空中防撞系統中提高空中安全的決議咨詢算法

朱安，劉慶玲，哈迪

哈爾濱工程大學 信息與通信工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001

空中防撞系統 (traffic collision avoidance system, TCAS) 是一種自動空中交通監控系統，旨在檢測航空運輸系統中空域用戶之間的潛在沖突，并向飛行員發布決議咨詢建議。TCAS 監視設備的工作方式與二次監視雷達相同，可為其他空域用戶提供可靠的距離測量。TCAS 包括一個計算機處理單元，它以1 030 MHz 的頻率生成詢問信號，并通過天線系統傳輸該信號。

在頻率1 090 MHz，飛機應答器接收詢問并自動生成響應[1]。來自飛機應答器的響應信號包含航班號、通話信號和氣壓高度信息，ACAS 程序算法使用這些信息來檢測空中碰撞。由于缺乏精確的飛機相互位置關系，因此幾乎不可能使用協調的水平面機動方式來解決沖突，這對ACAS III 的改進來說是一個重大挑戰[2]。當 TCAS 檢測到一架飛機并確定它是潛在威脅時，會向飛行員發出交通咨詢。 如果威脅迫在眉睫，TCAS 建議飛行員進行垂直回避機動，這被稱為決議咨詢 (resolution advisory, RA)。本文的目的是提供一種可靠的解決算法，以減少當前 TCAS 的一些弱點，例如不必要的警報率高，這會誤導飛行員并導致他們執行不必要的機動。TCAS 的缺點、空域容量的不斷增加，以及將無人機集成到受控空中交通中的困難，促使研究人員尋找改進TCAS 要求的解決方案。

1 空域表示方法

假設空域顯示為三維(3-D)笛卡爾坐標系，本機S的位置和速度分別為 (L,G,Alt) 和 (Vox,Voy,Voz)，入侵飛機的位置和速度分別為 (Li,Gi,Alti) 和 (Vix,Viy,Viz)[3]。以上參數都是時變的；從圖1 可以看出，圓柱中的保護區域半徑為R，高度為H。當入侵飛機進入本機的保護區時，表明存在潛在的沖突威脅。為了防止空中碰撞，必須在檢測到沖突后達成解決方案。如果飛行員可以看到周圍的飛機，假設視覺符號在沖突交通達到±381 m 時開始，而聽覺警報從±290 m 而不是±381 m 開始，這也將大大減少警報并消除不必要的警報，特別是在持有模式。本系統中的聽覺警報開始于大約3.2 nm。如圖1 所示，假設在R=3.2 nm 處檢測到水平沖突作為視覺通知，并且在R=2.2 nm 處開始聽覺警報。下面的數學模型給出了減少空域為

圖1 垂直和水平空域的可視化

式中：Sr為減少的警告空域或決議咨詢，SR為初始警告空域或交通咨詢(traffic advisory，TA)，H為垂直高度。

如果將聽覺警報率降低為1 nm 和相應的290 m，則空間將減少 54.4% 以上，這意味著不必要的聽覺警報數量將減少P=0.55[4]。國際民用航空組織(International Civil Aviation Organization, ICAO) 定義了3 個級別的 ACAS[5]：

1) ACAS I 提供信息以幫助飛行員“看到并避免”行動（僅限 TA），但不能生成決議咨詢。

2) ACAS II 除了交通咨詢（TA + RA）外，還提供垂直決議咨詢。

3) ACAS III 除了交通咨詢（TA + RA + HRA）外，還提供垂直和水平決議咨詢。

4) ACAS X 代表了交通咨詢邏輯生成方式最重要的轉變[6]。

2 歷史上的空中碰撞

一系列空中墜機事故促使航空公司和政府開發機載設備，用于警報和避免碰撞，該設備獨立于空中交通管制 (air traffic control, ATC) 運行。到1950 年，航空運輸已成為公共空域，天空變得越來越擁擠。1956 年在大峽谷上空發生的空中碰撞造成 128 人死亡，是當時歷史上最嚴重的商業空難悲劇。美國聯邦航空管理局 (Federal Aviation Administration, FAA) 的成立在空域設計和空中交通管制 (ATC) 方面取得了重大進展。然而，仍然發生了一系列的空中災難。1978 年，一架商用客機在加利福尼亞州圣地亞哥上空墜毀，造成 144人死亡（見圖2），另一架商用客機于 1986 年在加利福尼亞州喜瑞都上空墜毀，造成 82 人死亡。這2 起墜機事故，促使國會增加一層碰撞標準來保護車載系統。

圖2 PSA F-182 和 Cessna 172 之間的空中碰撞

TCAS 是為應對圣地亞哥上空的碰撞而開發的，如圖3 所示。開發跨越了幾十年，林肯實驗室是這2 個系統制造的主要領導者。在加利福尼亞州喜瑞上空發生碰撞后，國會授權在美國使用TCAS，目前全球所有大型貨運和客機都必須使用TCAS[7]。如表1 所示為歷史上的空中碰撞總結。

表1 歷史上空中碰撞的總結

圖3 空中防撞系統

2002 年 7 月 1 日晚上，一架 DHL 波音 B-757貨機在德國überlingen 上空34 950 feet 處與一架俄羅斯 Tupolev-154 客機相撞（圖4）。2 架飛機都在墜機事故中被摧毀，機上 71 人全部遇難，包括機組人員和乘客[8]。2 架飛機都有 TCAS 的事實尤其令人擔憂。正如之前的事件所證明的那樣，墜機前發生了一系列事件。首先，由于監控2 架飛機的空中交通管制設施出現問題和錯誤，2 架飛機之間的標稱間隔要求丟失了。結果兩架飛機在36 000 feet 處比平時靠得更近了。DHL 飛行員按照他們的決議咨詢 (RA) 下降，而俄羅斯機組人員按照空中交通管制 (ATC) 指令下降。不久之后，2 架飛機上的決議咨詢得到加強，以“增加”俄羅斯飛機的“爬升”和“增加下降”的 DHL 飛機。在TCAS 決議咨詢發布后約35 s 飛機相撞[9]。

圖4 德國überlingen 空中碰撞（德國委員會事故調查報告）

根據德國事故調查報告，事故的直接原因之一是俄羅斯飛行機組決定遵守空中交通管制(ATC) 許可下降，而不是遵守 TCAS 決議建議(RA) 爬升。俄羅斯決定按照與決議建議相反的方向進行機動，破壞了 TCAS 的協調邏輯。如果飛行員不遵循系統的建議，TCAS 就無法防止事故發生。另一方面，DHL 機組人員確實遵循了TCAS 決議建議并與圖波列夫 (Tupolev) 飛機相撞。事發當晚飛行雷達提供的圖形分析如圖5 所示。

圖5 überlingen 空中碰撞技術分析

3 防撞系統概述

空中防撞系統（TCAS）的主要思想是基于時間接近單位區域（time approach unit, TAU）的概念，如圖6 為TAU 原理，它取決于到最近接近點（closest point of approach, CPA）的時間，而不是距離[10]。交通咨詢 (TA) 和決議咨詢 (RA) 在其周圍生成2 個保護區，指示何時到達最近接近點[11]。有效的 TCAS 邏輯分離需要通過控制時間接近單位區域的靈敏度等水平 (sensitivity level , SL)在必要的保護和不必要的警告之間進行權衡。

圖6 時間接近單位區域原理

每架飛機都有自己的隔離氣泡，m定義為保護半徑的最小距離。表2 顯示了低海拔地區的TCAS 靈敏度水平和時間接近單位區域值[12]。

表2 低海拔飛行的相對靈敏度水平(SL)和TAU 值

TCAS 工作性能由3 個主要部分決定：防撞安全邏輯、決斷告警和飛行員界面[13]。

3.1 防撞安全邏輯

當另一架飛機被視為嚴重威脅時，TCAS 會發出交通咨詢信息，其中包括“交通、交通”的語音通知，并在交通顯示屏上突出顯示入侵飛機。當需要機動時，系統會發出決議咨詢，并指示飛行員上升或下降以保持安全間隔。所需的垂直機動以聲音方式發布，垂直速度指示器顯示可接受的垂直速度范圍。如果入侵飛機沒有報告其真實高度，TCAS 可以將相對高度設置為小于308 m。

安全邏輯使用確定性和啟發式規則，根據最近接近點的時間和預期距離發出有關潛在威脅的警告。如圖7 所示為安全邏輯操作。

圖7 安全邏輯操作

3.2 決斷警告

當2 架飛機在500 feet 水平和100 feet 垂直距離內時會發生近半空中碰撞[14]。然后，有2 種類型的建議可以幫助飛行員避免碰撞：1) 交通咨詢，它提醒飛行員注意附近的交通；2) 決議咨詢，它指導飛行員進行特定的機動以避免碰撞。交通咨詢和決議咨詢 在飛行駕駛艙顯示屏上向飛行員發出視覺和聽覺警報。決議咨詢如圖8 所示。在決議咨詢中，TCAS 將要求飛行員遵守以下指示：1)上升或下降；2) 平整度；3) 保持當前的上升或下降；4) 限制爬升或下降；5) 加強爬升或下降。

圖8 決議咨詢

3.3 駕駛艙系統

TCAS 通過詢問周圍飛機的空中交通管制(ATC) 轉發器，使用計算機處理來識別和顯示碰撞危險。當計算機分析入侵飛機應答器的響應，預測到受保護空域的突破時，系統將向機組成員發出相關的聽覺和視覺警告，采取適當的行動以確保安全分離[15]。圖9 顯示了 TCAS 駕駛艙系統框圖。

圖9 駕駛艙系統

TCAS 安裝中包含以下組件：

1) 一組電腦系統，它執行以下功能:

① 對監視和跟蹤入侵飛機進行例行計算；

② 產生相關的警告信號；

③ 確定規避機動。

2) 控制面板，它是轉發器的一部分，有各種功能模塊：

① STBY：TCAS 未激活（將靈敏度級別設置為1）；

② TA ONLY：它只給我們交通咨詢（靈敏度級別調整為 2）；

③ TA / RA：提供交通咨詢和決議咨詢，（根據 ACFT 的高度自動調整靈敏度級別）。

3) 2 個天線（一個在機身上方，一個在機身下方）。

4) 設置與無線電高度計的連接有2 個原因：

① ACFT 和 TCAS 在地面上；

② 靠近地面。

4 決議警告算法

生成的回避機動是推薦的決策系統(decision making system, DMS)的最后一步。當檢測到威脅時，TCAS 會通過視覺和聽覺交通咨詢通知飛行員，該信息旨在通知飛行員有關威脅并支持他們定位入侵飛機。如果沖突沒有解決并且達到某個閾值，TCAS 將啟動決議咨詢，建議飛行員防止沖突[16]。共有3 種沖突場景：飛機面對面、交叉路徑和超車。一旦沖突得到有效解決，TCAS 將通過清除沖突(clear conflict)的聲音通知飛行員。如圖10所示為Next-CAS II 算法的基本流程。

圖10 Next-CAS II 算法的基本流程

以下4 點為Next-CAS II 算法的作用：

1) 該算法考慮了本機和入侵飛機狀態向量的異步時序，報告由于同信道干擾而丟失的 ADS-B入侵機更新；

2) 該算法監控預測的最接近點 (CPA) 的變化，以識別本機或入侵飛機機動；

3) 該算法根據檢測到的收斂機動的嚴重程度，有目的地修改保護區（protected area，PZ）的體積；

4) 該算法旨在將6 個潛在決議最小化為一個標準決議，引導飛行員選擇3 個基本操作。

4.1 交通咨詢測試

TCAS 使用來自過濾器的距離估計來計算到附近飛機的距離。如果航程估計符合某些標準，TCAS 會發布交通咨詢，以提醒飛行員飛機正在接近。

4.1.1 交通咨詢范圍測試

此外，如果距離測試超過水平未命中閾值，則距離測試是肯定的。如表3 所示為交通咨詢的警報閾值。

表3 交通咨詢范圍測試的警報閾值

4.1.2 交通咨詢海拔測試

當飛機之間的海拔間隔很小時，海拔測試定義為布爾Bt,AT,TA為真。

如果 Bt,AT,CA結果很小，那么海拔測試定義為

速率 > 183 m/min， 對于所有其他情況，如果τv

1) 時間共同海拔 τA|t小于閾值Tv，并且本機的海拔速度小于183 m/min；

2) 所有其他相遇時間共同海拔 τA|t小于閾值ΔRA。

根據上述描述，BAT,CA表示為

到達共同海拔的預期時間 τA|t計算為

閾值參數zthr,TA、ΔTA、ΔRA和Tv是當前高度的函數，如表4 所示。

表4 交通咨詢海拔測試的警報閾值

如果范圍和海拔測試已獲批準，則會發布交通咨詢。

4.2 威脅演變監測

威脅演變監測模塊確定是否應修改或刪除以清除沖突消息形式的給定決議咨詢 (RA)。一旦決定發布初始決議咨詢，發送的協調消息的參數將用于促進數值計算mt,sent，并將最初選擇的Dt復制到參數和。此外，計時器tt,RA固定為8 s，因為在調整決議咨詢之前必須給飛行員足夠的時間。

對于時間間隔Δ>0,tt,RA演變為

4.3 決議咨詢調整

TCAS 確定其他飛機是否不再被視為威脅。如果獲得垂直分離，正面的決議咨詢可能會降低為“請勿攀爬升”或“請勿下降”。 這由以下算法表示，該算法將在每個評估周期結束時執行。

如果本機平飛，則當前相對海拔rt,A和最近點進場 (CPA) 的相對海拔預測為與強制海拔未命中距離alim。幾何情況的另一種評估用于對上述情況進行建模。

因為飛行員需要足夠的時間對決議咨詢做出反應，所以在每個新的范圍和預測速率之后執行此測試，但測試僅當計時器tt|RA達到零時進行。

如果當前預測的垂直未命中距離不足并且飛行員有足夠的時間對決議咨詢做出反應，則布爾Bt,RA,EVO被認為是正確的。

4.4 清除沖突消息

威脅演變監測模塊還測試威脅情況是否已在每個步驟中得到解決，通過清除沖突消息得到確認。 當要傳達清除沖突消息時，表示為

聲明清除沖突消息后，所有參數和變量都將重置為其默認值。

5 仿真結果與討論

基于決議咨詢算法的優先級，可以建立3 個基本規則：

規則1“飛機面對面”是指2 架飛機在相遇的情況下沒有優先權，必須讓路并右轉以避免沖突。 當路徑差異在130°~175°時，必須使用此選項。

規則2如果2 架飛機有“交叉路”，從右邊接近的飛機應該左轉，從左邊接近的飛機應該右轉，避免在交叉路口發生沖突。當路徑差異在14°~130°時，必須使用此選項。

規則3“飛機超車”時，前方飛機必須右轉14°才能超車。這將在路徑差異為0°~14°時使用。

2 架飛機在赤道幾內亞領空以相反方向在同一軌道上飛行，目標是否與雷達接觸尚不清楚。第1 架飛機以FL 115 m 的飛行高度飛行，地面速度為 530 kn，正在爬升，而第2 架飛機以 FL380 feet 飛行高度飛行，地面速度為 430 kn，正在保持其飛行高度。仿真結果表明，10 時12 分17 秒，2 個目標相距不到0.20 nm，橫向閉合速率約為920 kn。圖11 為 飛機面對面，(近半空中碰撞前25 s 的相對位置，圖12 為赤道幾內亞空域的決議咨詢。

圖11 飛機面對面 (近半空中碰撞前25 s)

圖12 赤道幾內亞空域的決議咨詢(糾正行動之前)

10 時50 分30 秒，飛機收到第1 架飛機（藍色）的 ADS-B 決議咨詢廣播報告。作為對決議咨詢的回應，入侵飛機以 FL 111 m/min 的速度下降，而本機以 FL 120 m/min 的速度爬升以避免沖突。圖13 顯示了另一個模擬遭遇情況，其中 Next-CAS II 使用規則（1 和 2）防止近半空中碰撞(NMAC)。入侵機以大約 FL 120 m/min 的速度爬升 26 s。相遇 20 s 后，當入侵機仍在爬升時，決議咨詢算法邏輯建議本機以FL 111 m/min 的速度下降以避免沖突。

圖13 糾正操作后清除沖突 (圖11 發生25 s 后)

隨著2 架飛機的靠近，決議咨詢被加強以增加下降高度，允許飛機安全通過。圖14 糾正操作后清除沖突的示意圖。

圖14 糾正操作后清除沖突 (圖12 發生25 s 后)

6 結論

近年來，對無人機 (UAV) 的需求不斷增長促使對防撞系統的研究需要傾注更多的努力。Next-CAS II 算法已被證明可以有效提高空中安全，仿真結果表明，其在任何情況下都顯示出更好的結果，同時展現出了更好的性能。Next-CAS II 包括以下安全建議：

1) 任何在合法空域運行的無人機都必須配備空中防撞系統。

2) 無人機和民用飛機應配備決策系統如果一架飛機發布決議咨詢，另一架飛機應啟動協調決議咨詢以避免沖突。

3) Next-CAS II 的實施提高了空中安全并降低了空中碰撞的風險。然而，飛行員和管制員必須接受足夠的 Next-CAS II 培訓。