飛機相遇模型仿真技術研究

張愛華

（天府新區通用航空職業學院，四川 眉山610222）

一些中心機場和其他繁忙空域中的飛機密度不斷增大，飛機之間的水平間隔和垂直間隔也隨之減小，飛機之間出現危險匯聚飛行的情況時有發生。在這些危險的情況中，兩機空中相撞問題值得關注。如今，很多國內外的學者都在研究良好的機載防撞系統以保障飛機飛行安全，其中對TCASII 的研究最為廣泛[1]。目前，TCAS（Traffic Collision Avoidance System 空中防撞系 統） 系 統 有 四 種 類 型：TCASI、TCASII、TCASIII、TCASIV。TCASIII、TCASIV 停止研發，最新的TCASII 系統為TCASII Version7.1。大型飛機上裝有TCASII，而小型機、通用飛機等都無法裝上TCASII；TCASII 同時具備交通警戒信息和決策信息，可提供垂直避讓信息。在飛機的適用性上，TCASII 無法適用所有的飛機，其功能亦存在問題，無法改善，所以研制新型的空中防撞系統非常必要，常用的兩種手段：試飛與仿真；試飛所需成本很高，仿真為最佳手段。建立實驗仿真平臺，TCASII 為性能對比參照物，驗證是否符合性能指標并改進優化。

1 模型建立

避撞算法包含入侵監視、威脅判定、避撞措施選擇、協調避撞等，本課題主要建立垂向上避撞模型及其算法，本機在垂直方向上選擇爬升、下降避撞措施，避撞前判定兩機是否存在威脅，判定是否存在威脅則要實時監控兩機飛行狀態。

作為仿真平臺工具的仿真模型中包含了本課題的一些內容，在其內容上，多出研究其威脅判定條件，避撞措施選擇（爬升或下降），協調避撞等內容。

1.1 技術路線

仿真平臺——相遇模型的技術路線為：

（1）研究ICAO、DO-185B 相關標準；

（2）根據相關標準對相遇模型進行需求分析；

（3）利用UML 建模，設計算法流程圖；

（4）利用MATLAB 編程；

（5）利用烏伯林空難對相遇模型進行驗證代碼有效性。

1.2 計算方法

圖1 為算法計算方法，根據ICAO 對于仿真平臺的標準需求分析，已知CPA 點的時刻t=40s，CPA 點時兩機的高度、兩機水平距離、兩機的空速、兩機的升降速率、相遇角等基本參數，分為兩段得出兩機軌跡，1s～40s 的軌跡和40s～50s 的軌跡。

圖1 算法計算方法

2 仿真

2.1 CPA 點相對方位角確定

如圖5，假設為在水平面上本機與入侵機在CPA 的位置，以本機飛行方向為Y 軸。假設本機與入侵飛機在CPA 點作勻速直線飛行。本機在CPA 點時的航向角C0=0，C1 為目標飛機在CPA 點時的航向角，V1本機在CPA 點時的空速，V2入侵飛機在CPA 點時的空速，LC本機與入侵機在CPA 時的相對距離，θC為本機與入侵機在CPA 時的相對方位角。相遇角β=C1-C0=C1。

圖2 水平面上CPA 點本機與入侵機的相對位置

2.2 舉例仿真[3]

建立相遇模型，首先需要討論兩機的相遇類型。從垂直面上，根據兩機在CPA 點前后是否平飛、機動分為10 種相遇類型，從水平面上，以CPA 點為原點，以CPA 點本機AC1 航向為Y 坐標，根據兩機在相遇過程中是否左轉、右轉、加速、不加速，分為36 種類型[2]。

本文采用其中一個模型：垂直平面上：本機AC1 在CPA 點前后都平飛，高度呈減速上升狀態，入侵飛機在CPA 點前后都平飛，高度呈加速下降狀態。水平面上：本機作勻速右轉運動，入侵機作勻速直線運動。

仿真得出兩機在垂直面上以及水平面上的的軌跡，從中分析出：t=6s 時，兩機高度差小于1200ft；t>6s，兩機高度差<1200ft；t<6s，兩機高度差>1200ft；t=3s 時，兩機的水平距離為36354ft<36456ft；t>3s 時，兩機的水平距離<36456ft；t<3s 時，兩機的水平距離>36456ft。

結果為：t=6s 時，兩機發出TA；t=21s 時，兩機發出RA；t=40s，兩機collision。

2.3 驗證

利用烏伯林空難對相遇模型進行驗證代碼有效性。

烏柏林根空難：AC1：巴航2937 號航班154 型客機（俄羅斯首都莫斯科飛往西班牙城市巴塞羅納）；

AC2：DHL611 號航班波音757-200SF 型貨機（意大利飛往布魯塞爾）。仿真如圖3 所示。

兩機水平方向以1300 公里時速接近，兩機水平速度幾乎相等，為650 公里每小時，t=1s 時，兩機處于同一高度，為35968ft。

t=40s 時，兩機相撞，AC1 的高度為34944ft，AC2 的高度為34944ft，兩機水平距離為0 海里。AC1 的升降速度為-1335ft/min，AC2 的升降速度為-2394ft/min，相遇角為60°。

t=5s 時，兩機相距6.99 海里，AC1 的升降速度為-160ft/min，AC1 開始轉彎，左轉20°，AC2 的高度為35968ft，AC2 的升降速度為0ft/min。兩機同時收到RA。AC2 下降。

t=7s 時，AC1 下降，升降速度-705ft/min。

從表1 和圖3 可以分析得出結論：算法得出數據與實際數據相差不大，圖形對比相差不大。

表1 兩機在[26s，40s]時間區間內的高度差之比較

圖3 兩機在[26，40]時間區間內軌跡與實際軌跡的比較

3 總結與展望

本文在RTCA DO-185A 的基礎上，分析了本機與入侵機的相遇情況，確定CPA 點，CPA 點方位角的確定是飛機相遇模型建立的一個重要的部分。利用MATLAB 平臺進行仿真分析，得到飛機相遇軌跡，并利用烏柏林根空難驗證相遇模型是否正確。研究結果分析說明，相遇模型可以滿足碰撞條件。