低空空域多维度机动防撞模型及算法的研究

The Traffic Alert and Collision Avoidance System (TCASⅡ) which is based on Secondary Surveillance Radar (SSR) and currently used by civil aviation aircrafts can only provide vertical maneuvers to avoidance mid-air collision. It is not suitable for general aviation aircrafts in low altitude flight, so a new generation of airborne conflict detection and collision avoidance system with multi-dimensional maneuvers function needs to be researched. This research project is on the basis of development of the first generation domestically built Traffic Alert and Collision Avoidance System (TCASⅡ) and Automatic Dependent Surveillance-Broadcast (ADS-B). In this research project, ADS-B is used to replace SSR as the surveillance source. By taking into account the aircraft's performance and pilot's response delay, a method of real time collision detection based on several types of bounding volume is used to build the model of conflict detection and collision avoidance, and a novel approach of detection and resolution for air traffic conflict in three-dimensional airspace is provided. The probabilistic method and deterministic method are also used to determine the criteria of conflict detection, select the parameters of three-dimensional maneuvers, and to set up process flow of collision avoidance logic for general aviation aircrafts in low altitude flight. By this topic research, the mechanism of mid-air collision avoidance with multi-dimensional maneuvers for low altitude flight may be explained, and sets of mathematical models and algorithm theory for general aviation aircrafts in low altitude flight will be suggested. This will lay the foundation for the development of new generation of domestically built airborne conflict detection and collision avoidance system in the future.

目前民航飞机使用的基于二次雷达监视技术（SSR）的机载防撞系统（TCASⅡ）只能进行垂直机动来防撞，不适合于低空空域通用飞机的飞行防撞，需要研制一种具有多维度机动防撞功能的新一代机载防撞系统。本项目在申请者参与成功研制了第一代国产的机载防撞系统（TCASⅡ）和广播式自动相关监视系统（ADS-B）的基础上，采用ADS-B监视源来代替SSR监视源，基于多种类型包围体的实时碰撞检测方法，结合通用飞机的飞行性能和飞行员的响应延迟，建立相应的冲突探测和碰撞解脱的数学模型，提供一种新的三维空域空中交通冲突探测和解脱方法。同时，采用概率法和确定法给出适合于通用飞机防撞的冲突探测判据、三维机动避让措施的参数选择以及防撞逻辑的处理方法。通过本课题的研究，可以阐明低空空域多维度机动防撞的物理机制，建立一套适合于低空空域通用飞机防撞的数学模型和算法理论，为我国自主研制适用于通用飞机的新一代机载防撞系统奠定基础。

机载防撞算法的设计需要考虑很多复杂因素。首先，防撞算法需要考虑到由于传感器误差导致的状态不确定性以及飞机动态过程的不确定性；其次，还要考虑不同飞机飞行性能的限制（例如通航飞机的垂直机动能力和高度限制等）；另外还需考虑到飞行员响应的延迟和强度的不确定性。系统必须在保证高度安全的同时对空中可能的冲突情况做出谨慎的反应，以期将对安全正常飞行操作的干扰限制在最小的范围内。根据本项目最初的设计要求，我们近年来主要开展了以下几个方面的系统研究工作。首先我们根据通航飞机低空飞行的特点，采用以包围体形成最小安全保护区的方法，建立了以球体和圆柱体为包围体的通航飞机防撞模型。通过采用3D游戏与计算机图形学中关于相交性检测的方法，对通航飞机的防撞模型进行了深入的理论分析。其次，建立了基于马尔科夫决策过程(Markov Decision Process, MDP)的通航飞机防撞模型。防撞逻辑在做出决策时不仅考虑当前的状态，而且也考虑到未来每条可能的飞行轨迹的概率以及未来可能做出的告警建议，使防撞系统能够更加可靠地防止空中碰撞，同时能够保持较低的告警率。另外，针对适用于机载防撞系统目标跟踪的距离方位滤波器和非线性高度滤波器进行了应用研究。研究了同时考虑距离方向和距离正交方向残差的距离方位滤波器。针对机载防撞系统对高度和高度率估计误差的需求，通过对高度率的估计值与当前高度量化层占用时间观测值的一致性检测建立对非定常高度率的跟踪模型。. 最后，我们设计了基于MDP的通航飞机机载防撞逻辑的优化流程，仿真结果表明：通过调整效用比参数可以在保证系统安全性能的同时有效降低系统的虚警率。在发生近空碰撞(NMAC)的相遇过程占比高达18%的情况下，当告警率大于0.85时系统的碰撞概率仅为2.88×10e-4。即使空域或监视系统发生改变时，也只需修改相遇模型进行重新优化。