李波 翟书颖 李茹 刘建都

摘 要：针对当前航路冲突解脱方法不能有效实现同时对入侵飞机原始航路和冲突解脱航路避撞的问题，提出分类系统协调航路冲突解脱方法。首先根据冲突飞机间夹角的大小将冲突分为五类，然后对每一类的两架冲突飞机进行系统协调冲突解脱，使每一架冲突飞机能同时与另一架飞机的原始航路和冲突解脱航路进行有效冲突解脱。该冲突解脱方法原理清晰、行之有效。

关键词：ADS-B；防撞；飞行冲突；冲突解脱

中图分类号：TP39；V328.5 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）09-00-04

0 引 言

伴随着低空空域的开放，通用航空将快速发展[1-2]。通用航空属于划定空域的自由飞行，飞行安全问题将愈加突出。进入21世纪以来，飞机相撞事件屡屡发生，数据表明，90%以上的飞机相撞事故发生在低空空域，且大部分为通用航空[2]。

根据ATC规定，飞机方圆5海里（5海里≈9.26 km）、上下1 200 ft（1 200 ft≈366 m）为避撞区域，禁止其他航空器闯入，否则就有碰撞的可能，需要进行避撞处理[2]。

ADS-B可提供位置、速度等信息，且工作范围广，基于ADS-B技术构建的通用航空防撞系统优势明显。可以借助ADS-B在ATC规定的避撞区域外构建保护区域，提前避撞[2-9]，

以增强避撞性能，如文献[4]中介绍的5 min范围内保护区域避撞，文献[2-3，5-6]中介绍的40～100海里范围内提前避撞，文献[7]中介绍的5～40海里的保护区域避撞等。

保护区域范围较大，对进入该区域的入侵飞机应先与本飞机进行航路冲突检测，只对有冲突的飞机进行航路冲突解脱处理[2-3，5-7]。

有效的冲突解脱是避撞系统中的重要部分，也是研究难点和研究热点，关于冲突解脱算法的研究很多，而关于ADS-B保护区内航路冲突解脱的研究也有不少，如文献[2-4，7-9]等都从不同方面、不同角度对航路冲突解脱的算法进行了研究。

上述研究主要存在两个突出问题：

（1）算法研究中常以入侵飞机航路不变或者入侵飞机协作避让为前提进行研究，因此，研究得到的算法也仅适用于该前提。实际上，通用航空可能存在各种情况，比如入侵飞机不进行冲突解脱，保持航路不变，仅依靠本飞机避让，而该协作避让算法得到的本飞机航路可能与入侵飞机的原航路冲突；入侵飞机也可能进行冲突解脱处理，使本飞机与入侵飞机之前的航路不再冲突，但却与入侵飞机的解脱航路相

冲突。

（2）算法研究中常针对一种冲突情况进行研究，所得的冲突解脱方法对所研究的冲突情况无疑是有效的，但考虑到航路冲突有多种情况，针对一种情况研究得到的冲突解脱算法一般都无法满足其他情况，即一种冲突解脱算法一般无法有效对所有冲突进行解脱。

在航路冲突中，绝大多数的冲突都是两架飞机间的冲突，多架飞机同时冲突的情况少之又少。针对上述两个突出问题，本文的重点在于两架飞机的冲突问题，研究水平调整航向的冲突解脱算法，将冲突情况按冲突夹角分为5类进行研究，在每一类中又根据位置关系对两架飞机进行编号，从系统总体角度分别求出各自有效的冲突解脱算法，使一架飞机进行冲突解脱处理时既能实现有效解脱，使解脱航路与入侵飞机的原航路有效解脱，还能与入侵飞机的解脱航路有效解脱。

1 冲突解脱条件设定

航路冲突解脱方法主要包括在水平方向上调整飞行航向和飞机速度，在垂直方向上调整飞行高度[2-4，7-9]。

上述冲突解脱方法各有优缺点。调整飞行航向是实现航路冲突解脱的重要方法，也是通用航空中使用较多的方法，当前对调整航向方法的研究最多。本文将只对通过调整航向单独实现冲突解脱的方法进行研究。

本文主要研究保护区域的航路冲突解脱问题，所以飞机空间区域只关注避撞区域（CAZ）和保护区域（PAZ），如图1所示。

CAZ：采用ATC规定的避撞区域，即以本飞机为中心，水平面半径为9.26 km（5海里），上下0.366 km（1 200 ft）的圆柱体区域。

PAZ：本区域的大小可根据需要由使用者设定，在本文研究中采用半径为185 km（100海里）的圆球体作为ADS-B的工作范围。

航路冲突即为一架飞机的航路在某时刻进入另一架飞机航路中的CAZ区域。假定在某时刻通过航路冲突检测得到两架飞机在位置C（XC，YC，ZC）处冲突，此时，两架飞机的位置分别为A（XA，YA，ZA）和B（XB，YB，ZB），其速度分别为VA（VXA，VYA，VZA）和VB（VXB，VYB，VZB），考虑到研究的是水平航向调整的冲突解脱问题，故将X和Y方向的航速统一表示为XY平面的航速，得到的速度分别为VA（VXYA，VZA）和VB（VXYB，VZB），這样文中所提到的速度即为VXYA和VXYB。

冲突解脱时要求一方进行冲突解脱处理，以完全实现冲突解脱，即使两方都进行冲突解脱也能实现，即冲突解脱航路不仅与入侵飞机的原航路不冲突，也与入侵飞机的冲突解脱航路不冲突。

冲突解脱时在保证有效进行冲突解脱的前提下，为使调整算法趋优避劣[10]，把握的原则是转向次数应尽可能的少，转向角度尽可能的小，调整后航路尽可能短，而且通过调整航向实现有效冲突解脱后都要回到原来的航路上。

2 冲突解脱方法

分析：此处是让A绕行延时，让B按照原始航路先通过冲突区；之后让B通过绕行，从A的后面穿过，由于c值必然大于9.26，所以调整的航路不会与A的原始航路冲突，同样，也不会与A的调整航路冲突。

2.3 60°≤θ<120°时航向调整方法

按图5所示的位置关系设定两飞机为A和B。

分析：因为角120°≤θ<180°，所以180°-θ≤60°，一般a值要远大于9.26，因此a-a · sin（180°-θ）>9.26可以认为是成立的，也就是A沿垂直于B航路的方向航行可以提前穿过B航路，而与B不冲突。B沿设定的航路绕行到A后面航行，不会与A原航路冲突；由于B调整航路比原航路长，因此不会与A调整航路冲突。

2.5 θ=180°时航向调整方法

指定初始Y坐标值较小者为A，另一方为B，如图7所示。

飞机A调整航向方法：向右转向η，航行距离d，再向左转向2η，航行距离d，向右转向η，回到原来的航路上。

3 结 语

本文根据冲突飞机在水平面航路的夹角大小将航路冲突情况分成五类，对每一类分别研究冲突解脱的调整航向方法，所给出的调整航向方法可以实现一方调整便有效避撞，且调整航向即可与入侵飞机的原航路有效避让，还可与入侵飞机的调整航向航路有效避撞。论文中给出的避撞方法十分有效，但非最优，如果将冲突情况进一步细分为更多种类，对每一类研究调整航向方法，则会得到更优的结果，如果调整航向结合调整速度和高度的方法，效果会更加显著。

参考文献

[1]中国民用航空局.中国民用航空ADS-B实施规划[EB/OL].2012.12. http：//www.caac.gov.cn/XXGK/XXGK/ZFGW /201601/t20160122_27660.html.

[2]周波.基于ADS-B的低空飞行冲突检测与解脱算法研究[D].天津：中国民航大学，2014.

[3]周波，王海军，阮文龙，等.基于ADS-B IN的冲突检测预处理方法[J].电光与控制，2017，24（10）：64-68，74.

[4]罗文田，赵泽荣，张德银.基于 ADS-B 的飞机预警避撞算法研究[J].控制工程，2011，18（4）：559-563.

[5]戴超成，肖刚，敬忠良.采用ADS-B的冲突飞机选择算法[J].电光与控制，2011，18（10）：11-14.

[6]XIAO G，XU Y，DAI C，et al. A selection algorithm forconflict aircrafts and performance analysis based on ADS-B[C]// Digital Avionics Systems Conference（DASC），IEEE，2011：1D3-1-1D3-6.

[7]馬宇申，倪育德，刘萍.基于ADS-B的飞机防撞算法[J].现代导航，2013（5）： 348-353.

[8]焦卫东，程颖，张思远，等.基于ADS-B的通用航空飞行冲突解脱算法[J].信号处理，2015，31（11）： 1439-1445.

[9]司超.基于ADS-B技术的通航飞行器避险方法研究[D].石家庄：河北科技大学，2017.

[10]张兴旺.飞行冲突解脱算法评价体系[J].火力与指挥控制，2013，38（10）： 26-29.