空管自動化系統間隔管理技術研究與輔助工具設計

劉　巖1.2，戴　崢1.2，湯新民3，付勝豪1.2

（1.空中交通管理系統與技術國家重點實驗室，南京　210007；2.中國電子科技集團公司第二十八研究所，南京　210007；3.南京航空航天大學，南京　210007）

基金項目：國家重點研發計劃（項目編號2016YFB0502405）。

作者簡介：劉巖（1979—），男，高級工程師，研究方向為航空器監視數據處理、飛行安全告警。

戴崢，男（1990—），工程師，研究方向為航空器飛行沖突檢測與解脫。

湯新民，男（1976—），教授，研究方向為航空器4D軌跡預測、飛行沖突檢測與解脫。

付勝豪，男（1987—），工程師，研究方向為空中交通態勢顯示。

摘　要：空中交通管制的核心是間隔管理。作為執行層面的關鍵環節，我國空中交通管制的運行現狀是，管制員根據經驗調整航空器的高度、航向等飛行參數和計劃航線，通過話音通信通知飛行員，當航空器之間發生危險接近時，自動化系統有預告警提示，但系統缺少實時的間隔管理輔助決策工具。本文針對這一問題，主要研究基于4D預測軌跡的沖突檢測技術，識別10min內航空器之間的沖突，將該技術應用于間隔保持輔助決策工具設計，借助該工具，管制員對航空器高度、航向調整時系統給出沖突預判，使管制員在系統輔助的情況下發出更合理的管制指令；同時可以減輕管制員負擔，解決完全人工模式導致的間隔過大問題。

關鍵詞：空中交通管制，間隔管理，輔助決策工具

Study on Interval Management Technology of ATC System and Design of Auxiliary Tool

Liu Yan，Dai Zheng，Tang Xinmin，Fu Shenghao

（1.State Key Laboratory of Air Traffic Management System and Technology，Nanjing 210007 2.The 28th Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Nanjing 210007；3.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210007）

Abstract：The core of air traffic control is interval management.As a key link of execution level，the status quo of air traffic control in China is that the controllers adjust the flight parameters such as altitude and course of the aircraft and plan the flight route according to their experience，and inform the pilots through voice communication.When dangerous approaching occurs between the aircraft，the automation system has the following functions：The warning is prompted，but the system lacks a real-time interval management assistant decision-making tool.Aiming at this problem，this paper mainly studies the conflict detection technology based on 4D predictive trajectory，identifies the conflicts between aircraft within 10 minutes，and applies this technology to the design of interval maintenance aided decision-making tool.With this tool，the controllers can give conflict prediction to the system when the aircraft height and course are adjusted，so that the controllers can make the conflict prediction in the system.Assisted by the issue of more reasonable control instructions，at the same time can reduce the burden of controllers，to solve the problem of excessive interval caused by full manual mode.

Key words：Air traffic control；Interval management；Auxiliary decision-making tools

0　引言

隨著國民經濟的持續增長，我國民航事業得到快速發展。但是，隨著民航業發展及軍機訓練任務的增加，空域資源的有限與交通流量不斷增加之間的矛盾日益突出，航班量的激增使得航空器間飛行沖突的可能性大大增加，這無疑加重了管制員的工作負荷，同時對提高空域使用效率提出了更高的要求。

目前我國大部分地區采用雷達管制，在實際管制過程中，通常由管制員監視航班態勢并根據經驗給出管制指令，實現間隔保持。管制員在值班過程中往往把安全放在第一位，由于缺乏科學、可靠的系統策略和支持工具，經常導致航班間隔的放大，這種粗放式的間隔管理模式已無法適應當前運行環境。因此，智能化空中交通管理的關鍵還是為管制員提供輔助決策工具，這對提高我國空管水平，緩解當前空域運行擁擠狀況，保障空中交通的順暢、安全、高效運行，具有重要意義。

美國航空航天局2014年開展空域技術驗證（Airspace Technology Demonstration，ATD）項目，其中第一階段的重點放在終端區運行階段，通過研發機載間隔管理工具（Flight Deck Interval Management，FIM）和管制員間隔管理工具（Controller Managed Spacing，CMS）等，提升航班從巡航至著陸期間的運行效率，增加空域容量。其中，管制員間隔管理工具（CMS）應用于終端區間隔保持，可根據間隔標準的設置給出速度和高度調整建議。

通過對實際運行需求和國外研究進展的分析，本文重點研究間隔管理中的沖突檢測技術，并設計輔助工具。首先梳理航空運行飛行間隔標準，介紹當前空管自動化系統的間隔管理功能，研究基于4D航跡的10min以內沖突檢測方法，最后，設計空管自動化系統工具，輔助管制員日常管制。

1　飛行間隔標準

1.1　影響間隔標準的主要因素和確定最小安全間隔的原則

確定間隔標準主要考慮三個因素：安全性、容量、航空公司期望飛行的節油航線。通信導航監視系統的性能、氣象等也都是影響間隔標準制定的因素。隨著航空器性能、通信導航監視性能的提升，間隔標準可以適當縮小。空域結構越復雜、飛行環境越惡劣，間隔標準則要適當增大。各個國家的間隔標準制訂，根據自己的情況考慮的因素有所不同。

間隔標準的最優值是綜合考慮航線偏離，間隔標準的執行可能導致延誤損失，以及可能發生的碰撞造成的損失等消耗所達到的最小的間隔。間隔標準設得過大將使容量降低；間隔標準設得過小將增加碰撞的風險。延誤成本和碰撞成本之和稱為總成本，總成本隨著間隔標準的增加降低到一個拐點后會增長，這個拐點便是間隔標準的最優值。

1.2　通用間隔標準

1）水平間隔

航空器之間縱向（前后）間隔標準在程序管制條件下規定為10min（約150km），在雷達監視下的程序管制下縱向（前后）間隔標準為75km，而在雷達管制條件下為10km，國際上通用的雷達管制條件下的水平間隔為5海里。

2）垂直間隔

國內從2007年11月開始在高空管制區域內實施縮小垂直間隔，具體垂直間隔標準600～8400m范圍內為300m，在8400～8900m范圍內為500m，在8900～12500m范圍內為300m，12500m以上為600m。

1.3　國際民航組織要求

國際民航組織ICAO Doc4444文件第5、6、7、8章的內容給出定性的指導意見，描述了機場、終端區、航路在雷達管制和程序管制下的安全間隔標準，其中部分內容如表1所示。

1.4　我國發布的間隔管理規定

根據我國國務院空中交通管制委員會發布的《飛行間隔規定》，我國飛行間隔標準包括垂直間隔標準、目視飛行水平間隔標準、儀表飛行水平間隔標準、雷達間隔標準和尾流間隔標準。其中雷達間隔標準的描述不是很詳細，規定實施雷達管制時，進近管制范圍內不得小于6km，區域管制范圍內不得小于10km[1]。

《中華人民共和國飛行基本規則》（2007年）中描述，飛行間隔是為了防止飛行沖突、保證飛行安全、提高飛行空間和時間利用率所規定的航空器之間應當保持的最小安全距離[2]。

2　空管自動化系統間隔管理功能

空管自動化系統中可以認為是間隔管理功能，包括短期沖突告警、飛行計劃中期沖突探測預警、進離場排序等。

2.1　短期沖突告警

系統對位于沖突告警區內的航跡，能實時地探測短期（2～5min）內發生危險接近的可能性。如果航跡之間的當前水平間距和垂直間距同時低于告警間隔，或未來某一參數時間內將要同時低于告警間隔，則發出沖突告警。設置的參數值包括告警區、水平間隔、垂直間隔、向前看時間和預警時間[7]。

2.2　飛行計劃中期沖突探測預警

飛行計劃中期沖突預警是對所有和航跡相關的計劃進行推測（15～25min）[3]，使用相關航跡當前位置所處的告警區域參數。系統根據預測的飛行計劃軌跡，計算向前看時間內兩個飛機的垂直距離和水平距離，檢驗是否會同時小于飛行計劃預警標準。設置的參數項和短期沖突基本相同。

2.3　進離場排序

起飛排序為跑道的離場航班確定離場次序及時隙，在確保離場航班安全的同時充分利用進場航班空隙，提高機場整體運行效率，滿足機場離場需求。

著陸排序是為跑道的進場航班合理分配進場次序及時隙，保障進場飛行安全，當航空器進入終端區的進入點時，系統根據航空器性能數據、初始狀態以及當時的氣象數據計算出航空器到達目標點的預計到達時間（Estimated Arrived Time，ETA），然后根據該航空器的ETA和當前隊列的排序情況給出航空器的調度到達時間（Scheduling Arrived Time，STA）。

3　沖突檢測技術研究

基于4D航跡的沖突檢測技術，包括基于4D網格的飛行沖突初篩和基于幾何法的飛行沖突精確預測。

3.1　4D航跡的外推處理

對所有目標的4D航跡外推10min，以4s為間隔計算位置、高度、速度和航向，因巡航階段的目標4s飛行約1km，對計算結果影響不大。外推后的每個時間點根據3.2節和3.3節計算沖突結果。

3.2　基于4D網格的飛行沖突初篩

為了提高計算效率，提出了一種基于4D網格的飛行沖突初篩算法。以航路飛行為例，該方法首先用一個四維的時空網格離散整個飛行空域，每個網格單元大小按飛行安全間隔標準設定，即長與寬都為5海里，高為1000英尺。將航空器的離散航跡點分配到相應的4D網格中，通過檢查每個非空的相鄰網格，即可探測出潛在的飛行沖突點。一般地，4D網格中共存不同航班的航跡點或相鄰網格中有不同航班的航跡點，即可判斷存在潛在的飛行沖突，如圖1所示。

設（x0，y0，z0，t0）為4D網格時空位置的坐標原點，其時間t0變化范圍為[0，+∞），雖然時間軸是連續變化的，但在實際運作時不可能做到任意時刻下的沖突判斷，只能按照一定的時間間隔，實現離散時間段Δτ0（足夠小）的沖突判斷。

為了實現基于4D網格的飛行沖突初篩，設定任意一架參考航空器i的4D坐標為（xij，yij，zij，tij），其中j為航跡點編號，定義其落在tn=tij時間段上的空域網格單元中。為了判斷該航空器航跡是否存在潛在沖突危險，需要判斷其在每一時間段對應的4D網格或者鄰域網格是否有其他航空器的航跡點共存，定義網格與其鄰域的33-1=26個網格所組成的“三維”矩陣為，其中：

如圖2所示，矩陣，分別表示網格上層和下層的九網格鄰域；表示網格本層的九網格鄰域，網格與是代表同一個網格。

定義：當及鄰域任意網格中存在其他航空器航跡點時，即矩陣Aij中存在任意元素，其中m，n，k∈｛1，2，3｝，表明存在潛在的飛行沖突。否則，所有元素都為零即滿足公式（2）時，表明不發生沖突。

該潛在沖突檢測方案使用哈希表數據結構實現。對于一個給定的離散4D航跡，每個采樣點都映射到每一個4D網格單元中，并在相應的網格中存儲了一系列的飛行標識信息。數據結構中不需要存儲4D坐標，從而大大減少了所需的內存空間。在航班初始放行時刻修改后，也能容易地更新潛在沖突的總數[4]。

3.3　基于幾何法的飛行沖突精確探測

由于僅僅根據劃分的27個網格斷定是否發生飛行沖突，無形之中擴大了3倍的安全間隔標準，很容易造成過多的虛假警報。因此，針對4D網格探測方法判斷得到的潛在飛行沖突情況，僅僅是一個初篩的過程，要想獲得精確的沖突探測，還需要做進一步的飛行沖突確定。主要針對預測的4D航跡進行飛行沖突探測，即符合采用幾何確定型算法[6]，通過預測的4D航跡推斷出航空器之間的航跡點矢量差是否小于最低安全間隔標準，來實現飛行沖突探測。

假定通過基于4D網格的飛行沖突初篩算法，確定在時間段t′內，兩架航空器預測航跡（編號分別為i，j）上的航跡點間存在潛在飛行沖突，對應的三維空間坐標分別記為和，，則航空器之間的相對位置矢量表示為。設定航空器A作為參考航空器，以該航空器A為圓心劃設的安全飛行保護區示意圖，如圖3所示。

當參考航空器A與測試航空器B間存在飛行沖突時，滿足如下方程組：

其中，H=304.8m（1ft=0.3048m）為飛行保護區的最小垂直安全間隔，即圓柱保護區的高；s=9260m（1nm=1852m）為飛行保護區的最小水平安全間隔[5]，即劃設的圓柱保護區半徑，可通過配置文件靈活設置。

4　高度調整輔助決策工具設計

管制員指定航空器飛行高度、到達時間、飛行航線后，未通知飛行員前，系統對航空器4D航跡進行預測（本文對預測方法不詳細描述），在預測基礎上，使用第3節的算法推斷航跡間是否會發生飛行沖突或危險接近，即判斷航空器間的間隔是否小于最小飛行安全間隔標準，將風險信息反饋給管制員，用于做出決策。本文重點考慮了管制過程中高度的調整，設計了指定高度工具、進出管制區推演工具。

1）指定高度工具

管制員調整航班CCA0623飛行高度，單擊當前高度，彈出可能調整的高度層和對應爬升下降率，系統計算未來10min內可能存在沖突的為紅色，無沖突的為綠色，管制員可指定綠色的飛行高度，如圖4所示。系統處理流程如圖5所示。

2）進出管制區高度推演工具

管制員對即將進入或飛出本管制區（扇區之間一般沿用飛行高度）的目標實施進出區高度的推演，設置進區高度和出區高度，系統推演未來10min內是否有沖突，有沖突時提示管制員調整，如圖6所示。系統處理流程如圖7所示。

5　結束語

本文對我國飛行間隔標準進行了梳理，介紹了空管自動化系統目前具備的間隔管理功能，設計了高度調整輔助決策工具，根據工具的需要，研究了基于4D航跡的飛行沖突檢測方法，可輔助管制員合理的調整航空器飛行高度。但是，如果要達到保持合理間隔，提高空域使用效率的目標，還需要提供航向和到達時間調整等輔助決策工具，這是需要我們共同研究的問題。

參考文獻

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[2]國務院令第312號.中華人民共和國飛行基本規則[S]

[3]雷達航跡管制意圖挖掘算法[J].指揮信息系統與技術，2014，1（5），33-36

[4]杜實，吳海波.多扇區管制移交間隔管理研究[J].2016，13（16），130-137

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[6]李春錦，王英勛.平行航路飛機相撞危險的數學模型[J].中國民航學報，2001，23（5）：31-34

[7]趙洪元.兩條交叉航線上飛機發生危險沖突次數模型的研究[J].系統工程與電子技術，1998，20（5）：6-9