翟文鵬, 齊莉, 張詩童

(中國民航大學(xué) 空中交通管理學(xué)院, 天津 300300)

采用飛行流模擬方法的ADS-B平行航路縱向安全間隔評估

翟文鵬, 齊莉, 張詩童

(中國民航大學(xué) 空中交通管理學(xué)院, 天津 300300)

利用ADS-B監(jiān)視下的PBN平行航路能夠提高空域資源使用效率功能,設(shè)計了基于現(xiàn)有雷達(dá)數(shù)據(jù)的平行航路飛行流模擬方法。利用飛行動力學(xué)模型,建立了考慮ADS-B監(jiān)視信號更新周期的PBN平行航路縱向安全間隔評估模型,進行飛行流運行特性仿真并得到飛機對的潛在沖突次數(shù),驗證了監(jiān)視信號掃描周期對飛行流整體碰撞風(fēng)險的影響。該方法實現(xiàn)了在飛行流整體運行下對平行航路進行風(fēng)險評估。

空域規(guī)劃; 平行航路; 縱向間隔; 碰撞風(fēng)險; ADS-B監(jiān)視; 飛行流模擬

0 引言

隨著我國空中交通流量的不斷增長,空域資源緊張導(dǎo)致嚴(yán)重的航班延誤。平行航路[1]的運行能夠有效提升空域容量,緩解航班延誤,特別是PBN和ADS-B等新的運行理念和新技術(shù)的應(yīng)用更加充分地發(fā)揮了平行航路的優(yōu)勢。Reich 模型[2-4]、基于事件的模型[5-8]、隨機非分方程[9]等模型的應(yīng)用實現(xiàn)了平行航路飛行間隔安全評估。文獻(xiàn)[10]對統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行分析,設(shè)計了ADS-B航路安全間隔評估方法。文獻(xiàn)[11-12]以飛行動力學(xué)模型建立航跡并對沖突分先進行探測。文獻(xiàn)[13]考慮管制員干預(yù)次數(shù)對碰撞的影響,建立了基于人的因素的平行航路碰撞風(fēng)險模型,提出了有雷達(dá)管制間隔分別無非侵入?yún)^(qū)和有非侵入?yún)^(qū)條件下,出現(xiàn)飛行沖突需要管制員干預(yù)的計算模型。

根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)資料可知,大部分理論研究通過引入不同形式的碰撞模板,采用解析分析方法建立碰撞風(fēng)險數(shù)學(xué)模型;而采用模擬方法進行安全評估的相對較少,特別是飛行流模式下的空域整體安全性評估研究相對不足。本文基于局部分析與整體綜合相銜接、平行航路空域規(guī)劃構(gòu)型與飛行流相協(xié)調(diào)、解析和模擬方法相結(jié)合的基本思路,提出ADS-B監(jiān)視下的PBN平行航路空域規(guī)劃安全性評估方法,為推動PBN技術(shù)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 飛行流模擬方法

關(guān)于平行航路縱向安全間隔的評估主要是考慮兩架航班之間的碰撞風(fēng)險,本文根據(jù)平行航路所在空域的原始飛行流量統(tǒng)計數(shù)據(jù),在設(shè)定的縱向間隔標(biāo)準(zhǔn)下進行飛行流模擬,從而評估平行航路整體碰撞風(fēng)險。飛行流模擬流程如圖1所示。首先統(tǒng)計某條平行航路上航班高度、速度及進入航路的時間間隔,得到統(tǒng)計分布規(guī)律。以此統(tǒng)計規(guī)律模擬平行航路上的飛行流,設(shè)定平行航路縱向間隔標(biāo)準(zhǔn),小于間隔標(biāo)準(zhǔn)的航班不能作為模擬的飛行流航班。

2 碰撞風(fēng)險模型

2.1 飛行運動模型

從空中交通管制員的角度看,飛機的運動可以被認(rèn)為質(zhì)點運動,且在大量空中交通管理研究中被采用,飛機質(zhì)點運動學(xué)模型為：

(1)

(2)

式中:x,y為飛機水平位移;z為飛行高度;V為真空速;ψ為航向角;m為飛機質(zhì)量;w1,w2分別為風(fēng)速的水平分量;w3為風(fēng)速的垂直分量;T為發(fā)動機推力;D為空氣阻力;L為升力;φ為側(cè)傾角;η為燃油消耗率;S為機翼面積;ρ(z)為在高度z處的空氣密度;CL為升力系數(shù);CD為阻力系數(shù)。

2.2 飛機對縱向重疊概率計算

廣播式自動相關(guān)監(jiān)視(ADS-B)功能是基于空-空、空-地數(shù)據(jù)鏈通信技術(shù),通過GNSS接收機實現(xiàn)定位的集通信、監(jiān)視兩種技術(shù)為一體的民航空管系統(tǒng)。飛機通過數(shù)據(jù)鏈周期性地傳遞它們的位置,在ATC控制臺上顯示的目標(biāo)位置和實際飛機位置是不相同的,是因為報告的位置和航班實際的位置、速度估計之間會有測量誤差。這種位置誤差在管制員接收下一次位置信息報告之前有增長的趨勢。兩架飛機收到最后一條消息后的縱向間隔為：

d=x1-x2+v1t-v2t

(3)

式中:x1和x2為兩架并排飛機關(guān)于報告位置的位置誤差;v1和v2為估計的兩架飛機沿縱向的速度;t為從接受到第一架飛機傳送的最后一條消息開始的報文處理時間。

典型飛機對的縱向重疊概率為:

fd(u,v1,v2,t,ΔT)fv(v1)fv(v2)dudv1dv2dt

(4)

式中:xs為最小間隔標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定值;T為報告時間的時間間隙;ΔT為地面系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)時間;λx為航班長度;fd(u,v1,v2,t,ΔT)為縱向間隔概率密度函數(shù);fv(v)為縱向速度的預(yù)測誤差的概率密度函數(shù)。

2.3 飛行流縱向碰撞風(fēng)險

平行航路上同高度前后兩架航班間隔為x時的碰撞風(fēng)險為：

Nx(x,T)= 2Py(0)Pz(0)Px(x,T)×

(5)

式中:Py(0)和Pz(0)分別為側(cè)向和垂直重疊概率,數(shù)值大小與平行航路導(dǎo)航規(guī)范相關(guān);Px(x,T)為兩架航班縱向重疊概率;vx(x),vy(x),vz(x)為航班間隔為x時兩架航班縱向、側(cè)向和垂直接近速度;λx,λy,λz為航班長度、翼展和高度。

飛行流縱向碰撞風(fēng)險平均值為:

(6)

式中:nx為間隔為x的飛行流航班數(shù)。

3 飛行流整體碰撞風(fēng)險評估算例

本文針對我國某個扇區(qū)的某條航路飛行流進行統(tǒng)計,并模擬在該扇區(qū)設(shè)計平行航路的飛行流。該平行航路設(shè)計為單向運行,在這里設(shè)置不同縱向間隔、不同ADS信號間隔下的RNAV-1下的縱向間隔評估結(jié)果。模擬的航班間隔標(biāo)準(zhǔn)為12 km,共4萬架次,航班流間隔分布如圖2所示,該分布數(shù)據(jù)為平行航路飛行流整體碰撞風(fēng)險評估的先決條件。

圖2 飛行流航班對間隔分布圖Fig.2 Flight pair interval distribution chart

針對不同飛行間隔標(biāo)準(zhǔn),設(shè)定ADS信號更新周期為10 s,平行航路導(dǎo)航規(guī)范為RNAV-1,在間隔標(biāo)準(zhǔn)為10～18 km分別進行飛行流碰撞風(fēng)險評估。評估結(jié)果如圖3所示,圖中實線為國際民航組織規(guī)定的安全目標(biāo)水平NTSL=0.5×10-8,本文導(dǎo)航監(jiān)視性能數(shù)據(jù)評估結(jié)果的安全間隔為15.5 km。

圖3 飛行流碰撞風(fēng)險評估結(jié)果Fig.3 Flight flow collision risk assessment results

飛行流在平行航路運行過程中,當(dāng)同航路同高度前后航班之間間隔小于某一距離時即存在潛在沖突,管制員會對沖突進行調(diào)配。如圖4所示,統(tǒng)計模擬的飛行流小于間隔標(biāo)準(zhǔn)x+5 km范圍內(nèi)的同航路、同高度的航班占比γ可以對飛行流整體的運行態(tài)勢進行評估,未來可以考慮飛行流潛在沖突對管制工作負(fù)荷的影響進行量化。

圖4 飛行流航班對潛在沖突航班比例圖Fig.4 Flight pair potential conflict scale map

針對不同飛行間隔標(biāo)準(zhǔn),本文設(shè)定平行航路導(dǎo)航規(guī)范為RNAV-1,ADS信號更新周期分別為10 s,100 s,200 s進行飛行流碰撞風(fēng)險評估。評估結(jié)果如圖5所示,圖中實線為國際民航組織規(guī)定的安全目標(biāo)水平NTSL=0.5×10-8。針對本文導(dǎo)航監(jiān)視性能數(shù)據(jù)評估結(jié)果的安全間隔分別為15.5 km,16.25 km和17.51 km?？梢婋S著信號更新周期增大,安全目標(biāo)水平的安全標(biāo)準(zhǔn)間隔變大。

圖5 不同監(jiān)視信息更新周期下的飛行流碰撞風(fēng)險評估結(jié)果Fig.5 Flight flow collision risk assessment results under different monitoring information update cycle

4 結(jié)束語

本文建立了針對飛行流模式下的局部與整體相銜接、解析與模擬相結(jié)合的平行航路縱向間隔安全評估方法。在飛行流模擬的基礎(chǔ)上,建立了平行航路縱向碰撞風(fēng)險模型,并對飛行流整體運行態(tài)勢、潛在沖突和評價風(fēng)險進行評估。下一步的研究應(yīng)在評估過程中考慮管制員沖突解脫過程對于縱向碰撞風(fēng)險的影響,為新技術(shù)應(yīng)用下平行航路空域規(guī)劃和運行安全評估提供理論方法。

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(編輯：李怡)

ADS-B parallel route longitudinal safety interval evaluation with flight flow simulation method

ZHAI Wen-peng, QI Li, ZHANG Shi-tong

(College of Air Traffic Management, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China)

A parallel route flight flow simulation method based on existing radar data was designed by using the PBN parallel route surveilled by ADS-B, which could improve efficiency in the airspace resources. Based on the flight dynamic model, a PBN parallel route longitudinal safety interval evaluation model with ADS-B monitoring signal update cycle was established to proceed the flight flow performance simulation, the aircraft pair potential collision risk were got. The effects of monitoring signal of the scan cycle on collision risk of overall flight flow were verified. The method realized the risk assessment on parallel route under the overall flight flow operation.

airspace planning;parallel route; longitudinal interval; collision risk; ADS-B monitor; flight flow simulation

2015-02-03;

2015-05-06;

時間:2015-06-24 15:03

國家自然科學(xué)基金資助(71171190，61179042，U1333116)；國家空管科研課題(GKG201405002)；中央高?；究蒲薪?jīng)費資助(ZXH2012M003，3122014D038)；中國民航大學(xué)科研啟動基金資助(2012QD02X)；大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(201410059082)

翟文鵬(1985-)，男，天津人，講師，博士，研究方向為空中交通規(guī)劃與管理。

V355.1

A

1002-0853(2015)05-0464-03