飛機(jī)相遇模型仿真技術(shù)研究

張愛華

（天府新區(qū)通用航空職業(yè)學(xué)院，四川 眉山610222）

一些中心機(jī)場(chǎng)和其他繁忙空域中的飛機(jī)密度不斷增大，飛機(jī)之間的水平間隔和垂直間隔也隨之減小，飛機(jī)之間出現(xiàn)危險(xiǎn)匯聚飛行的情況時(shí)有發(fā)生。在這些危險(xiǎn)的情況中，兩機(jī)空中相撞問題值得關(guān)注。如今，很多國(guó)內(nèi)外的學(xué)者都在研究良好的機(jī)載防撞系統(tǒng)以保障飛機(jī)飛行安全，其中對(duì)TCASII 的研究最為廣泛[1]。目前，TCAS（Traffic Collision Avoidance System 空中防撞系 統(tǒng)） 系 統(tǒng) 有 四 種 類 型：TCASI、TCASII、TCASIII、TCASIV。TCASIII、TCASIV 停止研發(fā)，最新的TCASII 系統(tǒng)為TCASII Version7.1。大型飛機(jī)上裝有TCASII，而小型機(jī)、通用飛機(jī)等都無法裝上TCASII；TCASII 同時(shí)具備交通警戒信息和決策信息，可提供垂直避讓信息。在飛機(jī)的適用性上，TCASII 無法適用所有的飛機(jī)，其功能亦存在問題，無法改善，所以研制新型的空中防撞系統(tǒng)非常必要，常用的兩種手段：試飛與仿真；試飛所需成本很高，仿真為最佳手段。建立實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)，TCASII 為性能對(duì)比參照物，驗(yàn)證是否符合性能指標(biāo)并改進(jìn)優(yōu)化。

1 模型建立

避撞算法包含入侵監(jiān)視、威脅判定、避撞措施選擇、協(xié)調(diào)避撞等，本課題主要建立垂向上避撞模型及其算法，本機(jī)在垂直方向上選擇爬升、下降避撞措施，避撞前判定兩機(jī)是否存在威脅，判定是否存在威脅則要實(shí)時(shí)監(jiān)控兩機(jī)飛行狀態(tài)。

作為仿真平臺(tái)工具的仿真模型中包含了本課題的一些內(nèi)容，在其內(nèi)容上，多出研究其威脅判定條件，避撞措施選擇（爬升或下降），協(xié)調(diào)避撞等內(nèi)容。

1.1 技術(shù)路線

仿真平臺(tái)——相遇模型的技術(shù)路線為：

（1）研究ICAO、DO-185B 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；

（2）根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)相遇模型進(jìn)行需求分析；

（3）利用UML 建模，設(shè)計(jì)算法流程圖；

（4）利用MATLAB 編程；

（5）利用烏伯林空難對(duì)相遇模型進(jìn)行驗(yàn)證代碼有效性。

1.2 計(jì)算方法

圖1 為算法計(jì)算方法，根據(jù)ICAO 對(duì)于仿真平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)需求分析，已知CPA 點(diǎn)的時(shí)刻t=40s，CPA 點(diǎn)時(shí)兩機(jī)的高度、兩機(jī)水平距離、兩機(jī)的空速、兩機(jī)的升降速率、相遇角等基本參數(shù)，分為兩段得出兩機(jī)軌跡，1s～40s 的軌跡和40s～50s 的軌跡。

圖1 算法計(jì)算方法

2 仿真

2.1 CPA 點(diǎn)相對(duì)方位角確定

如圖5，假設(shè)為在水平面上本機(jī)與入侵機(jī)在CPA 的位置，以本機(jī)飛行方向?yàn)閅 軸。假設(shè)本機(jī)與入侵飛機(jī)在CPA 點(diǎn)作勻速直線飛行。本機(jī)在CPA 點(diǎn)時(shí)的航向角C0=0，C1 為目標(biāo)飛機(jī)在CPA 點(diǎn)時(shí)的航向角，V1本機(jī)在CPA 點(diǎn)時(shí)的空速，V2入侵飛機(jī)在CPA 點(diǎn)時(shí)的空速，LC本機(jī)與入侵機(jī)在CPA 時(shí)的相對(duì)距離，θC為本機(jī)與入侵機(jī)在CPA 時(shí)的相對(duì)方位角。相遇角β=C1-C0=C1。

圖2 水平面上CPA 點(diǎn)本機(jī)與入侵機(jī)的相對(duì)位置

2.2 舉例仿真[3]

建立相遇模型，首先需要討論兩機(jī)的相遇類型。從垂直面上，根據(jù)兩機(jī)在CPA 點(diǎn)前后是否平飛、機(jī)動(dòng)分為10 種相遇類型，從水平面上，以CPA 點(diǎn)為原點(diǎn)，以CPA 點(diǎn)本機(jī)AC1 航向?yàn)閅 坐標(biāo)，根據(jù)兩機(jī)在相遇過程中是否左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、加速、不加速，分為36 種類型[2]。

本文采用其中一個(gè)模型：垂直平面上：本機(jī)AC1 在CPA 點(diǎn)前后都平飛，高度呈減速上升狀態(tài)，入侵飛機(jī)在CPA 點(diǎn)前后都平飛，高度呈加速下降狀態(tài)。水平面上：本機(jī)作勻速右轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，入侵機(jī)作勻速直線運(yùn)動(dòng)。

仿真得出兩機(jī)在垂直面上以及水平面上的的軌跡，從中分析出：t=6s 時(shí)，兩機(jī)高度差小于1200ft；t>6s，兩機(jī)高度差<1200ft；t<6s，兩機(jī)高度差>1200ft；t=3s 時(shí)，兩機(jī)的水平距離為36354ft<36456ft；t>3s 時(shí)，兩機(jī)的水平距離<36456ft；t<3s 時(shí)，兩機(jī)的水平距離>36456ft。

結(jié)果為：t=6s 時(shí)，兩機(jī)發(fā)出TA；t=21s 時(shí)，兩機(jī)發(fā)出RA；t=40s，兩機(jī)collision。

2.3 驗(yàn)證

利用烏伯林空難對(duì)相遇模型進(jìn)行驗(yàn)證代碼有效性。

烏柏林根空難：AC1：巴航2937 號(hào)航班154 型客機(jī)（俄羅斯首都莫斯科飛往西班牙城市巴塞羅納）；

AC2：DHL611 號(hào)航班波音757-200SF 型貨機(jī)（意大利飛往布魯塞爾）。仿真如圖3 所示。

兩機(jī)水平方向以1300 公里時(shí)速接近，兩機(jī)水平速度幾乎相等，為650 公里每小時(shí)，t=1s 時(shí)，兩機(jī)處于同一高度，為35968ft。

t=40s 時(shí)，兩機(jī)相撞，AC1 的高度為34944ft，AC2 的高度為34944ft，兩機(jī)水平距離為0 海里。AC1 的升降速度為-1335ft/min，AC2 的升降速度為-2394ft/min，相遇角為60°。

t=5s 時(shí)，兩機(jī)相距6.99 海里，AC1 的升降速度為-160ft/min，AC1 開始轉(zhuǎn)彎，左轉(zhuǎn)20°，AC2 的高度為35968ft，AC2 的升降速度為0ft/min。兩機(jī)同時(shí)收到RA。AC2 下降。

t=7s 時(shí)，AC1 下降，升降速度-705ft/min。

從表1 和圖3 可以分析得出結(jié)論：算法得出數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)相差不大，圖形對(duì)比相差不大。

表1 兩機(jī)在[26s，40s]時(shí)間區(qū)間內(nèi)的高度差之比較

圖3 兩機(jī)在[26，40]時(shí)間區(qū)間內(nèi)軌跡與實(shí)際軌跡的比較

3 總結(jié)與展望

本文在RTCA DO-185A 的基礎(chǔ)上，分析了本機(jī)與入侵機(jī)的相遇情況，確定CPA 點(diǎn)，CPA 點(diǎn)方位角的確定是飛機(jī)相遇模型建立的一個(gè)重要的部分。利用MATLAB 平臺(tái)進(jìn)行仿真分析，得到飛機(jī)相遇軌跡，并利用烏柏林根空難驗(yàn)證相遇模型是否正確。研究結(jié)果分析說明，相遇模型可以滿足碰撞條件。