第13卷第31期2013年11月 科学技术与工程 V01.13 No.31 NOV.2013 1671—1815(2013)31—9252—06 Science Technology and Engineering ⑥2013 Sci.Tech.Engrg. 基于调速法的交叉航路冲突解脱时机研究 赵嶷飞 陈琳 王红勇 (中国民航大学天津市空管运行规划与安全技术重点实验室,天津300300) 摘要 以同高度层、交叉航路飞行航空器为研究对象,应用运动学知识建立航空器飞行轨迹随时间变化方程,判断任意时 刻两机距离与标准安全间隔间关系,预测飞行冲突。基于调速的方法,以调速值最小为目标函数,建立冲突调配模型;并确定 调速区间。在此基础上,构建交叉航路夹角与调速时机间函数关系,为扇区内航路规划提供参考。最后以飞往大王庄台的 A593和A461两航路航班为例,进行仿真,输出调配距离随航路夹角变化的关系曲线图。 关键词流量管理 交叉航路 飞行冲突解脱 A 调配门限 中图法分类号V355.2; 文献标志码近年来,随着我国通用航空产业的发展以及低 空空域的改革,空中交通流量持续上涨,航空器运 行过程中的潜在风险也随之增加。尽管空管新技 小。从理论层面,国内外学者对于冲突调配的主要 研究成果有:将免疫遗传H。。。 等智能算法应用于冲 突解脱;采用动态优化 J、混合整数规划 、最优 控制理论 等数学方法,确定调速区间,研究冲突 术发展显著,应用通信、导航技术和监视手段对航 空器实现监视、识别、引导,很大程度上保障了飞行 安全性和有序性。但不可否认,愈加开放和复杂的 航行环境对维持和提高空中交通管理系统安全性、 灵活性、可预测性等提出了更为严格的要求,在一 避让与调速值问关系。这些算法从理论上能够对 冲突进行调配,但较少考虑航线结构对于调配的影 响;对于何时进行调配,调配时机与航路间结构关 系没有进行深入讨论,更为适用于自由飞行,在实 际应用中有一定的局限性。 以交叉航路为研究对象,分析相同高度层飞行 定程度上也增加了管制员工作负荷。因而,为保障 空中交通运行安全,针对不同结构分布的航路,对 处于潜在冲突风险中的飞机提供合理、及时的调配 方案具有一定的研究价值。 实际管制过程中,对于冲突的调配主要采用改 变飞行高度、飞行速度和飞行航向三种方式;其中, 飞行高度的改变可以将冲突快速有效化解,但在爬 升、穿越过程中易对周边航空器运行产生干扰。调 速在实施过程中同样较为便捷,优势在于干扰较 2013年6月25日收到,7月15日修改 国家科技支撑计划 飞机随时间变化轨迹。由运动学方程确定任意时 刻两机间相对位置关系,分别对两机划设圆形保护 区,比较两圆圆心距离与标准安全间隔,判断飞行 冲突、预测调配时机。基于调速方法建立冲突调配 模型,确定调速区间,研究交叉航路不用夹角与调 配时机间函数关系模型。最后应用Matlad),选取飞 往大王庄台的A593及A461两航路飞机进行仿真, 输出两航路夹角与冲突调配距离间曲线。 (2011BAH24B10)、国家自然科学基金(61039001)、 高校基本科研业务费(ZXN2012MOO1)、国家自然科学基金 委员会与中国民航空局联合资助项目(U1333108)、 中国民用航空局项目(MHRD201018)资助 1基于调速法的冲突调配 1.1 问题简化 对飞行在同一高度层交叉航线上的两飞机而 言,假定: 第一作者简介:赵嶷飞(1971一),男,湖南常德人,中国民航大学空管学 院教授,研究方向:空中交通规划与管理。E—mail:yif ̄i6666@sins.corn。 通信作者简介:陈琳(1988一),女,天津人,中国民航大学空管学院硕 士研究生,研究方向:交通运输规划与管理。E—mail:c1820422@163.com。 1)飞机模拟成一个有方向的质点,运动方向就 是飞机的飞行航向 J。 2)设飞机在交叉航路沿航线匀速飞行,不考虑 31期 赵嶷飞,等:基于调速法的交叉航路冲突解脱时机研究 9253 任何偏差 J。 3)飞行过程中不考虑沿航迹误差,垂直航迹误 差及风向、风速等随机因素。 4)飞机调速过程瞬问完成;且只改变速度大 小,不改变飞行航向。 在此基础上,对于该问题基本研究思路如图1 所示 图1流程图 1.2基于距离标准的冲突探测 冲突探测是根据地面监视设备对飞机在空域 中的位置和速度信息进行计算,判断飞机是否会与 其他飞机相撞或小于最小间隔标准¨ 。分别对飞 机建立相应保护区,如果一架飞机进入另一架飞机 的保护区,即认为存有飞行冲突。以处于相同高度 层、交叉航路飞行的两机为研究对象,根据飞行航 迹计算两机间最小距离D i ,将D i 同安全间隔标 准作比较,判断冲突是否发生。 设两架飞机分别为A、曰,已知飞行基本参数 [ (i),}Io(i),V(i), (i)],依次表示为初始横、纵 坐标,初始速度及航向角。任意时刻两机坐标可表 示为 ( (t),ra(t)),B(x (t), (t))。其中 fXA=XA(0)+ teos0A 【YA=YA(0)+VAtsin0A; fX口=X口(0)+ tcos0B 【 = (0)+ tsin0口。 D i = √[XA(t)一 (t)] +[ (t)一 (t)] (1) 目前,由航路飞行水平安全间隔标准d= 10 km ,可知: 1)当D ≤d,有冲突发生。 2)当D…≥d,无冲突发生。 通过该方法,一方面可以确定是否有冲突发 生,另一方面可以确定冲突时刻,为调配时机的选 择奠定基础。 1.3调速法冲突调配模型L5 J 当判定出两机在t时刻存有潜在冲突,通过对 飞机提前调速的方法,使得调速后两机在t时刻满 足最小间隔标准。定义△ 为任意一架飞机速度变 化量,选定某种机型后,飞机飞行速度的上下界随 之确定,调速之后需满足: i ≤ +AV≤Vm 。基 于调速法冲突调配模型,通过两机间相对位置关系 建立△ 的约束条件,确定飞机调速区间[o ,b ]。 . 图2冲突调配条件 已知两架飞机飞行基本参数[ (i),ro( ), 科学技术与工程 13卷 飞机口 \ \、.、 、’ 、i \ 12 -- 飞机A 图3 机B影子与 机A保护区相切 V(i), (i)],飞机A、B速度矢量记为 VA:f\(‘ +△ ) +△ )sic0n6s 1}A/ ; :f\( +△ ) +△VB)sic0n0B,s 1; 且矢量差为:Va— :f\(( Va+△+△ )si )c。n /s 1一 /( +△ )cos0B\ \( +△ )sin0B/ 作两条平行于矢量 一 且与飞机B圆形保 护区相切的直线,称其为飞机 沿飞机A运动方向 的影子。根据相对运动关系,相当于飞机A静止,飞 机 在影子里移动。可知当飞机A的保护区与飞机 的影子有交集时,会有冲突发生。 由图3知:①飞机 影子相切于飞机A保护区 右侧,设影子与水平轴夹角为z。 ,根据图2原理,若 飞机B影子与水平轴夹角大于z ,无冲突;②飞机 影子相切于飞机A保护区左侧,设影子与水平轴 夹角为Ol。:,若飞机 影子与水平轴夹角大于OL , 无冲突。将两机间距离设为D :,该连线与水平轴 夹角设为6 。则有: ,212= 12+卢 J Od12=612一卢 f 【卢一rcsin( ) 速度矢量差与水平轴夹角设为 , tan012 ( +△ )sin6}A一( +△ )sin0 , 3) 根据式(3),并结合图2、图3,若两机间无冲 突,需满足: tan012≥tan/12或tan012≤tana12 (4) 将(4)与飞机调速范围约束条件 i ≤ + AV≤ 结合,求解出飞机调速区间:△ C[口 , b ];(i=1,2,…,n)。当avi为正数时,即通过加速 方案使得冲突解脱,a 为下限,对应最早调配时机 点;b 为满足约束的调速上限值,对应最晚调配时机 点。若计算出△ 为负值时,情况类似。考虑燃油消 耗、飞行舒适度以及调速后飞机飞行对周围环境影响 等诸多因素,最小调速值应尽可能小。因而,定义目 标函数为:△ =min l av/I(i=1,2,3,…,凡)。 综上,得出调速法飞行冲突调配模型: △ =min l△ l; =1,2,3,…,/Z (5) fVmi ≤V+△ ≤ s・t.{ 毁 l tan012≥tan/12 S.t... J[ in≤ +△ ≤ ax (【 J1,3) tan012≤tana12 A 1 1.4调配时机与航路夹角关系研究 采用调速法冲突调配模型,确定飞机调速区间 [a ,b ]。在第一步飞行冲突探测过程中,得出t时 间两机距离最短为D ,对应图4中的A B 。t前某 点 对飞机进行调速,使得t时飞行冲突解脱。以 一机调速、一机恒速为例,进行讨论。 图4调配距离简图 如图4所示,两机初始位置为A。、B。,t时间轨 迹为 f = (0)+ s (7) 【 = (0)+ tsin0A . . .31期 赵嶷飞,等:基于调速法的交叉航路冲突解脱时机研究 f = (0)+ s 【 = (0)+ tsin0 (8) 度,选取与上述导航台位置相对较近航班,通过经 纬度与 、y坐标问转化,得到两航班初始位置点坐 分别对应图4中A 、B 。 假设飞行相同时间t,A机根据调速值av,c [a ,b ]进行调速,位置点变为 fxa =XA(0)+vatcOSOA+( +△ )(t—At)COS0A 【 = (0)+VAtsin0a+( +△ )(t—At)sin0A (9) 式(9)即图4中A:点,△ 对应A机开始调速时机。 飞机 位置点不变,仍为图4中 。此时两机 相对位置关系如图4中连线A: 所示,4机调速后 满足两机间隔A B 满足间隔标准,冲突解脱。 设两航路夹角为 ,通过航迹位置点坐标及三 角函数关系,对AOA B。应用余弦定理,可得 A20 +B10 一A2B1 =2A2OB1Ocosy (10) 式(1O)中 A:O =( 一 ) +( 一Y) ; B1O =(X口一X) +( —Y) ; A2B1 =(XA ~XB) +( 一 ) (11) 将公式(11)带人公式(10),坐标点由航迹信息 可得,联立方程求解,方程中未知数只有调配时机 和航路夹角 ,由此可确定f= ,At)函数关 系模型。提前调配距离对应图4线段 ,。已知5 点轨迹为:fXA(s) (0)+ c。s 。 LYA㈤=Ya(0)+ Atsin0A d=SA。= ̄/( (s)一XA) +( (s)一 ) (12) 由 = y,At)并结合公式(12),可推导出g= g( ,d)。 2算例分析 为使研究调配模型及其与航路夹角关系在实 际运行环境中的可用性,选择一个交通繁忙区域, 采集ADS.B数据进行评估验证。研究对象:以飞向 大王庄台的A593和A461的航路航班为例,假设航 路夹角未知的情况下,通过仿真计算并验证飞机调 配距离随航路夹角的变化趋势。 航班选取过程:根据大王庄台、衡水台、泊头 台、经纬度信息以及接收ADS—B数据中显示的经纬 标,航向、飞行速度同样通过ADS.B数据读取。 衡水台 图5各导航台相对位置关系 设:A为大王庄台和衡水台之问一航班,va= 186 m/s,航向角0^=210。,初始点(1 456 868, 一237 322)。曰为大王庄台与泊头台间一航班, = 165 m/s,航向角08=182。,初始点(1 472 068.4, 一235 257.1),进场飞行高度一般为4 800~5 4OO m。 选取A、 机型均为B737_300,速度范围:设定以最 小光洁速度389 km/h(108 m/s)为下限;最大巡航 速度829 km/h(230 m/s)为上限。(由于不同航空 公司对特定飞行高度下速度区间各不相同,选取一 天ADS—B数据,读取速度信息,基本符合上述划设 区间) 根据任意时刻点两机位置坐标与公式(1),利 用Matlab进行仿真,得出在t=200 s时,两机间相 对距离最短,且小于安全间隔标准。如图6所示,相 对飞行的航空器对间两圆形保护区距离迅速减小, 达到最小值后又迅速增大,反映了相对飞行在冲突 之前迅速接近,冲突之后又快速分开的过程。 图7详细介绍了冲突发生阶段两圆相对距离的变 化过程,其中,t =200 S时,D =9 250 Ill<d,为冲突初 始发生时刻,t:=294 S,两机问冲突解脱,相对距离大于 安全间隔。由此可见,相对冲突具有迫近率大这一特 点,具有较高安全风险,应及时采取调配方案进行冲突 解脱。采用调速法调配方案为,对飞机A进行调速, 机保持不变。由公式(2),算得JB。 =37。,6。 =7。,带 人公式(3)、式(4),联立解方程组。求得飞机A调速区 科学技术与工程 13卷 Ⅲ/懈皿杂窿 图6两机距离随时间变化曲线 | ’ } ’ } 、 , 、 , \、、、、…,,/ 图7相对冲突演变过程 问为:△ c[一72 m/s,一2 In/s]。 根据调配模型目标函数,取△ =一2 m/s,进行 计算。调速后 +△ =184 s, =165 m/s,通过 Matlab仿真计算,验证当A进行调速后,任意时刻A、B 机相对位置满足安全间隔标准。结果如图8所示。 确定调速值后,研究调配时机与航路夹角曲线关 系。将△ 带入公式(9),此时该表达式中只有 一 个未知数,飞行相同时间B机位置不变。由此,在 AOA:B 中,已知任意点坐标,根据两点间距离公式可 计算线段 、A:B 、OB 长度,带人公式(10),未知数 只有 和 。通过函数方程即可确定调配时间点 和两航路夹角 问关系。图9仿真结果表明,锐角条 件下,随航路夹角增大,提前调配距离减小;即当调速 值一定时,航路夹角较小时,应提早调速,才可将冲突 解脱;航路夹角较大,调速可稍晚进行。 上述讨论,是基于调速值确定为某一定值的情 况。接下来探讨不同调速范围下,调配距离与航线夹 角三者之间函数曲线。由于△ c[一72 m/s, 图8调速后两机相对距离随时间变化曲线 量 褪 器 慝 j晶 航路夹角/(。) 图9提前调配距离随航路夹角变化曲线图 一2 m/s],取△ =一5 m/s、一10 m/s、一30 m/s、 一50 m/s、一70 m/s,应用Matlab仿真,输出如图10 所示结果。 董 噩_ 器 A机运度减小僵/(m‘S ) 图10不同调速值、提前调配距离与 航路夹角关系曲线 3讨论 1)相同航路夹角情况下,提前调配距离随速度 减小值的增加而减小。即调速后,速度越小,相同 31期 赵嶷飞,等:基于调速法的交叉航路冲突解脱时机研究 航空计算技术,2007;37(1):41—43 9257 时间内,提前调速距离线段SA 越小。 2)速度调整值一定情况下,即( +△ 一定时), 提前调配距离随航路夹角的增加而减小。表明,在锐 角范围条件下,当航路夹角较小时,需提前对冲突进行 调配;航路夹角较大时,冲突调配可稍晚进行。 3)调配距离一定情况下,航路夹角越小,速度 减小值越大。表明:航路夹角较大时,通过较小的 速度改变量就可将冲突合理解脱;夹角较小时,情 况相反。 2吴君,张京娟.采用遗传算法的多机自由飞行冲突解脱策略. 智能系统学报,2013;8(1):1_5 3郭茜,聂润兔,王超.蚁群算法在解决空中交通飞行冲突中 的应用.交通运输工程与信息学报,2009;7(2):1l6—119 4 Raghunathan U,Gopal V,Subraman I D,et a1.3D conflict resolu- tion of multiple aircraft via dynamic optimization.Paper NO.AIAA 200325675,AIAA Guidance,Navigation,and Contolr Conference. Austin:AIAA,2003:1218 5 Feron E M.Bicchi A.Conflict resolution problems for air trafifc man— agement system solved with mixed integer programming.IEEE Trans- 4结论 基于调速法冲突解脱模型,计算调速区间,重 actions on Intelligent Transpo ̄ion Systems,2002;1(3):3—10 6靳学梅,韩松臣,孙樊荣.自由飞行中冲突解脱的线性规划法. 交通运输工程学报,2003;3(2):75—79 点探讨了航线结构对于调配时机的影响。通过实 7程丽嫒,韩松臣,刘星.采用内点约束的最优冲突解脱方法. 例仿真,得出“锐角条件下,随航路夹角增加,冲突 提前调配距离减小”这一结论,并在此基础上,研究 交通运输工程学报,2005;5(2):80—84 8徐肖豪,李冬宾,李雄.飞行间隔安全评估研究.航空学报, 2008;29(6):1411--1417 航路夹角、调配距离及调速值三者间曲线关系。但 在分析过程中,将飞机模拟成带方向的质点且匀速 飞行,没有考虑沿航迹、垂直航迹误差及一些随机 9赵洪元.两条交叉航线上飞机发生危险冲突次数模型的研究. 系统工程与电子技术,1998;2(5):6__9 10刘星,韩松臣.用于自由飞行冲突探测的Delaunay方法.数 因素,与实际情况在一定程度上有所偏差。 参考文献 据采集与处理,2002;17(4):446—449 11 中国民用航空空中交通管理规则,中国民航总局令第86号, 1999年7月5日第二次修订 1杨尚文,戴福青.基于一种免疫遗传算法的自由飞行冲突解脱 Research of Intersection Airways Conflict Resolution Time Based on Speed Aajustment Method ZHAO Yi—fei,CHEN Lin ,WANG Hong—yong (Tianjin Key Laboratory for Air Trafifc Operation Planning and Safety Technology Civil Aviation University of China,Tianjin 300300,P.R.China) [Abstract]The research object is aircrafts which fly on the same lfight level of intersection airways.In order to judge the relationship between distance of two aircrafts and standard flight separation,kinematic equations which change with time to build aircrfta flight trajectory equation and predicts lfight conflict are considered are considered. Based on the method of speed adjustment,which develops a model of conflict resolution,the value of minimum speed as objective function and determine the value interval is regarded.Then,the function between the cross track angle and speed adjustment time is analysed.This research provides the reference for the aiwaysr planning.Final- ly,the flights which fly on A593 and A46 1 as example,making a simulation and considering the relation curve of distribution distance change with route angle are choosed. [Key words] flow management intersection airways conflict resolution adjustment threshold