中期冲突探测MTCD告警技术原理与计算模型研究

中期冲突探测MTCD告警技术原理与计算模型研究

陈秀娜

民航中南空管局空管设备应用技术开放实验室  广州  510403

【摘  要】随着民航快速发展，航班运输量不断增加，而我国空域结构复杂，有限的空域资源和不断增加的航班流量之间矛盾日益显现出来。MTCD中期冲突探测告警比STCA短期冲突探测提前数分钟，能够更早地发现潜在冲突风险，使得管制员有更充足时间来调配飞行冲突问题。本文介绍莱斯自动化系统中期冲突探测概念现状、技术原理、计算模型，并在实际应用中提出优化建议。

【关键词】中期冲突探测；MTCD；空管自动化

1MTCD概念和现状

为了避免航空器冲突，保障飞行安全，国际民航组织ICAO明确规定航空器正常飞行的安全间隔。根据冲突探测时间可分为短期冲突探测、中期冲突探测和长期冲突探测，不同层次对应不同技术决策。中期冲突探测MTCD是基于实时监视数据、飞行计划信息和管制意图，结合策略模型算法预测飞行轨迹进行告警。短期冲突告警主要用于实时冲突，而MTCD用于发现潜在冲突，使得管制员更早对冲突进行干预调配。MTCD比STCA算法更为复杂[1]，除了位置和速度外还需综合考虑管制意图、航空器性能等因素。

目前国外典型中期冲突探测方法有欧洲几何型中期冲突探测方法、Prandini等提出的随机化方法[2]、Paielli等提出的近似解析方法。国外关于冲突探测方法研究基本以自由飞行为前提的，结合我国复杂空域，考虑到军民航飞行冲突，无法真正做到自由动态改航，建立适合我国国情的冲突探测算法至关重要。过去我国三大区管空管自动系统采用FPCP飞行计划中期冲突探测告警，没有充分考虑实时飞行监视信息、管制意图等因素，产生虚警很多，没有实际应用意义。近年来，新型的基于监视数据和飞行计划的中期冲突探测告警改进功能逐步投入空管自动化实际应用中。

2中期冲突探测技术原理

莱斯自动化中期冲突探测技术原理是基于实时航迹信息（位置、高度、速度、上升下降率、航向等）、飞行计划信息（航班号、航路等）及管制意图（指令高度），对当前飞机在前探时间内进行4D航迹预测，当两个航班水平间隔和垂直间隔同时满足告警门限时，计算冲突计数到达告警确认次数时触发中期冲突告警。航班需进行合法性检查，包括高度、速度、二次代码和区域限制。MTCD区域包括一个运行区、若干个告警区和抑制区，告警区位于运行区内。每个告警区定义相应优先级，数字越小优先级越高。优先级决定了告警计算时所采用的告警参数。当两个告警区有重叠部分，则重叠区采用优先级高的告警参数，当两个航班同时在抑制区时告警才会抑制。

告警触发和解除机制：当航迹对的预测轨迹同时满足水平和垂直告警门限时，统计冲突计数和计算冲突质量，当冲突计数和冲突质量满足告警门限时触发中期冲突告警；当预测轨迹水平或垂直间距在拉大且大于解除告警间距，解除冲突计数大于门限时告警解除。在计数时引入加速机制，当探测到冲突处于紧急告警时间内冲突计数+3，当连续周期计算出告警时冲突计数+2，其他情况正常递增。当高度无冲突或连续周期计算为不告警时丢失冲突计数+2。为提高稳定性通过航向关系增强解除告警机制，反向递增丢失冲突计数依据为连续周期间距增大且大于冲突解除间隔，同向递增丢失冲突计数依据为连续周期的间距增大且大于水平告警参数。

3中期冲突探测计算模型

中期期冲突探测计算模型分为水平预测模型和垂直预测模型。

水平预测模型分为非机动模式和机动模式。根据航迹当前位置处于下个报告点的机动区域内外建立水平预测模式，如图2所示。在计划航路每个报告点设置一个半径参数形成的区域为机动区域。判断机动和非机动模型由实时转弯率和机动转弯率门限确定，实时转弯率是当前航迹向和上一个航迹航向的角度，当实时转弯率大于机动转弯率门限时判定为机动状态，否则为非机动状态。在非机动模型中，当实时航向在报告点航向容差范围内时，预测航迹依据计划航路推算，否则由当前航向航速直线算法预测水平轨迹。在机动区域外时向着下个报告点靠近，在机动区域内时向着下下个报告点靠近。在机动区域内外航向容差取值不同，机动区域内航向容差大于机动区域外的值。在机动模式下，在机动区域外根据航向转弯率建立转弯模型，当转弯率大于机动转弯率门限时，采用区域参数设定好的默认转弯率外推。在建模时应考虑偏航情况，当非机动时航向超过角度容差限制，机动时转弯方向与报告点方向背离时认为航迹偏置则采用直线预测水平轨迹。

图2 水平预测模型

垂直预测模型主要参考管制指令高度CFL，其次是标准层高IFL，当两者都不可用时，高度限制仅取决于前探时间。离线通过高、中、低级门限结合意图高度保护来确定合适意图高度。考虑升降率影响有特殊情况：当升降率小于低级门限且高度在标准层高保护容差内，直接采用当前标准层高；当升降率大于高级门限且高度在标准层高保护容差内，以下一个标准层高加意图高度保护表示意图高度；当升将率小于中级门限且高度在标准层高保护容差外，以当前升降率直接推测垂直轨迹。在垂直方向，当有CFL或IFL时，上升下降时当前升降率大于升降率门窗时，采用当前升降率的倍率关系建立垂直预测模型，否则用系统配置的升降率推算垂直轨迹；平飞时，在离开当前平飞状态时间根据系统配置的最大最小升降率建立垂直模型。当无CFL或IFL时，平飞时高度始终保持直线状态；上升下降时采用当前升降率的倍率关系建立垂直预测模型。当与升降趋势相反或平飞时在当前高度的容差内或升降时在当前高度的容差内且升降率大于离线参数，CFL/IFL意图高度失效，将选择新意图高度或直线外推。

在莱斯实际测验中发现，两航班同向飞行情况下产生了虚警，后机处于非机动状态，计算MT模型时与下个报告点直拉，前机处于机动状态，向下个报告点转弯，二者的预测轨迹有交点产生了虚告警，建议可以进一步优化航迹偏置情况下的算法建模，尽量避免直拉导致与其他航迹预测产生虚告警。

5  结语

基于实时监视数据、飞行数据、管制意图的中期冲突探测，比传统的FPCP飞行计划中期冲突探测更具准确性和有效性，比短期冲突探测更早发现潜在冲突，使得管制提前数分钟干预调配冲突，增强飞行安全性。近年新型冲突探测告警改进功能逐步投入空管自动化应用中，后续可以进一步优化调试参数和计算模型，使得中期冲突探测功能真正发挥其作用。

【参考文献】

[1] 张明伟,李刚.中期冲突探测研究与应用[J].现代电子工程,2009.

[2] Prandini,M.,Hu,J.,and Sastry,S.A Probabilistic Approach to Aircraft Conflict Detection[J],2000.

作者简介：陈秀娜（1986-），女，工程师，硕士，研究方向为空管自动化