自由飞行下基于航空器定位误差修正的碰撞风险研究

自由飞行能够提高空域容量从而缓解空域拥挤问题,在保障自由飞行安全性的基础上尽可能减小飞机的安全间距,需要研究自由飞行条件下飞机的安全评估问题。分析了所需CNS性能、防撞系统、风的因素等自由飞行下航空器定位误差的影响因素,考虑到航空器定位误差在短时间内具有累积性,提出采用INS、GPS数据融合算法对定位误差进行周期性修正。给出修正后的航空器定位误差分布在时间上的变化规律,并将其运用到自由飞行下碰撞风险评估中。结果表明,碰撞风险随安全间距增加呈下降趋势,以1.5×10-8次/飞行小时的目标安全水平为例,对航空器定位误差修正的最小安全间距为8 600 m,不对航空器定位误差进行修正的最小安全间距为9 100 m。     

基于布朗运动的自由飞行下碰撞风险研究

自由飞行是解决空域拥挤的有效方式,为保证飞行安全,对自由飞行下的碰撞风险进行研究。首先,假设自由飞行下飞机的定位误差服从正态分布,在平面直角坐标系内,建立2架飞机水平投影面和垂直投影面的随机运动学模型;其次,当2架飞机在2个投影面上的相对运动距离同时小于最小安全间隔时认为碰撞发生,据此建立飞行碰撞风险模型,并利用欧拉(Euler)方法求解;最后,通过Matlab对一算例进行计算,得出碰撞风险概率。将计算结果与实际安全目标等级对比,验证该模型的合理性。     

基于机动避让程序的配对进近安全前界计算

针对配对进近中配对前机由于错误进近闯入配对后机航向道的情形,提出3种机动避让程序;根据2架航空器的相对运动关系建立平面直角坐标系,在此基础上构建机动避让程序模型,并对最后进近阶段2架航空器的纵向间隔进行计算;然后提出确定配对进近安全区域前界的5个步骤;最后利用上海虹桥国际机场的相关数据对模型进行仿真,计算多种闯入角度和避让角度组合下,不同侧向间距的最小安全区域前界。仿真结果表明:跑道中心线间距越小,配对的2架航空器所需的最小纵向安全间隔越大;而闯入飞机的闯入角度越小,2架航空器所需的最小纵向安全间隔越小;该方法还可以实时定量计算近距平行跑道配对进近方式下的安全区域前界。     

ILS进近过程中多障碍物碰撞风险评估方法研究

为优化碰撞风险模型(Collision Risk Model, CRM)遮蔽角,从而准确计算基于仪表着陆系统(Instrument Landing System, ILS)进近过程中航空器与多障碍物的总碰撞风险,避免过度评估问题,首先,基于广播式自动相关监视(Automutic Dependent Surveillance-Broadcast, ADS-B)数据计算得到航空器位置偏差,并研究其水平分布特征;然后,建立障碍物分布模型,从而计算得到航空器与障碍物碰撞风险;最后,基于条件概率,得到沿跑道中线和垂直跑道中线(或其延长线)不同位置处的遮蔽角。结果表明：航空器水平分布不为正态分布,可通过拟合数据得到概率密度函数及累计分布函数,从而计算碰撞风险;沿飞行方向,遮蔽角逐渐增大,但变化范围不大;沿垂直跑道中线(或其延长线)方向,由近及远遮蔽角先减小后增大,距离较远时,遮蔽角甚至可超过14°。     

军民航空域安全评估中的碰撞风险研究

碰撞风险是空域安全评估的重要内容。为保证军民航的安全飞行,通过对民航Event模型碰撞风险的研究,构建了军航训练空域与民航航路的碰撞风险模型;根据军航飞机的飞行特点,建立了军航飞机侧向位置偏差概率模型;结合民航飞机的横向位置偏差概率模型重新计算Event模型中的碰撞盒穿越间隔片频率(GERh);选取某一战术动作对军民侧向碰撞风险进行仿真,确定其安全间隔;通过对飞行过程中各个关键点碰撞风险的研究,对空域的使用提出建议,并验证了理论的实用性。结果表明,当前10 km的安全间隔标准并不能符合规定的安全目标等级,至少需要再增加7 km的安全间隔才能使整个飞行过程均满足要求。     

考虑驾驶方式的车辆与航空器交叉冲突评估*

为量化不同驾驶方式下车辆与航空器行驶风险,提出车辆与航空器交叉运行冲突评估模型,该模型将特种车辆驾驶方式分为激进、稳定、保守3类,综合驾驶特性和管制规则定义车辆速度演化规律,结合运行场景、间隔配备等要素确定冲突条件,并基于航空器与车辆实时速度、位置变化构造冲突评估模型。研究结果表明:冲突评估模型能够计算车辆与航空器在十型交叉口的冲突概率;激进方式下车辆先于航空器通过交叉口,风险概率均值相对最大,为0.679;保守方式下航空器先于车辆通过交叉口,最大间隔是安全间隔的4.7倍;稳定驾驶方式可兼顾安全和效率。本文模型能再现十型道口车辆与航空器交叉运行冲突产生、发展及解脱过程,计算结果可用于场面实时冲突识别和预警,能够为机场危险源识别和风险管控提供依据。     

多随机因素影响下飞行间隔评估及冲突解脱阈值研究

为有效评估两机水平安全间隔并建立特情冲突解脱程序,基于多随机因素对飞机位置误差的影响,建立碰撞风险模型和冲突解脱阈值求解模型。首先,考虑CNS性能和高空风作用,改进飞行运动模型,建立碰撞风险模型,得到最低安全间隔标准计算方法。然后,考虑陆空通话影响,结合飞机转弯特性,建立两机在不同相对位置情况下的阈值求解模型,利用最低安全间隔标准值求解冲突解脱阈值。最后,以某管制试飞空域内特定机型相关数据及所受随机因素参数为例进行算例分析,得出两机最低安全间隔标准,并得到防止安全间隔丧失管制员介入冲突解脱程序的阈值,计算结果与管制运行实际吻合,验证了上述理论的正确性。依据多随机因素与最低安全间隔标准脉谱图拟合出相应公式,以期为管制员进行两机安全间隔调配与制定冲突解脱程序提供依据。     

机场终端区航空器飞行冲突风险预测方法研究

为了准确预测机场终端区航空器飞行冲突风险,以便能最大程度地利用低空空域资源,通过整合考虑加速度的运输飞机轨迹模型和通用飞机随机轨迹模型,建立终端区航空器飞行冲突风险预测模型。以某机场为例,采用C语言编写仿真程序,模拟该机场终端区跑道中心20 km范围内的航空器飞行轨迹。预测不同通航活动区设置条件下的飞行冲突风险,并确定运输机场周边通航活动区范围。预测结果显示,飞行高度限制为1 000 m时,将案例机场的该低空空域划设为非管制的监视空域,通用飞机与运输飞机之间的飞行冲突风险小于2×10-5,处于可接受安全水平。     

点汇聚进近飞行程序近地风险评估方法研究

为保证航空器持续下降运行技术安全实施,需评估点汇聚进近程序近地碰撞风险。根据点汇聚进近程序扇形区域特点,提出保护区设计方法,设计保护区内查找关键障碍物流程,给出关键障碍物的近地风险评估方法;针对长沙黄花国际机场36号跑道的点汇聚进近飞行程序,寻找10个关键障碍物;考虑到航空器的不同高度偏差,针对每种偏差飞经每个关键障碍物时的30个航空器随机飞行高度进行评估。结果显示,飞行器高度偏差小于50m时,能够满足国际民航组织(ICAO)规定的飞行程序安全标准,否则存在近地碰撞风险。     

空域规划中碰撞风险模型研究

为找到可操作的空域规划碰撞风险计算方法,基于空域规划参数,改进原有模型,建立航段上每飞行小时飞机的碰撞风险模型。首先,分析空域规划过程中终端区空域和航路巡航阶段航迹夹角0~180°情况下的碰撞风险;然后,将碰撞风险表示为来源于一条航段上飞机的碰撞风险和来源于其他多条航段上飞机的碰撞风险之和,建立碰撞风险模型;最后,将终端区空域规划中的相关参数值输入到该模型,计算2种方案的碰撞风险,并分析碰撞风险随参数的变化趋势。研究结果表明:在已给定其他参数值的条件下,碰撞风险随所需导航性能(RNP)数值、航段起始点高度以及航段起始点的纵向标称距离的增加(垂直标称距离减少)而增加,随着航迹夹角和飞行梯度的增加而减小。因此,可利用该模型计算并分析不同方案的碰撞风险。     

自由飞行下基于高斯白噪声的碰撞风险模型

飞机的安全性在自由飞行中受到通信导航监视性能、人为因素、防撞系统等因素的影响,其中通信导航监视性能会导致飞机产生定位误差,这种定位误差具有高斯白噪声的特性。主要考虑飞行定位误差的高斯白噪声特性,将此误差用概率表示为以理论位置向外辐射,根据飞机的相对运动,建立基于高斯白噪声的碰撞风险模型,给出模型中各参数的求解方法,从而得到碰撞风险。最后用算例验证了模型的可行性,在现行的安全目标水平之下为相关运行部门提供相应的最小安全间距,为实际运行奠定一定的理论基础。     

基于零膨胀模型的航空器危险接近事件安全影响因素研究*

为探究航空器危险接近事件安全影响因素,降低航空器碰撞风险,利用二元概率函数区分航空器危险接近事件危险状态,利用probit函数确定不同风险等级结果,构建航空器危险接近事件零膨胀有序概率模型。结果表明:机组人员程序执行偏差、侵犯领空（无人驾驶飞机未获许可在管制空域飞行）、意图沟通无效或不充分、未监控其他飞机或监控不及时4个安全影响因素,增加航空器危险接近时碰撞风险概率分别为7.03%、4.25%、7.14%和6.03%。     

RVSM空域航空器大高度偏差垂向碰撞风险评估

为了增加空域容量,缩小垂直间隔(RVSM)在全球范围内广泛实施,运行RVSM必须在实施前和实施后都应对RVSM空域进行安全评估,使其符合国际民航组织系统性能规范要求.根据北大西洋和欧洲地区采集的相关数据,结合我国大高度偏差(LHD)统计数据,通过改进Reich碰撞模型,计算在RVSM空域同航路的航空器因操作性误差引起大高度偏差时在垂直方向上的碰撞率.计算结果表明,总的RVSM运行风险小于规定值,航路垂直间隔标准在给定的飞行环境下是安全的.     

融合空域无人机与有人机冲突风险预测与解脱

为降低无人机和有人机在融合空域的相撞风险,针对其冲突风险进行预测,并提出解脱方法。利用速度障碍法建立改进速度障碍冲突风险预测模型,对无人机的解脱方向进行优化。根据无人机和有人机实时运行状态参数,构建冲突解脱模型坐标系,分析二者基本物理运动要素,得到冲突条件和解脱方向,并通过改航、改速的方法,建立冲突解脱模型,求出解脱完成时间,即无人机开始恢复原速度、原航向的时间点;进行仿真模拟,验证了模型的可行性。研究表明,改进速度障碍模型可为无人机提供解脱方向,确定恢复原航向、原速度的时间。     

基于雷达数据的侧向跑道进场保护区研究

为了掌握离场航空器在侧向跑道运行时的放行时机,降低航空器在侧向跑道延长线交叉点处的碰撞风险,提出了一种基于航空器碰撞发生概率来确定侧向跑道上航空器进场保护区的方法。通过定量计算航空器之间的碰撞风险,得到航空器在不同位置的碰撞风险值概率分布直方图,利用Origin软件进行拟合,根据拟合输出结果确定保护区。在实际运行中,可以使用此方法制定策略,避免航空器有可能发生的空中碰撞,降低进离场航空器之间的碰撞风险。     

基于基准系统比较法的雷达间隔评估

为缓解我国目前飞行流量日渐增加、空域紧张等情况,提出了一种系统评估航空器雷达间隔的新方法。首先,介绍了雷达间隔研究所使用的基准系统比较法,给出了分析方法和评估流程;其次,在综合考虑影响飞行安全各种因素的基础上,利用近距离危险接近概率(CAP)模型和基准系统比较法,建立了航空器间的雷达间隔评估模型,可对航空器飞行安全进行量化分析评估;最后,利用统计学知识和实测数据对该方法进行对比验证。结果表明:1)不同精度的雷达与雷达安全间隔密切相关,直接影响空中交通流量和航空器的运行效率;2)对于普通二次雷达,N-N模型更能反映雷达角度误差的分布情况;3)当雷达间隔为5 n mile时,危险进近概率为1.382 1×10-11,用精度更低(雷达角度误差为0.138 13)的雷达替换时,为保证航空器飞行安全,雷达间隔应增大到5.3 n mile;4)使用高精度雷达进行管制指挥和监控,可提高飞行流量,缓解航班延误,提升管制效率。     

多机空战训练空域军民航飞行安全研究

为科学地划设军航训练空域,有效避免军民航飞行冲突,采用Event模型,仿真模拟军航飞机的标称航迹,计算军民航飞机在导航误差、军航飞行员操作误差、侧向风等因素影响下的侧向重叠概率,构建碰撞概率模型,研究军民航碰撞风险;然后,以二对一空战"钳形攻击"训练为例,结合多机飞行的复杂性和多变性,利用模型计算出符合国际民航组织(ICAO)安全目标等级的训练空域安全余度;最后,分析军民航飞行安全性,研究军航飞行训练方法,给出相应建议。结果表明:在所指定飞机机型的情况下,在训练标称航迹外侧增加8 km的安全余度,能使军民航碰撞风险满足ICAO的要求。     

陆空通话下的平行航路碰撞风险模型研究

目前在平行航路碰撞风险研究中,通常会忽略人为因素的影响。为更系统地研究平行航路的碰撞风险,提高碰撞风险值计算的准确性,先分析航路飞行特点找出陆空通话下平行航路中人因可靠性的影响因素;然后考虑人与人交互的过程,改进传统的认知可靠性与失误分析方法(CREAM),构建平行航路中人因可靠性的计算模型。根据Brooker思想,建立并分析纵向、垂直、侧向3种平行航路碰撞风险模型。将所建模型应用于三亚区管中心。结果表明,陆空通话下某平行航路的碰撞风险值小于国际规定的安全目标水平,进而说明该模型可用于平行航路碰撞风险的研究。     

仪表转场飞行训练风险评估

为提升飞行学员的仪表转场飞行训练安全水平,根据仪表飞行规则要求和航空运行控制理论,制定仪表转场飞行训练的程序和风险评估方法;建立仪表转场飞行训练的空域碰撞风险和线路安全超障模型和算法;构建完整的仪表转场飞行放行评估流程,确定飞行程序实施风险评估流程和评价指标体系,将仪表转场飞行训练内容按照航线运输飞行模式展开;以加拿大红鹿基地经典仪表转场飞行训练考试为例,验证该方法的可行性。研究结果表明:通过建立空域碰撞和飞行路线安全超障的模型算法,系统分析各航行要素,可实现对仪表转场飞行训练内容和环节的安全风险定量评估。     

尾涡流场影响下的CSPRs配对进近侧向碰撞动力学分析

为研究近距平行跑道(CSPRs)配对进近侧向碰撞风险,首先结合非配对进近飞机的运动过程,建立配对进近飞机对的间隔模型,确定任意时刻飞机对之间的理论间隔值;其次分析飞机的尾涡流场特性,建立前机尾流的强度计算模型和消散模型,并分析飞机遭遇尾流后的响应机制,建立后机在前机尾涡流场内的力矩平衡模型,从而确定前后机的尾流安全间隔;然后分析飞机的侧向定位误差,得出飞机对之间实际间隔的概率分布,并建立侧向碰撞风险计算模型;最后利用模型分析配对进近过程中前后机之间侧向碰撞风险的变化情况。结果表明:侧向碰撞风险随初始间隔值、正侧风值增大而增大,随后机副翼偏转角度增大而减小,配对飞机对在到达跑道口时碰撞风险值达到最大。