低空空域飞行冲突避让算法

为了预防航空器在低空空域飞行中发生相撞，根据空中交通管理规则的飞行间隔规定，采用速度矢量三角分析法，分析了避免冲突的基本条件，确定了航空器B与航空器A的速度矢量关系，提出了调整速度和改变航向两种解决方法，推导出速度和航向改变量的计算公式。通过系统演算和DRS-98型雷达管制模拟机的验证表明，在任何情况下都能够使用改航法避让飞行冲突，航空器之间的距离和航向差越大，航向的改变量就越小；当航空器之间的距离大于6倍的飞行间隔时，应当使用调速法避让飞行冲突，这样航空器可以继续保持原定的飞行航线。     

基于扩展摩尔邻域的自由飞行冲突风险研究

为解决三维空间中,自由飞行条件下航空器间的飞行冲突风险判定问题,提出了基于扩展摩尔邻域的飞行冲突风险判定方法.首先分析平面摩尔近邻模型的特点,将其扩展至三维离散空间;然后建立水平、垂直飞行冲突风险可能性表格,提出计算三维飞行冲突风险的方法;最后分别用水平、垂直飞行冲突风险分开和同时计算的方法对同一仿真数据进行计算.结果表明:采用扩展的三维不同层摩尔邻域可以实现空域内航空器的飞行冲突风险的快速计算;水平、垂直飞行冲突风险同时计算的方式可以更快速地解决问题;同时,空间基础单元的间隔选择也会极大影响模型的运算效率.     

基于SMILO-VTAC模型的复杂低空多机冲突解脱方法

针对传统SMILO-VTAC模型的2种不受控情形, 提出了面向不受控情形的复杂低空多机冲突解脱模型; 在传统SMILO-VTAC模型的基础上, 考虑复杂低空空域物障限制条件, 提出了面向物障情景的低空多机冲突探测与解脱模型; 结合通用航空活动任务优先等级, 建立了基于任务优先性质的多机冲突探测与解脱规则和流程; 建立了多航空器对头汇聚场景, 基于提出的方法进行仿真验证。分析结果表明: 相比传统SMILO-VTAC模型, 提出的方法能够满足不受控情形的多机冲突探测与解脱实际需要, 并能根据任务优先等级计算方案, 解脱成本分配合理, 符合复杂低空空域航空器的特点; 提出的方法在航空器数量不大于4架次时, 求解时间略长, 但基本控制在1 s以内; 当航空器数量大于4架次时, 求解时间小于传统SMILO-VTAC模型; 当航空器数量不小于7架次时, 求解时间远低于传统SMILO-VTAC模型; 在将优先级因素加入考量后, 方法的平均解脱成本较传统SMILO-VTAC模型增加了10%~20%, 以少量增加平均解脱成本为代价, 实现了解脱成本依照优先级顺序的分配, 将高优先级航空器解脱成本向低优先级航空器传递。可见, 在多航空器运行和多优先级情景下, 改进方法具有更高的解脱效率, 在相同计算时间内具有更高的解脱架次极限。      

基于混杂系统理论的无冲突4D航迹预测

为增大空域容量,在战略航迹规划阶段,设定航空器爬升、下降和平飞3个飞行状态和7组高度和速度参数规划航空器4D航迹.基于不同航段的航空器动力学模型,采用混杂系统理论, 建立了不同航段之间的状态切换模型,以及同一航段内航空器质量、空速、高度和航程连续变化的航空器运行状态演化模型. 通过调整航空器到达时刻和飞行速度,规划了多航空器无冲突4D航迹.算例仿真结果表明,在满足航空器性能约束的前提下,用混杂系统递推法规划的航空器起飞4D航迹计算时间在3 s以内;这两个模型准确反映了航空器在水平剖面和垂直剖面内的飞行状态变化;本文提出的航空器无冲突航迹规划方法是有效的.      

基于DES监控理论的滑行道对头冲突控制策略

为克服场面开环控制模式难以应对随机事件的缺陷,提出场面运行闭环控制框架.基于DES(离散事件系统)监控理论,研究A-SMGCS(先进机场场面引导与控制系统)滑行道对头冲突控制,建立了面向滑行道物理布局的扩展受控Petri网模型.利用航空器滑行路径序列得到精简滑行模型,并考虑环路和环路链,给出无对头冲突的充分必要条件,提出了滑行道对头冲突避免控制策略以及相应的控制律决策算法.算例仿真试验表明,本文提出的策略能根据场面状态实时识别对头冲突并实现冲突避免.     

基于航空器自主运行的空中交通复杂性建模

针对航空器自主运行模式的空中交通运行态势评估问题，本文重构了基于分布式空中交通管理系统的空中交通复杂性评价方法，并仿真验证了该方法在航空器冲突探测和自主航迹规划中的应用。首先，基于自由航路空域和航空器自主运行模式定义了空中交通复杂性，在通过三维空域栅格模型量化航空器时空位置的基础上，构建复杂度计算模型以反映航空器位置、航向、 航速对空域各栅格的实时复杂性影响；其次，基于实际管制扇区(ZSSSAR01)及高度层，分别模拟自由航路与固定航路运行模式，对比两者空中交通复杂度时空分布差异；并结合自由航路运行模式，在空中交通复杂性与航空器冲突指标(冲突率、冲突比例)相关性分析的基础上，研究空域复杂度阈值确定方法；最后，初步探究基于空域复杂度阈值进行航空器自主航迹调整的方法，评估其运行效果。仿真实验结果表明：自由航路运行模式相对固定航路运行模式可显著降低空域最大复杂度值(平均降幅119%)；模型计算得到，空中交通复杂度与空域中航空器冲突指标有强相关性 (相关系数大于0.90)；基于复杂度和复杂度阈值的航迹调整策略具备一定可行性。     

复杂低空混合飞行态势安全特性研究

为揭示复杂低空混合飞行态势中蕴含的安全特性,本文从复杂低空环境特点、航空器个体异质行为特征出发,构建了低空飞行行为模型;运用Agent技术,NetLogo平台构建了复杂低空混合飞行态势仿真环境,仿真分析了飞行量、平均速度、飞行冲突等特性参数之间的相互关系及其影响规律.研究结果表明：飞行冲突随飞行量增加呈先缓慢增加,后急剧增加的趋势,随平均速度急速递增趋势,当飞行量达到80架次、平均速度约300km/h时,低空飞行态势安全性和效率均较高;通航活动的混合比例和冲突探测距离对复杂低空飞行态势安全性具有明显影响,当混合比为3:2:4:1,冲突探测距离为4km时,可显著提高飞行态势的安全性和稳定性.     

一个鲁棒性冲突解脱轨迹规划模型

针对固定航路飞行条件下高密度运行空域多航空器实时冲突解脱轨迹规划问题,为了获取高空风场数值及增强航空器冲突解脱轨迹的鲁棒性,根据航空器的运行状态构建了高空风场线性和非线性滤波模型.采用模型预测控制理论,通过将预测模型的校正过程转化为高空风场数值的滤波过程,在给各航空器设定解脱优先权重及考虑两类解脱变量物理约束条件的前提下,从航空器的动态协同特性出发,构造能够反映控制输入量优劣的指标函数,提出一种能够适应空域环境变化的冲突解脱航迹在线滚动规划方案.算例分析表明,所提出的在线解脱轨迹规划方案可行有效.     

空域扇区概率交通需求预测模型

为预测空域扇区在未来一定时段内的交通需求及其变化规律,基于简化的空域运行网络结构,从不确定性角度分析了航空器飞行时间对空域扇区交通需求预测的影响,针对航空器进入、离开扇区和在扇区内飞行过程的随机性,给出了相应概率分布函数.在此基础上,建立了空域扇区概率交通需求预测模型,设计了启发式算法.对实际航班数据的仿真结果表明:本文模型和算法预测时段10:00~11:00扇区发生拥挤,比传统的确定性方法预测的拥挤时段减少了30 min,避免了在时段9:30~10:00采取不必要的流量管理措施,降低了该时段管制员的工作负荷.     

城市低空物流无人机航迹规划模型研究

为提高物流无人机在城市低空环境下配送的安全性和公众接受程度，保证运输经济性，提出一种考虑运行风险、噪声水平和运输成本的城市低空物流无人机航迹规划方法。采用栅格法进行空域环境表征，建立基于风险的城市空域环境模型。结合物流配送要求，建立多目标、多约束的物流无人机航迹规划模型。采用改进A*算法进行求解：为降低航迹代价，设计估价函数预估成本；为保证飞行安全，引入安全保护区确保间隔；为提升搜索效率，采用动态步长加快搜索进程。仿真结果表明：本文模型和算法所得航迹的运行风险小、噪声水平低、运输成本低，能够实现多目标优化。分析模型参数可知，当各子目标代价权重分别为0.6、0.1和0.3时，规划航迹最优。 保证其余参数不变，增大安全间隔，则风险代价、运输成本代价总体呈增加趋势，噪声代价减少。 在本文规划环境下，参考大疆经纬200无人机参数，在安全间隔取15 m时，综合代价最小。     

飞机巡航阶段尾涡遭遇安全性多参数评估方法

分析了飞机遭遇尾涡后的响应机理，综合考虑飞机滚转阻尼特性及操纵品质等因素，建立了飞机滚转角加速度计算模型；因飞机遭遇尾涡后飞行轨迹及飞行姿态发生改变，选择了多个扰动参数评估尾涡遭遇安全性，建立了飞机动力学参数计算模型；为确定尾涡遭遇可接受安全水平，基于国内现行尾流间隔标准，统计了中低空典型机型组合的尾流遭遇受扰参数计算数据；分析了高空尾涡流场演化特性，计算了高空巡航状态下的尾流安全间隔，分析了不同因素对飞行安全的影响。研究结果表明:与中低空相比，高空尾涡流场的初始强度大，持续距离长，飞行高度超过9 000 m后，尾涡消散随高度的增大而加快；当前机为超级重型机、重型机，现行尾流间隔无法保证飞行安全，需增加安全间隔1.4~2.1 km，飞行高度分别超过13 800、14 400 m后，尾涡遭遇严重度降低；当前机为一般重型机时，尾流安全间隔可缩减1.5 km以提高空域利用效率；当前机为中型机时，尾涡遭遇安全性较高，但此时受最小雷达间隔限制，无法进一步缩减前后机间距；后机的飞行速度越低，发生尾涡遭遇的严重程度越高；在后机初始滚转坡度角由0增加到10°的过程中，尾涡安全间隔增加1.3 km，增加幅度约为8.61%。可见，采用多个受扰参数能有效评估高空尾涡遭遇严重程度。      

航路交叉点处碰撞风险模型

为研究航路交叉点附近两飞机之间标称距离随时间变化导致的碰撞风险,引入到达时间间隔变量,建立了航路交叉点处碰撞风险模型,提出了一种航路交叉点处标称距离随时间变化的碰撞风险估计方法. 算例结果表明:当航路含有一个交叉点时碰撞风险数增加了1.14710-7;碰撞风险随航迹夹角的增加先逐渐减小,然后逐渐增加, 3种不同速度组合的碰撞风险均在航迹夹角区间(70,75)内达到极小值.利用该模型能够计算航路因含有交叉点而增加的碰撞风险,并能分析航迹夹角对碰撞风险的影响.      

The Calculation of Collision Risk on Air-Routes Based on Variable Nominal Separation

In this paper, a new method to calculate collision risk of air-routes, based on variable nominal separation, is proposed. The collision risk model of air-routes, based on the time variable and initial time interval variable, is given. Because the distance and the collision probability vary with time when the nominal relative speed between aircraft is not zero for a fixed initial time interval, the distance, the variable nominal separation, and the collision probability at any time can be expressed as functions of time and initial time interval. By the probabilistic theory, a model for calculating collision risk is acquired based on initial time interval distribution, flow rates, and the proportion of aircraft type. From the results of calculations, the collision risk can be characterized by the model when the nominal separation changes with time. As well the roles of parameters can be shown more readily.     

基于VOR导航的平行航路侧向碰撞率计算模型

为了有效确定平行航路安全间隔与评估碰撞风险,分析了侧向碰撞影响因素,利用Reich模型和概率论理论,建立了非洋区VOR导航下平行航路的侧向碰撞率计算模型。对Reich模型进行了改进,以圆柱体碰撞模板代替传统的长方体碰撞模板,推导出平行航路侧向碰撞率的计算公式,利用事件的概率运算法则,给出VOR导航下航路飞行时两机侧向重叠概率的计算模型。计算结果表明:给定航路侧向碰撞率小于规定值,所设定的平行航路间隔在给定的飞行环境下是安全的,符合客观实际,因此计算模型可行。     

高密度航天发射期间亚轨道碎片危险区快速预测与改航路径规划方法

面对愈发频繁的商业亚轨道发射活动中可能出现的航空器潜在解体风险，利用协方差传播方法预测亚轨道解体事故中碎片的传播范围；将碎片运动方程转换为高斯马尔可夫过程，利用概率密度函数构造高斯马尔可夫过程在一定置信度下的概率椭球表征碎片分布；为避免亚轨道解体事故碎片对民航空域内的飞机造成碰撞风险，提出一种面向空管的亚轨道碎片危险区预测与路径规划方法；根据民航可接受的风险概率确定亚轨道碎片概率椭球的数学边界，计算概率椭球在水平方向的投影，利用几何方法将碎片危险区处理成凸多边形；通过改航点数量约束方法减少改航路径中改航点的数量，有利于飞机平稳改航。仿真结果表明:协方差传播方法在复杂大气环境中能够快速有效地预测出亚轨道解体事故碎片的传播过程，分别显示出置信度为99.999%和95.000%的椭球边界范围，置信度越高，概率椭球边界范围越大，越接近真实碎片下落传播范围；利用改航点数量约束方法优化后的改航路径距离相比约束前增加了0.13%，但改航点数量减少了50%。可见，利用协方差传播方法可及时、准确预测亚轨道解体事故碎片的传播范围，并在此基础上提出高效、安全的改航策略。      

3D Sector Optimum Partition of Airspace

Introduction Airspace management authority usually partitionsan airspace into several sectors, in each of which acontroller s position is set for the sake of air trafficmanagement and coordination. As air traffic flowrises, the number of aircrafts in each…