基于北斗二代的机场场面冲突探测算法研究

杜金峰

摘 要：针对机场场面冲突问题，研究了北斗二代定位原理与场面冲突探测理论，根据航空器运动状态判定不同冲突类型，设定不同的最小安全间隔，采用二维动态避让策略，提出了一种基于北斗二代定位数据的机场场面短期冲突探测算法。最后通过机场场面冲突探测仿真程序验证了算法的可行性。

关键词：北斗二代；滑行冲突；冲突探测；仿真

引言

随着民航业的快速发展，机场运行环境复杂性也逐渐增大[1]。近年来，全球发生了多次飞机与车辆相撞的事件，造成了巨大的财产损失。场面监视雷达能够在一定程度上解决机场交通冲突的问题，但价格昂贵。针对此矛盾，文章提出一种基于北斗二代定位数据[2]的场面冲突检测算法，为解决该问题提供一种可行的方案。

1 场面冲突类型分析

1.1 滑行冲突

航空器在机场地面的活动区域主要集中在跑道和滑行道上。滑行冲突为两架或两架以上的航空器（因此处对车辆的冲突研究可将其大致等同为航空器，故不再单独討论）在未来的某个时刻有可能同时占用同一个点或滑行路段的行为。该类冲突主要表现为三种形式：（1）对头冲突，即两架航空器同时占用同一段滑行道并且航向角相差180度；（2）交叉道口冲突，即两航空器在未来某时刻要同时占用一个滑行道交叉口；（3）追尾冲突，即两航空器同时占用一段滑行道且航向相同[3]。

1.2 跑道入侵冲突

ICAO规定一架航空器在机场保护区起飞或着陆时，遭遇任何车辆或人员不正常出现的行为为入侵冲突。这是一类很重要的冲突，尤其是发生在跑道处。FAA给的定义是当航空器在起飞或着陆阶段，车辆或任何其他物体可能会产生碰撞的风险，或者间距不足的情况[4]。与碰撞冲突不同的是，该冲突探测整条跑道的冲突，而不只单独考虑一对冲突。如果一条跑道在一个确定的时间段内有航空器要起飞或降落那么它会被标记激活。通常来讲一旦跑道开始运行起飞降落程序就会划设相应的保护区保护区域必须被清空，排除其他移动目标或障碍物。

该类型的冲突首先需要分析每一个机场跑道的激活情况并确立保护区。然后，在相关的机场区域（例如快速脱离道，滑行道，交叉跑道等）内运行搜索算法来寻找可能发生跑道入侵的移动目标。探测跑道入侵的方法是通过比较目标的停止距离与跑道的保护区来确定冲突是否会出现。

1.3 偏离冲突

该冲突是由航空器实际滑行路径与预订滑行路径之间存在偏差而产生的，可以通过航空器实际运行路径与预定路径之间允许的最大侧向间隔来探测的。

1.4 未授权的运动

最后这种冲突是根据当前目标的活动情况来确定的。根据机场的动态格局确定具体的规则，已经定位的目标无论出现在哪个区域都有特定的规则限制它：关闭区不允许有移动体，设置单行道限制移动方向以及动态约束等。为了制定具体规则，预计位置和目标物的动态参数将用来确定是否破坏了规则的约束触发告警[5]。

2 场面冲突探测算法

航空器只有严格根据一系列规则并保持一定的间隔运行才能保障安全。规则由航空器型号、航空器间的相对运动情况以及所在滑行的具体机场区域及能见度、滑行道状态等因素决定。间隔标准的选择要使管制员必须有充足的时间去提示飞行员或者是司机做出机动动作来避免冲突。给定的时间必须要满足规避动作需要的时间（即是使两架冲突飞机其中之一停下的时间），此时间由每个方案的特定动态（与速度、角度相关）决定。告警将在管制员该发出避让机动指令来避免冲突时发出[6]。

需要比较的阈值有：最小安全间隔（Dmin）用监视功能以保证，它是随目标滑行所在的具体机场区域而变化的；取决于相对方位和速度，这样，飞机在完成一次机动后要满足最小间隔Dmin。基本上来讲，可以分为以下三种情况：

发散航迹，保护区会检查两个目标之间是否满足最小间隔Dmin。

否则，若是汇聚航迹，则会根据两者相遇的几何图形（图1）考虑两个目标的停止距离。所以，若情况为对头，两个目标的停止距离之和须大于Dmin。

若是追及问题，追及航空器的停止距离比Dmin大。

因此所遇冲突属于何种类型可以根据一对移动目标相对的位置和速度矢量来量化探测。一个移动物体的停止距离（dstp）可以通过速度Vm/s和加速度am/s2（考虑飞行器特性和滑行道摩擦系数）由公式（1）得出，其中Tr是总反应时间。反应总时间由北斗数据传输与仿真系统处理时间，驾驶员看到报警信号至做出刹车动作的反应时间。其中，《民用航空空中交通管理规则》第319条规定：两架以上的航空器跟进滑行时，后方滑行的航空器不允许超越前方滑行航空器，后方航空器与前方航空器间保持的最小间隔不允许小于50m[7]。

其中Tr为反应总时间一旦相关情况确定，与实际间隔相比较的间隔阈值由以上描述的标准确定。图2-图4建立了不同情况，不同速度下基于此方法的示例。目标定位于（0，0），速度矢量为Y轴，且第二目标从不同的角度和速度接近。因此，飞机位置在上半平面的代表对头冲突的情况，在下半平面的则代表追尾冲突的情况。速率按照（5，40）之间来考虑，假定加速度为-2m/s2总反应时间为5s。

这一标准是保守的做法，因为运行轨迹的最小距离通常高于在最坏的情况下整个停止拉伸的最小距离（S）。只有对头冲突和追及冲突的情况（90度和180度的相遇）才有真正符合本标准的最小间隔情况。通常情况下，人体受到外界刺激反应时间比较小。

上述速度矢量图所确定的安全间隔较精准，上述的冲突类型公式如下：

两目标移动物间的距离D可根据自北斗接收的定位数据计算出：

3 仿真测试

以某机场为例，基于C#设计了仿真程序，模拟机场场面运行情况。将接收的模拟北斗定位数据转换成大地坐标得出冲突航空器之间的距离D，判定D与最小安全间隔的大小，仿真时间为600s，结果如图6所示。

仿真示例中，离场航空器（蓝色）CSN3515与进场航空器（黄色）GCR6681在主滑行道上会发生对头冲突，系统根据最小安全间隔给出告警信息并通知相关运行人员。

4 结束语

文章根据冲突航空器航向、速度等参数判断冲突类型并计算设置最小安全间隔，提出一种基于北斗二代定位数据的机场场面冲突探测算法。通过模拟程序的测试，仿真程序能够有效探测冲突并给出告警信息，结果验证了该算法在解决场面冲突探测问题的有效性，提出了一种类似简易场面监视雷达系统的方案。但该算法只能处理一些短期冲突，对于一些长期的潜在冲突并不能很有效地探测到，因此，长期冲突的探测和滑行路径的优化是今后研究的重点。文章结束之际，感谢中国民航大学老师的辛勤栽培。

参考文献

[1]中国民用航空局.2013年民航行业发展统计公报.[EB/OL].http：//www.caac.gov.cn/I1/K3/201406/P020140623612275082363.pdf，2014-06.

[2]吕小平.“北斗”在我国民用航空的发展和应用[J].中国民用航空，2011，08：39-42.

[3]钟育鸣.机场地面运行仿真评估系统研究[D].南京：南京航空航天大学，2009.

[4]Harald Wihelmsen."Preventing Runway Conflicts：The role of Airport Surveillance， Tower-Cab alerts， and Runway-Status Lights". The Lincoln Laboratory Journal， Volume 7，Number 2，1994.

[5]Juan A.Besada，JoseR.Casar.Design of an A-SMGCS prototype at Barajas airport：available information and architecture[R].IEEE International Conference on Information Fusion，2005.

[6]Garcia J，Besada J，Miguel G，et al.Data processing techniques for conflict detection on airport surface[C]//Fifth Eurocontrol-FAA ATM R&D Seminar .Budepest： IEEE，2003：1-10.

[7]鐘育鸣.机场地面运行仿真评估系统研究[D].南京：南京航空航天大学，2009.