终端区飞行冲突探测与解脱仿真系统研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 7 4 3.59MB 63 页 15积分

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摘要

随着航空运输事业的不断发展，空域变得越来越拥挤，这大大增加了飞机间

的冲突可能。终端区相对于航路，空间狭小，航线密集，航班机动范围有限，已

成为飞行事故高发区，成为制约空中交通管理系统(ATC)乃至航空运输发展的瓶

颈，因此冲突探测与解脱技术将是提高飞行安全与效益的一项关键技术。

本文针对终端区的情况，以考虑雷达噪声误差的质心空间运动轨迹为模型，

引入改进的无迹粒子滤波算法，此算法在观测噪声越来越小的情况下，不仅能减

小计算量还能提高估计精度，论文通过此算法对冲突概率进行更精确的估计，从

而降低误报率。在解脱方面，用几何最优法建立冲突解脱模型，结合终端区航路

多变的实际情况，提出两机解脱的三种解脱策略并进行仿真验证;借鉴最优控制理

论，通过直接配点法建立冲突解脱模型，此方法使用分段多项式来表示系统中的

状态变量和控制变量，并通过配置来满足系统微分方程，最终将最优控制问题转

化为非线性规划问题，考虑多控制变量且受约束的情况，结合实际飞行模型，提

出两机飞行冲突的解脱策略，并进行仿真验证;比较两种算法的解脱效果，结果令

人满意。讨论分析了进港排序模型，并将进港排序技术与冲突探测解脱技术相结

合，研发了贴近实际情况的终端区冲突探测解脱仿真系统，以广州白云机场为场

景进行模拟仿真，结果表明此系统能有效解决终端区的飞行冲突问题，同时使航

班快速有序地降落跑道。

关键字：终端区冲突探测冲突解脱改进无迹粒子滤波几何最优法

直接配点法最优控制

ABSTRACT

With the continuous development of the air transport Industry, airspace is

becoming more and more crowed, which greatly increased the potential for conflict

between aircrafts. Compared with airspace in en-route, there is less space in terminal

area, and change maneuvers are limited. So the terminal area has become a high

incidence of air accidents and the bottle-neck of constraining the development of the air

traffic control (ATC) system and air transport. Conflict detection and resolution

technology is a key technology to improve flight safety and efficiency.

This paper studied model of the center of mass with the plane’s trajectory, which

the radar observation error is taken into account, and introduced the improved unscented

particle filter, which not only can reduce the computational complexity but also can

improve the estimation accuracy in the case of lower observation noise. The study used

the algorithm to estimate probability of conflict more accurate, thereby reducing the

false alarm rate. In the aspect of conflict resolution, we first adopted the geometric

optimization method to set up the model of resolution and study the problem of two

aircrafts’ conflict resolution in terminal area, then proved it; referenced the optimum

control theory, we adopted the direct collocation method to set up the model of conflict

resolution, In this method, piecewise polynomials are used to represent state variables

and control variables, and are collocated to satisfy the differential equations. The control

optimization problem is converted into a nonlinear programming problem. With

considering multiple variables and control variables to be bound in terminal area, the

conflict resolution strategies of two aircrafts are studied by using the direct collocation

method. Finally, we compared the effect of resolution of two kinds of algorithms, the

results are satisfactory. We analyzed the landing scheduling model, and combined

conflict detection and resolution with landing scheduling, then developed the conflict

detection and resolution simulation system in terminal area, which closed to the actual

situation. The system has been tested by an example based on Baiyun airport. The

simulations show that effective and promising results can be obtained.

Keywords: terminal area, conflict detection, conflict resolution, improved

unscented particle filter, geometric optimization approach,

direct collocation method, optimizing control

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ...................................................... 1

§1.1 研究背景 ......................................................1

§1.2 研究现状 ......................................................2

§1.2.1 冲突探测技术研究现状 ..................................... 2

§1.2.2 冲突解脱技术研究现状 ..................................... 5

§1.3 本课题研究的主要内容 ..........................................7

第二章基于改进无迹粒子滤波的终端区冲突探测 ......................... 8

§2.1 飞行器运动模型 .............................................. 8

§2.2 误差因素建模 ................................................ 9

§2.3 改进无迹粒子滤波 ........................................... 11

§2.4 冲突概率模型 ............................................... 15

§2.5 仿真实验与结果 ............................................. 17

§2.5.1 状态估计精度比较 ........................................ 17

§2.5.2 终端区冲突预测比较 ...................................... 20

§2.6 小论 ..................................................... 21

第三章飞行的冲突解脱模型 .......................................... 22

§3.1 冲突解脱的几何最优模型 ...................................... 22

§3.1.1 航路偏离 ................................................ 22

§3.1.2 巡行区的冲突解脱 ........................................ 23

§3.1.3 终端区的冲突解脱 ......................................... 24

§3.1.4 仿真实验 ................................................ 28

§3.2 基于直接配点法的最优控制冲突解脱模型 ........................ 29

§3.2.1 最优控制基本模型 ........................................ 29

§3.2.2 直接配点法 .............................................. 31

§3.2.3 基于配置法的最优解脱策略 ................................ 34

§3.2.4 仿真分析 ................................................ 36

§3.3 小结 .......................................................38

第四章结合进港排序的冲突探测解脱仿真系统开发与仿真 ................ 39

§4.1 进港排序模型 ................................................ 40

§4.1.1 改进动态 FCFS 算法 ....................................... 40

§4.1.2 动态约束位置偏移(CPS)算法 ................................ 41

§4.2 结合排序器的冲突探测解脱仿真软件 ............................ 42

§4.2.1 终端区进场航路示意图 .................................... 43

§4.2.2 仿真软件总体描述 ......................................... 44

§4.2.3 核心层的结构 ............................................ 46

§4.2.4 冲突解脱仿真实验 ........................................ 48

§4.3 仿真测试数据 .................................................51

§4.4 小结 ....................................................... 52

第五章研究结论及展望 .............................................. 53

参考文献 ............................................................ 55

在读期间公开发表的论文 .............................................. 60

致谢 .............................................................. 61

第一章绪论

1.1 研究背景

经过 60 年的经济建设与发展，中国民航已经基本形成了一个联结世界上最主

要国家与地区的航空网络。改革开放 30 多年来，我国民航事业不断发展，我国民

航业正处于快速成长期，是全球公认的最具发展潜力的航空运输市场之一。根据

官方披露的数字显示，去年全行业航空运输总生产量达到 261 亿吨公里，十五期

间年增长是 15.3%，比九五期间加快了 3.9 个百分点，货运总数 307 万吨，年增长

13.8%，与九五基本持平,旅客运输 1.83 亿人次，年增长 13.1%，比九五增加 9.9

个百分点。十五期间通用航空生产累积 33.7 万小时，年均增长 11.7%，比九五期

间加快了 7.4 个百分点。在安全和质量方面也稳步提高。十五期间通用飞行万小

时事故率是 0.06%，比九五降低了 0.12%,运输飞行百万小时重大事故率 0.29%，比

九五期间降低了 0.39%。2005 年航班正常率为 82%，比 2000 年的提高了 4.6 个百

分点。在十五期间还有一些特殊的情况，包括非典和美国 9.11 以后受到的一些影

响。05 年正班客座率达到 70.5%，载运率 76%，比 03 年增长 10.3%和 7.7%。与此

同时，机场和航空公司的基础建设得到进一步的加强。十五期间，完成机场建设

项目 73 个，2005 年末运输机场 142 个，比 2000 年增加 21 个，空管系统运行保障

能力明显增长，航线网络不断扩大。到去年年底中国民航已经通航 33 个国家 75

个城市，国际航线达到 233 条，在国内通航 132 个城市，一共 1024 条，包括两个

特别行政区，运输机队规模不断扩大，2000 年我们国家航空运输机队 527 架，到

05 年达到 863 架，中国运输机队已经到了 900 多架。

中国的经济和民航的发展是大家有目共睹的，随着经济的不断发展中国在国

际中的地位也得到了提高和认可。根据统计，航空运输总周转量在民航国际缔约

国中的地位由第 9 位提升到第 2 位，大型航空公司和机场地位也随之提高，确定

了航空大国地位。随着我国民航客运量的不断提升，我国民航将更加重视航空安

全问题，其中最关键的是研究冲突探测技术与冲突解脱技术，增加机场容量的同

时使飞机安全降落。

冲突探测就是通过机载或地面监视设备对飞机空域中的位置、速度等信息进

行计算，判断飞机是否与其它飞机存在冲突或者距离小于最小安全问题。冲突解

脱就是在预测存在冲突时，规划出能避免飞行冲突的最优轨迹，使得飞行管理系

统能按照该最优轨迹操纵飞行，并解脱可能出现的冲突[1]。

目前，终端区相对于航路，空间狭小，航线密集，航班机动范围有限，已成

终端区飞行冲突探测与解脱仿真系统研究

为飞行事故高发区，制约空管系统乃至航空运输发展的瓶颈。针对上述问题，在

深入分析终端区各运行要素的基础上，研究终端区不同航路飞机间的冲突探测算

法和最优解脱算法，最终研究终端区航空器飞行冲突探测与解脱辅助决策仿真系

统，为我国终端区运行管理提供理论依据和技术支撑。

对终端区航空器的管制主要由管制员在熟悉各种类型航空器性能的基础上，

根据航空器动态信息和飞行计划，依靠经验实施交通管制。这种经验型交通控制

行为极大地限制了管制决策的实时性，处理效率低，处理能力有限。终端区运行

效率受到管制员个体能力、经验及其管制水平差异的极大影响。在任务繁重的情

况下，甚至可能严重危及飞行安全。因此，针对终端区空管系统的研究，对于提

高整个系统的运行效率，实现空中交通管制现代化、自动化具有重要的现实意义。

1.2 研究现状

在飞行空域中的冲突探测与解脱方面，国内外许多专家与学者进行了一系列的

理论性研究和系统的开发并取得了一些成果。从我目前掌握的文献来看，研究情

况如下。

1.2.1 冲突探测技术研究现状

为了确保安全，空管领域内的辅助决策工具都会对其检测到的潜在冲突做出

警告。告警的核心任务是冲突探测（Conflict Detection），以航迹预测为基础，

以先验的空管规则为判断标准，遍历责任空域中的飞机（对），检测有冲突可能的

航班。

冲突探测的一般方法有确定法，概率法，和时空网格法[2]。

图1-1 确定型图 1-2 概率型图 1-3 时空网格型

确定型是根据预测航迹，直接判断目标间是否存在冲突，确定型是检测飞机

对冲突的退化模型，在航迹预测时，一般有航班位置推测（不考虑意图因素和航

路规则等先验信息，仅从运动学角度出发计算航迹）和航迹预测。确定型模型不

考虑预测航迹的误差因素，实现较为容易，实时性高，但误报率偏高。

概率型航迹预测的结果并不是单一确定的轨迹，而是带概率的区域。飞机间

的冲突可能性用概率来描述，通过对冲突域进行联合概率积分，得到冲突概率，

与冲突门限阀值比较判断是否存在冲突。概率型的难点在于如何确定概率分布函

第一章绪论

数，为了得到解析解，通常还需要坐标系转换。相比确定型，概率型更精确，更

逼近现实情况。但是实现方法较为复杂，计算量大，系统负荷高，对于很多要求

有实时性的系统而言，其计算效率需要提高。

时空网格型的模型是根据环境因素和应用需求对空域进行网格划分的，根据

网格的占用情况判断是否存在冲突。比较典型的代表是用于最低高度告警的马赛

克法。网格型的难点是如何设置合理的网格规则，以及高效的网格遍历方法。与

前两种方法不同，网格法以固定的网格作为冲突域，对航迹预测结果中时间精度

要求较高。计算时，不是遍历责任空域内的飞机（对），而是遍历网格，可以提高

计算速度[2]。

国外在冲突探测方面早就有研究了。Reich[3]的飞机冲突碰撞模型是该领域较

早的研究成果。为了简化计算，它将每架航空器假设为相同尺寸的长方体，分别

用不同的参数表示航空器的平均长、宽和高，两航空器的冲突概率即两长方体间

的碰撞危险系数就相当于某一质点与长方体的碰撞冲突概率。许多研究者在 Reich

的冲突碰撞模型的基础上进行了类似的研究并进行适当的改进，他们综合了各种

影响飞行安全的不确定因素，将 Reich 的碰撞区域改为由最小安全飞行间隔来定

义的一个类似椭圆形或其它形状的保护区。Jennifer[4]利用椭球作为保护区，详细

研究了各种地理模型，并给出了特殊条件下的解析式，但对于一般情况，计算相

对复杂，而且不易于实现。

在概率型[3-13]中，Lee[5]等研究了预测各飞行阶段的概率误差分布情况，而

Russell[6]等建立了预测位置误差概率模型，通过对冲突域进行积分得到冲突概率，

并通过坐标转换，推导得出了解析解的近似表达式。Prandini等建立了飞机位置的

冲突概率模型，利用概率椭球的思想通过坐标系变换等方法，对冲突区间进行积

分得出冲突概率[7]，其后他们认为循行误差随时间推移而增长，观测值上的误差可

以认为是由于飞机运动引起的，可以忽略，进而提出新的冲突模型与随机化算法[8]。

Hu[9-11]等人把影响飞机飞行的不确定因素(如风速等)考虑在内，将不确定因素分为

两类：与轨迹水平垂直的扰动和沿着轨迹方向的扰动，认为扰动因素（即不确定

因素）的分布可看作是服从带一定比例的布朗运动分布。飞机运动模型为确定的

轨迹方程加上一定比例的布朗运动的扰动，并提供了完整的近似表达式，但它主

要考虑二维的情况。其后，又提出了一种利用马尔科夫链分析同一高度层的两架

飞机间的冲突概率的方法，并重点分析了大气扰动误差相关性对预测结果的影响。

Lee C.Yang[12, 14]则研究了在轨迹模型中引入飞机意图信息的冲突概率估计法，主要

是根据飞机飞行意图及各种干扰因素通过蒙特卡罗法来预测航空器未来的飞行轨

迹，其重点在于研究意图信息对飞行预测轨迹的影响。KarineBlin[15]通过研究分析

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摘要：

摘要随着航空运输事业的不断发展，空域变得越来越拥挤，这大大增加了飞机间的冲突可能。终端区相对于航路，空间狭小，航线密集，航班机动范围有限，已成为飞行事故高发区，成为制约空中交通管理系统(ATC)乃至航空运输发展的瓶颈，因此冲突探测与解脱技术将是提高飞行安全与效益的一项关键技术。本文针对终端区的情况，以考虑雷达噪声误差的质心空间运动轨迹为模型，引入改进的无迹粒子滤波算法，此算法在观测噪声越来越小的情况下，不仅能减小计算量还能提高估计精度，论文通过此算法对冲突概率进行更精确的估计，从而降低误报率。在解脱方面，用几何最优法建立冲突解脱模型，结合终端区航路多变的实际情况，提出两机解脱的三种解脱策略并进...

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