多机态势下的空中防撞系统(TCAS)综合分析与性能改进方法研究

The Traffic Collision Avoidance System (TCAS) as an onboard electronic security device is independent of the ground-based air traffic control system and plays an irreplaceable role in protecting flight safety and order. Currently the density of the airspace upgrades with the air traffic flow increasing significantly, and therefore the conflict occurrence possibility of two or multiple aircraft raises; however TCAS may not be able to solve all the collision problems of multi-threat situation. There is an active demand for the depth analysis of the TCAS collision avoidance logic to improve its performance in multi-threat situation in order to eliminate the air safety hazards. To resolve the above problems, we will set about our investigation in the following three folds: (1) Domino collision detection in multi-threat situation: a complete description of TCAS anti-collision mechanism, to construct a causal model to detect potential domino collision risk; (2) TCAS comprehensive analysis: the effect analysis of various uncertainties and pilot response on TCAS collision avoidance results, summarizing and classifying the generated domino collision situation; (3) TCAS performance improvements: construction of the state space-based TCAS performance improvement model, multi-objective optimization of the cluster collision avoidance trajectory, building decision support system to ensure that TCAS recommendations consistent with the instructions of Air traffic controllers. The investigation of our project has important signification both in theory and practice, which can effectively improve the TCAS capability of safeguarding air traffic safety.

空中防撞系统(TCAS)是一种独立于陆基空中交通管制系统之外的机载安全电子设备，为保障飞行安全有序起到了不可替代的作用。目前随着空中交通流量的大幅提升，空域密度不断增加，发生双机、多机冲突的可能性增大，但TCAS不能解决所有多机态势下的防撞问题。因此迫切需要对TCAS避碰逻辑进行深入分析，提高其在多机态势下的防撞性能，消除空中安全隐患。针对以上问题本项目拟开展3个方面的研究：（1）多机态势下的连锁碰撞检测：完整描述TCAS防撞机制，构建因果模型用以检测潜在的连锁碰撞风险；（2）TCAS综合分析：分析各种不确定因素以及飞行员反应对TCAS防撞结果的影响，分类总结生成连锁碰撞态势；（3）TCAS性能改进：构建基于状态空间的TCAS性能改进模型，多目标优化机群防撞航迹，构建决策支持系统确保TCAS建议与空管指令一致。本项目的研究具有重要理论及实践意义，可有效提升TCAS保障空中交通安全的能力。

空中防撞系统(Traffic Collision Avoidance System, TCAS)可有效帮助飞行员主动搜寻和发现可能的空中交通冲突，并以适当的机动方式躲避危险防止灾难性事故的发生，从而显著降低了飞行器相撞风险。但随着空域密度的增加多机冲突的风险也日益增大，对TCAS防撞性能有了更高的要求。本项目完成的研究内容主要包括：（1）通过构建局部空域模型和时空混合的飞机冲突区域模型深入剖析TCAS防撞机制，探索了多机态势中可检测出潜在连锁碰撞的新方法。（2）考虑天气等不确定因素的影响构建相应的TCAS操作模型，对模型生成的连锁碰撞态势进行总结分类，并引入飞行员反应模块，量化分析了飞行员不同反应操作与反应时间对TCAS防撞结果的影响。（3）借鉴状态空间理论研究成果，针对多机飞行态势生成所有未来可能发生的情况并选择不会出现连锁碰撞态势的飞行策略，为实现高密度空域中TCAS作用性能的改进及辅助TCAS运行的航空管制决策支持系统开发提供了理论和技术支撑。.本项目进展顺利，超额完成了预期成果目标，共发表学术论文12篇（均标注基金号），其中9篇SCI检索论文，申请人均为第一作者或者通信作者。已授权国家发明专利3项，申请人均为第一发明人。协助实验室培养博士研究生3名，硕士研究生5名，且作为硕士生导师培养硕士研究生1名。本项目的研究具有重要理论及实践意义，可以有效提升TCAS保障空中交通安全能力，且申请人基于本项目研究成果，就我国战机智能化空中防撞系统的研制方案，向中央军委直报建议类要讯。