機場空域內無人機與通航有人機混合運行間隔研究*

趙 亮

（民航局空管局運行管理中心 北京 100015）

1 引言

隨著通用航空和無人機的快速發展，各類通航有人機和無人機不斷推陳出新，應用場景不斷拓展，傳統動力無人機、eVTOL 的電驅動垂直起降無人機、飛行汽車等通航飛行空器不斷發展。按照2022年我國通航發展專項規劃和我國民用無人駕駛航空發展路線圖，在低空，通航有人和無人機將從低空域效率的隔離運行向高空域效率的混合運行發展，將涉及通航機場空域、城市內飛行、城市間航線網絡等低空空域。

當前，國內外對低空空域通航有人和無人機混合運行的間隔標準和碰撞風險開展過很多的研究。Min Yang［1］等介紹了關于無人機撞擊飛機、無人機操作規程的研究，對無人機對民航客機的危害提出了一些合理的解決方案；Pyrgies J［2］等利用描述性統計技術對機場附近的嚴重無人機事件進行定量分析，并通過深入分析一些有代表性的事件進行定性分析，根據FAA 安全風險管理進行風險分析，以確定危險；Xiaokun Cui［3］等改進了Reich 模型，基于大型無人機的運行和誤差特征，建立了無人機與有人駕駛飛機的碰撞模型，討論并分析了大型無人機進入融合空域的可行性。Shen Z［4］等提出一種改進的Voronoi 圖算法，根據無人機的不同分配，將低空共享空域劃分為多個扇區。利用有人駕駛和無人駕駛飛機的實時ADS-B 軌跡，構建了無人機與有人駕駛飛機之間的碰撞風險模型；McFadyen［5］等為處理城市環境上空整合無人機運行問題，利用低空空中交通數據集來發現現有的禁飛區和另一種定義禁飛區的幾何方法，并應用于澳大利亞某地區；Zhang［6］基于無人機碰撞軌跡與無人機運動學模型建立碰撞風險模型；潘衛軍［7］基于延遲推導出無人機與有人機之間的管制防撞間隔，建立有人機與無人機的改進Reich 側向碰撞風險模型；于清媛［8］等根據無人機存在管制操縱指令延遲情況，推導管制區域內，無人機與有人機的防撞管制間隔，建立無人機與有人機碰撞風險模型，對無人機管制間隔進行風險評估；張兆寧［9］利用傳統的位置誤差模型，以及最大期望（EM）算法，求解節點事件的先驗概率，導入貝葉斯網絡模型，求得兩架飛機碰撞風險；王莉莉［10］等改進無人機碰撞模板，建立基于速度隨機分布的低空空域小型無人機碰撞風險評估模型；楊新湦［11］等利用Crow 近場渦強度消散理論，得到實際尾跡影響區改進Reich 碰撞模板，據此建立CNS 性能環境下的縱向間隔評估模型，通過Matlab 進行間隔值求解；鄧力［12］假設民航客機定位誤差服從正態分布，建立無人機與民航客機水平投影面和垂直投影面的運動學模型，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險，但在機場管制空域內特別是在儀表航線上實施混合運行的碰撞風險和間隔標準研究比較少。但是該類航線在通航機場作為儀表飛行訓練廣泛使用，飛行密度大，安全風險高。特別是包含直角轉彎的機場空域內儀表航線上，兩條直角邊上飛機的間隔變化更為復雜，風險程度更高。因此研究直角轉彎航線上有人機和無人機之間的安全間隔是確定機場終端區域內混合運行水平安全間隔的基礎。

本文結合機場區域內有人機和無人機通信、導航、監視及飛行性能等相關特點，通過構建基于高斯分布的碰撞風險模型，研究通航基于儀表飛行的有人機和無人機混合運行的碰撞風險，按照國際民航組織DOC8168 中機場空域內的1×10-7安全目標水平要求，研究在具備ADS-B 監視和話音通信條件下，包含直角轉彎的儀表航線上有人與無人機之間的混合運行安全間隔。

2 碰撞模型建立

2.1 兩機碰撞保護區的建立

按照ICAO DOC9689 文件中REICH 模型的原理，在機場空域內的同高度上，選取通航飛機、無人機各自長寬高最大值作為二維圓形保護區，假設通航飛機保護區為R1=max{E機身長，E翼展}，無人機保護區為R2=max{e機身長，e翼展}，為了簡化模型，將通航飛機看作質點，對無人機建立合并保護區R=R1+R2，如果在混合運行時，L＜R則兩架飛機之間發生碰撞。

2.2 碰撞風險模型推導

設定在提供ADS-B 監視服務的機場空域，在一定的通信導航監視條件下，一架通航有人機和一架無人機在含有直角轉彎的儀表航線上進行飛行，在管制員實施兩次話音管制之間，由于通信、監視會出現一定延遲，導致位置誤差，進而導致航空器發生碰撞。由此驗證在滿足1×10-7安全目標水平的前提下航空器應保持的間隔標準。

假設A機距離轉彎點距離為a，B機距離轉彎點為b，兩機之間的理想距離為L1，實際距離為L2，A機位置偏差為X1，B機位置偏差為X2，示意圖如圖1。

由圖1可得兩機之間為位置關系：

當經過一定時間t 后兩機位置都發生變化，則有：

圖1 位置示意圖

設定這個過程中航空器位置誤差沿航線呈高斯分布，由此得到：

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

對函數進行歸一化處理得到：

考慮終端區域內通航有人和無人機的CNS 性能，在管制員和飛行員能夠發現航空器位置誤差并實施修正的時間t后，同航線航空器間隔改變為L2，要保證航空器之間的水平間隔小于航空器保護區R，則應該有

為便于開展等值計算，根據概率函數關系得到如下算式：

由于通信、導航、監視等因素造成的位置誤差相互獨立，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航監視概念，其服從的分布如下：

其中n表示導航誤差，m表示管制員飛行員通信的時間延遲；o表示監視系統造成的延遲，δC、δN、δS表示通信、導航、監視產生的位置誤差，三個因素相互獨立，則A或B機基于CNS總位置誤差：

3 影響因素的確定

機場空域內的運行時，通信、導航、監視是重要的空域環境。在導航方面，目前通航飛機上普遍安裝有佳明等衛星導航設備能夠提供基于性能的飛行導航，因此參照ICAO DOC8168 標準，根據調研終端區內通航和無人機的飛行特點，使用RNP 值為0.3NM 的導航精度要求，相關所需導航性能參數如表1。

表1 RNP參數

在通信方面，通航飛機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）相關要求，因此采用RCP10的要求。通航飛機所需通信性能參數如表2。

表2 RCP參數

無人機運行相比傳統通航飛機會存在更久的管制指揮延遲，在混合運行的機場終端管制可以通過各種通信方式聯系無人機操控員，為無人機下達管制指令，根據參考文獻［5］，有人機與無人機的語言延遲差值可以認定為4.47s。

監視方面，通航機場普遍安裝有ADS-B 監視設備，有人機和無人機相關信息都顯示在管制員的監控屏上，ADS-B 的機載和地面監控設備都滿足DO-260的要求，其監視的更新率能夠滿足1次/s的要求，另外參考ICAO DOC9869 文件中基于性能監視的（RSP）的相關技術規范，本文采用比實際更新率更長的10s 更新間隔。ICAO DOC9869 文件中關于飛機所需監視性能如表3。

表3 RSP參數

在混合運行的有人和無人機都必須要安裝ADS-B 監視設備，因此對于地面監控系統性能而言，對傳統通航飛機與無人機系統的監控性能是相同的。

4 機型參數

研究涉及的無人機主要是騰盾、翼龍等大型固定翼無人機，這類無人機通常需要滑跑起降，因此在混合運行機場存在共用跑道的情況。當前多數通航機場會在本場開展儀表直角航線訓練，無人機操控員也需要開展終端區包含直角轉彎的儀表航線培訓。本文選擇的是最典型的通航飛機和最大的無人機型，以保證本文論證結論得到的混合運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和大型無人機的相關參數如表4～5。

表4 無人機性能

表5 通航飛機性能

5 算例分析

5.1 相關性能參數

通航飛機導航性能：通過前期在自貢鳳鳴通用機場對飛機實施航路和儀表航線飛行實際航跡的統計，傳統通航有人機飛行過程中使用儀表導航的實際導航偏差在0.3 海里以內；無人機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。

在通信上按RCP，選取地空通信常用的RCP10，通過參考文獻［5］可以知道無人機相對傳統通航飛機在地空通信上會存在4.8s的延遲，因此本文中無人機通信延遲時間按照RCP15 計算。在監視性能上，由于通航有人機和無人機都安裝ADS-B 設備，因此在機場空域內的延遲時間都按照10s 計算。對于?的值，根據前期各類飛機實際CNS 性能，當設置?=0.8 時，對飛機之間的縮小間隔影響最大。

根據本文碰撞分析的條件假設，碰撞風險計算中的相關參數如表6。

表6 誤差參數

5.2 仿真結果

通過使用Matlab，機場空域內一架通航有人機和一架無人機在含有直角轉彎的航線飛行。由于通航有人機和無人機的通信監視延遲和導航性能誤差，在管制員兩次管制指揮之間，兩機之間發生碰撞的風險參照上述理論計算。不同有人和無人飛機組合在ADS-B監視間隔下的碰撞風險如下。

仿真計算結論分析：上圖表示在設定的CNS條件下，通航有人機和無人機在包含直角轉彎的儀表航線中混合運行時，CESSNA172R 與翼龍2、TB 雙尾蝎混合運行下的兩機水平安全距離分別為3.51km、3.26km，SR20 與翼龍2、TB 雙尾蝎混合運行下的兩機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和目前常用最大型的無人機，由此在提供ADS-B 監視管制服務的機場空域內，有人無人機實施儀表混合運行的條件下，當能夠保持3.6km 的管制間隔則能夠達到ICAO要求的1×10-7的風險水平。

根據自貢、廣漢等通航機場空域的特點，按照該間隔標準，在以跑道為核心的一個直角航線中就可以實施5架有人/無人機同時運行，這基本能夠滿足大多數通航機場有人無人機混合運行實現訓練飛行和進離場起降的空域容量要求。

圖2 CESSNA172R與無人機融合運行風險圖

圖3 SR20與無人機融合運行風險圖

6 結語

傳統通航有人機和無人機混合運行是通航發展趨勢，混合運行目前還處于起步階段，其中混合運行使用的水平間隔最為重要，而包含直角轉彎的儀表航線是機場區域內使用得最多，飛機密度最大，飛行風險風險最高的航線類型。這類航線上的儀表飛行間隔是整個機場空域內飛行間隔的基礎。

本文考慮了考慮通用機場空域通信、導航、監視和空管的一般特點，結合典型通航飛機和大型無人機的特點，理論論證了3.6km 水平間隔的安全性。本文的論證對通航有人機與無人機同場混合運行具有重要的指導和借鑒意義。當然在實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，后續還應進一步的研究。