章學鋒 馮濤
摘 要 本文簡要介紹了機載間隔管理的工作原理,描述了機載間隔管理的關(guān)鍵技術(shù)及其系統(tǒng)實現(xiàn)方法,并通過半物理仿真方式對系統(tǒng)進行了初步測試,驗證了機載間隔管理系統(tǒng)的技術(shù)能力,表明了機載間隔管理實現(xiàn)的可行性,最后指出機載間隔管理在當前階段下的現(xiàn)實意義,也是未來空中航行管理的發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞 機載間隔管理;飛行安全;沖突探測
前言
空中間隔管理最基本的方法是飛行規(guī)則和地面ATC人員的管制指揮。當因管制員指揮失誤、管制設(shè)備故障等各種原因?qū)е嘛w行出現(xiàn)了沖突碰撞危險時,空中交通防撞系統(tǒng)TCAS將發(fā)揮作用,提前發(fā)出預(yù)警并在最后階段給出碰撞解脫咨詢,確保飛機及時調(diào)整飛行高度以避免碰撞。TCAS是戰(zhàn)術(shù)級的防撞手段,具有典型的“應(yīng)急”、“緊急”特征,不具備靈活性,無法支持飛行員靈活飛行的咨詢建議和管理。
機載間隔管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)基于ADS-B技術(shù)的空中沖突管理(沖突檢測、沖突預(yù)警、沖突解脫),可以在較大范圍內(nèi)給出沖突預(yù)警,支持自主間隔保障,極大程度上支撐飛行靈活性的需要。系統(tǒng)成本低,可以實現(xiàn)與現(xiàn)行TCAS的兼容。
1 機載間隔管理技術(shù)
1.1 基本原理及關(guān)鍵技術(shù)
在實際處理中,根據(jù)飛機的速度、航向和三維位置建立以時間間隔和空間間隔結(jié)合的沖突區(qū)域,包括沖突避免區(qū)(CAZ)和保護間隔區(qū)(PAZ)。沖突檢測的方法是通過計算兩架飛機在未來一定時間段內(nèi)是否存在PAZ/CAZ區(qū)域相互交疊的可能性,以及保護區(qū)域相互交疊的時間等信息來判斷沖突的可能和危險級別,提出的沖突解決措施不能產(chǎn)生新的沖突狀況[1]。TCAS系統(tǒng)能夠在飛機之間出現(xiàn)沖突危險后給出解決措施,機載間隔管理系統(tǒng)要完成“事后”,還要在“事前”即出現(xiàn)威脅之前就能預(yù)測到?jīng)_突的發(fā)生,進而提出避免的方法。
1.2 系統(tǒng)實現(xiàn)方法
(1)信息融合方法
基于多源監(jiān)視信息的差異性,采用局部最優(yōu)結(jié)合最后的全局最優(yōu)估計的信息融合方法。子系統(tǒng)1到N分別與主系統(tǒng)由局部濾波器1到N進行組合,完成局部最優(yōu)狀態(tài)估計。這一層是并行處理的分散最優(yōu)估計,是基于測量空間的分散化估計,經(jīng)過局部最優(yōu)估計后再由全局濾波器進行融合,以獲得組合導(dǎo)航和監(jiān)視系統(tǒng)的全局最優(yōu)融合估計。
對于線性離散系統(tǒng),若由N個局部濾波器得到的狀態(tài)估計為,假設(shè)局部估計不相關(guān),相應(yīng)的估計誤差方差為,則全局最優(yōu)估計為:
(2)沖突檢測方法
①水平方向侵入保護區(qū)。當垂直速度為零時,如果將有沖突發(fā)生,垂直方向上已處于保護區(qū)內(nèi),同時水平方向上進入保護區(qū)。為本機與目標機在水平面上的相對位置,為相對速度水平方向分量,假設(shè)本機為坐標中心,則目標機在秒后的位置為。這里和均是水平方向上的二維向量。設(shè)
在檢驗是否有沖突時,需要判斷的是判別式是否大于零。所以只需計算是否大于零。
②垂直方向侵入保護區(qū)。如果垂直速度不為零,需要考慮目標飛機從水平方向和垂直方向侵入本機保護區(qū)的時間。垂直方向侵入保護區(qū)的時間為:
(3)系統(tǒng)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)
為實現(xiàn)空中間隔管理功能,系統(tǒng)與本地信息源GPS、氣壓高度編碼表、ADS-B機載端機、TCAS和CDTI等設(shè)備交聯(lián)。其中,本地信息源為系統(tǒng)提供本地導(dǎo)航信息,包括飛機的位置、時間、水平速度和垂直速度等;ADS-B、TCAS、數(shù)據(jù)鏈等設(shè)備通過旁路輸入作用距離內(nèi)的目標數(shù)據(jù)報告,提供周邊空域的交通態(tài)勢;CDTI接收系統(tǒng)提供的告警信息,當檢測到?jīng)_突時顯示相關(guān)告警信息和解脫建議。系統(tǒng)組成及交聯(lián)關(guān)系如圖1所示。
1.3 仿真測試
通過系統(tǒng)主機結(jié)合模擬信息源和專用軟件仿真測試,對系統(tǒng)技術(shù)進行了驗證,表明系統(tǒng)在仿真條件下的可行性。數(shù)據(jù)鏈模擬器軟件通過設(shè)置可產(chǎn)生和代替數(shù)據(jù)鏈設(shè)備發(fā)出UAT、1090ES等報文,模擬實驗室環(huán)境下的真實數(shù)據(jù)[2]。利用Creator和Vega軟件配置輸入,仿真三級沖突檢測算法,根據(jù)算法計算結(jié)果表明在路徑交叉點周圍發(fā)生沖突,并給出相應(yīng)沖突級別、沖突時間和極坐標位置。軟件仿真測試界面如圖2所示。
2 結(jié)論與展望
空中間隔管理系統(tǒng)在現(xiàn)階段下可以依賴ADS-B和TCAS數(shù)據(jù)源,并可結(jié)合TIS-B、S模式數(shù)據(jù)鏈等數(shù)據(jù)源,獲得高精度的目標定位和交通態(tài)勢,從而支撐間隔保持和沖突避免。但仍然存在一些需要改善的問題,如ADS-B數(shù)據(jù)的可用性、S模式數(shù)據(jù)鏈的更新速率等,這些問題會影響對目標精確定位的可靠性,給沖突檢測及解脫帶來誤差,從而影響飛行安全,抑制飛行靈活性。
參考文獻
[1] 張軍.現(xiàn)代空中交通管理[M].北京航空航天大學出版社,2005:112-114.
[2] 杜萬營,陳惠萍.ADS-B監(jiān)視技術(shù)在空中交通服務(wù)中的應(yīng)用研究[J].中國民航大學學報,2008,28(6):23-28.