CN102013175B - 基于4d航迹和雷达数据的中期空中交通冲突探测方法 - Google Patents

Abstract

基于4D航迹和雷达数据的中期空中交通冲突探测方法涉及空中交通管制自动化。将精确4D航迹数据、实时雷达数据投影到空中交通管制系统的显示平面，根据精确4D航迹数据和实时雷达数据，对每一航空器对进行过滤处理，排除未来30分钟内没有可能与其他航空器发生冲突的航空器；然后对有潜在冲突的航空器对进行重点探测，根据两架飞行器的垂直间隔和时间间隔，利用坐标转换计算出航空器对的相对速度和相对位置的协方差，再计算出在t时刻预测位置间隔小于安全间隔的概率，得出探测报告。本发明弥补长期和短期冲突探测的缺点，将长期、中期和短期冲突探测结合起来保证飞行安全。进行一次冲突探测平均耗时约为0.028秒，具有较强的实时性。

Description

基于4D航迹和雷达数据的中期空中交通冲突探测方法

技术领域

本发明涉及计算机应用技术，特别涉及空中交通管制自动化系统。

背景技术

随着我国航空业的迅速发展，航空运输业一方面为国家经济发展做出了重要的贡献，另一方面，空中交通流量日益增长、空域密度不断增加，使得飞机之间的碰撞风险大大增加，对飞行安全造成了严重威胁。为了保障空中交通安全，防止飞机发生危险接近甚至碰撞，维护正常的飞行秩序，国际民航组织((ICAO)对飞机间安全间隔作了明确规定。

国际民航组织ICAO D0C9854中，将空管中的冲突管理分为三个层次，即战略冲突管理、间隔保障和机载防撞。其中，战略冲突管理和保障间隔均在地面安全网(管制中心系统)中实现，机载防撞在空中安全网(机载系统)中实现。根据冲突检测和处理的时间相对于冲突预计发生的时间提前量大小，可将间隔保障分为长期(＞30分钟)、中期(5-30分钟)、短期(＜5分钟)三个层次，不同层次分别有完全不同的运行概念、技术需求、决策支持工具；对应到管制中心系统上，分别体现为三种完全不同的功能，如：长期冲突探测、中期冲突检测、短期冲突告警。

现有的空中交通管制系统ATC中提供了长期冲突探测和短期冲突探测。长期冲突探测即飞行计划预调配通常是在飞行计划未执行之前对飞行计划进行冲突探测及调配，这种方法完全是根据飞行计划进行探测的且探测冲突预计发生的时间提前量较大，同时它还是基于轨迹估算的基础上进行的。由于轨迹估算中估算出的飞机位置、高度、时间信息的误差会随着后推时间的增大而增大，从而导致这种长期冲突探测的误差也会随着时间的增大而增大，影响其准确性，这就需要一种更为准确的方法能够在长期冲突探测之后再次排除潜在的飞行冲突。短期冲突探测是在飞行计划执行过程中，根据雷达航迹来进行冲突探测的，由于它是完全基于雷达航迹的，所以它只能进行较短时间内的探测，而无法预知较长时间后飞机的飞行意图，所以就需要一种方法能够根据雷达航迹来探测相对于短期冲突探测较长后推时间内的冲突。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够弥补长期和短期冲突探测的不足，弥补长期和短期冲突探测之间的空白时间探测的方法。本方法将精确4DT(四维航迹)数据和雷达航迹数据充分结合起来，作出在5至30分钟的探测时间范围内的冲突探测。将长期、中期和短期冲突探测结合起来，减小预测误差，有效排除潜在的冲突，保证飞行安全。

本发明的目的是这样达到的：一种基于4D航迹和雷达数据的中期空中交通冲突探测方法，其特征在于：将精确4D航迹数据、实时雷达数据投影到空中交通管制系统的显示平面，根据精确4D航迹数据和实时雷达数据，对每一航空器对进行过滤处理，排除未来30分钟内没有可能与其他航空器发生冲突的航空器；然后对有潜在冲突的航空器对进行重点探测，根据两架飞行器的垂直间隔和时间间隔，利用坐标转换计算出航空器对的相对速度和相对位置的协方差，再计算出在t时刻预测位置间隔小于安全间隔的概率，得出是否存在冲突的探测报告；

本方法包括如下步骤：

第一步：通过飞行数据处理和精确4D航迹处理获得每一飞行计划的精确4D航迹信息，将4D航迹投影到空中交通管制系统的显示平面；

第二步：通过导航监视系统获得每一航空器的实时雷达数据，特别是空中位置参数，将其位置投影到空中交通管制系统的显示平面；

第三步：根据精确4D航迹信息和实时雷达航迹数据，对每一航空器进行简单过滤处理，排除未来30分钟内没有可能与其他航空器发生冲突的航空器；

第四步：根据位置关系，选择有潜在冲突的航空器对；

第五步：根据精确四维航迹，计算未来30分钟内两架航空器间距最小的时刻以及两架航空器各自的位置；

第六步：对航空器对进行从航向坐标系到惯性坐标系的坐标系转换；

第七步：利用从航向坐标系到惯性坐标系转换计算出航空器对的相对速度和相对位置的协方差；

第八步：分别计算航空器对在水平方向和垂直方向上的冲突概率；

第九步：计算航空器对的冲突概率，并判断未来30分钟内是否存在冲突。

所述精确4D航迹数据包括各个航路点的精确位置、航空器过每个航路点的预计高度、速度及预计过点时间；所述根据雷达数据包括飞行器位置、高度、速度、加速度数据。

所述根据精确4D航迹信息和实时雷达航迹数据，对每一航空器进行过滤处理，其过滤处理的方法是采用垂直间隔快速排除算法和时间间隔快速排除算法排除未来30分钟内没有可能发生飞行冲突的航空器；垂直间隔快速排除算法是在两架航空之间的垂直间隔如果大于安全垂直间隔，则排除掉；时间间隔快速排除算法是在两架航空器之间的时间间隔如果大于安全时间间隔，则排除掉。

利用从航向坐标系到惯性坐标系转换计算出航空器对的相对速度和相对位置的协方差：

设两架飞机在惯性坐标系下的实际位置之差为Δp，预测位置之差为

航空器对的联合航迹误差的协方差矩阵：其中航空器对相对位置的航迹误差

其中航空器对相对位置的航迹误差

q为航空器在航向坐标系下的实际位置，为预测位置，

为此位置的航迹误差，航迹误差

的协方差矩阵

为航空器从航向坐标系到惯性坐标系的旋转矩阵；

所述分别计算航空器对在水平方向和垂直方向上的冲突概率：是先将联合航迹误差C进行Cholesky分解C＝LL^T，为了便于计算，对积分域进行非正交变化T，其中T＝L^-1；

计算两航空器冲突的概率

其中

如果PC(t)＞0.85，则报告冲突告警，否则认为两航空器之间无冲突。

本发明的优点是：

1、弥补长期和短期冲突探测的缺点，将精确4D航迹和雷达航迹充分结合起来，在飞行密度较高情况下，对未来30分钟内具有冲突可能的航空器对作出有效的准确的快速的检测。这样将长期、中期和短期冲突探测结合起来更有效的排除潜在的冲突，保证飞行安全。

2、本发明充分考虑了管制员的工作规则，为管制员提供了自定义间隔标准的功能，并充分考虑了该功能的准确性和高效性，对未来5至30分钟内的冲突情况进行探测。

3、能准确反映出航空器冲突概率值随相遇几何变化而变化的趋势，提前作出调配安排。减少地面管制员的工作量及工作压力，提高管制系统的管制效率。按照本发明的方法，进行一次冲突探测平均耗时约为0.028秒，具有较强的实时性。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图。图中，4DT指四维航迹。

图2是本发明与Monte Carlo仿真方法冲突概率曲线示意图。图中，虚线表示本方法轨迹，实线表示Monte Carlo仿真方法轨迹。

具体实施方式

精确4D航迹数据包括各个航路点的精确位置、航空器过每个航路点的预计高度、速度及预计过点时间。雷达数据包括飞行器位置、高度、速度、加速度数据以及ADS-B提供的数据。

采用垂直间隔快速排除算法和时间间隔快速排除算法排除未来30分钟内没有可能发生飞行冲突的航空器：两架航空之间的垂直间隔如果大于安全垂直间隔，则排除掉；两架航空器之间的时间间隔如果大于安全时间间隔，则排除掉。

两航空器的相遇几何如何：设两航空器速度均为500海里/小时。最小预测间距为5海里，两架航空器的航向交叉角度为60度。到达最小预测间距时间以0.5分钟为步长，在[5.5分钟，18分钟]范围内变化。不同到达最小预测间距时间情况下，进行一次探测的耗时平均为0.028秒。

在各种相遇几何情况下的运算速度如下表。

本方法与Monte Carlo仿真方法在此相遇几何下的计算结果如图2所示。

不难看出在多航路点航路环境中，本方法能准确的反映出航空器空中交通冲突概率值随相遇几何变化而变化的趋势，且耗时短。

参见附图1。

飞行数据处理模块接收飞行情报，在4DT处理模块中完成飞行数据和气象信息的4DT处理，在雷达数据处理模块中完成雷达数据和ADS-B信息的处理。

完成一次空中交通冲突预测的具体操作步骤是：

1、根据精确4DT处理模块获取每个飞行计划各个航路点的精确位置、航空器过每个航路点的预计高度、速度及预计过点时间等航迹。

2、根据雷达数据处理模块获取每个飞行计划相应的实时雷达航迹数据，包括飞行器位置、高度、速度、加速度。

3、将飞行器的4D航迹和雷达数据中的空中位置显示在空中交通管制系统的显示平面。

4、根据获取的精确4D航迹数据和实时雷达数据，采用垂直间隔和时间间隔快速排除算法对每一对航空器进行过滤，排除未来30分钟内没有可能发生飞行冲突的航空器。

5、选择一对航空器，计算这对航空器在未来30分钟内间距最小时的时间t。

6、设两架飞机在惯性坐标系下的实际位置之差为Δp，预测位置之差为

计算航空器对的联合航迹误差的协方差矩阵：

其中航空器对相对位置的航迹误差

q为航空器在航向坐标系下的实际位置，为预测位置，

为此位置的航迹误差，航迹误差

的协方差矩阵

为航空器从航向坐标系到惯性坐标系的旋转矩阵。

7、将联合航迹误差C进行Cholesky分解C＝LL^T，为了便于计算，对积分域进行非正交变化T，其中T＝L^-1。

8、计算两航空器在t时刻的预测位置水平间隔小于等于安全间隔的概率为

$\mathrm{PC}\left(t\right)={\∫}_{\left|\right|\mathrm{\Δ}\tilde{p}-\mathrm{\Δ}\stackrel{\‾}{p}\left|\right|\≤20}f(\mathrm{\Δ}\tilde{p}-\mathrm{\Δ}\stackrel{\‾}{p},t)\mathrm{d\Δp}$

其中：

为

的概率密度函数

如果概率值PC(t)＞0.85，则认为t时刻两架飞机的水平间隔小于安全

间隔，报告冲突告警，否则认为两航空器之间无冲突。

本例设置的预测位置水平安全间隔为20km。

Claims (4)

1.一种基于4D航迹和雷达数据的中期空中交通冲突探测方法，其特征在于：将精确4D航迹数据和实时雷达航迹数据投影到空中交通管制系统的显示平面，根据精确4D航迹数据和实时雷达航迹数据，对每一航空器对进行过滤处理，排除未来30分钟内没有可能与其他航空器发生冲突的航空器；然后对有潜在冲突的航空器对进行重点探测，根据两架航空器的垂直间隔和时间间隔，利用坐标转换计算出航空器对的相对速度和相对位置的协方差，再计算出在t时刻预测位置间隔小于安全间隔的概率，得出是否存在冲突的探测结果；

本方法包括如下步骤：

第一步：通过飞行数据处理和精确4D航迹处理获得每一飞行计划的精确4D航迹信息，将4D航迹投影到空中交通管制系统的显示平面；

第二步：通过导航监视系统获得每一航空器的实时雷达航迹数据，实时雷达航迹数据包括空中位置参数，将其位置投影到空中交通管制系统的显示平面；

第三步：根据精确4D航迹信息和实时雷达航迹数据，对每一航空器进行简单过滤处理，排除未来30分钟内没有可能与其他航空器发生冲突的航空器；

第四步：根据位置关系，选择有潜在冲突的航空器对；

第五步：根据精确四维航迹，计算未来30分钟内两架航空器间距最小的时刻以及两架航空器各自的位置；

第六步：对航空器对进行从航向坐标系到惯性坐标系的坐标系转换；

第七步：利用从航向坐标系到惯性坐标系转换计算出航空器对的相对速度和相对位置的协方差；

第八步：分别计算航空器对在水平方向和垂直方向上的冲突概率；

第九步：计算航空器对的冲突概率，并判断未来30分钟内是否存在冲突。

2.如权利要求1所述的中期空中交通冲突探测方法，其特征在于：所述精确4D航迹数据包括各个航路点的精确位置、航空器过每个航路点的预计高度、速度和预计过点时间；所述实时雷达航迹数据包括航空器位置、高度、速度和加速度数据。

3.如权利要求1所述的中期空中交通冲突探测方法，其特征在于：所述根据精确4D航迹信息和实时雷达航迹数据，对每一航空器进行过滤处理，其过滤处理的方法是采用垂直间隔快速排除算法和时间间隔快速排除算法排除未来30分钟内没有可能发生飞行冲突的航空器；垂直间隔快速排除算法是在两架航空器之间的垂直间隔如果大于安全垂直间隔，则排除掉；时间间隔快速排除算法是在两架航空器之间的时间间隔如果大于安全时间间隔，则排除掉。

4.如权利要求1所述的中期空中交通冲突探测方法，其特征在于：所述利用从航向坐标系到惯性坐标系转换计算出航空器对的相对速度和相对位置的协方差：

设q为航空器在航向坐标系下的实际位置，

为航空器在航向坐标系下的预测位置，

为航向坐标系下的航迹误差，航迹误差

的协方差矩阵 $R=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}& 0\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$ 为航空器从航向坐标系到惯性坐标系的旋转矩阵；设两架航空器在惯性坐标系下的实际位置之差为Δp，预测位置之差为

航空器对联合航迹误差的协方差矩阵：

其中航空器对相对位置的联合航迹误差为

所述分别计算航空器对在水平方向和垂直方向上的冲突概率：是先将航空器对联合航迹误差的协方差矩阵C进行Cholesky分解C＝LL^T，为了便于计算，对积分域进行非正交变化T，其中T＝L^-1；

计算两航空器在时刻t的冲突概率 $\mathrm{PC}\left(t\right)={\∫}_{\left|\right|\mathrm{\Δ}\tilde{p}-\mathrm{\Δ}\stackrel{\‾}{p}\left|\right|\≤20}f(\mathrm{\Δ}\tilde{p}-\mathrm{\Δ}\stackrel{\‾}{p},t)\mathrm{d\Δp},$ 其中 $f\left(\mathrm{\Δ}\tilde{p},t\right)=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\det \left(C\right)}}{e}^{-\frac{1}{2}\mathrm{\Δ}\stackrel{~T}{p}{C}^{-1}\mathrm{\Δ}\tilde{p}},$ 如果PC(t)＞0.85，则报告冲突告警，否则认为两航空器之间无冲突。

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