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 空中交通管理學院, 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 空中交通管理學院, 天津 300300)

利用ADS-B監視下的PBN平行航路能夠提高空域資源使用效率功能,設計了基于現有雷達數據的平行航路飛行流模擬方法。利用飛行動力學模型,建立了考慮ADS-B監視信號更新周期的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,驗證了監視信號掃描周期對飛行流整體碰撞風險的影響。該方法實現了在飛行流整體運行下對平行航路進行風險評估。

空域規劃; 平行航路; 縱向間隔; 碰撞風險; ADS-B監視; 飛行流模擬

0 引言

隨著我國空中交通流量的不斷增長,空域資源緊張導致嚴重的航班延誤。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的應用更加充分地發揮了平行航路的優勢。Reich 模型[2-4]、基于事件的模型[5-8]、隨機非分方程[9]等模型的應用實現了平行航路飛行間隔安全評估。文獻[10]對統計數據進行分析,設計了ADS-B航路安全間隔評估方法。文獻[11-12]以飛行動力學模型建立航跡并對沖突分先進行探測。文獻[13]考慮管制員干預次數對碰撞的影響,建立了基于人的因素的平行航路碰撞風險模型,提出了有雷達管制間隔分別無非侵入區和有非侵入區條件下,出現飛行沖突需要管制員干預的計算模型。

根據現有文獻資料可知,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險數學模型;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、平行航路空域規劃構型與飛行流相協調、解析和模擬方法相結合的基本思路,提出ADS-B監視下的PBN平行航路空域規劃安全性評估方法,為推動PBN技術應用奠定基礎。

1 飛行流模擬方法

關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險,本文根據平行航路所在空域的原始飛行流量統計數據,在設定的縱向間隔標準下進行飛行流模擬,從而評估平行航路整體碰撞風險。飛行流模擬流程如圖1所示。首先統計某條平行航路上航班高度、速度及進入航路的時間間隔,得到統計分布規律。以此統計規律模擬平行航路上的飛行流,設定平行航路縱向間隔標準,小于間隔標準的航班不能作為模擬的飛行流航班。

2 碰撞風險模型

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為質點運動,且在大量空中交通管理研究中被采用,飛機質點運動學模型為：

(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為飛機質量;w1,w2分別為風速的水平分量;w3為風速的垂直分量;T為發動機推力;D為空氣阻力;L為升力;φ為側傾角;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;CD為阻力系數。

2.2 飛機對縱向重疊概率計算

廣播式自動相關監視(ADS-B)功能是基于空-空、空-地數據鏈通信技術,通過GNSS接收機實現定位的集通信、監視兩種技術為一體的民航空管系統。飛機通過數據鏈周期性地傳遞它們的位置,在ATC控制臺上顯示的目標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為最小間隔標準設定值;T為報告時間的時間間隙;ΔT為地面系統處理數據時間;λx為航班長度;fd(u,v1,v2,t,ΔT)為縱向間隔概率密度函數;fv(v)為縱向速度的預測誤差的概率密度函數。

2.3 飛行流縱向碰撞風險

平行航路上同高度前后兩架航班間隔為x時的碰撞風險為：

Nx(x,T)= 2Py(0)Pz(0)Px(x,T)×

(5)

式中:Py(0)和Pz(0)分別為側向和垂直重疊概率,數值大小與平行航路導航規范相關;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。

飛行流縱向碰撞風險平均值為:

(6)

式中:nx為間隔為x的飛行流航班數。

3 飛行流整體碰撞風險評估算例

本文針對我國某個扇區的某條航路飛行流進行統計,并模擬在該扇區設計平行航路的飛行流。該平行航路設計為單向運行,在這里設置不同縱向間隔、不同ADS信號間隔下的RNAV-1下的縱向間隔評估結果。模擬的航班間隔標準為12 km,共4萬架次,航班流間隔分布如圖2所示,該分布數據為平行航路飛行流整體碰撞風險評估的先決條件。

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準,設定ADS信號更新周期為10 s,平行航路導航規范為RNAV-1,在間隔標準為10～18 km分別進行飛行流碰撞風險評估。評估結果如圖3所示,圖中實線為國際民航組織規定的安全目標水平NTSL=0.5×10-8,本文導航監視性能數據評估結果的安全間隔為15.5 km。

圖3 飛行流碰撞風險評估結果Fig.3 Flight flow collision risk assessment results

飛行流在平行航路運行過程中,當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配。如圖4所示,統計模擬的飛行流小于間隔標準x+5 km范圍內的同航路、同高度的航班占比γ可以對飛行流整體的運行態勢進行評估,未來可以考慮飛行流潛在沖突對管制工作負荷的影響進行量化。

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準,本文設定平行航路導航規范為RNAV-1,ADS信號更新周期分別為10 s,100 s,200 s進行飛行流碰撞風險評估。評估結果如圖5所示,圖中實線為國際民航組織規定的安全目標水平NTSL=0.5×10-8。針對本文導航監視性能數據評估結果的安全間隔分別為15.5 km,16.25 km和17.51 km。可見隨著信號更新周期增大,安全目標水平的安全標準間隔變大。

圖5 不同監視信息更新周期下的飛行流碰撞風險評估結果Fig.5 Flight flow collision risk assessment results under different monitoring information update cycle

4 結束語

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上,建立了平行航路縱向碰撞風險模型,并對飛行流整體運行態勢、潛在沖突和評價風險進行評估。下一步的研究應在評估過程中考慮管制員沖突解脫過程對于縱向碰撞風險的影響,為新技術應用下平行航路空域規劃和運行安全評估提供理論方法。

[1] Reich P G.Analysis of long-range air traffic systems: separation standards—I[J].Journal of Navigation,1966,19(1):88-98.

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[3] Paielli R A,Erzberger H.Conflict probability for free flight[J].Journal of Guidance,Control,and Dynamics,1997,20(3):588-596.

[4] Blom H A P,Bakker G J,Blanker P J G,et al.Accident risk assessment for advanced air traffic management[J].Progress in Astronautics and Aeronautics,2001,193:463-480.

[5] Brooker P.Lateral collision risk in air traffic track systems:a ‘post-Reich’event model[J].Journal of Navigation,2003,56(3):399-409.

[6] 王欣,徐肖豪.空中飛機側向間隔標準的初步研究[J].中國民航學院學報,2001,19(1):1-5.

[7] 徐肖豪,馬子興,聶潤兔.空管二次雷達最小間隔的分析與比較研究[J].交通運輸工程與信息學報,2004,2(1):20-24.

[8] 張兆寧,劉計民.基于CNS性能的垂直間隔碰撞風險評估[J].中國民航大學學報,2010,28(1):5-8.

[9] 高申坤.RVSM 空域飛機碰撞風險研究[D].沈陽:沈陽航空航天大學,2012.

[10] 王紅勇,王晨,趙嶷飛.基于ADS-B統計數據的航路安全間隔研究[J].中國安全科學學報,2013,23(2):103-108.

[11] 翟文鵬,李亞飛.飛行目標航跡生成及沖突探測算法研究[J].中國安全科學學報,2013,23(10):110-113.

[12] 翟文鵬,吳昊,王莉莉,等.用粒子濾波改進的飛行沖突探測算法研究[J].中國安全科學學報,2014,24(6):105-108.

[13] 韓松臣,裴成功,隋東,等.平行區域導航航路安全性分析[J].航空學報,2006,27(6):1023-1027.

(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

國家自然科學基金資助(71171190，61179042，U1333116)；國家空管科研課題(GKG201405002)；中央高校基本科研經費資助(ZXH2012M003，3122014D038)；中國民航大學科研啟動基金資助(2012QD02X)；大學生創新創業訓練計劃項目(201410059082)

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

V355.1

A

1002-0853(2015)05-0464-03