李洪偉，章學(xué)鋒，易 東，楊希鵬

（四川九洲空管科技有限責(zé)任公司空管研究所，四川綿陽621000）

空中交通告警與防撞系統(tǒng)（TCAS,traffic alert and collision avoidance system）是一種不依賴地面的空中交通管制系統(tǒng)機(jī)載設(shè)備，用于保證空中飛行間隔，是空中交通管制系統(tǒng)的備份系統(tǒng)[1]。TCAS 基于二次監(jiān)視雷達(dá)原理，其典型配置包括：TCAS 主機(jī)、S 模式應(yīng)答機(jī)、顯示單元、控制單元和定向/全向天線[1]。由于其系統(tǒng)交聯(lián)復(fù)雜、體積功耗較大、成本高，主要用于軍民用運(yùn)輸機(jī)和大中型轟炸機(jī)等，難以在小型飛機(jī)上推廣應(yīng)用。

隨著通用航空和無人機(jī)的快速發(fā)展，通用飛機(jī)、軍民用無人機(jī)等小型飛機(jī)的數(shù)量越來越多，其飛行沖突風(fēng)險越來越大，飛行防撞問題越來越突出。廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B, automatic dependent surveillance-broadcast）是美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）用于高精度監(jiān)視空中目標(biāo)飛機(jī)和實(shí)現(xiàn)空中交通管制的技術(shù)手段之一[2]。FAA 希望通過使用ADS-B 設(shè)備實(shí)現(xiàn)在空域飛機(jī)密度不斷提高的情況下，減少飛機(jī)間隔、降低碰撞危險和節(jié)約油耗成本，并且提高商用運(yùn)輸飛機(jī)和小型飛機(jī)的空域態(tài)勢感知能力。目前國內(nèi)在研究利用ADS-B 進(jìn)行防撞方面，文獻(xiàn)[3-6]提出利用ADS-B 實(shí)時監(jiān)視數(shù)據(jù)來計算飛機(jī)是否進(jìn)入沖突保護(hù)區(qū)的方法，保護(hù)區(qū)是基于間隔標(biāo)準(zhǔn)、飛行規(guī)則或定位精度設(shè)置，且大小固定，但其存在以下問題：①保護(hù)區(qū)大小與相對運(yùn)動狀態(tài)無關(guān)，因而在不同碰撞場景下（相對運(yùn)行狀態(tài)不同），其預(yù)警時間的長短不確定，飛行員在識別與避撞操作上嚴(yán)重不適應(yīng)；②基于間隔標(biāo)準(zhǔn)的防沖突可理解為間隔保持，其預(yù)警提前量很大，一般由地面空中交通管制（ATC）負(fù)責(zé)。文獻(xiàn)[7-10]提出利用ADSB 監(jiān)視信息，借鑒TCAS 原理或直接將ADS-B 數(shù)據(jù)發(fā)送給TCAS 來進(jìn)行防撞，前者直接將ADS-B 數(shù)據(jù)作為TCAS 數(shù)據(jù)源，但考慮TCAS 原理難以避免目前已發(fā)現(xiàn)的多種TCAS 虛警現(xiàn)象，后者僅將ADS-B 數(shù)據(jù)作為監(jiān)視數(shù)據(jù)源之一，用于融合監(jiān)視。國外對無人機(jī)平臺開展了多源傳感器的融合監(jiān)視和防撞技術(shù)飛行驗(yàn)證。2014年11月，通用原子能公司與美國國家航空航天局（NASA）聯(lián)手，對裝在MQ-9 Reaper 無人機(jī)的空中防撞系統(tǒng)（感知與規(guī)避系統(tǒng)）技術(shù)方案進(jìn)行了飛行驗(yàn)證，其自動防撞系統(tǒng)包括：ADS-B、TCAS 和小型探測雷達(dá)，其中ADS-B 主要用于融合監(jiān)視。

結(jié)合以上研究，提出基于ADS-B 的機(jī)載防撞告警系統(tǒng)，利用ADS-B 監(jiān)視數(shù)據(jù)得到飛行態(tài)勢，建立依據(jù)兩機(jī)會合速率的動態(tài)保護(hù)區(qū)，檢測本機(jī)是否進(jìn)入目標(biāo)機(jī)保護(hù)區(qū)來判斷飛行沖突，給出連續(xù)實(shí)時更新的告警指示。該系統(tǒng)能在不同沖突場景下給出一致的預(yù)警時間，預(yù)警結(jié)果更精確合理，更符合飛行員操作需要。

1 總體架構(gòu)設(shè)計

基于ADS-B 實(shí)現(xiàn)交通態(tài)勢感知，需要2 個全向天線、1 個ADS-B 接收機(jī)和1 個處理模塊。前者通過全向上下天線接收空域其它飛機(jī)的ADS-B 廣播報文，后者對其進(jìn)行譯碼處理后形成航跡，并通過威脅探測和告警處理算法形成告警，通過圖形和語音方式提醒飛行員存在碰撞沖突危險。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖Fig.1 System composition block diagram

系統(tǒng)工作流程如下：

1）ADS-B 接收機(jī)通過上/下全向天線接收空域中的ADS-B 廣播報文；

2）譯碼及航跡處理模塊對廣播報文進(jìn)行譯碼并形成目標(biāo)的點(diǎn)跡，然后進(jìn)行航跡處理，形成目標(biāo)航跡；

3）威脅探測及告警處理模塊對目標(biāo)飛機(jī)與本機(jī)的經(jīng)緯度、高度、速度、航向信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)處理、航跡預(yù)測，并判斷本機(jī)與每1 架目標(biāo)飛機(jī)是否會碰撞交匯，如果存在則通過圖形和語音方式輸出告警提示。

2 沖突探測原理

首先建立飛機(jī)的保護(hù)區(qū)模型（保護(hù)區(qū)大小根據(jù)預(yù)測的會合速率而改變），然后預(yù)測本機(jī)與空域中所有相關(guān)目標(biāo)飛機(jī)的會合軌跡和會合速率，當(dāng)本機(jī)沿著預(yù)測軌跡對目標(biāo)機(jī)保護(hù)空域出現(xiàn)入侵時，則產(chǎn)生告警。算法包含3 個主要模塊：建立保護(hù)空域、軌跡預(yù)測及告警決策邏輯。

對每架運(yùn)動的目標(biāo)飛機(jī)，以該飛機(jī)為中心，建立2 個同心圓柱狀的保護(hù)空間。外部保護(hù)空間的大小根據(jù)本機(jī)與目標(biāo)機(jī)的會合速率動態(tài)調(diào)整，稱為保護(hù)區(qū)（PAZ,protected airspace zone）；內(nèi)部保護(hù)空間大小固定，稱為碰撞區(qū)（CAZ,collision airspace zone）。設(shè)水平最小保護(hù)距離為500 ft（1 ft=0.304 8 m），垂直最小保護(hù)距離為200 ft，保護(hù)區(qū)域示意圖如圖2 所示。

圖2 目標(biāo)機(jī)保護(hù)區(qū)域示意圖Fig.2 Protected area diagram of target aircraft

目標(biāo)機(jī)和本機(jī)的軌跡按1 次/s 的周期進(jìn)行預(yù)測。根據(jù)常數(shù)轉(zhuǎn)彎率，即目標(biāo)機(jī)和本機(jī)以固定的機(jī)動進(jìn)行連續(xù)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)彎，預(yù)測二者的持續(xù)運(yùn)動狀態(tài)以及將要到達(dá)的位置，目標(biāo)機(jī)和本機(jī)固定轉(zhuǎn)彎率軌跡預(yù)測如圖3 所示。

在固定轉(zhuǎn)彎率下，目標(biāo)機(jī)和本機(jī)的相對幾何會合形狀是動態(tài)變化的，因而會合速率會變化，動態(tài)保護(hù)區(qū)隨會合速率的減小而縮小。依據(jù)目標(biāo)機(jī)沿軌跡的空中緩沖區(qū)域面積及其預(yù)測位置，本機(jī)告警邏輯確定是否為給定目標(biāo)報警。如果本機(jī)被預(yù)測侵入目標(biāo)飛機(jī)PAZ區(qū)域，則發(fā)出初始告警信息并傳給飛行員，報告目標(biāo)位置并繼續(xù)觀察目標(biāo)的行動。標(biāo)準(zhǔn)告警格式示包含了目標(biāo)機(jī)的狀態(tài)和運(yùn)動參數(shù)，如：“交通、交通，10 點(diǎn)鐘方向，高度3 000 ft，3 n mile（1 n mile = 1.852 km），下降”。圖3 中，PAZ 區(qū)域沿著預(yù)測軌跡逐漸縮小，預(yù)測到本機(jī)將在未來30 s 內(nèi)進(jìn)入目標(biāo)機(jī)的PAZ 區(qū)域，導(dǎo)致向飛行員發(fā)出初始告警。如果狀況一直未改變或更加惡化并且預(yù)測將有CAZ 入侵發(fā)生，告警系統(tǒng)將會報告給飛行員更新的告警信息，該信息格式不變但是更新了目標(biāo)機(jī)位置和行為信息。當(dāng)直接檢測到本機(jī)侵入目標(biāo)機(jī)保護(hù)區(qū)或碰撞區(qū)，則發(fā)布告警中包含聲光警示。

圖3 固定轉(zhuǎn)彎率軌跡預(yù)測Fig.3 Trajectory prediction of fixed turning rate

3 算法設(shè)計及實(shí)現(xiàn)

3.1 概述

算法包括：目標(biāo)機(jī)威脅數(shù)據(jù)庫和沖突檢測器兩個部分，兩者分別對應(yīng)算法運(yùn)行的更新模式和探測模式，順序執(zhí)行。當(dāng)存在新的目標(biāo)信息時，首先更新目標(biāo)機(jī)威脅數(shù)據(jù)庫（最低更新率為1 Hz），然后利用沖突探測器對威脅數(shù)據(jù)庫中的目標(biāo)進(jìn)行威脅評估。沖突探測器始終使用威脅數(shù)據(jù)庫中最新時刻的可用數(shù)據(jù)。

3.2 更新模式

在更新模式下，算法利用接收到的實(shí)時狀態(tài)信息更新威脅數(shù)據(jù)庫。其中的數(shù)據(jù)變量如表1 所示。

3.3 探測模式

探測模式是算法的核心，對威脅數(shù)據(jù)庫中的每個目標(biāo)進(jìn)行估計，確定其是否對本機(jī)產(chǎn)生威脅，包括：軌跡預(yù)測、沖突搜索和沖突確認(rèn)3 個模塊。沖突算法框架如圖4 所示。

3.3.1 軌跡預(yù)測

軌跡生成器產(chǎn)生本機(jī)和目標(biāo)機(jī)軌跡，該軌跡定義了本機(jī)和目標(biāo)機(jī)將要遵循的運(yùn)動路線。假設(shè)本機(jī)和目標(biāo)機(jī)保持當(dāng)前的轉(zhuǎn)彎率、水平速度和垂直速度[11]，設(shè)軌跡預(yù)測產(chǎn)生空間離散點(diǎn)的間隔時間為t，前向預(yù)估時間為tlook，則軌跡預(yù)測點(diǎn)數(shù)量n 取決于tlook和t，其計算公式為：tlook/t。每條預(yù)測軌跡的第1 個點(diǎn)是告警系統(tǒng)最后接收信息的點(diǎn)，其坐標(biāo)為（x0，y0，z0）。軌跡生成器對本機(jī)和每架目標(biāo)機(jī)分別進(jìn)行軌跡預(yù)測，則在預(yù)測時刻k下的跟蹤角度和目標(biāo)機(jī)軌跡的坐標(biāo)位置可表示為

表1 威脅數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)變量Tab.1 Data variables in threat database

圖4 沖突探測算法框架圖Fig.4 Frame diagram of collision detection algorithm

其中：v 為本機(jī)和目標(biāo)機(jī)的相對水平速度；vz為本機(jī)與目標(biāo)機(jī)的相對垂直速度；k=1，2，…，n。

3.3.2 沖突搜索

在本機(jī)軌跡和每個目標(biāo)機(jī)軌跡之間依次進(jìn)行比較，確定是否存在對本機(jī)構(gòu)成碰撞威脅的目標(biāo)機(jī)，過程包括：①計算PAZ 大小和物理間隔；②對CAZ 和PAZ 預(yù)計間隔進(jìn)行評估；③確定告警狀態(tài)。

1）計算PAZ 大小和物理間隔

針對已生成的目標(biāo)機(jī)和本機(jī)預(yù)測軌跡，預(yù)測時刻k 下目標(biāo)機(jī)PAZ 的大小會隨著其與本機(jī)會合速率的變化而變化，需首先求出預(yù)測時刻k 下二者在水平和垂直方向的會合速率，即

其中：dx，k和dy，k分別為預(yù)測時刻k 下目標(biāo)機(jī)與本機(jī)在東西和南北方向的相對距離；vrel，x，k和vrel，y，k分別為預(yù)測時刻k 下目標(biāo)機(jī)與本機(jī)在東西和南北方向的相對速度；vz，tar，k和vz，sam，k分別為預(yù)測時刻k 下目標(biāo)機(jī)與本機(jī)在垂直方向的速度。預(yù)測時刻k 下水平和垂直方向上PAZ 區(qū)域大小可表示為

其中：τ 為碰撞預(yù)警時間，取值范圍為15～35 s.

預(yù)測時刻k 下沿著預(yù)測軌跡的目標(biāo)機(jī)與本機(jī)的水平和垂直間隔計算公式如下

其中：dv，k為預(yù)測時刻k 下目標(biāo)機(jī)與本機(jī)在垂直方向的相對距離。

2）對CAZ 和PAZ 預(yù)計間隔的評估

該流程沿著預(yù)測時刻k 預(yù)計間隔距離（Seph，k和Sepv，k）以確定本機(jī)是否位于目標(biāo)機(jī)的PAZ 或者CAZ的邊界之內(nèi)。如 果Seph，k和Sepv，k均小于PAZh，k和PAZv，k（例如，有PAZ 入侵），則沿著軌跡最早產(chǎn)生入侵點(diǎn)的時間被記錄為tPAZ。同理，如果預(yù)計產(chǎn)生CAZ 入侵，沿著軌跡最早產(chǎn)生入侵點(diǎn)的時間被記錄為tCAZ。

3）目標(biāo)告警狀態(tài)的確定

采用告警雙觸發(fā)及告警抑制檢測方法來確定目標(biāo)是否進(jìn)入告警狀態(tài)。主要處理機(jī)制如下：①確定是否為兩個連續(xù)PAZ 或CAZ 侵入，然后立即產(chǎn)生PAZ或CAZ 告警或再次檢測一個周期，當(dāng)達(dá)到雙觸發(fā)門限后才進(jìn)行告警；②確定告警是否發(fā)生在告警滯后范圍內(nèi)，如果是則應(yīng)被抑制。一旦產(chǎn)生告警，則通過視頻和語音的方式給出告警提示，設(shè)置滯后功能，一旦目標(biāo)進(jìn)入告警狀態(tài)，則將在視頻和語音信息最長可能保持時間段內(nèi)保持告警狀態(tài)，該時間段定義為滯后時間。

3.3.3 沖突確認(rèn)

轉(zhuǎn)彎率估計的噪聲對于軌跡預(yù)測有明顯影響，可能導(dǎo)致軌跡的“擺動”，從而產(chǎn)生不必要的告警，還可能導(dǎo)致2 架飛機(jī)在動態(tài)演變過程中有效告警結(jié)束，對相同目標(biāo)重復(fù)告警。使用常數(shù)轉(zhuǎn)彎率軌跡預(yù)測的另一個影響是急轉(zhuǎn)彎時預(yù)計軌跡可能彎曲甚至產(chǎn)生360°翻轉(zhuǎn)。例如機(jī)場環(huán)境中，原本持續(xù)的操作不會導(dǎo)致不安全的環(huán)境，但該預(yù)測算法則可能產(chǎn)生虛假的威脅。

預(yù)防轉(zhuǎn)彎和搖擺請求告警的方法為：除非本機(jī)已經(jīng)在PAZ 區(qū)域內(nèi)，如果當(dāng)前觀察到的狀態(tài)預(yù)測時間范圍內(nèi)沒有指明最接近點(diǎn)將會到達(dá)，則不進(jìn)行告警。

預(yù)防重發(fā)告警方法為：保持告警狀態(tài)，直至目標(biāo)機(jī)在垂直方向或者水平方向不再靠近本機(jī)。

4 仿真及分析

4.1 仿真場景描述

仿真場景分為告警和不告警兩種情況。數(shù)據(jù)來源于經(jīng)過篩選的ADS-B 真實(shí)飛行軌跡，經(jīng)過時間和空間的歸一化處理后使飛行航跡產(chǎn)生需要的碰撞場景，并經(jīng)過加噪聲處理。數(shù)據(jù)源的信息主要包括：時間戳、地址碼、經(jīng)度、緯度、東西向速度、南北向速度等。

機(jī)型包括固定翼飛機(jī)和旋翼飛機(jī)，典型的應(yīng)用場景包括：迎頭碰撞、追尾碰撞、機(jī)動碰撞、交叉碰撞、迎頭不碰撞、追尾不碰撞、機(jī)動不碰撞、交叉不碰撞等。具體選用的仿真場景見運(yùn)行結(jié)果分析。

4.2 仿真程序平臺及程序原理

所有仿真程序和實(shí)驗(yàn)均運(yùn)行于Matlab7.3.0。首先，對輸入的數(shù)據(jù)文件分別按本機(jī)和目標(biāo)機(jī)進(jìn)行時間序列重排。本機(jī)不作航跡預(yù)測處理而是直接更新，目標(biāo)機(jī)則按照前向35 s（以1 s 為單位，共35 個步進(jìn)）計算其PAZ 和CAZ 范圍。經(jīng)過沖突確認(rèn)后發(fā)出告警或取消告警。程序中建立了1 個抽象航跡類的航跡池，其抽象屬性至少包含如下元素：航班號（可以是內(nèi)部虛擬ID），時間戳，x 軸坐標(biāo)（東西向位置），y 軸坐標(biāo)（南北向位置），z 軸坐標(biāo)（高度），x 軸速度，y 軸速度，z軸速度，航向，轉(zhuǎn)彎速率，航跡延展（航跡預(yù)測）。

4.3 運(yùn)行結(jié)果分析

仿真實(shí)驗(yàn)共測試了777 個用例，從測試結(jié)果看，發(fā)出告警和取消告警的時間均符合規(guī)則，能夠有效感知本機(jī)周邊交通情況，幫助飛行員規(guī)避潛在威脅。以3個典型場景用例進(jìn)行分析，仿真結(jié)果如圖5～圖7 所示。其中：目標(biāo)機(jī)與本機(jī)軌跡上箭頭方向?yàn)轱w機(jī)運(yùn)動方向；圍繞在目標(biāo)機(jī)外的淺色圓環(huán)為水平保護(hù)區(qū)；目標(biāo)機(jī)上下的淺色包絡(luò)為垂直保護(hù)區(qū)。

1）追尾不碰撞場景

仿真結(jié)果如圖5 所示。該用例是飛行中最常見的一種情況，雙機(jī)在同一航線上追尾飛行，地面觀察站很容易給出碰撞預(yù)判，但其實(shí)由于雙機(jī)的速度差異和切入角很小，實(shí)際飛行中并不會產(chǎn)生碰撞事件，圖5（c）和圖5（d）分別顯示沒有發(fā)生告警。

圖5 用例1 的仿真結(jié)果Fig.5 Simulation result of Case One

2）交叉碰撞場景

仿真結(jié)果如圖6 所示。該用例是一種典型的碰撞事件。水平方向上有較大的切入角且速度差異不大，垂直方向上本機(jī)快速爬升，目標(biāo)機(jī)快速下降。由圖6（c）和圖6（d）可以看到保護(hù)告警立即開啟，緊接著碰撞告警也一并開啟。其中，圖6（c）和圖6（d）分別顯示了PAZ 告警和CAZ 告警的發(fā)布和保持時間。

圖6 用例2 的仿真結(jié)果Fig.6 Simulation result of Case Two

3）雙機(jī)機(jī)動碰撞場景

仿真結(jié)果如圖7 所示。該用例是雙機(jī)大機(jī)動情況下的碰撞場景。圖7（a）顯示目標(biāo)機(jī)在機(jī)動中，隨著碰撞的可能性增加，保護(hù)區(qū)的范圍擴(kuò)大（在碰撞區(qū)外）；隨著雙機(jī)逐漸接近，保護(hù)區(qū)則根據(jù)會合速率逐漸減小，直到發(fā)生碰撞恢復(fù)至默認(rèn)最小值。CAZ 告警在碰撞發(fā)生后立即關(guān)斷，而PAZ 告警在碰撞威脅完全消除后關(guān)斷。圖7（c）和圖7（d）分別顯示了PAZ 告警和CAZ 告警的發(fā)布和保持時間。

圖7 用例3 的仿真結(jié)果Fig.7 Simulation result of Case Three

5 結(jié)語

針對小型飛機(jī)的防撞需求，利用ADS-B 報文位置信息實(shí)現(xiàn)飛機(jī)空空監(jiān)視，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了基于ADS-B 的防撞系統(tǒng)總體架構(gòu)，提出依據(jù)兩機(jī)會合速率來建立動態(tài)保護(hù)區(qū)的方法，給出沖突檢測告警算法，并利用真實(shí)飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析。該方法建立的保護(hù)區(qū)與兩機(jī)相對飛行狀態(tài)相關(guān)，對不同飛行場景能給出一致的預(yù)警時間，預(yù)警更精確更合理。該系統(tǒng)具有更低的成本、重量和功耗。在工程應(yīng)用中要注意對算法的魯棒性、安全性進(jìn)行提升，同時考慮測試需要，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時能夠檢測到故障，并進(jìn)入降級模式，防止在系統(tǒng)數(shù)據(jù)或外部數(shù)據(jù)異常時給出不當(dāng)告警。