民用機場凈空“低小慢”飛行器風(fēng)險評估

曹鐵，周科杰，甄軍平，李海博，房天謀

（民航成都電子技術(shù)有限責(zé)任公司，成都 611430）

0 引言

民用機場的凈空范圍主要是指沿民航飛機起降航線設(shè)置的一個沒有超高障礙物的區(qū)域，用來保障民航飛機的起降安全［1］。近年來,隨著“低小慢”航空器的不斷發(fā)展,在凈空保護區(qū)內(nèi)出現(xiàn)“低小慢”飛行器的凈空風(fēng)險案例越來越多，一旦這些飛行物達到一定高度或是一旦失去控制，很容易漂移到航道上，構(gòu)成飛機安全隱患，影響航班正常起降。傳統(tǒng)的“低小慢”航空器主要是航空模型和空飄物，近年來無人機引領(lǐng)了“低小慢”航空器的發(fā)展方向。近些年，由于缺乏適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)和管理，“低小慢”航空器頻繁闖入各地機場凈空保護區(qū)造成多次航班延誤，對民航飛行安全構(gòu)成了嚴重威脅。因此，有必要對闖入凈空區(qū)的低小慢物體進行風(fēng)險評估，科學(xué)地指導(dǎo)和管理凈空安全。

目前，民航機場主要采用碰撞理論來分析無人機、鳥群等對飛機碰撞的條件，通過這些條件來對無人機和飛機的碰撞進行風(fēng)險評估［2-3］，這些方法沒有考慮機場凈空安全區(qū)的地理信息和飛機航班信息，只是通過所建立的碰撞模型分析出無人機或鳥群距離飛機的最小飛行距離或者分析出了無人機的最小安全的路線以規(guī)避民航客機等。文獻［4］采用了層次分析法建立鳥群對于飛機飛行的風(fēng)險評估模型，但模型中忽略了機場凈空區(qū)信息。

近幾年，外輻射源雷達技術(shù)不斷發(fā)展完善，開始能夠提供機場凈空區(qū)域內(nèi)“低小慢”飛行物的信息，為實時風(fēng)險評估提供了新的技術(shù)手段［5］?；诖耍疚脑O(shè)計了一種實時“低小慢”航空器風(fēng)險評估方法，通過機場外輻射雷達實時采集的航空器飛行數(shù)據(jù)和ADS-B［6］提供的民航飛機實時飛行數(shù)據(jù)，結(jié)合機場凈空保護區(qū)信息建立風(fēng)險評估模型。

1 機場凈空區(qū)域的組成和凈空區(qū)坐標系的建立和坐標的轉(zhuǎn)化

1.1 機場凈空區(qū)域的組成和凈空區(qū)坐標系的建立

機場凈空區(qū)是為了保證飛機起飛降落的飛行安全，在機場周圍劃定的限制障礙物高度的空間區(qū)域，用來保障航空器的起飛降落安全。障礙物限制面的大小取決于跑道的類別和進近類型。障礙物限制面主要有內(nèi)水平面、進近面、過渡面、內(nèi)進近面、內(nèi)過渡面、復(fù)飛面、起飛爬升面［7］，各個限制面的位置示意圖如圖1所示。因此，為了統(tǒng)一航空器信息、低小慢物體信息和凈空區(qū)域的信息，如圖2所示建立凈空安全坐標系，凈空坐標系的原點在跑道左端邊界的中心處，設(shè)該坐標系為O w-(X w,Y w,Z w)。

圖1 凈空區(qū)的組成

圖2 凈空坐標系

1.2 經(jīng)緯度坐標與直角坐標的轉(zhuǎn)化

ADS-B和外輻射源雷達得到的“低小慢”的位置信息都是基于世界大地坐標系統(tǒng)84坐標（WorldGeodicalSystem-84，WGS-84，即卡莫托投影），對于距離和位置的判斷十分不便。因此，通過投影轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)所包含的經(jīng)緯度信息轉(zhuǎn)換為凈空安全坐標。將飛機航班的經(jīng)緯度和“低小慢”飛行物的經(jīng)緯度信息轉(zhuǎn)化為第二節(jié)建立的凈空安全坐標系下坐標的公式如式（1）所示。式中，a為地球長半軸，b為地球短半軸，e為第一偏心率，e′為第二偏心率，(φ,λ)為轉(zhuǎn)換點的經(jīng)緯度，即1.1節(jié)中所建立的坐標系，(x0,y0)為跑道中心投影坐標，(φ0,λ0)為赤道與本初子午線交點經(jīng)緯度。其中a=6378140，b=6356755.29，e2=0.006694，e′2=0.006739。

2 民用機場凈空風(fēng)險評價模型的建立

常用的風(fēng)險評估方法根據(jù)定量化程度的高低主要劃分為三類：定性評估、定量評估以及定性定量結(jié)合的評估方法。定性評估是評估者依據(jù)主觀認知來對特定對象進行評估，特點是對專家認知經(jīng)驗要求較高，主觀性最強。定量評估基于數(shù)理統(tǒng)計原理，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，并通過數(shù)學(xué)模型計算出評估對象的各項評價指標來評估，缺點是對數(shù)據(jù)量要求較高，對現(xiàn)實中的復(fù)雜問題難以應(yīng)用。定性和定量結(jié)合的評估方法，通過專家知識彌補定量評估方法數(shù)據(jù)量需求大的缺點，廣泛應(yīng)用于各類風(fēng)險評估中。層次=分析法是一種較好的權(quán)重確定方法，它是把復(fù)雜問題中的各因素劃分成相關(guān)聯(lián)的有序?qū)哟问怪畻l理化的多目標、多準則的決策方法，是一種定量與定性分析相結(jié)合的有效方法［8-9］。

2.1 建立層次結(jié)構(gòu)圖

建立如圖3所示的凈空安全風(fēng)險評估層次結(jié)構(gòu)圖，主要分為航空器（A）和“低小慢”飛行器（B），其中兩者之間的距離（D）可以通過A13和B13計算得出。

圖3 風(fēng)險評估層次結(jié)構(gòu)

通過對于風(fēng)險因素的分析，來確定每個評價指標的重要程度，采用表1所示的評判標準評價進行兩兩因素之間的比較，并構(gòu)造比較矩陣表如表2所示。將表2中的對比矩陣轉(zhuǎn)化為矩陣A，矩陣進行一致性檢查。若通過一致性檢查，計算出該矩陣最大值解特征值對應(yīng)的特征向量，并將其正規(guī)化，得到每個因素的權(quán)重w，見表2。

表1 判斷矩陣元素的標度方法

表2 判斷矩陣

根據(jù)民航機場凈空風(fēng)險情況，將每個風(fēng)險因素都分成5個等級，且每個等級都對應(yīng)一定的分值，見表3。

表3 因素分級標準

最終的風(fēng)險嚴重程度由公式（2）計算：

在研究了大量參考資料的基礎(chǔ)上，將風(fēng)險嚴重程度劃分為5個等級，即4≤z<5，3≤z<4，2≤z<3，1≤z<2，0≤z<1，并一一對應(yīng)嚴重風(fēng)險、較高危險、中等危險、輕度危險、無危險。當(dāng)凈空區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)可疑目標時，可以根據(jù)風(fēng)險值的高低優(yōu)先制定反制順序［10］。

3 實測數(shù)據(jù)

本節(jié)以雙流機場為例，采用本文提出的風(fēng)險評估方法進行測試。以雙流機場1跑道的一端建立凈空坐標系，如圖4（a）所示。圖4（b）為雙流機場的衛(wèi)星圖，圖中的紅色矩形框為圖4（a）所在的區(qū)域。在圖（a）中O為原點，X，Y坐標如圖所示，Z坐標垂直于X，Y坐標，圖中并未畫出Z坐標。O點的經(jīng)緯度坐標為（103.94860985，30.5684209）。圖5為雙流機場凈空區(qū)示意圖。

2016年，泰心醫(yī)院與多倫多病童醫(yī)院簽署合作協(xié)議，雙方在兒童醫(yī)療、護理、管理、社會心理教育等方面展開一系列交流與支持。2017年2月，泰心醫(yī)院成立旨在為患兒及家屬提供社會、心理和教育支持的社會心理教育組（SPE）。

圖4 雙流機場凈空區(qū)坐標系

圖5 雙流機場凈空區(qū)示意圖

圖6 中藍色點的為探測到的無人機，其經(jīng)緯度坐標為（103.98486097，30.54455809），參數(shù)如表4表示，表5為ADS-B獲得得航班號信息。計算得無人機與航空器之間得距離為20291.993 m，根據(jù)第四節(jié)的分類標準，得到表6的信息，根據(jù)（2）式可以計算該無人機的風(fēng)險評估值為z=3.745屬于較高危險。

圖6 探測到的無人機位置

表4 探測的無人機信息

表5 ADS-B航班號信息

表6 評分表

4 結(jié)語

本文提出的機場凈空區(qū)風(fēng)險評估方法為機場安全管理人員準確評估“低小慢”飛行器風(fēng)險，及時采取有力措施提供了依據(jù)。本方法結(jié)合了外輻射源雷達數(shù)據(jù)和飛機飛行的航班數(shù)據(jù)，建立了機場凈空安全坐標系，采用層次分析法，對“低小慢”飛行物進行了飛行風(fēng)險評估。由于本方法基于實時的的信息，目標物的位置能夠及時更新。通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)證明該方法可以實時實現(xiàn)民用機場凈空安全的風(fēng)險評估工作。