基于低空救援航空器航迹预测与冲突解脱研究

基于低空救援航空器航迹预测与冲突解脱研究

骆晓非

中国商飞民用飞机试飞中心

摘要：航空救援是主要以小型低速航空器为运载工具，其主要优势是速度快、效率高、地理因素影响小等。航空救援对于重大自然灾害的救援有着不可替代的作用。我国颁布了《低空空域管理使用规定》，从政策上对低空实行了开放，促使人们越来越关注低空航空器运行安全。本文针对通用航空器在低空救援重大灾害的飞行过程中的安全问题，从预测飞行航迹入手，探测飞行冲突。

关键词：低空救援航空器；航迹预测；冲突解脱

航空救援具有速度快、效率高、地理因素影响小等突出优势，成为处理抗震救灾等突发事件最有效的救援手段。现阶段我国航空救援的效果并不能让人满意，和其他发达国家相比，差距很大。航空应急救援的本质是使用航空技术手段和装备处理重大自然灾害和突发公共安全事件的一种应急救援行为，在本质上和其他救援手段并无差别，但是具有独特的救援技术手段和装备以及组织体系。航空救援是以小型低速航空器为主，我国现阶段低空空域还没有覆盖地面通信、导航和监视系统，同时空中交通管制部门也不能提供雷达监视低空空域服务，飞行安全只能靠飞行员负责。另外，航空器在低空环境下运行，会受到多种因素的干扰，存在着安全风险大、施救效率低和实施不合理等诸多的问题。

一、对低空救援航空器航迹预测的有效方法

（一）利用混合估计算法预测低空救援航空器的飞行航迹

混合估计算法是确定当前时刻航空器的飞行模式，并把其作为一个预测航迹的输入参数。当航空器改变运动状态的时候，一个数学模型不能把发生的变化很好的描述出来，这个时候需要使用多模型算法，最常使用的多模型算法是综合式伪贝叶斯算法和交互式多模型算法。交互式多模型算法是针对航空器的所有的运动状态都建立一种对应的模型，能够在任意时刻把航空器的运动状态用特定的模型表示出来，而航空器的运动变化也就是数字模型之间的转换可以利用齐次马尔可夫链完成[1]。

（二）利用意图推理算法预测低空救援航空器的飞行航迹

（1）基于航空器匀速直线模式(CV)、匀加速直线模式(CA）模式的意图推理

一个意图模型代表航空器实际飞行的一个意图即意图模型相关性（IML），是以当前航空器飞行模式为基础的意图模型度量值。航空器在CV或CA模式下在水平维度上航向不发生改变，IML值的计算是比较意图模型的航向角和当前航空器的航向角。意图模型相关性也就是比较航空器瞬时状态与意图模型单位向量，观测噪声会影响IML值。

（2）基于航空器匀速转弯模式（CT模式）的意图推理

航空器在CT飞行模式下，利用公式计算出来的平均时间意图相关性不能把当前航空器的飞行真实意图反映出来，因此，需要利用IML变化率对航空器飞行的实际意图进行准确的判断。交互式多模型（IMM）算法能够得到航空器当前在水平维度上的飞行模式。航空器在CT飞行模式下IML的最大值不是航空器飞行实际意图的表示，而通过前后两个相邻时刻的IML变化率来度量，发生最明显变化的意图模型表示航空器飞行的实际意图。

（三）以航空器飞行状态和飞行意图为基础预算航迹的算法

规划航空器的航迹也就是对飞行航线进行计划，主要构成是航路点及连接航路点的航段。航路点是一个时空信息集合包括航空器到达该点的预计时间、该点的经度、纬度、高度，航段是相邻航路点直线连接的航线。航空器没有特殊情况下的飞行都要严格按照规划航迹飞行，通过航段按顺序经过每一个航路点，因此，可以把每一个航路点看成飞行意图。但是航空器的实际飞行路径不会完全规划航迹重合。航空器按照规划航迹飞行时，受到各种因素的影响能够灵活的安排战术航迹。基于飞行状态和飞行意图的航迹预测算法（SIBTP）算法是以航空器的多个飞行模式为基础的一个混合模式，包含直线和弧形航迹段在内的多个飞行航迹段。混合估计算法是匹配航空器状态信息和混合模型中的飞行模式以后，估计当前时间航空器的飞行模式，然后根据低空救援飞行环境和救援飞行计划中的TCPs别航空器真实的飞行意图。SIBTP算法描述的是当前航空器运动的状态和模式以及估计未来一段时间内航空器的运动趋势，预测的航空器飞行航迹与实际飞行更加相符。SIBTP算法由以下三个部分构成：（1）航空器飞行过程中的速度、位置、航向等数据由ADS-B获取，当前航空器的飞行状态和模式利用IMM算法算出。（2）把当前航空器的飞行状态和模式参数与飞行计划信息结合起来完成对航空器意图点的准确判断。（3）结合上面两个数据结果对航空器实时航迹进行准确的预测[2]。

二、分析低空救援航空器的冲突解脱

低空飞行在冲突探测与解脱两个方面和有雷达监控的航路飞行相比难度更高。在低空救援环境下的主要原因是其一，多元化的冲突态势，不仅会出现在两架航空器之间发生冲突，又会出现多个航空器之间发生冲突，另外，救援航空器大多数情况下飞行方式都是编队的方式，要充分的考虑机队飞行中可能出现的冲突情形，多样性的冲突态势导致解决冲突问题更加的困难和复杂。其二，低空飞行没有航线引导，在飞行的过程中全靠飞行员点到点的目视，极易导致飞行出现较大的偏差，影响实时探测冲突的顺利进行。其三，直升飞机是低空救援所使用的主要航空器，在垂直方向有着极强的机动能力，对探测来说增加了一定的难度，但是，小型航空器在垂直方向的强机动能力，也让解脱冲突的途径更多。我国利用空域效率的提升，导致达到增加了出现飞行冲突的几率，因此，深入的研究飞行冲突探测与解脱技术的自动化具有重大的现实意义。低空救援环境中狭小的空域中活动着数量较多的航空器，极易发生飞行冲突。飞行冲突可以根据一定时间域内航空器发生冲突次数分为两机或多机冲突模式；两机冲突模式可以根据是否和航空器编队发生冲突分为两机冲突和机队冲突两种。在进行低空救援的过程中，航空器担负不同救援任务，存在着差异性较大的时间紧迫程度以及机动性能。因此，一旦发生航空器飞行冲突，必须结合每个航空器担负救援任务的紧迫性和自身的机动性，针对发生飞行冲突的每架航空器制定相适应的解脱策略，不仅要完成解决飞行冲突的目的，还要最大可能的不影响救援效率。航空器在低空救援区域飞行的过程中没有地面ATC的引导，解决飞行冲突最有效的方式是发生冲突的航空器之间自行进行协商、合作、协同解决。解脱飞行冲突的Multi-Agent系统把每一个航空器都看做一个智能体Agent，在特定的空域中，多个航空器共同组成一个Multi-Agent系统。每一个航空器Agent一旦探测出发生了飞行冲突以后，就会自动分析各自飞行目标节点、解脱策略、解脱优先等级等，自动确定各个航空器的解脱轨迹[3]。

图一：航空器解脱轨迹

结束语：

救援活动立体化中的一个重要环节是低空应急救援，基于我国越来越完善和健全的低空开放政策、越来越有成效的低空试点工作、通用航空政策和产业迅速发展的大背景下，我国低空救援在未来的发展前景非常广泛，成绩必将辉煌。在规划航空救援的航迹过程中融入智能化计算机方法，能够有效的提高低空救援飞行的安全性、高效性、现代化。

参考文献：

[1]向征、丁钰童、杨运贵、毛天时.基于飞行计划集中处理的多航空器无冲突航迹规划[J].科学技术与工程,2020,v.20;No.537(32):408-413.

[2]吴翰林,仇志峰,张明,等.基于低空风预测模型的安全航迹规划方法[J].航空计算技术,2019,v.49;No.212(5):71-75.

[3]李伯权、张明、李松锐、仇志峰.低空风影响下的多航空器航迹规划[J].航空计算技术,2020,v.50;No.219(6):61-65.

姓名：骆晓非性别：男籍贯：上海职务：飞行员职称：助理工程师学历：硕士研究生单位：中国商飞民用飞机试飞中心