CN107578647B - 一种基于4dt的机载中长期冲突探测与避让方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于4DT的机载中长期冲突探测与避让方法，包含如下步骤：1、获取当前飞机的飞行计划中任意航段AB和其他飞机的飞行计划中任意航段CD的4DT信息；2、判断二航段在水平面是否冲突；3、判断二航段在垂直面是否冲突；4、判断二航段在时间上是否交叉；5、判断同一时刻二航段对应航路点之间的水平距离是否小于水平距离限制且垂直距离小于高度限制，如果两航段存在冲突，记录冲突航段信息和冲突时间范围。本发明充分利用4DT信息实现当前飞机的中期和长期冲突探测，并给出冲突避让的解决措施，有效排除潜在的冲突，方法简单易行，满足机载系统应用要求。

Description

一种基于4DT的机载中长期冲突探测与避让方法

技术领域

本发明涉及一种基于4DT的机载中长期冲突探测与避让方法，属于空中交通安全技术领域。

背景技术

伴随着航空运输业的迅猛发展，空域拥堵、航班延误等问题频繁发生，民航安全、高效运行的压力倍增。为了满足日益增长的空中交通需求，国际民航组织提出了全球空中交通管理运行战略。为此，国际民航组织(ICAO)指定了全球空中航行计划，美国提出了下一代空中交通系统(NextGen)，欧洲推出了单一欧洲天空空管研究(SESAR)计划，ICAO、NextGen和SESAR都把四维航迹(4DT)运行视为下一代空中交通管理的基础，将其作为解决未来小间隔、高密度空中交通运行的有效措施。

随着民用航空的发展，空中交通流量迅速增加，加之管制程序、机组配合、地面设施、机载设备等所存在的诸多问题，导致发生飞行冲突的几率也随之增加。飞行冲突的预防已摆在我们面前，成为亟待研究和解决的问题。飞机冲突预防的基本前提是飞机冲突探测，即依据掌握的航空器位置和运动要求，通过一定方法对航空器之间的飞行冲突情况进行预测，从而为调整航空器飞行轨迹，消除冲突提供依据。

飞机的冲突探测一般分为长期(＞30分钟)、中期(5-30分钟)、短期(＜5分钟)三个层次的探测。目前，国内外冲突探测和避让技术分别应用在地面空中交通管制(ATC)系统和机载系统中。地面ATC采用集中式冲突解脱方法，在地面控制中心对整个空域的所有飞机提供长期、中期和短期的冲突解脱，该方法计算量普遍较大，效率较低。机载的空中交通防撞系统(TCAS)能够解决短期冲突探测，但是对于中期和长期探测无法实现。所以需要一种方法能够在机载端实现飞机中长期的冲突探测与避让。

发明内容

为了能够弥补机载系统无法实现中期和长期冲突探测与避让。本发明的发明目的在于提供一种基于4DT的机载中长期冲突探测与避让方法，充分利用机载系统4DT信息，能够对飞机中期和长期的冲突进行探测，并制定冲突避让措施，有效排除潜在的冲突，确保飞行安全，方法简单易行，满足机载系统应用要求。

本发明的发明目的通过以下技术方案实现：

一种基于4DT的机载中长期冲突探测与避让方法，包含如下步骤：

步骤1、获取当前飞机的飞行计划中任意航段AB和其他飞机的飞行计划中任意航段CD的4DT信息；

步骤2、根据4DT信息中航段的起始点和终止点的水平位置坐标以及水平RNP值判断航段AB和航段CD在水平面是否冲突，如果两航段在水平面不存在冲突则两航段无冲突，进入步骤6；否则两航段可能存在冲突，进入步骤3；

步骤3、根据4DT信息中航段的起始点和终止点的估计到达时间和高度以及垂直RNP值判断航段AB和航段CD在垂直面是否冲突，如果两航段在垂直面不存在冲突则两航段无冲突，进入步骤6，否则两航段可能存在冲突，进入步骤4；

步骤4、判断航段AB和航段CD在时间上是否交叉，如果无交叉则两航段无冲突，进入步骤6，否则两航段可能存在冲突，进入步骤5；

步骤5、在航段AB和航段CD的交叉时间[t1,t2]内，以δt为时间间隔，判断同一时刻航段AB和航段CD对应航路点之间的水平距离是否小于水平距离限制d_T且垂直距离小于高度限制h_T，如果不存在这样的时刻，那么无冲突，进入步骤6，否则两航段存在冲突，得到冲突的时刻个数n，根据冲突航段时刻个数n和时间间隔δt，得到冲突时间范围为n·δt，并记录冲突航段名称、冲突航段的估计到达时间t_ETA、冲突时间范围n·δt；

步骤6、判断当前飞机的飞行计划中全部航段和其他飞机的飞行计划中全部航段是否判断结束，如果没有，进入步骤1，否则结束本周期冲突探测；

其中4DT信息包括整个飞行计划的各个航段的名称、水平位置、高度、估计到达时间、水平RNP、垂直RNP。

优选地，当前飞机的4DT信息从当前飞机的飞行管理系统中获取，其他飞机的4DT信息从广播式自动相关监视系统中获取。

优选地，步骤2中判断航段AB和航段CD在水平面是否冲突的方法为：

根据航段AB起始点和终止点的水平位置坐标A(x_A,y_A)、B(x_B,y_B)和航段CD起始点和终止点的水平位置坐标C(x_C,y_C)、D(x_D,y_D),求出向量

如果

则航段AB和航段CD在水平面相交，存在水平面冲突；如果航段在水平面不相交，分别求出点C和点D相对于航段AB的偏航距d_C和d_D，如果d_C<d_T或d_D<d_T，则航段CD进入航段AB的水平限制区域，存在水平面冲突，否则不存在水平面冲突；其中d_T为水平距离限制，根据航段AB的水平RNP值确定。

优选地，步骤3中判断航段AB和航段CD在垂直面是否冲突的方法为：

根据航段AB起始点和终止点的估计到达时间和高度点A_h(t_A,z_A)，B_h(t_B,z_B)，航段CD起始点和终止点的估计到达时间和高度点C_h(t_C,z_C)，D_h(t_D,z_D),求出向量

如果

则航段AB和航段CD在垂直面相交，存在垂直面冲突；如果航段在垂直面不相交，分别求出点C和点D相对于航段AB的高度距离h_C和h_D，如果h_C<h_T或h_D<h_T，则航段CD进入航段AB的垂直限制区域，存在垂直面冲突，否则不存在垂直面冲突；其中，h_T为高度限制，根据航段AB的垂直RNP值确定。

进一步，步骤6中还包含：

在当前飞机综合显示器上显示当前飞机冲突航段的名称，提示飞行员航迹存在冲突。

进一步，一种基于4DT的机载中长期冲突探测与避让方法还包含：

步骤7、根据冲突探测结果，给出冲突避让建议：

建议1、重新确定冲突航段新的所需到达时间；

建议2、更改飞行计划。

优选地，重新确定冲突航段新的所需到达时间的方法为：根据步骤5中确定的冲突航段的估计到达时间t_ETA和航段冲突时间范围n·δt，确定避让冲突的航段新的所需达到时间t_RTA，其中|t_RTA-t_ETA|≥n·δt。

优选地，更改飞行计划的方式包括：删除航路点、插入航路点、直飞、偏置、等待。

进一步，一种基于4DT的机载中长期冲突探测与避让方法还包含：

步骤8、在当前飞机综合显示器上显示当前飞机冲突航段的新的RTA和修改飞行计划的冲突避让建议，提示飞行员采取避让措施。

进一步，一种基于4DT的机载中长期冲突探测与避让方法还包含：

步骤9、当采纳冲突避让建议后，重新执行步骤1至6，如果没有冲突，结束本周期冲突探测。

本发明的有益效果在于：本方法充分利用机载系统的4DT信息，能够对飞机中期和长期的冲突进行探测，并制定冲突避让措施，有效排除潜在的冲突，确保飞行安全，方法简单易行，满足机载系统应用要求。

附图说明

图1为一种基于4DT的机载中长期冲突探测与避让方法的详细流程图。

图2为一种基于4DT的机载中长期冲突探测与避让方法中航迹冲突探测方法的详细流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

一种基于4DT的机载中长期冲突探测与避让方法，如图1和图2所示，包括二部分：一、是根据当前飞机和其他飞机的4DT信息进行中长期冲突探测；二是根据冲突探测结果进行避让。其中，当前飞机的4DT信息从当前飞机的飞行管理系统(FMS)中获取，其他飞机的4DT信息从广播式自动相关监视系统(ADS-B)获取，4DT信息包括整个飞行计划的全部航段的名称、水平位置、高度、估计到达时间(ETA)、水平RNP、垂直RNP。具体步骤如下：

步骤1、获取当前飞机的飞行计划中任意航段AB和其他飞机的飞行计划中任意航段CD的4DT信息。

步骤2、判断航段AB和航段CD在水平面是否冲突，如果航段AB和航段CD在水平面不存在冲突则两航段无冲突，进入步骤6；否则两航段可能存在冲突，进入步骤3。

判断航段AB和航段CD在水平面是否冲突的具体方法为：

根据航段AB起始点的水平位置坐标A(x_A,y_A)、终止点的水平位置坐标B(x_B,y_B)和航段CD起始点的水平位置坐标C(x_C,y_C)、终止点的水平位置坐标D(x_D,y_D),求出向量

如果

则航段AB和航段CD在水平面相交，存在水平面冲突；如果航段AB和航段CD在水平面不相交，分别求出点C和点D相对于航段AB的偏航距d_C和d_D，如果d_C<d_T或d_D<d_T，则航段CD进入航段AB的水平限制区域，存在水平面冲突，否则不存在水平面冲突，其中，d_T为水平距离限制，根据航段AB的水平RNP值确定。

步骤3、判断航段AB和航段CD在垂直面是否冲突，如果航段AB和航段CD在垂直面不存在冲突则两航段无冲突，进入步骤6；否则航段AB和航段CD可能存在冲突，进入步骤4。

判断航段AB和航段CD在垂直面是否冲突的具体方法为：

根据航段AB起始点的估计到达时间和高度点A_h(t_A,z_A)、终止点的估计到达时间和高度点B_h(t_B,z_B)和航段CD起始点的估计到达时间和高度点C_h(t_C,z_C)、终止点的估计到达时间和高度点D_h(t_D,z_D),求出向量

如果

则航段AB和航段CD在垂直面相交，存在垂直面冲突；如果航段AB和航段CD在垂直面不相交，分别求出点C和点D相对于航段AB的高度距离h_C和h_D，如果h_C<h_T或h_D<h_T，则航段CD进入航段AB的垂直限制区域，存在垂直面冲突，否则不存在垂直面冲突，其中，h_T为高度限制根，据航段AB的垂直RNP值确定。

步骤4、判断航段AB和航段CD在时间上是否交叉，如果无交叉则航段AB和航段CD无冲突，进入步骤6；否则航段AB和航段CD可能存在冲突，进入步骤5。

步骤5、在航段AB和航段CD的交叉时间[t1,t2]内，以δt为时间间隔，判断同一时刻航段AB和航段CD对应航路点之间的水平距离是否小于水平距离限制d_T且垂直距离小于高度限制h_T，如果不存在这样的时刻，那么无冲突，进入步骤6，否则两航段存在冲突，得到冲突的时刻个数n，根据冲突航段时刻个数n和时间间隔δt，得到冲突时间范围为n·δt，并记录冲突航段名称、冲突航段的估计到达时间t_ETA、冲突时间范围n·δt。

步骤6、判断当前飞机的飞行计划中全部航段和其他飞机的飞行计划中全部航段是否判断结束，如果没有，进入步骤1，否则结束本周期冲突探测。

步骤7、根据冲突探测结果，给出冲突避让建议：

建议一、通过飞行管理系统修改冲突航段新的所需到达时间。

建议二、通过飞行管理系统更改飞行计划。

在这二个建议中，优先选择建议一。

冲突航段新的所需到达时间RTA的确定方法为：根据步骤5中确定的冲突航段的估计到达时间t_ETA和航段冲突时间范围n·δt，确定避让冲突的航段新的所需达到时间t_RTA，其中|t_RTA-t_ETA|≥n·δt。

更改飞行计划的方式包括：删除航路点、插入航路点、直飞、偏置、等待方式。

步骤8、显示航迹冲突结果和冲突避让建议。

显示航迹冲突结果和冲突避让建议具体包括：在当前飞机综合显示器上显示当前飞机冲突航段的名称，提示飞行员航迹存在冲突；在当前飞机综合显示器上显示当前飞机冲突航段的新的RTA和修改飞行计划的冲突避让建议，提示飞行员采取避让措施。

步骤9、对冲突避让效果进行监控，最终实现当前飞机轨迹冲突的避让。

当飞行员采纳冲突避让建议后，重新执行步骤1至6，如果没有冲突，结束本周期冲突探测。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于4DT的机载中长期冲突探测与避让方法，包含如下步骤：

步骤1、获取当前飞机的飞行计划中任意航段AB和其他飞机的飞行计划中任意航段CD的4DT信息；

步骤2、根据4DT信息中航段的起始点和终止点的水平位置坐标以及水平RNP值判断航段AB和航段CD在水平面是否冲突，如果两航段在水平面不存在冲突则两航段无冲突，进入步骤6；否则两航段可能存在冲突，进入步骤3；其中，判断航段AB和航段CD在水平面是否冲突的方法为：

根据航段AB起始点和终止点的水平位置坐标A(x_A,y_A)、B(x_B,y_B)和航段CD起始点和终止点的水平位置坐标C(x_C,y_C)、D(x_D,y_D),求出向量

如果

则航段AB和航段CD在水平面相交，存在水平面冲突；如果航段在水平面不相交，分别求出点C和点D相对于航段AB的偏航距d_C和d_D，如果d_C＜d_T或d_D＜d_T，则航段CD进入航段AB的水平限制区域，存在水平面冲突，否则不存在水平面冲突；其中d_T为水平距离限制，根据航段AB的水平RNP值确定；

步骤3、根据4DT信息中航段的起始点和终止点的估计到达时间ETA和高度以及垂直RNP值判断航段AB和航段CD在垂直面是否冲突，如果两航段在垂直面不存在冲突则两航段无冲突，进入步骤6，否则两航段可能存在冲突，进入步骤4；

步骤4、判断航段AB和航段CD在时间上是否交叉，如果无交叉则两航段无冲突，进入步骤6，否则两航段可能存在冲突，进入步骤5；

步骤5、在航段AB和航段CD的交叉时间[t1,t2]内，以δt为时间间隔，判断同一时刻航段AB和航段CD对应航路点之间的水平距离是否小于水平距离限制d_T且垂直距离小于高度限制h_T，如果不存在这样的时刻，那么无冲突，进入步骤6，否则两航段存在冲突，得到冲突的时刻个数n，根据冲突航段时刻个数n和时间间隔δt，得到冲突时间范围为n·δt，并记录冲突航段名称、冲突航段的估计到达时间t_ETA、冲突时间范围n·δt；

步骤6、判断当前飞机的飞行计划中全部航段和其他飞机的飞行计划中全部航段是否判断结束，如果没有，进入步骤1，否则结束本周期冲突探测；

其中4DT信息包括整个飞行计划的各个航段的名称、水平位置、高度、估计到达时间、水平RNP、垂直RNP。

2.根据权利要求1所述的一种基于4DT的机载中长期冲突探测与避让方法，其特征在于所述当前飞机的4DT信息从当前飞机的飞行管理系统中获取，所述其他飞机的4DT信息从广播式自动相关监视系统中获取。

3.根据权利要求1所述的一种基于4DT的机载中长期冲突探测与避让方法，其特征在于所述步骤3中判断航段AB和航段CD在垂直面是否冲突的方法为：

根据航段AB起始点和终止点的估计到达时间和高度点A_h(t_A,z_A)，B_h(t_B,z_B)，航段CD起始点和终止点的估计到达时间和高度点C_h(t_C,z_C)，D_h(t_D,z_D),求出向量

如果

则航段AB和航段CD在垂直面相交，存在垂直面冲突；如果航段在垂直面不相交，分别求出点C和点D相对于航段AB的高度距离h_C和h_D，如果h_C＜h_T或h_D＜h_T，则航段CD进入航段AB的垂直限制区域，存在垂直面冲突，否则不存在垂直面冲突；其中，h_T为高度限制，根据航段AB的垂直RNP值确定。

4.根据权利要求1所述的一种基于4DT的机载中长期冲突探测与避让方法，其特征在于所述步骤6中还包含：

在当前飞机综合显示器上显示当前飞机冲突航段的名称，提示飞行员航迹存在冲突。

5.根据权利要求1所述的一种基于4DT的机载中长期冲突探测与避让方法，其特征在于还包含：

步骤7、根据冲突探测结果，给出冲突避让建议：

建议1、重新确定冲突航段新的所需到达时间RTA；

建议2、更改飞行计划。

6.根据权利要求5所述的一种基于4DT的机载中长期冲突探测与避让方法，其特征在于所述重新确定冲突航段新的所需到达时间的方法为：根据步骤5中确定的冲突航段的估计到达时间t_ETA和航段冲突时间范围n·δt，确定避让冲突的航段新的所需达到时间t_RTA，其中|t_RTA-t_ETA|≥n·δt。

7.根据权利要求5所述的一种基于4DT的机载中长期冲突探测与避让方法，其特征在于所述更改飞行计划的方式包括：删除航路点、插入航路点、直飞、偏置、等待。

8.根据权利要求5所述的一种基于4DT的机载中长期冲突探测与避让方法，其特征在于还包含：

步骤8、在当前飞机综合显示器上显示当前飞机冲突航段的新的RTA和修改飞行计划的冲突避让建议，提示飞行员采取避让措施。

9.根据权利要求8所述的一种基于4DT的机载中长期冲突探测与避让方法，其特征在于还包含：

步骤9、当采纳冲突避让建议后，重新执行步骤1至6，如果没有冲突，结束本周期冲突探测。

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