基于恒定分离损失的通用航空小尺度共享态势感知技术研究

General aviation operation service is a strategic emerging one. It is difficult to provide small scale shared situational awareness service for general aviation in many kinds and different flight with the current civil aviation ground-based air traffic control system, middle and high altitude large scale meteorological information and CNS infrastructures. At present, the situational awareness system has a large error and can not meet the requirements for safe operation. Through in-depth analysis of the general aviation operation shared situational awareness system models and architecture, and then the operation shared situational awareness set is build with performance error modeling. On the basis of comprehensive consideration of the required surveillance performance, performance based surveillance and situational awareness, On the basis of comprehensive consideration of the required surveillance performance, performance based surveillance and situational awareness assessment, the shared situational awareness set is be filtered with single model nonlinear algorithm, and then the situational awareness error set is obtained. Rough set attribute reduction algorithm can be used on the error set, the perceptual characteristics posture error can be analyzed, and then the error reduction algorithm is presented. And so, the time and space overlap of dynamic robust collision detection model is build based on constant separation loss and collision time. The 4D trajectory correction and optimization based on shared situational awareness is completed, and then the operation situation perception and accuracy improved in general aviation. General aviation efficient and safe operation service can be achieved based on small scale shared situational awareness.

通用航空是我国战略性新兴产业，民航现行陆基空管系统、中高空中大尺度气象信息与基础设施难以为种类众多、飞行各异的通航飞机提供小尺度共享态势感知服务，且目前态势感知系统误差较大难以满足安全运行要求。通过对通用航空运行性共享态势感知系统模型与体系结构的深入分析，拟从共享态势感知性能误差建模入手，构建通用航空运行感知态势数据集。在综合考虑所需监视性能与基于性能监视感知状态评估基础上，对共享态势感知单模型非线性滤波，获得感知性能误差数据集并采用粗糙集属性约简算法，研究共享态势感知数据集的感知态势误差特征与消减算法，藉此构建基于恒定分离损失的碰撞时间的时空交叠度动态稳健冲突检测模型，完成基于共享态势感知的4D航迹修正与优化，提高通用航空运行态势感知度及准确率，实现基于小尺度共享感知态势的通用航空高效、安全运行服务。

空管监视系统已经成为民用航空空中交通管理（管制）的核心设备，俗称为“管制员的眼睛”。监视数据质量直接关系到空中航班（通用航空飞行器）航迹模型有效性及航空器之间安全间隔与冲突解脱算法的实施。因此开展基于飞行间隔监视的空域态势感知模型与管理技术研究成为空中交通管理的重要研究方向。经过阶段性研究，本项目完成的主要研究内容包括：.1）完成态势感知三层模型等方面的文献与技术成果整理，开展针对态势感知第一层与第二层理论研究，即依据获取目标四维（4D）航迹态势信息的目标需求，确定所需感知的态势数据类型，在此基础上，研究4D航迹态势信息处理算法，获取目标4D航迹态势信息，并提出理解误差最小的模型。.2）研究基于恒定间隔分离损失的终端区队列模型与稳态冲突检测算法，主要聚焦于下降航迹优选的中期冲突检测算法仿真研究。在基于区域网格队列划分的中期冲突检测方面，研究内容集中于预测目标位置到发出告警的这个步骤。.3）研究建立4D航迹观测、修正、优化模型等。研究中在以态势感知理论模型为约束条件处理4D航迹态势信息的前提下，提出利用多点定位及ADS-B等实现4D运动状态观测、预测模型处理态势数据，在深入研究定位性能与误差分析的基础上，采用误差分析的方法推导得到航路4D飞机动态模型，讨论了该模型的适用范围及残差情况。.研究中特别针对卡尔曼滤波算法观测方程由状态预测值与观测矩阵相乘加上噪声得到的过程，且在观测方程中未考虑速度信息、也未考虑与态势要素的关系的不足，本项目研究提出利用航路4D飞机动态模型得到的速度信息修正卡尔曼滤波算法中的观测方程。构建了基于4D运动状态预测模型修正卡尔曼算法状态方程。通过蒙特卡洛仿真实验验证研究模型的正确性与有效性。