢測(cè)的飛行器在預(yù)測(cè)時(shí)間范圍內(nèi)與其他某個(gè)特定目標(biāo)水平和垂直間距均小于所規(guī)定的最小安全間隔[7]。在軟件設(shè)計(jì)上，目標(biāo)最終是列表中的具體對(duì)象，程序只能針對(duì)一個(gè)具體目標(biāo)進(jìn)行操作，因此這種檢測(cè)可以轉(zhuǎn)換為具體目標(biāo)的保護(hù)區(qū)設(shè)計(jì)，通過(guò)基于間距參數(shù)的保護(hù)區(qū)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)只需要檢測(cè)當(dāng)前目標(biāo)的保護(hù)區(qū)是否被其他目標(biāo)入侵即可。該系統(tǒng)采用圓柱體建立空中航空器目標(biāo)的保護(hù)區(qū)，圓柱體保護(hù)區(qū)模型是在長(zhǎng)方體保護(hù)區(qū)模型與Reich模型基礎(chǔ)上，通過(guò)改進(jìn)發(fā)展而來(lái)，以航空器重心為圓柱體的中心；在水平方向上，以最小安全間隔S為圓柱體保護(hù)區(qū)模型的半徑；在垂直方向上，以?xún)杀洞怪卑踩g隔2H為圓柱體模型的高，建立航空器保護(hù)區(qū)，如圖4所示。

空中目標(biāo)的沖突界定就是當(dāng)有任意航空器進(jìn)入到另一架航空器的保護(hù)區(qū)范圍時(shí)（即兩架航空器保護(hù)區(qū)重疊），則此兩架航空器存在飛行沖突，如圖5所示。

圖4 圓柱體保護(hù)區(qū)

圖5 沖突模型

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)管制用戶(hù)需求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中期沖突告警的判別如下：目標(biāo)在同高度（高度差小于270 m），沖突預(yù)警判斷條件有以下情況（系統(tǒng)提供了相應(yīng)的用戶(hù)交互功能，參數(shù)可配置）。

（1）未來(lái)8 min內(nèi)間隔將小于28 km，則報(bào)警。

（2）未來(lái)5 min內(nèi)間隔將小于28 km，則報(bào)警。

（3）未來(lái)3 min內(nèi)間隔將小于28 km，則報(bào)警。

（4）未來(lái)1 min內(nèi)間隔將小于28 km，則報(bào)警。

與此同時(shí)，為了降低虛警率，系統(tǒng)提供了沖突預(yù)警判斷過(guò)濾，具體標(biāo)準(zhǔn)如下。

（1）間隔大于28 km，沒(méi)有減小趨勢(shì)，不用報(bào)警。

（2）航向差在135°～225°，沒(méi)有減小趨勢(shì)，且間隔大于10 km，不用報(bào)警。

在指令糾錯(cuò)方面，當(dāng)管制用戶(hù)發(fā)送飛機(jī)調(diào)整高度指令CFL[7]，首先觸發(fā)該模塊通過(guò)對(duì)比Cat062數(shù)據(jù)中FSS(Final State Selected Altitude age)[7]字段與CFL差值小于60 m來(lái)判斷機(jī)組是否執(zhí)行管制指令；然后計(jì)算在限定保護(hù)區(qū)（飛機(jī)當(dāng)前高度到CFL的高度范圍）270 m，且1 min、3 min、5 min、8 min內(nèi)可能小于28 km，則告警；最后判斷計(jì)算在限定CFL高度穿越區(qū)（飛機(jī)A的MFL（飛機(jī)實(shí)際高度）、CFL與飛機(jī)B的MFL和CFL存在高度區(qū)間沖突），且1 min、3 min、5 min、8 min內(nèi)可能小于28 km，則告警。另外，當(dāng)目標(biāo)高度發(fā)生變化超過(guò)60 min，且變化的趨勢(shì)與CFL高度不一致，也認(rèn)為目標(biāo)錯(cuò)誤執(zhí)行了指令。

2.2.2 基于WGS84坐標(biāo)系的目標(biāo)距離計(jì)算及目標(biāo)預(yù)測(cè)

WGS84坐標(biāo)系是當(dāng)前空管自動(dòng)化系統(tǒng)采用的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系，基于綜合航跡分析處理的該系統(tǒng)要探測(cè)兩個(gè)目標(biāo)是否存在沖突，必須基于WGS84坐標(biāo)系計(jì)算兩個(gè)目標(biāo)的當(dāng)前距離和預(yù)測(cè)距離。

（1）基于WGS84坐標(biāo)系的目標(biāo)之間距離計(jì)算方法

基于WGS84坐標(biāo)系的目標(biāo)之間距離計(jì)算當(dāng)前主流的方法有通過(guò)Haversine公式和通過(guò)Great-circle distance公式，其中Great-circle distance公式用到了大量余弦函數(shù)，而兩點(diǎn)間距離較近（比如地球表面上相距幾百米的兩點(diǎn)），算法會(huì)引入較大的舍入誤差。而Haversine公式采用了正弦函數(shù)，即使距離很小，也能保持足夠的有效數(shù)字。因此本系統(tǒng)采用Haversine公式。

式中：R為地球半徑，可取平均值6 371 km；φ1， φ2為兩點(diǎn)的緯度；Δλ為兩點(diǎn)經(jīng)度的差值。

（2）基于WGS84坐標(biāo)系的目標(biāo)預(yù)測(cè)

已知點(diǎn)A的經(jīng)緯度及與點(diǎn)B距離和方位角，求點(diǎn)B經(jīng)緯度。

式中：Aj為點(diǎn)A的經(jīng)度；Aw為點(diǎn)A的緯度；L為點(diǎn)A與點(diǎn)B的距離；R為地球半徑； β為點(diǎn)B相對(duì)于點(diǎn)A的方位角；Bw為點(diǎn)B的緯度；Bj為點(diǎn)B的經(jīng)度。

2.3 基于GIS顯示模塊設(shè)計(jì)

客戶(hù)端程序采用UDP程序接收服務(wù)端組播數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)解析后在基于GMAP.NET開(kāi)源項(xiàng)目的GIS動(dòng)態(tài)雷達(dá)航跡顯示程序在顯示雷達(dá)目標(biāo)。客戶(hù)端程序顯示分動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)顯示和靜態(tài)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)顯示，其中基于GMap.NET中的GMapMarker標(biāo)記類(lèi)重載了GMapMarkerTrack雷達(dá)目標(biāo)類(lèi)，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)顯示雷達(dá)航跡目標(biāo)信息和沖突告警信息。同時(shí)，系統(tǒng)基于GMap.NET中的GMapPolygon多邊形類(lèi)重新編寫(xiě)了GMapPolygonSector扇區(qū)類(lèi)，用于靜態(tài)顯示管制扇區(qū)，基于GMap.NET中的GMapRoute多邊形類(lèi)重新編寫(xiě)了GMapRouteLine航線(xiàn)類(lèi)，實(shí)現(xiàn)了在地圖上靜態(tài)顯示航路航線(xiàn)報(bào)告點(diǎn)等。

為了區(qū)分態(tài)勢(shì)顯示的功能及屬性，系統(tǒng)采用藍(lán)色箭頭顯示位置正常雷達(dá)航跡位置，箭頭方向?yàn)槟繕?biāo)航向；當(dāng)有告警時(shí)，箭頭圖標(biāo)顏色變?yōu)榧t色并強(qiáng)制顯示雷達(dá)標(biāo)牌信息，沖突目標(biāo)之間采取沖突連線(xiàn)方式顯示，不同等級(jí)告警顏色不同。

圖6 客戶(hù)端程序圖

3 實(shí)際運(yùn)行測(cè)試

系統(tǒng)目前已經(jīng)在湖南空管管制現(xiàn)場(chǎng)使用，驗(yàn)證基于管制指令的中期沖突告警系統(tǒng)可行性與可靠性。通過(guò)一年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，湖南管制區(qū)域的扇區(qū)指揮飛機(jī)數(shù)量平均為1 366架/天。如表1所示，在系統(tǒng)使用之前，正常天氣情況下，管制員每天需要調(diào)配沖突數(shù)量平均為216次，雷雨臺(tái)風(fēng)等極端天氣情況下，管制員每天需要調(diào)配沖突數(shù)量平均為280次，每次沖突調(diào)配時(shí)間余度為1 min；使用之后，正常天氣情況下，管制員每天需要調(diào)配沖突數(shù)量減少至平均51次，雷雨臺(tái)風(fēng)等極端天氣情況下，管制員每天需要調(diào)配沖突數(shù)量減少至平均82次，每次沖突調(diào)配時(shí)間余度增大至8 min。調(diào)配余度時(shí)間是短期沖突調(diào)配時(shí)間余度的8倍，符合中期沖突的定義，實(shí)現(xiàn)了有效的中期沖突功能，可以有效地將沖突探測(cè)的時(shí)刻提前，在有效的時(shí)間余度下進(jìn)行沖突解脫，避免了較多的短期沖突，為管制用戶(hù)爭(zhēng)取了更多的處理時(shí)間與空間。由表可知，隨著環(huán)境的變化，極端天氣會(huì)導(dǎo)致飛行沖突的情況增加，這是由于人為管制因素使得航空器的機(jī)動(dòng)性變強(qiáng)（雷雨繞飛等情況），而分扇區(qū)的管制機(jī)制使得管制區(qū)域內(nèi)的航空器調(diào)配無(wú)法全局統(tǒng)籌。在使用該系統(tǒng)后，正常天氣下，沖突降低的比例為23.6%；極端天氣下，沖突降低的比例高達(dá)29.2%。這是由于極端天氣環(huán)境下，雖然航空器機(jī)動(dòng)狀態(tài)增多，但系統(tǒng)考慮了管制指令因素，因此在降低沖突告警處理方面有較好的性能體現(xiàn)。飛行沖突越多，人為管制因素越強(qiáng)，系統(tǒng)沖突探測(cè)的優(yōu)勢(shì)越明顯。

表1 基于管制指令的中期沖突告警系統(tǒng)使用效果對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套完整的中期沖突告警系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上，基于管制指令通過(guò)判斷潛在沖突提示管制指令是否正確。此系統(tǒng)更適用于復(fù)雜多變的空中交通環(huán)境下的航路中期沖突探測(cè)。設(shè)置合適的沖突預(yù)警閾值對(duì)減少誤報(bào)率和漏報(bào)率具有一定的意義。