王凱倫，王強(qiáng)，施紅，許杰，胡明朗

（1.空軍工程大學(xué)裝備管理與安全工程學(xué)院，西安710038；2.解放軍駐七八三廠軍事代表室，四川綿陽(yáng)621000）

基于實(shí)時(shí)飛行數(shù)據(jù)的航跡沖突滾動(dòng)預(yù)警

王凱倫1，王強(qiáng)1，施紅1，許杰2，胡明朗2

（1.空軍工程大學(xué)裝備管理與安全工程學(xué)院，西安710038；2.解放軍駐七八三廠軍事代表室，四川綿陽(yáng)621000）

針對(duì)民航ADS-B廣播消息的強(qiáng)實(shí)時(shí)性特性，提出基于ADS-B廣播消息的航跡沖突滾動(dòng)預(yù)警方法；該方法是一種蒙特卡羅仿真方法和當(dāng)前統(tǒng)計(jì)模型相結(jié)合的仿真預(yù)測(cè)方法，利用蒙特卡羅采樣的隨機(jī)性多次仿真，得到一個(gè)預(yù)測(cè)航跡族，空間區(qū)域內(nèi)這些隨機(jī)航跡段的數(shù)量反映未來飛機(jī)飛經(jīng)該區(qū)域的概率。該方法可用于意圖驗(yàn)證、沖突預(yù)警、失速螺旋預(yù)警、重著陸預(yù)警等諸多方面，以飛機(jī)航跡沖突概率為例進(jìn)行計(jì)算，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法有效性。

ADS-B，實(shí)時(shí)飛行數(shù)據(jù)，航跡沖突，滾動(dòng)預(yù)警，飛行安全

0 引言

飛行安全是航空界永恒的主題。為了提高飛行安全，減少飛行事故，有效的辦法集中在如下兩個(gè)方面：①?gòu)娘w行機(jī)組內(nèi)因出發(fā)，通過人員培訓(xùn)和科學(xué)管理，使飛行人員在主觀上實(shí)施規(guī)范操作［1］；②通過技術(shù)進(jìn)步，例如在飛機(jī)上安裝安全警告設(shè)備，監(jiān)控關(guān)鍵飛行狀態(tài)并給出警告提示，提醒飛行員及時(shí)發(fā)現(xiàn)并正確處置危險(xiǎn)、減少飛行事故［2］。但目前在飛行安全實(shí)時(shí)監(jiān)控，預(yù)警方面依然較為薄弱；目前實(shí)時(shí)監(jiān)控采用的ACARS報(bào)文數(shù)量稀疏、航跡點(diǎn)分布不均勻、完備性有待提高，同時(shí)時(shí)延約為5 s-20 s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到危險(xiǎn)操作秒級(jí)檢測(cè)并提前預(yù)警的需求［3，8］。與ACARS數(shù)據(jù)鏈相比，S模式ADS-B數(shù)據(jù)鏈不依賴地面雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)，具備更強(qiáng)的巴拿馬，實(shí)時(shí)性、靈活性。通過相應(yīng)軟硬件配置，能夠傳送監(jiān)視任何所需的信息［4-5,8］。

本文探討利用S模式ADS-B數(shù)據(jù)鏈，監(jiān)控飛行狀態(tài)；結(jié)合飛行動(dòng)力學(xué)仿真，對(duì)飛行航跡沖突可能進(jìn)行滾動(dòng)預(yù)測(cè)并告警。從而避免和解除沖突，保證最小飛行間隔，提高飛行安全。

1 基于ADS-B的滾動(dòng)預(yù)警基本方法

1.1 基于ADS-B故障診斷體系

與ACARS報(bào)文相比，ADS-B實(shí)時(shí)性極強(qiáng)，位置消息和速度消息每0.4 s～0.6 s更新一次，且通過相應(yīng)軟硬件配置實(shí)現(xiàn)對(duì)任何所需信息的廣播［4］。本節(jié)探討基于ADS-B數(shù)據(jù)鏈的強(qiáng)實(shí)時(shí)性，在有效傳輸所需數(shù)據(jù)前提下，把機(jī)上和地面信息處理變?yōu)橐粋€(gè)有機(jī)整體，以地面強(qiáng)大的處理能力和數(shù)據(jù)融合處理方式，彌補(bǔ)機(jī)載設(shè)備數(shù)據(jù)處理、信息融合和綜合診斷能力的不足?；诳盏?cái)?shù)據(jù)鏈的近實(shí)時(shí)綜合故障診斷體系主要包括機(jī)載和地面兩部分，如圖1所示。

圖1 ADS-B技術(shù)故障診斷

該體系采用由兩個(gè)層次組成：最底層的成員級(jí)診斷層位于飛機(jī)上；系統(tǒng)級(jí)綜合診斷層則位于地面。利用空地?cái)?shù)據(jù)鏈技術(shù)，成員級(jí)輸出的各類實(shí)時(shí)飛行參數(shù)、異常信息、告警信息在數(shù)秒內(nèi)傳輸?shù)降孛?，地面?duì)多架飛機(jī)的多樣本、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)、融合，以及進(jìn)一步的故障隔離。

1.2 滾動(dòng)預(yù)警過程

滾動(dòng)預(yù)警是指整個(gè)預(yù)警任務(wù)沿時(shí)間軸滾動(dòng)，對(duì)被監(jiān)控對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)、在線的狀態(tài)估計(jì)、預(yù)測(cè)、危險(xiǎn)識(shí)別及告警，每個(gè)滾動(dòng)預(yù)警過程如圖2所示。①監(jiān)控對(duì)象一段時(shí)間內(nèi)的航跡，對(duì)當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行濾波估計(jì)；②預(yù)測(cè)其在一段時(shí)間內(nèi)的狀態(tài)和軌跡變化歷程；③分析、監(jiān)測(cè)潛在的不安全因素并預(yù)警；④空地聯(lián)合制定針對(duì)性的危險(xiǎn)改出方式，進(jìn)行管制。

設(shè)當(dāng)前時(shí)刻為tk，監(jiān)控系統(tǒng)正處理tu-1，tu-1＜tk時(shí)刻根據(jù)原有預(yù)測(cè)軌跡所發(fā)現(xiàn)的警告序列。在tk時(shí)刻更新ADS-B消息后，由于態(tài)勢(shì)發(fā)生變化，重新預(yù)測(cè)軌跡并在tu更新警告序列，即在時(shí)域［tu，tu-1］內(nèi)監(jiān)控新的不安全因素；在更新點(diǎn)tu之前，處理原有的警告序列。監(jiān)控系統(tǒng)的計(jì)算時(shí)間為tu-tk。

圖2 滾動(dòng)預(yù)警示意圖

1.3 滾動(dòng)預(yù)警性能分析

滾動(dòng)預(yù)警本質(zhì)上是由于無法預(yù)測(cè)未來無限時(shí)間內(nèi)，即全局狀態(tài)變化，只能通過預(yù)測(cè)有限時(shí)間內(nèi)飛機(jī)狀態(tài)變化，然后預(yù)警采取措施。這個(gè)滾動(dòng)預(yù)警、管制的結(jié)果相對(duì)于全局來說是局部的、次優(yōu)的。

基于ADS-B的滾動(dòng)預(yù)警體系，采用事件觸發(fā)滾動(dòng)。本項(xiàng)目以ADS-B消息更新為最小時(shí)間單位T，以T的整數(shù)倍作為監(jiān)控窗口的觸發(fā)時(shí)間，即

理論上，新一輪滾動(dòng)預(yù)警周期的觸發(fā)時(shí)間為

式中tp為關(guān)鍵事件發(fā)生的時(shí)刻，它意味著原有預(yù)測(cè)結(jié)果和調(diào)度方案的失效。某次預(yù)警結(jié)果制定的調(diào)度計(jì)劃所產(chǎn)生的效能可表示為

式中，表示時(shí)間段TP內(nèi)被執(zhí)行調(diào)度計(jì)劃序列產(chǎn)生的效能值；表示時(shí)間段TQ內(nèi)不被執(zhí)行調(diào)度計(jì)劃序列的效能值，它表示隨著窗口的滾動(dòng)被放棄。整個(gè)預(yù)警過程中完成執(zhí)行的總效能為：

通過以上分析可以看出，預(yù)警結(jié)果越準(zhǔn)確，原有的調(diào)度計(jì)劃序列就被保留，產(chǎn)生的總效能越大，這需要建立精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)模型，且預(yù)測(cè)時(shí)段必須受到限制。滾動(dòng)觸發(fā)周期過大，系統(tǒng)反應(yīng)越遲鈍，性能就越差。因此，建立準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)模型，減小預(yù)測(cè)誤差，提高預(yù)測(cè)仿真頻率（N與T越?。?，系統(tǒng)總效能更大。

1.4 滾動(dòng)更新流程

基于ADS-B技術(shù)的飛行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控過程中，所涉及的主要功能模塊、數(shù)據(jù)流和業(yè)務(wù)流程如圖3所示。

圖3 主要功能模塊及其數(shù)據(jù)流

圖3中，各模塊完成如下功能：

（1）報(bào)告匯總模塊根據(jù)接收的ADS-B消息，提供其他模塊可直接使用的ADS-B報(bào)告［7］；

（2）狀態(tài)估算模塊根據(jù)ADS-B提供的狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過濾波估算當(dāng)前狀態(tài)量x，y，z，φ，θ，φ，p，q，r，V，α，β；

（3）根據(jù)飛機(jī)當(dāng)前狀態(tài)，建立起小擾動(dòng)線性方程組，通過求逆，建立飛機(jī)當(dāng)前狀態(tài)的逆動(dòng)力學(xué)模型；

（4）逆動(dòng)力學(xué)模型根據(jù)輸入的狀態(tài)量，輸出δT，δa，δe，δr，等操作量；

（5）當(dāng)前統(tǒng)計(jì)模型假設(shè)在下一次收到廣播消息前，即時(shí)段［tk，tk+1］飛行員的操作服從當(dāng)前統(tǒng)計(jì)模型；

（6）動(dòng)力學(xué)模型根據(jù)飛機(jī)當(dāng)前狀態(tài)、飛行員當(dāng)前操縱、意圖信息報(bào)，計(jì)算一段時(shí)間［tk，tf］內(nèi)飛機(jī)狀態(tài)變化歷程。

2 ADS-B航跡預(yù)測(cè)

航跡預(yù)測(cè)采用蒙特卡羅仿真方法模擬飛行過程，對(duì)狀態(tài)變化進(jìn)行預(yù)測(cè)。該方法的基本原理是［6］：利用各種不同分布隨機(jī)變量的抽樣序列模擬實(shí)際系統(tǒng)，給出問題數(shù)值解的漸近統(tǒng)計(jì)估計(jì)值。利用蒙特卡羅方法模擬要解決兩個(gè)關(guān)鍵問題：①確定隨機(jī)變量及其概率密度函數(shù)；②產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)并再現(xiàn)隨機(jī)變量的概率分布情況。采用蒙特卡洛方法對(duì)當(dāng)前統(tǒng)計(jì)模型仿真的步驟，如圖4所示。

（1）獲取飛機(jī)當(dāng)前時(shí)刻tk位置、姿態(tài)、速度、角速度等狀態(tài)參數(shù)，并通過逆仿真更新輸入數(shù)據(jù)δk；

（2）若時(shí)間tk+1超出tf，終止仿真過程，否則進(jìn)入第（3）步；

（4）隨機(jī)抽樣抽樣方法：將δk的領(lǐng)域分成N個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間內(nèi)概率分布值均等；

（5）在每個(gè)δk的領(lǐng)域區(qū)間內(nèi)隨機(jī)采樣，然后使用飛行動(dòng)力學(xué)仿真模型計(jì)算時(shí)間段（tk，tk+1］內(nèi)狀態(tài)變化時(shí)間歷程；

（6）進(jìn)入步驟（1），進(jìn)行下一時(shí)段（tk+1，tk+2］仿真。

圖4 仿真步驟

圖5 仿真曲線族示意圖

圖5中的預(yù)測(cè)軌跡族中，每條軌跡的準(zhǔn)確概率是由操作輸入在時(shí)域上的準(zhǔn)確概率所決定。蒙特卡羅仿真方法就是從當(dāng)前值領(lǐng)域內(nèi)隨機(jī)取值，任一取值的概率相等，即任一航跡段隨機(jī)出現(xiàn)的概率也是相等的。因此，蒙特卡羅仿真方法每條軌線自身的準(zhǔn)確度轉(zhuǎn)換為空間上的準(zhǔn)確度?；舅枷刖褪牵弘m然每條軌跡都可能不是飛機(jī)未來飛行的真實(shí)軌跡，但根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)理論，飛機(jī)真實(shí)軌跡必然從這個(gè)預(yù)測(cè)軌跡族所形成的空間管路中產(chǎn)生，且預(yù)測(cè)軌跡越密集的區(qū)域，與真實(shí)航跡吻合度越大。

3 基于預(yù)測(cè)航跡的航跡沖突預(yù)警

本節(jié)采用預(yù)測(cè)模式對(duì)航跡沖突進(jìn)行預(yù)警，核心思想就是根據(jù)飛機(jī)當(dāng)前的飛行信息，對(duì)其在將來一段時(shí)間內(nèi)可能飛行的軌跡族進(jìn)行預(yù)測(cè)，基于此對(duì)將來可能發(fā)生的沖突危險(xiǎn)提前告警，可提前提醒機(jī)組做好避讓準(zhǔn)備，提高飛機(jī)飛行的安全性。

一般而言，需要對(duì)10 min～20 min內(nèi)可能存在的沖突進(jìn)行預(yù)警，由上節(jié)可知，采樣蒙特卡羅仿真方法進(jìn)行1 000步量級(jí)計(jì)算是一個(gè)計(jì)算爆炸過程。因此，在對(duì)多架飛機(jī)進(jìn)行飛行監(jiān)控，不可能完成對(duì)每架飛機(jī)整個(gè)RNP航路進(jìn)行仿真，并判斷飛機(jī)之間間距是否小于規(guī)定值。為此，本節(jié)采用如圖6所示的方法：

圖6 沖突探測(cè)及預(yù)警流程

（1）對(duì)每架飛機(jī)，預(yù)測(cè)10次仿真過程內(nèi)，飛行意圖是否與預(yù)測(cè)軌跡相吻合；

（2）如果吻合，則進(jìn)入第（4）步；

（3）如果不吻合，則對(duì)120步仿真內(nèi)目標(biāo)飛機(jī)的軌跡進(jìn)行仿真，預(yù)測(cè)沖突及撞地等危險(xiǎn)；

（4）根據(jù)飛機(jī)預(yù)測(cè)航跡段進(jìn)行粗過濾，濾掉明顯不可能發(fā)生沖突的情況。原理是使用基于飛行意圖的沖突預(yù)警方法，判斷不同飛機(jī)的各個(gè)航跡段在空間上是否交疊［1，4］。如果交疊，進(jìn)入第（5）步；否則結(jié)束；

（5）繼續(xù)采用沖突預(yù)警方法，對(duì)具有潛在沖突可能的航跡段，精確預(yù)測(cè)120步內(nèi)是否存在沖突［3，7］。

4 仿真實(shí)例

對(duì)飛機(jī)定速巡航過程進(jìn)行仿真預(yù)測(cè)。初始狀態(tài)：高度5 507.5 m，經(jīng)度102.592 8°，維度29.634 87°，速度V=386 km/h，姿態(tài)角度［φ,θ,ψ］T=［0.36°2.34°-153. 59°］T，角速度［p，q，r］T=［-0.21°/s-0.17°/s0.32°］T，油門及舵量［δT，δa，δe，δr］T=［50.8°0.82°-1.7°0.32°］T。

圖7 定速巡航過程仿真預(yù)測(cè)結(jié)果

圖7中，粗黑線為真實(shí)數(shù)據(jù)，紅色線為預(yù)測(cè)值。仿真結(jié)果表明，飛機(jī)的真實(shí)飛行軌跡位于預(yù)測(cè)曲線族所形成的區(qū)域內(nèi)，一定程度上反映了仿真模型的有效性。圖中，預(yù)測(cè)曲線族沒有經(jīng)過圖中所設(shè)定的藍(lán)色區(qū)域，若該區(qū)域表示某一障礙物，預(yù)測(cè)結(jié)果表明，飛機(jī)不會(huì)與該障礙物發(fā)生沖突；若該區(qū)域表示一條RNP飛行區(qū)域，仿真結(jié)果則表明，飛機(jī)的飛行意圖與此RNP不吻合。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文將基于ADS-B廣播消息的航跡沖突預(yù)測(cè)及告警方法，歸結(jié)為滾動(dòng)預(yù)警問題，從本質(zhì)上闡述了該方法的基本思想、監(jiān)控性能，建立了基于ADS-B消息的滾動(dòng)更新流程。給出了一種蒙特卡羅仿真方法和當(dāng)前統(tǒng)計(jì)模型相結(jié)合的仿真預(yù)測(cè)方法，該方法利用蒙特卡羅采樣的隨機(jī)性多次仿真，得到一個(gè)預(yù)測(cè)航跡族，空間區(qū)域內(nèi)這些隨機(jī)航跡段的數(shù)量反映未來民航飛機(jī)飛經(jīng)該區(qū)域的概率。該方法可拓展用于意圖驗(yàn)證、沖突預(yù)警、失速螺旋預(yù)警、重著陸預(yù)警等諸多方面。

［1］王天明.基于QAR數(shù)據(jù)的飛行安全模型研究［D］.天津：中國(guó)民航大學(xué)，2008.

［2］謝進(jìn)一，石麗娜.空中交通管理基礎(chǔ)［M］.北京：清華大學(xué)出版社,2012.

［3］王天明.基于QAR數(shù)據(jù)的飛行安全模型研究［D］.天津：中國(guó)民航大學(xué)，2008.

［4］姚姣.ADS-B監(jiān)視功能的性能研究和仿真［D］.成都：電子科技大學(xué)，2010.

［5］王強(qiáng)，施紅，胡明朗.基于ADS-B飛行安全實(shí)時(shí)監(jiān)控及半物理測(cè)試平臺(tái)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2015,23（1）：27-30.

［6］徐鐘濟(jì).蒙特卡洛方法［M］.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1985.

［7］胡曼.基于ADS-B的飛行航跡處理與濾波［D］.成都：電子科技大學(xué)，2012.

［8］施紅.基于ADS-B飛行安全實(shí)時(shí)監(jiān)控及預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.西安：空軍工程大學(xué)，2014.

Study on Rotative Warning of Flight Track Conflict Based on Real-Time Flight Data

WANG Kai-lun1，WANG Qiang1，SHI Hong1，XU Jie2，HU Ming-lang2
（1.Equipment Management&Safety Engineering College，Air Force Engineering University，Xi’an 710038，China；
2.PLA Military Representative Office at 783，Mianyang 621000，China）

In consideration of the strong real time properties of ADS-B broadcasting messages in civil aviation，a rotative warning technique based on these messages for flight track conflict is proposed in this paper.It is a simulation prediction technique that combines Monte Carlo simulation and current statistics model.Random multiple simulations that use Monte Carlo sampling produce a predicted flight track family；the quantity of these random flight track segments in a spatial zone represents the probability that the aircrafts may fly through this zone in the future.This technique may be applied to intention confirmation，conflict warning,stalled spiraling warning,and hard landing，etc.This technique is then exemplified by aircraft flight track conflict probability computation and the simulation results confirm the validity of this technique.

ADS-B，real-time flight data，flight track conflict，rotative warning，flight safety

TP73

A

1002-0640（2015）12-0119-04

2015-02-15

2015-03-01

王凱倫（1991-），男，北京人，碩士研究生。研究方向：裝備維修管理。