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(jī)場的凈空范圍主要是指沿民航飛機(jī)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(jī)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(hù)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(dá)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(jī)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(jī)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(jī)場凈空保護(hù)區(qū)造成多次航班延誤，對民航飛行安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。因此，有必要對闖入凈空區(qū)的低小慢物體進(jìn)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(jī)場主要采用碰撞理論來分析無人機(jī)、鳥群等對飛機(jī)碰撞的條件，通過這些條件來對無人機(jī)和飛機(jī)的碰撞進(jìn)行風(fēng)險評估［2-3］，這些方法沒有考慮機(jī)場凈空安全區(qū)的地理信息和飛機(jī)航班信息，只是通過所建立的碰撞模型分析出無人機(jī)或鳥群距離飛機(jī)的最小飛行距離或者分析出了無人機(jī)的最小安全的路線以規(guī)避民航客機(jī)等。文獻(xiàn)［4］采用了層次分析法建立鳥群對于飛機(jī)飛行的風(fēng)險評估模型，但模型中忽略了機(jī)場凈空區(qū)信息。

近幾年，外輻射源雷達(dá)技術(shù)不斷發(fā)展完善，開始能夠提供機(jī)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(jī)場外輻射雷達(dá)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(jī)實時飛行數(shù)據(jù)，結(jié)合機(jī)場凈空保護(hù)區(qū)信息建立風(fēng)險評估模型。

1 機(jī)場凈空區(qū)域的組成和凈空區(qū)坐標(biāo)系的建立和坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化

1.1 機(jī)場凈空區(qū)域的組成和凈空區(qū)坐標(biāo)系的建立

機(jī)場凈空區(qū)是為了保證飛機(jī)起飛降落的飛行安全，在機(jī)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(jìn)近類型。障礙物限制面主要有內(nèi)水平面、進(jìn)近面、過渡面、內(nèi)進(jìn)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(biāo)系，凈空坐標(biāo)系的原點在跑道左端邊界的中心處，設(shè)該坐標(biāo)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(biāo)系

1.2 經(jīng)緯度坐標(biāo)與直角坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化

ADS-B和外輻射源雷達(dá)得到的“低小慢”的位置信息都是基于世界大地坐標(biāo)系統(tǒng)84坐標(biāo)（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(biāo)。將飛機(jī)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(biāo)系下坐標(biāo)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(biāo)系，(x0,y0)為跑道中心投影坐標(biāo)，(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(jī)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(rèn)知來對特定對象進(jìn)行評估，特點是對專家認(rèn)知經(jīng)驗要求較高，主觀性最強(qiáng)。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(biāo)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(biāo)、多準(zhǔn)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(biāo)的重要程度，采用表1所示的評判標(biāo)準(zhǔn)評價進(jìn)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(jìn)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(biāo)度方法

表2 判斷矩陣

根據(jù)民航機(jī)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(biāo)準(zhǔn)

最終的風(fēng)險嚴(yán)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(yán)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(yán)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(biāo)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(jī)場為例，采用本文提出的風(fēng)險評估方法進(jìn)行測試。以雙流機(jī)場1跑道的一端建立凈空坐標(biāo)系，如圖4（a）所示。圖4（b）為雙流機(jī)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(biāo)如圖所示，Z坐標(biāo)垂直于X，Y坐標(biāo)，圖中并未畫出Z坐標(biāo)。O點的經(jīng)緯度坐標(biāo)為（103.94860985，30.5684209）。圖5為雙流機(jī)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(hù)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(jī)場凈空區(qū)坐標(biāo)系

圖5 雙流機(jī)場凈空區(qū)示意圖

圖6 中藍(lán)色點的為探測到的無人機(jī)，其經(jīng)緯度坐標(biāo)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(jī)與航空器之間得距離為20291.993 m，根據(jù)第四節(jié)的分類標(biāo)準(zhǔn)，得到表6的信息，根據(jù)（2）式可以計算該無人機(jī)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(jī)位置

表4 探測的無人機(jī)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(jī)場凈空區(qū)風(fēng)險評估方法為機(jī)場安全管理人員準(zhǔn)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(dá)數(shù)據(jù)和飛機(jī)飛行的航班數(shù)據(jù)，建立了機(jī)場凈空安全坐標(biāo)系，采用層次分析法，對“低小慢”飛行物進(jìn)行了飛行風(fēng)險評估。由于本方法基于實時的的信息，目標(biāo)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(jī)場凈空安全的風(fēng)險評估工作。