基于A-SMGCS的航空器場面運(yùn)行沖突探測研究

葛亞威，戴 雨，孔建國

(1.中國民用航空飛行學(xué)院 空中交通管理學(xué)院，四川 廣漢 618307；2.中國民用航空西南地區(qū)空中交通管理局 重慶分局，重慶 400000)

基于A-SMGCS的航空器場面運(yùn)行沖突探測研究

葛亞威1，戴 雨2，孔建國1

(1.中國民用航空飛行學(xué)院 空中交通管理學(xué)院，四川 廣漢 618307；2.中國民用航空西南地區(qū)空中交通管理局 重慶分局，重慶 400000)

通過對目前機(jī)場場面航空器運(yùn)行過程沖突探測的研究，結(jié)合A-SMGCS系統(tǒng)場面MLAT監(jiān)視技術(shù)及TDOA定位技術(shù)，重點(diǎn)分析航空器跑道運(yùn)行沖突和滑行道運(yùn)行沖突兩種類型，并建立數(shù)學(xué)網(wǎng)絡(luò)模型。利用A-SMGCS系統(tǒng)監(jiān)視模塊與路由規(guī)劃模塊的結(jié)合，構(gòu)建沖突探測系統(tǒng)框架，結(jié)合具體機(jī)場沖突探測告警參數(shù)，選擇網(wǎng)格沖突探測法，并運(yùn)用全局搜索算法，確定了航空器跑道沖突探測和滑行道沖突探測方案，對提升機(jī)場運(yùn)行安全和運(yùn)行效率具有重要意義。

A-SMGCS；MLAT；沖突告警；沖突探測

0 引言

隨著機(jī)場航班起降架次的增長，為保障低能見度、高密度航班量和復(fù)雜緊急條件下的機(jī)場運(yùn)行安全，同時(shí)兼顧提升場面運(yùn)行的效率、容量、秩序以及滿足未來機(jī)場運(yùn)行的需求，國際民航組織ICAO提出了先進(jìn)場面活動引導(dǎo)與控制系統(tǒng)(Advanced Surface Movement Guidance and Control System，A-SMGCS)[1]。

A-SMGCS包括監(jiān)視功能(Ⅰ級)、控制功能(Ⅱ級)、路由規(guī)劃功能(Ⅲ級)、引導(dǎo)功能(Ⅳ級)。通過檢測和定位場面所有目標(biāo)，自動識別所有飛機(jī)和車輛，防止地面交通沖突、跑道和限制區(qū)侵入，對地面交通狀況中的各類沖突、危險(xiǎn)及入侵進(jìn)行探測和告警，通過人工或自動方式為飛機(jī)和車輛安排最優(yōu)滑行路徑，而引導(dǎo)功能是在路由規(guī)劃功能的基礎(chǔ)上，為活動目標(biāo)提供引導(dǎo)。

湯新民等將A-SMGCS場面航空器路由規(guī)劃分為初始路徑規(guī)劃、動態(tài)路由指派和實(shí)時(shí)路由更新三個(gè)階段[2]；唐勇等提出了一種基于空閑時(shí)間窗的路由規(guī)劃方法，解決滑行路由優(yōu)化性和計(jì)算量之間的矛盾[3]，并且提出一種基于優(yōu)先級的滑行路由調(diào)整方法，解決運(yùn)行階段路由計(jì)劃調(diào)整實(shí)時(shí)性和優(yōu)化性之間的矛盾；朱新平等針對A-SMGCS滑行道沖突預(yù)測與避免控制，提出基于事件反饋的閉環(huán)控制框架，采用Petri網(wǎng)建模滑行道運(yùn)行過程并實(shí)現(xiàn)離散事件控制器[4]；陳倩基于A-SMGCS并結(jié)合ADS-B等場面監(jiān)視技術(shù)，提出了基于運(yùn)行單元間隔的場面移動目標(biāo)沖突探測方案，通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其可行性[5]。

目前多點(diǎn)定位技術(shù)應(yīng)用于機(jī)場場面監(jiān)視，它具備定位精度高、冗余度好、識別能力強(qiáng)的特點(diǎn)，因此，通過分析A-SMGCS監(jiān)視相關(guān)技術(shù)原理，提出航空器場面運(yùn)行沖突探測的系統(tǒng)構(gòu)架，構(gòu)建航空器場面運(yùn)行沖突探測方案，結(jié)合具體沖突告警參數(shù)，適應(yīng)并滿足不同機(jī)場對場面運(yùn)行沖突探測告警的要求，解決跑道侵入和滑行沖突告警問題。

1 A-SMGCS系統(tǒng)場面監(jiān)視技術(shù)

A-SMGCS是一種解決機(jī)場安全、效率和容量問題的機(jī)場場面活動引導(dǎo)和控制新技術(shù)。它能夠在全天候、高密度航班流量和復(fù)雜機(jī)場環(huán)境條件下，實(shí)現(xiàn)對機(jī)場場面運(yùn)動的航空器和車輛的實(shí)時(shí)監(jiān)控和引導(dǎo)，有效地避免場面活動目標(biāo)沖突的發(fā)生，能顯著增強(qiáng)機(jī)場安全保障能力，特別是在低能見度條件下，A-SMGCS 能大幅度地提高機(jī)場場面運(yùn)行的安全與效率[1]。

在Doc.9830文件中對A-SMGCS系統(tǒng)的監(jiān)視、路由、引導(dǎo)和控制四項(xiàng)基本功能進(jìn)行詳細(xì)闡述，功能之間相互關(guān)聯(lián)，協(xié)同工作，其相互之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 A-SMGCS系統(tǒng)功能之間的關(guān)系

A-SMGCS系統(tǒng)監(jiān)視功能，對分析航空器場面運(yùn)行沖突探測提供了監(jiān)視源數(shù)據(jù)與指標(biāo)，通過檢測航空器、車輛和障礙物，采取適當(dāng)?shù)姆椒▽⑿盘柗瓷浼罢诒蔚蓉?fù)面效應(yīng)降至最低；航空器上需要有一個(gè)參考點(diǎn)以使A-SMGCS確定其位置；航空器的位置及識別數(shù)據(jù)應(yīng)至少達(dá)到每秒更新一次[6]。

隨著繁忙機(jī)場布局的日趨復(fù)雜，監(jiān)視盲區(qū)較多，且無識別能力，中小機(jī)場無場監(jiān)雷達(dá)，依賴目視管制，ICAO將多點(diǎn)定位技術(shù)MLAT確定為未來監(jiān)視技術(shù)發(fā)展的主要方向，歐美等主要航空強(qiáng)國也在推進(jìn)MLAT的應(yīng)用，MLAT的研制生產(chǎn)、運(yùn)行維護(hù)和政策標(biāo)準(zhǔn)以及設(shè)備體系也日趨完善[7]。

MLAT是一種新的監(jiān)視技術(shù)，利用飛機(jī)應(yīng)答機(jī)A/C模式、S模式應(yīng)答信號、ADS-B信號、機(jī)載TACS信號以及其他機(jī)載信號，地面采用多個(gè)接收站，采用時(shí)間差測量或測向、測頻、測幅等方式確定飛機(jī)或其他運(yùn)動目標(biāo)的位置，同時(shí)具備目標(biāo)識別能力，如圖2所示。

圖2 MLAT多點(diǎn)定位技術(shù)原理

*注：Target為運(yùn)動目標(biāo)，F(xiàn)1，F(xiàn)2，F(xiàn)3為機(jī)載設(shè)備的三個(gè)接收機(jī)；d1，d2分別為F1，F(xiàn)2到運(yùn)動目標(biāo)的距離

MLAT多點(diǎn)定位技術(shù)原理：|d1-d2|=常數(shù)。雙曲線表示到兩點(diǎn)距離差是常數(shù)的點(diǎn)構(gòu)成的線；三個(gè)接收機(jī)可產(chǎn)生兩條雙曲線，運(yùn)動目標(biāo)位置是兩個(gè)雙曲線的交點(diǎn)。

A-SMGCS系統(tǒng)MLAT多點(diǎn)定位技術(shù)采取TDOA定位方法(見圖3)，只需測量各站點(diǎn)接收信號時(shí)標(biāo)，相對TOA、AOA和TOA/AOA定位技術(shù)相比，其工程實(shí)現(xiàn)較為容易[8]。

圖3 TDOA定位技術(shù)

假設(shè)目標(biāo)T位置(x,y)，接收基站位置為(xi,yi),測量TDOA為τi,1，則有：

其中，m為接收基站個(gè)數(shù)。

2 航空器場面運(yùn)行沖突探測

2.1 航空器場面運(yùn)行沖突告警類型

2.1.1 跑道入侵

跑道入侵指在航空器起飛降落的跑道上出現(xiàn)未經(jīng)許可的飛機(jī)、車輛或行人。

當(dāng)飛機(jī)使用跑道進(jìn)近著陸，地面目標(biāo)位于該跑道保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)，滿足以下條件：(1)著陸飛機(jī)距離跑道入口距離D1，著陸目標(biāo)距離跑道入口D2，D1+D2

圖4 跑道入侵沖突告警示意圖(1)

當(dāng)飛機(jī)使用跑道起飛或處于TKF狀態(tài)，前方有地面目標(biāo)位于該跑道保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)，滿足以下條件：(1)后方起飛飛機(jī)滑跑，加速運(yùn)動并且速度大于V；(2)前方飛機(jī)距離跑道入口小于D；(3)目標(biāo)在跑道內(nèi)或正在接近跑道(速度V和距離D為可配置參數(shù))。將觸發(fā)RIC告警(見圖5)。

圖5 跑道入侵沖突告警圖(2)

2.1.2 滑行道沖突

滑行道沖突是指航空器滑行速度過大，航空器或車輛出現(xiàn)在未經(jīng)許可的滑行道上，或者航空器與航空器之間、航空器與車輛之間的距離未滿足最小安全距離。

當(dāng)滑行道上的目標(biāo)之間出現(xiàn)安全距離沖突或者發(fā)生碰撞趨勢的可能時(shí)，出現(xiàn)以下情況，將會觸發(fā)TWC(Taxiway Collision)告警。

(1)航空器在同一滑行道路段上，兩個(gè)航空器間隔小于D并且目標(biāo)正在不斷接近，將觸發(fā)TWC告警(見圖6)。

圖6 滑行道沖突告警圖(1)

根據(jù)DOC.9830文件，航空器之間的最小安全間隔距離D應(yīng)考慮到飛行員、管制員與A-SMGCS系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間、飛機(jī)的尾流效應(yīng)，以及航空器制動性能等因素。

(2)兩架航空器通過同一交叉口，通過交叉口的距離D1+D2

圖7 滑行道沖突告警圖(2)

*注：距離D和時(shí)間T為可配置參數(shù)

2.1.3 滑行道死鎖告警

滑行道目標(biāo)進(jìn)入封閉的滑行道區(qū)域，相互之間不能有序的滑行解脫，將會觸發(fā)TDL(Taxiway Dead Lock)告警，如圖8所示。

圖8 滑行道死鎖告警圖

2.1.4 限制區(qū)告警ARV(Area Restriction Violation)

對于限制區(qū)可以通過設(shè)置時(shí)間和機(jī)型等限制條件，當(dāng)滿足所設(shè)置的限制條件時(shí)，航空器接近已設(shè)置的限制區(qū)，并且進(jìn)入限制區(qū)的時(shí)間小于T時(shí)，將觸發(fā)限制區(qū)告警；如果時(shí)間為0，則進(jìn)入限制區(qū)后也會觸發(fā)告警(時(shí)間T為可配置參數(shù))。

2.2 沖突探測系統(tǒng)框架

機(jī)場場面航空器運(yùn)行沖突探測需要A-SMGCS系統(tǒng)中場面監(jiān)視模塊和路由規(guī)劃模塊之間相互協(xié)作，如圖9所示。

圖9 航空器場面運(yùn)行沖突探測系統(tǒng)框架

結(jié)合機(jī)場場面監(jiān)視技術(shù)多點(diǎn)定位TDOA技術(shù)原理，場面監(jiān)視模塊提供了沖突探測所需要的觀測數(shù)據(jù)，路由規(guī)劃提供航空器的運(yùn)動軌跡、離場次序等信息。在整個(gè)沖突探測過程中，包含了數(shù)據(jù)預(yù)處理、航空器場面運(yùn)行軌跡預(yù)測以及航空器場面聯(lián)合運(yùn)行沖突探測。

數(shù)據(jù)預(yù)處理部分中的數(shù)據(jù)來自場面多點(diǎn)定位系統(tǒng)的監(jiān)視數(shù)據(jù)，通過結(jié)合飛機(jī)應(yīng)答機(jī)A/C模式、S模式應(yīng)答信號、ADS-B信號、機(jī)載TACS信號以及其他機(jī)載信號，地面采用多個(gè)接收站，利用時(shí)間差測量、測向、測頻及測幅等方式確定飛機(jī)的位置[9]。

另外，通過對監(jiān)視數(shù)據(jù)的處理，包括位置、速度、加速度、航向等，結(jié)合路由規(guī)劃模塊，對航空器場面運(yùn)行軌跡進(jìn)行預(yù)測，從而對航空器場面運(yùn)行進(jìn)行沖突探測，需要注意的是，實(shí)時(shí)沖突探測需要優(yōu)先進(jìn)行處理。

3 航空器場面運(yùn)行沖突探測方案

A-SMGCS系統(tǒng)的控制、監(jiān)視和路由功能的目的是防止在機(jī)動區(qū)域航空器、車輛及其他物體間發(fā)生碰撞，也可以進(jìn)一步擴(kuò)展為防止沖突。航空器在場面運(yùn)行過程中，沖突告警主要表現(xiàn)在沖突探測和沖突預(yù)測。對于沖突探測，需要立即行動以避免碰撞，相對于沖突預(yù)測有較高的優(yōu)先權(quán)，在場面運(yùn)行過程中沖突告警優(yōu)先權(quán)順序：跑道沖突>滑行道沖突>停機(jī)坪/停機(jī)位/等機(jī)門沖突[5]。因此，針對目前場面監(jiān)視系統(tǒng)日趨完善的基礎(chǔ)上進(jìn)行沖突的實(shí)時(shí)探測和預(yù)測，通過對某機(jī)場沖突探測參數(shù)分析(見表1)，確定航空器在場面運(yùn)行過程中沖突探測方案。

表1 沖突探測參數(shù)表

步驟1 構(gòu)建跑道入侵區(qū)域，跑道入侵區(qū)域是一個(gè)三維的虛擬空間。空間區(qū)域的水平方向覆蓋整個(gè)跑道，寬為跑道兩邊之間的距離，長為兩跑道口之間的距離，垂直方向高于跑道表面。

步驟2 選擇一種基于規(guī)則的設(shè)計(jì)的跑道沖突檢測算法，將航空器實(shí)時(shí)劃分為不同的狀態(tài)，并建立基于狀態(tài)的規(guī)則庫[10](規(guī)則庫包括滑行狀態(tài)、預(yù)備起飛狀態(tài)、起飛滑跑狀態(tài)、爬升狀態(tài)、著陸狀態(tài)、減速滑跑狀態(tài)和飛行穿越狀態(tài)和其他地面狀態(tài))。

圖10 網(wǎng)格法檢測示意圖

步驟3 將與跑道相連接的滑行道區(qū)域劃分為細(xì)小的網(wǎng)格進(jìn)行處理，網(wǎng)格法檢測如圖10所示，每一個(gè)網(wǎng)格都是具有檢測能力的檢測區(qū)域，明確航空器位置，初次定位時(shí)需要進(jìn)行全局搜索。

步驟4 假設(shè)兩航空器為A1和A2，計(jì)算所處的網(wǎng)格之間的間隔為ΔD1,2，兩架航空器之間的距離為d1,2通過測量值和所處網(wǎng)格屬性，計(jì)算航空器的運(yùn)行方向與趨勢，根據(jù)間隔結(jié)合滑行道的三種沖突：

(1)兩航空器相向而行，對頭沖突；

(2)兩航空器同向而行，間隔沖突；

(3)同向而行，后機(jī)速度V后大于前機(jī)速度V前，軌跡推測沖突。

由此可建立沖突約束條件如下：

{d│d1,2≥3500}{ΔD│ΔD1,2≥60}

在滑行道上，Vmax≤55km/h,V前≥V后。

步驟5 對所處網(wǎng)格區(qū)域附近的航空器探測路徑，尋找可能發(fā)生沖突的飛機(jī)，將這些航空器保存到自身沖突列表中，通過規(guī)則判斷，計(jì)算出是否與沖突列表的航空器發(fā)生沖突。判斷的規(guī)則包括：原有的距離間隔、交叉點(diǎn)相遇時(shí)間以及進(jìn)入禁區(qū)或限制區(qū)。

4 總結(jié)與展望

本研究結(jié)合A-SMGCS監(jiān)視技術(shù)中多點(diǎn)定位技術(shù)TDOA原理，著重分析并建立了航空器與航空器之間場面運(yùn)行過程中跑道入侵沖突告警網(wǎng)絡(luò)模型和滑行道沖突告警網(wǎng)絡(luò)模型，提出航空器場面運(yùn)行沖突探測的系統(tǒng)構(gòu)架，結(jié)合機(jī)場具體沖突告警參數(shù)和網(wǎng)格區(qū)域檢測算法對航空器沖突探測方案進(jìn)行理論研究，對提升機(jī)場運(yùn)行安全性和運(yùn)行效率以及航空經(jīng)濟(jì)效益具有重要的意義。

本文主要對航空器場面運(yùn)行過程沖突探測方案進(jìn)行了理論研究，還有待進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證。該研究較為單一的考慮A-SMGCS系統(tǒng)中多點(diǎn)定位技術(shù)原理，應(yīng)該對多種監(jiān)視技術(shù)進(jìn)行綜合分析，航空器場面運(yùn)行過程中的沖突還應(yīng)該考慮航空器與場面車輛、人員等因素，建立綜合沖突探測方案并進(jìn)行實(shí)例仿真驗(yàn)證。

[1] International Civil Aviation Organization.Advanced Surface Movement Guidance and Control Systems(A-SMGCS) Manual[EB/OL].(2004-01-01)[2017-04-20].https://wenku.baidu.com/view/9feee135eefdc8d376ee32ce.html.

[2] 湯新民,王玉婷,韓松臣.基于DEDS的A-SMGCS航空器動態(tài)滑行路徑規(guī)劃[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2010,32(12):2669-2675.

[3] 唐勇,胡明華,黃榮順,等.A-SMGCS航空器場面滑行路由實(shí)時(shí)調(diào)整策略[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2014,49(4):734-740.

[4] 朱新平,湯新民,韓松臣.A-SMGCS滑行道沖突預(yù)測與避免控制[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2011,43(4):504-510.

[5] 陳倩.基于A-SMGCS的機(jī)場場面移動目標(biāo)沖突探測研究[D].南京:南京航空航天大學(xué),2015.

[6] 唐勇.A-SMGCS航空器滑行路由規(guī)劃及三維仿真研究[D].南京:南京航空航天大學(xué),2014.

[7] WANL L,HU M H,TIAN Y,et al.Green Aircraft Taxiing Strategy Basedon Multi-scenario Joint Optimization[J]. Transactions of Nanjing University of Aeronauticsand Astronautics,2016,33(2):215-223.

[8] RE F,CASTROY R D.Energetically Optimal Path Following for Electric Aircraft Taxi Systems based on Convex Optimization[C].ESARS 2014 International Electric Vehicle Conference,Florence,Dec16-18,2014.

[9] 潘衛(wèi)軍,王玄,夏正洪,等.航空器熱點(diǎn)區(qū)域的滑行避讓方法[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2015,36(12):3324-3327,3384.

[10] 牟奇鋒,馮曉磊,向碩凌.機(jī)場場面沖突檢測告警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版),2015,47(4):104-110.

[責(zé)任編輯、校對：李琳]

Abstract：Through the study of the present process of conflict detection of airport scene aircraft operation,combined with the A-SMGCS system of surveillance technology of multi-point positioning technology and the principle of TDOA positioning technology,the paper focuses on the analysis of the aircraft runway in the runway conflict and taxiway conflict,and establishes the mathematical network model.Via the combination of A-SMGCS system monitoring module and routing module,the paper constructs the conflict detection system framework.Finally,the paper selects the grid conflict detection method according to specific airport collision detection alarm parameters,and uses the global search algorithm to determine the aircraft runway taxiway conflict detection and conflict detection scheme with high accuracy and pertinence.

Keywords： A-SMGCS;MLAT;conflict alert;conflict detection

ResearchontheConflictDetectionofAircraftSurfaceOperationBasedonA-SMGCS

GEYa-wei1,DAIYu2,KONGJian-guo1

(1.College of Air Traffic Management,Civil Aviation Flight University of China,Guanghan 618307,China;2.Chongqing Air Traffic Control Branch,Southwest China Regional Air Traffic Management Bureau of Civil Aviation of China,Chongqing 400000,China)

V351.11

A

1008-9233(2017)05-0014-05

2017-05-17

中國民航飛行學(xué)院研究生創(chuàng)新科研項(xiàng)目(X2016-43)

葛亞威(1993-)，男，河南駐馬店人，碩士研究生，主要從事空中交通管理研究。