基于北斗二代的機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面沖突探測(cè)算法研究

杜金峰

摘 要：針對(duì)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面沖突問(wèn)題，研究了北斗二代定位原理與場(chǎng)面沖突探測(cè)理論，根據(jù)航空器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)判定不同沖突類型，設(shè)定不同的最小安全間隔，采用二維動(dòng)態(tài)避讓策略，提出了一種基于北斗二代定位數(shù)據(jù)的機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面短期沖突探測(cè)算法。最后通過(guò)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面沖突探測(cè)仿真程序驗(yàn)證了算法的可行性。

關(guān)鍵詞：北斗二代；滑行沖突；沖突探測(cè)；仿真

引言

隨著民航業(yè)的快速發(fā)展，機(jī)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜性也逐漸增大[1]。近年來(lái)，全球發(fā)生了多次飛機(jī)與車輛相撞的事件，造成了巨大的財(cái)產(chǎn)損失。場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)能夠在一定程度上解決機(jī)場(chǎng)交通沖突的問(wèn)題，但價(jià)格昂貴。針對(duì)此矛盾，文章提出一種基于北斗二代定位數(shù)據(jù)[2]的場(chǎng)面沖突檢測(cè)算法，為解決該問(wèn)題提供一種可行的方案。

1 場(chǎng)面沖突類型分析

1.1 滑行沖突

航空器在機(jī)場(chǎng)地面的活動(dòng)區(qū)域主要集中在跑道和滑行道上?；袥_突為兩架或兩架以上的航空器（因此處對(duì)車輛的沖突研究可將其大致等同為航空器，故不再單獨(dú)討論）在未來(lái)的某個(gè)時(shí)刻有可能同時(shí)占用同一個(gè)點(diǎn)或滑行路段的行為。該類沖突主要表現(xiàn)為三種形式：（1）對(duì)頭沖突，即兩架航空器同時(shí)占用同一段滑行道并且航向角相差180度；（2）交叉道口沖突，即兩航空器在未來(lái)某時(shí)刻要同時(shí)占用一個(gè)滑行道交叉口；（3）追尾沖突，即兩航空器同時(shí)占用一段滑行道且航向相同[3]。

1.2 跑道入侵沖突

ICAO規(guī)定一架航空器在機(jī)場(chǎng)保護(hù)區(qū)起飛或著陸時(shí)，遭遇任何車輛或人員不正常出現(xiàn)的行為為入侵沖突。這是一類很重要的沖突，尤其是發(fā)生在跑道處。FAA給的定義是當(dāng)航空器在起飛或著陸階段，車輛或任何其他物體可能會(huì)產(chǎn)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，或者間距不足的情況[4]。與碰撞沖突不同的是，該沖突探測(cè)整條跑道的沖突，而不只單獨(dú)考慮一對(duì)沖突。如果一條跑道在一個(gè)確定的時(shí)間段內(nèi)有航空器要起飛或降落那么它會(huì)被標(biāo)記激活。通常來(lái)講一旦跑道開始運(yùn)行起飛降落程序就會(huì)劃設(shè)相應(yīng)的保護(hù)區(qū)保護(hù)區(qū)域必須被清空，排除其他移動(dòng)目標(biāo)或障礙物。

該類型的沖突首先需要分析每一個(gè)機(jī)場(chǎng)跑道的激活情況并確立保護(hù)區(qū)。然后，在相關(guān)的機(jī)場(chǎng)區(qū)域（例如快速脫離道，滑行道，交叉跑道等）內(nèi)運(yùn)行搜索算法來(lái)尋找可能發(fā)生跑道入侵的移動(dòng)目標(biāo)。探測(cè)跑道入侵的方法是通過(guò)比較目標(biāo)的停止距離與跑道的保護(hù)區(qū)來(lái)確定沖突是否會(huì)出現(xiàn)。

1.3 偏離沖突

該沖突是由航空器實(shí)際滑行路徑與預(yù)訂滑行路徑之間存在偏差而產(chǎn)生的，可以通過(guò)航空器實(shí)際運(yùn)行路徑與預(yù)定路徑之間允許的最大側(cè)向間隔來(lái)探測(cè)的。

1.4 未授權(quán)的運(yùn)動(dòng)

最后這種沖突是根據(jù)當(dāng)前目標(biāo)的活動(dòng)情況來(lái)確定的。根據(jù)機(jī)場(chǎng)的動(dòng)態(tài)格局確定具體的規(guī)則，已經(jīng)定位的目標(biāo)無(wú)論出現(xiàn)在哪個(gè)區(qū)域都有特定的規(guī)則限制它：關(guān)閉區(qū)不允許有移動(dòng)體，設(shè)置單行道限制移動(dòng)方向以及動(dòng)態(tài)約束等。為了制定具體規(guī)則，預(yù)計(jì)位置和目標(biāo)物的動(dòng)態(tài)參數(shù)將用來(lái)確定是否破壞了規(guī)則的約束觸發(fā)告警[5]。

2 場(chǎng)面沖突探測(cè)算法

航空器只有嚴(yán)格根據(jù)一系列規(guī)則并保持一定的間隔運(yùn)行才能保障安全。規(guī)則由航空器型號(hào)、航空器間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況以及所在滑行的具體機(jī)場(chǎng)區(qū)域及能見度、滑行道狀態(tài)等因素決定。間隔標(biāo)準(zhǔn)的選擇要使管制員必須有充足的時(shí)間去提示飛行員或者是司機(jī)做出機(jī)動(dòng)動(dòng)作來(lái)避免沖突。給定的時(shí)間必須要滿足規(guī)避動(dòng)作需要的時(shí)間（即是使兩架沖突飛機(jī)其中之一停下的時(shí)間），此時(shí)間由每個(gè)方案的特定動(dòng)態(tài)（與速度、角度相關(guān)）決定。告警將在管制員該發(fā)出避讓機(jī)動(dòng)指令來(lái)避免沖突時(shí)發(fā)出[6]。

需要比較的閾值有：最小安全間隔（Dmin）用監(jiān)視功能以保證，它是隨目標(biāo)滑行所在的具體機(jī)場(chǎng)區(qū)域而變化的；取決于相對(duì)方位和速度，這樣，飛機(jī)在完成一次機(jī)動(dòng)后要滿足最小間隔Dmin?；旧蟻?lái)講，可以分為以下三種情況：

發(fā)散航跡，保護(hù)區(qū)會(huì)檢查兩個(gè)目標(biāo)之間是否滿足最小間隔Dmin。

否則，若是匯聚航跡，則會(huì)根據(jù)兩者相遇的幾何圖形（圖1）考慮兩個(gè)目標(biāo)的停止距離。所以，若情況為對(duì)頭，兩個(gè)目標(biāo)的停止距離之和須大于Dmin。

若是追及問(wèn)題，追及航空器的停止距離比Dmin大。

因此所遇沖突屬于何種類型可以根據(jù)一對(duì)移動(dòng)目標(biāo)相對(duì)的位置和速度矢量來(lái)量化探測(cè)。一個(gè)移動(dòng)物體的停止距離（dstp）可以通過(guò)速度Vm/s和加速度am/s2（考慮飛行器特性和滑行道摩擦系數(shù)）由公式（1）得出，其中Tr是總反應(yīng)時(shí)間。反應(yīng)總時(shí)間由北斗數(shù)據(jù)傳輸與仿真系統(tǒng)處理時(shí)間，駕駛員看到報(bào)警信號(hào)至做出剎車動(dòng)作的反應(yīng)時(shí)間。其中，《民用航空空中交通管理規(guī)則》第319條規(guī)定：兩架以上的航空器跟進(jìn)滑行時(shí)，后方滑行的航空器不允許超越前方滑行航空器，后方航空器與前方航空器間保持的最小間隔不允許小于50m[7]。

其中Tr為反應(yīng)總時(shí)間一旦相關(guān)情況確定，與實(shí)際間隔相比較的間隔閾值由以上描述的標(biāo)準(zhǔn)確定。圖2-圖4建立了不同情況，不同速度下基于此方法的示例。目標(biāo)定位于（0，0），速度矢量為Y軸，且第二目標(biāo)從不同的角度和速度接近。因此，飛機(jī)位置在上半平面的代表對(duì)頭沖突的情況，在下半平面的則代表追尾沖突的情況。速率按照（5，40）之間來(lái)考慮，假定加速度為-2m/s2總反應(yīng)時(shí)間為5s。

這一標(biāo)準(zhǔn)是保守的做法，因?yàn)檫\(yùn)行軌跡的最小距離通常高于在最壞的情況下整個(gè)停止拉伸的最小距離（S）。只有對(duì)頭沖突和追及沖突的情況（90度和180度的相遇）才有真正符合本標(biāo)準(zhǔn)的最小間隔情況。通常情況下，人體受到外界刺激反應(yīng)時(shí)間比較小。

上述速度矢量圖所確定的安全間隔較精準(zhǔn)，上述的沖突類型公式如下：

兩目標(biāo)移動(dòng)物間的距離D可根據(jù)自北斗接收的定位數(shù)據(jù)計(jì)算出：

3 仿真測(cè)試

以某機(jī)場(chǎng)為例，基于C#設(shè)計(jì)了仿真程序，模擬機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面運(yùn)行情況。將接收的模擬北斗定位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成大地坐標(biāo)得出沖突航空器之間的距離D，判定D與最小安全間隔的大小，仿真時(shí)間為600s，結(jié)果如圖6所示。

仿真示例中，離場(chǎng)航空器（藍(lán)色）CSN3515與進(jìn)場(chǎng)航空器（黃色）GCR6681在主滑行道上會(huì)發(fā)生對(duì)頭沖突，系統(tǒng)根據(jù)最小安全間隔給出告警信息并通知相關(guān)運(yùn)行人員。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章根據(jù)沖突航空器航向、速度等參數(shù)判斷沖突類型并計(jì)算設(shè)置最小安全間隔，提出一種基于北斗二代定位數(shù)據(jù)的機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面沖突探測(cè)算法。通過(guò)模擬程序的測(cè)試，仿真程序能夠有效探測(cè)沖突并給出告警信息，結(jié)果驗(yàn)證了該算法在解決場(chǎng)面沖突探測(cè)問(wèn)題的有效性，提出了一種類似簡(jiǎn)易場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)的方案。但該算法只能處理一些短期沖突，對(duì)于一些長(zhǎng)期的潛在沖突并不能很有效地探測(cè)到，因此，長(zhǎng)期沖突的探測(cè)和滑行路徑的優(yōu)化是今后研究的重點(diǎn)。文章結(jié)束之際，感謝中國(guó)民航大學(xué)老師的辛勤栽培。

參考文獻(xiàn)

[1]中國(guó)民用航空局.2013年民航行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào).[EB/OL].http：//www.caac.gov.cn/I1/K3/201406/P020140623612275082363.pdf，2014-06.

[2]呂小平.“北斗”在我國(guó)民用航空的發(fā)展和應(yīng)用[J].中國(guó)民用航空，2011，08：39-42.

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