CN111477036B - 一种空管自动化系统航空器高度异常检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种空管自动化系统航空器高度异常检测方法，该方法通过计算航空器过去一段时间内相邻航迹点的高度变化来检测航空器的高度是否异常。在计算过程中，该方法考虑了航空器在不同飞行状态时适用不同的门限参数，并且在计算过程中，为了增强检测结果的鲁棒性，对航空器在不同飞行状态下的高度异常检测设置了单门限和双重门限两种检测方法，降低了错误率。

Description

一种空管自动化系统航空器高度异常检测方法

技术领域

本发明属于空中交通管理领域，尤其涉及一种空管自动化系统航空器高度异常检测方法。

背景技术

民航空管自动化系统的主要功能是对多雷达信号进行融合处理，并将雷达信号与飞行计划动态相关联。地面管制员面对雷达显示器，就可以直观地了解管制区域内空中交通的实时态势。近年来，随着空中流量的不断上升，人们也越来越重视航空器的飞行安全问题。通过空管自动化系统来获取航空器的飞行安全告警信息，可以做到早知道、早干预、早准备，减少人员、经济损失。

现阶段，民航空管自动化系统关于航空器的飞行安全告警的研究主要集中短期冲突、中期冲突、二次代码告警等领域。在国内外公开发表的文献中较少见到对航空器飞行过程中高度异常问题的研究。但是，“高度突变”等近似的单词在近年来失事飞机的事故报告里却可以经常见到。

2014年3月8日凌晨，由吉隆坡国际机场飞往北京首都国际机场的MH370航班失联。据《纽约时报》报道，马来西亚方面雷达显示，MH370在飞行过程中高度曾发生突变，这架飞机在爬升至13700米的高度后不平稳的降至7000米。

对民航飞机而言，其飞行状态大致可以分为滑行、起飞、爬升、巡航、下降、进近和着陆几个阶段。其中起飞、爬升、下降、进近几个阶段，由于飞机需要上升或者下降到一定高度，因此在这几个阶段，飞机的高度变化值较大；在巡航阶段，飞机已经进入预定的航线，其高度变化值较小。空管自动化系统要想检测航空器在飞行过程中高度是否产生了异常，需要考虑航空器不同情况下的高度变化率，同时需要判断在各个时间点，飞机所处的飞行状态。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实用的空管自动化系统航空器高度异常检测方法，在航空器的飞行过程中对航空器的高度信息进行实时监测，对航空器高度可能存在的异常情况进行实时告警。

实现本发明目的的技术方案包括以下步骤：

步骤1、按照航空器类型，分别选取两条以上完整的已知航迹数据，将每条航迹数据文件分为两个部分：起飞或降落，非起飞或降落，求得每个航迹点的高度变化率设置检测门限；

步骤2、根据雷达探测信息或者计划信息，判断飞机类型，选择不同参数，执行步骤3；

步骤3、记录同一航空器在过去T1时间段内的航迹点数据，包括相邻的N-1个航迹点的高度数据、时间、经纬度；

步骤4、判断航空器是否处于起飞或者降落状态，如果航空器不处于起飞或者降落状态，执行步骤5；否则，执行步骤6；

步骤5、计算当前记录的最新航迹点A_N和相邻的航迹点A_N-1的高度变化率，执行步骤7；

步骤6、计算当前记录的最新航迹点A_N的高度变化率，执行步骤8；此时，航空器处于起飞或者降落状态，航迹点的高度变化大、频率较快，为了减少误报率，只观察当前航迹点的高度变化，即将航迹点A_N的高度值和时间值与航迹点A_N-1分别相减，然后将高度差值与时间差值相除得到单位时间内的高度变化率(取绝对值)，执行步骤8；

步骤7、如果航空器属于小型机，判断当前航迹点的高度是否异常；

步骤8、如果航空器属于大型机，判断当前航迹点的高度是否异常。

步骤1包括：按照航空器的飞行状态来设定不同的高度异常检测门限，T3表示大型机在起飞或者降落状态时用来检测高度异常的门限参数；T1和T2是大型机在非起飞或者降落状态时用来检测高度异常的双重门限值，其中T1大于T2；T4表示小型机在起飞或者降落状态时用来检测高度异常的门限参数；T5和T6是小型机在非起飞或者降落状态时用来检测高度异常的双重门限值，其中T5大于T6；对于不能判断机型的飞机，采用大型机的门限参数进行判断。

其中T3、T2、T1的设置步骤如下：

步骤1-1，利用空管自动化系统录取m(m>10,获取足够的连续航迹点信息，一般取值为100)条大型航空器的完整的已知航迹数据，将每条航迹数据其分为两个部分：起飞或降落，非起飞或降落，分别有n₁和n₂个航迹点；

步骤1-2，起飞或者降落有n₁个航迹点，求得每个点的航迹高度变化率，得到n₁-1条数据；非起飞或者降落有n₂个航迹点，求得每个点的航迹高度变化率，得到n₂-1条数据；

步骤1-3，数据清洗：对于航迹高度变化率，将不符合现实情况的进行剔除；对于民航客机而言，将航迹点爬升率大于20m/s的数据剔除。

步骤1-4，对起飞或者降落状态的n₁-1条高度变化率数据，求其绝对值，再求绝对值均值μ和标准差σ，对非起飞或者降落状态的高度变化率数据做同样的操作得到绝对值均值μ₁和标准差σ₁：

其中Δ_i表示航迹点高度变化率的绝对值，计算公式如下：

其中h_i和t_i额分别表示第i个航迹点的高度和时间数据；

步骤1-5，取(1+20％)e^μ+3σ作为起飞或者降落状态的门限参数T3；

步骤1-6，取(1+20％)e^μ1+3σ1作为非起飞或者降落状态的参数T1，取(1+10％)e^μ1+3σ1作为非起飞或者降落状态的门限参数T2；

步骤1-5、1-6的取值依据：

1)将高度变化率拟合成高斯分布形式，根据置信区间取值，可以对野值数据进行清洗，保证数据有效性；

2)将置信区间值按20％和10％比例进行扩孔设置门限，可以避免高度突变检测过程中因为随机因素造成的影响。

对于小型机，采取步骤1-1～步骤1-6同样的方法，得到门限参数T4、T5、T6。

步骤4包括：

步骤4-1，根据航空器当前航迹点的经纬度，利用现有的机场地理位置数据和机场进离场高度以及航空器的连续航迹点状态来判断航空器是否处于机场区域，如果航空器位置当前处于机场区域(判定航空器是否处于机场区域，一般利用航空器距离机场距离的远近来进行判定，对于民航机场来说，根据管制原则和进离场程序飞行要求一般将其30公里范围内都视为在机场区域内飞行)，则进行执行步骤4-2；否则判定航空器处于非起飞或者降落状态；

步骤4-2，根据航空器当前航迹点的高度数据和民航飞机巡航高度以及机场进离场高度来判断航空器是否可能处于起飞或者降落状态，如果高度小于民航飞机巡航高度且在进离场高度范围内(进离场飞行一般是高度七千米以下的飞行，民航飞机的巡航高度一般大于8400米，所以对机场区域内的飞机，若其高度小于七千米，可以判定其在进行进离场飞行)，则进行步骤4-3判断；否则判定航空器处于非起飞或者降落状态；

步骤4-3，根据包括航空器当前航迹点在内的N个航迹点数据，根据公式(3)，利用最小二乘法计算过去K1(保证计算率，K1取7到10个点的连续航迹更新周期)时间段内航空器的高度和时间的拟合曲线，根据曲线斜率α判断航空器的高度变化趋势：

如果|α|大于门限0，则判定航空器处于起飞或降落状态，否则处于非起飞或降落状态。

步骤5包括：设定当前记录的最新的航迹点为A_N，过去K1时间段内的N-1个航迹点分别为A_N-1、A_N-2…A₁，根据公式(2)将航迹点A_N的高度值和时间值与航迹点A_N-1的高度值和时间值分别相减，然后将高度差值与时间差值相除得到单位时间内的高度变化率(取绝对值)，得到连续航迹点的高度变化率，用于后续航空器的高度突变检测。由于航空器已经起飞，高度变化较小，频率较低，为了降低误报率，需要综合考虑A_N-1、A_N两个点的高度变化率。

步骤7包括：如果航空器属于大型机，且处于非起飞或者降落状态，其航迹点A_N的高度变化率大于等于T₁，则判断航空器高度发生了异常；如果航迹点A_N的高度变化率大于T₂小于T₁，且航迹点A_N-1的高度变化率也满足大于T₂小于T₁的条件，则判断航空器高度发生了异常；其余情况判断航空器的高度未发生异常；

如果航空器属于小型机，且处于非起飞或者降落状态，其航迹点A_N的高度变化率大于等于T₅，则判断航空器高度发生了异常；如果航迹点A_N的高度变化率大于T₆小于T₅，且航迹点A_N-1的高度变化率也满足大于T₆小于T₅的条件，则判断航空器高度发生了异常；其余情况判断航空器的高度未发生异常。

步骤8包括：如果航空器属于大型机，且处于起飞或者降落状态，其航迹点A_N的高度变化率大于等于T₃，则判断航空器高度发生了异常；其余情况判断航空器的高度未发生异常；

如果航空器属于小型机，且处于起飞或者降落状态，其航迹点A_N的高度变化率大于等于T₄，则判断航空器高度发生了异常；其余情况判断航空器的高度未发生异常。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：根据航空器的不同飞行状态，选用单一门限或双重门限检测方法来检测航空器是否发生高度异常，误报率更低。

有益效果：本发明具有如下技术效果：

1、考虑了机型信息，根据不同机型设置不同判别门限，提高鲁棒性。

2、考虑了航空器在不同飞行状态下的爬升情况，降低了误报率。

3、综合采用了单一门限和双重门限检测方法，提升了结果的可靠性。

4、判断航空器飞行状态时，综合考虑了连续的多个航迹点的数据，提升了飞行状态判断的准确率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1最小二乘法判断航空器的飞行状态示意图。

图2特殊状态判断航空器飞行状态示意图。

图3单一门限和双门限检测高度异常方法示意图。

图4是本发明方法流程图。

具体实施方式

如图4所示，本发明提供了一种空管自动化系统航空器高度异常检测方法。

参见图1所示，是本发明关于航空器在稳定飞行过程中飞行状态的计算说明。图1中显示了5个连续的航迹点数据，其高度变化都为正或者趋近零值。其中的曲线是利用最小二乘法得到关于5个航迹点的线性回归拟合曲线，其中的α表示曲线斜率，可以由公式3计算得到。判断航空器是否处于上升或者降落状态时需要以曲线斜率α的值作为参考，当|α|的值超过预设的门限值μ时，认为航空器处于上升或者降落状态。

参见图2所示，是本发明关于最小二乘法在特殊情况不能拟合航空器飞行状态时的说明。图2中显示了5个连续的航迹点数据，其高度变化有正有负。其中的曲线是利用最小二乘法得到关于5个航迹点的线性回归拟合曲线，结合5个连续航迹点的高度，可以看出，回归拟合曲线不能表示出航空器的飞行状态。因此，对于特殊情况，需要进行多重条件判断，如果航迹点B和航迹点A的高度变化相同，即同为正或者同为负，则按照B点和A点的变化趋势判断航空器处于上升或者下降状态；如果航迹点B和航迹点A的高度变化趋势不相同，则参照A点的高度变化来判断航空器的状态。

参见图3所示，是本发明关于航空器在不同的飞行状态时采用的检测方法说明。其中的虚线T3表示在起飞或者降落状态时用来检测高度异常的的门限参数，对大型民航飞机而言，其最大爬升率在大约为10～11m/s，根据数据拟合本发明将T3设为13.5m/s；虚线T1和虚线T2是在非起飞或者降落状态时用来检测高度异常的双重门限值，本发明将T1设置为12m/s，T2设置为11m/s；黑色实线表示的是一段连续的航迹点的高度变化率。图3中，航迹点A是航空器在起飞状态时的航迹点，此时，采用单一门限检测方法来检测航空器是否产生了高度异常，从图2上看到航迹点A的高度变化率超过的门限值T3，因此会产生告警提示；航迹点B是航空器在非起飞或者降落状态下的航迹点，此时，采用双门限检测方法来检测高度是否产生了异常，从图3中看到，航迹点B的高度变化率超过了设置的较大门限值T1，因此会产生告警提示信息；图3中，航迹点D是航空器在非起飞或者降落状态下的航迹点，此时，采用双门限检测方法来检测高度是否产生了异常，从图2中看到，航迹点D的高度变化率超过了设置的较小门限值T2，未超过门限值T1，此时需要结合航迹点D的前一个航迹点C的高度变化率来考虑，从图3上可以看出，航迹点C的高度变化率也超过了门限值T2，因此会产生告警提示信息。

通过上述步骤，实现了空管系统航空器高度异常检测，可以检测航空器在不同飞行状态下高度是否发生了异常。在高度异常检测过程中引入和单门限和双门限两种检测方法，提升了检测结果的可靠性。

本发明提供了一种空管自动化系统航空器高度异常检测方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出如果干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种空管自动化系统航空器高度异常检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、按照航空器类型，分别选取两条以上完整的已知航迹数据，将每条航迹数据文件分为两个部分：起飞或降落，非起飞或降落，求得每个航迹点的高度变化率设置检测门限；

步骤2、根据雷达探测信息或者计划信息，判断飞机类型，选择不同参数，执行步骤3；

步骤3、记录同一航空器在过去T1时间段内的航迹点数据，包括相邻的N-1个航迹点的高度数据、时间、经纬度；

步骤4、判断航空器是否处于起飞或者降落状态，如果航空器不处于起飞或者降落状态，执行步骤5；否则，执行步骤6；

步骤5、计算当前记录的最新航迹点A_N和相邻的航迹点A_N-1的高度变化率，执行步骤7；

步骤6、计算当前记录的最新航迹点A_N的高度变化率，执行步骤8；

步骤7、如果航空器属于小型机，判断当前航迹点的高度是否异常；

步骤8、如果航空器属于大型机，判断当前航迹点的高度是否异常；

步骤1包括：按照航空器的飞行状态来设定不同的高度异常检测门限，T3表示大型机在起飞或者降落状态时用来检测高度异常的门限参数；T1和T2是大型机在非起飞或者降落状态时用来检测高度异常的双重门限值，其中T1大于T2；T4表示小型机在起飞或者降落状态时用来检测高度异常的门限参数；T5和T6是小型机在非起飞或者降落状态时用来检测高度异常的双重门限值，其中T5大于T6；对于不能判断机型的飞机，采用大型机的门限参数进行判断；

其中T3、T2、T1的设置步骤如下：

步骤1-1，利用空管自动化系统录取m条大型航空器的完整的已知航迹数据，将每条航迹数据其分为两个部分：起飞或降落，非起飞或降落，分别有n₁和n₂个航迹点；

步骤1-2，起飞或者降落有n₁个航迹点，求得每个点的航迹高度变化率，得到n₁-1条数据；非起飞或者降落有n₂个航迹点，求得每个点的航迹高度变化率，得到n₂-1条数据；

步骤1-3，数据清洗：对于航迹高度变化率，将不符合现实情况的进行剔除；

步骤1-4，对起飞或者降落状态的n₁-1条高度变化率数据，求其绝对值，再求绝对值均值μ和标准差σ，对非起飞或者降落状态的高度变化率数据做同样的操作得到绝对值均值μ₁和标准差σ₁：

其中Δ_i表示航迹点高度变化率的绝对值，计算公式如下：

其中h_i和t_i额分别表示第i个航迹点的高度和时间数据；

步骤1-5，取(1+20％)e^μ+3σ作为起飞或者降落状态的门限参数T3；

步骤1-6，取(1+20％)e^μ1+3σ1作为非起飞或者降落状态的参数T1，取(1+10％)e^μ1+3σ1作为非起飞或者降落状态的门限参数T2；

对于小型机，采取步骤1-1～步骤1-6同样的方法，得到门限参数T4、T5、T6。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4包括：

步骤4-1，根据航空器当前航迹点的经纬度，利用现有的机场地理位置数据和机场进离场高度以及航空器的连续航迹点状态来判断航空器是否处于机场区域，如果航空器位置当前处于机场区域，则进行执行步骤4-2；否则判定航空器处于非起飞或者降落状态；

步骤4-2，根据航空器当前航迹点的高度数据和民航飞机巡航高度以及机场进离场高度来判断航空器是否可能处于起飞或者降落状态，如果高度小于民航飞机巡航高度且在进离场高度范围内，则进行步骤4-3判断；否则判定航空器处于非起飞或者降落状态；

步骤4-3，根据包括航空器当前航迹点在内的N个航迹点数据，根据公式(3)，利用最小二乘法计算过去K1时间段内航空器的高度和时间的拟合曲线，根据曲线斜率α判断航空器的高度变化趋势：

如果|α|大于门限0，则判定航空器处于起飞或降落状态，否则处于非起飞或降落状态。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤5包括：设定当前记录的最新的航迹点为A_N，过去K1时间段内的N-1个航迹点分别为A_N-1、A_N-2…A₁，根据公式(2)将航迹点A_N的高度值和时间值与航迹点A_N-1的高度值和时间值分别相减，然后将高度差值与时间差值相除得到单位时间内的高度变化率。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤7包括：如果航空器属于大型机，且处于非起飞或者降落状态，其航迹点A_N的高度变化率大于等于T₁，则判断航空器高度发生了异常；如果航迹点A_N的高度变化率大于T₂小于T₁，且航迹点A_N-1的高度变化率也满足大于T₂小于T₁的条件，则判断航空器高度发生了异常；其余情况判断航空器的高度未发生异常；

如果航空器属于小型机，且处于非起飞或者降落状态，其航迹点A_N的高度变化率大于等于T₅，则判断航空器高度发生了异常；如果航迹点A_N的高度变化率大于T₆小于T₅，且航迹点A_N-1的高度变化率也满足大于T₆小于T₅的条件，则判断航空器高度发生了异常；其余情况判断航空器的高度未发生异常。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤8包括：如果航空器属于大型机，且处于起飞或者降落状态，其航迹点A_N的高度变化率大于等于T₃，则判断航空器高度发生了异常；其余情况判断航空器的高度未发生异常；

如果航空器属于小型机，且处于起飞或者降落状态，其航迹点A_N的高度变化率大于等于T₄，则判断航空器高度发生了异常；其余情况判断航空器的高度未发生异常。

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