采用飞行流模拟方法的ADS-B平行航路纵向安全间隔评估

翟文鹏, 齐莉, 张诗童

(中国民航大学 空中交通管理学院, 天津 300300)

采用飞行流模拟方法的ADS-B平行航路纵向安全间隔评估

翟文鹏, 齐莉, 张诗童

(中国民航大学 空中交通管理学院, 天津 300300)

利用ADS-B监视下的PBN平行航路能够提高空域资源使用效率功能,设计了基于现有雷达数据的平行航路飞行流模拟方法。利用飞行动力学模型,建立了考虑ADS-B监视信号更新周期的PBN平行航路纵向安全间隔评估模型,进行飞行流运行特性仿真并得到飞机对的潜在冲突次数,验证了监视信号扫描周期对飞行流整体碰撞风险的影响。该方法实现了在飞行流整体运行下对平行航路进行风险评估。

空域规划; 平行航路; 纵向间隔; 碰撞风险; ADS-B监视; 飞行流模拟

0 引言

随着我国空中交通流量的不断增长,空域资源紧张导致严重的航班延误。平行航路[1]的运行能够有效提升空域容量,缓解航班延误,特别是PBN和ADS-B等新的运行理念和新技术的应用更加充分地发挥了平行航路的优势。Reich 模型[2-4]、基于事件的模型[5-8]、随机非分方程[9]等模型的应用实现了平行航路飞行间隔安全评估。文献[10]对统计数据进行分析,设计了ADS-B航路安全间隔评估方法。文献[11-12]以飞行动力学模型建立航迹并对冲突分先进行探测。文献[13]考虑管制员干预次数对碰撞的影响,建立了基于人的因素的平行航路碰撞风险模型,提出了有雷达管制间隔分别无非侵入区和有非侵入区条件下,出现飞行冲突需要管制员干预的计算模型。

根据现有文献资料可知,大部分理论研究通过引入不同形式的碰撞模板,采用解析分析方法建立碰撞风险数学模型;而采用模拟方法进行安全评估的相对较少,特别是飞行流模式下的空域整体安全性评估研究相对不足。本文基于局部分析与整体综合相衔接、平行航路空域规划构型与飞行流相协调、解析和模拟方法相结合的基本思路,提出ADS-B监视下的PBN平行航路空域规划安全性评估方法,为推动PBN技术应用奠定基础。

1 飞行流模拟方法

关于平行航路纵向安全间隔的评估主要是考虑两架航班之间的碰撞风险,本文根据平行航路所在空域的原始飞行流量统计数据,在设定的纵向间隔标准下进行飞行流模拟,从而评估平行航路整体碰撞风险。飞行流模拟流程如图1所示。首先统计某条平行航路上航班高度、速度及进入航路的时间间隔,得到统计分布规律。以此统计规律模拟平行航路上的飞行流,设定平行航路纵向间隔标准,小于间隔标准的航班不能作为模拟的飞行流航班。

2 碰撞风险模型

2.1 飞行运动模型

从空中交通管制员的角度看,飞机的运动可以被认为质点运动,且在大量空中交通管理研究中被采用,飞机质点运动学模型为：

(1)

(2)

式中:x,y为飞机水平位移;z为飞行高度;V为真空速;ψ为航向角;m为飞机质量;w1,w2分别为风速的水平分量;w3为风速的垂直分量;T为发动机推力;D为空气阻力;L为升力;φ为侧倾角;η为燃油消耗率;S为机翼面积;ρ(z)为在高度z处的空气密度;CL为升力系数;CD为阻力系数。

2.2 飞机对纵向重叠概率计算

广播式自动相关监视(ADS-B)功能是基于空-空、空-地数据链通信技术,通过GNSS接收机实现定位的集通信、监视两种技术为一体的民航空管系统。飞机通过数据链周期性地传递它们的位置,在ATC控制台上显示的目标位置和实际飞机位置是不相同的,是因为报告的位置和航班实际的位置、速度估计之间会有测量误差。这种位置误差在管制员接收下一次位置信息报告之前有增长的趋势。两架飞机收到最后一条消息后的纵向间隔为：

d=x1-x2+v1t-v2t

(3)

式中:x1和x2为两架并排飞机关于报告位置的位置误差;v1和v2为估计的两架飞机沿纵向的速度;t为从接受到第一架飞机传送的最后一条消息开始的报文处理时间。

典型飞机对的纵向重叠概率为:

fd(u,v1,v2,t,ΔT)fv(v1)fv(v2)dudv1dv2dt

(4)

式中:xs为最小间隔标准设定值;T为报告时间的时间间隙;ΔT为地面系统处理数据时间;λx为航班长度;fd(u,v1,v2,t,ΔT)为纵向间隔概率密度函数;fv(v)为纵向速度的预测误差的概率密度函数。

2.3 飞行流纵向碰撞风险

平行航路上同高度前后两架航班间隔为x时的碰撞风险为：

Nx(x,T)= 2Py(0)Pz(0)Px(x,T)×

(5)

式中:Py(0)和Pz(0)分别为侧向和垂直重叠概率,数值大小与平行航路导航规范相关;Px(x,T)为两架航班纵向重叠概率;vx(x),vy(x),vz(x)为航班间隔为x时两架航班纵向、侧向和垂直接近速度;λx,λy,λz为航班长度、翼展和高度。

飞行流纵向碰撞风险平均值为:

(6)

式中:nx为间隔为x的飞行流航班数。

3 飞行流整体碰撞风险评估算例

本文针对我国某个扇区的某条航路飞行流进行统计,并模拟在该扇区设计平行航路的飞行流。该平行航路设计为单向运行,在这里设置不同纵向间隔、不同ADS信号间隔下的RNAV-1下的纵向间隔评估结果。模拟的航班间隔标准为12 km,共4万架次,航班流间隔分布如图2所示,该分布数据为平行航路飞行流整体碰撞风险评估的先决条件。

图2 飞行流航班对间隔分布图Fig.2 Flight pair interval distribution chart

针对不同飞行间隔标准,设定ADS信号更新周期为10 s,平行航路导航规范为RNAV-1,在间隔标准为10～18 km分别进行飞行流碰撞风险评估。评估结果如图3所示,图中实线为国际民航组织规定的安全目标水平NTSL=0.5×10-8,本文导航监视性能数据评估结果的安全间隔为15.5 km。

图3 飞行流碰撞风险评估结果Fig.3 Flight flow collision risk assessment results

飞行流在平行航路运行过程中,当同航路同高度前后航班之间间隔小于某一距离时即存在潜在冲突,管制员会对冲突进行调配。如图4所示,统计模拟的飞行流小于间隔标准x+5 km范围内的同航路、同高度的航班占比γ可以对飞行流整体的运行态势进行评估,未来可以考虑飞行流潜在冲突对管制工作负荷的影响进行量化。

图4 飞行流航班对潜在冲突航班比例图Fig.4 Flight pair potential conflict scale map

针对不同飞行间隔标准,本文设定平行航路导航规范为RNAV-1,ADS信号更新周期分别为10 s,100 s,200 s进行飞行流碰撞风险评估。评估结果如图5所示,图中实线为国际民航组织规定的安全目标水平NTSL=0.5×10-8。针对本文导航监视性能数据评估结果的安全间隔分别为15.5 km,16.25 km和17.51 km。可见随着信号更新周期增大,安全目标水平的安全标准间隔变大。

图5 不同监视信息更新周期下的飞行流碰撞风险评估结果Fig.5 Flight flow collision risk assessment results under different monitoring information update cycle

4 结束语

本文建立了针对飞行流模式下的局部与整体相衔接、解析与模拟相结合的平行航路纵向间隔安全评估方法。在飞行流模拟的基础上,建立了平行航路纵向碰撞风险模型,并对飞行流整体运行态势、潜在冲突和评价风险进行评估。下一步的研究应在评估过程中考虑管制员冲突解脱过程对于纵向碰撞风险的影响,为新技术应用下平行航路空域规划和运行安全评估提供理论方法。

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

[2] Siddiqee W.A mathematical model for predicting the number of potential conflict situations at intersecting air routes[J].Transportation Science,1973,7(2):158-167.

[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.空中飞机侧向间隔标准的初步研究[J].中国民航学院学报,2001,19(1):1-5.

[7] 徐肖豪,马子兴,聂润兔.空管二次雷达最小间隔的分析与比较研究[J].交通运输工程与信息学报,2004,2(1):20-24.

[8] 张兆宁,刘计民.基于CNS性能的垂直间隔碰撞风险评估[J].中国民航大学学报,2010,28(1):5-8.

[9] 高申坤.RVSM 空域飞机碰撞风险研究[D].沈阳:沈阳航空航天大学,2012.

[10] 王红勇,王晨,赵嶷飞.基于ADS-B统计数据的航路安全间隔研究[J].中国安全科学学报,2013,23(2):103-108.

[11] 翟文鹏,李亚飞.飞行目标航迹生成及冲突探测算法研究[J].中国安全科学学报,2013,23(10):110-113.

[12] 翟文鹏,吴昊,王莉莉,等.用粒子滤波改进的飞行冲突探测算法研究[J].中国安全科学学报,2014,24(6):105-108.

[13] 韩松臣,裴成功,隋东,等.平行区域导航航路安全性分析[J].航空学报,2006,27(6):1023-1027.

(编辑：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;

时间:2015-06-24 15:03

国家自然科学基金资助(71171190，61179042，U1333116)；国家空管科研课题(GKG201405002)；中央高校基本科研经费资助(ZXH2012M003，3122014D038)；中国民航大学科研启动基金资助(2012QD02X)；大学生创新创业训练计划项目(201410059082)

翟文鹏(1985-)，男，天津人，讲师，博士，研究方向为空中交通规划与管理。

V355.1

A

1002-0853(2015)05-0464-03