CN114202967B

CN114202967B - 适用于拥挤空域的tcas避让方法、系统及其显示和告警机制

Info

Publication number: CN114202967B
Application number: CN202111579200.3A
Authority: CN
Inventors: 梅映雪; 邵慧; 谭茹
Original assignee: Commercial Aircraft Corp of China Ltd
Current assignee: Commercial Aircraft Corp of China Ltd
Priority date: 2021-12-22
Filing date: 2021-12-22
Publication date: 2023-02-24
Anticipated expiration: 2041-12-22
Also published as: CN114202967A

Abstract

适用于拥挤空域的TCAS避让方法、系统及其显示和告警机制。本申请涉及一种设计飞机的垂向借用道线的方法，包括：根据第一组公式(1)‑(5)计算第一借用道线；根据第二组公式(6)‑(8)计算第二借用道线；以及将计算出的由所述第一和第二借用道线设定的闭区间发送给邻近的其他飞机。随后，在TCAS避让过程中，用该闭区间作为本机避让的飞行空间来取代传统的VS避让方式，同时通过修改TCAS的告警逻辑并辅助设计可视化界面，解决了虚假告警问题，同时能够帮助飞行员监控飞机周围环境。

Description

适用于拥挤空域的TCAS避让方法、系统及其显示和告警机制

技术领域

本发明涉及民用飞机的安全领域，具体而言，涉及一种为民用飞机，即运输乘客、行李等的商用飞机，提供防撞保护机制的机载设备。

背景技术

为顺应国际民航对于TCAS II系统强制性要求的形势，同时出于对繁忙空域民航客机安全运行的考虑，在研制国产新型号飞机的空中避撞机制的过程中，通过对现阶段民航界广泛采用的TCAS II型系统进行了深入的研究，发现其避撞方式并不适用于繁忙空域且告警逻辑极易导致虚警等缺陷和不足。

具体而言，经过多年的实践证明，TCAS II系统确实是一种防止和避免空中相撞事故的有效设备，据报道已经多次避免了可能的空中相撞事故，但TCAS II仍然存在较为严重的缺陷和不足。虽然，经过国内外学者对于暴露问题的广泛研究，飞行员根据指令手动避让不及时和性能不足等方面的问题已得到较好解决并已逐步应用于主流机型，但尚有两点问题鲜有论述：

1)空中交通拥挤环境下飞机避撞问题

在拥挤的空域中，TCAS II给出的关于“爬升”或“下降”的建议会增加与第三架飞机相撞的风险。

举例说明：如图1，若闯入飞机1与本机在一定高度层平飞，且满足对头飞条件，飞机2和飞机3分别在本机/闯入飞机的上一高度层和下一高度层平飞且与本机/闯入飞机1的高度和距离都较近(由于飞机2、飞机3与本机/闯入飞机1在不同高度层，无接近率，因此无相撞危险)，因此，飞机2、飞机3与本机/闯入飞机1之间不会触发TCAS，但本机与闯入飞机1之间的潜在冲突会导致TCAS触发并根据两架飞机所处位置和飞行状况给出“爬升”/“下降”信息以解决两架飞机之间的冲突，无论决策信息是本机/闯入飞机1“爬升”还是“下降”，本机/闯入飞机1在快速机动期间可能再次引发与飞机2/飞机3之间新的潜在冲突。类似这种“二次碰撞”的情况是装备有TCAS II飞机所始料不及且无能为力的，但却在空中交通拥挤环境中有可能出现。

2)虚假告警问题

TCAS计算机根据设定的计算规律，当满足告警条件(两飞机接近率较高且相对距离较小，水平距离较小等条件)时，即使飞机没有相撞的潜在冲突，也会给出告警信息。但在一些情况下，所述告警是不必要的，这种非必要的告警被称为“虚警”。

虚警问题是TCAS II的一大缺陷，虚警可能会分散飞行员注意力，有时可能会影响飞行安全，尤其对于当前及未来繁忙拥挤的空域，当前TCAS II告警逻辑已不再适用。

举例说明：如图2，若飞机1在6000m高度与飞机2在4200高度相向飞行，管制员要求飞机1在A点处下降高度到4500m，此时假设飞机2飞至B点并且两机满足最小安全间隔距离要求。若两机接近率较高，相对距离较小，且A、B水平距离也满足告警条件，驾驶舱将可能产生目视和音响告警。但实际上，由于两者到达B点后都是保持平飞状态，并没有碰撞风险，因此，这种告警实际上是没有必要。

因而，存在一种需求，希望能够对现有的TCAS II型系统的告警逻辑和避撞方式进行优化改进，得到无虚警且适用于繁忙空域的改进TCAS II型防撞保护系统。

发明内容

本申请涉及一种具有改进的显示和告警机制的适用于拥挤空域的TCAS避让方案。

根据本申请的第一方面，提供了一种设计飞机的垂向借用道线的方法，包括：

根据下述公式基于第一借用道线计算对应的VS₁：

ΔH＝H₁-H (1)

S＝1/2(c*t) (2)

ε＝ΔS/Δt (3)

TAU＝S/ε (4)

VS₁＝H_min/TAU (5)

其中，H₁为闯入飞机高度，H为本机高度，ΔH为两飞机高度差；c为光速，t为机载应答机发送的询问信号往返时间，S为两飞机相对距离；ΔS为相对距离变化值，Δt为相应时间，ε为两飞机接近率；H_min为最小垂直安全间隔，VS₁为VS目标区间的下限；

根据下述公式基于第二借用道线计算对应的VS₂：

VS₂＝H_max/TAU (6)

其中，

H_max＝H_min+δ，|H₂-H_CPA|＞δ (7)

H_max＝H₂-H_CPA，|H₂-H_CPA|＜δ (8)

式中，H_max为区间限制高度，VS₂为VS目标区间的上限；H₂为飞机机动方向最近高度层飞机(飞机2)，H_CPA为CPA处高度，δ为区间宽度固定值；以及

将计算出的由所述第一和第二借用道线设定的闭区间发送给邻近的其他飞机。

根据本申请的第二方面，提供了一种根据第一方面的方法，所述闭区间对于所述其他飞机来说是需要规避的禁飞区。

根据本申请的第三方面，提供了一种根据第一方面的方法，所述其他飞机的TCAS系统在工作时，主动避免飞入所述闭区间，以减少二次碰撞。

根据本申请的第四方面，提供了一种根据第一方面的方法，所述闭区间引导飞机以小幅度机动代替传统TCAS的大幅度爬升/下降避让。

根据本申请的第五方面，提供了一种适用于拥挤空域的TCAS避让方法，包括：

判断入侵飞机的位置和预留时间是否满足TCAS触发条件：

如果不满足TCAS触发条件，则不触发TCAS，所述方法结束；

如果满足TCAS触发条件，则触发TCAS，并执行下述步骤：

判断预留时间是否在35-45s范围内：

如果预留时间不在35-45s范围内，则不触发TA，所述方法结束；

如果预留时间在35-45s范围内，则触发TA，并执行下述步骤：

判断两机按原轨迹飞行在CPA处的距离是否小于最小安全间隔：

如果所述距离大于或等于安全间隔，则不触发TA语音告警，并且所述方法结束；

如果所述距离小于安全间隔，则触发TA告警，并且执行如第一方面所述的方法来规划借用道线，随后执行下述步骤：

判断预留时间是否在20-30s范围内：

如果预留时间不在20-30s范围内，则不触发RA，所述方法结束；

如果预留时间在20-30s范围内，则执行下述步骤：

判断本机是否在所述借用道线设定的闭区间内：

如果本机不在所述闭区间内，则启用修正型RA方式；

如果本机在所述闭区间内，则启用防护型RA方式；

其中所述预留时间是指本机/入侵飞机到达CPA点的预估时间，即TAU。

根据本申请的第六方面，提供了一种根据第五方面所述的TCAS避让方法，TCAS系统在飞行期间持续执行所述TCAS避让方法。

根据本申请的第七方面，提供了一种根据第五方面所述的TCAS避让方法，所述TA告警包括在ND上显示相应的TCAS显示，以及触发TA语音告警；并且

如果所述距离大于或等于安全间隔，则不触发TA语音告警，仅在ND上显示相应的TCAS显示。

根据本申请的第八方面，提供了一种根据第五方面所述的TCAS避让方法，所述方法还包括：

提供可视化界面，所述可视化界面显示了本机和周围高度层的飞机在垂直方向上的位置关系，并将由借用道线设定的闭区间标注在垂直空间中的相应位置处。

根据本申请的第九方面，提供了一种根据第八方面所述的TCAS避让方法，所述可视化界面环除了显示规划出的借用道线及其所在高度之外，同时也显示周围高度层的飞机的飞行趋势。

根据本申请的第十方面，提供了一种存储有指令的计算机可读存储介质，当所述指令被执行时使得机器执行如第一到第九方面中任一项所述的方法。

根据本申请的第十一方面，提供了一种计算机系统，包括用于执行如第一到第九方面中任一项所述的方法的装置。

提供本概述以便以简化的形式介绍以下在详细描述中进一步描述的一些概念。本概述并不旨在标识所要求保护主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护主题的范围。

附图说明

为了描述可获得本发明的上述和其它优点和特征的方式，将通过参考附图中示出的本发明的具体实施例来呈现以上简要描述的本发明的更具体描述。可以理解，这些附图只描绘了本发明的各典型实施例，并且因此不被认为是对其范围的限制，将通过使用附图并利用附加特征和细节来描述和解释本发明，在附图中：

图1示出了根据传统TCAS II避让系统在避让闯入飞机时可能发生与第三架飞机相撞的过程示意图。

图2示出了根据传统TCAS II避让系统在飞机下降时可能产生警告与其他飞机碰撞的虚假告警的过程示意图。

图3示出了根据本发明的一个实施例的垂向借用道线的示例设计图。

图4示出了通过评估和分类闯入飞机的可能冲撞威胁，将周围飞机所在空间分成四个区/级别的示例。

图5示出了根据本发明的一个实施例的适用于拥挤空域的TCAS避让方法的示例流程图。

图6示出了根据本发明的一个实施例的可视化界面的示意设计图。

具体实施方式

为了解决现有TCAS II避让系统存在的“虚警”和“二次碰撞”的问题，本发明对TCAS避撞方式和告警逻辑设计进行优化，其实施方式与当前TCAS II实现方式一致，还是将TCAS模式作为飞行指引的垂直模式，但按照本发明逻辑，通过软件更改了部分TCAS相关控制律和模式转换逻辑代码，当满足TCAS激活条件时，引导飞机以改进的方式进行避让。

在描述本发明的方案之前，先解释下在具体实施过程中涉及到的“最小垂直间隔”和“最小安全间隔”这两个航空术语。

“最小垂直间隔”和“最小安全间隔”根据我国民航空中交通管理规则制定，如下：

a)最小垂直间隔

根据飞行基本规则，飞行高度层是指以1013.2百帕气压为基准的等压面，各等压面之间具有规定的气压差，以标准大气水平面为基准面，按一定高度差划分的高度层。飞航空层是调度飞行活动、解决飞行冲突的一种主要调配方法，按规定将空间划成不同高度层，将飞机配备在不同高度层上飞行，使飞机之间保持有安全的高度差，即安全垂直间隔。

为确保安全和有效利用空域，便于运行管理，需要对飞机在空中飞行时高度配备进行科学规划和配置。为优化空域结构，提升空域利用率，满足日益增长的航空运输需求同时确保飞行安全，民航空管部门先后实施三次飞行高度层改革(第三次为缩小垂直间隔“RVSM”)，根据改革后数据，我国现行高度层按下述方法划分：

1)巡航高度层配备

1.1)真航线角0°～179°

高度900～6000m，每隔600m为一个高度层；

高度6000～8400m，每隔300m为一个高度层；

高度8900～12500m，每隔300m为一个高度层；

高度>12500m，每隔1200m为一个高度层；

1.2)真航线角180°～359°

高度600～6000m，每隔600m为一个高度层；

高度6000～8400m，每隔300m为一个高度层；

高度8900～12500m，每隔300m为一个高度层；

高度>12500m，每隔1200m为一个高度层；

2)非巡航高度层配备

2.1)机场塔台或进近管制区域内

高度600～8400m，每隔300m为一个高度层；

高度8400～8900m，每隔500m为一个高度层；

高度8900～12500m，每隔300m为一个高度层；

高度>12500m，每隔600m为一个高度层；

2.2)机场管制塔台或进近管制室管制区域内

高度<8400m，每隔>300m为一个高度层；

高度8900～12500m，每隔>300m为一个高度层；

高度>12500m，每隔>600m为一个高度层；

2.3)机场/航路等待空域

高度<8400m，每隔300m为一个高度层；

高度8900～12500m，每隔300m为一个高度层；

高度>12500m，每隔600m为一个高度层。

本方案中提到的“最小垂直间隔”遵从并按照此处所述高度层划分制定。

b)最小安全间隔

飞行安全间隔是指为防止飞机危险接近和空中相撞事故的发生而建立的标准，是为保证飞机在起飞着陆和飞行中安全有序的活动而规定的飞机在纵向、侧向和垂直的安全间隔距离。最小安全间隔是为了防止飞行冲突，保证飞行安全，提高飞行空间和时间利用率所规定的飞机之间应当保持的最小安全距离。飞行间隔包括垂直间隔和水平间隔，水平间隔分为纵向间隔和横向间隔。

目前空域内使用的间隔分为3类，第一类为垂直间隔(参见a)处最小垂直间隔数据)，第二类为水平间隔(通常要求为6km，由3n mile取整得到)，第三类为尾流间隔。其中，第一类和第二类只需满足其一即可，通常满足第一类间隔则不会受尾流影响。

本方案中提到的“最小安全间隔”满足上述规定。

为了解决现有问题，本方案对TCAS II型系统的逻辑进行优化，主要改进如下：

1)空中交通拥挤情况下，飞机在避撞闯入飞机过程中，可避免与第三架飞机相撞；

2)飞机在避撞闯入飞机过程中，只需进入借用道即可，无需大机动，可避免过大偏离航迹，有效维护空中交通秩序，达到省油效果，并且相对于大机动爬升/下降能够提高乘客舒适性；

3)可视化界面设置，能够辅助告警及帮助飞行员监控飞机周围环境，确保避撞过程中飞机安全；

4)TCAS不会产生虚假告警，减轻对飞行员的困扰，同时告警精准，能够有效维护空中交通安全。

首先，简单介绍当前TCAS II型系统的避撞方式和告警逻辑，在此基础上提出改进措施，并给出详细的设计方案。

1)拥挤空域闭区间避撞方法

当前飞机上TCAS模式设计使用VS(垂直速度)模式的引导法则，原因在于VS模式能够使飞机在垂直方向上以尽可能大的爬升/下降率机动，同时使用VS模式引导的计算方法相较于其他垂直模式简单。因此，本方案改进的TCAS模式继承了VS模式的引导法则。

但考虑到随着航空业的发展，空域将会越来越拥挤，周围环境飞机数量将会越来越多，为实现对一架飞机的避撞，飞机以尽可能大的爬升/下降率机动将会存在与空域中第三架飞机相撞的风险，随着空域繁忙日益加剧，该避撞方式将越来越不适用于当前以及未来航空领域。

本方案通过在垂直方向规划借用道(避撞航道)，设计闭区间避撞方式，解决了拥挤空域飞机避撞问题。具体而言，根据飞机所在高度层以及垂直间隔标准，在垂直方向设计闭区间作为飞机的借用道，并根据该闭区间计算得到VS目标(绿区)区间，TCAS触发引导飞机进入借用道(即VS在目标区间)，引导飞机以小幅度机动代替大幅度爬升/下降，达到避免在类似图2的情况下飞机由于大幅爬升/下降撞上第三架飞机的目的。此外，本方案的TCAS避让系统会将所述借用道所设定的闭区间的信息发送给邻近的其他飞机的TCAS，这样，在其他飞机的TCAS系统工作时，例如避让时，会主动避免飞入该闭区间，从而尽可能减少“二次碰撞”的问题。

下面结合实例来进行说明。如图3示例，CPA为两机可能相撞点(最最接近点)，TAU为本机/入侵飞机到达CPA的预计时间。

假设本机到达CPA时，闯入飞机1在本机下方且两机之间的距离小于最小安全间隔，即两机存在冲突，则TCAS触发引导本机向上爬升以避撞。

与传统的TCAS II型系统直接采用能够使飞机在垂直方向上以尽可能大的爬升/下降率机动的VS模式进行避让不同，本方案采用了通过计算第一借用道线(即借用道线1)和第二借用道线(即借用道线2)来规划出一个闭区间作为本机避让的飞行空间来取代了传统的VS避让模式。

具体的规划过程如下所示：

第一借用道线1规划：

由于两机在CPA处可能相撞(本机到达CPA处时与闯入飞机1之间的距离小于最小安全间隔)，且在图3示例中，当在CPA处时本机在闯入飞机1上方，因此，本机应向上爬升避撞。所以，规划借用道线1在点CPA上方且距CPA有一个最小垂直安全间隔(可参照上述RVSM制定)，只要本机在TAU内进入并保持在借用道线1上方即可解决两机冲突。与借用道线1对应的VS₁的具体计算公式如下：

ΔH＝H₁-H (1)

S＝1/2(c*t) (2)

ε＝ΔS/Δt (3)

TAU＝S/ε (4)

VS₁＝H_min/TAU (5)

式中，H₁为闯入飞机高度，H为本机高度，ΔH为两飞机高度差；c为光速，t为机载应答机发送的询问信号往返时间，S为两飞机相对距离；ΔS为相对距离变化值，Δt为相应时间，ε为两飞机接近率；H_min为最小垂直安全间隔，VS₁为VS目标区间的下限。因此，根据上述公式组可以计算出进入借用道线1的对应的VS₁。

第二借用道线2规划：

设计借用道的目的主要是为了防止飞机在避撞过程中与其他飞机相撞，借用道线2可用来限制飞机机动高度，避免飞机大机动爬升/下降，从而来不及避开上/下一高度层级飞机。

借用道线2根据飞机机动方向最近高度层飞机进行设定，若空间较为宽裕，即飞机机动方向高度层无其他飞机或有其他飞机但其距飞机当前位置高度差过大，也应设置较为合适的借用道线2以维护空中交通秩序，此时可设置固定值作为区间宽度，与借用道线2对应的VS₂的具体公式如下：

VS₂＝H_max/TAU (6)

其中，

H_max＝H_min+δ，|H₂-H_CPA|＞δ (7)

H_max＝H₂-H_CPA，|H₂-H_CPA|＜δ (8)

式中，H_max为区间限制高度，H_min为最小垂直安全间隔，VS₂为VS目标区间的上限；H₂为飞机机动方向最近高度层飞机(飞机2)，H_CPA为CPA处高度，δ为区间宽度固定值。

因此，TCAS触发应指令的VS值在VS目标区间[VS₁，VS₂]内。

由借用道线1和借用道线2形成的闭区间信息会被发送给邻近的其他飞机的TCAS避让系统以作为禁飞区，使得其他飞机规避飞入该区域，从而避免了“二次碰撞”的发生。

2)优化告警逻辑

当前TCAS II型系统在避撞过程中，其所有告警功能都基于预留时间，只要侦测到闯入飞机的轨迹可能成为冲撞威胁，即会触发语音等告警提示，触发逻辑如下：

TCAS首先需要评估和分类闯入飞机的可能冲撞威胁，将周围飞机所在空间分成四个区/级别：RA(决断告警)、TA(交通告警)、Proximate(接近的闯入者告警)和Others(其他闯入者告警)，如图4所示，并根据周围飞机所在区域采取不同的反应措施。上述区域级别的划分和相应的反应措施是TCAS系统的基本常识，在此不再介绍。

若周围飞机在Proximate/Others范围内，则仅会在ND(导航显示)上出现相应的TCAS显示；若周围飞机继续接近本机，进入TA包线范围，则TCAS会触发TA告警，此时不仅在ND上出现TCAS显示，而且还发出TA语音告警；若闯入飞机继续接近本飞机，进入RA包线范围，TCAS会触发RA告警，不仅会在ND上出现TCAS显示，而且，在PFD(主飞行显示)的垂直速度带上显示垂直速度指令并触发相应的语音指令，并采取RA机动。

在这种逻辑下，RA机动被分为两种类型：防护型和修正型。防护型RA是一种由于闯入飞机处于RA区域范围，两飞机距离较近(飞机若突然改变轨迹或轨迹存在误差的情况下可能发生冲撞)，但正常情况下按两架飞机原轨迹飞行不会发生碰撞(两架飞机垂直速度都不在禁止范围内)，用来防止两架飞机因轨迹突然改变或轨迹误差等原因导致发生碰撞(通过控制垂直速度)的方式，在这种方式下，飞机按原轨迹飞行，无需机动避撞。修正型RA是一种闯入飞机进入RA区域范围且两架飞机按原轨迹在CPA处小于最小安全间隔，很可能会发生碰撞，因此TCAS触发飞机机动要求飞机垂直速度进入目标值范围以解除冲突。

本方案认为当前TCAS II根据闯入飞机所在区域范围(位置和预留时间)的触发逻辑极易存在虚假告警。若闯入飞机已进入TA区域，但两机在CPA处距离大于最小安全间隔，不存在冲突，若按当前TCAS告警逻辑设计，还是会触发TCAS告警，该告警就是一种虚假告警，因为，实际上两机的航线并不会相交。此虚警不仅会分散飞行员过多注意力，有时甚至影响飞机安全。针对虚警问题，本方案改进如下：

将TCAS II在判定进入RA范围后才执行的原判断条件“两机按原轨迹飞行在CPA处距离是否小于最小安全间隔”提前至“TCAS触发TA告警”之前，即在进入TA阶段就先判断两飞机按原轨迹飞行是否会发生冲突，若两飞机会发生冲突，则会触发TCAS告警，而当判断出两飞机均按原轨迹正常飞行并不会引发冲突则仅触发ND上的TCAS告警，而不会触发TCAS语音告警。如此，根据本方案改进的TCAS II可以过滤掉很多非必要的TCAS告警，避免浪费飞行员的精力，提高了飞行员的驾驶体验。

下面结合图5来描述下根据本发明的一个实施例的适用于拥挤空域的TCAS避让方法的示例流程图。

首先，在系统上电开始工作后，在步骤502，判断入侵飞机的位置和预留时间(即到CPA的预估时间)是否满足TCAS触发条件。一般而言，所述TCAS触发条件可以是“距CPA点20-48s，距本机上下850-1200ft”，也即当入侵飞机飞入到图4所示的“TA”范围内时，所述TCAS避让机制就开始工作。当然，上述示例的TCAS触发条件仅仅是示例说明。实际上可以根据实际需求来设定。

如果不满足，则说明，入侵飞机还没有进入到TCAS避让系统的工作范围，因此，在步骤503中TCAS不会触发，流程结束。

而如果入侵飞机的位置和预留时间满足TCAS触发条件，例如入侵飞机进入到TCAS的工作区域中，则在步骤504中，TCAS系统被触发启动。

随后，在步骤506中，TCAS系统继续判断预留时间是否在35-45s(预留时间是根据本机/入侵飞机到CPA点预估出的时间，该预留时间范围是传统的TCAS系统触发TA告警的时间范围)，也即在此步骤中TCAS系统判断是否要启动TA告警。

如果在步骤506中判断出预留时间不在35-45s的范围内，则在步骤507中TCAS系统不触发TA告警，并且流程结束。

而如果在步骤506中判断出预留时间在35-45s的范围内，也即入侵飞机已经进入到图4中的TA范围中，则在步骤508中TCAS系统触发TA告警流程。

但需要注意的是，在传统的TCAS系统中，一旦判定预留时间在35-45s的范围内，TCAS系统就直接发出TA告警(包括在ND上出现TCAS显示和发出TA语音告警)，之后当预留时间在20s-30s内时，再判断“两机按原轨迹飞行在CPA处距离是否小于最小安全间隔”来决定是启用防护型RA还是修正型RA。

但在本方案的改进的TCAS系统中，本方案的改进TCAS系统在TA触发时，并不会立刻发出TA语音告警，而是将在原TCAS II在RA范围内的判断条件“两机按原轨迹飞行在CPA处距离是否小于最小安全间隔”提前到此处进行判定，即随后进入步骤510。

如果判定两机按原轨迹飞行在CPA处距离大于或等于最小安全间隔，则不会发生碰撞冲突，因此，在本方案的改进TCAS系统中，在步骤511中，并不会触发TA语音告警(但还是会在ND上显示相应的TCAS显示)，随后流程结束。而在这种情况中，传统的TCAS系统还是会触发非必要的TA语音警告，导致飞行员注意力分散。

而如果判定两机按原轨迹飞行在CPA处距离小于最小安全间隔，则流程进入步骤512。

在步骤512处，除了像传统TCAS系统一样发出TA告警(即在ND上出现TCAS显示，并且还发出TA语音告警)之外，本方案的改进TCAS系统还规划出借用道线1和2，即划定出闭区间。具体的与借用道1和2分别对应的VS₁和VS₂的计算过程请参见上述的公式，在此不再详述。而且，在计算出借用道线之后，本方案的改进TCAS系统还会将其数据通知给邻近的飞机的TCAS系统，以告知其在进行避让规划时要避开所述借用道线设定的闭区间以避免产生二次碰撞问题。

随后，在步骤514中，继续判断预留时间是否在20-30s，也即入侵飞机是否进入到RA范围内。

如果判断预留时间不在20-30s，则在步骤515处，不触发RA，随后流程结束。

如果判断预留时间在20-30s，则进入步骤516，在该步骤中，本方案的改进TCAS系统进一步判断本机是否在借用道线设定的闭区间内。

如果判断本机在借用道线设定的闭区间内，则由于该闭区间已经广播给所有邻近的飞机以避免它们误闯入，因此，TCAS系统可以认为本机处于安全飞行区域内，一般情况下不会发生碰撞，因此，在步骤518可采用防护型RA方式。在这种方式下，飞机按原轨迹飞行，无需机动避撞。随后，流程结束。

而如果判断本机不在借用道线设定的闭区间内，则说明本机存在碰撞的风险，因此，在步骤517中，TCAS采用修正型RA方式。在该方式下，TCAS要求飞机调整垂直速度以尽快进入闭区间，当进入闭区间之后，可以认为本机处于安全飞行区域内，不会再发生二次碰撞。随后流程结束。

应该理解，TCAS避让系统在飞行期间是持续不断地执行所述流程，以持续执行避撞功能。

应该理解，在本方案中，主要改进在于如果两机按原轨迹飞行在CPA处距离大于(或等于)最小安全间隔时，对TA告警的语音告警进行了省略，并且将采用防护型RA方式还是修正型RA方式的判定条件设定为本机是否在借用道线设定的闭区间内。这样，通过将原判断条件“两机按原轨迹飞行在CPA处距离是否小于最小安全间隔时”，对非必要的TA语音告警进行了约束，并且通过在垂直方向提前规划出借用道线(避撞航道)，启用闭区间，来避免了二次碰撞的问题。

在一个较佳实施例中，进一步考虑判断条件“两机按原轨迹飞行在CPA处距离是否小于最小安全间隔时”提前，是否会造成强约束的问题。即闯入飞机进入TA区域后，虽然一般情况下两架飞机不会发生冲突，但由于TA区域内两架飞机距离较近，其中一架飞机若突然改变运动状态，则可能导致两架飞机相撞。针对该问题，可相应地配套设计可视化界面，辅助飞行员监视周围环境。

所述可视化界面的设计如图6所示，所述可视化界面显示了本机和周围高度层飞机在垂直方向上的位置关系，并将由借用道线设定的闭区间标注在垂直空间中的相应位置处。如此，飞行员可以清楚看见本机和周围飞机之间的位置关系，以及本机是否进入到“安全区”(即闭区间)。

以图3所示冲突为例，若本机与闯入飞机(飞机1)存在冲突，TCAS触发本机爬升，规划借用道线。如图6中所示，假设借用道下方边界线为借用道线1，上方边界线为借用道线2。借用道线1根据本机与闯入飞机(飞机1)ATC(通过应答机方式)之间的协调规划得到，具体规划方法详见前述公式(1)-(8)，借用道线2根据本机机动方向最近高度层飞机(本机上方最近高度层飞机为飞机2)所在高度及其飞行趋势得到，要求本机在到达两飞机最最接近点(CPA)前进入借用道内，同时，临近空间除本机以外的飞机在这段时间内都不得进入该借用道。特别是，闯入飞机(飞机1)、本机上方最近高度层飞机(飞机2)以及本机下方最近高度层飞机(飞机3)在这段时间内分别不得进入借用道线1上方、借用道线2下方以及借用道线1上方。

注：借用道线1根据避撞闯入飞机规划避撞方式得到，借用道线2根据TCAS触发后本机机动方向最近高度层飞机所在高度和飞行趋势得到。

结合图6所示环境可视化界面，若两飞机存在冲突，则在TA触发后会出现语音告警同时规划并显示借用道(红色线条)；RA触发后，若飞机已进入并在冲突解除之前保持在借用道内飞行，则为防护型RA(即右半图的情况)，若未进入或在冲突解除之前不在借用道内，则为修正型RA(即左半图的情况)，TCAS触发飞机机动进入借用道。环境显示界面除了会显示规划出的借用道及其所在高度，同时也会显示周围高度层飞机及其高度和飞行趋势。TCAS触发后若飞机未进入借用道，则显示为红色，否则显示为绿色。

综上所述，本方案通过设计借用道线和对应的VS目标区间解决空域拥挤情况下多架飞机避撞问题，同时配套提供了可视化界面并优化了告警逻辑解决虚假告警问题。考虑到VS调整到指令区间存在时间误差、飞机机动精度误差以及传感器探测误差等因素，TCASII给出的决策信息并非都真实有效，可视化界面不仅有助于解决优化后告警逻辑过于严格问题，也能够辅助飞行员监视TCAS触发后的飞机行为，以“可视”代替“盲目”，确保飞机安全。

虽然以上描述了不同的实施例，但应当理解的是它们只是作为示例而非限制。(诸)相关领域的技术人员将领会，在不偏离如所附权利要求书所定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节方面进行各种修改。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims

1.一种设计飞机的垂向借用道线的方法，其特征在于，包括：

根据下述公式基于第一借用道线计算对应的VS1：

ΔH＝H₁-H (1)

S＝1/2(c*t) (2)

ε＝ΔS/Δt (3)

TAU＝S/ε (4)

VS₁＝H_min/TAU (5)

根据下述公式基于第二借用道线计算对应的VS₂：

VS₂＝H_max/TAU (6)

其中，

H_max＝H_min+δ，|H₂-H_CPA|＞δ (7)

H_max＝H₂-H_CPA，|H₂-H_CPA|＜δ (8)

式中，H_max为区间限制高度，VS₂为VS目标区间的上限；H₂为飞机机动方向最近高度层飞机，H_CPA为CPA处高度，δ为区间宽度固定值；以及

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述闭区间对于所述其他飞机来说是需要规避的禁飞区。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述其他飞机的TCAS系统在工作时，主动避免飞入所述闭区间，以减少二次碰撞。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述闭区间引导飞机以小幅度机动代替传统TCAS的大幅度爬升/下降避让。

5.一种适用于拥挤空域的TCAS避让方法，其特征在于，包括：

判断入侵飞机的位置和预留时间是否满足TCAS触发条件：

如果不满足TCAS触发条件，则不触发TCAS，所述方法结束；

如果满足TCAS触发条件，则触发TCAS，并执行下述步骤：

判断预留时间是否在35-45s范围内：

如果预留时间在35-45s范围内，则触发TA，并执行下述步骤：

如果所述距离小于安全间隔，则触发TA告警，并且执行如权利要求1所述的方法来规划借用道线，随后执行下述步骤：

判断预留时间是否在20-30s范围内：

如果预留时间在20-30s范围内，则执行下述步骤：

判断本机是否在所述借用道线设定的闭区间内：

如果本机不在所述闭区间内，则启用修正型RA方式；

如果本机在所述闭区间内，则启用防护型RA方式；

其中所述预留时间是指本机/入侵飞机到达CPA点的预估时间。

6.如权利要求5所述的TCAS避让方法，其特征在于，TCAS系统在飞行期间持续执行所述TCAS避让方法。

7.如权利要求5所述的TCAS避让方法，其特征在于，所述TA告警包括在导航显示ND上显示相应的TCAS显示，以及触发TA语音告警；并且

8.如权利要求5所述的TCAS避让方法，其特征在于，所述方法还包括：

9.如权利要求8所述的TCAS避让方法，其特征在于，所述可视化界面除了显示规划出的借用道线及其所在高度之外，同时也显示周围高度层的飞机的飞行趋势。

10.一种存储有指令的计算机可读存储介质，当所述指令被执行时使得机器执行如权利要求1-9中任一项所述的方法。

11.一种计算机系统，包括用于执行如权利要求1-9中任一项所述的方法的装置。