机载间隔管理技术研究及实现

章学锋 冯涛

摘 要 本文简要介绍了机载间隔管理的工作原理，描述了机载间隔管理的关键技术及其系统实现方法，并通过半物理仿真方式对系统进行了初步测试，验证了机载间隔管理系统的技术能力，表明了机载间隔管理实现的可行性，最后指出机载间隔管理在当前阶段下的现实意义，也是未来空中航行管理的发展趋势。

关键词 机载间隔管理；飞行安全；冲突探测

前言

空中间隔管理最基本的方法是飞行规则和地面ATC人员的管制指挥。当因管制员指挥失误、管制设备故障等各种原因导致飞行出现了冲突碰撞危险时，空中交通防撞系统TCAS将发挥作用，提前发出预警并在最后阶段给出碰撞解脱咨询，确保飞机及时调整飞行高度以避免碰撞。TCAS是战术级的防撞手段，具有典型的“应急”、“紧急”特征，不具备灵活性，无法支持飞行员灵活飞行的咨询建议和管理。

机载间隔管理系统能够实现基于ADS-B技术的空中冲突管理（冲突检测、冲突预警、冲突解脱），可以在较大范围内给出冲突预警，支持自主间隔保障，极大程度上支撑飞行灵活性的需要。系统成本低，可以实现与现行TCAS的兼容。

1 机载间隔管理技术

1.1 基本原理及关键技术

在实际处理中，根据飞机的速度、航向和三维位置建立以时间间隔和空间间隔结合的冲突区域，包括冲突避免区（CAZ）和保护间隔区（PAZ）。冲突检测的方法是通过计算两架飞机在未来一定时间段内是否存在PAZ/CAZ区域相互交叠的可能性，以及保护区域相互交叠的时间等信息来判断冲突的可能和危险级别，提出的冲突解决措施不能产生新的冲突状况[1]。TCAS系统能够在飞机之间出现冲突危险后给出解决措施，机载间隔管理系统要完成“事后”，还要在“事前”即出现威胁之前就能预测到冲突的发生，进而提出避免的方法。

1.2 系统实现方法

（1）信息融合方法

基于多源监视信息的差异性，采用局部最优结合最后的全局最优估计的信息融合方法。子系统1到N分别与主系统由局部滤波器1到N进行组合，完成局部最优状态估计。这一层是并行处理的分散最优估计，是基于测量空间的分散化估计，经过局部最优估计后再由全局滤波器进行融合，以获得组合导航和监视系统的全局最优融合估计。

对于线性离散系统，若由N个局部滤波器得到的状态估计为，假设局部估计不相关，相应的估计误差方差为，则全局最优估计为：

（2）冲突检测方法

①水平方向侵入保护区。当垂直速度为零时，如果将有冲突发生，垂直方向上已处于保护区内，同时水平方向上进入保护区。为本机与目标机在水平面上的相对位置，为相对速度水平方向分量，假设本机为坐标中心，则目标机在秒后的位置为。这里和均是水平方向上的二维向量。设

在检验是否有沖突时，需要判断的是判别式是否大于零。所以只需计算是否大于零。

②垂直方向侵入保护区。如果垂直速度不为零，需要考虑目标飞机从水平方向和垂直方向侵入本机保护区的时间。垂直方向侵入保护区的时间为：

（3）系统实现结构

为实现空中间隔管理功能，系统与本地信息源GPS、气压高度编码表、ADS-B机载端机、TCAS和CDTI等设备交联。其中，本地信息源为系统提供本地导航信息，包括飞机的位置、时间、水平速度和垂直速度等；ADS-B、TCAS、数据链等设备通过旁路输入作用距离内的目标数据报告，提供周边空域的交通态势；CDTI接收系统提供的告警信息，当检测到冲突时显示相关告警信息和解脱建议。系统组成及交联关系如图1所示。

1.3 仿真测试

通过系统主机结合模拟信息源和专用软件仿真测试，对系统技术进行了验证，表明系统在仿真条件下的可行性。数据链模拟器软件通过设置可产生和代替数据链设备发出UAT、1090ES等报文，模拟实验室环境下的真实数据[2]。利用Creator和Vega软件配置输入，仿真三级冲突检测算法，根据算法计算结果表明在路径交叉点周围发生冲突，并给出相应冲突级别、冲突时间和极坐标位置。软件仿真测试界面如图2所示。

2 结论与展望

空中间隔管理系统在现阶段下可以依赖ADS-B和TCAS数据源，并可结合TIS-B、S模式数据链等数据源，获得高精度的目标定位和交通态势，从而支撑间隔保持和冲突避免。但仍然存在一些需要改善的问题，如ADS-B数据的可用性、S模式数据链的更新速率等，这些问题会影响对目标精确定位的可靠性，给冲突检测及解脱带来误差，从而影响飞行安全，抑制飞行灵活性。

参考文献

[1] 张军.现代空中交通管理[M].北京航空航天大学出版社，2005：112-114.

[2] 杜万营，陈惠萍.ADS-B监视技术在空中交通服务中的应用研究[J].中国民航大学学报，2008，28（6）：23-28.