空管自动化系统间隔管理技术研究与辅助工具设计

刘　岩1.2，戴　峥1.2，汤新民3，付胜豪1.2

（1.空中交通管理系统与技术国家重点实验室，南京　210007；2.中国电子科技集团公司第二十八研究所，南京　210007；3.南京航空航天大学，南京　210007）

基金项目：国家重点研发计划（项目编号2016YFB0502405）。

作者简介：刘岩（1979—），男，高级工程师，研究方向为航空器监视数据处理、飞行安全告警。

戴峥，男（1990—），工程师，研究方向为航空器飞行冲突检测与解脱。

汤新民，男（1976—），教授，研究方向为航空器4D轨迹预测、飞行冲突检测与解脱。

付胜豪，男（1987—），工程师，研究方向为空中交通态势显示。

摘　要：空中交通管制的核心是间隔管理。作为执行层面的关键环节，我国空中交通管制的运行现状是，管制员根据经验调整航空器的高度、航向等飞行参数和计划航线，通过话音通信通知飞行员，当航空器之间发生危险接近时，自动化系统有预告警提示，但系统缺少实时的间隔管理辅助决策工具。本文针对这一问题，主要研究基于4D预测轨迹的冲突检测技术，识别10min内航空器之间的冲突，将该技术应用于间隔保持辅助决策工具设计，借助该工具，管制员对航空器高度、航向调整时系统给出冲突预判，使管制员在系统辅助的情况下发出更合理的管制指令；同时可以减轻管制员负担，解决完全人工模式导致的间隔过大问题。

关键词：空中交通管制，间隔管理，辅助决策工具

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

随着国民经济的持续增长，我国民航事业得到快速发展。但是，随着民航业发展及军机训练任务的增加，空域资源的有限与交通流量不断增加之间的矛盾日益突出，航班量的激增使得航空器间飞行冲突的可能性大大增加，这无疑加重了管制员的工作负荷，同时对提高空域使用效率提出了更高的要求。

目前我国大部分地区采用雷达管制，在实际管制过程中，通常由管制员监视航班态势并根据经验给出管制指令，实现间隔保持。管制员在值班过程中往往把安全放在第一位，由于缺乏科学、可靠的系统策略和支持工具，经常导致航班间隔的放大，这种粗放式的间隔管理模式已无法适应当前运行环境。因此，智能化空中交通管理的关键还是为管制员提供辅助决策工具，这对提高我国空管水平，缓解当前空域运行拥挤状况，保障空中交通的顺畅、安全、高效运行，具有重要意义。

美国航空航天局2014年开展空域技术验证（Airspace Technology Demonstration，ATD）项目，其中第一阶段的重点放在终端区运行阶段，通过研发机载间隔管理工具（Flight Deck Interval Management，FIM）和管制员间隔管理工具（Controller Managed Spacing，CMS）等，提升航班从巡航至着陆期间的运行效率，增加空域容量。其中，管制员间隔管理工具（CMS）应用于终端区间隔保持，可根据间隔标准的设置给出速度和高度调整建议。

通过对实际运行需求和国外研究进展的分析，本文重点研究间隔管理中的冲突检测技术，并设计辅助工具。首先梳理航空运行飞行间隔标准，介绍当前空管自动化系统的间隔管理功能，研究基于4D航迹的10min以内冲突检测方法，最后，设计空管自动化系统工具，辅助管制员日常管制。

1　飞行间隔标准

1.1　影响间隔标准的主要因素和确定最小安全间隔的原则

确定间隔标准主要考虑三个因素：安全性、容量、航空公司期望飞行的节油航线。通信导航监视系统的性能、气象等也都是影响间隔标准制定的因素。随着航空器性能、通信导航监视性能的提升，间隔标准可以适当缩小。空域结构越复杂、飞行环境越恶劣，间隔标准则要适当增大。各个国家的间隔标准制订，根据自己的情况考虑的因素有所不同。

间隔标准的最优值是综合考虑航线偏离，间隔标准的执行可能导致延误损失，以及可能发生的碰撞造成的损失等消耗所达到的最小的间隔。间隔标准设得过大将使容量降低；间隔标准设得过小将增加碰撞的风险。延误成本和碰撞成本之和称为总成本，总成本随着间隔标准的增加降低到一个拐点后会增长，这个拐点便是间隔标准的最优值。

1.2　通用间隔标准

1）水平间隔

航空器之间纵向（前后）间隔标准在程序管制条件下规定为10min（约150km），在雷达监视下的程序管制下纵向（前后）间隔标准为75km，而在雷达管制条件下为10km，国际上通用的雷达管制条件下的水平间隔为5海里。

2）垂直间隔

国内从2007年11月开始在高空管制区域内实施缩小垂直间隔，具体垂直间隔标准600～8400m范围内为300m，在8400～8900m范围内为500m，在8900～12500m范围内为300m，12500m以上为600m。

1.3　国际民航组织要求

国际民航组织ICAO Doc4444文件第5、6、7、8章的内容给出定性的指导意见，描述了机场、终端区、航路在雷达管制和程序管制下的安全间隔标准，其中部分内容如表1所示。

1.4　我国发布的间隔管理规定

根据我国国务院空中交通管制委员会发布的《飞行间隔规定》，我国飞行间隔标准包括垂直间隔标准、目视飞行水平间隔标准、仪表飞行水平间隔标准、雷达间隔标准和尾流间隔标准。其中雷达间隔标准的描述不是很详细，规定实施雷达管制时，进近管制范围内不得小于6km，区域管制范围内不得小于10km[1]。

《中华人民共和国飞行基本规则》（2007年）中描述，飞行间隔是为了防止飞行冲突、保证飞行安全、提高飞行空间和时间利用率所规定的航空器之间应当保持的最小安全距离[2]。

2　空管自动化系统间隔管理功能

空管自动化系统中可以认为是间隔管理功能，包括短期冲突告警、飞行计划中期冲突探测预警、进离场排序等。

2.1　短期冲突告警

系统对位于冲突告警区内的航迹，能实时地探测短期（2～5min）内发生危险接近的可能性。如果航迹之间的当前水平间距和垂直间距同时低于告警间隔，或未来某一参数时间内将要同时低于告警间隔，则发出冲突告警。设置的参数值包括告警区、水平间隔、垂直间隔、向前看时间和预警时间[7]。

2.2　飞行计划中期冲突探测预警

飞行计划中期冲突预警是对所有和航迹相关的计划进行推测（15～25min）[3]，使用相关航迹当前位置所处的告警区域参数。系统根据预测的飞行计划轨迹，计算向前看时间内两个飞机的垂直距离和水平距离，检验是否会同时小于飞行计划预警标准。设置的参数项和短期冲突基本相同。

2.3　进离场排序

起飞排序为跑道的离场航班确定离场次序及时隙，在确保离场航班安全的同时充分利用进场航班空隙，提高机场整体运行效率，满足机场离场需求。

着陆排序是为跑道的进场航班合理分配进场次序及时隙，保障进场飞行安全，当航空器进入终端区的进入点时，系统根据航空器性能数据、初始状态以及当时的气象数据计算出航空器到达目标点的预计到达时间（Estimated Arrived Time，ETA），然后根据该航空器的ETA和当前队列的排序情况给出航空器的调度到达时间（Scheduling Arrived Time，STA）。

3　冲突检测技术研究

基于4D航迹的冲突检测技术，包括基于4D网格的飞行冲突初筛和基于几何法的飞行冲突精确预测。

3.1　4D航迹的外推处理

对所有目标的4D航迹外推10min，以4s为间隔计算位置、高度、速度和航向，因巡航阶段的目标4s飞行约1km，对计算结果影响不大。外推后的每个时间点根据3.2节和3.3节计算冲突结果。

3.2　基于4D网格的飞行冲突初筛

为了提高计算效率，提出了一种基于4D网格的飞行冲突初筛算法。以航路飞行为例，该方法首先用一个四维的时空网格离散整个飞行空域，每个网格单元大小按飞行安全间隔标准设定，即长与宽都为5海里，高为1000英尺。将航空器的离散航迹点分配到相应的4D网格中，通过检查每个非空的相邻网格，即可探测出潜在的飞行冲突点。一般地，4D网格中共存不同航班的航迹点或相邻网格中有不同航班的航迹点，即可判断存在潜在的飞行冲突，如图1所示。

设（x0，y0，z0，t0）为4D网格时空位置的坐标原点，其时间t0变化范围为[0，+∞），虽然时间轴是连续变化的，但在实际运作时不可能做到任意时刻下的冲突判断，只能按照一定的时间间隔，实现离散时间段Δτ0（足够小）的冲突判断。

为了实现基于4D网格的飞行冲突初筛，设定任意一架参考航空器i的4D坐标为（xij，yij，zij，tij），其中j为航迹点编号，定义其落在tn=tij时间段上的空域网格单元中。为了判断该航空器航迹是否存在潜在冲突危险，需要判断其在每一时间段对应的4D网格或者邻域网格是否有其他航空器的航迹点共存，定义网格与其邻域的33-1=26个网格所组成的“三维”矩阵为，其中：

如图2所示，矩阵，分别表示网格上层和下层的九网格邻域；表示网格本层的九网格邻域，网格与是代表同一个网格。

定义：当及邻域任意网格中存在其他航空器航迹点时，即矩阵Aij中存在任意元素，其中m，n，k∈｛1，2，3｝，表明存在潜在的飞行冲突。否则，所有元素都为零即满足公式（2）时，表明不发生冲突。

该潜在冲突检测方案使用哈希表数据结构实现。对于一个给定的离散4D航迹，每个采样点都映射到每一个4D网格单元中，并在相应的网格中存储了一系列的飞行标识信息。数据结构中不需要存储4D坐标，从而大大减少了所需的内存空间。在航班初始放行时刻修改后，也能容易地更新潜在冲突的总数[4]。

3.3　基于几何法的飞行冲突精确探测

由于仅仅根据划分的27个网格断定是否发生飞行冲突，无形之中扩大了3倍的安全间隔标准，很容易造成过多的虚假警报。因此，针对4D网格探测方法判断得到的潜在飞行冲突情况，仅仅是一个初筛的过程，要想获得精确的冲突探测，还需要做进一步的飞行冲突确定。主要针对预测的4D航迹进行飞行冲突探测，即符合采用几何确定型算法[6]，通过预测的4D航迹推断出航空器之间的航迹点矢量差是否小于最低安全间隔标准，来实现飞行冲突探测。

假定通过基于4D网格的飞行冲突初筛算法，确定在时间段t′内，两架航空器预测航迹（编号分别为i，j）上的航迹点间存在潜在飞行冲突，对应的三维空间坐标分别记为和，，则航空器之间的相对位置矢量表示为。设定航空器A作为参考航空器，以该航空器A为圆心划设的安全飞行保护区示意图，如图3所示。

当参考航空器A与测试航空器B间存在飞行冲突时，满足如下方程组：

其中，H=304.8m（1ft=0.3048m）为飞行保护区的最小垂直安全间隔，即圆柱保护区的高；s=9260m（1nm=1852m）为飞行保护区的最小水平安全间隔[5]，即划设的圆柱保护区半径，可通过配置文件灵活设置。

4　高度调整辅助决策工具设计

管制员指定航空器飞行高度、到达时间、飞行航线后，未通知飞行员前，系统对航空器4D航迹进行预测（本文对预测方法不详细描述），在预测基础上，使用第3节的算法推断航迹间是否会发生飞行冲突或危险接近，即判断航空器间的间隔是否小于最小飞行安全间隔标准，将风险信息反馈给管制员，用于做出决策。本文重点考虑了管制过程中高度的调整，设计了指定高度工具、进出管制区推演工具。

1）指定高度工具

管制员调整航班CCA0623飞行高度，单击当前高度，弹出可能调整的高度层和对应爬升下降率，系统计算未来10min内可能存在冲突的为红色，无冲突的为绿色，管制员可指定绿色的飞行高度，如图4所示。系统处理流程如图5所示。

2）进出管制区高度推演工具

管制员对即将进入或飞出本管制区（扇区之间一般沿用飞行高度）的目标实施进出区高度的推演，设置进区高度和出区高度，系统推演未来10min内是否有冲突，有冲突时提示管制员调整，如图6所示。系统处理流程如图7所示。

5　结束语

本文对我国飞行间隔标准进行了梳理，介绍了空管自动化系统目前具备的间隔管理功能，设计了高度调整辅助决策工具，根据工具的需要，研究了基于4D航迹的飞行冲突检测方法，可辅助管制员合理的调整航空器飞行高度。但是，如果要达到保持合理间隔，提高空域使用效率的目标，还需要提供航向和到达时间调整等辅助决策工具，这是需要我们共同研究的问题。

参考文献

[1]国务院、中央军委空中交通管制委员会飞行间隔规定[S].北京：国务院中央军委空中交通管制委员会，2002-5-31

[2]国务院令第312号.中华人民共和国飞行基本规则[S]

[3]雷达航迹管制意图挖掘算法[J].指挥信息系统与技术，2014，1（5），33-36

[4]杜实，吴海波.多扇区管制移交间隔管理研究[J].2016，13（16），130-137

[5]White，Allan L.An Aircraft Separation Algorithm with Feedback and Perturbation[J].NASA Langley Research Center USA，2010

[6]李春锦，王英勋.平行航路飞机相撞危险的数学模型[J].中国民航学报，2001，23（5）：31-34

[7]赵洪元.两条交叉航线上飞机发生危险冲突次数模型的研究[J].系统工程与电子技术，1998，20（5）：6-9