基于ADS—B的分類系統協調航路沖突解脫方法

李波 翟書穎 李茹 劉建都

摘 要：針對當前航路沖突解脫方法不能有效實現同時對入侵飛機原始航路和沖突解脫航路避撞的問題，提出分類系統協調航路沖突解脫方法。首先根據沖突飛機間夾角的大小將沖突分為五類，然后對每一類的兩架沖突飛機進行系統協調沖突解脫，使每一架沖突飛機能同時與另一架飛機的原始航路和沖突解脫航路進行有效沖突解脫。該沖突解脫方法原理清晰、行之有效。

關鍵詞：ADS-B；防撞；飛行沖突；沖突解脫

中圖分類號：TP39；V328.5 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）09-00-04

0 引 言

伴隨著低空空域的開放，通用航空將快速發展[1-2]。通用航空屬于劃定空域的自由飛行，飛行安全問題將愈加突出。進入21世紀以來，飛機相撞事件屢屢發生，數據表明，90%以上的飛機相撞事故發生在低空空域，且大部分為通用航空[2]。

根據ATC規定，飛機方圓5海里（5海里≈9.26 km）、上下1 200 ft（1 200 ft≈366 m）為避撞區域，禁止其他航空器闖入，否則就有碰撞的可能，需要進行避撞處理[2]。

ADS-B可提供位置、速度等信息，且工作范圍廣，基于ADS-B技術構建的通用航空防撞系統優勢明顯。可以借助ADS-B在ATC規定的避撞區域外構建保護區域，提前避撞[2-9]，

以增強避撞性能，如文獻[4]中介紹的5 min范圍內保護區域避撞，文獻[2-3，5-6]中介紹的40～100海里范圍內提前避撞，文獻[7]中介紹的5～40海里的保護區域避撞等。

保護區域范圍較大，對進入該區域的入侵飛機應先與本飛機進行航路沖突檢測，只對有沖突的飛機進行航路沖突解脫處理[2-3，5-7]。

有效的沖突解脫是避撞系統中的重要部分，也是研究難點和研究熱點，關于沖突解脫算法的研究很多，而關于ADS-B保護區內航路沖突解脫的研究也有不少，如文獻[2-4，7-9]等都從不同方面、不同角度對航路沖突解脫的算法進行了研究。

上述研究主要存在兩個突出問題：

（1）算法研究中常以入侵飛機航路不變或者入侵飛機協作避讓為前提進行研究，因此，研究得到的算法也僅適用于該前提。實際上，通用航空可能存在各種情況，比如入侵飛機不進行沖突解脫，保持航路不變，僅依靠本飛機避讓，而該協作避讓算法得到的本飛機航路可能與入侵飛機的原航路沖突；入侵飛機也可能進行沖突解脫處理，使本飛機與入侵飛機之前的航路不再沖突，但卻與入侵飛機的解脫航路相

沖突。

（2）算法研究中常針對一種沖突情況進行研究，所得的沖突解脫方法對所研究的沖突情況無疑是有效的，但考慮到航路沖突有多種情況，針對一種情況研究得到的沖突解脫算法一般都無法滿足其他情況，即一種沖突解脫算法一般無法有效對所有沖突進行解脫。

在航路沖突中，絕大多數的沖突都是兩架飛機間的沖突，多架飛機同時沖突的情況少之又少。針對上述兩個突出問題，本文的重點在于兩架飛機的沖突問題，研究水平調整航向的沖突解脫算法，將沖突情況按沖突夾角分為5類進行研究，在每一類中又根據位置關系對兩架飛機進行編號，從系統總體角度分別求出各自有效的沖突解脫算法，使一架飛機進行沖突解脫處理時既能實現有效解脫，使解脫航路與入侵飛機的原航路有效解脫，還能與入侵飛機的解脫航路有效解脫。

1 沖突解脫條件設定

航路沖突解脫方法主要包括在水平方向上調整飛行航向和飛機速度，在垂直方向上調整飛行高度[2-4，7-9]。

上述沖突解脫方法各有優缺點。調整飛行航向是實現航路沖突解脫的重要方法，也是通用航空中使用較多的方法，當前對調整航向方法的研究最多。本文將只對通過調整航向單獨實現沖突解脫的方法進行研究。

本文主要研究保護區域的航路沖突解脫問題，所以飛機空間區域只關注避撞區域（CAZ）和保護區域（PAZ），如圖1所示。

CAZ：采用ATC規定的避撞區域，即以本飛機為中心，水平面半徑為9.26 km（5海里），上下0.366 km（1 200 ft）的圓柱體區域。

PAZ：本區域的大小可根據需要由使用者設定，在本文研究中采用半徑為185 km（100海里）的圓球體作為ADS-B的工作范圍。

航路沖突即為一架飛機的航路在某時刻進入另一架飛機航路中的CAZ區域。假定在某時刻通過航路沖突檢測得到兩架飛機在位置C（XC，YC，ZC）處沖突，此時，兩架飛機的位置分別為A（XA，YA，ZA）和B（XB，YB，ZB），其速度分別為VA（VXA，VYA，VZA）和VB（VXB，VYB，VZB），考慮到研究的是水平航向調整的沖突解脫問題，故將X和Y方向的航速統一表示為XY平面的航速，得到的速度分別為VA（VXYA，VZA）和VB（VXYB，VZB），這樣文中所提到的速度即為VXYA和VXYB。

沖突解脫時要求一方進行沖突解脫處理，以完全實現沖突解脫，即使兩方都進行沖突解脫也能實現，即沖突解脫航路不僅與入侵飛機的原航路不沖突，也與入侵飛機的沖突解脫航路不沖突。

沖突解脫時在保證有效進行沖突解脫的前提下，為使調整算法趨優避劣[10]，把握的原則是轉向次數應盡可能的少，轉向角度盡可能的小，調整后航路盡可能短，而且通過調整航向實現有效沖突解脫后都要回到原來的航路上。

2 沖突解脫方法

分析：此處是讓A繞行延時，讓B按照原始航路先通過沖突區；之后讓B通過繞行，從A的后面穿過，由于c值必然大于9.26，所以調整的航路不會與A的原始航路沖突，同樣，也不會與A的調整航路沖突。

2.3 60°≤θ<120°時航向調整方法

按圖5所示的位置關系設定兩飛機為A和B。

分析：因為角120°≤θ<180°，所以180°-θ≤60°，一般a值要遠大于9.26，因此a-a · sin（180°-θ）>9.26可以認為是成立的，也就是A沿垂直于B航路的方向航行可以提前穿過B航路，而與B不沖突。B沿設定的航路繞行到A后面航行，不會與A原航路沖突；由于B調整航路比原航路長，因此不會與A調整航路沖突。

2.5 θ=180°時航向調整方法

指定初始Y坐標值較小者為A，另一方為B，如圖7所示。

飛機A調整航向方法：向右轉向η，航行距離d，再向左轉向2η，航行距離d，向右轉向η，回到原來的航路上。

3 結 語

本文根據沖突飛機在水平面航路的夾角大小將航路沖突情況分成五類，對每一類分別研究沖突解脫的調整航向方法，所給出的調整航向方法可以實現一方調整便有效避撞，且調整航向即可與入侵飛機的原航路有效避讓，還可與入侵飛機的調整航向航路有效避撞。論文中給出的避撞方法十分有效，但非最優，如果將沖突情況進一步細分為更多種類，對每一類研究調整航向方法，則會得到更優的結果，如果調整航向結合調整速度和高度的方法，效果會更加顯著。

參考文獻

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