航空器的冲突与调度研究范文

《武汉理工大学学报》2014年第十一期

1概率型冲突探测

冲突探测就是基于航空器的预测航迹，判断航空器间是否会发生飞行冲突，即航空器间隔是否小于间隔标准，如果有冲突则冲突告警．冲突探测能够探测到未来潜在的飞行冲突，给管制员充足的提前时间对航空器进行冲突解脱，减少航空器的安全事故发生率，有助于提高空管的保障能力。概率型冲突探测算法是考虑导航误差、风等不确定性因素对航迹的影响，基于概率性的航迹，计算航空器对的冲突概率．概率性航迹的实现方法有2种：（1）用航空器动力学随机模型来传播航空器的状态，可用随机线性差分方程来描述航空器的运动，从而得到概率型的航迹；（2）在航空器飞行意图或飞行计划的基础上计算得到确定性的航迹，然后在确定型航迹上加上未知的不确定性（误差协方差）得到概率型的航迹，航迹误差是许多因素综合影响的结果，可以认为航迹误差基本服从正态分布［5］．基于概率性的航迹，计算航空器对的冲突概，首先，将2架航空器的位置偏差合并为随机航空器相对参考航空器的位置误差协方差；第二步，由于线性变换对冲突概率积分没有影响，可以选取适当的坐标转换矩阵将坐标转换，将航空器的联合椭圆协方差转换为单位圆，便于计算；第三步，通过坐标旋转使得航空器的相对运动速度与其中一条坐标轴方向平行；最后，对于转换后的坐标，通过分析得到冲突概率的解析解．坐标变换后冲突示意图见图2．

2算法说明

2．1航空器冲突探测算法实现冲突探测的关键在于：航空器四维轨迹的预测、冲突阈值的设定以及探测冲突的决策算法，本文提出基于最长公共子序列（LCS）算法及航空器四维轨迹的高效冲突探测算法．

2．1．1基于LCS的初步冲突探测算法效率在航空器冲突探测过程中是一个比较关键的影响因素，对于n架航空器来说，需要进行的航迹对比较最大数量等于所有不同航空器对的数量，通过组合分析得到此类冲突探测算法的时间复杂度。随着航空器数量的增加，需要进行搜索的航迹对数量呈平方数增长，这就要求设计运算速度更快的算法．因此，提出一种基于最长公共子序列（LCS）的高效冲突探测算法．最长公共子序列问题就是在一组不同的序列中找到一个相同子序列且该子序列的长度最长．假设字符串S的一个子序列是一组按从左到右顺序出现的字符，但不一定连续．例如，S＝“ACT－TGCG”是一个序列，ACT，ACTT，ATTC，T，ACTTGC都是S的子序列，但TTA不是S的子序列．首先，利用LCS方法找到航空器A和航空器B的相同航路点，然后比较它们在相同航路点上的ETA（预计到达时间），如果某一相同航路点上的ETA差值小于设定的时间阈值，那么将会对这两架航空器的四维轨迹进行比较，做进一步的冲突探测．如果所有相同航路点上的ETA差值均大于设定的时间阈值，那么就认为这两架航空器之间不存在冲突．

2．1．2基于4D航迹的冲突探测利用LCS方法一旦检测到两架航空器在某一相同航路点上的ETA差值小于设定的时间阈值，那么就需要对这两架航空器的4D航迹进行比较，做进一步的冲突探测．算法的输入是航迹预测模块生成的航空器未来一段时间内的4D航迹，即包括航空器的位置、高度、速度及航向等信息组成的时间序列．对航空器对的相同航段进行4D航迹比较，然后通过概率型冲突概率算法计算冲突发生的概率．2．2相关航空器过滤说明为了进一步提高航空器冲突探测的效率，将航空器对的航迹比较转化为航空器对在相同航路段上的航迹比较，这样可以将不必要的航迹比较剔除．如图3所示，在VMB与BK2进港点随机产生飞机流，P00作为从2点进入终端区的航路汇聚点，P01与P02作为切入五边的共同点．在2点所用间隔标准不同，在五边根据不同机型以及前后机位置等，划分不同的尾流间隔，五边以外则执行雷达间隔．根据航班飞行计划，判断航班间是否存在相同航段，来决定航班之间是否需要比较．如图4所示，不同航班由进港到着陆的时间窗，进一步剔除不相关航空器。

2．3备选航路调度策略基于历史雷达轨迹数据，利用Matlab数据分析工具，采用数据挖掘技术，挖掘现实调度策略，寻找备选航路．以浦东机场进场航班雷达数据为例，首先，通过分析图5所示的空闲时间雷达轨迹分布，确定常规的标准仪表进场航路，见图6，常规的标准仪表进场航路可以保证飞机尽快的降落。然后，通过分析繁忙时段雷达轨迹的分布，见图7，获得备选标准仪表进场航路，见图8．

3仿真验证

3．1仿真说明选取上海浦东国际机场进场航班作为仿真样本，利用Mapx构建运行场景，基于VisualC＋＋开发平台对航空器冲突探测进行仿真．参数设置说明：五边外，航空器雷达安全间隔为可选值；五边运行保证前后机按航空器类型的尾流安全间隔．

3．2算法总流程航空器冲突探测与调度流程见图9．

3．3仿真验证拷贝上海终端空域雷达数据，通过管制自动化系统的回放功能，获取终端区航班雷达轨迹，选取2013年1月2日08：00：00至12：00：00（UTC时间）浦东机场进场航班作为仿真案例．图10为以Mapx插件构建的仿真场景。从图11中的仿真案例中可以显示冲突的航班对，冲突的时刻与概率，以及调度方案，可以验证该过程的可行性．从表2中可以看出，利用LCS算法的冲突探测方法的探测效率更高．

4结束语

本文提出了相关性航空器冲突探测与调度的方法，通过仿真验证了该方法的可行性，但是本文只考虑了终端区进场航班，对于进离场航班的情形并未考虑，在下一步的研究中，对进离场航班进行仿真，将是一个重要的方向．

作者：武晓光张军峰郑乐单位：南京航空航天大学民航学院