基于TCAS告警的平行跑道混合进近运行冲突风险分析方法

基于tcas告警的平行跑道混合进近运行冲突风险分析方法
技术领域
1.本发明涉及平行跑道运行冲突风险评估技术领域，主要在平行跑道进离场程序规划以及空域设计时提供一种冲突风险验证方法，具体为通过冲突风险的计算、分析，在平行跑道运行规划阶段，对飞行程序类型、结构、拟运行的飞机速度、组合等进行分析。


背景技术：

2.ils精密进近是目前平行跑道同时进近主要使用的进近方式，由于其受地基设备工作原理的制约，存在进近五边长、间隔要求严格的问题，限制了跑道容量进一步提升。随着各类进近技术的发展和成熟，要求特殊授权的所需导航性能(rnp ar)、卫星着陆系统(gls)等技术也能够支持平行跑道同时进近。这些进近技术在平行跑道运行中混合应用，可以实现短五边，且两侧同时进近无需建立高低边，在提高跑道容量方面已有良好的表现。但多种进近程序的混合，由于各类程序具有不同结构，适用于不同的间隔标准，造成一定的运行复杂性，进而引发安全问题。
3.目前，进行管制干预是解决双跑道运行冲突的主要手段，但是，前述的运行复杂性会直接影响管制员工作。因而，基于混合进近及其特征，研究平行跑道同时进近冲突风险，不仅对跑道系统规划和机场空域安全性的保障具有重要意义，也可以为管制员工作提供相应的指导。
4.目前，对平行跑道运行方案的验证，主要在运行的安全、容量和效率方面。在安全评估方面，主要从运行角度，采用碰撞风险理论为基础，以专家主观评价为方法进行评估，未有对飞行程序、飞机航行要素限制对冲突风险验证的方法。现有的安全评估，主要基于碰撞风险理论和仿真方法。基于碰撞风险理论，使用数学模型的方法，评估精度受参数影响较大，不适用于对多因素、多运行场景的评估；仿真方法目前主要使用基于仿真软件(例如taam，airtop等)的快速仿真方法，但由于精度达不到要求，不适合同时进近冲突风险的评估。
5.平行跑道运行规划中的一项重要的工作是进行tcas(空中交通警戒与防撞系统)告警验证，并将结果作为进近方案验证的依据。tcas可以提供不同等级的警告信息和推荐的避让信息，保证运行安全。不同进近程序混合由于其复杂性会造成较高的tcas告警频率，影响正常的飞行秩序。
6.因此，在进近程序规划阶段基于tcas告警原理进行同时进近冲突风险研究，作为进近程序的结构设计、规划方案验证依据，能够为平行跑道进近运行和管制方案的制定提供重要的理论支持。但目前进行tcas验证主要针对标称的飞行程序、固定的飞行速度和位置，未考虑运行中的误差，包括航迹偏移误差、速度误差，是一种相对静态的评估，主要集中在单一程序在双跑道同时进近冲突风险的评估，而且评估的目的也仅仅是发现易发生告警的位置点。有个别文献，使用蒙特卡洛仿真方法进行多次仿真，对双ils同时进近冲突风险进行了验证，但在考虑多种误差的情形下验证速度慢，不适用于不同程序混合情况下多因素的验证。


技术实现要素：

7.为弥补现今我国平行跑道运行冲突风险验证技术的不足，本发明旨在提出一种基于tcas碰撞原理，针对从不同程序混合运行，从程序结构、运行控制参数角度对冲突风险进行分析的方法。根据平行跑道使用的飞行程序类型，建立飞机水平、垂直运行模型，综合考虑航迹和速度不确定性因素，根据tcas告警原理，基于改进的梯度下降方法，提出一种快速，并能够适用于多场景、多因素平行跑道冲突风险的同时进近运行验证方法，突破了目前同时进近风险评估无法进行综合运行评估，以及评估精确性差的问题。
8.本发明完整的技术方案包括：
9.一种基于tcas的平行跑道混合进近运行冲突风险计算方法，包括如下步骤：
10.(1)建立飞机运动模型，包括将飞机运动轨迹投影至跑道系统平面，建立两架飞机的水平方向和垂直方向运动模型，所述水平方向运动模型包括转弯部分运动模型和直线运动模型；
11.(2)建立航迹误差模型，采用航迹偏差数据拟合得出正态标准差沿航迹变化的关系，并对飞机航迹变化进行修正得到飞机真实位置；
12.(3)建立飞机冲突探测模型，包括得到飞机在水平方向和垂直方向的相对距离和相对速度，并计算得到飞机水平预计相遇时间τ
hor
和垂直预计相遇时间τ
ver
；
13.(4)利用基于目标的梯度下降法计算两机水平接近时间极值和垂直接近时间极值，进行告警判断，对冲突风险进行计算；
14.(5)根据步骤(4)告警判断结果，当预计入侵飞机的飞行轨迹会穿透碰撞区域，系统用视觉和听觉信号通知机组人员。
15.进一步的，所述飞机运动模型为：
16.(1)水平方向
17.将飞机运动轨迹投影至跑道系统平面，建立两架飞机的水平运动模型如下：
18.1)eor程序rf转弯部分运动模型：
[0019][0020]
δx＝r-rcos(wδt)(2)
[0021]
δy＝rsin(wδt)
ꢀꢀ
(3)
[0022]
式中：w为转弯角速度，单位为度/s；ias为飞机真空速度，单位为km/s；r为rf航段转弯半径，单位为km；δx为x轴方向位移，单位为km；δy为y轴方向位移，单位为km，δt为飞机在rf转弯部分飞行所用时间，单位为s；
[0023]
2)直线运动模型：
[0024]
δx＝iasδt
ꢀꢀ
(4)
[0025]
(2)垂直方向
[0026]
δz＝kδt
ꢀꢀ
(5)
[0027]
式中：δz为飞机在z轴方向位移，单位为km；k为飞机下降速率，单位为m/s。
[0028]
进一步的，所述航迹误差模型中，根据航迹偏差数据拟合得出正态标准差沿航迹变化的关系为：
[0029]
σ
lat
(x')＝0.0028x'+9.02
ꢀꢀ
(6)
[0030]
σ
ver
(x')＝0.0004x'+2.89
ꢀꢀ
(7)
[0031]
式中，σ
lat
为侧向正态标准差，单位为m；σ
ver
为垂直正态标准差，单位为m；x
′
为飞机至跑道着陆点的距离，单位为m。
[0032]
进一步的，所述飞机冲突探测模型，包括：
[0033]
飞机在每时刻预计相遇时间为：
[0034][0035][0036]
式中，τ
hor
为水平预计相遇时间，单位为s；τ
ver
为垂直预计相遇时间，单位为s；为飞机在水平相对距离方向的相对速度，单位为km/s；
[0037]
t时刻水平方向两机相对距离d(t)表示为：
[0038][0039]
式中，x
入侵
(t)表示t时刻入侵机在x轴方向坐标，y
入侵
(t)表示t时刻入侵机在y轴方向坐标，x
本机
(t)表示t时刻本机在x轴方向坐标，y
本机
(t)表示t时刻本机在y轴方向坐标。
[0040]
水平接近率用两机相对于相对距离的相对速度表示：
[0041][0042]
式中，θ为入侵机速度与相对距离之间的角度，单位为度；α为本机速度与相对距离之间角度，单位为度；
[0043]
垂直方向相对距离z表示为：
[0044]
z(t)＝|z
入侵
(t)-z
本机
(t)|
ꢀꢀ
(12)
[0045]
垂直接近率用两机相对垂直速度表示：
[0046][0047]
式中k
本机
为本机下降速率，k
入侵机
为入侵机下降速率。
[0048]
进一步的，对τ进行修订使其收敛到一个非零范围，对水平预计相遇时间τ
hor
的修正公式为：
[0049]
d'(t)＝d(t)-dmod
ꢀꢀ
(14)
[0050]
[0051]d′
(t)为修正后的t时刻水平方向两机相对距离；dmod为固定范围阈值。为t时刻两机在水平相对距离方向的相对速度。
[0052]
在垂直方向做修正：
[0053]
z'(t)＝z(t)-zthr
ꢀꢀ
(16)
[0054][0055]
其中，z
′
(t)为修正后的t时刻垂直方向两机相对距离，zthr为垂直τ收敛的非零范围，与高度区间相关，在不同高度区间内为常数，为t时刻两机在垂直相对速度。
[0056]
进一步的，所述步骤(4)中，包括：
[0057]
步骤(4)中飞机冲突探测模型的冲突风险计算方式为：
[0058]
step1：设置同时进近飞行程序、两机初始位置范围、速度误差范围、rnp ar/ils精度参数和范围、仿真次数n；
[0059]
step2：生成两机路径方程，以及水平、垂直接近时间函数；
[0060]
step3：分别计算垂直、水平接近时间极值f
l
(x
min
)、fv(x
min
)，与相应阈值对比，以垂直、水平接近极值均小于标准值判断是否告警，并记录告警次数n；
[0061]
step4：计算告警概率为
[0062]
本发明相对于现有技术的优点在于：
[0063]
1.以满足机场和空管运行实际需求为目的，与实际运行tcas要求为依据，全面综合考虑了影响平行跑道同时进近冲突风险的影响因素，实现在规划阶段对同时进近飞行程序、航行参数等因素的验证；
[0064]
2.本发明考虑了运行中关键参数的随机性，且使用改进的梯度下降算法，较现有方法能够实现快速和更加客观地定量评估；
[0065]
3.本发明初次实现了以冲突风险为基准，在规划阶段对飞行程序结构、不同程序组合、运行中航行参数、跑道布局等因素的分析，初次进行了飞行程序、跑道等静态因素与运行参数、风险等动态要素之间的联系，更加深入地进行了空域设计要素的研究。
附图说明
[0066]
图1为告警探测周期工作流程图。
[0067]
图2为仿真场景示意图。
[0068]
图3为tcas ii系统模拟流程图。
[0069]
图4为ils+rnp混合进近示意图。
[0070]
图5为基于梯度下降法的冲突风险计算方法流程、
具体实施方式
[0071]
下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行进一步的详细说明，显然，所描述的实施例仅作为例示，并非用于限制本次申请。
[0072]
一种基于tcas的平行跑道运行冲突风险计算方法，具体步骤如下：
[0073]
s1：搭建两平行跑道运行场景
[0074]
设跑道间距为d，两条跑道分别为r1和r2，以其中一条跑道进近方向入口为坐标原点建立空间直角坐标系，相关参数见表1。
[0075]
表1参数列表
[0076][0077]
在进近过程中，无论使用何种进近程序，当两机都稳定在最后对准跑道的航段时，由于两机方向一致，在稳定飞行情况下继续接近的可能很小，冲突的情况主要发生在两机汇聚至跑道中心线的过程。
[0078]
s2：从水平和垂直两方面建立飞机的运动模型
[0079]
(1)水平方向
[0080]
将飞机运动轨迹投影至跑道系统平面，建立两架飞机的水平运动模型如下：
[0081]
1)eor程序rf转弯部分运动模型：
[0082][0083]
δx＝r-rcos(wδt)
ꢀꢀ
(2)
[0084]
δy＝rsin(wδt)
ꢀꢀ
(3)
[0085]
式中：w为转弯角速度，单位为度/s；ias为飞机真空速度，单位为km/s；r为rf航段转弯半径，单位为km；δx为飞机在x轴方向位移，单位为km；δy为飞机在y轴方向位移，单位为km；δt为计算步长，单位为s。
[0086]
2)飞机直线运动模型：
[0087]
δx＝iasδt
ꢀꢀ
(4)
[0088]
(2)垂直方向
[0089]
δz＝kδt
ꢀꢀ
(5)
[0090]
式中：δz为飞机在z轴方向位移，单位为km；k为飞机下降速率，单位为m/s。
[0091]
s3：建立航迹误差模型
[0092]
由于机载接收设备、地面发射装置和进近引导灯光的因素，在接收信号时的易受干扰，使得飞机在进近过程中无法按照预定航迹飞行。因而实际飞行过程中飞机航迹存在偏差，根据航迹偏差数据拟合得出正态标准差沿航迹变化的规律：
[0093]
σ
lat
(x')＝0.0028x'+9.02
ꢀꢀ
(6)
[0094]
σ
ver
(x')＝0.0004x'+2.89
ꢀꢀ
(7)
[0095]
式中，σ
lat
为侧向正态标准差，单位为m；σ
ver
为垂直正态标准差，单位为m；x
′
为飞机至跑道着陆点的距离，单位为m。由于侧向和垂直偏差分布的均值都较小，取侧向和垂直偏差分布的均值为0。
[0096]
s4：建立飞机冲突探测模型
[0097]
得到飞机在某一时刻预计相遇时间为：
[0098][0099][0100]
式中，τ
hor
为水平预计相遇时间，单位为s；τ
ver
为垂直预计相遇时间，单位为s；为飞机在水平相对距离方向的相对速度，单位为km/s；
[0101]
t时刻水平方向两机相对距离d(t)表示为：
[0102][0103]
式中，x
入侵
(t)表示t时刻入侵机在x轴方向坐标，y
入侵
(t)表示t时刻入侵机在y轴方向坐标，x
本机
(t)表示t时刻本机在x轴方向坐标，y
本机
(t)表示t时刻本机在y轴方向坐标。
[0104]
两机的水平接近率用两机相对于相对距离的相对速度表示：
[0105][0106]
式中，θ为入侵机速度与相对距离之间的角度，单位为度；α为本机速度与相对距离
之间角度，单位为度。
[0107]
垂直方向相对距离z表示为：
[0108]
z(t)＝|z
入侵
(t)-z
本机
(t)|
ꢀꢀ
(12)
[0109]z入侵
(t)表示t时刻入侵机在z轴方向坐标，z
本机
(t)表示t时刻本机在z轴方向坐标，
[0110]
垂直接近率用两机相对垂直速度表示：
[0111][0112]k本机
为本机下降速率，k
入侵机
为入侵机下降速率。
[0113]
在低速情况下，两机的接近速度相对较小，τ值未达到告警范围，但两机距离可能已经很接近甚至有碰撞可能。为了防止此类情况发生，需要对τ进行修订，即在以较低的接近速率情况下，修正τ值计算方法，使其收敛并允许tcas在此种情况下，在固定dmod范围阈值或之前发出ta和ra。对水平预计相遇时间τ
hor
的修正公式为：
[0114]
d'(t)＝d(t)-dmod
ꢀꢀ
(14)
[0115][0116]d′
(t)为修正后的t时刻水平方向两机相对距离；dmod为固定范围阈值。为t时刻两机在水平相对距离方向的相对速度。
[0117]
同样，在垂直方向做类似修正：
[0118]
z'(t)＝z(t)-zthr
ꢀꢀ
(16)
[0119][0120]
其中，z
′
(t)为修正后的t时刻垂直方向两机相对距离，zthr为垂直τ收敛的非零范围，与高度区间相关，在不同高度区间内为常数，为t时刻两机在垂直相对速度。
[0121]
通过飞机进近过程的运动模型和相对位置关系和变化趋势，可计算出水平预计相遇时间τ
hor
和垂直预计相遇时间τ
ver
，依据灵敏度等级进行tcas告警判断。
[0122]
s5：基于改进梯度下降法的冲突风险计算
[0123]
飞机在进近下降过程中是一个复杂、动态且随机的过程，因此用传统的数学推导和单一场景演示很难发现两机接近的一般规律，需要进行大量的模拟才能在程序规划设计阶段得出较客观的冲突风险，在本发明中，速度误差是基于管制调配，考虑误差范围较大，而且不仅考虑了rnp ar飞机的误差，也考虑了ils飞机的误差，计算量极大。目前多数相关研究采用蒙特卡洛算法进行模型的验证和仿真，此方法在只考虑有限的速度、航迹定位误差的条件下可以满足要求，但当考虑误差项复杂时，计算量巨大，收敛速度慢。因而本发明通过改进梯度下降法对冲突风险进行计算。
[0124]
水平τ值和垂直τ值的计算可看作极值问题，即最接近时间为两机运动过程中的接近时间的极小值，可通过对比极小值与告警阈值的大小判断告警情况。
[0125]
s5.1水平ι
hor
计算方法
[0126]
根据前面的分析和表述，将两机(以下称a飞机和b飞机)水平接近时间函数ι(t)表示为为：
[0127][0128]
式中，xa(t)表示t时刻a飞机在x轴方向坐标，xb(t)表示t时刻b飞机在x轴方向坐标，ya(t)表示t时刻a飞机在y轴方向坐标，yb(t)表示t时刻b飞机在y轴方向坐标；iasa表示a飞机真空速，iasb表示b飞机真空速。
[0129]
接近时间与两机之间的距离和两机相对接近速度有关，为时间t的非线性方程。在同时进近过程中，由于飞机速度不同，两机会有追赶、远离等状态改变造成相对位置发生变化，和由转弯改为直线造成运动状态改变，因此接近时间函数为非连续函数，但在分段区间内为连续可导。且接近时间与两机相对位置和角度有关(见图4)，从图4可见，可能告警的位置一般从切圆弧与五边垂直的位置开始，至转弯结束仅有90度范围，因此分段区间内函数为凸函数。
[0130]
定义β为两机连线与y轴的夹角：
[0131][0132]
当飞机转弯(x(t)》xif)，并且a飞机作为入侵机时，有：
[0133]
xa(t)《xb(t),θ＝w*t+β
[0134]
xa(t)＝xb(t),θ＝w*t
[0135]
xa(t)》xb(t),θ＝|β-w*t|
[0136]
当飞机转弯(x(t)》xif)，并且b飞机作为入侵机时，有：
[0137]
xa(t)《xb(t),α＝|β-w*t|
[0138]
xa(t)＝xb(t),α＝w*t
[0139]
xa(t)》xb(t),α＝w*t+β
[0140]
当飞机处于直线阶段飞行，并且a飞机作为入侵机时，有：
[0141]
xa(t)《xb(t),θ＝90+β
[0142]
xa(t)＝xb(t),θ＝90
[0143]
xa(t)》xb(t),θ＝90-β
[0144]
当飞机处于直线阶段飞行，并且b飞机作为入侵机时，有：
[0145]
xa(t)《xb(t),α＝90-β
[0146]
xa(t)＝xb(t),α＝90
[0147]
xa(t)》xb(t),α＝90+β
[0148]
求函数极值问题可看作为求目标函数的鞍点，即函数一阶导数为0的点。但两机接近时间函数为复杂函数，直接求解困难且速度较慢。因而对上述问题，采用梯度下降法(gd)，设置初始解s0，通过不断迭代的方法交替优化以获得极值。
[0149][0150]
其中，η∈r为迭代步长，为梯度算子，s
t
为当前解，s
t+1
为下一步迭代解，t为迭代时间，f(s
t
)为优化目标函数。η和初始解s0决定了算法的效率。
[0151]
梯度下降法为数值优化方法，具有步收敛性好，稳定性强的特点，但需要设置合适的初始解和迭代步长，否则搜索效率较低，因此本发明采用基于目标的梯度下降算法(tbgd：taget based gradient descent)通过预先了解目标函数的规律对算法进行改进，确定初值和迭代步长，缩小搜索范围，提高算法效率。
[0152]
两机接近目标函数为分段函数，但在其各个段内均为渐变函数，利用凸点处目标函数导数为0的原理，按照一定步长计算目标函数导数值，确定导数值距离0最近的左右两点的位置即s
0-和s
0+
，以此两点再取中点作为gd算法的初值x0。
[0153]
梯度下降法的迭代步长决定了算法的效率和速度，初始解的位置已经大致确定了最优解的范围，即最优解一定产生在x
0-和x
0+
之间，因此迭代过程中x
t+1
应在
±
t(t为迭代步长)范围内，且随着目标的逼近，变化幅度应该越小：
[0154][0155]
求两机水平接近时间极值算法流程见图5。
[0156]
s5.2垂直ι
ver
计算
[0157]
在切入中间进近航段后，飞机垂直方向上严格按照飞行程序规定的梯度下降，高度方程为基于距离的一次函数，为了方便计算，将eor航迹的转弯部分作为直线处理，因此可建立两机高度方程：
[0158][0159][0160]
za(t)为a飞机t时刻高度，为a飞机初始高度，为a飞机垂直下降率，x(t)为t时刻飞机飞行距离，为a飞机初始位置，为a飞机着陆跑道入口位置。
[0161]
两机垂直方向高度差z(t)为：
[0162][0163]
由于飞机下降梯度保持不变，垂直接近率为常数，因此ι
ver
告警判断可以转化为一元一次函数z(t)的极值计算。
[0164]
5.3冲突风险计算过程
[0165]
step1：设置同时进近飞行程序、两机初始位置范围、速度误差范围、rnp ar/ils精度参数和范围、仿真次数n。
[0166]
step2：生成两机路径方程，以及水平、垂直接近时间函数；
[0167]
step3：分别计算垂直、水平接近时间极值f
l
(x
min
)、fv(x
min
)，与相应阈值对比，以垂直、水平接近极值均小于标准值判断是否告警，并记录告警次数n；
[0168]
step4：计算告警概率为
[0169]
s5：告警判断
[0170]
由于tcas是一个基于时间的系统，碰撞区域的大小和形状随入侵飞机的接近速率和相对方位而变化。如果预计入侵飞机的飞行轨迹会穿透碰撞区域，系统会同时用视觉和听觉信号通知机组人员。tcas生成两个级别的提示：ta(交通咨询)和ra(决策咨询)。表2提供了tcas在不同的sl下，ta和ra告警的阈值。
[0171]
表2灵敏度级别定义和报警阈值
[0172][0173]
在一定敏感度等级下，当水平τ和垂直τ均小于特定阈值时才进行告警。tcas ii系统一个告警探测周期工作流程图如图3所示。
[0174]
s6：基于梯度下降法的冲突风险计算以及参数验证
[0175]
飞机在进近下降过程中是一个复杂、动态且随机的过程，因此用传统的数学推导和单一场景演示很难发现一般规律，需要进行大量的运算才能在程序规划设计阶段得出较客观的冲突风险。由于在混合进近中考虑的因素多，tcas告警判断和总体风险计算运算量较大，为了提高运算速度，使用改进的梯度下降法进行风险计算。本实施方式以国内某机场为例，采用梯度下降法进行方法的验证和仿真。
[0176]
机场标高2103.5m，目前有两条平行跑道，其中21/22号跑道为主降跑道。21号跑道长4000m，跑道入口内移540m。22号跑道长4500m。两条跑道均具备rnp ar和ils进近程序，目前支持同时进近的rnp ar程序精度要求为0.2。
[0177]
场景示意图见图2。因场景设置主要为最后进近阶段，两侧高度差异不大，灵敏度等级和告警阈值相同，因此在仿真过程中，对执行eor程序的飞机进行告警情况分析(作为本机)。
[0178]
设置验证参数见表3、4。设置飞机架次和初始位置，以及相应的时刻，以保证适应所有运行场景。
[0179]
表3飞机初始速度模拟数据
[0180][0181]
表4初始定位误差模拟数据
[0182][0183][0184]
注：rnp ar和ils垂直误差较小忽略不计
[0185]
设定初始场景：21号跑道使用rnp ar进近，直线五边长度14.8km，22号跑道使用ils进近，直线五边长度22.6km，见图2。进近过程中两机位置接近主要发生在rf转弯切入五边时，根据表2，结合昆明机场实际运行情况，设定使用rnp ar飞机类别为c类，ils飞机为c类和d类。设置运行次数为10万次，仿真得到使用eor程序飞机ra告警概率(简称ra告警概率)均为0，说明现有程序满足ra告警概率要求,与实际相符。使用eor程序飞机ta告警概率分别为4.8e-4、e-5。
[0186]
并根据实际需求，得出不同场景的风险趋势图，发现使用eor程序机型越大，产生告警概率大，呈数量级增长，且eor机型大于ils机型时，告警概率更大。
[0187]
保持初始场景一中初始参数不变，改变eor程序的五边长度(简称五边长度)，从14.8km(现有长度)开始，以500m为一个间隔依次增加进行10组实验，验证五边长度差异对告警概率的影响。每组运行10万次计算tcas告警概率，发现随五边长度的增加，两机初始的相对纵向距离不断减小，使用ils程序c类和d类飞机对ta告警概率呈现先增长再降低的趋势。
[0188]
保持初始场景一中参数不变，改变跑道间距，以500m为一个间隔依次缩小跑道间距进行10组实验每组运行10万次，计算tcas告警概率，发现跑道间距减小，两机侧向相对距离减小，ra和ta告警均增大。使用ils程序飞机为c类时在跑道间距大于等于1.72km时，ra告警概率减小为0；使用ils程序飞机为d类时，ra告警概率为0。两类飞机的ta告警概率普遍较高，且随着跑道间距的缩小而增加。
[0189]
以上结果表明本实施方式公开的方法可以为为机场、空管提供有力的决策理论依据。
[0190]
以上申请的仅为本技术的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术创造构思的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些都属于本技术的保护范围。

技术特征：
1.一种基于tcas的平行跑道混合进近运行冲突风险计算方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)建立飞机运动模型，包括将飞机运动轨迹投影至跑道系统平面，建立两架飞机的水平方向和垂直方向运动模型，所述水平方向运动模型包括转弯部分运动模型和直线运动模型；(2)建立航迹误差模型，采用航迹偏差数据拟合得出正态标准差沿航迹变化的关系，并对飞机航迹变化进行修正得到飞机真实位置；(3)建立飞机冲突探测模型，包括得到飞机在水平方向和垂直方向的相对距离和相对速度，并计算得到飞机水平预计相遇时间τ
hor
和垂直预计相遇时间τ
ver
；(4)利用基于目标的梯度下降法计算两机水平接近时间极值和垂直接近时间极值，进行告警判断，对冲突风险进行计算；(5)根据步骤(4)告警判断结果，当预计入侵飞机的飞行轨迹会穿透碰撞区域，系统用视觉和听觉信号通知机组人员。2.根据权利要求1所述的一种基于tcas的平行跑道混合进近运行冲突风险计算方法，其特征在于，所述飞机运动模型为：(1)水平方向将飞机运动轨迹投影至跑道系统平面，建立两架飞机的水平运动模型如下：1)eor程序rf转弯部分运动模型：δx＝r-rcos(wδt)(2)δy＝rsin(wδt)(3)式中：w为转弯角速度，单位为度/s；ias为飞机真空速度，单位为km/s；r为rf航段转弯半径，单位为km；δx为x轴方向位移，单位为km；δy为y轴方向位移，单位为km，δt为飞机在rf转弯部分飞行所用时间，单位为s；2)直线运动模型：δx＝iasδt(4)(2)垂直方向δz＝kδt (5)式中：δz为飞机在z轴方向位移，单位为km；k为飞机下降速率，单位为m/s。3.根据权利要求所述的一种基于tcas的平行跑道混合进近运行冲突风险计算方法，其特征在于，所述航迹误差模型中，根据航迹偏差数据拟合得出正态标准差沿航迹变化的关系为：σ
lat
(x')＝0.0028x'+9.02
ꢀꢀꢀꢀ
(6)σ
ver
(x')＝0.0004x'+2.89
ꢀꢀꢀꢀ
(7)式中，σ
lat
为侧向正态标准差，单位为m；σ
ver
为垂直正态标准差，单位为m；x
′
为飞机至跑道着陆点的距离，单位为m。4.根据权利要求所述的一种基于tcas的平行跑道混合进近运行冲突风险计算方法，其特征在于，所述飞机冲突探测模型，包括：
飞机在每时刻预计相遇时间为：飞机在每时刻预计相遇时间为：式中，τh
or
为水平预计相遇时间，单位为s；τ
ver
为垂直预计相遇时间，单位为s；为飞机在水平相对距离方向的相对速度，单位为km/s；t时刻水平方向两机相对距离d(t)表示为：式中，x
入侵
(t)表示t时刻入侵机在x轴方向坐标，y
入侵
(t)表示t时刻入侵机在y轴方向坐标，x
本机
(t)表示t时刻本机在x轴方向坐标，y
本机
(t)表示t时刻本机在y轴方向坐标。.水平接近率用两机相对于相对距离的相对速度v表示：式中，θ为入侵机速度与相对距离之间的角度，单位为度；α为本机速度与相对距离之间角度，单位为度；垂直方向相对距离z表示为：z(t)＝|z
入侵
(t)-z
本机
(t)|
ꢀꢀꢀꢀ
(12)垂直接近率用两机相对垂直速度表示：式中k
本机
为本机下降速率，k
入侵机
为入侵机下降速率。5.根据权利要求4所述的一种基于tcas的平行跑道混合进近运行冲突风险计算方法，其特征在于，对τ进行修订使其收敛到一个非零范围，对水平预计相遇时间τ
hor
的修正公式为：d'(t)＝d(t)-dmod
ꢀꢀꢀꢀ
(14)d
′
(t)为修正后的t时刻水平方向两机相对距离；dmod为固定范围阈值。为t时刻两机在水平相对距离方向的相对速度。在垂直方向做修正：z'(t)＝z(t)-zthr
ꢀꢀꢀꢀ
(16)
其中，z
′
(t)为修正后的t时刻垂直方向两机相对距离，zthr为垂直τ收敛的非零范围，与高度区间相关，在不同高度区间内为常数，为t时刻两机在垂直相对速度。6.根据权利要求5所述的一种基于tcas的平行跑道混合进近运行冲突风险计算方法，其特征在于，所述步骤(4)中，包括：步骤(4)中飞机冲突探测模型的冲突风险计算方式为：step1：设置同时进近飞行程序、两机初始位置范围、速度误差范围、rnp ar/ils精度参数和范围、仿真次数n；step2：生成两机路径方程，以及水平、垂直接近时间函数；step3：分别计算垂直、水平接近时间极值f
l
(x
min
)、f
v
(x
min
)，与相应阈值对比，以垂直、水平接近极值均小于标准值判断是否告警，并记录告警次数n；step4：计算告警概率为

技术总结
本发明属于空中交通管理技术领域，具体公开了一种基于TCAS的平行跑道混合进近运行快速冲突风险计算方法，包括建立飞机运动模型，包括将飞机运动轨迹投影至跑道系统平面，建立两架飞机的水平方向和垂直方向运动模型；建立航迹误差模型，采用航迹偏差数据拟合得出正态标准差沿航迹变化的关系，并对飞机航迹变化进行修正得到飞机真实位置；建立飞机冲突探测模型，包括得到飞机在水平方向和垂直方向的相对距离和相对速度，并计算得到飞机在每时刻预计相遇时间；当预计入侵飞机的飞行轨迹会穿透碰撞区域，系统用视觉和听觉信号通知机组人员。本方法实现在规划阶段对同时进近飞行程序、航行参数等因素的验证，能够实现更加客观地对平行跑道运行冲突风险定量评估。行跑道运行冲突风险定量评估。行跑道运行冲突风险定量评估。


技术研发人员：齐雁楠 王新彤 唐明成 赵静 赵元棣
受保护的技术使用者：中国民航大学
技术研发日：2023.04.04
技术公布日：2023/7/28