空管自動化系統(tǒng)CFL高度保護(hù)參數(shù)設(shè)置方法研究

席佳睿

中國民用航空華北地區(qū)空中交通管理局 北京 100621

引言

短期沖突告警（STCA）是空管自動化系統(tǒng)中重要的告警項之一，STCA告警是指當(dāng)航跡之間的水平和垂直間距同時小于或者在設(shè)定的告警時間內(nèi)將要同時小于設(shè)置的參數(shù)值時,系統(tǒng)產(chǎn)生的告警[1]。為了提高STCA告警在航空器垂直間隔告警計算中的精確性、合理性，需要考慮CFL高度保護(hù)參數(shù)的設(shè)置。目前空管自動化系統(tǒng)中CFL高度保護(hù)參數(shù)均為根據(jù)經(jīng)驗設(shè)定的固定值。但在復(fù)雜多變的實(shí)際運(yùn)行中，若CFL高度保護(hù)參數(shù)值設(shè)定不合理將嚴(yán)重影響STCA告警在垂直方向上的計算精度及準(zhǔn)確性。因此，尋找一種合理的CFL高度保護(hù)參數(shù)設(shè)定方法是空管自動化系統(tǒng)迫切需要解決的關(guān)鍵問題之一。

針對上述CFL高度保護(hù)參數(shù)只能憑借經(jīng)驗設(shè)定的問題，本文提出一種基于航空器升降率動態(tài)調(diào)節(jié)CFL高度保護(hù)參數(shù)的方法，該方法能有效降低STCA告警的虛警率并能提高STCA告警精度。

1 STCA告警原理

當(dāng)兩航空器航跡之間的水平和垂直間距同時小于或者在設(shè)定的告警前探時間內(nèi)將要同時小于設(shè)置的參數(shù)值時觸發(fā)STCA告警[2]。因此，根據(jù)兩航空器間的距離STCA告警可分為預(yù)警、告警兩個階段。當(dāng)系統(tǒng)判斷在前探時間內(nèi)，兩航空器間的距離將會小于門限距離時系統(tǒng)會觸發(fā)STCA預(yù)警，當(dāng)系統(tǒng)判斷兩航空器間的距離已小于門限距離時系統(tǒng)會觸發(fā)STCA告警。

為了方便判斷兩航空器之間的距離及時向管制員發(fā)出STCA預(yù)警、告警信號，空管自動化系統(tǒng)根據(jù)STCA告警原理為每架航空器劃設(shè)了STCA預(yù)警、告警區(qū)。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)有其他航空器進(jìn)入到當(dāng)前航空器的STCA預(yù)警區(qū)域內(nèi)時觸發(fā)STCA預(yù)警，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)有其他航空器進(jìn)入到當(dāng)前航空器的STCA告警區(qū)域內(nèi)時觸發(fā)STCA告警。水平和垂直方向的STCA預(yù)警、告警區(qū)定義如下：

水平方向上STCA告警區(qū)域為：以航空器為圓心r1為半徑的圓形區(qū)域，其中r1表示STCA水平告警門限值。

水平方向上STCA預(yù)警區(qū)域為：以航空器為圓心r2為半徑的圓形區(qū)域。

其中，T表示系統(tǒng)設(shè)定的前探時間，一般設(shè)定為90s，v1表示當(dāng)前航空器在水平方向的速度。水平方向STCA告警區(qū)及預(yù)警區(qū)如圖1所示。

圖1 水平方向STCA預(yù)警及告警區(qū)域

垂直方向上STCA告警區(qū)域為：H±h1之間的區(qū)域，其中，H表示當(dāng)前航空器所在高度，h1表示垂直告警門限值。

垂直方向上STCA預(yù)警區(qū)域為：

與垂直方向上STCA告警區(qū)之間的區(qū)域，其中，H表示當(dāng)前航空器所在高度，h1表示垂直告警門限值，T表示系統(tǒng)設(shè)定的前探時間,一般設(shè)定為90s，v2表示當(dāng)前航空器在垂直方向的升降速度。垂直方向STCA告警區(qū)及預(yù)警區(qū)如圖2所示。

圖2 垂直方向STCA預(yù)警及告警區(qū)域

2 CFL高度保護(hù)機(jī)制

當(dāng)管制員對航空器下達(dá)了CFL指令高度后，航空器開始爬升或下降，但由于系統(tǒng)設(shè)置了STCA告警前探時間，航空器在開始爬升或下降過程中極有可能進(jìn)入STCA垂直方向預(yù)警區(qū)，從而觸發(fā)STCA虛預(yù)警。例如航空器A在航空器B的下方平飛，管制員向航空器B下達(dá)了新的指令高度，該指令高度低于航空器B的當(dāng)前高度且高于航空器A的短期沖突告警區(qū)高度，假設(shè)系統(tǒng)設(shè)定的前探時間為90s，當(dāng)航空器B開始下降時，系統(tǒng)經(jīng)過推算發(fā)現(xiàn)90s后航空器B會進(jìn)入航空器A的STCA告警區(qū)，于是系統(tǒng)判定航空器B觸發(fā)了STCA預(yù)警，但實(shí)際上航空器B下降30s后就到達(dá)了指令高度并由下降轉(zhuǎn)為平飛，屬于正常運(yùn)行，不應(yīng)出現(xiàn)STCA預(yù)警提示。

針對以上問題，《空中交通管制自動化系統(tǒng)最低安全高度告警及短期飛行沖突告警功能（MH-T_4022-2006）》規(guī)定STCA告警在垂直方向上進(jìn)行垂直沖突探測時，對具有CFL數(shù)據(jù)的航空器采用CFL高度層保護(hù)計算，CFL高度保護(hù)如圖3所示。

圖3 CFL高度保護(hù)示意

當(dāng)航空器處于上升或下降狀態(tài)并具有有效的CFL值時，系統(tǒng)使用CFL加上（上升）或減去（下降）高度層容差值，作為航空器推測高度的上限（上升）或下限（下降），進(jìn)行垂直沖突檢測。當(dāng)航空器通過CFL，并已穿過高度層容差時，系統(tǒng)不再使用CFL容差高度作為推測高度的極限，探測垂直沖突。在航空器上升、下降率大于規(guī)定的升降率門限值時，同時航空器尚未達(dá)到CFL，但與CFL的高度差已小于升降率航跡保護(hù)高度值時，系統(tǒng)不再使用CFL容差高度作為推測高度的極限，探測垂直沖突。當(dāng)用戶未輸入CFL數(shù)據(jù)，或已注銷成無效時，系統(tǒng)不采用CFL高度層保護(hù)計算。

此外，在（MH-T_4022-2006）中還規(guī)定了高度層容差、升降率門限、升降率航跡保護(hù)高度三個CFL高度保護(hù)參數(shù)的設(shè)置范圍。具體參數(shù)設(shè)置范圍如下：

CFL高度層容差值：（10～150）m；

CFL升降率門限值：（5～20）m/s；

CFL升降率航跡保護(hù)高度值：（10～150）m。

3 CFL高度保護(hù)參數(shù)設(shè)置方法

CFL高度層容差值和CFL升降率航跡保護(hù)高度值的設(shè)置對STCA告警在垂直方向上的計算較為重要。當(dāng)航空器升降率較大時，若CFL高度層容差值及CFL升降率航跡保護(hù)高度值取值過小會導(dǎo)致垂直方向上的沖突探測過于靈敏，從而引起STCA虛預(yù)警；當(dāng)航空器升降率較小時，若CFL高度層容差值及CFL升降率航跡保護(hù)高度值取值過大又會導(dǎo)致STCA預(yù)警遲鈍、告警精度較差，告警無法滿足管制員實(shí)際需求[3]。因此，為了降低STCA虛警率提高STCA告警精度，CFL高度層容差值和CFL升降率航跡保護(hù)高度值的取值需要充分考慮當(dāng)前航空器的升降率大小。

然而空管自動化在用系統(tǒng)中CFL高度層容差值和CFL升降率航跡保護(hù)高度值均為憑人工經(jīng)驗設(shè)定的固定值，并沒有考慮當(dāng)前航空器升降率的大小對STCA告警在垂直方向上計算造成的影響，國內(nèi)某機(jī)場空管自動化設(shè)備CFL高度保護(hù)參數(shù)設(shè)置如圖4所示。針對上述問題，下面介紹一種基于航空器升降率動態(tài)設(shè)定CFL高度保護(hù)參數(shù)的新方法。

圖4 國內(nèi)某機(jī)場空管自動化設(shè)備

3 CFL高度保護(hù)參數(shù)

3.1 參數(shù)定義

為方便進(jìn)行問題的數(shù)學(xué)描述，現(xiàn)對空管自動化系統(tǒng)動態(tài)設(shè)定CFL高度保護(hù)參數(shù)過程中用到的相關(guān)參數(shù)做如下定義：

3.1.1 CFL高度層容差值：X，單位為米，該值是根據(jù)當(dāng)前航空器升降率計算得到的一個變量，根據(jù)（MH-T_4022-2006）中的規(guī)定X取值范圍為（10～150）m。

3.1.2 CFL高度層容差值最大值：X1，單位為米，該值為固定值且取值150m。

3.1.3 CFL高度層容差值最小值：X2，單位為米，該值為固定值表示管制員可接受的CFL高度層最小容差值，該值可根據(jù)管制需求進(jìn)行設(shè)置，最小不可小于10m。

3.1.4 CFL升降率航跡保護(hù)高度值：y，單位為米，該值是根據(jù)當(dāng)前航空器升降率計算得到的一個變量，根據(jù)（MHT_4022-2006）中的規(guī)定y取值范圍為（10～150）m。

3.1.5 CFL升降率航跡保護(hù)高度值最大值：Y1，單位為米該值為固定值且取值150m。

3.1.6 CFL升降率航跡保護(hù)高度值最小值：Y2，單位為米，該值為固定值表示管制員可接受的CFL升降率航跡保護(hù)最小高度值，該值可根據(jù)管制需求進(jìn)行設(shè)置，最小不可小于10m。

3.1.7 航空器當(dāng)前高度：h，單位為米，該值是根據(jù)航空器當(dāng)前高度實(shí)時變化的一個變量。

3.1.8 航空器當(dāng)前升降率：r，單位為米/秒，該值是根據(jù)航空器當(dāng)前升降率實(shí)時變化的一個變量。

3.1.9 CFL升降率門限值：R，單位為米/秒，該值為固定值，可根據(jù)經(jīng)驗進(jìn)行設(shè)定，根據(jù)（MH-T_4022-2006）中的規(guī)定R取值范圍為(5～20)m/s。

3.1.10 指令高度：C，單位為米，該值為固定值，表示管制員下達(dá)的CFL指令高度。

3.2 動態(tài)參數(shù)計算方法

下面介紹根據(jù)航空器實(shí)時高度和升降率計算與該航空器相匹配的CFL高度層容差值及CFL升降率航跡保護(hù)高度值的方法（均以航空器下降時為例，航空器上升時計算方法類似）。

3.2.1 當(dāng)航空器當(dāng)前高度h高于C+Y1或低于C–X1時，不計算CFL高度層容差值X以及CFL升降率航跡保護(hù)高度值y。

3.2.2 當(dāng)航空器當(dāng)前高度h低于C+Y1高于C–X1且當(dāng)前下降率r大于CFL升降率門限值R時，不計算CFL高度層容差值X以及CFL升降率航跡保護(hù)高度值y。

3.2.3 當(dāng)航空器當(dāng)前高度h低于C+Y1高于C且下降率r小于R時，系統(tǒng)計算針對該航班的CFL升降率的航跡保護(hù)高度值y，計算方法如下：

3.2.4 當(dāng)航空器當(dāng)前高度h低于C且高于C–X1且下降率r小于R時，系統(tǒng)計算針對該航班的CFL高度層容差值X，計算方法如下：

由式（3）、式（4）可知，當(dāng)航空器下降率較大時，CFL高度層容差值、CFL升降率航跡保護(hù)高度值也隨之變大，航空器可得到足夠?qū)挼腃FL高度保護(hù)區(qū)，從而有效減少垂直方向沖突探測因CFL高度保護(hù)區(qū)不夠?qū)捲斐傻奶擃A(yù)警；當(dāng)航空器下降率較小時，CFL高度層容差值、CFL升降率航跡保護(hù)高度值也隨之變小，航空器可得到與當(dāng)前下降率相匹配的CFL高度保護(hù)區(qū)域，從而有效提高垂直方向沖突探測的精度。

4 結(jié)束語

本文針對空管自動化系統(tǒng)短期沖突告警（STCA）在進(jìn)行垂直方向的推測計算時因CFL高度保護(hù)參數(shù)設(shè)定不合理導(dǎo)致的虛警率較高、告警推測精度較差的問題，提出一種基于航空器升降率的CFL高度保護(hù)參數(shù)動態(tài)設(shè)定方法。該方法充分考慮了航空器實(shí)時升降率對STCA垂直方向沖突探測的影響，根據(jù)航空器的升降率動態(tài)調(diào)整CFL高度保護(hù)參數(shù)。通過與傳統(tǒng)憑經(jīng)驗設(shè)定CFL高度保護(hù)參數(shù)的方法對比，該方法可有效降低STCA虛警率、提高告警精度，該方法在空管自動化系統(tǒng)告警參數(shù)設(shè)置中具有很高的工程價值。