一種基于碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型的終端區(qū)航線安全容限監(jiān)測(cè)方法和系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及終端區(qū)監(jiān)視技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型的終端區(qū)航線 安全容限監(jiān)測(cè)方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 終端區(qū)是一個(gè)涵蓋較大范圍的中低空空域，甚至幾個(gè)中心城市，此空間內(nèi)地理環(huán) 境復(fù)雜。終端區(qū)內(nèi)隨著航班流量的增加，飛行密度變大，為了應(yīng)對(duì)這些問(wèn)題，需要縮小管制 間隔，并提高航線飛行的導(dǎo)航精度。因此為了確保飛行安全，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)終端區(qū)航線的安 全容限。終端區(qū)航線的安全容限是指：進(jìn)場(chǎng)、離場(chǎng)等運(yùn)行的碰撞風(fēng)險(xiǎn)滿(mǎn)足要求飛行碰撞風(fēng)險(xiǎn) 時(shí)所允許的實(shí)際飛行航跡距航線中心線的最大偏差范圍，也就是進(jìn)離場(chǎng)飛行的安全邊界。
[0003] 傳統(tǒng)計(jì)算航線安全容限的方法采用精密導(dǎo)航技術(shù)（RequiredNavigation Performance，RNP)的概念，即根據(jù)飛機(jī)的導(dǎo)航性能RNP-X飛行航線，即95%的時(shí)間飛機(jī)能 夠飛行在航線中心線兩側(cè)±X海里的空間范圍內(nèi)，在RNPRNAV(AreaNavigation)中將2X 作為安全容限，飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)必須確保飛機(jī)99. 999%的飛行時(shí)間保持在這個(gè)安全容限內(nèi)。 但是這種方法只考慮了飛機(jī)個(gè)體自身導(dǎo)航性能設(shè)定的容限，未考慮與終端區(qū)內(nèi)其他飛機(jī)的 關(guān)系。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型的終端區(qū)航線安全容限監(jiān)測(cè)方法 和系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)終端區(qū)航線安全容限的監(jiān)測(cè)，保證飛機(jī)在終端區(qū)的復(fù)雜情況下的安全飛行。
[0005] 本發(fā)明提供的一種基于碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型的終端區(qū)航線安全容限監(jiān)測(cè)方法，包括如下 步驟：
[0006] 根據(jù)廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（ADS-B)觀測(cè)數(shù)據(jù)建立側(cè)向和垂向航跡偏差分布模型；
[0007] 根據(jù)航跡偏差，基于碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型計(jì)算飛行碰撞風(fēng)險(xiǎn)；
[0008] 在給定飛行碰撞風(fēng)險(xiǎn)的情況下，根據(jù)航線上飛機(jī)的飛行狀態(tài)，利用飛行碰撞風(fēng)險(xiǎn) 與側(cè)向和垂向安全間隔的單調(diào)性，迭代求出與假設(shè)平行航線的距離，即最大允許的飛機(jī)航 跡偏差范圍。
[0009] 本發(fā)明還提供了一種基于碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型的終端區(qū)航線安全容限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括：
[0010] 數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊，用于對(duì)接收到的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行航跡信息提取，從原始的信號(hào)中 篩選出航班號(hào)、經(jīng)度、煒度、高度、速度等關(guān)鍵信息；
[0011] 航跡偏差建模模塊，利用提取到的航跡信息進(jìn)行側(cè)向和垂向航跡偏差的動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì) 與分布函數(shù)的偏差概率建模；
[0012] 航跡安全容限評(píng)估模塊，用于航跡側(cè)向和垂向重疊概率求解、航跡碰撞風(fēng)險(xiǎn)建模 和航線安全容限評(píng)估。
[0013] 本發(fā)明提供的一種基于碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型的終端區(qū)航線安全容限監(jiān)測(cè)方法和系統(tǒng)，根 據(jù)ADS-B觀測(cè)數(shù)據(jù)建立側(cè)向和垂向航跡偏差分布模型，進(jìn)行分布函數(shù)偏差的計(jì)算，利用碰 撞風(fēng)險(xiǎn)模型進(jìn)行重疊概率的求解和碰撞風(fēng)險(xiǎn)的分析，最后逆向求解出滿(mǎn)足要求飛行碰撞風(fēng) 險(xiǎn)的安全容限，實(shí)現(xiàn)對(duì)終端區(qū)航線安全容限的監(jiān)測(cè)，能夠有效降低復(fù)雜的終端區(qū)環(huán)境下的 碰撞風(fēng)險(xiǎn)，提高空中交通管制運(yùn)行的安全水平和空域容量。
[0014] 本發(fā)明基于空域內(nèi)碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型來(lái)計(jì)算航線安全容限，既考慮飛機(jī)的導(dǎo)航性能， 又考慮飛機(jī)之間的相互關(guān)系，因此更符合實(shí)際應(yīng)用。空中交通管制人員根據(jù)飛行安全邊界 的大小，可以動(dòng)態(tài)地調(diào)整終端區(qū)飛行密度，提高終端區(qū)利用率，實(shí)現(xiàn)對(duì)終端區(qū)空域資源靈活 高效的使用。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1為側(cè)向和垂向偏差示意圖；
[0016] 圖2為飛機(jī)模型示意圖；
[0017] 圖3為飛機(jī)碰撞模板示意圖；
[0018] 圖4為迭代算法求解流程圖；
[0019] 圖5為本發(fā)明提供的安全容限檢測(cè)方法流程圖；
[0020] 圖6為本發(fā)明基于碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型的終端區(qū)航線安全容限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)施例的結(jié)構(gòu) 圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 下面通過(guò)附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0022] 終端區(qū)航線的安全容限是指：進(jìn)場(chǎng)、離場(chǎng)等運(yùn)行的碰撞風(fēng)險(xiǎn)滿(mǎn)足要求飛行碰撞風(fēng) 險(xiǎn)時(shí)所允許的實(shí)際飛行航跡距航線中心線的最大偏差范圍。進(jìn)離場(chǎng)動(dòng)態(tài)安全容限的監(jiān)視是 密集終端區(qū)飛行空域安全的重要保障手段?？罩薪煌ü苤迫藛T根據(jù)飛行安全邊界的大小， 可以動(dòng)態(tài)地調(diào)整終端區(qū)飛行密度，提高終端區(qū)利用率。
[0023] 本發(fā)明利用碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型解決終端區(qū)在復(fù)雜情況下安全容限監(jiān)測(cè)的問(wèn)題，提出一 種基于碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型的終端區(qū)航線安全容限監(jiān)測(cè)方法，保證飛行安全，提高終端區(qū)空域利 用率，如圖5所示流程圖，具體步驟如下：
[0024] 步驟101，根據(jù)廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（ADS-B)觀測(cè)數(shù)據(jù)建立側(cè)向和垂向航跡偏差 分布模型。
[0025] 本實(shí)施例中首先對(duì)ADS-B觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，從觀測(cè)數(shù)據(jù)中提取出航班號(hào)、經(jīng) 度、煒度、高度、速度等關(guān)鍵航跡信息，然后利用預(yù)處理之后的航跡信息對(duì)航跡偏差的分布 進(jìn)行建模，航跡偏差分布的中心附近的分布近似服從于高斯分布，因此基于高斯分布建立 航跡偏差的概率密度函數(shù)。
[0026] 側(cè)向高斯分布的概率密度函數(shù)為：
[0027]
⑴
[0028] 垂向高斯分布的概率密度函數(shù)為：
[0029]
(2).
[0030] 其中山和dv分別為側(cè)向和垂向航跡偏差，y :和y v分別為側(cè)向和垂向高斯分布 的期望，〇 ￥分別為側(cè)向和垂向高斯分布的標(biāo)準(zhǔn)差，所述的期望和標(biāo)準(zhǔn)差通過(guò)統(tǒng)計(jì)實(shí) 際航跡與航線的側(cè)向和垂向航跡偏差分布得到。
[0031] 相對(duì)于地球球面，航跡面可以近似為平面。如圖1所示，A、B為航線的端點(diǎn)，C為 實(shí)際的航跡點(diǎn)，AB平行于X軸，DE平行于Y軸，CE平行于Z軸，航跡點(diǎn)C的側(cè)向航跡偏差 即為DE的長(zhǎng)度，垂向航跡偏差即為CE的長(zhǎng)度，計(jì)算DE的長(zhǎng)度需要A、B、C三點(diǎn)的經(jīng)煒度坐 標(biāo)，計(jì)算CE的長(zhǎng)度需要A、B、C三點(diǎn)的高度坐標(biāo)。定義飛機(jī)的縱向、側(cè)向、垂向分別為X軸、 Y軸和Z軸方向。
[0032] 通過(guò)以上描述，建立了航跡偏差的概率密度函數(shù)，針對(duì)終端區(qū)對(duì)應(yīng)航線，以1000 個(gè)航跡點(diǎn)作為其樣本集，計(jì)算對(duì)應(yīng)的側(cè)向和垂向航跡偏差，按照高斯分布進(jìn)行擬合，為下一 步碰撞風(fēng)險(xiǎn)的計(jì)算做準(zhǔn)備。
[0033] 步驟102,根據(jù)概率密度函數(shù)中所述的期望、標(biāo)準(zhǔn)差和碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型進(jìn)行飛行碰撞 風(fēng)險(xiǎn)的計(jì)算。
[0034] Reich碰撞模型是20世紀(jì)60年代提出的一種預(yù)測(cè)飛機(jī)空中相撞風(fēng)險(xiǎn)的數(shù)學(xué)模型， 它針對(duì)平行航線系統(tǒng)在縱向、側(cè)向、垂直方向分別進(jìn)行了碰撞風(fēng)險(xiǎn)建模，對(duì)相鄰航線飛機(jī)之 間的碰撞風(fēng)險(xiǎn)建立了數(shù)學(xué)模型。它適用于計(jì)算飛機(jī)碰撞風(fēng)險(xiǎn)和飛行航線間隔之間的關(guān)系。 下面主要對(duì)Reich模型中飛機(jī)碰撞過(guò)程進(jìn)行描述，為此要引入以下一些概念：
[0035] 如圖2和圖3所示，假設(shè)飛行航線中每架飛機(jī)的尺寸是相同的，形狀為一矩形，矩 形的長(zhǎng)、寬、高分別為飛機(jī)的長(zhǎng)度A x、翼展Ay和高度A z。以飛機(jī)A幾何中心為中心，在縱 向、橫向、垂直方向上分別以2 A x，2 A y，2 A 擬出一個(gè)矩形區(qū)域，另外一架飛機(jī)B模擬為 一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，當(dāng)質(zhì)點(diǎn)進(jìn)入該虛擬出的矩形區(qū)域時(shí)就會(huì)發(fā)生碰撞，因此將該虛擬出的矩形區(qū)域 定義為碰撞模板，也稱(chēng)飛機(jī)A所對(duì)應(yīng)的A體。
[0036] Reich模型認(rèn)為飛機(jī)在縱向、側(cè)向、垂向三個(gè)方向上同時(shí)發(fā)生重疊將發(fā)生碰撞，因 此將單位時(shí)間內(nèi)一條飛行航線上飛機(jī)B進(jìn)入另一條平行飛行航線上飛機(jī)A的碰撞模板的次 數(shù)CR定義為：
[0037] CR = NxPyPz+NyPxP z+NzPxPy (3)
[0038] 其中，、、隊(duì)分別表示飛機(jī)衫從向"則向居向穿越飛機(jī)八的碰撞模板的頻率^、 匕、匕分別表示兩飛機(jī)在縱向、側(cè)向、垂向上發(fā)生重疊的概率。
[0039] 由Reich碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型可以求得飛行碰撞風(fēng)險(xiǎn)（FCR)的結(jié)果，垂向飛行碰撞風(fēng)險(xiǎn) 為：
[0040]
[0041] 側(cè)向飛行碰撞風(fēng)險(xiǎn)為：
[0042]
[0043] 其中，Ey(same)和Ey(opp)分別為同向和對(duì)向的側(cè)向占有率，卜_|、卜|、|鈄分別表 示兩飛機(jī)縱向、側(cè)向、垂向的速度差的絕對(duì)值，Sy為側(cè)向間隔，Py (Sy)為兩架飛機(jī)側(cè)向間隔為 sy的在側(cè)向上發(fā)生重疊的概率，PZ(0)為表示兩架飛機(jī)垂向間隔為0的在垂向上發(fā)生重疊的 概率，P z(sz)為兩架飛機(jī)垂向間隔為\的在垂向上發(fā)生重疊的概率，Py(0)為表示兩架飛機(jī) 側(cè)向間隔為〇的在側(cè)向上發(fā)生重疊的概率，|W|為在相同航線同向飛行的兩個(gè)飛機(jī)之間的 速度差的絕對(duì)值，PI為該航線上所有飛機(jī)的平均地速的絕對(duì)值，在側(cè)向上發(fā)生重疊的概率 的定義為：
[0044]
[0045] 其中，fyl2 (y)表示兩架飛機(jī)間的側(cè)向距離y12的概率密度，這一側(cè)向距離可以表示 為：
[0046] y12=Sy+y「y2
[0047]其中，yi，72分別代表兩條平行航線（航線1和航線2)上的兩架飛機(jī)側(cè)向偏離的 距離。
[0048] 當(dāng)兩架飛機(jī)的側(cè)向偏差相互獨(dú)立且有相同的概率密度時(shí)，
[0052] 同理，在垂向上發(fā)生重疊的概率近似為：
[0053]
(7)
[0054] 其中，fY(y)和fz(z)分別是兩架飛機(jī)側(cè)向和垂向航跡偏差的概率密度，Zl代表兩 條平行航線中航線1上的飛機(jī)垂向偏離的距離。
[0055] 表1Reich碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型幾個(gè)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)值
[0056]
[0059]則，
[0060] FCRy=A?Py(Sy) (8)
[0061] FCRZ=B?PZ(SZ) (9)
[0062] 其中A、B為可計(jì)算的并且與S，PSZ無(wú)關(guān)的常量，所以已知Sy、Sz和通過(guò)步驟101的 方法求得的航跡偏差分布模型，由公式（1)、公式（6)和公式（2)、公式（7)可以求得己(\) 和Pz (Sz)，進(jìn)而由公式（8)、公式（9)求得FCRjPFCRz。
[0063] 步驟103,根據(jù)碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型，給定飛行碰撞風(fēng)險(xiǎn)的情況下，反推出最大允許的飛 機(jī)航跡偏差范圍，即安全容限值。
[0064] 在式⑶和式（9)中，當(dāng)給定FCR; (i = y或z,當(dāng)i = y時(shí)對(duì)應(yīng)側(cè)向，當(dāng)i = z時(shí)