馬 昕 潘衛(wèi)軍 李 夏 高俊杰

(中國民用航空飛行學(xué)院空中交通管理學(xué)院 四川 廣漢 618307)

0 引 言

當(dāng)前，中低空空域的階段性開放使貨物運輸和空間監(jiān)測等任務(wù)廣泛采用由載人運輸機改裝而成的無人機執(zhí)行，合理利用機載設(shè)備精準(zhǔn)和可控性強的優(yōu)點，使公共和商業(yè)運輸類無人機向大型化、遠途化、高效化發(fā)展[1]。通過現(xiàn)階段研究發(fā)現(xiàn)，大型無人機飛行任務(wù)的安全研究可分成三個方向：(1) 將一定范圍的空域作為整體進行研究，確定航空器之間的沖突關(guān)系，利用設(shè)置安全裕度的辦法，提升飛行安全和效率[2]；(2) 機載導(dǎo)航設(shè)備的工作模式和有效性研究，由于飛行中無人機始終處于運動狀態(tài)，所以通過捕捉地面和空中障礙物，提前鎖定運動目標(biāo)或運動目標(biāo)的預(yù)計飛行軌跡，通過計算獲得規(guī)避它們的飛行姿態(tài)[3]；(3) 算法融合研究，通過計算相對距離，運用多維坐標(biāo)系，重新設(shè)計和優(yōu)化飛行路徑[4]。

從以上研究可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段的運行規(guī)范和運行效果，對空域沖突和協(xié)同運行等問題，缺乏一種可以用于指導(dǎo)的具體管理辦法，缺少對目標(biāo)空域定量的評價方法。同時未能全面考慮機場運行模式、終端區(qū)空域結(jié)構(gòu)和航空器飛行特征等問題，使現(xiàn)階段的無人機與多架航空器之間展開飛行任務(wù)時，還存在較大的可以被優(yōu)化利用的區(qū)域或間隔。通過充分考慮真實運行環(huán)境，歸納各個影響因素的權(quán)重，設(shè)計計算模型，可以獲得無人機飛行安全等級評價結(jié)果和空域密度結(jié)果，可有效降低發(fā)生沖突的概率，合理使用飛行區(qū)域，為空域管理和規(guī)劃提供了參考和依據(jù)。

1 研究重點

國際民航組織ICAO在飛行標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，航空器之間的沖突狀態(tài)可以表示為概率性事件，其中在目標(biāo)空域內(nèi)的垂直和水平之間發(fā)生的碰撞，用飛行安全等級LFS表示，一次危險沖突記錄為產(chǎn)生了兩次事故，單位為次事故/執(zhí)飛小時[5]。飛行安全等級評估和應(yīng)用可以從三個階段進行設(shè)計：(1) 根據(jù)真實飛行環(huán)境確定目標(biāo)空域內(nèi)的航行要素，融合運行條件，合理設(shè)計評價模型；(2) 經(jīng)過模型的分析和計算，建立事故發(fā)生概率的模型，獲取事故次數(shù)和飛行時間的關(guān)系，將計算結(jié)果和ICAO設(shè)置的飛行安全值進行比較，獲得目標(biāo)空域內(nèi)各個種類的飛行器之間的最小安全距離；(3) 將最小安全距離的結(jié)果應(yīng)用到空域密度評估中，以及無人機監(jiān)測任務(wù)飛行安全區(qū)域的設(shè)計中，獲得真實的無人機安全飛行空域，可能產(chǎn)生沖突的過渡區(qū)域和不安全區(qū)域。仿真實驗的難點在于無人機較多采用全球定位系統(tǒng)進行導(dǎo)航和定位，計算模型應(yīng)該充分考慮設(shè)備精度問題。同時飛行技術(shù)容差、目標(biāo)空域的運輸機飛行程序和航空器飛行特征，也是飛行安全等級評估參數(shù)的重要組成部分。

2 建立評估模型

通過研究發(fā)現(xiàn)，無人機之間，或無人機與運輸機之間的沖突存在三類情況：(1) 無人機非法飛行事件多出現(xiàn)在運輸機機場周邊，飛行高度為真高1 000米以下的區(qū)域內(nèi)；(2) 無人機合法飛行主要集中在遠離運輸機機場的區(qū)域，飛行高度為真高3 000米以下；(3) 無人機勘探或監(jiān)測任務(wù)，飛行區(qū)域和高度均隨待測目標(biāo)而確定[6]。所以，若無人機飛行任務(wù)為勘探或監(jiān)測類任務(wù)，同時待測目標(biāo)又位于運輸機機場附近，在這種情況下產(chǎn)生飛行沖突的概率會大大提升。建立合適的無人機飛行保護區(qū)，完成目標(biāo)空域內(nèi)飛行安全水平的評估，建立合適的空域密度和執(zhí)行飛行任務(wù)的區(qū)域，將能夠保障空域的運行安全和效率。

2.1 建立無人機飛行保護區(qū)

在無人機結(jié)構(gòu)中心上設(shè)置飛行保護區(qū)原點，建立半徑為r的圓球保護區(qū)，設(shè)λ1x、λ1y和λ1z分別為無人機長、高和翼展在坐標(biāo)軸上的數(shù)據(jù)。由此可得保護區(qū)公式：

(1)

當(dāng)無人機結(jié)構(gòu)中心的原點與任意物體表面一點的距離S，存在S

圖1 球形保護區(qū)

2.2 建立無人機間評價模型

實驗對象為大型無人機，根據(jù)球形保護區(qū)產(chǎn)生原理，在目標(biāo)空域內(nèi)任意找到兩個位置點A1(x1(t,Δt),y1(t,Δt),z1(t,Δt))和A2(x2(t,Δt),y2(t,Δt),z2(t,Δt))，表示當(dāng)時間為t時，實驗飛機1號和2號所處位置點。如果兩架實驗飛機的相對角θ滿足數(shù)學(xué)關(guān)系：0°<θ<90°，與此同時，實驗飛機的飛行趨勢分別為爬升和下降，那么則存在如下數(shù)學(xué)關(guān)系：任意時間間隔Δt，t∈[0,t′]和t′=min{tC-Δt，tD-tB},設(shè)置d為實驗飛機與交點O之間的距離，代入位置點的表達式后，可以獲得公式如下：

(2)

(3)

式中：i表示實驗飛機編號；n表示在目標(biāo)空域內(nèi)預(yù)設(shè)飛行路徑交點O所構(gòu)成的直角坐標(biāo)系x、y、z軸；ε為坐標(biāo)系方位容差。整理后代入時間t，則兩架實驗飛機在坐標(biāo)軸上的距離可表示為：

(4)

以及：

(5)

式中：α和β分別表示實驗飛機1號和2號在預(yù)設(shè)飛行路徑交點O與水平面之間的夾角。

根據(jù)空域航行關(guān)系，假設(shè)實驗飛機1號和2號在原點O的坐標(biāo)軸上存在對稱的距離，它們是S12x(t，Δt)、S12y(t，Δt)和S12z(t，Δt)，則可得時間間隔關(guān)系：Δt∈[0，tn-tn-1)。當(dāng)t為一個已知的固定值時，在目標(biāo)空域內(nèi)存在對稱的航行距離關(guān)系為：

(6)

如果實驗飛機圍繞交點O，存在合理的對稱距離，則該數(shù)據(jù)可表示實驗飛機之間的航行間隔。若ICAO設(shè)置的安全值等于這個距離數(shù)據(jù)，則當(dāng)實際航行間隔大于這個數(shù)值時，表示按先設(shè)飛行路徑繼續(xù)執(zhí)飛是安全的；反之則需調(diào)整，或中斷當(dāng)前飛行任務(wù)。所以，計算獲得目標(biāo)空域內(nèi)實際飛行條件下的航行間隔，用它和安全值進行比較，可獲得最小間隔，這個結(jié)論可以用于構(gòu)成LFS評估數(shù)值。

當(dāng)前，大型無人機多搭載全球定位系統(tǒng)進行導(dǎo)航和監(jiān)視，由于其精度較高，則在x、y和z軸方向上的方位容差滿足σix(i=1,2)，呈現(xiàn)高斯隨機分布，可以實現(xiàn)主動飛行。結(jié)合無人機保護區(qū)半徑r和最小間隔S，可獲得沖突模型如下：

(7)

其中：

(8)

(9)

因為在實際運行中，時間間隔Δt呈現(xiàn)區(qū)間狀態(tài)，表示為Δt∈(0，tC)。實驗飛機1號和2號按各自預(yù)設(shè)飛行線路開展任務(wù)，則沖突概率總值CP可表示為：

(10)

飛行器執(zhí)行完整任務(wù)的可行性，每10萬飛行小時嚴重故障的發(fā)生率，飛行技術(shù)人員操作技巧的可靠性和非設(shè)備原因任務(wù)失敗概率，分別設(shè)置為u1、u2、u3和u4。假設(shè)當(dāng)前飛行器數(shù)量為N，結(jié)合一次沖突記錄為產(chǎn)生兩次事故的規(guī)定和式(10)，則目標(biāo)空域飛行安全等級評估CR的表達式為：

CR=2(1-u1)·u2·(1-u3)·(1-u4)·N·CP

(11)

統(tǒng)計自2008年起近十年公開的無人機實際飛行數(shù)據(jù)，篩選其中執(zhí)行任務(wù)次數(shù)最多的三種機型，以及和目前國內(nèi)已投入運行的兩種機型任務(wù)數(shù)據(jù)，如表1所示。其中，MTBF(Mean Time Between Failure)、可用度、飛行技術(shù)可靠性和非設(shè)備原因可靠性分別表示故障偶然發(fā)生平均值、執(zhí)行飛行任務(wù)的狀態(tài)、任務(wù)完成質(zhì)量和氣象因素致任務(wù)失敗率[7]。

表1 無人機執(zhí)飛人任務(wù)數(shù)據(jù)

由表1數(shù)據(jù)推導(dǎo)u1至u4，則有：

(12)

式中：Ri表示可靠性參數(shù)；Si表示目標(biāo)空域內(nèi)飛行器數(shù)量。同理將故障次數(shù)代入Ri，Si不變，則可同理獲得u2表達式。

根據(jù)對近十年飛行數(shù)據(jù)的分析后發(fā)現(xiàn)，人為操作原因是事故占比最高的因素，在所有事故中占比約9%，則飛行技術(shù)可靠性1-u3=1-9.62%=90.38%，又因為非設(shè)備因素致任務(wù)失敗主要體現(xiàn)在氣象因素復(fù)雜，其占比為11%，則1-u4=1-11.32%=88.68%。

2.3 建立無人機與運輸機間評價模型

實驗對象為大型無人機和載人運輸飛機，根據(jù)球形保護區(qū)和ICAO規(guī)定的運輸機航線保護區(qū)設(shè)計規(guī)范，建立兩架實驗飛機間相對速度vr(km/h)、相對距離DREL和目標(biāo)空域體積V(km3)的表達式，則有：

(13)

DREL=vREL(vr)·t

(14)

V=λyλz[vREL(vr)t+λx]

(15)

式中：r為球形保護區(qū)半徑；α、β、θ依次為實驗飛機與以O(shè)為原點的x軸、無人機與速度軸向、運輸機與速度軸向之間的夾角。由此可得可能產(chǎn)生沖突的結(jié)論：若經(jīng)過時間t，實驗飛機處于目標(biāo)空域容積V中，則表示兩架實驗飛機存在沖突的可能。

因為終端區(qū)運輸機飛行程序多為傳統(tǒng)程序，即不完全依靠衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進行航跡引導(dǎo)，而是通過地面導(dǎo)航設(shè)備引導(dǎo)至預(yù)先規(guī)劃的航路點，完成終端區(qū)飛行。所以在此情況下，合理規(guī)避已有航路點進行無人機執(zhí)飛空域范圍評價是很有必要的，可使執(zhí)飛任務(wù)效果最大化。設(shè)沖突關(guān)系C=ρV，則在時間t內(nèi)，N為目標(biāo)空域飛行器數(shù)量，ρ為目標(biāo)空域密度，發(fā)生沖突的概率表達式為：

(16)

(17)

綜上所述，建立實驗飛機在目標(biāo)空域內(nèi)的飛行安全等級(LFS)表達式如下：

CR=CR′(1-P)k1k2=

[(1-p1p2)(1-p3p4)(1-p3p5p6)p7]×

(18)

根據(jù)計算模型AHMEMCR(Airspace Human Machine Environment and Management Collision Risk model)研究現(xiàn)狀設(shè)置P1至P7這7項參數(shù)[8]。它們分別是：預(yù)防機制可靠性、管制員能力、TCAS可靠性、機組駕駛技術(shù)能力、無人機的飛行可靠性、無人機駕駛?cè)藛T技術(shù)能力、故障概率。通過以上設(shè)置，建立多種影響因素指標(biāo)，第一次獲得基于大型無人機在目標(biāo)空域內(nèi)的飛行安全等級評估模型，并獲得了可以被量化的結(jié)果。

3 仿真實驗設(shè)計和應(yīng)用

終端區(qū)運行主要考慮機場與各航路點位置關(guān)系，爬升高度范圍和航路銜接方式?；诮K端區(qū)結(jié)構(gòu)特點進行仿真實驗設(shè)計，可使計算結(jié)果更具針對性，同時驗證計算模型的普遍性。

仿真實驗設(shè)計分為無人機之間、無人機與運輸機之間的飛行安全等級評估。無人機實驗對象選擇速度較快、體積較大的機型，運輸機實驗對象根據(jù)某機場夏秋季節(jié)航班運行情況，選擇B787-700機型。同時，當(dāng)前季節(jié)下機場每小時進港航班數(shù)量約為23架次，離港航班數(shù)量約為27架次，參考現(xiàn)行有效飛行程序，則終端區(qū)結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2中ARP為機場基準(zhǔn)點，點A1至A3位進場航路點，點D1至D3為離場航路點，待測目標(biāo)位于進、離場航線所圍成的三角形區(qū)域中。通過對民航管制間隔規(guī)定研究發(fā)現(xiàn)，在目標(biāo)空域內(nèi)兩架飛行器處于面對面飛行，且其中一架處于爬升趨勢，另一架處于下降趨勢時，設(shè)置了最大的安全裕度，說明將產(chǎn)生最大可能的沖突概率。仿真實驗基于這種運動狀態(tài)，結(jié)合ICAO設(shè)置的安全值進行仿真實驗設(shè)計。

圖2 終端區(qū)航路點結(jié)構(gòu)

3.1 無人機間仿真實驗計算

實驗飛機均裝備了全球定位系統(tǒng)，飛行任務(wù)為丘陵地形機場周邊的目標(biāo)監(jiān)測，飛行高度限制在海拔高度3 000米以下。實驗飛機參數(shù)如表2所示。

表2 實驗機飛行數(shù)據(jù)1

根據(jù)飛行狀態(tài)和加入目標(biāo)空域的順序，仿真實驗設(shè)置如下。情況一：前機體積較大，后機體積較小，設(shè)置α=20°、β=10°和γ=140°；情況二：前機體積較小，后機體積較大，α=20°、β=10°和γ=130°；情況三：前后兩機集體相當(dāng)，α=20、β=10°和γ=60°。其中三種情況下的角度數(shù)據(jù)設(shè)置參照了ICAO航行要素規(guī)定的最佳切入角數(shù)據(jù)[9]。

將表2參數(shù)和上述三組仿真實驗設(shè)置代入式(11)，可獲得飛行安全等級和間隔關(guān)系曲線，根據(jù)關(guān)系曲線的趨勢，參照ICAO設(shè)置的安全值1.5×10-8(次事故/執(zhí)飛小時)，獲得兩架實驗飛機面對面飛行時，采取爬升和下降趨勢各一的情況，則安全間隔計算結(jié)果分別為：情況一：Smin(1)>1.452 km；情況二：Smin(2)>1.254 km；情況三：Smin(3)>1.393 km。仿真結(jié)果曲線如圖3所示。

圖3 無人機間仿真結(jié)果曲線圖

3.2 無人機與運輸機仿真實驗計算

運輸機仿真實驗設(shè)計需考慮尾流影響，則空域密度需在考慮飛行安全等級的基礎(chǔ)上，綜合分析管制手段的影響得出具體可實施的結(jié)論。實驗飛機參數(shù)如表3所示。

表3 實驗機飛行數(shù)據(jù)2

仿真實驗設(shè)置如下。情況四：運輸機在前，實驗飛機在后，設(shè)置α=20°、β=10°和γ=140°；情況五：實驗飛機在前，運輸機在后，α=20°、β=10°和γ=130°。其中兩種情況下的角度數(shù)據(jù)設(shè)置參照了ICAO航行要素規(guī)定的最佳切入角數(shù)據(jù)。

根據(jù)運輸機參數(shù)建立尾流公式：

(19)

式中：CL為升力系數(shù)；vA為運輸機平飛速度；sA為機翼面積；b為翼展，由此可獲得前機在目標(biāo)空域內(nèi)平飛時的尾流強度[10]。又因為飛行安全等級為間隔數(shù)據(jù)，令aA為目標(biāo)空域內(nèi)任意一點與尾渦中心的距離，則由式(19)可推導(dǎo)出基于尾流強度而需要增加的距離：

(20)

將表3中的飛機參數(shù)和第五組仿真實驗數(shù)據(jù)代入式(11)和式(20)，使用P1至P7的結(jié)論數(shù)據(jù)，同時將當(dāng)前空域的風(fēng)速、風(fēng)向、露點溫度等氣象條件參數(shù)，飛行員和空管人員接受的培訓(xùn)教育、監(jiān)控和協(xié)調(diào)能力等設(shè)置為優(yōu)良，參照ICAO設(shè)置的安全值1.5×10-8(次事故/執(zhí)飛小時)，獲得了兩組組實驗結(jié)果Smin(4)>5.402 km和Smin(5)>4.933 km，如圖4所示。

圖4 無人機與運輸機間仿真結(jié)果曲線圖

將以上結(jié)果使用ICAO飛行程序設(shè)計規(guī)范進行驗證，滿足區(qū)域?qū)Ш较碌脑O(shè)計要求，滿足客觀事實。利用區(qū)域?qū)Ш絉NAV1(regional area navigation)和RNAV2設(shè)計規(guī)范(其中數(shù)字表示運輸機側(cè)向飛行間隔為1或2海里)，將第五組實驗結(jié)果代入式(18)，即實驗飛機在前，運輸機在后的情況，因為這種情況下造成的不安全事件次數(shù)占比較高，則可獲取目標(biāo)空域內(nèi)實驗飛機密度ρRNAV-1≤2.922·10-3架/km3、ρRNAV-2≤2.585·10-3架/km3，繪制曲線如圖5所示，結(jié)果均滿足LFS小于ICAO設(shè)置的安全值1.5×10-8(次事故/執(zhí)飛小時)。

圖5 密度結(jié)果曲線圖

圖5中密度曲線趨勢反映了實驗飛機與運輸機在不同導(dǎo)航規(guī)范間隔標(biāo)準(zhǔn)下安全運行趨勢，契合了運輸飛機航跡保護區(qū)需求越小，無人機可投放執(zhí)飛密度越大的客觀事實，其結(jié)果可作為低空空域飛行器放行和管制調(diào)配的有效參考。

3.3 實驗結(jié)果應(yīng)用

當(dāng)前，運輸航空飛機飛行安全等級評估主要是針對地面障礙物的計算和評價，缺少對空域條件的整體分析，未妥善處理運輸機尾流強度對安全間隔裕度的影響。較多研究集中在通用航空，多針對ADS-B(automatic dependent surveillance-broadcast)等設(shè)備展開風(fēng)險評估[11]。根據(jù)實驗機場終端區(qū)現(xiàn)行有效的進場和離場程序，將第五組仿真實驗數(shù)據(jù)代入基于ADS-B設(shè)備下的運行風(fēng)險模型進行分析和計算，獲得滿足ICAO設(shè)置的安全值的最小間隔結(jié)果Smin(ADS-B)>5.937 km，繪制該結(jié)果下的可執(zhí)飛區(qū)域，如圖6所示。依照第五組實驗結(jié)果Smin(5)>4.875 km，繪制可執(zhí)飛區(qū)域，如圖7所示。

圖6 基于風(fēng)險評估結(jié)果的實際運用

圖7 基于飛行安全等級評估的實際運用

圖中淺色、灰色和深色區(qū)域分別表示無人機可執(zhí)飛區(qū)域、緩沖區(qū)域和禁飛區(qū)域，三種區(qū)域均滿足飛行安全等級的評估。圖7較圖6存在更多的淺色區(qū)域，表示其規(guī)劃出了更多的可供實驗飛機開展飛行和完成監(jiān)測任務(wù)的區(qū)域，增加了待測目標(biāo)被涵蓋的數(shù)量，提升了任務(wù)執(zhí)行效率。

3.4 實驗結(jié)果分析

實驗結(jié)果的差異受設(shè)備工作性質(zhì)、定位精度和尾流的影響?？煽偨Y(jié)為三點：(1) ADS-B等地面監(jiān)視設(shè)備均為甚高頻傳播原理[12]，一旦飛機脫離其有效范圍時，其誤差將急劇增大，同時由于終端區(qū)結(jié)構(gòu)特點固定了地面基站的位置，致使在一定空域范圍內(nèi)的計算結(jié)果誤差不穩(wěn)定，不利于對結(jié)論進行分析處理；(2) 未考慮全球定位系統(tǒng)的廣域性和定位精度；(3) 未考慮運輸機尾流強度影響。綜上原因致使兩種評估方法下的最小間隔數(shù)值差異較大，明顯較小的數(shù)據(jù)更有利于對空域資源進行精細化分配。

基于終端區(qū)結(jié)構(gòu)分析下的飛行安全等級評估，其先進性主要體現(xiàn)在：評估模型引入了運輸機尾流強度的影響計算，使仿真計算結(jié)果更符合真實運行情況；設(shè)計并獲取了無人機保護區(qū)概念和計算結(jié)果，使用ICAO區(qū)域?qū)Ш斤w行程序設(shè)計對計算結(jié)果進行驗證，利用計算結(jié)果實現(xiàn)優(yōu)化空域資源的目的。

4 結(jié) 語

本文根據(jù)實際飛行環(huán)境設(shè)計仿真實驗，實驗對象由大型無人機和運輸機組成。根據(jù)空域條件和ICAO設(shè)置的飛行標(biāo)準(zhǔn)，增加了運輸機尾流強度影響，建立了飛行安全水平評估模型。通過計算不同運行條件下的飛行數(shù)據(jù)，獲得了實驗飛機間所需的最小間隔和機群密度。實驗結(jié)果表明，飛行安全等級評估能夠支持目標(biāo)空域內(nèi)的安全高效協(xié)同運行，為避免產(chǎn)生飛行沖突啟到了重要作用。