基于管制指令的中期沖突告警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

談 江

（民航湖南空管分局，長沙 410137）

0 引言

隨著航班的持續(xù)增長，民航空域的流量密度越來越大，出現(xiàn)航班沖突的情況越來越多，使得管制員工作強(qiáng)度變大，指揮調(diào)配難度提高，容易造成由人為失誤引起的安全隱患。因此，空管自動化系統(tǒng)能否提供可靠的沖突告警 （Confilict Alert）功能成為管制員能否及早發(fā)現(xiàn)可能存在危險(xiǎn)的關(guān)鍵一環(huán)，而傳統(tǒng)的短期沖突告警（Short-term Conflict Alert，STCA）已經(jīng)無法給管制員足夠的沖突調(diào)整余量。因此，業(yè)內(nèi)對中期沖突探測（Mid-term Conflict Detection，MTCD）進(jìn)行了廣泛研究。MTCD與現(xiàn)有管制中心系統(tǒng)的STCA相比，沖突探測時間提前到20～30 min，能夠有效保證飛行安全、提高空域利用，因此引起日益廣泛的關(guān)注[1]。歐美的空管系統(tǒng)均有此功能，國內(nèi)在這方面的研究也正處于積極進(jìn)行階段[2]。當(dāng)前，主流的探測方法主要有概率型中期沖突探測方法以及非概率型中期沖突探測方法[3]。概率型中期沖突探測方法最典型的代表是Prandini隨機(jī)化算法和Paielli近似解析算法[4]；非概率型中期沖突探測算法最典型的代表是歐洲幾何型中期沖突探測算法。概率型中期沖突探測方法由于計(jì)算量大和計(jì)算過程復(fù)雜而不適合應(yīng)用于實(shí)時探測系統(tǒng)中；歐洲幾何算法在軌跡預(yù)測上考慮要素較少，但計(jì)算告警虛警率較高。本文根據(jù)實(shí)際的航路飛行情況，在充分考慮雷達(dá)探測誤差和管制指令高度（也稱當(dāng)前許可高度層，Current Cleared Flight Level，CFL）對飛行剖面計(jì)算的影響基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于管制指令的中期沖突探測系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1 實(shí)現(xiàn)方法與總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用基于C#語言的C/S架構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)搭建。系統(tǒng)主要分為數(shù)據(jù)接收解析模塊、中期沖突探測模塊和顯示模塊。數(shù)據(jù)接收解析模塊主要在服務(wù)端程序使用異步UDP實(shí)時接收并解析自動化系統(tǒng)的綜合航跡信息Cat062數(shù)據(jù)[5]和MHT4029.3[6]飛行計(jì)劃信息，融合跟蹤處理數(shù)據(jù)生成并更新航班動態(tài)列表；中期沖突探測模塊則實(shí)時探測所有航跡對是否滿足告警條件，同時，系統(tǒng)實(shí)時識別與航空器高度、航向、航路等航行諸元相關(guān)的管制指令，對管制意圖和飛行執(zhí)行進(jìn)行監(jiān)督，并能對危及飛行安全的操作或指令進(jìn)行輔助性提醒、告警、糾錯，將航跡的相關(guān)信息通過組播方式發(fā)送至客戶端程序；顯示模塊主要在客戶端接收服務(wù)端發(fā)送的航跡對信息，在基于GIS的HMI客戶端創(chuàng)建航跡目標(biāo)或更新目標(biāo)狀態(tài)，最終對告警置位的航跡對進(jìn)行沖突連線和航跡紅色顯示。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 關(guān)鍵模塊及算法

2.1 數(shù)據(jù)融合跟蹤處理

系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合跟蹤處理模塊通過異步UDP協(xié)議實(shí)時接收空管自動化系統(tǒng)（ATC）發(fā)送的Cat062綜合航跡數(shù)據(jù)和MHT4029.3飛機(jī)計(jì)劃信息，并分別按照Asterix Cat062數(shù)據(jù)格式定義和《MHT4029.3-2015》數(shù)據(jù)格式定義分別進(jìn)行數(shù)據(jù)項(xiàng)的分解，提取出主要信息，包括目標(biāo)的航跡號、航班號、二次代碼、位置、高度、速度、航向、上升率、CFL、扇區(qū)等，并按照自定義多邊形告警區(qū)（外擴(kuò)管制區(qū)）進(jìn)行目標(biāo)過濾，將位置在告警區(qū)的目標(biāo)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝，根據(jù)航班號主鍵進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。最終，系統(tǒng)將最新目標(biāo)航跡位置變化采用改進(jìn)的卡爾曼濾波方法來線性遞推獲得系統(tǒng)位置的最佳估計(jì)，即對同一個目標(biāo)位置進(jìn)行平滑跟蹤處理。

目標(biāo)航跡跟蹤處理包括新航跡目標(biāo)的生成、已存在航跡目標(biāo)的更新和出區(qū)域或落地目標(biāo)從動態(tài)列表刪除。該系統(tǒng)判定最新接收到的目標(biāo)屬性信息與動態(tài)列表中某個航跡目標(biāo)是否為同一航空器，則認(rèn)為此次收到的目標(biāo)信息為此航跡目標(biāo)的更新信息，系統(tǒng)將在動態(tài)列表更新；否則系統(tǒng)將根據(jù)此次目標(biāo)信息在動態(tài)列表創(chuàng)建一個新的航跡目標(biāo)；此外，為了避免從告警區(qū)飛出去和落地的目標(biāo)信息對告警計(jì)算的影響，系統(tǒng)建立目標(biāo)刪除機(jī)制，通過判斷2個周期內(nèi)目標(biāo)不更新后從動態(tài)列表中刪除。流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)航跡融合跟蹤處理模塊流程圖

系統(tǒng)采用卡爾曼濾波方法建立了綜合航跡跟蹤模型，對空中目標(biāo)航跡進(jìn)行濾波，減少雷達(dá)量測噪聲的不穩(wěn)定變化對系統(tǒng)跟蹤性能的影響。經(jīng)過濾波后的位置和速度誤差仍然趨于穩(wěn)定。該方法具有較好的濾波性能及跟蹤精度，并可以提高空中目標(biāo)航跡預(yù)測的精確性。

式中：X(k |k-1)為利用上一狀態(tài)預(yù)測的結(jié)果；X(k -1|k-1)為上一狀態(tài)最優(yōu)的結(jié)果；U(k)為現(xiàn)在狀態(tài)的控制量。

式中：P(k |k-1)為X(k |k-1)對應(yīng)的協(xié)方差，P(k -1|k-1)為X(k |k-1)對應(yīng)的協(xié)方差，AT為A的轉(zhuǎn)置矩陣。

式中：I為單位矩陣，對于單模型單測量，I=1。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入k+1狀態(tài)時，P(k |k)就是式（2）的P(k -1|k-1)。

2.2 中期探測模型及算法

系統(tǒng)的中期告警模塊計(jì)算是由定時程序觸發(fā)的，每個定時周期（1 s）都會通過循環(huán)遍歷動態(tài)列表中所有航跡進(jìn)行兩兩中期告警計(jì)算，總共遍歷次數(shù)為n×（n-1）/2，若空域中目標(biāo)數(shù)量較大，必將影響程序計(jì)算的效率。為此，系統(tǒng)在進(jìn)入告警模塊計(jì)算之前，判斷“至少1個處于管制狀態(tài)”濾除用戶不關(guān)心的目標(biāo)（如兩兩高空目標(biāo)和兩兩管制區(qū)外的目標(biāo)等）來提高程序計(jì)算效率。通過“至少1個具有CFL”條件分別進(jìn)入中期告警和指令糾錯模塊進(jìn)行過濾，分別判斷是否滿足相應(yīng)中期告警和指令糾錯模塊條件來進(jìn)行航跡對置告警位置位或置0，最后把動態(tài)列表目標(biāo)信息通過組播方式發(fā)送出去。流程圖如圖3所示。

圖3 中期告警模塊流程圖

2.2.1 航空器保護(hù)區(qū)模型及中期沖突界定

飛行沖突就是檢測的飛行器在預(yù)測時間范圍內(nèi)與其他某個特定目標(biāo)水平和垂直間距均小于所規(guī)定的最小安全間隔[7]。在軟件設(shè)計(jì)上，目標(biāo)最終是列表中的具體對象，程序只能針對一個具體目標(biāo)進(jìn)行操作，因此這種檢測可以轉(zhuǎn)換為具體目標(biāo)的保護(hù)區(qū)設(shè)計(jì)，通過基于間距參數(shù)的保護(hù)區(qū)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)只需要檢測當(dāng)前目標(biāo)的保護(hù)區(qū)是否被其他目標(biāo)入侵即可。該系統(tǒng)采用圓柱體建立空中航空器目標(biāo)的保護(hù)區(qū)，圓柱體保護(hù)區(qū)模型是在長方體保護(hù)區(qū)模型與Reich模型基礎(chǔ)上，通過改進(jìn)發(fā)展而來，以航空器重心為圓柱體的中心；在水平方向上，以最小安全間隔S為圓柱體保護(hù)區(qū)模型的半徑；在垂直方向上，以兩倍垂直安全間隔2H為圓柱體模型的高，建立航空器保護(hù)區(qū)，如圖4所示。

空中目標(biāo)的沖突界定就是當(dāng)有任意航空器進(jìn)入到另一架航空器的保護(hù)區(qū)范圍時（即兩架航空器保護(hù)區(qū)重疊），則此兩架航空器存在飛行沖突，如圖5所示。

圖4 圓柱體保護(hù)區(qū)

圖5 沖突模型

根據(jù)現(xiàn)場管制用戶需求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中期沖突告警的判別如下：目標(biāo)在同高度（高度差小于270 m），沖突預(yù)警判斷條件有以下情況（系統(tǒng)提供了相應(yīng)的用戶交互功能，參數(shù)可配置）。

（1）未來8 min內(nèi)間隔將小于28 km，則報(bào)警。

（2）未來5 min內(nèi)間隔將小于28 km，則報(bào)警。

（3）未來3 min內(nèi)間隔將小于28 km，則報(bào)警。

（4）未來1 min內(nèi)間隔將小于28 km，則報(bào)警。

與此同時，為了降低虛警率，系統(tǒng)提供了沖突預(yù)警判斷過濾，具體標(biāo)準(zhǔn)如下。

（1）間隔大于28 km，沒有減小趨勢，不用報(bào)警。

（2）航向差在135°～225°，沒有減小趨勢，且間隔大于10 km，不用報(bào)警。

在指令糾錯方面，當(dāng)管制用戶發(fā)送飛機(jī)調(diào)整高度指令CFL[7]，首先觸發(fā)該模塊通過對比Cat062數(shù)據(jù)中FSS(Final State Selected Altitude age)[7]字段與CFL差值小于60 m來判斷機(jī)組是否執(zhí)行管制指令；然后計(jì)算在限定保護(hù)區(qū)（飛機(jī)當(dāng)前高度到CFL的高度范圍）270 m，且1 min、3 min、5 min、8 min內(nèi)可能小于28 km，則告警；最后判斷計(jì)算在限定CFL高度穿越區(qū)（飛機(jī)A的MFL（飛機(jī)實(shí)際高度）、CFL與飛機(jī)B的MFL和CFL存在高度區(qū)間沖突），且1 min、3 min、5 min、8 min內(nèi)可能小于28 km，則告警。另外，當(dāng)目標(biāo)高度發(fā)生變化超過60 min，且變化的趨勢與CFL高度不一致，也認(rèn)為目標(biāo)錯誤執(zhí)行了指令。

2.2.2 基于WGS84坐標(biāo)系的目標(biāo)距離計(jì)算及目標(biāo)預(yù)測

WGS84坐標(biāo)系是當(dāng)前空管自動化系統(tǒng)采用的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系，基于綜合航跡分析處理的該系統(tǒng)要探測兩個目標(biāo)是否存在沖突，必須基于WGS84坐標(biāo)系計(jì)算兩個目標(biāo)的當(dāng)前距離和預(yù)測距離。

（1）基于WGS84坐標(biāo)系的目標(biāo)之間距離計(jì)算方法

基于WGS84坐標(biāo)系的目標(biāo)之間距離計(jì)算當(dāng)前主流的方法有通過Haversine公式和通過Great-circle distance公式，其中Great-circle distance公式用到了大量余弦函數(shù)，而兩點(diǎn)間距離較近（比如地球表面上相距幾百米的兩點(diǎn)），算法會引入較大的舍入誤差。而Haversine公式采用了正弦函數(shù)，即使距離很小，也能保持足夠的有效數(shù)字。因此本系統(tǒng)采用Haversine公式。

式中：R為地球半徑，可取平均值6 371 km；φ1， φ2為兩點(diǎn)的緯度；Δλ為兩點(diǎn)經(jīng)度的差值。

（2）基于WGS84坐標(biāo)系的目標(biāo)預(yù)測

已知點(diǎn)A的經(jīng)緯度及與點(diǎn)B距離和方位角，求點(diǎn)B經(jīng)緯度。

式中：Aj為點(diǎn)A的經(jīng)度；Aw為點(diǎn)A的緯度；L為點(diǎn)A與點(diǎn)B的距離；R為地球半徑； β為點(diǎn)B相對于點(diǎn)A的方位角；Bw為點(diǎn)B的緯度；Bj為點(diǎn)B的經(jīng)度。

2.3 基于GIS顯示模塊設(shè)計(jì)

客戶端程序采用UDP程序接收服務(wù)端組播數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)解析后在基于GMAP.NET開源項(xiàng)目的GIS動態(tài)雷達(dá)航跡顯示程序在顯示雷達(dá)目標(biāo)。客戶端程序顯示分動態(tài)數(shù)據(jù)顯示和靜態(tài)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)顯示，其中基于GMap.NET中的GMapMarker標(biāo)記類重載了GMapMarkerTrack雷達(dá)目標(biāo)類，實(shí)現(xiàn)了動態(tài)顯示雷達(dá)航跡目標(biāo)信息和沖突告警信息。同時，系統(tǒng)基于GMap.NET中的GMapPolygon多邊形類重新編寫了GMapPolygonSector扇區(qū)類，用于靜態(tài)顯示管制扇區(qū)，基于GMap.NET中的GMapRoute多邊形類重新編寫了GMapRouteLine航線類，實(shí)現(xiàn)了在地圖上靜態(tài)顯示航路航線報(bào)告點(diǎn)等。

為了區(qū)分態(tài)勢顯示的功能及屬性，系統(tǒng)采用藍(lán)色箭頭顯示位置正常雷達(dá)航跡位置，箭頭方向?yàn)槟繕?biāo)航向；當(dāng)有告警時，箭頭圖標(biāo)顏色變?yōu)榧t色并強(qiáng)制顯示雷達(dá)標(biāo)牌信息，沖突目標(biāo)之間采取沖突連線方式顯示，不同等級告警顏色不同。

圖6 客戶端程序圖

3 實(shí)際運(yùn)行測試

系統(tǒng)目前已經(jīng)在湖南空管管制現(xiàn)場使用，驗(yàn)證基于管制指令的中期沖突告警系統(tǒng)可行性與可靠性。通過一年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，湖南管制區(qū)域的扇區(qū)指揮飛機(jī)數(shù)量平均為1 366架/天。如表1所示，在系統(tǒng)使用之前，正常天氣情況下，管制員每天需要調(diào)配沖突數(shù)量平均為216次，雷雨臺風(fēng)等極端天氣情況下，管制員每天需要調(diào)配沖突數(shù)量平均為280次，每次沖突調(diào)配時間余度為1 min；使用之后，正常天氣情況下，管制員每天需要調(diào)配沖突數(shù)量減少至平均51次，雷雨臺風(fēng)等極端天氣情況下，管制員每天需要調(diào)配沖突數(shù)量減少至平均82次，每次沖突調(diào)配時間余度增大至8 min。調(diào)配余度時間是短期沖突調(diào)配時間余度的8倍，符合中期沖突的定義，實(shí)現(xiàn)了有效的中期沖突功能，可以有效地將沖突探測的時刻提前，在有效的時間余度下進(jìn)行沖突解脫，避免了較多的短期沖突，為管制用戶爭取了更多的處理時間與空間。由表可知，隨著環(huán)境的變化，極端天氣會導(dǎo)致飛行沖突的情況增加，這是由于人為管制因素使得航空器的機(jī)動性變強(qiáng)（雷雨繞飛等情況），而分扇區(qū)的管制機(jī)制使得管制區(qū)域內(nèi)的航空器調(diào)配無法全局統(tǒng)籌。在使用該系統(tǒng)后，正常天氣下，沖突降低的比例為23.6%；極端天氣下，沖突降低的比例高達(dá)29.2%。這是由于極端天氣環(huán)境下，雖然航空器機(jī)動狀態(tài)增多，但系統(tǒng)考慮了管制指令因素，因此在降低沖突告警處理方面有較好的性能體現(xiàn)。飛行沖突越多，人為管制因素越強(qiáng)，系統(tǒng)沖突探測的優(yōu)勢越明顯。

表1 基于管制指令的中期沖突告警系統(tǒng)使用效果對比

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套完整的中期沖突告警系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上，基于管制指令通過判斷潛在沖突提示管制指令是否正確。此系統(tǒng)更適用于復(fù)雜多變的空中交通環(huán)境下的航路中期沖突探測。設(shè)置合適的沖突預(yù)警閾值對減少誤報(bào)率和漏報(bào)率具有一定的意義。