区域雷达管制飞行冲突分析及调配策略研究

王晨光

中国民用航空华北地区空中交通管理局 100621

随着民航业的高度发展，空中交通流量快速增加，飞行冲突日益严重。为了保证飞行的安全，航路上任意两架航空器的间隔不能小于最小安全间隔，因此区域雷达管制下的冲突探测与调配策略尤为关键。

冲突探测就是利用雷达提供的航空器的速度、高度和位置信息进行计算，利用它们的预计飞行航路与当前时刻的航行诸元来推测它们未来的位置，判断两架航空器的间隔是否小于最小安全间隔，从而实现飞行冲突的探测。冲突的调配就是在探测到潜在的飞行冲突后，通过一定的管制指令让航空器脱离即将发生的冲突，也就是我们常说的冲突的解脱。本文将采用在三维空间基础之上，建立航空器的质点运动轨迹，制定出飞行冲突的探测方法；在飞行冲突的调配中，调速、调整航向、改变高度是最常见的方法，本文也将结合理论与实际情况从这些方面一一阐述，并列举出一线管制员在冲突解脱时的一般程序。

正文

在区域雷达管制工作中，管制员负责的区域面积较大，区域范围内的机场较多。区域管制相比较进近管制和机场管制来说是可以较好提高运行效率的一环，一旦区域管制的效率提高，可以容纳更多的航空器在里面飞行，那么相应的整个民航运行效率都会得到提高。航空器在区域管制中飞行的时间较长，飞行速度相比较进近来说很大，故飞行冲突较多并且相互影响较大，更为致命的是部分冲突比较隐蔽很难提早发现，等管制员发现时可能为时已晚。一旦出现冲突等紧急情况，留给管制员的时间只有一两分钟，甚至更短的时间来处理冲突。在这转瞬即逝的时间里，一个没有经历过专业培训与特情训练的管制员来说，肯定是无法在最短的时间里完成冲突的解脱。让管制员多了解区域管制中各种常见的冲突类型和有关的冲突解决的办法，那么当这些冲突真的发生，管制员也会通过平时的训练与学习，能够在第一时间判断出冲突的类型并采用最恰当的方法完成冲突的解脱。所以对管制员来说，了解飞行冲突的各种类型和飞行冲突的解脱方法是十分重要的。

本文只讨论雷达管制下的间隔问题，根据有关部门的规定，在相邻两个管制区之间都是用雷达管制时，协调前，雷达管制的航空器与管制边界之间的间隔：进近为3公里，区域为5公里。雷达管制的航空器与航空器的间隔：进近不得小于6公里，区域不得小于10公里。飞行冲突所指的是航空器在空域中飞行时，发生了与其它航空器相撞的危险情况或危险趋势。换句话说，如果一架航空器在飞行的过程中，一架航空器的所占空域与其它航空器所占空域在空间上发生了重叠，即认为发生了飞行冲突。依照所占有空间的大小不同，所发生的冲突类型也是不同。相撞必然发生事故，而飞行冲突在相撞之前就已经发生了。也可以这么说，相撞必然伴有飞行冲突，但飞行冲突的发生不一定导致相撞。

因为区域雷达管制下我们可以知道任何一架航空器的位置以及高度信息，所以在飞行冲突探测的建模上，本文在坐标系之上，把航空器保护区模拟成一定形状，并且模拟成的形状可以用一定解析式来表示，方便之后的数学计算。

运动方程的含义就是将坐标系、合外力、速度、加速度联系起来的关系式，牛顿运动学定律是其理论基础。航空器的运动方程设计相对于一定的参考系坐标建立的。因为管制员可以通过二次雷达了解航空器的飞行位置、飞行高度和飞行航向等信息，而航向的定义是从经线的北端顺时针量到飞机纵轴延长线的夹角，故本文结合实际的情况，采用了数学上最常见的笛卡尔坐标系。

航空器坐标定义为：以航管雷达所在地为坐标原点O，正东方向为X轴，正北方向为Y轴，建立三维坐标系。本文我们定义飞行速度方向在XOY水平面上的投影与Y轴的夹角为航向角，记为角 ，飞行速度方向与XOY水平面的夹角为航迹角，记为角 ，升力L与垂直方向的夹角为坡角，记为角 。如图1所示。

图1 航空器坐标示意图

按照现有的区域雷达管制规则，航空器在区域飞行时一般沿固定航路航线飞行，即一条固定的直线飞行；我们再假设区域中飞行的航空器的速度恒定不变为 ，我们假设区域中任何一架航空器在初始位置的坐标为 ,那么这架航空器在任何时刻的位置坐标可以用以下公式表示：

﹙1﹚

为了计算简便，本文把航空器看作是一个无质量的点即质点来进行研究的。我们把航空器的质量用m来表示，速度用v表示，重力加速度用g来表示，发动机产生的推力用T来表示，航空器所受到的阻力之和用Q来表示，航空器两机翼产生的升力之和用L表示。在质点的模型中，航空器发动机产生的推力的方向与航空器速度的方向是一致的，阻力的方向与速度的方向相反，升力的方向垂直于航空器速度的方向。推力T、阻力Q和升力L都作用在航空器的重心上。

飞行冲突的调配就是在发现航空器已经冲突或是即将发生冲突时采用管制手段尽快进行飞行冲突的解脱。

在实际的区域雷达管制中，当发现两架航空器即将发生飞行冲突时，尽快建立垂直间隔是解决飞行冲突的方法之一。建立水平间隔是解决飞行冲突的第二种方法。水平间隔的建立要根据冲突航空器的距离、方位、飞行速度采取不同的解脱方法。首先判断出航空器冲突的类型，按航空器相对运动趋势把冲突分为：追及冲突、航路交叉汇聚冲突和对头冲突三大类。然后根据冲突的类型采取改变航空器航行诸元的方法进行冲突的解脱，改变航空器航行诸元的具体方法是：调速、雷达引导改变航向和改变高度，三种方法的采用一般根据冲突类型和实际情况而定。

冲突解脱时的注意事项

(1)在第一时间察觉到会有飞行冲突发生时，马上通知相关航空器的驾驶人员。必要时使用“立即”等标准管制术语，英文术语为“immediately”^[13]。

(2)航空器的活动通报

在活动通报中，规定需要通报冲突航空器的位置(以十二小时制时钟方位)、冲突航空器的距离、冲突航空器的飞行方向、机型、相对运动方向(顺向飞行 same direction、汇聚 converging、超越 overtaking)等元素。

活动通报的主要目的是方便机组了解空中的情况，但是在实际的工作中，一旦发生飞行冲突等紧急事件，过多的活动通报反而会占用宝贵的通话资源，不利于更快更迅速的解脱飞行冲突。

总结

本文虽然在理论上建立了冲突探测的数学模型，但是对于实际的计算所采用的算法并没有进行研究与总结。还有现如今低空开放的呼声越来越高，相信在不久的将来这一目标一定会实现。所以对于以后的研究方向，可能更多的是航空器驾驶员自主探测、解脱飞行冲突，即自由飞行下的冲突探测与解脱。

主要参考文献

[1] 李春锦，王英勋.平行航路飞机相撞危险的数学模型，北京航空航天大学空管研究中心.中国民航学院学报，2001.23(5):31-34

[2] 陈晨，崔德光等.空中交通管制中改进型冲突探测算法研究与应用[J].计算机工程与应用，2002,38(19)：250-253

[3] 赵洪元.两条交叉航线上飞机发生危险冲突次数模型的研究[J].系统工程与电子技术，1998，20(5)：6-9

[4] 刘星，胡明华，董襄宁.遗传算法在飞行冲突解脱中的应用[J].南京航空航天大学学报，2002.34(1):46-49

[5] 张洪森.浅谈区域管制工作的问题和解决方法[J].西安空管局西安区域管室,2012,9(4)：139-141

[6]胡光华.航路飞行冲突探测与解脱方法研究[D].武汉理工大学，2009