空管自动化系统CFL高度保护参数设置方法研究

席佳睿

中国民用航空华北地区空中交通管理局 北京 100621

引言

短期冲突告警（STCA）是空管自动化系统中重要的告警项之一，STCA告警是指当航迹之间的水平和垂直间距同时小于或者在设定的告警时间内将要同时小于设置的参数值时,系统产生的告警[1]。为了提高STCA告警在航空器垂直间隔告警计算中的精确性、合理性，需要考虑CFL高度保护参数的设置。目前空管自动化系统中CFL高度保护参数均为根据经验设定的固定值。但在复杂多变的实际运行中，若CFL高度保护参数值设定不合理将严重影响STCA告警在垂直方向上的计算精度及准确性。因此，寻找一种合理的CFL高度保护参数设定方法是空管自动化系统迫切需要解决的关键问题之一。

针对上述CFL高度保护参数只能凭借经验设定的问题，本文提出一种基于航空器升降率动态调节CFL高度保护参数的方法，该方法能有效降低STCA告警的虚警率并能提高STCA告警精度。

1 STCA告警原理

当两航空器航迹之间的水平和垂直间距同时小于或者在设定的告警前探时间内将要同时小于设置的参数值时触发STCA告警[2]。因此，根据两航空器间的距离STCA告警可分为预警、告警两个阶段。当系统判断在前探时间内，两航空器间的距离将会小于门限距离时系统会触发STCA预警，当系统判断两航空器间的距离已小于门限距离时系统会触发STCA告警。

为了方便判断两航空器之间的距离及时向管制员发出STCA预警、告警信号，空管自动化系统根据STCA告警原理为每架航空器划设了STCA预警、告警区。当系统发现有其他航空器进入到当前航空器的STCA预警区域内时触发STCA预警，当系统发现有其他航空器进入到当前航空器的STCA告警区域内时触发STCA告警。水平和垂直方向的STCA预警、告警区定义如下：

水平方向上STCA告警区域为：以航空器为圆心r1为半径的圆形区域，其中r1表示STCA水平告警门限值。

水平方向上STCA预警区域为：以航空器为圆心r2为半径的圆形区域。

其中，T表示系统设定的前探时间，一般设定为90s，v1表示当前航空器在水平方向的速度。水平方向STCA告警区及预警区如图1所示。

图1 水平方向STCA预警及告警区域

垂直方向上STCA告警区域为：H±h1之间的区域，其中，H表示当前航空器所在高度，h1表示垂直告警门限值。

垂直方向上STCA预警区域为：

与垂直方向上STCA告警区之间的区域，其中，H表示当前航空器所在高度，h1表示垂直告警门限值，T表示系统设定的前探时间,一般设定为90s，v2表示当前航空器在垂直方向的升降速度。垂直方向STCA告警区及预警区如图2所示。

图2 垂直方向STCA预警及告警区域

2 CFL高度保护机制

当管制员对航空器下达了CFL指令高度后，航空器开始爬升或下降，但由于系统设置了STCA告警前探时间，航空器在开始爬升或下降过程中极有可能进入STCA垂直方向预警区，从而触发STCA虚预警。例如航空器A在航空器B的下方平飞，管制员向航空器B下达了新的指令高度，该指令高度低于航空器B的当前高度且高于航空器A的短期冲突告警区高度，假设系统设定的前探时间为90s，当航空器B开始下降时，系统经过推算发现90s后航空器B会进入航空器A的STCA告警区，于是系统判定航空器B触发了STCA预警，但实际上航空器B下降30s后就到达了指令高度并由下降转为平飞，属于正常运行，不应出现STCA预警提示。

针对以上问题，《空中交通管制自动化系统最低安全高度告警及短期飞行冲突告警功能（MH-T_4022-2006）》规定STCA告警在垂直方向上进行垂直冲突探测时，对具有CFL数据的航空器采用CFL高度层保护计算，CFL高度保护如图3所示。

图3 CFL高度保护示意

当航空器处于上升或下降状态并具有有效的CFL值时，系统使用CFL加上（上升）或减去（下降）高度层容差值，作为航空器推测高度的上限（上升）或下限（下降），进行垂直冲突检测。当航空器通过CFL，并已穿过高度层容差时，系统不再使用CFL容差高度作为推测高度的极限，探测垂直冲突。在航空器上升、下降率大于规定的升降率门限值时，同时航空器尚未达到CFL，但与CFL的高度差已小于升降率航迹保护高度值时，系统不再使用CFL容差高度作为推测高度的极限，探测垂直冲突。当用户未输入CFL数据，或已注销成无效时，系统不采用CFL高度层保护计算。

此外，在（MH-T_4022-2006）中还规定了高度层容差、升降率门限、升降率航迹保护高度三个CFL高度保护参数的设置范围。具体参数设置范围如下：

CFL高度层容差值：（10～150）m；

CFL升降率门限值：（5～20）m/s；

CFL升降率航迹保护高度值：（10～150）m。

3 CFL高度保护参数设置方法

CFL高度层容差值和CFL升降率航迹保护高度值的设置对STCA告警在垂直方向上的计算较为重要。当航空器升降率较大时，若CFL高度层容差值及CFL升降率航迹保护高度值取值过小会导致垂直方向上的冲突探测过于灵敏，从而引起STCA虚预警；当航空器升降率较小时，若CFL高度层容差值及CFL升降率航迹保护高度值取值过大又会导致STCA预警迟钝、告警精度较差，告警无法满足管制员实际需求[3]。因此，为了降低STCA虚警率提高STCA告警精度，CFL高度层容差值和CFL升降率航迹保护高度值的取值需要充分考虑当前航空器的升降率大小。

然而空管自动化在用系统中CFL高度层容差值和CFL升降率航迹保护高度值均为凭人工经验设定的固定值，并没有考虑当前航空器升降率的大小对STCA告警在垂直方向上计算造成的影响，国内某机场空管自动化设备CFL高度保护参数设置如图4所示。针对上述问题，下面介绍一种基于航空器升降率动态设定CFL高度保护参数的新方法。

图4 国内某机场空管自动化设备

3 CFL高度保护参数

3.1 参数定义

为方便进行问题的数学描述，现对空管自动化系统动态设定CFL高度保护参数过程中用到的相关参数做如下定义：

3.1.1 CFL高度层容差值：X，单位为米，该值是根据当前航空器升降率计算得到的一个变量，根据（MH-T_4022-2006）中的规定X取值范围为（10～150）m。

3.1.2 CFL高度层容差值最大值：X1，单位为米，该值为固定值且取值150m。

3.1.3 CFL高度层容差值最小值：X2，单位为米，该值为固定值表示管制员可接受的CFL高度层最小容差值，该值可根据管制需求进行设置，最小不可小于10m。

3.1.4 CFL升降率航迹保护高度值：y，单位为米，该值是根据当前航空器升降率计算得到的一个变量，根据（MHT_4022-2006）中的规定y取值范围为（10～150）m。

3.1.5 CFL升降率航迹保护高度值最大值：Y1，单位为米该值为固定值且取值150m。

3.1.6 CFL升降率航迹保护高度值最小值：Y2，单位为米，该值为固定值表示管制员可接受的CFL升降率航迹保护最小高度值，该值可根据管制需求进行设置，最小不可小于10m。

3.1.7 航空器当前高度：h，单位为米，该值是根据航空器当前高度实时变化的一个变量。

3.1.8 航空器当前升降率：r，单位为米/秒，该值是根据航空器当前升降率实时变化的一个变量。

3.1.9 CFL升降率门限值：R，单位为米/秒，该值为固定值，可根据经验进行设定，根据（MH-T_4022-2006）中的规定R取值范围为(5～20)m/s。

3.1.10 指令高度：C，单位为米，该值为固定值，表示管制员下达的CFL指令高度。

3.2 动态参数计算方法

下面介绍根据航空器实时高度和升降率计算与该航空器相匹配的CFL高度层容差值及CFL升降率航迹保护高度值的方法（均以航空器下降时为例，航空器上升时计算方法类似）。

3.2.1 当航空器当前高度h高于C+Y1或低于C–X1时，不计算CFL高度层容差值X以及CFL升降率航迹保护高度值y。

3.2.2 当航空器当前高度h低于C+Y1高于C–X1且当前下降率r大于CFL升降率门限值R时，不计算CFL高度层容差值X以及CFL升降率航迹保护高度值y。

3.2.3 当航空器当前高度h低于C+Y1高于C且下降率r小于R时，系统计算针对该航班的CFL升降率的航迹保护高度值y，计算方法如下：

3.2.4 当航空器当前高度h低于C且高于C–X1且下降率r小于R时，系统计算针对该航班的CFL高度层容差值X，计算方法如下：

由式（3）、式（4）可知，当航空器下降率较大时，CFL高度层容差值、CFL升降率航迹保护高度值也随之变大，航空器可得到足够宽的CFL高度保护区，从而有效减少垂直方向冲突探测因CFL高度保护区不够宽造成的虚预警；当航空器下降率较小时，CFL高度层容差值、CFL升降率航迹保护高度值也随之变小，航空器可得到与当前下降率相匹配的CFL高度保护区域，从而有效提高垂直方向冲突探测的精度。

4 结束语

本文针对空管自动化系统短期冲突告警（STCA）在进行垂直方向的推测计算时因CFL高度保护参数设定不合理导致的虚警率较高、告警推测精度较差的问题，提出一种基于航空器升降率的CFL高度保护参数动态设定方法。该方法充分考虑了航空器实时升降率对STCA垂直方向冲突探测的影响，根据航空器的升降率动态调整CFL高度保护参数。通过与传统凭经验设定CFL高度保护参数的方法对比，该方法可有效降低STCA虚警率、提高告警精度，该方法在空管自动化系统告警参数设置中具有很高的工程价值。