馬 昕 潘衛(wèi)軍 李 夏 高俊杰

(中國(guó)民用航空飛行學(xué)院空中交通管理學(xué)院 四川 廣漢 618307)

0 引 言

當(dāng)前，中低空空域的階段性開(kāi)放使貨物運(yùn)輸和空間監(jiān)測(cè)等任務(wù)廣泛采用由載人運(yùn)輸機(jī)改裝而成的無(wú)人機(jī)執(zhí)行，合理利用機(jī)載設(shè)備精準(zhǔn)和可控性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，使公共和商業(yè)運(yùn)輸類(lèi)無(wú)人機(jī)向大型化、遠(yuǎn)途化、高效化發(fā)展[1]。通過(guò)現(xiàn)階段研究發(fā)現(xiàn)，大型無(wú)人機(jī)飛行任務(wù)的安全研究可分成三個(gè)方向：(1) 將一定范圍的空域作為整體進(jìn)行研究，確定航空器之間的沖突關(guān)系，利用設(shè)置安全裕度的辦法，提升飛行安全和效率[2]；(2) 機(jī)載導(dǎo)航設(shè)備的工作模式和有效性研究，由于飛行中無(wú)人機(jī)始終處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，所以通過(guò)捕捉地面和空中障礙物，提前鎖定運(yùn)動(dòng)目標(biāo)或運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的預(yù)計(jì)飛行軌跡，通過(guò)計(jì)算獲得規(guī)避它們的飛行姿態(tài)[3]；(3) 算法融合研究，通過(guò)計(jì)算相對(duì)距離，運(yùn)用多維坐標(biāo)系，重新設(shè)計(jì)和優(yōu)化飛行路徑[4]。

從以上研究可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段的運(yùn)行規(guī)范和運(yùn)行效果，對(duì)空域沖突和協(xié)同運(yùn)行等問(wèn)題，缺乏一種可以用于指導(dǎo)的具體管理辦法，缺少對(duì)目標(biāo)空域定量的評(píng)價(jià)方法。同時(shí)未能全面考慮機(jī)場(chǎng)運(yùn)行模式、終端區(qū)空域結(jié)構(gòu)和航空器飛行特征等問(wèn)題，使現(xiàn)階段的無(wú)人機(jī)與多架航空器之間展開(kāi)飛行任務(wù)時(shí)，還存在較大的可以被優(yōu)化利用的區(qū)域或間隔。通過(guò)充分考慮真實(shí)運(yùn)行環(huán)境，歸納各個(gè)影響因素的權(quán)重，設(shè)計(jì)計(jì)算模型，可以獲得無(wú)人機(jī)飛行安全等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果和空域密度結(jié)果，可有效降低發(fā)生沖突的概率，合理使用飛行區(qū)域，為空域管理和規(guī)劃提供了參考和依據(jù)。

1 研究重點(diǎn)

國(guó)際民航組織ICAO在飛行標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，航空器之間的沖突狀態(tài)可以表示為概率性事件，其中在目標(biāo)空域內(nèi)的垂直和水平之間發(fā)生的碰撞，用飛行安全等級(jí)LFS表示，一次危險(xiǎn)沖突記錄為產(chǎn)生了兩次事故，單位為次事故/執(zhí)飛小時(shí)[5]。飛行安全等級(jí)評(píng)估和應(yīng)用可以從三個(gè)階段進(jìn)行設(shè)計(jì)：(1) 根據(jù)真實(shí)飛行環(huán)境確定目標(biāo)空域內(nèi)的航行要素，融合運(yùn)行條件，合理設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)模型；(2) 經(jīng)過(guò)模型的分析和計(jì)算，建立事故發(fā)生概率的模型，獲取事故次數(shù)和飛行時(shí)間的關(guān)系，將計(jì)算結(jié)果和ICAO設(shè)置的飛行安全值進(jìn)行比較，獲得目標(biāo)空域內(nèi)各個(gè)種類(lèi)的飛行器之間的最小安全距離；(3) 將最小安全距離的結(jié)果應(yīng)用到空域密度評(píng)估中，以及無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)任務(wù)飛行安全區(qū)域的設(shè)計(jì)中，獲得真實(shí)的無(wú)人機(jī)安全飛行空域，可能產(chǎn)生沖突的過(guò)渡區(qū)域和不安全區(qū)域。仿真實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)在于無(wú)人機(jī)較多采用全球定位系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航和定位，計(jì)算模型應(yīng)該充分考慮設(shè)備精度問(wèn)題。同時(shí)飛行技術(shù)容差、目標(biāo)空域的運(yùn)輸機(jī)飛行程序和航空器飛行特征，也是飛行安全等級(jí)評(píng)估參數(shù)的重要組成部分。

2 建立評(píng)估模型

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)人機(jī)之間，或無(wú)人機(jī)與運(yùn)輸機(jī)之間的沖突存在三類(lèi)情況：(1) 無(wú)人機(jī)非法飛行事件多出現(xiàn)在運(yùn)輸機(jī)機(jī)場(chǎng)周邊，飛行高度為真高1 000米以下的區(qū)域內(nèi)；(2) 無(wú)人機(jī)合法飛行主要集中在遠(yuǎn)離運(yùn)輸機(jī)機(jī)場(chǎng)的區(qū)域，飛行高度為真高3 000米以下；(3) 無(wú)人機(jī)勘探或監(jiān)測(cè)任務(wù)，飛行區(qū)域和高度均隨待測(cè)目標(biāo)而確定[6]。所以，若無(wú)人機(jī)飛行任務(wù)為勘探或監(jiān)測(cè)類(lèi)任務(wù)，同時(shí)待測(cè)目標(biāo)又位于運(yùn)輸機(jī)機(jī)場(chǎng)附近，在這種情況下產(chǎn)生飛行沖突的概率會(huì)大大提升。建立合適的無(wú)人機(jī)飛行保護(hù)區(qū)，完成目標(biāo)空域內(nèi)飛行安全水平的評(píng)估，建立合適的空域密度和執(zhí)行飛行任務(wù)的區(qū)域，將能夠保障空域的運(yùn)行安全和效率。

2.1 建立無(wú)人機(jī)飛行保護(hù)區(qū)

在無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)中心上設(shè)置飛行保護(hù)區(qū)原點(diǎn)，建立半徑為r的圓球保護(hù)區(qū)，設(shè)λ1x、λ1y和λ1z分別為無(wú)人機(jī)長(zhǎng)、高和翼展在坐標(biāo)軸上的數(shù)據(jù)。由此可得保護(hù)區(qū)公式：

(1)

當(dāng)無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)中心的原點(diǎn)與任意物體表面一點(diǎn)的距離S，存在S

圖1 球形保護(hù)區(qū)

2.2 建立無(wú)人機(jī)間評(píng)價(jià)模型

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為大型無(wú)人機(jī)，根據(jù)球形保護(hù)區(qū)產(chǎn)生原理，在目標(biāo)空域內(nèi)任意找到兩個(gè)位置點(diǎn)A1(x1(t,Δt),y1(t,Δt),z1(t,Δt))和A2(x2(t,Δt),y2(t,Δt),z2(t,Δt))，表示當(dāng)時(shí)間為t時(shí)，實(shí)驗(yàn)飛機(jī)1號(hào)和2號(hào)所處位置點(diǎn)。如果兩架實(shí)驗(yàn)飛機(jī)的相對(duì)角θ滿足數(shù)學(xué)關(guān)系：0°<θ<90°，與此同時(shí)，實(shí)驗(yàn)飛機(jī)的飛行趨勢(shì)分別為爬升和下降，那么則存在如下數(shù)學(xué)關(guān)系：任意時(shí)間間隔Δt，t∈[0,t′]和t′=min{tC-Δt，tD-tB},設(shè)置d為實(shí)驗(yàn)飛機(jī)與交點(diǎn)O之間的距離，代入位置點(diǎn)的表達(dá)式后，可以獲得公式如下：

(2)

(3)

式中：i表示實(shí)驗(yàn)飛機(jī)編號(hào)；n表示在目標(biāo)空域內(nèi)預(yù)設(shè)飛行路徑交點(diǎn)O所構(gòu)成的直角坐標(biāo)系x、y、z軸；ε為坐標(biāo)系方位容差。整理后代入時(shí)間t，則兩架實(shí)驗(yàn)飛機(jī)在坐標(biāo)軸上的距離可表示為：

(4)

以及：

(5)

式中：α和β分別表示實(shí)驗(yàn)飛機(jī)1號(hào)和2號(hào)在預(yù)設(shè)飛行路徑交點(diǎn)O與水平面之間的夾角。

根據(jù)空域航行關(guān)系，假設(shè)實(shí)驗(yàn)飛機(jī)1號(hào)和2號(hào)在原點(diǎn)O的坐標(biāo)軸上存在對(duì)稱的距離，它們是S12x(t，Δt)、S12y(t，Δt)和S12z(t，Δt)，則可得時(shí)間間隔關(guān)系：Δt∈[0，tn-tn-1)。當(dāng)t為一個(gè)已知的固定值時(shí)，在目標(biāo)空域內(nèi)存在對(duì)稱的航行距離關(guān)系為：

(6)

如果實(shí)驗(yàn)飛機(jī)圍繞交點(diǎn)O，存在合理的對(duì)稱距離，則該數(shù)據(jù)可表示實(shí)驗(yàn)飛機(jī)之間的航行間隔。若ICAO設(shè)置的安全值等于這個(gè)距離數(shù)據(jù)，則當(dāng)實(shí)際航行間隔大于這個(gè)數(shù)值時(shí)，表示按先設(shè)飛行路徑繼續(xù)執(zhí)飛是安全的；反之則需調(diào)整，或中斷當(dāng)前飛行任務(wù)。所以，計(jì)算獲得目標(biāo)空域內(nèi)實(shí)際飛行條件下的航行間隔，用它和安全值進(jìn)行比較，可獲得最小間隔，這個(gè)結(jié)論可以用于構(gòu)成LFS評(píng)估數(shù)值。

當(dāng)前，大型無(wú)人機(jī)多搭載全球定位系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航和監(jiān)視，由于其精度較高，則在x、y和z軸方向上的方位容差滿足σix(i=1,2)，呈現(xiàn)高斯隨機(jī)分布，可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)飛行。結(jié)合無(wú)人機(jī)保護(hù)區(qū)半徑r和最小間隔S，可獲得沖突模型如下：

(7)

其中：

(8)

(9)

因?yàn)樵趯?shí)際運(yùn)行中，時(shí)間間隔Δt呈現(xiàn)區(qū)間狀態(tài)，表示為Δt∈(0，tC)。實(shí)驗(yàn)飛機(jī)1號(hào)和2號(hào)按各自預(yù)設(shè)飛行線路開(kāi)展任務(wù)，則沖突概率總值CP可表示為：

(10)

飛行器執(zhí)行完整任務(wù)的可行性，每10萬(wàn)飛行小時(shí)嚴(yán)重故障的發(fā)生率，飛行技術(shù)人員操作技巧的可靠性和非設(shè)備原因任務(wù)失敗概率，分別設(shè)置為u1、u2、u3和u4。假設(shè)當(dāng)前飛行器數(shù)量為N，結(jié)合一次沖突記錄為產(chǎn)生兩次事故的規(guī)定和式(10)，則目標(biāo)空域飛行安全等級(jí)評(píng)估CR的表達(dá)式為：

CR=2(1-u1)·u2·(1-u3)·(1-u4)·N·CP

(11)

統(tǒng)計(jì)自2008年起近十年公開(kāi)的無(wú)人機(jī)實(shí)際飛行數(shù)據(jù)，篩選其中執(zhí)行任務(wù)次數(shù)最多的三種機(jī)型，以及和目前國(guó)內(nèi)已投入運(yùn)行的兩種機(jī)型任務(wù)數(shù)據(jù)，如表1所示。其中，MTBF(Mean Time Between Failure)、可用度、飛行技術(shù)可靠性和非設(shè)備原因可靠性分別表示故障偶然發(fā)生平均值、執(zhí)行飛行任務(wù)的狀態(tài)、任務(wù)完成質(zhì)量和氣象因素致任務(wù)失敗率[7]。

表1 無(wú)人機(jī)執(zhí)飛人任務(wù)數(shù)據(jù)

由表1數(shù)據(jù)推導(dǎo)u1至u4，則有：

(12)

式中：Ri表示可靠性參數(shù)；Si表示目標(biāo)空域內(nèi)飛行器數(shù)量。同理將故障次數(shù)代入Ri，Si不變，則可同理獲得u2表達(dá)式。

根據(jù)對(duì)近十年飛行數(shù)據(jù)的分析后發(fā)現(xiàn)，人為操作原因是事故占比最高的因素，在所有事故中占比約9%，則飛行技術(shù)可靠性1-u3=1-9.62%=90.38%，又因?yàn)榉窃O(shè)備因素致任務(wù)失敗主要體現(xiàn)在氣象因素復(fù)雜，其占比為11%，則1-u4=1-11.32%=88.68%。

2.3 建立無(wú)人機(jī)與運(yùn)輸機(jī)間評(píng)價(jià)模型

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為大型無(wú)人機(jī)和載人運(yùn)輸飛機(jī)，根據(jù)球形保護(hù)區(qū)和ICAO規(guī)定的運(yùn)輸機(jī)航線保護(hù)區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范，建立兩架實(shí)驗(yàn)飛機(jī)間相對(duì)速度vr(km/h)、相對(duì)距離DREL和目標(biāo)空域體積V(km3)的表達(dá)式，則有：

(13)

DREL=vREL(vr)·t

(14)

V=λyλz[vREL(vr)t+λx]

(15)

式中：r為球形保護(hù)區(qū)半徑；α、β、θ依次為實(shí)驗(yàn)飛機(jī)與以O(shè)為原點(diǎn)的x軸、無(wú)人機(jī)與速度軸向、運(yùn)輸機(jī)與速度軸向之間的夾角。由此可得可能產(chǎn)生沖突的結(jié)論：若經(jīng)過(guò)時(shí)間t，實(shí)驗(yàn)飛機(jī)處于目標(biāo)空域容積V中，則表示兩架實(shí)驗(yàn)飛機(jī)存在沖突的可能。

因?yàn)榻K端區(qū)運(yùn)輸機(jī)飛行程序多為傳統(tǒng)程序，即不完全依靠衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行航跡引導(dǎo)，而是通過(guò)地面導(dǎo)航設(shè)備引導(dǎo)至預(yù)先規(guī)劃的航路點(diǎn)，完成終端區(qū)飛行。所以在此情況下，合理規(guī)避已有航路點(diǎn)進(jìn)行無(wú)人機(jī)執(zhí)飛空域范圍評(píng)價(jià)是很有必要的，可使執(zhí)飛任務(wù)效果最大化。設(shè)沖突關(guān)系C=ρV，則在時(shí)間t內(nèi)，N為目標(biāo)空域飛行器數(shù)量，ρ為目標(biāo)空域密度，發(fā)生沖突的概率表達(dá)式為：

(16)

(17)

綜上所述，建立實(shí)驗(yàn)飛機(jī)在目標(biāo)空域內(nèi)的飛行安全等級(jí)(LFS)表達(dá)式如下：

CR=CR′(1-P)k1k2=

[(1-p1p2)(1-p3p4)(1-p3p5p6)p7]×

(18)

根據(jù)計(jì)算模型AHMEMCR(Airspace Human Machine Environment and Management Collision Risk model)研究現(xiàn)狀設(shè)置P1至P7這7項(xiàng)參數(shù)[8]。它們分別是：預(yù)防機(jī)制可靠性、管制員能力、TCAS可靠性、機(jī)組駕駛技術(shù)能力、無(wú)人機(jī)的飛行可靠性、無(wú)人機(jī)駕駛?cè)藛T技術(shù)能力、故障概率。通過(guò)以上設(shè)置，建立多種影響因素指標(biāo)，第一次獲得基于大型無(wú)人機(jī)在目標(biāo)空域內(nèi)的飛行安全等級(jí)評(píng)估模型，并獲得了可以被量化的結(jié)果。

3 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和應(yīng)用

終端區(qū)運(yùn)行主要考慮機(jī)場(chǎng)與各航路點(diǎn)位置關(guān)系，爬升高度范圍和航路銜接方式?；诮K端區(qū)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，可使計(jì)算結(jié)果更具針對(duì)性，同時(shí)驗(yàn)證計(jì)算模型的普遍性。

仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分為無(wú)人機(jī)之間、無(wú)人機(jī)與運(yùn)輸機(jī)之間的飛行安全等級(jí)評(píng)估。無(wú)人機(jī)實(shí)驗(yàn)對(duì)象選擇速度較快、體積較大的機(jī)型，運(yùn)輸機(jī)實(shí)驗(yàn)對(duì)象根據(jù)某機(jī)場(chǎng)夏秋季節(jié)航班運(yùn)行情況，選擇B787-700機(jī)型。同時(shí)，當(dāng)前季節(jié)下機(jī)場(chǎng)每小時(shí)進(jìn)港航班數(shù)量約為23架次，離港航班數(shù)量約為27架次，參考現(xiàn)行有效飛行程序，則終端區(qū)結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2中ARP為機(jī)場(chǎng)基準(zhǔn)點(diǎn)，點(diǎn)A1至A3位進(jìn)場(chǎng)航路點(diǎn)，點(diǎn)D1至D3為離場(chǎng)航路點(diǎn)，待測(cè)目標(biāo)位于進(jìn)、離場(chǎng)航線所圍成的三角形區(qū)域中。通過(guò)對(duì)民航管制間隔規(guī)定研究發(fā)現(xiàn)，在目標(biāo)空域內(nèi)兩架飛行器處于面對(duì)面飛行，且其中一架處于爬升趨勢(shì)，另一架處于下降趨勢(shì)時(shí)，設(shè)置了最大的安全裕度，說(shuō)明將產(chǎn)生最大可能的沖突概率。仿真實(shí)驗(yàn)基于這種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，結(jié)合ICAO設(shè)置的安全值進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

圖2 終端區(qū)航路點(diǎn)結(jié)構(gòu)

3.1 無(wú)人機(jī)間仿真實(shí)驗(yàn)計(jì)算

實(shí)驗(yàn)飛機(jī)均裝備了全球定位系統(tǒng)，飛行任務(wù)為丘陵地形機(jī)場(chǎng)周邊的目標(biāo)監(jiān)測(cè)，飛行高度限制在海拔高度3 000米以下。實(shí)驗(yàn)飛機(jī)參數(shù)如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)機(jī)飛行數(shù)據(jù)1

根據(jù)飛行狀態(tài)和加入目標(biāo)空域的順序，仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)置如下。情況一：前機(jī)體積較大，后機(jī)體積較小，設(shè)置α=20°、β=10°和γ=140°；情況二：前機(jī)體積較小，后機(jī)體積較大，α=20°、β=10°和γ=130°；情況三：前后兩機(jī)集體相當(dāng)，α=20、β=10°和γ=60°。其中三種情況下的角度數(shù)據(jù)設(shè)置參照了ICAO航行要素規(guī)定的最佳切入角數(shù)據(jù)[9]。

將表2參數(shù)和上述三組仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)置代入式(11)，可獲得飛行安全等級(jí)和間隔關(guān)系曲線，根據(jù)關(guān)系曲線的趨勢(shì)，參照ICAO設(shè)置的安全值1.5×10-8(次事故/執(zhí)飛小時(shí))，獲得兩架實(shí)驗(yàn)飛機(jī)面對(duì)面飛行時(shí)，采取爬升和下降趨勢(shì)各一的情況，則安全間隔計(jì)算結(jié)果分別為：情況一：Smin(1)>1.452 km；情況二：Smin(2)>1.254 km；情況三：Smin(3)>1.393 km。仿真結(jié)果曲線如圖3所示。

圖3 無(wú)人機(jī)間仿真結(jié)果曲線圖

3.2 無(wú)人機(jī)與運(yùn)輸機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)計(jì)算

運(yùn)輸機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)需考慮尾流影響，則空域密度需在考慮飛行安全等級(jí)的基礎(chǔ)上，綜合分析管制手段的影響得出具體可實(shí)施的結(jié)論。實(shí)驗(yàn)飛機(jī)參數(shù)如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)機(jī)飛行數(shù)據(jù)2

仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)置如下。情況四：運(yùn)輸機(jī)在前，實(shí)驗(yàn)飛機(jī)在后，設(shè)置α=20°、β=10°和γ=140°；情況五：實(shí)驗(yàn)飛機(jī)在前，運(yùn)輸機(jī)在后，α=20°、β=10°和γ=130°。其中兩種情況下的角度數(shù)據(jù)設(shè)置參照了ICAO航行要素規(guī)定的最佳切入角數(shù)據(jù)。

根據(jù)運(yùn)輸機(jī)參數(shù)建立尾流公式：

(19)

式中：CL為升力系數(shù)；vA為運(yùn)輸機(jī)平飛速度；sA為機(jī)翼面積；b為翼展，由此可獲得前機(jī)在目標(biāo)空域內(nèi)平飛時(shí)的尾流強(qiáng)度[10]。又因?yàn)轱w行安全等級(jí)為間隔數(shù)據(jù)，令aA為目標(biāo)空域內(nèi)任意一點(diǎn)與尾渦中心的距離，則由式(19)可推導(dǎo)出基于尾流強(qiáng)度而需要增加的距離：

(20)

將表3中的飛機(jī)參數(shù)和第五組仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式(11)和式(20)，使用P1至P7的結(jié)論數(shù)據(jù)，同時(shí)將當(dāng)前空域的風(fēng)速、風(fēng)向、露點(diǎn)溫度等氣象條件參數(shù)，飛行員和空管人員接受的培訓(xùn)教育、監(jiān)控和協(xié)調(diào)能力等設(shè)置為優(yōu)良，參照ICAO設(shè)置的安全值1.5×10-8(次事故/執(zhí)飛小時(shí))，獲得了兩組組實(shí)驗(yàn)結(jié)果Smin(4)>5.402 km和Smin(5)>4.933 km，如圖4所示。

圖4 無(wú)人機(jī)與運(yùn)輸機(jī)間仿真結(jié)果曲線圖

將以上結(jié)果使用ICAO飛行程序設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行驗(yàn)證，滿足區(qū)域?qū)Ш较碌脑O(shè)計(jì)要求，滿足客觀事實(shí)。利用區(qū)域?qū)Ш絉NAV1(regional area navigation)和RNAV2設(shè)計(jì)規(guī)范(其中數(shù)字表示運(yùn)輸機(jī)側(cè)向飛行間隔為1或2海里)，將第五組實(shí)驗(yàn)結(jié)果代入式(18)，即實(shí)驗(yàn)飛機(jī)在前，運(yùn)輸機(jī)在后的情況，因?yàn)檫@種情況下造成的不安全事件次數(shù)占比較高，則可獲取目標(biāo)空域內(nèi)實(shí)驗(yàn)飛機(jī)密度ρRNAV-1≤2.922·10-3架/km3、ρRNAV-2≤2.585·10-3架/km3，繪制曲線如圖5所示，結(jié)果均滿足LFS小于ICAO設(shè)置的安全值1.5×10-8(次事故/執(zhí)飛小時(shí))。

圖5 密度結(jié)果曲線圖

圖5中密度曲線趨勢(shì)反映了實(shí)驗(yàn)飛機(jī)與運(yùn)輸機(jī)在不同導(dǎo)航規(guī)范間隔標(biāo)準(zhǔn)下安全運(yùn)行趨勢(shì)，契合了運(yùn)輸飛機(jī)航跡保護(hù)區(qū)需求越小，無(wú)人機(jī)可投放執(zhí)飛密度越大的客觀事實(shí)，其結(jié)果可作為低空空域飛行器放行和管制調(diào)配的有效參考。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用

當(dāng)前，運(yùn)輸航空飛機(jī)飛行安全等級(jí)評(píng)估主要是針對(duì)地面障礙物的計(jì)算和評(píng)價(jià)，缺少對(duì)空域條件的整體分析，未妥善處理運(yùn)輸機(jī)尾流強(qiáng)度對(duì)安全間隔裕度的影響。較多研究集中在通用航空，多針對(duì)ADS-B(automatic dependent surveillance-broadcast)等設(shè)備展開(kāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[11]。根據(jù)實(shí)驗(yàn)機(jī)場(chǎng)終端區(qū)現(xiàn)行有效的進(jìn)場(chǎng)和離場(chǎng)程序，將第五組仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入基于ADS-B設(shè)備下的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)模型進(jìn)行分析和計(jì)算，獲得滿足ICAO設(shè)置的安全值的最小間隔結(jié)果Smin(ADS-B)>5.937 km，繪制該結(jié)果下的可執(zhí)飛區(qū)域，如圖6所示。依照第五組實(shí)驗(yàn)結(jié)果Smin(5)>4.875 km，繪制可執(zhí)飛區(qū)域，如圖7所示。

圖6 基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果的實(shí)際運(yùn)用

圖7 基于飛行安全等級(jí)評(píng)估的實(shí)際運(yùn)用

圖中淺色、灰色和深色區(qū)域分別表示無(wú)人機(jī)可執(zhí)飛區(qū)域、緩沖區(qū)域和禁飛區(qū)域，三種區(qū)域均滿足飛行安全等級(jí)的評(píng)估。圖7較圖6存在更多的淺色區(qū)域，表示其規(guī)劃出了更多的可供實(shí)驗(yàn)飛機(jī)開(kāi)展飛行和完成監(jiān)測(cè)任務(wù)的區(qū)域，增加了待測(cè)目標(biāo)被涵蓋的數(shù)量，提升了任務(wù)執(zhí)行效率。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異受設(shè)備工作性質(zhì)、定位精度和尾流的影響?？煽偨Y(jié)為三點(diǎn)：(1) ADS-B等地面監(jiān)視設(shè)備均為甚高頻傳播原理[12]，一旦飛機(jī)脫離其有效范圍時(shí)，其誤差將急劇增大，同時(shí)由于終端區(qū)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)固定了地面基站的位置，致使在一定空域范圍內(nèi)的計(jì)算結(jié)果誤差不穩(wěn)定，不利于對(duì)結(jié)論進(jìn)行分析處理；(2) 未考慮全球定位系統(tǒng)的廣域性和定位精度；(3) 未考慮運(yùn)輸機(jī)尾流強(qiáng)度影響。綜上原因致使兩種評(píng)估方法下的最小間隔數(shù)值差異較大，明顯較小的數(shù)據(jù)更有利于對(duì)空域資源進(jìn)行精細(xì)化分配。

基于終端區(qū)結(jié)構(gòu)分析下的飛行安全等級(jí)評(píng)估，其先進(jìn)性主要體現(xiàn)在：評(píng)估模型引入了運(yùn)輸機(jī)尾流強(qiáng)度的影響計(jì)算，使仿真計(jì)算結(jié)果更符合真實(shí)運(yùn)行情況；設(shè)計(jì)并獲取了無(wú)人機(jī)保護(hù)區(qū)概念和計(jì)算結(jié)果，使用ICAO區(qū)域?qū)Ш斤w行程序設(shè)計(jì)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，利用計(jì)算結(jié)果實(shí)現(xiàn)優(yōu)化空域資源的目的。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文根據(jù)實(shí)際飛行環(huán)境設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)對(duì)象由大型無(wú)人機(jī)和運(yùn)輸機(jī)組成。根據(jù)空域條件和ICAO設(shè)置的飛行標(biāo)準(zhǔn)，增加了運(yùn)輸機(jī)尾流強(qiáng)度影響，建立了飛行安全水平評(píng)估模型。通過(guò)計(jì)算不同運(yùn)行條件下的飛行數(shù)據(jù)，獲得了實(shí)驗(yàn)飛機(jī)間所需的最小間隔和機(jī)群密度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，飛行安全等級(jí)評(píng)估能夠支持目標(biāo)空域內(nèi)的安全高效協(xié)同運(yùn)行，為避免產(chǎn)生飛行沖突啟到了重要作用。