趙 亮

（民航局空管局運(yùn)行管理中心 北京 100015）

1 引言

隨著通用航空和無人機(jī)的快速發(fā)展，各類通航有人機(jī)和無人機(jī)不斷推陳出新，應(yīng)用場(chǎng)景不斷拓展，傳統(tǒng)動(dòng)力無人機(jī)、eVTOL 的電驅(qū)動(dòng)垂直起降無人機(jī)、飛行汽車等通航飛行空器不斷發(fā)展。按照2022年我國(guó)通航發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃和我國(guó)民用無人駕駛航空發(fā)展路線圖，在低空，通航有人和無人機(jī)將從低空域效率的隔離運(yùn)行向高空域效率的混合運(yùn)行發(fā)展，將涉及通航機(jī)場(chǎng)空域、城市內(nèi)飛行、城市間航線網(wǎng)絡(luò)等低空空域。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外對(duì)低空空域通航有人和無人機(jī)混合運(yùn)行的間隔標(biāo)準(zhǔn)和碰撞風(fēng)險(xiǎn)開展過很多的研究。Min Yang［1］等介紹了關(guān)于無人機(jī)撞擊飛機(jī)、無人機(jī)操作規(guī)程的研究，對(duì)無人機(jī)對(duì)民航客機(jī)的危害提出了一些合理的解決方案；Pyrgies J［2］等利用描述性統(tǒng)計(jì)技術(shù)對(duì)機(jī)場(chǎng)附近的嚴(yán)重?zé)o人機(jī)事件進(jìn)行定量分析，并通過深入分析一些有代表性的事件進(jìn)行定性分析，根據(jù)FAA 安全風(fēng)險(xiǎn)管理進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，以確定危險(xiǎn)；Xiaokun Cui［3］等改進(jìn)了Reich 模型，基于大型無人機(jī)的運(yùn)行和誤差特征，建立了無人機(jī)與有人駕駛飛機(jī)的碰撞模型，討論并分析了大型無人機(jī)進(jìn)入融合空域的可行性。Shen Z［4］等提出一種改進(jìn)的Voronoi 圖算法，根據(jù)無人機(jī)的不同分配，將低空共享空域劃分為多個(gè)扇區(qū)。利用有人駕駛和無人駕駛飛機(jī)的實(shí)時(shí)ADS-B 軌跡，構(gòu)建了無人機(jī)與有人駕駛飛機(jī)之間的碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型；McFadyen［5］等為處理城市環(huán)境上空整合無人機(jī)運(yùn)行問題，利用低空空中交通數(shù)據(jù)集來發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的禁飛區(qū)和另一種定義禁飛區(qū)的幾何方法，并應(yīng)用于澳大利亞某地區(qū)；Zhang［6］基于無人機(jī)碰撞軌跡與無人機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型建立碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型；潘衛(wèi)軍［7］基于延遲推導(dǎo)出無人機(jī)與有人機(jī)之間的管制防撞間隔，建立有人機(jī)與無人機(jī)的改進(jìn)Reich 側(cè)向碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型；于清媛［8］等根據(jù)無人機(jī)存在管制操縱指令延遲情況，推導(dǎo)管制區(qū)域內(nèi)，無人機(jī)與有人機(jī)的防撞管制間隔，建立無人機(jī)與有人機(jī)碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型，對(duì)無人機(jī)管制間隔進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；張兆寧［9］利用傳統(tǒng)的位置誤差模型，以及最大期望（EM）算法，求解節(jié)點(diǎn)事件的先驗(yàn)概率，導(dǎo)入貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，求得兩架飛機(jī)碰撞風(fēng)險(xiǎn)；王莉莉［10］等改進(jìn)無人機(jī)碰撞模板，建立基于速度隨機(jī)分布的低空空域小型無人機(jī)碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型；楊新湦［11］等利用Crow 近場(chǎng)渦強(qiáng)度消散理論，得到實(shí)際尾跡影響區(qū)改進(jìn)Reich 碰撞模板，據(jù)此建立CNS 性能環(huán)境下的縱向間隔評(píng)估模型，通過Matlab 進(jìn)行間隔值求解；鄧力［12］假設(shè)民航客機(jī)定位誤差服從正態(tài)分布，建立無人機(jī)與民航客機(jī)水平投影面和垂直投影面的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，使用分裂步方法求解該模型。

上述研究主要集中在低空航線飛行上的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，但在機(jī)場(chǎng)管制空域內(nèi)特別是在儀表航線上實(shí)施混合運(yùn)行的碰撞風(fēng)險(xiǎn)和間隔標(biāo)準(zhǔn)研究比較少。但是該類航線在通航機(jī)場(chǎng)作為儀表飛行訓(xùn)練廣泛使用，飛行密度大，安全風(fēng)險(xiǎn)高。特別是包含直角轉(zhuǎn)彎的機(jī)場(chǎng)空域內(nèi)儀表航線上，兩條直角邊上飛機(jī)的間隔變化更為復(fù)雜，風(fēng)險(xiǎn)程度更高。因此研究直角轉(zhuǎn)彎航線上有人機(jī)和無人機(jī)之間的安全間隔是確定機(jī)場(chǎng)終端區(qū)域內(nèi)混合運(yùn)行水平安全間隔的基礎(chǔ)。

本文結(jié)合機(jī)場(chǎng)區(qū)域內(nèi)有人機(jī)和無人機(jī)通信、導(dǎo)航、監(jiān)視及飛行性能等相關(guān)特點(diǎn)，通過構(gòu)建基于高斯分布的碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型，研究通航基于儀表飛行的有人機(jī)和無人機(jī)混合運(yùn)行的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，按照國(guó)際民航組織DOC8168 中機(jī)場(chǎng)空域內(nèi)的1×10-7安全目標(biāo)水平要求，研究在具備ADS-B 監(jiān)視和話音通信條件下，包含直角轉(zhuǎn)彎的儀表航線上有人與無人機(jī)之間的混合運(yùn)行安全間隔。

2 碰撞模型建立

2.1 兩機(jī)碰撞保護(hù)區(qū)的建立

按照ICAO DOC9689 文件中REICH 模型的原理，在機(jī)場(chǎng)空域內(nèi)的同高度上，選取通航飛機(jī)、無人機(jī)各自長(zhǎng)寬高最大值作為二維圓形保護(hù)區(qū)，假設(shè)通航飛機(jī)保護(hù)區(qū)為R1=max{E機(jī)身長(zhǎng)，E翼展}，無人機(jī)保護(hù)區(qū)為R2=max{e機(jī)身長(zhǎng)，e翼展}，為了簡(jiǎn)化模型，將通航飛機(jī)看作質(zhì)點(diǎn)，對(duì)無人機(jī)建立合并保護(hù)區(qū)R=R1+R2，如果在混合運(yùn)行時(shí)，L＜R則兩架飛機(jī)之間發(fā)生碰撞。

2.2 碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型推導(dǎo)

設(shè)定在提供ADS-B 監(jiān)視服務(wù)的機(jī)場(chǎng)空域，在一定的通信導(dǎo)航監(jiān)視條件下，一架通航有人機(jī)和一架無人機(jī)在含有直角轉(zhuǎn)彎的儀表航線上進(jìn)行飛行，在管制員實(shí)施兩次話音管制之間，由于通信、監(jiān)視會(huì)出現(xiàn)一定延遲，導(dǎo)致位置誤差，進(jìn)而導(dǎo)致航空器發(fā)生碰撞。由此驗(yàn)證在滿足1×10-7安全目標(biāo)水平的前提下航空器應(yīng)保持的間隔標(biāo)準(zhǔn)。

假設(shè)A機(jī)距離轉(zhuǎn)彎點(diǎn)距離為a，B機(jī)距離轉(zhuǎn)彎點(diǎn)為b，兩機(jī)之間的理想距離為L(zhǎng)1，實(shí)際距離為L(zhǎng)2，A機(jī)位置偏差為X1，B機(jī)位置偏差為X2，示意圖如圖1。

由圖1可得兩機(jī)之間為位置關(guān)系：

當(dāng)經(jīng)過一定時(shí)間t 后兩機(jī)位置都發(fā)生變化，則有：

圖1 位置示意圖

設(shè)定這個(gè)過程中航空器位置誤差沿航線呈高斯分布，由此得到：

通過前期的數(shù)據(jù)分析，可以將D(Z)中服從伽馬分布的2δA4和2δB4假定為一個(gè)參數(shù)?，得到一個(gè)近似高斯分布的函數(shù)Z：

對(duì)函數(shù)進(jìn)行歸一化處理得到：

考慮終端區(qū)域內(nèi)通航有人和無人機(jī)的CNS 性能，在管制員和飛行員能夠發(fā)現(xiàn)航空器位置誤差并實(shí)施修正的時(shí)間t后，同航線航空器間隔改變?yōu)長(zhǎng)2，要保證航空器之間的水平間隔小于航空器保護(hù)區(qū)R，則應(yīng)該有

為便于開展等值計(jì)算，根據(jù)概率函數(shù)關(guān)系得到如下算式：

由于通信、導(dǎo)航、監(jiān)視等因素造成的位置誤差相互獨(dú)立，而且都是服從均值為0 的高斯分布。按照基于性能的通信導(dǎo)航監(jiān)視概念，其服從的分布如下：

其中n表示導(dǎo)航誤差，m表示管制員飛行員通信的時(shí)間延遲；o表示監(jiān)視系統(tǒng)造成的延遲，δC、δN、δS表示通信、導(dǎo)航、監(jiān)視產(chǎn)生的位置誤差，三個(gè)因素相互獨(dú)立，則A或B機(jī)基于CNS總位置誤差：

3 影響因素的確定

機(jī)場(chǎng)空域內(nèi)的運(yùn)行時(shí)，通信、導(dǎo)航、監(jiān)視是重要的空域環(huán)境。在導(dǎo)航方面，目前通航飛機(jī)上普遍安裝有佳明等衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備能夠提供基于性能的飛行導(dǎo)航，因此參照ICAO DOC8168 標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)調(diào)研終端區(qū)內(nèi)通航和無人機(jī)的飛行特點(diǎn)，使用RNP 值為0.3NM 的導(dǎo)航精度要求，相關(guān)所需導(dǎo)航性能參數(shù)如表1。

表1 RNP參數(shù)

在通信方面，通航飛機(jī)通常使用甚高頻直接話音通信，能夠滿足ICAO 基于性能通信的（RCP）相關(guān)要求，因此采用RCP10的要求。通航飛機(jī)所需通信性能參數(shù)如表2。

表2 RCP參數(shù)

無人機(jī)運(yùn)行相比傳統(tǒng)通航飛機(jī)會(huì)存在更久的管制指揮延遲，在混合運(yùn)行的機(jī)場(chǎng)終端管制可以通過各種通信方式聯(lián)系無人機(jī)操控員，為無人機(jī)下達(dá)管制指令，根據(jù)參考文獻(xiàn)［5］，有人機(jī)與無人機(jī)的語言延遲差值可以認(rèn)定為4.47s。

監(jiān)視方面，通航機(jī)場(chǎng)普遍安裝有ADS-B 監(jiān)視設(shè)備，有人機(jī)和無人機(jī)相關(guān)信息都顯示在管制員的監(jiān)控屏上，ADS-B 的機(jī)載和地面監(jiān)控設(shè)備都滿足DO-260的要求，其監(jiān)視的更新率能夠滿足1次/s的要求，另外參考ICAO DOC9869 文件中基于性能監(jiān)視的（RSP）的相關(guān)技術(shù)規(guī)范，本文采用比實(shí)際更新率更長(zhǎng)的10s 更新間隔。ICAO DOC9869 文件中關(guān)于飛機(jī)所需監(jiān)視性能如表3。

表3 RSP參數(shù)

在混合運(yùn)行的有人和無人機(jī)都必須要安裝ADS-B 監(jiān)視設(shè)備，因此對(duì)于地面監(jiān)控系統(tǒng)性能而言，對(duì)傳統(tǒng)通航飛機(jī)與無人機(jī)系統(tǒng)的監(jiān)控性能是相同的。

4 機(jī)型參數(shù)

研究涉及的無人機(jī)主要是騰盾、翼龍等大型固定翼無人機(jī)，這類無人機(jī)通常需要滑跑起降，因此在混合運(yùn)行機(jī)場(chǎng)存在共用跑道的情況。當(dāng)前多數(shù)通航機(jī)場(chǎng)會(huì)在本場(chǎng)開展儀表直角航線訓(xùn)練，無人機(jī)操控員也需要開展終端區(qū)包含直角轉(zhuǎn)彎的儀表航線培訓(xùn)。本文選擇的是最典型的通航飛機(jī)和最大的無人機(jī)型，以保證本文論證結(jié)論得到的混合運(yùn)行水平飛行間隔具有最大程度的適用性。本文選用的通航飛機(jī)和大型無人機(jī)的相關(guān)參數(shù)如表4～5。

表4 無人機(jī)性能

表5 通航飛機(jī)性能

5 算例分析

5.1 相關(guān)性能參數(shù)

通航飛機(jī)導(dǎo)航性能：通過前期在自貢鳳鳴通用機(jī)場(chǎng)對(duì)飛機(jī)實(shí)施航路和儀表航線飛行實(shí)際航跡的統(tǒng)計(jì)，傳統(tǒng)通航有人機(jī)飛行過程中使用儀表導(dǎo)航的實(shí)際導(dǎo)航偏差在0.3 海里以內(nèi)；無人機(jī)由操控員參考飛行地圖和目視圖像的航線偏差也在0.3海里以內(nèi)。

在通信上按RCP，選取地空通信常用的RCP10，通過參考文獻(xiàn)［5］可以知道無人機(jī)相對(duì)傳統(tǒng)通航飛機(jī)在地空通信上會(huì)存在4.8s的延遲，因此本文中無人機(jī)通信延遲時(shí)間按照RCP15 計(jì)算。在監(jiān)視性能上，由于通航有人機(jī)和無人機(jī)都安裝ADS-B 設(shè)備，因此在機(jī)場(chǎng)空域內(nèi)的延遲時(shí)間都按照10s 計(jì)算。對(duì)于?的值，根據(jù)前期各類飛機(jī)實(shí)際CNS 性能，當(dāng)設(shè)置?=0.8 時(shí)，對(duì)飛機(jī)之間的縮小間隔影響最大。

根據(jù)本文碰撞分析的條件假設(shè)，碰撞風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算中的相關(guān)參數(shù)如表6。

表6 誤差參數(shù)

5.2 仿真結(jié)果

通過使用Matlab，機(jī)場(chǎng)空域內(nèi)一架通航有人機(jī)和一架無人機(jī)在含有直角轉(zhuǎn)彎的航線飛行。由于通航有人機(jī)和無人機(jī)的通信監(jiān)視延遲和導(dǎo)航性能誤差，在管制員兩次管制指揮之間，兩機(jī)之間發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)參照上述理論計(jì)算。不同有人和無人飛機(jī)組合在ADS-B監(jiān)視間隔下的碰撞風(fēng)險(xiǎn)如下。

仿真計(jì)算結(jié)論分析：上圖表示在設(shè)定的CNS條件下，通航有人機(jī)和無人機(jī)在包含直角轉(zhuǎn)彎的儀表航線中混合運(yùn)行時(shí)，CESSNA172R 與翼龍2、TB 雙尾蝎混合運(yùn)行下的兩機(jī)水平安全距離分別為3.51km、3.26km，SR20 與翼龍2、TB 雙尾蝎混合運(yùn)行下的兩機(jī)水平安全距離分別為3.59km、3.35km。

本文論證中采用典型通航飛機(jī)和目前常用最大型的無人機(jī)，由此在提供ADS-B 監(jiān)視管制服務(wù)的機(jī)場(chǎng)空域內(nèi)，有人無人機(jī)實(shí)施儀表混合運(yùn)行的條件下，當(dāng)能夠保持3.6km 的管制間隔則能夠達(dá)到ICAO要求的1×10-7的風(fēng)險(xiǎn)水平。

根據(jù)自貢、廣漢等通航機(jī)場(chǎng)空域的特點(diǎn)，按照該間隔標(biāo)準(zhǔn)，在以跑道為核心的一個(gè)直角航線中就可以實(shí)施5架有人/無人機(jī)同時(shí)運(yùn)行，這基本能夠滿足大多數(shù)通航機(jī)場(chǎng)有人無人機(jī)混合運(yùn)行實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練飛行和進(jìn)離場(chǎng)起降的空域容量要求。

圖2 CESSNA172R與無人機(jī)融合運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)圖

圖3 SR20與無人機(jī)融合運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)圖

6 結(jié)語

傳統(tǒng)通航有人機(jī)和無人機(jī)混合運(yùn)行是通航發(fā)展趨勢(shì)，混合運(yùn)行目前還處于起步階段，其中混合運(yùn)行使用的水平間隔最為重要，而包含直角轉(zhuǎn)彎的儀表航線是機(jī)場(chǎng)區(qū)域內(nèi)使用得最多，飛機(jī)密度最大，飛行風(fēng)險(xiǎn)風(fēng)險(xiǎn)最高的航線類型。這類航線上的儀表飛行間隔是整個(gè)機(jī)場(chǎng)空域內(nèi)飛行間隔的基礎(chǔ)。

本文考慮了考慮通用機(jī)場(chǎng)空域通信、導(dǎo)航、監(jiān)視和空管的一般特點(diǎn)，結(jié)合典型通航飛機(jī)和大型無人機(jī)的特點(diǎn)，理論論證了3.6km 水平間隔的安全性。本文的論證對(duì)通航有人機(jī)與無人機(jī)同場(chǎng)混合運(yùn)行具有重要的指導(dǎo)和借鑒意義。當(dāng)然在實(shí)際飛行過程中還涉及人因及失效等其他特殊情況的因素，本文沒有全部考慮，后續(xù)還應(yīng)進(jìn)一步的研究。