CN108877298B - 一种基于四维航迹运行的航班计划安全性判断预警方法 - Google Patents

Abstract

一种基于四维航迹运行的航班计划安全性判断预警方法，涉及空中交通技术领域。本发明为了解决目前还没有一种面向基于四维航迹运行的航班计划安全性的量化方法。本发明为每个航空器计算出在计划的每两个航路点之间的时空可达域，通过识别航空器潜在时空冲突区确定冲突发生的位置和时间，将各种不确定因素影响下的航空器运动视作无规则的布朗运动，计算出该航班计划下航空器的冲突概率，作为评估航班计划安全性的量化依据。通过对航班计划进行优化，可有效提高空中交通安全性、平衡高速增长的空中交通需求与有限的空域资源之间的矛盾。本发明用于航班计划安全性的判断预警。

Description

一种基于四维航迹运行的航班计划安全性判断预警方法

技术领域

本发明涉及空中交通技术领域，具体涉及一种航班计划安全性判断方法。

背景技术

航班计划是航空公司产品的核心，是公司各项经营活动的基础，但它同时也是提供空中交通服务的重要依据。合理的航班计划对降低航空器潜在冲突风险，保障空中交通安全，平衡空域利用率具有重要意义。尤其在我国民用空域资源有限的条件下，随着空中交通需求的不断增长，空域资源愈发紧张，航空器之间对空域资源的争夺势必产生矛盾，带来冲突，严重影响了空中运输的服务质量，隐藏着巨大的安全隐患。

现行的空中交通管理系统下，航班计划的制定由航空公司完成，航空公司首要考虑的是航班计划的经济性和竞争力，关系到航班计划对空中交通安全性的并没有得到全面的、科学的评估。但随着空中交通需求的不断增长，对空域资源的需求增加，尤其是在基于四维航迹运行的背景下，允许航空器驾驶员在满足经过的航路点和各航路点到达时间的限制下自由地选择航迹，航迹选择自由度的增加给实时的航空器冲突探测与解脱工作带来了更大的挑战。因此，空中交通管理部门在对航班计划进行审核、批准的过程中，应该更加重视评估航班计划对空中交通安全性的影响，通过在航班起飞前对航班计划进行调整，尽量减小冲突概率，以期在战略阶段将潜在冲突风险降至最低，最大程度地确保空中交通安全。但是现有的方法还没有一种能够在空间得到最大限度利用的基础上的航班计划安全性判断或评估方法，从而导致了空中交通安全水平较低，管制员与飞行员工作负荷加重，有限的空域无法得到有效利用的问题。

发明内容

本发明为了解决目前还没有一种面向基于四维航迹运行的航班计划安全性量化方法。

一种基于四维航迹运行的航班计划安全性判断预警方法，包括下述步骤：

步骤一：在飞行前M个小时，提取航班A的航班计划F_A中的航空器型号、航路点、途经各航路点的计划时间、空域允许的航空器最大飞行速度限制信息；将每两个航路点形成的航路段编号为航路段r，r＝1，2，3，……，k；

步骤二：提取航班计划F_A涉及的空域配置信息，确定空域是否包含特殊空域；根据特殊空域的边界、位置和开放时间，生成时空特殊空域集L；

提取航班计划F_A涉及的空域气象信息，确定是否存在影响航空器开展飞行活动的恶劣天气区域；根据恶劣天气类型、预计的波及范围、发生时段、移动轨迹，生成时空恶劣天气影响区域集W；

步骤三：生成执行航班A的航空器在航路段r上的时空可达域R_Ar，r＝1，2，3，……，k，所有航路段上的时空可达域R_Ar的集合定义为该航空器执行航班计划F_A时的时空可达域，记作R_A；

步骤四：为有飞行任务的每个航空器A、B、…、N确定时空可达域R_A、R_B、…、R_N；

步骤五：判断航空器的时空可达域与各自对应的时空特殊空域集L、时空恶劣天气影响区域集W、其他航空器的时空可达域是否存在交集；

若交集为空集，无需进一步对该航班计划进行调整；

若存在交集，交集定义为潜在时空冲突区STPCS，识别潜在时空冲突区，确定出潜在冲突的位置和发生冲突的时间；计算出冲突概率；并根据冲突概率进行预警。

进一步地，步骤二中所述生成时空特殊空域集L的过程如下：

首先，以航路段r所在平面作为x-y平面，以时间作为z轴，建立三维坐标系，代表时空空域；

其次，选取离散化参数将时空空域离散化为若干个离散化单元；根据特殊空域的位置、边界、开放时间信息，将普通空域对应的离散化单元标记为0，特殊空域对应的离散化单元标记为1，生成时空特殊空域集L。

进一步地，步骤二中所述生成时空恶劣天气影响区域集W的过程如下：

将恶劣天气移动的中心视作其移动的质心，根据预计的移动轨迹，生成恶劣天气的时空路径；并以预计的波及范围为半径，确定时空恶劣天气的影响范围；在所述的时空空域离散化的基础上，将普通空域对应的离散化单元标记为0，时空恶劣天气影响区域内对应的离散化单元标记为1，从而生成时空恶劣天气影响区域集L。

进一步地，步骤三中所述确定航空器在两两航路点之间的时空可达域的过程如下：

根据航班计划中航空器型号确定航空器巡航阶段最大飞行速度V_m；

根据经过的第一个航路点s的坐标(x_s,y_s)和到达航路点s的时间t_s计算出在某时刻t航空器从第一个航路点s出发能够到达的所有点对应的离散化单元的集合R_s(t)：

根据经过的第二个航路点e的坐标(x_e,y_e)计算出在某时刻t航空器能够于计划的时间t_e到达第二个航路点e的所有点对应的离散化单元的集合R_e(t)：

其中，(x,y)为离散化单元的坐标；根据R_s(t)与R_e(t)计算航空器在某时刻t的可达域R_es(t)：

R_es(t)＝{R_s(t)∩R_e(t)}. (3)

可达域R_es(t)表示航空器在起点为航路点s，终点为航路点e对应的航路段r上的时空可达域；当可达域R_es(t)针对于航班A的航空器在航路段r上时记为时空可达域R_Ar。

进一步地，步骤五中所述的计算出冲突概率的过程如下：

用布朗桥方法建立航空器的运动模型，得到某时刻t航空器的预期位置满足如下分布：

其中，

用截断分布描述航空器的位置分布：

其中，T(x(t))表示x方向的位置分布概率，T(y(t)|x(t))表示在x(t)的条件下y方向的位置分布概率，φ(·)表示上述正态分布的累积密度函数；

U_X(t)和L_X(t)代表时空可达域在t时刻位于x方向的上下界，U_Y(t)和L_Y(t)代表时空可达域在t时刻位于y方向的上下界；

可以得到航空器在t时刻位于(x,y)对应位置的概率：

航空器A与时空特殊空域集L、恶劣天气的影响范围区域集W的冲突概率PCP_A通过计算为航空器的概率分布在潜在时空冲突区内的积分获得：

其中，Prob_A(·)为航空器A对应的Prob(·)；STPCS_AL表示航空器A与时空特殊空域集L形成的潜在时空冲突区，STPCS_AW表示航空器A与时空恶劣天气影响区域集W形成的潜在时空冲突区；

航空器A和航空器B对应航空器对之间的冲突概率ACP_AB通过计算为两航空器同时进入潜在时空冲突区内间距小于安全间隔D的概率获得：

其中，STPCS_AB表示航空器A的时空可达域与航空器B的时空可达域形成的潜在时空冲突区；i和j分别代表离散化后潜在时空冲突区内的任意两个离散化单元；x_i,y_i,t_i代表离散化单元i的在x轴、y轴和z轴上的坐标。

进一步地，在所述的步骤五中，根据冲突概率CP进行预警的过程如下：

判断冲突概率CP与预警阈值Threshold之间的关系，对冲突概率小于阈值的航班计划，输出“有冲突风险”、“建议调整航班计划”，并触发二级预警；对于冲突概率大于阈值的航班计划，输出“高冲突风险”、“请调整航班计划”，并触发一级预警。

本发明的有益效果是：

本发明以航班计划为输入，在飞行任务开始前，为每个航空器计算出在每两个航路点之间的时空可达域，通过识别两两航空器时空可达域的交集判断潜在冲突的位置及冲突发生时间。将考虑各种不确定因素的航空器运动视作无规则的布朗运动，计算出航空器的冲突概率，并对冲突风险等级进行划分。在此基础上，以最小化冲突概率为目标，使航空器的冲突概率在战略阶段就得到有效控制。本发明基于四维航迹运行上量化了冲突概率，能够有效提高判断的准确率，进而提高航空器飞行安全水平。本发明可解决战术阶段的冲突探测与解脱给航班计划带来扰乱的问题。本发明可以作为检验航班计划安全性的依据，也可以作为进一步航班计划调整的依据。

同时，本发明是基于空域在时间维度的空域交集上进行判断的，能够均衡空域的使用率，提高航空器飞行安全水平；可有效提高空中交通安全性，平衡高速增长的空中交通需求与有限的空域资源之间的矛盾，相比现有的航班计划和空域使用情况，本发明能够将在空域使用率提高8％以上的基础上，对飞行计划进行准确的判断，从而指导航班飞行或者调整，几乎能够百分之百保证航班计划是安全的。并且由于本发明可以在战略阶段对航班计划进行调整，能大幅减少战术阶段的航空器航迹改变给管制员、飞行员带来的工作负荷的增加，减少由于天气、军事等不确定因素对航班的影响，提高航班准点率，减少安全隐患数量。

附图说明

图1为具体实施方式一的流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，

一种基于四维航迹运行的航班计划安全性判断预警方法，包括下述步骤：

步骤一：在飞行前2个小时，提取航班A的航班计划F_A中的航空器型号、航路点、途经各航路点的计划时间、空域允许的航空器最大飞行速度限制信息；将每两个航路点形成的航路段编号为航路段r，r＝1，2，3，……，k；

步骤二：提取航班计划F_A涉及的空域配置信息(包括空域名称、属性、边界、开放时间)，确定空域是否包含特殊空域(包括禁航空域、限制空域、危险空域)；根据特殊空域的边界、位置和开放时间，生成时空特殊空域集L；

提取航班计划F_A涉及的空域气象信息，确定是否存在影响航空器开展飞行活动的恶劣天气区域；根据恶劣天气类型、预计的波及范围、发生时段、移动轨迹，生成时空恶劣天气影响区域集W；

步骤三：生成执行航班A的航空器在航路段r上的时空可达域R_Ar，r＝1，2，3，……，k，所有航路段上的时空可达域R_Ar的集合定义为该航空器执行航班计划F_A时的时空可达域，记作R_A；

步骤四：为有飞行任务的每个航空器A、B、…、N确定时空可达域R_A、R_B、…、R_N；

步骤五：判断航空器的时空可达域与各自对应的时空特殊空域集L、时空恶劣天气影响区域集W、其他航空器的时空可达域是否存在交集；

若交集为空集(或者说不存在交集)，意味着该航空器在执行该航班计划的过程中无冲突风险，输出“安全”，无需进一步对该航班计划进行调整；

若存在交集，意味着该航空器在执行该航班计划的过程中存在一定的冲突风险，交集定义为潜在时空冲突区STPCS，潜在时空冲突区的时间范围代表冲突发生的时间跨度，交集随时间变化的空间范围代表所有冲突发生的可能位置。通过识别潜在时空冲突区，确定出潜在冲突的位置和发生冲突的时间；计算出冲突概率；并根据冲突概率进行预警。

具体实施方式二：

本实施方式步骤二中，所述生成时空特殊空域集L的过程如下：

首先，以航路段r所在平面作为x-y平面，以时间作为z轴，建立三维坐标系，代表时空空域(相当于巡航时航路段所有的空间)；

其次，选取合适的离散化参数将时空空域离散化为若干个离散化单元；根据特殊空域的位置、边界、开放时间信息，确定各离散化单元的属性：将普通空域对应的离散化单元标记为0，特殊空域对应的离散化单元标记为1，生成时空特殊空域集L。

其他步骤和参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：

本实施方式步骤二中，所述生成时空恶劣天气影响区域集W的过程如下：

将恶劣天气移动的中心视作其移动的质心，根据预计的移动轨迹，生成恶劣天气的时空路径；并以预计的波及范围为半径，确定时空恶劣天气的影响范围；在所述的时空空域离散化的基础上，将普通空域对应的离散化单元标记为0，时空恶劣天气影响区域内对应的离散化单元标记为1，从而生成时空恶劣天气影响区域集L。

其他步骤和参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：

本实施方式步骤三中，所述确定航空器在两两航路点之间的时空可达域的过程如下：

根据航班计划中航空器型号确定航空器巡航阶段最大飞行速度V_m；

根据经过的第一个航路点s的坐标(x_s,y_s)和到达航路点s的时间t_s计算出在某时刻t航空器从第一个航路点s出发能够到达的所有点对应的离散化单元的集合R_s(t)：

根据经过的第二个航路点e的坐标(x_e,y_e)计算出在某时刻t航空器能够于计划的时间t_e到达第二个航路点e的所有点对应的离散化单元的集合R_e(t)：

其中，(x,y)为离散化单元的坐标；根据R_s(t)与R_e(t)计算航空器在某时刻t的可达域R_es(t)：

R_es(t)＝{R_s(t)∩R_e(t)}. (3)

可达域R_es(t)表示航空器在起点为航路点s，终点为航路点e对应的航路段r上的时空可达域；当可达域R_es(t)针对于航班A的航空器在航路段r上时记为时空可达域R_Ar。

其他步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：

本实施方式步骤五中，所述的计算出冲突概率的过程如下：

在计算航空器在其时空可达域内概率分布的基础上，根据之前识别出的潜在时空冲突区，航空器与时空特殊空域集的冲突概率可通过计算航空器的概率分布在航空器与时空特殊空域集形成的潜在时空冲突区内的积分获得；航空器与的冲突概率可通过计算航空器的概率分布在航空器与时空恶劣天气影响区域集形成的潜在时空冲突区内的积分获得；航空器对之间的冲突概率可通过计算两航空器同时进入潜在时空冲突区内且位于间距小于安全间隔D的任意两点的概率获得：

用布朗桥方法建立航空器的运动模型，得到某时刻t航空器的预期位置满足如下分布：

上式表示时刻t航空器的预期位置

服从正态分布

其中，

考虑到航空器时空可达域范围的限制，用截断分布描述航空器的位置分布：

其中，T(x(t))表示x方向的位置分布概率，T(y(t)|x(t))表示在x(t)的条件下y方向的位置分布概率，φ(·)表示上述正态分布的累积密度函数；

U_X(t)和L_X(t)代表时空可达域在t时刻位于x方向的上下界，U_Y(t)和L_Y(t)代表时空可达域在t时刻位于y方向的上下界，可根据时空可达域的范围变化求得；

可以得到航空器在t时刻位于(x,y)对应位置的概率：

航空器A与时空特殊空域集L、恶劣天气的影响范围区域集W的冲突概率PCP_A可通过计算为航空器的概率分布在潜在时空冲突区内的积分获得：

其中，ProbA(·)为航空器A对应的Prob(·)；STPCS_AL表示航空器A与时空特殊空域集L形成的潜在时空冲突区，STPCS_AW表示航空器A与时空恶劣天气影响区域集W形成的潜在时空冲突区；

航空器A和航空器B对应航空器对之间的冲突概率ACP_AB可通过计算为两航空器同时进入潜在时空冲突区内间距小于安全间隔D的概率获得：

其中，STPCS_AB表示航空器A的时空可达域与航空器B的时空可达域形成的潜在时空冲突区；i和j分别代表离散化后潜在时空冲突区内的任意两个离散化单元；x_i,y_i,t_i代表离散化单元i的在x轴、y轴和z轴上的坐标。

实际上，i和j就代表两个不同的点(即两个离散化单元)，遍历STPCS内所有两两点对，找到间距小于D的点对，分别计算航空器A在i点上，航空器B在j点上的概率，两个概率的乘积代表航空器A和B的冲突概率。

其他步骤和参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：

本实施方式所述的步骤五中，根据冲突概率CP进行预警是可以根据实际情况进行设置的，可以有不同的多种设置方式，以下面一种情况进行说明：

根据冲突概率CP进行预警的过程如下：

判断冲突概率CP与预警阈值Threshold之间的关系，对冲突概率小于阈值的航班计划，输出“有冲突风险”、“建议调整航班计划”，并触发二级预警；对于冲突概率大于阈值的航班计划，输出“高冲突风险”、“请调整航班计划”，并触发一级预警。

所述预警阈值的确定也是要根据不同地区的实际空域容量、航空器需求、安全水平要求等确定。在实际应用中，可在专家经验的基础上，通过大量实例，利用回归方法建立预警阈值与各影响因素的定量关系。

其他步骤和参数与具体实施方式一至五之一相同。

基于权利要求一至权利要求六构成的方案，本发明在飞行任务开始前，为每个航空器计算出在每两个航路点之间的时空可达域，通过识别两两航空器时空可达域的交集判断潜在冲突的位置及冲突发生时间。将考虑各种不确定因素的航空器运动视作无规则的布朗运动，计算出航空器的冲突概率，并对冲突风险等级进行划分。在此基础上，以最小化冲突概率为目标，使航空器的冲突概率在战略阶段就得到有效控制。本发明在四维上考虑空域使用的冲突概率，能够有效提高判断的准确率，进而提高航空器飞行安全水平。本发明可解决战术阶段的冲突探测与解脱给航班计划带来扰乱的问题。本发明可以作为检验航班计划安全性的依据，也可以作为进一步航班计划调整的依据。同时，本发明是基于空域在时间维度的空域交集上进行判断的，能够均衡空域的使用率，提高航空器飞行安全水平；相比现有的航班计划和空域使用情况，本发明能够将在空域使用率提高8％以上的基础上，对飞行计划进行准确的判断，从而指导航班飞行或者调整，百分之百保证航班计划是安全无误的。

Claims (4)

1.一种基于四维航迹运行的航班计划安全性判断预警方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤一：在飞行前M个小时，提取航班A的航班计划F_A中的航空器型号、航路点、途经各航路点的计划时间、空域允许的航空器最大飞行速度限制信息；将每两个航路点形成的航路段编号为航路段r，r＝1，2，3，……，k；

步骤二：提取航班计划F_A涉及的空域配置信息，确定空域是否包含特殊空域；根据特殊空域的边界、位置和开放时间，生成时空特殊空域集L；

提取航班计划F_A涉及的空域气象信息，确定是否存在影响航空器开展飞行活动的恶劣天气区域；根据恶劣天气类型、预计的波及范围、发生时段、移动轨迹，生成时空恶劣天气影响区域集W；

步骤三：生成执行航班A的航空器在航路段r上的时空可达域R_Ar，r＝1，2，3，……，k，所有航路段上的时空可达域R_Ar的集合定义为该航空器执行航班计划F_A时的时空可达域，记作R_A；过程为：

根据航班计划中航空器型号确定航空器巡航阶段最大飞行速度V_m；

根据经过的第一个航路点s的坐标(x_s,y_s)和到达航路点s的时间t_s计算出在某时刻t航空器从第一个航路点s出发能够到达的所有点对应的离散化单元的集合R_s(t)：

根据经过的第二个航路点e的坐标(x_e,y_e)计算出在某时刻t航空器能够于计划的时间t_e到达第二个航路点e的所有点对应的离散化单元的集合R_e(t)：

其中，(x,y)为离散化单元的坐标；根据R_s(t)与R_e(t)计算航空器在某时刻t的可达域R_es(t)：

R_es(t)＝{R_s(t)∩R_e(t)}. (3)

可达域R_es(t)表示航空器在起点为航路点s，终点为航路点e对应的航路段r上的时空可达域；当可达域R_es(t)针对于航班A的航空器在航路段r上时记为时空可达域R_Ar；

步骤四：为有飞行任务的每个航空器A、B、…、N确定时空可达域R_A、R_B、…、R_N；

步骤五：判断航空器的时空可达域与各自对应的时空特殊空域集L、时空恶劣天气影响区域集W、其他航空器的时空可达域是否存在交集；

若交集为空集，无需进一步对该航班计划进行调整；

若存在交集，交集定义为潜在时空冲突区STPCS，识别潜在时空冲突区，确定出潜在冲突的位置和发生冲突的时间；计算出冲突概率；并根据冲突概率进行预警；

所述计算出冲突概率的过程为：

用布朗桥方法建立航空器的运动模型，得到某时刻t航空器的预期位置满足如下分布：

其中，

用截断分布描述航空器的位置分布：

其中，T(x(t))表示x方向的位置分布概率，T(y(t)|x(t))表示在x(t)的条件下y方向的位置分布概率，φ(·)表示正态分布的累积密度函数；

U_X(t)和L_X(t)代表时空可达域在t时刻位于x方向的上下界，U_Y(t)和L_Y(t)代表时空可达域在t时刻位于y方向的上下界；

可以得到航空器在t时刻位于(x,y)对应位置的概率：

航空器A与时空特殊空域集L、时空恶劣天气影响范围区域集W的冲突概率PCP_A通过计算为航空器的概率分布在潜在时空冲突区内的积分获得：

其中，Prob_A(·)为航空器A对应的Prob(·)；STPCS_AL表示航空器A与时空特殊空域集L形成的潜在时空冲突区，STPCS_AW表示航空器A与时空恶劣天气影响区域集W形成的潜在时空冲突区；

航空器A和航空器B对应航空器对之间的冲突概率ACP_AB通过计算为两航空器同时进入潜在时空冲突区内间距小于安全间隔D的概率获得：

其中，STPCS_AB表示航空器A的时空可达域与航空器B的时空可达域形成的潜在时空冲突区；i和j分别代表离散化后潜在时空冲突区内的任意两个离散化单元；x_i,y_i,t_i代表离散化单元i的在x轴、y轴和z轴上的坐标。

2.根据权利要求1所述的一种基于四维航迹运行的航班计划安全性判断预警方法，其特征在于，步骤二中所述生成时空特殊空域集L的过程如下：

首先，以航路段r所在平面作为x-y平面，以时间作为z轴，建立三维坐标系，代表时空空域；

其次，选取离散化参数将时空空域离散化为若干个离散化单元；根据特殊空域的位置、边界、开放时间信息，将普通空域对应的离散化单元标记为0，特殊空域对应的离散化单元标记为1，生成时空特殊空域集L。

3.根据权利要求2所述的一种基于四维航迹运行的航班计划安全性判断预警方法，其特征在于，步骤二中所述生成时空恶劣天气影响区域集W的过程如下：

将恶劣天气移动的中心视作其移动的质心，根据预计的移动轨迹，生成恶劣天气的时空路径；并以预计的波及范围为半径，确定时空恶劣天气的影响范围；在所述的时空空域离散化的基础上，将普通空域对应的离散化单元标记为0，时空恶劣天气影响区域内对应的离散化单元标记为1，从而生成时空恶劣天气影响区域集W。

4.根据权利要求1所述的一种基于四维航迹运行的航班计划安全性判断预警方法，其特征在于，在所述的步骤五中，根据冲突概率CP进行预警的过程如下：

判断冲突概率CP与预警阈值Threshold之间的关系，对冲突概率小于阈值的航班计划，输出“有冲突风险”、“建议调整航班计划”，并触发二级预警；对于冲突概率大于阈值的航班计划，输出“高冲突风险”、“请调整航班计划”，并触发一级预警。

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