机场空域内无人机与通航有人机混合运行间隔研究.pdf
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1、舰 船 电 子 工 程2023 年第 6 期1引言随着通用航空和无人机的快速发展,各类通航有人机和无人机不断推陈出新,应用场景不断拓展,传统动力无人机、eVTOL的电驱动垂直起降无人机、飞行汽车等通航飞行空器不断发展。按照2022年我国通航发展专项规划和我国民用无人驾驶航空发展路线图,在低空,通航有人和无人机将收稿日期:2022年12月12日,修回日期:2023年1月24日基金项目:民航局安全能力项目(编号:0242109)资助。作者简介:赵亮,男,工程师,研究方向:空域规划。机场空域内无人机与通航有人机混合运行间隔研究赵亮(民航局空管局运行管理中心北京100015)摘要随着无人机技术与运用的
2、快速发展,无人机与传统通航飞机在机场空域开展混合运行是未来发展的必然趋势。包含直角转弯的仪表航线是机场区域内使用得最多,飞机密度最大,飞行风险风险最高的航线类型,该类航线上的仪表间隔的安全性是确定整个机场终端区飞行间隔的基础。论文研究了在通信、导航、监视(CNS)性能下,机场空域内实施包含直角转弯航线的通航无人机混合仪表运行的位置偏差特点,利用基于高斯分布的碰撞风险模型,选取通航典型机型CESSNA172R、TB双尾蝎与大型翼龙2等,在满足ICAO提出的终端区内110-7安全目标水平的前提下,通过仿真计算得到无人与通航有人机混合运行的安全距离为3.6km。论文设定的CNS性能环境体现了大多数通
3、航无人机混合运行特点,无人机型类别也属于较大型飞机,因此论证得到的3.6km仪表混合运行间隔具有很好的普适性,可以成为通航有人机与无人机在机场空域内混合运行间隔制定的重要参考。关键词终端区仪表航线;UAV混合运行;水平安全间隔中图分类号U8DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2023.06.032Research on the Mixed Operation Separation of in Airport AirspaceBetween UAV and General AircraftZHAO Liang(Civil Air Traffic Control Author
4、ity Operations Management Center,Beijing100015)AbstractWith the rapid development of UAV technology and application,the mixed operation of UAV and traditional navigation aircraft in airport airspace is an inevitable trend of future development.The instrument route including right angle turn is themo
5、st useful routes in the airport airspace,it always with the highest flightt density and flight risk.The safety of the instrument separation on this type of route is the basis for determining the flight separation of the entire airport airspace.This paper studies the position deviation characteristic
6、s of UAV and General aircraft mixed instrument operation including right angle turn route in airport airspace under the performance of communication,navigation and surveillance(CNS),and uses the collision risk model based onGaussian distribution.The typical aircraft CESSNA172R,TB twin tailed scorpio
7、n and large pterosaur 2 are selected for mixed operation,meeting the requirements of 110-7safety target level,the safety separation of UAV and General aircraft is 3.6km respectivelythrough simulation calculation.The CNS performance environment set in this paper reflects the characteristics of most U
8、AV and General aircraft mixed operation airports,and the category of manned UAV also belongs to larger aircraft.Therefore,the demonstrated3.6km instrument mixed operation separation can be an important reference for formulating the mixed operation separation in airportterminal airspace.Key Wordsinst
9、rument flight pattern,UAVs mixed operations,lateral safety separationClass NumberU8总第 348 期2023 年第 6 期舰 船 电 子 工 程Ship Electronic EngineeringVol.43 No.6149总第348期从低空域效率的隔离运行向高空域效率的混合运行发展,将涉及通航机场空域、城市内飞行、城市间航线网络等低空空域。当前,国内外对低空空域通航有人和无人机混合运行的间隔标准和碰撞风险开展过很多的研究。Min Yang1等介绍了关于无人机撞击飞机、无人机操作规程的研究,对无人机对民航客机的
10、危害提出了一些合理的解决方案;Pyrgies J2等利用描述性统计技术对机场附近的严重无人机事件进行定量分析,并通过深入分析一些有代表性的事件进行定性分析,根据FAA安全风险管理进行风险分析,以确定危险;Xiaokun Cui3等改进了 Reich 模型,基于大型无人机的运行和误差特征,建立了无人机与有人驾驶飞机的碰撞模型,讨论并分析了大型无人机进入融合空域的可行性。Shen Z4等提出一种改进的Voronoi图算法,根据无人机的不同分配,将低空共享空域划分为多个扇区。利用有人驾驶和无人驾驶飞机的实时ADS-B轨迹,构建了无人机与有人驾驶飞机之间的碰撞风险模型;McFadyen5等为处理城市环
11、境上空整合无人机运行问题,利用低空空中交通数据集来发现现有的禁飞区和另一种定义禁飞区的几何方法,并应用于澳大利亚某地区;Zhang6基于无人机碰撞轨迹与无人机运动学模型建立碰撞风险模型;潘卫军7基于延迟推导出无人机与有人机之间的管制防撞间隔,建立有人机与无人机的改进Reich侧向碰撞风险模型;于清媛8等根据无人机存在管制操纵指令延迟情况,推导管制区域内,无人机与有人机的防撞管制间隔,建立无人机与有人机碰撞风险模型,对无人机管制间隔进行风险评估;张兆宁9利用传统的位置误差模型,以及最大期望(EM)算法,求解节点事件的先验概率,导入贝叶斯网络模型,求得两架飞机碰撞风险;王莉莉10等改进无人机碰撞模
12、板,建立基于速度随机分布的低空空域小型无人机碰撞风险评估模型;杨新湦11等利用Crow近场涡强度消散理论,得到实际尾迹影响区改进Reich碰撞模板,据此建立CNS 性能环境下的纵向间隔评估模型,通过Matlab进行间隔值求解;邓力12假设民航客机定位误差服从正态分布,建立无人机与民航客机水平投影面和垂直投影面的运动学模型,使用分裂步方法求解该模型。上述研究主要集中在低空航线飞行上的碰撞风险,但在机场管制空域内特别是在仪表航线上实施混合运行的碰撞风险和间隔标准研究比较少。但是该类航线在通航机场作为仪表飞行训练广泛使用,飞行密度大,安全风险高。特别是包含直角转弯的机场空域内仪表航线上,两条直角边上
13、飞机的间隔变化更为复杂,风险程度更高。因此研究直角转弯航线上有人机和无人机之间的安全间隔是确定机场终端区域内混合运行水平安全间隔的基础。本文结合机场区域内有人机和无人机通信、导航、监视及飞行性能等相关特点,通过构建基于高斯分布的碰撞风险模型,研究通航基于仪表飞行的有人机和无人机混合运行的碰撞风险,按照国际民航组织DOC8168中机场空域内的110-7安全目标水平要求,研究在具备ADS-B监视和话音通信条件下,包含直角转弯的仪表航线上有人与无人机之间的混合运行安全间隔。2碰撞模型建立2.1两机碰撞保护区的建立按照 ICAO DOC9689文件中 REICH 模型的原理,在机场空域内的同高度上,选
14、取通航飞机、无人机各自长宽高最大值作为二维圆形保护区,假设通航飞机保护区为R1=maxE机身长,E翼展,无人机保护区为R2=maxe机身长,e翼展,为了简化模型,将通航飞机看作质点,对无人机建立合并保护区R=R1+R2,如果在混合运行时,LR则两架飞机之间发生碰撞。2.2碰撞风险模型推导设定在提供 ADS-B监视服务的机场空域,在一定的通信导航监视条件下,一架通航有人机和一架无人机在含有直角转弯的仪表航线上进行飞行,在管制员实施两次话音管制之间,由于通信、监视会出现一定延迟,导致位置误差,进而导致航空器发生碰撞。由此验证在满足110-7安全目标水平的前提下航空器应保持的间隔标准。假设A机距离转
15、弯点距离为a,B机距离转弯点为b,两机之间的理想距离为L1,实际距离为L2,A机位置偏差为X1,B机位置偏差为X2,示意图如图1。由图1可得两机之间为位置关系:a2+b2=L12(1)(a-X1)2+(b+X2)2=L22(2)L22-L12=X12+X22-2aX1+2bX2(3)当经过一定时间t后两机位置都发生变化,则有:赵亮:机场空域内无人机与通航有人机混合运行间隔研究150舰 船 电 子 工 程2023 年第 6 期Z=L22-L12(4)bBX2L2L1X1aA图1位置示意图设定这个过程中航空器位置误差沿航线呈高斯分布,由此得到:E(Z)=E(X12+X22-2aX1+2bX2)(5
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