一種基于ADS-B IN的自主空中沖突探測方法

李 恒，王 浩

(中國民用航空總局第二研究所，成都 610041)

0 引 言

隨著通航快速發(fā)展，對通航作業(yè)類型和作業(yè)量的需求日益增長，保障通航飛行安全是豐富通航作業(yè)類型和加快通航作業(yè)量增長的首要條件。為通航飛行員提供一種類似空中防撞系統(tǒng)(Traffic Collision Avoidance System，TCAS)的空中沖突告警是保障通航飛行安全最直接有效的辦法。運輸飛機的TCAS II在終端區(qū)附近的應(yīng)用過程中暴露出了諸多問題[1-2]，其原因是TCAS II沖突告警算法對高機動飛行的適應(yīng)力不強，其高昂價格也不滿足通航對低成本的要求。

近年來，廣播式自動相關(guān)監(jiān)視(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，ADS-B)逐漸被引入到空中沖突探測研究中。文獻[3-4]提出了TCAS與ADS-B的組合監(jiān)視防撞，目的是擴展飛機空中沖突探測范圍，減少TCAS詢問與應(yīng)答頻繁而帶來的射頻干擾。但該研究方向的空中沖突預(yù)測模型中，TCAS仍然為必要數(shù)據(jù)源，ADS-B僅作為補充，因此其僅針對具備TCAS機載設(shè)備的運輸飛機，并不適用于通航飛機。隨著ADS-B廣播能力在通航飛機的普及和ADS-B機載設(shè)備性能要求的規(guī)范，加之日漸成熟的“北斗”系統(tǒng)避免了由于全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)失效帶來的安全隱患，基于ADS-B技術(shù)的低成本空中沖突告警機載設(shè)備成為可能。文獻[5-6]提出了基于ADS-B單數(shù)據(jù)源的空中沖突探測方法，其研究成果主要為地面管制中心提供一種預(yù)先過濾無威脅飛機的方法。對于空中沖突探測模型，關(guān)鍵點在于對保護區(qū)域(Protected Airspace Zone，PAZ)和避碰區(qū)域(Collision Airspace Zone,CAZ)的定義。文獻[5]對PAZ和CAZ的定義是依據(jù)國際民航組織(International Civil Aviation Organization，ICAO)對于空中交通管制(Air Traffic Control，ATC)使用ADS-B實施5 n mile的最小間隔要求。文獻[6]依據(jù)航空器大小和飛行任務(wù)，將PAZ和CAZ定義為固定大小。這兩種方式都不是針對通航機載自主空中沖突告警能力而設(shè)計的。另外，文獻[5-6]均未涉及基于飛機預(yù)測軌跡的空中沖突探測。上述特點意味著，文獻[5-6]所提及方法均不符合通航機載自主空中沖突告警對軌跡跟蹤能力和沖突預(yù)測能力的要求。

航空無線電技術(shù)委員會(Radio Technical Commission for Aeronautics，RTCA)提供了一種基于ADS-B IN技術(shù)的空中沖突告警典型算法[7]，其為通航機載設(shè)備使用ADS-B IN實現(xiàn)空中沖突探測提供了一種新的PAZ和CAZ定義方式。

作者基于ADS-B IN空中沖突告警典型算法，結(jié)合通航機載自主空中沖突探測實際要求和大量仿真場景測試經(jīng)驗積累，研究了一種符合通航作業(yè)實際需求的自主空中沖突探測方法，設(shè)計了一種性能評估平臺,為本文所述空中沖突探測方法的設(shè)備可靠應(yīng)用提供了保障手段。

1 自主空中沖突探測方法

自主空中沖突探測方法如圖1所示，其將接收到的周圍他機ADS-B信息與本機信息輸入到入侵飛機粗選模塊，入侵飛機粗選模塊對兩機的位置和速度進行卡爾曼濾波，并根據(jù)兩機相對運動態(tài)勢、距離、機載顯示屏范圍、他機地空狀態(tài)等信息對入侵飛機進行一次粗選，目的是減少后面處理流程的壓力，滿足機載設(shè)備對高處理效率的要求。為了完成對沖突的提前探測，為飛行員預(yù)留足夠的反應(yīng)告警時間，采用自適應(yīng)勻速率轉(zhuǎn)彎模型對兩機軌跡進行短期預(yù)測，利用改進的機載自主空中沖突模型對兩機的預(yù)測軌跡進行沖突探測。為了保證探測結(jié)果發(fā)布的正確性，采用一種多重判定方法，對探測結(jié)果進行再次判定，最后將沖突探測結(jié)果發(fā)布到機載顯示屏上，以圖像和聲音的方式對飛行員進行沖突告警。

圖1 自主空中沖突探測方法

1.1 基于自適應(yīng)勻速率轉(zhuǎn)彎模型的軌跡預(yù)測

軌跡預(yù)測的精度決定了沖突探測的正確性，本文所述軌跡預(yù)測方法是應(yīng)用在通航機載設(shè)備上的短期軌跡預(yù)測。目前軌跡預(yù)測算法可以分為兩種：基于卡爾曼濾波的無參數(shù)方法[8]和基于飛行器模型方法[9-10]。這兩種方法各有優(yōu)缺點：基于卡爾曼濾波的無參數(shù)方法只是單純利用跟蹤濾波算法進行軌跡預(yù)測，對于機動性強的通航，軌跡預(yù)測準(zhǔn)確率不高；基于飛行器模型的軌跡預(yù)測方法需要大量的飛行器參數(shù)，然而獲取這些參數(shù)的難度較大，缺失的參數(shù)會嚴重影響軌跡預(yù)測的準(zhǔn)確性。本文所述的基于自適應(yīng)勻速率轉(zhuǎn)彎模型的軌跡預(yù)測方法既不需要大量的飛行器參數(shù)，又能靈敏跟蹤飛行轉(zhuǎn)彎速率的變化，從而保證軌跡預(yù)測能真實反映飛行器飛行軌跡。

首先設(shè)定一個點跡數(shù)量為3的窗區(qū)域，然后將窗分別在入侵飛機和本機點跡序列上按照指定步長進行滑動?；贏DS-B IN與GPS更新率為1 s且允許最大掉點數(shù)為2的原則，將滑窗取值成功的判定依據(jù)定為：窗內(nèi)3個點跡到達時間(Time of Arrival，TOA)之差小于3 s，并且窗內(nèi)最新點跡TOA與當(dāng)前系統(tǒng)時間之差小于3 s。

然后，對于每一次滑窗取值成功的入侵飛機和本機，通過外推完成兩機基于當(dāng)前系統(tǒng)時間的TOA對齊，利用窗內(nèi)TOA最新的兩個點跡和對齊當(dāng)前系統(tǒng)時間的外推點，計算最新轉(zhuǎn)彎速率:

(1)

將噪聲濾波器應(yīng)用到估計的轉(zhuǎn)彎速率中,以減少飛行路徑中正常振蕩引起的轉(zhuǎn)彎速率抖動。

最后，基于勻速率轉(zhuǎn)彎模型，完成入侵飛機和本機未來35 s的軌跡預(yù)測:

(2)

式中：k=1,2,…,35,α為飛機最新轉(zhuǎn)彎速率，φ為航向角，v為水平速度，vz為垂直速度，dt為相鄰位置的TOA差。

如圖2所示，藍色為飛機真實軌跡，紅色為飛機預(yù)測軌跡，在飛機發(fā)生轉(zhuǎn)彎機動時，本文所述預(yù)測方法在轉(zhuǎn)彎速率跟蹤上具有較好的靈敏性能，能快速將預(yù)測軌跡調(diào)整到與真實軌跡一致，說明了本文所述預(yù)測方法具有較好的自適應(yīng)性。

圖2 本文所述軌跡預(yù)測方法對轉(zhuǎn)彎的自適應(yīng)效果

1.2 改進的機載自主空中沖突探測模型

ADS-B IN空中沖突告警典型算法基于PAZ和CAZ模型，PAZ和CAZ都是以入侵飛機質(zhì)心為中心的虛擬圓柱體。如圖3所示，將PAZ和CAZ圓柱體投影到二維平面，入侵飛機周圍白色區(qū)域代表CAZ區(qū)域，黃色區(qū)域代表PAZ區(qū)域，兩機隨著位置的靠近，在t=30 s時刻，本機進入到入侵飛機的PAZ區(qū)域，發(fā)生PAZ告警。隨著兩機位置的繼續(xù)靠近，本機進入到入侵飛機的CAZ區(qū)域，發(fā)生CAZ告警。

圖3 PAZ和CAZ告警模型

ADS-B IN空中沖突告警典型算法中，CAZ圓柱體大小為固定值，并綜合考慮了GPS精度、高度表精度、ADS-B信息精度、現(xiàn)存最大通用航空器等因素，將CAZ在垂直方向的間隔標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為±60.96 m(200 ft),將水平方向的間隔標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為152.4 m(500 ft)。同樣根據(jù)通航機載空中沖突告警的實際要求，PAZ圓柱體大小被重新定義，其最小值來源于ADS-B IN空中沖突告警典型算法對終止告警的判定要求，即垂直方向的最小間隔標(biāo)準(zhǔn)為±137.16 m(450 ft),水平方向的最小間隔標(biāo)準(zhǔn)為228.6 m(750 ft)，PAZ圓柱體大小隨著入侵飛機與本機的接近程度而變化：

RPAZ=RPAZmin+tauPAZr×crh，

(3)

HPAZ=HPAZmin+tauPAZv×crv 。

(4)

式(3)中：RPAZ為入侵飛機和本機水平接近程度計算得到的PAZ水平方向間隔，RPAZmin為PAZ水平方向的最小間隔標(biāo)準(zhǔn)，tauPAZr為水平預(yù)留時間，crh為入侵飛機和本機的水平接近程度。式(4)中：HPAZ為入侵飛機和本機垂直接近程度計算得到的PAZ垂直方向間隔，HPAZmin為PAZ垂直方向的最小間隔標(biāo)準(zhǔn)，tauPAZv為垂直預(yù)留時間，crv為入侵飛機和本機的垂直接近程度。根據(jù)RTCA對ADS-B IN空中沖突告警典型算法為飛行員預(yù)留20～40 s反應(yīng)告警時間的要求，并結(jié)合大量仿真沖突場景的測試，本文采取的方法中將tauPAZr和tauPAZv分別設(shè)置為20 s和10 s。

由此可見，PAZ的設(shè)定是為了提醒飛行員有飛機在向其靠近，并有可能繼續(xù)靠近，為飛行員采取措施提供緩沖時間；CAZ的設(shè)定是為了防止飛機之間發(fā)生實際上的機身碰撞。PAZ告警判定的關(guān)鍵在于對入侵飛機與本機運動過程中的水平接近程度crh和垂直接近程度的crv跟蹤。改進的機載自主空中沖突探測模型在crh跟蹤模型和crv跟蹤模型上都進行了新的定義。

改進的機載自主空中沖突探測模型的crh跟蹤模型建立在：隨著入侵飛機與本機在水平方向上接近程度的增加，PAZ圓柱體的水平方向間隔增大；反之，若入侵飛機與本機在水平方向呈遠離趨勢，PAZ圓柱體水平方向維持在最小間隔標(biāo)準(zhǔn)。

因此，首先需要判定入侵飛機與本機的相對運動態(tài)勢[11]：

S=dx,i×Vrel,x,i+dy,i×Vrel,y,i。

(5)

式中：dx,i為第i時刻兩機在x方向上的距離，Vrel,x,i為第i時刻兩機在x方向上的速度差，dy,i為第i時刻兩機在y方向上的距離，Vrel,y,i為第i時刻兩機在y方向上的速度差。如果S大于零，代表兩機相對運動態(tài)勢是遠離;S小于零，代表兩機相對運動態(tài)勢是接近;S等于零，代表兩機相對靜止。基于本文所述的crh跟蹤原則，由式(5)可以推導(dǎo)出crh跟蹤模型：

(6)

式中：crhi為第i時刻兩機的水平接近程度。當(dāng)兩機相對運動態(tài)勢是接近，則隨著接近程度增加，crh值增大，PAZ圓柱體水平方向的間隔隨之增大；當(dāng)兩機相對運動態(tài)勢是遠離或者相對靜止，crh值維持為零，PAZ圓柱體水平方向維持在最小間隔標(biāo)準(zhǔn)。

改進的機載自主空中沖突探測模型的crv跟蹤模型建立在：依據(jù)入侵飛機與本機在垂直方向的相對位置，若入侵飛機與本機在垂直方向呈接近趨勢，crv則為兩機在垂直方向上的速度差，隨著接近程度的增加，PAZ圓柱體垂直方向的間隔增大;若入侵飛機與本機在垂直方向呈遠離或相對靜止，crv則維持為零，PAZ圓柱體垂直方向維持在最小間隔標(biāo)準(zhǔn)。

綜上所述，本文所提改進的機載自主空中沖突探測模型對入侵飛機與本機相對運動態(tài)勢跟蹤的靈敏性更高，更加符合機動靈活性高的通航對告警時效性的要求。

1.3 探測結(jié)果多重判定方法

多重判定方法是建立在大量仿真沖突場景的測試結(jié)果分析下，針對軌跡預(yù)測誤差隨時間的增加而增大和轉(zhuǎn)彎速率噪聲對漏警的影響而設(shè)計的，是對上述空中沖突探測模型在實際使用中的補充。

多重判定方法的第一重判定是為了減少軌跡預(yù)測誤差帶來的虛警。根據(jù)2.2節(jié)的仿真測試結(jié)果，可得到結(jié)論：預(yù)測的35個軌跡點中，前15個預(yù)測軌跡點的可靠性較高。因此，若首個告警預(yù)測點是發(fā)生在前15個預(yù)測軌跡點中，則認為本次告警可靠，如圖4(a)所示；若首個告警預(yù)測點是發(fā)生在后20個預(yù)測軌跡點中，則認為本次告警不可靠，如圖4(b)所示，此時將啟動雙觸發(fā)判定機制，即連續(xù)兩次的告警都發(fā)生在后20個預(yù)測軌跡點中，即可發(fā)布本次告警。

(a)首個告警預(yù)測發(fā)生在預(yù)測可靠臨界點之前

多重判定方法的第二重判定是為了減少轉(zhuǎn)彎速率噪聲帶來的漏警，即當(dāng)兩機當(dāng)次預(yù)測結(jié)果是無告警時，若系統(tǒng)一段時間內(nèi)對兩機狀態(tài)判斷保持在告警且兩機當(dāng)前運動狀態(tài)處于臨近，則當(dāng)次發(fā)布為告警。

2 性能評估與測試結(jié)果

2.1 性能評估平臺

基于本文所述方法的機載設(shè)備屬于航空新型機載設(shè)備，其應(yīng)用前景廣闊，但是，若該機載設(shè)備的可靠性得不到保障，會誤導(dǎo)通航飛行員的判斷與操作，反而會增加通航的空中飛行危險。一種新型機載設(shè)備的應(yīng)用和推廣需要一個快速、有效的性能評估平臺對其進行正確評估。本文所述性能評估平臺不僅可以用于機載設(shè)備初始適航取證時的性能檢測，還能用于持續(xù)適航能力跟蹤的性能監(jiān)測。

性能評估平臺如圖5所示，其完成兩個重要功能，分別是性能檢測功能和性能監(jiān)測功能。性能檢測功能用于機載設(shè)備初始適航取證階段，性能監(jiān)測功能用于機載設(shè)備通過初始適航后使用過程中機載設(shè)備持續(xù)適航性的監(jiān)測。

圖5 性能評估平臺功能圖

影響空中沖突探測機載設(shè)備性能好壞的主要因素是對本機和他機飛機軌跡的預(yù)測準(zhǔn)確性，所以，圖5的性能評估平臺采用一種事后分析的評估方法，如圖6所示?；诒緳C和他機的真實飛行軌跡(如圖5中的仿真場景、真實場景)，根據(jù)航空器的運行區(qū)域特點，設(shè)置適當(dāng)?shù)奈ｋU區(qū)域(Hazard Zone，HAZ)和非危險區(qū)域(Non-Hazard Zone，HAZ′)大小，再將本機和他機的真實軌跡在時間上對齊，計算得到兩機空間距離最近時間點(Closest Point of Approach，CPA)。若CPA落入HAZ內(nèi)，則表明輸入飛行場景存在沖突；若CPA落入HAZ′內(nèi)，則表明輸入飛行場景不存在沖突。最后與機載設(shè)備告警結(jié)果進行對比，分析得到正確率、誤警率、漏警率、重復(fù)告警率、遲警率。通過大量飛行場景的輸入，可以統(tǒng)計出空中沖突探測機載設(shè)備的性能報告。

圖6 性能評估方法

由于從傳感器獲取到的本機和他機的真實軌跡在時間上并不是完全同步的，甚至存在軌跡斷點的情況，所以在進行CPA計算之前有必要采用一種高效算法將本機與他機的真實軌跡時間對齊，如圖7所示。因為不同的傳感器具有不同的位置信息更新率，所以對各類民航監(jiān)視傳感源特點加以分析和量化，得到一種自適應(yīng)的時間對齊判定門限設(shè)置方法，根據(jù)監(jiān)視源類型設(shè)置合適的時間對齊判定門限。另外，采用一種主動方主動查詢的方式，在本機與他機重疊軌跡檢測中找到本機和他機最適合作主動方的一方，利用單方驅(qū)動查詢的方式減少遍歷次數(shù)，從而提高CPA計算效率。

圖7 航跡時間對齊算法

2.2 仿真測試與分析

目前，在空中沖突探測方法研究中，空中沖突場景的仿真主要有兩種方法：一種是基于蒙特卡洛方法的單個位置點的沖突仿真[12]，這種方法并非仿真入侵飛機與本機的存在潛在沖突的連續(xù)軌跡，而是仿真本機周圍存在沖突的位置點，主要用于對本機周圍其他飛機單次沖突位置判定的測試；一種是基于長期的、全覆蓋的雷達數(shù)據(jù)采集，并在此基礎(chǔ)上建立一個多種沖突類型的空域沖突模型，但由于對數(shù)據(jù)量要求較高，該方法實施難度較大。本文采用的仿真方法是，基于通航在低空飛行的沖突場景模型[7]，利用蒙特卡洛方法隨機生成飛機的初始位置、速度、航向角，最終仿真出入侵飛機與本機存在潛在沖突的連續(xù)軌跡。

本文主要對四種典型低空沖突場景測試結(jié)果進行分析，如圖8所示。圖8中，黃色圓圈是圍繞入侵飛機質(zhì)心的PAZ水平區(qū)域，紅色圓圈是圍繞入侵飛機質(zhì)心的CAZ水平區(qū)域，綠色圓圈代表發(fā)生第一次PAZ告警，黑色圓圈代表發(fā)生第一次CAZ告警?？梢娝姆N仿真場景測試中，隨著兩機距離的接近，依次預(yù)測到PAZ告警和CAZ告警，并為飛行員提供的反應(yīng)告警預(yù)留時間分別是36 s、17 s、34 s、29 s。其中仿真場景2的測試結(jié)果不符合RTCA關(guān)于為飛行員預(yù)留20～40 s反應(yīng)告警時間的要求。對仿真場景2的分析結(jié)果是，在預(yù)測到第一次沖突后，本機出現(xiàn)的急轉(zhuǎn)彎機動恰好加速了兩機CPA的發(fā)生，從而造成首次告警與CPA的時間差小于20 s。但是在實際飛行中，當(dāng)機載設(shè)備向飛行員提示沖突警告后，飛行員會立即建立起空中沖突情景意識，并做好避撞的機動準(zhǔn)備。

圖8 四種典型低空沖突場景及測試結(jié)果

2.3 通航飛行測試與分析

目前，已經(jīng)完成了基于本文所述空中沖突探測方法的通航機載原型機研制，并安裝在兩架通航飛機上，在某通航機場完成了飛行測試。飛行測試目的是檢驗該機載原型機在通航實際飛行中對空中沖突探測的正確性和即時性。飛行測試中兩機采用目視飛行，處于后方的入侵飛機通過加速完成對前方飛機的追趕、臨近、沖突、避讓。

如圖9所示，機載原型機為飛行員發(fā)出了連續(xù)的告警提醒，兩機進行避讓機動不久后，機載原型機停止告警提醒。如圖10所示，首次告警與CPA的時間差較大，即為92.618 6 s，說明機載原型機為飛行員提供了足夠的反應(yīng)告警時間。由此可見，機載原型機在沖突發(fā)生前92 s便預(yù)測到了未來存在沖突危險，飛行員可以根據(jù)提前的告警提醒，感知到此時飛行軌跡存在潛在沖突，并根據(jù)機載顯示屏上本機與周圍飛機信息的顯示，提前完成機動避撞。

圖9 告警正確性的飛行測試結(jié)果

圖10 告警即時性的飛行測試結(jié)果

但是注意到，圖9中的告警過程出現(xiàn)了兩次漏警，分析原因是,由于這兩次的兩機運動趨勢判定結(jié)果為遠離，PAZ圓柱體大小恢復(fù)到最小值，導(dǎo)致觸發(fā)PAZ告警失敗。由此可見，兩機運動趨勢的正確判定，不僅決定了PAZ圓柱體的大小，還決定了多重判定方法中對漏警的減少率。本文采取的兩機運動趨勢判定方法是離散型的，在振蕩較強的通航目視飛行中，判定的運動趨勢抖動較大。下一步工作需要采集更多通航目視飛行數(shù)據(jù)，對飛行的運動趨勢離散特點進行分析和仿真，完成對運動趨勢的濾波和平滑處理。

3 結(jié)束語

本文針對通航飛機機載缺少自主空中沖突探測能力的問題，在ADS-B IN空中沖突告警典型算法基礎(chǔ)上提出了一種改進的自主空中沖突探測方法，其中，自適應(yīng)勻速率轉(zhuǎn)彎模型軌跡預(yù)測和多重判定方法進一步保障了沖突預(yù)測的準(zhǔn)確性和即時性。分別采用仿真測試以及通航飛行測試對本文所述方法進行測試驗證，結(jié)果表明該方法能準(zhǔn)確預(yù)測到飛行存在的潛在沖突風(fēng)險，并為通航飛行員提供符合RTCA要求的反應(yīng)告警時間。此外，該方法對于無人機的自主防撞也具有參考價值。目前，基于本文所述方法的機載原型機已經(jīng)完成研制，這對航空機載設(shè)備的國產(chǎn)化具有重要意義。在基于目視飛行的通航飛行測試中，運動態(tài)勢判定的離散型引起了兩次漏警，因此，下一步的研究方向是基于大數(shù)據(jù)的運動態(tài)勢特征分析和濾波處理。