机场空域内无人机与通航有人机混合运行间隔研究.pdf

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 Authority 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 themost 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 characteristics 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 scorpion 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 UAV 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 Wordsinstrument 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）D(Z)=D(X12+X22-2aX1+2bX2)（6）D(Z)=2A4+24B+4a22A+4b22B（7）通过前期的数据分析，可以将D(Z)中服从伽马分布的2A4和2B4假定为一个参数，得到一个近似高斯分布的函数Z：ZN(0+4a22A+4b22b)（8）对函数进行归一化处理得到：L22-L21+4a22A+4b22BN(01)（9）考虑终端区域内通航有人和无人机的CNS性能，在管制员和飞行员能够发现航空器位置误差并实施修正的时间t后，同航线航空器间隔改变为L2，要保证航空器之间的水平间隔小于航空器保护区R，则应该有|L2R（10）为便于开展等值计算，根据概率函数关系得到如下算式：P(|L22R2)=P(-R2L22R2)=P(L21-R2L22-L21L21+R2)=（L21+R2+4a22A+4b22B）-（L21-R2+4a22A+4b22B）（11）由于通信、导航、监视等因素造成的位置误差相互独立，而且都是服从均值为0的高斯分布。按照基于性能的通信导航监视概念，其服从的分布如下：-mm12Cexp(-x222C)dx=0.95（12）-nn12Nexp(-x222N)dx=0.95（13）-oo12Sexp(-x222S)dx=0.95（14）其中n表示导航误差，m表示管制员飞行员通信的时间延迟；o表示监视系统造成的延迟，C、N、S表示通信、导航、监视产生的位置误差，三个因素相互独立，则A或B机基于CNS总位置误差：A B=C2+N2+S2（15）3影响因素的确定机场空域内的运行时，通信、导航、监视是重要的空域环境。在导航方面，目前通航飞机上普遍安装有佳明等卫星导航设备能够提供基于性能的飞行导航，因此参照 ICAO DOC8168标准，根据调研终端区内通航和无人机的飞行特点，使用RNP值为0.3NM的导航精度要求，相关所需导航性能参数如表1。表1RNP参数类型RNP AR APCHRNP1RNP4精度参数0.3NM1NM4NM应用范围机场终端区起降航线允许灵活航路实现两个台点间建立航路在通信方面，通航飞机通常使用甚高频直接话音通信，能够满足ICAO基于性能通信的（RCP）相关要求，因此采用RCP10的要求。通航飞机所需通信性能参数如表2。表2RCP参数类型RCP10RCP60RCP120RCP240RCP400处理时间10s60s120s240s400s连续性0.9950.990.990.990.99可用性0.999980.99950.99950.99950.999完整性10-510-510-510-510-5无人机运行相比传统通航飞机会存在更久的管制指挥延迟，在混合运行的机场终端管制可以通过各种通信方式联系无人机操控员，为无人机下达管制指令，根据参考文献 5，有人机与无人机的语言延迟差值可以认定为4.47s。监视方面，通航机场普遍安装有 ADS-B监视设备，有人机和无人机相关信息都显示在管制员的监控屏上，ADS-B的机载和地面监控设备都满足DO-260的要求，其监视的更新率能够满足1次/s的要求，另外参考ICAO DOC9869文件中基于性能监151总第348期视的（RSP）的相关技术规范，本文采用比实际更新率更长的10s更新间隔。ICAO DOC9869文件中关于飞机所需监视性能如表3。表3RSP参数参数刷新时间间隔/s刷新率/s反应时间/sRSP类型航路（5）20122.5终端区（3）104.82.2在混合运行的有人和无人机都必须要安装ADS-B监视设备，因此对于地面监控系统性能而言，对传统通航飞机与无人机系统的监控性能是相同的。4机型参数研究涉及的无人机主要是腾盾、翼龙等大型固定翼无人机，这类无人机通常需要滑跑起降，因此在混合运行机场存在共用跑道的情况。当前多数通航机场会在本场开展仪表直角航线训练，无人机操控员也需要开展终端区包含直角转弯的仪表航线培训。本文选择的是最典型的通航飞机和最大的无人机型，以保证本文论证结论得到的混合运行水平飞行间隔具有最大程度的适用性。本文选用的通航飞机和大型无人机的相关参数如表45。表4无人机性能主要型号性能参数飞机长度飞机高度翼展仪表直角航线速度最大飞行高度翼龙211m4.1m20.5m150km/h9000mTB双尾蝎10m3.3m20m130km/h8000m表5通航飞机性能主要型号性能参数飞机长度飞机高度翼展仪表直角航线速度最大飞行高度CESSNA172R8.2m2.72m11m167km/h4110mSR207.92m2.7m11.68m185km/h5334m5算例分析5.1相关性能参数通航飞机导航性能：通过前期在自贡凤鸣通用机场对飞机实施航路和仪表航线飞行实际航迹的统计，传统通航有人机飞行过程中使用仪表导航的实际导航偏差在0.3海里以内；无人机由操控员参考飞行地图和目视图像的航线偏差也在0.3海里以内。在 通 信 上 按 RCP，选 取 地 空 通 信 常 用 的RCP10，通过参考文献 5 可以知道无人机相对传统通航飞机在地空通信上会存在4.8s的延迟，因此本文中无人机通信延迟时间按照RCP15计算。在监视性能上，由于通航有人机和无人机都安装ADS-B设备，因此在机场空域内的延迟时间都按照10s计算。对于的值，根据前期各类飞机实际CNS性能，当设置=0.8时，对飞机之间的缩小间隔影响最大。根据本文碰撞分析的条件假设，碰撞风险计算中的相关参数如表6。表6误差参数机型CESSNA172RSR20翼龙2TB双尾蝎N0.15310.15310.15310.1531S0.35500.39330.31890.2764C0.23670.26220.21260.1842有无0.45330.49690.41270.36575.2仿真结果通过使用Matlab，机场空域内一架通航有人机和一架无人机在含有直角转弯的航线飞行。由于通航有人机和无人机的通信监视延迟和导航性能误差，在管制员两次管制指挥之间，两机之间发生碰撞的风险参照上述理论计算。不同有人和无人飞机组合在ADS-B监视间隔下的碰撞风险如下。仿真计算结论分析：上图表示在设定的CNS条件下，通航有人机和无人机在包含直角转弯的仪表航线中混合运行时，CESSNA172R与翼龙 2、TB双尾蝎混合运行下的两机水平安全距离分别为3.51km、3.26km，SR20 与翼龙 2、TB 双尾蝎混合运行下的两机水平安全距离分别为3.59km、3.35km。本文论证中采用典型通航飞机和目前常用最大型的无人机，由此在提供ADS-B监视管制服务的机场空域内，有人无人机实施仪表混合运行的条件下，当能够保持 3.6km 的管制间隔则能够达到ICAO要求的110-7的风险水平。根据自贡、广汉等通航机场空域的特点，按照该间隔标准，在以跑道为核心的一个直角航线中就可以实施5架有人/无人机同时运行，这基本能够满足大多数通航机场有人无人机混合运行实现训练飞行和进离场起降的空域容量要求。赵亮：机场空域内无人机与通航有人机混合运行间隔研究152舰 船 电 子 工 程2023 年第 6 期33.23.43.63.84间隔距离/km1.41.210.80.60.40.20碰撞概率10-6CESSNA172R与翼龙2碰撞曲线CESSNA172R与TB双尾蝎碰撞曲线1*e-07图2CESSNA172R与无人机融合运行风险图SR20与翼龙2碰撞曲线SR20与TB双尾蝎碰撞曲线1*e-071.510.50碰撞概率33.23.43.63.84间隔距离/km图3SR20与无人机融合运行风险图6结语传统通航有人机和无人机混合运行是通航发展趋势，混合运行目前还处于起步阶段，其中混合运行使用的水平间隔最为重要，而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。这类航线上的仪表飞行间隔是整个机场空域内飞行间隔的基础。本文考虑了考虑通用机场空域通信、导航、监视和空管的一般特点，结合典型通航飞机和大型无人机的特点，理论论证了 3.6km 水平间隔的安全性。本文的论证对通航有人机与无人机同场混合运行具有重要的指导和借鉴意义。当然在实际飞行过程中还涉及人因及失效等其他特殊情况的因素，本文没有全部考虑，后续还应进一步的研究。参 考 文 献1 Yang M，Wang Y，Wu Z.Research on the CollisionThreat of Drones and Civil Airliners J.International Journal of Science，2018，5（6）：284-290.2Pyrgies J.The UAVs threat to airport security：risk analysis and mitigation J.Journal of Airline and Airport Management，2019，9（2）：63-96.3Cui X，Li X，Han Y，et al.Research on collision risk oflarge unmanned aerial vehicle operating in mixed airspaceC/International Conference on Electronic InformationTechnology（EIT 2022）.SPIE，2022，12254：560-566.4Shen Z，Cheng X，Zhou S，et al.A dynamic airspaceplanning framework with ads-b tracks for manned and unmanned aircraft at low-altitude sharing airspace C/2017IEEE/AIAA 36th Digital Avionics Systems Conference（DASC）.IEEE，2017：1-7.5McFadyen A，Martin T.Terminal airspace modelling forunmanned aircraft systems integrationC/2016 International Conference on Unmanned Aircraft Systems（ICUAS）.IEEE，2016：789-794.6Zhang N，Liu H，Ng B F，et al.Collision probability between intruding drone and commercial aircraft in airportrestricted area based on collision-course trajectory planning J.Transportation Research Part C：Emerging Technologies，2020，120：102736.7潘卫军，陈佳炀，张智巍，等.管制空域内无人机与有人机侧向碰撞风险研究 J.计算机与现代化，2020（03）：1-5.8于清媛，潘卫军.无人机共享空域管制间隔研究 J.科技和产业，2018，18（06）：102-107.9张兆宁，梁玉文.自由飞行下基于贝叶斯网络的碰撞风险研究 J.中国安全科学学报，2014，24（09）：40-45.10王莉莉，阳杰.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 J.交通信息与安全，2022，40（04）：64-70.11杨新湦，任治.基于尾涡强度的无人机与民机纵向安全间隔评估研究 J.中国安全生产科学技术，2018，14（10）：64-69.12邓力.无人机与民航客机碰撞概率研究 J.南京理工大学学报，2019，43（01）：122-128.153