CN106373435A - 面向飞行员的非集中式安全间隔自主保持系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向飞行员的非集中式安全间隔自主保持系统，其特征在于：该系统由冲突概率、分级告警和动态解脱三个模块组成；输入部分由飞机性能、飞状态、空域态势、飞行意图四种数据组成；输出部分为飞机操作参数；本系统以飞行器安全间隔自主保持为研究对象，解决在民航运行条件下，异质飞行器在不同性能、不同任务、不同优先级时，密集飞行所存在的飞行器间、飞行器与地面障碍物间、飞行器与特殊禁飞空域间的冲突探测，冲突解脱等问题。突破民航运行条件下，多飞行器间冲突探测，最优化冲突解脱策略，飞行冲突自主分级评估等关键技术，提出一套完整的面向飞行员的非集中式飞行间隔自主保持系统。

Description

面向飞行员的非集中式安全间隔自主保持系统

技术领域

本发明涉及一种飞行管理系统，尤其是一种面向飞行员的非集中式安全间隔自主保持系统。

背景技术

近二十年来，我国航空运输业快速发展，航空运输量持续增长，由于传统管制方法运行效率低下所导致的流量拥塞问题成为制约空管系统乃至航空运输发展的瓶颈。目前对航空器的管制主要由管制员在熟悉各种类型航空器性能的基础上，根据航空器动态信息和飞行计划，依靠经验实施管制员到飞行员的单向交通管制。这种以地面管制员为中心的单向经验型交通控制行为极大地限制了管制决策的实时性，处理效率低，处理能力有限。

一方面，由于空中气象、地形、空域环境复杂多样，瞬息万变，地面管制员所依靠的监视数据仅仅源自相对精度较低、更新率较慢的传统地基雷达，无法完全反映空域内的各种真实信息，直接造成管制人员指挥时出现信息盲点，因此难以支持高密度条件下的安全飞行；另一方面，由于其完全依赖于地面管制员的判断与决策，管制员的工作负荷将急剧增加，造成潜在的安全隐患，因此也难以支持高复杂度条件下的运行。

飞行器运行时飞行员处于单向被管理状态，既对目前飞行态势无从知晓，又无法按照实际情况做出判断，航空运行效率受到管制员个体能力、经验及其管制水平差异的极大影响。在任务繁重的情况下，甚至可能严重危及飞行安全。而飞行安全间隔的保持，又是飞行器安全有效运行的前提。因此，面向飞行员的非集中式安全间隔自主保持技术的研究，对于提高整个系统的运行效率，保证民航飞行安全，实现空中交通管制现代化、自动化具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，在此提供一种面向飞行员的非集中式安全间隔自主保持系统。本系统以飞行器安全间隔自主保持为研究对象，解决在民航运行条件下，异质飞行器在不同性能、不同任务、不同优先级时，密集飞行所存在的飞行器间、飞行器与地面障碍物间、飞行器与特殊禁飞空域间的冲突探测，冲突解脱等问题。突破民航运行条件下，多飞行器间冲突探测，最优化冲突解脱策略，飞行冲突自主分级评估等关键技术，提出一套完整的面向飞行员的非集中式飞行间隔自主保持系统。

本发明是这样实现的，构造一种面向飞行员的非集中式安全间隔自主保持系统，其特征在于：该系统由冲突概率、分级告警和动态解脱三个模块组成；输入部分由飞机性能、飞状态、空域态势、飞行意图四种数据组成；输出部分为飞机操作参数；系统三个模块具体为：

（1）冲突概率模块：模块核心算法采用概率型冲突探测方法，考虑在同一高度层飞行的两架飞机，其随机运动学模型为：

（1）

其中△S0为初始相对位置，u是相对速度，n(t)为标准二维布朗运动；将飞机 A 的运动看成是从原点开始的标准二维布朗运动，飞机 B 从△S0 开始的恒定速度为u的运动；如果标准的二维布朗运动和飞机B的保护椭圆发生碰撞，则视为发生冲突；

通过类似的分析方法，得到两机的无限时间尺度内的冲突概率近似为：

（2）

（2）分级告警模块：该模块为反应当前冲突的真实危险程度，将冲突概率与可用策略数量结合考虑，进而对冲突进行分级；

基于可用策略数量的冲突分级，其主要的工作是对各个策略的可用性进行分析，判断在当前哪些策略可以有效规避冲突。在这里用来评价策略可用性的指标是成功告警率，即告警后采取策略且成功避险的概率，如果大于 0.95，则认为该策略是可用的；

（3）动态解脱模块：该模块采用基于马尔科夫决策的方法得到最优解脱策略，主要原理是在分析当前可采取的所有行为后，以最大收益为原则，优选出能使当前收益最大的行为；

由于这种方法将所有可能的行为都进行了分析，而且可以同时对将来时刻决策收益进行分析，因而当用于最优解脱策略选择时，可以取得良好效果，尤其在随机性较高的场景下，效果更加明显。

本发明的优点在于：本发明的技术路线和创新性：本发明通过对同一高度层飞行的两架飞机建模，构造概率型冲突探测方法。通过对比飞行器性能因素间接影响飞行器航迹，以及飞行员目前的生理指标所反映的压力程度，提出基于飞行性能和生理心理负荷的飞行器冲突探测方法。为反映当前冲突的真实危险程度，对飞行冲突进行分级刻画，并给出冲突解脱方法。本发明在早期概率型冲突探测的基础上，通过实验测试和性能比对，加入了飞行性能因素和飞行员的人为因素，并对飞行冲突的程度进行了分级刻画。本课题的实施，为更加客观的反映出飞行安全间隔提供了一种崭新的思路；为安全间隔保持技术提供了一种新的方法。

附图说明

图1 为面向飞行员的非集中式安全间隔自主保持系统示意图

图2为 坐标转换后两机相遇的几何构型

图3 为分级告警示意图

图4 为冲突分级流程图

图5 基于马尔科夫决策的动态解脱算法。

具体实施方式

下面将结合附图1-5对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明通过改进提供一种面向飞行员的非集中式安全间隔自主保持系统，要实现以飞行员为主导的航空器安全运行，需要完成空域环境的认知，生成并共享空域安全态势，通过对飞行行为的协同控制，在无地面集中式指挥控制系统的条件下实现对空域内碰撞威胁的自主规避，是解决现阶段航空安全和效率兼顾问题的核心手段。

飞行员管理下的飞行器间隔自主保持在本质上是相对位置的保持，即按照飞行员需求进行可定制预警，一旦预测到未来某个时刻出现某架飞机或地面障碍物与本机间隔过小，或出现恶劣天气情况，不适宜飞行器进入，即认为是潜在冲突的情况，则需要及时告知飞行员并给出合理的解脱建议。另外不同任务，不同优先级别，不同飞行性能的飞行器，在复杂条件下飞行时，告警的判断和解脱建议也存在区别，需要根据冲突等级的具体情况，做出优化与选择。

图1 面向飞行员的非集中式安全间隔自主保持系统示意图；要完成飞行器安全间隔自主保持，必须做到“认得准，看得见，管得着，分得清”。除了飞行器在飞行态势上“认得准”，冲突探测上“看得见”，在冲突解脱上“管得着”，如何使冲突危险“分得清”，就牵涉到了飞行冲突自主分级评估和最优化冲突解脱策略问题。

结合上述实际应用背景，本系统将开展面向飞行员的飞行器自主安全间隔保持中关键理论与方法的研究，发展具有在复杂条件下，动态飞行冲突探测告警、协助解脱和冲突分级安全评价功能的自主飞行辅助决策系统（如图1所示）。该系统由冲突概率、分级告警和动态解脱三个模块组成；输入部分由飞机性能、飞机状态、空域态势、飞行意图四种数据组成；输出部分为飞机操作参数。系统三个模块具体设计思路如下：

（1）、冲突概率模块：模块核心算法采用概率型冲突探测方法，考虑在同一高度层飞行的两架飞机，其随机运动学模型为：

（1）

其中△S0为初始相对位置， u是相对速度， n(t)为标准二维布朗运动。将飞机 A 的运动看成是从原点开始的标准二维布朗运动，飞机 B 从△S0 开始的恒定速度为u的运动，如图 2所示。如果标准的二维布朗运动 和飞机B的保护椭圆发生碰撞，则视为发生冲突。

图2 坐标转换后两机相遇的几何构型

通过类似的分析方法，得到两机的无限时间尺度内的冲突概率近似为：

（2）

（2）、分级告警模块：该模块为反应当前冲突的真实危险程度，将冲突概率与可用策略数量结合考虑，进而对冲突进行分级，其示意图如图3所示。

基于可用策略数量的冲突分级，其主要的工作是对各个策略的可用性进行分析，判断在当前哪些策略可以有效规避冲突。在这里用来评价策略可用性的指标是成功告警率，即告警后采取策略且成功避险的概率，如果大于 0.95，则认为该策略是可用的。冲突分级流程如图4。

（3）、动态解脱模块：该模块采用基于马尔科夫决策的方法得到最优解脱策略，主要原理是在分析当前可采取的所有行为后，以最大收益为原则，优选出能使当前收益最大的行为，

如图5所示（图5 基于马尔科夫决策的动态解脱算法），由于这种方法将所有可能的行为都进行了分析，而且可以同时对将来时刻决策收益进行分析，因而当用于最优解脱策略选择时，可以取得良好效果，尤其在随机性较高的场景下，效果更加明显。

以上三个模块组成的面向飞行员的非集中式安全间隔自主保持系统，符合国家对于航空航天重大专项的中长期科学和技术发展规划，符合中国民航对于现代化地空协同空管的要求和新航行技术的研究，符合民航一线管制运行的现实需求。研究成果将结合中国卫星导航系统、新航行系统、地空协同管制系统等重大专项的建设与发展，提升我国航空运行的核心技术水平。

本发明是针对民航运行管理条件下，不同任务、不同性能、不同飞行员、不同优先级的飞行器，在气象、地形、心理、空域环境多变的状态下密集飞行，为保证飞行安全，提高飞行效率，解决传统集中式空管的不足，通过对于飞行器飞行态势和飞行员操作压力的认知，提出飞行器自主分级安全间隔理论，发展面向飞行员的安全间隔自主保持辅助决策系统。解决在民航实际运行条件下，动态飞行中安全间隔保持所存在的飞行冲突探测、飞行冲突解脱、飞行冲突分级三大基本问题。在此基础上，考虑中国民用航空飞行学院训练空域和地面管制的特点，结合飞行训练复杂密集飞行中，初教机、中教机时空交错训练飞行的典型飞行场景与相关数据，以及飞行学员生理指标所反映出的特殊心理压力程度，发展面向飞行员的飞行安全间隔自主保持辅助决策系统。一方面为民航实际运行条件下异质飞行器安全间隔自主保持的研究提供科学的理论依据，另一方面也为中国民用航空飞行学院未来在高密度复杂空域环境下的安全、高效训练飞行提供可供选择的合理技术保障。

实施时首先针对低空复杂条件下，实际飞行过程中飞行模式的多样性特点，以及用于航迹预测的趋势种类过多的问题，结合飞行员操作时的生理指标及其压力程度，提出基于空域环境、生理指标和飞行性能的飞机航迹预测方法，综合考虑飞机的离散和连续运动状态，可实现更加精准的飞机航迹预测，作为冲突探测的重要前提；然后在预测航迹的基础上，考虑到中期冲突探测中广泛存在的不确定性问题，结合低空密集飞行时，经常出现的气象、地形、空域环境的改变，提出民航运行条件下概率型冲突探测算法，进行冲突探测和超限告警。克服了传统冲突探测方法在计算概率过程中对民航实际运行条件下飞行程序种类分析不足的问题，最后通过仿真试验和试飞性能比较来验证本算法的可用性。

本发明的技术路线和创新性：本发明通过对同一高度层飞行的两架飞机建模，构造概率型冲突探测方法。通过对比飞行器性能因素间接影响飞行器航迹，以及飞行员目前的生理指标所反映的压力程度，提出基于飞行性能和生理心理负荷的飞行器冲突探测方法。为反映当前冲突的真实危险程度，对飞行冲突进行分级刻画，并给出冲突解脱方法。本发明在早期概率型冲突探测的基础上，通过实验测试和性能比对，加入了飞行性能因素和飞行员的人为因素，并对飞行冲突的程度进行了分级刻画。本课题的实施，为更加客观的反映出飞行安全间隔提供了一种崭新的思路；为安全间隔保持技术提供了一种新的方法。

技术及产品应用形成的市场规模：

面向飞行员的安全间隔保持技术的研究和成果，将直接应用到本单位的训练飞行，解决两百多架初中级教练机的间隔保持问题，不仅可以提升中国民用航空飞行学院空域管理水平，保障通用航空飞行训练，还可以结合现代导航技术、PBN技术的建设与发展形成的市场规模，带动中国民航安全能力的提高，成为我国航空运行的核心技术。本课题的研究成果，具有很高的学术价值和广泛的市场前景。

技术及产品应用形成的发展前景：

开展面向飞行员的安全间隔自主保持技术基础研究，符合国家对于航空航天重大专项的中长期科学和技术发展规划，符合中国民航对于现代化地空协同空管的要求和新航行技术的研究，符合民航一线管制运行的现实需求。研究成果将结合中国卫星导航系统、新航行系统、地空协同管制系统等重大专项的建设与发展，提升我国航空运行的核心技术水平。因此，本项目符合国家战略需求。

本项目围绕民航实际运行时，安全飞行面临的环境要素认知完备性、安全态势构建可信性、飞行器自主避险协同性三大科学挑战，强调解决安全间隔自主保持蕴含的科学问题，集中开展基础理论、关键技术和实现方法的研究。因此，本项目科学研究目标明确。在具体实现思路上，本项目按照科学问题解决、关键技术攻关、综合仿真验证三个层次，针对民航运行条件下异质飞行器冲突探测，最优化冲突解脱策略，飞行冲突自主分级评估以及面向飞行员的安全间隔自主保持辅助决策系统等关键科学问题，将项目分解为有机联系、相互支持的六个课题，开展复杂低空飞行自主避险理论、模型和方法的研究，构建综合仿真验证平台，解决飞行器安全飞行中的共性基础科学问题。因此，本项目的创新思路可行。

项目承担单位作为世界知名的民航飞行员培养机构，拥有占全国三分之二的通航年飞行小时数和近三百架初、中、高级教练飞机，同时拥有完整的飞行、管制、机务、运行体系，为本项目提供了良好的飞行数据采集及验证条件。本项目的开展，可以极大缓解各民航运行单位的管制压力，提高空域运行水平。因此，本项目具有广阔的经济、社会效益。

技术及产品应用形成的公益性贡献和价值：

开展面向飞行员的安全间隔自主保持技术基础研究，符合国家对于航空航天重大专项的中长期科学和技术发展规划，符合中国民航对于现代化地空协同空管的要求和新航行技术的研究，符合民航一线管制运行的现实需求。研究成果将结合中国卫星导航系统、新航行系统、地空协同管制系统等重大专项的建设与发展，提升我国航空运行的核心技术水平。因此，本项目符合国家战略需求，这也是本项目的社会贡献和价值所在。

中国民用航空飞行学院研究以面向飞行员的安全间隔自主保持为研究对象，解决在民航运行实际条件下，异质飞行器在不同性能、不同任务、不同飞行员、不同优先级时，密集飞行所存在的飞行器间、飞行器与地面障碍物间、飞行器与特殊禁飞空域间的冲突探测，冲突解脱，飞行器间隔保持的自主保持等研究难点问题。突破民航运行条件下，多飞行器间冲突探测与解脱等关键技术，提出一套较为完整的面向飞行员的飞行间隔自主保持技术与方法。

在此基础上，考虑中国民用航空飞行学院训练空域和地面管制的特点，结合飞行训练复杂密集飞行中，初教机、中教机时空交错训练飞行的典型飞行场景与相关数据，发展面向飞行员生理心理指标和飞行冲突概率的飞行安全间隔自主保持技术。一方面为民航实际运行条件下异质飞行器安全间隔自主保持的研究提供科学的理论依据，另一方面也为中国民用航空飞行学院未来在高密度复杂空域环境下的安全、高效训练飞行提供可供选择的合理技术保障。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (1)

1.一种面向飞行员的非集中式安全间隔自主保持系统，其特征在于：该系统由冲突概率、分级告警和动态解脱三个模块组成；输入部分由飞机性能、飞状态、空域态势、飞行意图四种数据组成；输出部分为飞机操作参数；系统三个模块具体为：

（1）冲突概率模块：模块核心算法采用概率型冲突探测方法，考虑在同一高度层飞行的两架飞机，其随机运动学模型为：

（1）

其中△S0为初始相对位置，u是相对速度，n(t)为标准二维布朗运动；将飞机 A 的运动看成是从原点开始的标准二维布朗运动，飞机 B 从△S0 开始的恒定速度为u的运动；如果标准的二维布朗运动和飞机B的保护椭圆发生碰撞，则视为发生冲突；

通过类似的分析方法，得到两机的无限时间尺度内的冲突概率近似为：

（2）

（2）分级告警模块：该模块为反应当前冲突的真实危险程度，将冲突概率与可用策略数量结合考虑，进而对冲突进行分级；

基于可用策略数量的冲突分级，其主要的工作是对各个策略的可用性进行分析，判断在当前哪些策略可以有效规避冲突；在这里用来评价策略可用性的指标是成功告警率，即告警后采取策略且成功避险的概率，如果大于 0.95，则认为该策略是可用的；

（3）动态解脱模块：该模块采用基于马尔科夫决策的方法得到最优解脱策略，主要原理是在分析当前可采取的所有行为后，以最大收益为原则，优选出能使当前收益最大的行为；

由于这种方法将所有可能的行为都进行了分析，而且可以同时对将来时刻决策收益进行分析，因而当用于最优解脱策略选择时，可以取得良好效果，尤其在随机性较高的场景下，效果更加明显。