本发明专利技术公开了一种基于碰撞风险模型的终端区航线安全容限监测方法和系统，涉及终端区监视技术领域。本发明专利技术根据广播式自动相关监视观测数据建立侧向和垂向航迹偏差分布模型；根据航迹偏差，基于碰撞风险模型计算飞行碰撞风险；在给定飞行碰撞风险的情况下，根据航线上飞机的飞行状态，利用飞行碰撞风险与侧向和垂向安全间隔的单调性，迭代求出与假设平行航线的距离，即最大允许的飞机航迹偏差范围。所述系统包括数据预处理模块、航迹偏差建模模块和航迹安全容限评估模块。本发明专利技术实现对终端区航线安全容限的监测，能够有效降低复杂的终端区环境下的碰撞风险，提高空中交通管制运行的安全水平和空域容量。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及终端区监视
，尤其涉及一种基于碰撞风险模型的终端区航线 安全容限监测方法和系统。
技术介绍
终端区是一个涵盖较大范围的中低空空域，甚至几个中心城市，此空间内地理环 境复杂。终端区内随着航班流量的增加，飞行密度变大，为了应对这些问题，需要缩小管制 间隔，并提高航线飞行的导航精度。因此为了确保飞行安全，需要实时监测终端区航线的安 全容限。终端区航线的安全容限是指：进场、离场等运行的碰撞风险满足要求飞行碰撞风险 时所允许的实际飞行航迹距航线中心线的最大偏差范围，也就是进离场飞行的安全边界。 传统计算航线安全容限的方法采用精密导航技术（RequiredNavigation Performance，RNP)的概念，即根据飞机的导航性能RNP-X飞行航线，即95%的时间飞机能 够飞行在航线中心线两侧±X海里的空间范围内，在RNPRNAV(AreaNavigation)中将2X 作为安全容限，飞机导航系统必须确保飞机99. 999%的飞行时间保持在这个安全容限内。 但是这种方法只考虑了飞机个体自身导航性能设定的容限，未考虑与终端区内其他飞机的 关系。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于碰撞风险模型的终端区航线安全容限监测方法 和系统，实现终端区航线安全容限的监测，保证飞机在终端区的复杂情况下的安全飞行。 本专利技术提供的一种基于碰撞风险模型的终端区航线安全容限监测方法，包括如下 步骤： 根据广播式自动相关监视（ADS-B)观测数据建立侧向和垂向航迹偏差分布模型； 根据航迹偏差，基于碰撞风险模型计算飞行碰撞风险； 在给定飞行碰撞风险的情况下，根据航线上飞机的飞行状态，利用飞行碰撞风险 与侧向和垂向安全间隔的单调性，迭代求出与假设平行航线的距离，即最大允许的飞机航 迹偏差范围。 本专利技术还提供了一种基于碰撞风险模型的终端区航线安全容限监测系统，包括： 数据预处理模块，用于对接收到的观测数据进行航迹信息提取，从原始的信号中 筛选出航班号、经度、炜度、高度、速度等关键信息； 航迹偏差建模模块，利用提取到的航迹信息进行侧向和垂向航迹偏差的动态统计 与分布函数的偏差概率建模； 航迹安全容限评估模块，用于航迹侧向和垂向重叠概率求解、航迹碰撞风险建模 和航线安全容限评估。 本专利技术提供的一种基于碰撞风险模型的终端区航线安全容限监测方法和系统，根 据ADS-B观测数据建立侧向和垂向航迹偏差分布模型，进行分布函数偏差的计算，利用碰 撞风险模型进行重叠概率的求解和碰撞风险的分析，最后逆向求解出满足要求飞行碰撞风 险的安全容限，实现对终端区航线安全容限的监测，能够有效降低复杂的终端区环境下的 碰撞风险，提高空中交通管制运行的安全水平和空域容量。 本专利技术基于空域内碰撞风险模型来计算航线安全容限，既考虑飞机的导航性能， 又考虑飞机之间的相互关系，因此更符合实际应用。空中交通管制人员根据飞行安全边界 的大小，可以动态地调整终端区飞行密度，提高终端区利用率，实现对终端区空域资源灵活 高效的使用。【附图说明】 图1为侧向和垂向偏差示意图； 图2为飞机模型示意图； 图3为飞机碰撞模板示意图； 图4为迭代算法求解流程图； 图5为本专利技术提供的安全容限检测方法流程图； 图6为本专利技术基于碰撞风险模型的终端区航线安全容限监测系统实施例的结构 图。【具体实施方式】 下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。 终端区航线的安全容限是指：进场、离场等运行的碰撞风险满足要求飞行碰撞风 险时所允许的实际飞行航迹距航线中心线的最大偏差范围。进离场动态安全容限的监视是 密集终端区飞行空域安全的重要保障手段。空中交通管制人员根据飞行安全边界的大小， 可以动态地调整终端区飞行密度，提高终端区利用率。 本专利技术利用碰撞风险模型解决终端区在复杂情况下安全容限监测的问题，提出一 种基于碰撞风险模型的终端区航线安全容限监测方法，保证飞行安全，提高终端区空域利 用率，如图5所示流程图，具体步骤如下： 步骤101，根据广播式自动相关监视（ADS-B)观测数据建立侧向和垂向航迹偏差 分布模型。 本实施例中首先对ADS-B观测数据进行预处理，从观测数据中提取出航班号、经 度、炜度、高度、速度等关键航迹信息，然后利用预处理之后的航迹信息对航迹偏差的分布 进行建模，航迹偏差分布的中心附近的分布近似服从于高斯分布，因此基于高斯分布建立 航迹偏差的概率密度函数。 侧向高斯分布的概率密度函数为：⑴ 垂向高斯分布的概率密度函数为：(2). 其中山和dv分别为侧向和垂向航迹偏差，y :和y v分别为侧向和垂向高斯分布 的期望，〇 ￥分别为侧向和垂向高斯分布的标准差，所述的期望和标准差通过统计实 际航迹与航线的侧向和垂向航迹偏差分布得到。 相对于地球球面，航迹面可以近似为平面。如图1所示，A、B为航线的端点，C为 实际的航迹点，AB平行于X轴，DE平行于Y轴，CE平行于Z轴，航迹点C的侧向航迹偏差 即为DE的长度，垂向航迹偏差即为CE的长度，计算DE的长度需要A、B、C三点的经炜度坐 标，计算CE的长度需要A、B、C三点的高度坐标。定义飞机的纵向、侧向、垂向分别为X轴、 Y轴和Z轴方向。 通过以上描述，建立了航迹偏差的概率密度函数，针对终端区对应航线，以1000 个航迹点作为其样本集，计算对应的侧向和垂向航迹偏差，按照高斯分布进行拟合，为下一 步碰撞风险的计算做准备。 步骤102,根据概率密度函数中所述的期望、标准差和碰撞风险模型进行飞行碰撞 风险的计算。 Reich碰撞模型是20世纪60年代提出的一种预测飞机空中相撞风险的数学模型， 它针对平行航线系统在纵向、侧向、垂直方向分别进行了碰撞风险建模，对相邻航线飞机之 间的碰撞风险建立了数学模型。它适用于计算飞机碰撞风险和飞行航线间隔之间的关系。 下面主要对Reich模型中飞机碰撞过程进行描述，为此要引入以下一些概念： 如图2和图3所示，假设飞行航线中每架飞机的尺寸是相同的，形状为一矩形，矩 形的长、宽、高分别为飞机的长度A x、翼展Ay和高度A z。以飞机A几何中心为中心，在纵 向、横向、垂直方向上分别以2 A x，2 A y，2 A 拟出一个矩形区域，另外一架飞机B模拟为 一个质点，当质点进入该虚拟出的矩形区域时就会发生碰撞，因此将该虚拟出的矩形区域 定义为碰撞模板，也称飞机A所对应的A体。 Reich模型认为飞机在纵向、侧向、垂向三个方向上同时发生重叠将发生碰撞，因 此将单位时间内一条飞行航线上飞机B进入另一条平行飞行航线上飞机A的碰撞模板的次 数CR定义为： CR = NxPyPz+NyPxP z+NzPxPy (3) 其中，、、队分别表示飞机衫从向"则向居向穿越飞机八的碰撞模板的频率^、 匕、匕分别表示两飞机在纵向、侧向、垂向上发生重叠的概率。 由Reich碰撞风险模型可以求得飞行碰撞风险（FCR)的结果，垂向飞行碰撞风险 为： 侧向飞行碰撞风险为： 其中，Ey(same)和Ey(opp)分别为同向和对向的侧向占有率，卜_|、卜|、|钭分别表 示两飞机纵向、侧向、垂向的速度差的绝对值，Sy为侧向间隔，Py (Sy)为两架飞机侧向间隔为 sy的在侧向上发生重叠的概率，PZ(0)为表示两架飞机垂本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于碰撞风险模型的终端区航线安全容限监测方法，其特征在于：步骤101，根据广播式自动相关监视观测数据建立侧向和垂向航迹偏差分布模型；首先对ADS‑B观测数据进行预处理，从观测数据中提取出航迹信息包括航班号、经度、纬度、高度和速度，然后利用航迹信息对航迹偏差的分布进行建模，基于高斯分布建立航迹偏差的概率密度函数；侧向高斯分布的概率密度函数为：fY(dl)=12πσl·e-(dl-μl)22σl2---(1)]]>垂向高斯分布的概率密度函数为：fZ(dv)=12πσv·e-(dv-μv)22σv2---(2)]]>其中dl和dv分别为侧向和垂向航迹偏差，μl和μv分别为侧向和垂向高斯分布的期望，σl和σv分别为侧向和垂向高斯分布的标准差，所述的期望和标准差通过统计实际航迹与航线的侧向和垂向航迹偏差分布得到；步骤102，根据概率密度函数中所述的期望、标准差和碰撞风险模型进行飞行碰撞风险的计算；垂向飞行碰撞风险为：FCRz=Pz(Sz)Py(0)λxSx{Ez(same)[|ΔV‾|2λx+|y·‾|2λy+|z·‾|2λz]+Ez(opp)[|V‾|λx+|y·‾|2λy+|z·‾|2λz]}---(4)]]>侧向飞行碰撞风险为：FCRy=Py(Sy)Pz(0)λxSx{Ey(same)[|ΔV‾|2λx+|y·‾|2λy+|z·‾|2λz]+Ey(opp)[|V‾|λx+|y·‾|2λy+|z·‾|2λz]}---(5)]]>其中，Ey(same)和Ey(opp)分别为同向和对向的侧向占有率，分别表示两飞机纵向、侧向、垂向的速度差的绝对值，Sy为侧向间隔，Py(Sy)为两架飞机侧向间隔为Sy的在侧向上发生重叠的概率，Pz(0)为表示两架飞机垂向间隔为0的在垂向上发生重叠的概率，Pz(Sz)为两架飞机垂向间隔为Sz的在垂向上发生重叠的概率，Py(0)为表示两架飞机侧向间隔为0的在侧向上发生重叠的概率，为在相同航线同向飞行的两个飞机之间的速度差的绝对值，为该航线上所有飞机的平均地速的绝对值，在侧向上发生重叠的概率的定义为：Py(Sy)=∫-λyλyfy12(y)dy]]>其中，表示两架飞机间的侧向距离y12的概率密度，这一侧向距离表示为：y12＝Sy+y1‑y2其中，y1,y2分别代表两条平行航线上的两架飞机侧向偏离的距离；当两架飞机的侧向偏差相互独立且有相同的概率密度时，Py(Sy)=∫-λyλy∫-∞∞fY(y1)fY(Sy+y1-y)dy1dy]]>近似为：Py(Sy)≈2λy∫-∞∞fY(y1)fY(Sy+y1)dy1---(6)]]>同理，在垂向上发生重叠的概率近似为：Pz(Sz)≈2λz∫-∞∞fZ(z1)fZ(Sz+z1)dz1---(7)]]>其中，fY(y)和fZ(z)分别是两架飞机侧向和垂向航迹偏差的概率密度，z1代表两条平行航线中飞机垂向偏离的距离；令A=Pz(0)λxSx{Ey(same)[|ΔV‾|2λx+|y·‾|2λy+|z·‾|2λz]+Ey(opp)[|V‾|λx+|y·‾|2λy+|z·‾|2λz]}]]>B=Py(0)λxSx{Ez(same)[|...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：蔡开泉，朱衍波，邱忠营，杨杨，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，民航数据通信有限责任公司，
类型：发明
国别省市：北京;11
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