kierunki rozwoju nowoczesnych systemów zarz dzania ruchem

Transkrypt

PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ
z. 71
Transport
2009
Marek Malarski
Wydzia Transportu
Marcin Pitek
Polska Agencja eglugi Powietrznej
KIERUNKI ROZWOJU NOWOCZESNYCH
SYSTEMÓW ZARZDZANIA RUCHEM
LOTNICZYM NA WIECIE
Rkopis dostarczono, listopad 2009
Streszczenie: Wykorzystywane wspóczenie metody zachowania separacji pomidzy uczestnikami
ruchu lotniczego zbudowane zostay z wykorzystaniem istniejcej sieci dróg lotniczych oraz metody
kontroli wywodzce si z kontroli proceduralnej. Kontrolerzy ruchu lotniczego stanowi nierozczny
element tego procesu z uwagi na ich zdolno
do gromadzenia informacji oraz podejmowania decyzji.
Przyszoci systemów zarzdzania ruchem lotniczym jest swobodna nawigacja nietrasowa.
Planowanie nietrasowej trajektorii 4D powinno pozwala
na pen weryfikacj bezkolizyjnoci tras
lotu samolotów.
Sowa kluczowe: ruch lotniczy, inynieria ruchu lotniczego
1. WPROWADZENIE
Lotnictwo komunikacyjne przeszo wiele przemian od pocztków swojej historii, kiedy
to nawigator decydowa o wyborze trajektorii lotu a pilot sam zapewnia separacj
wzgldem innych uytkowników przestrzeni powietrznej. Wraz ze wzrostem
intensywnoci ruchu lotniczego zasza konieczno
zapewnienia rodków technicznych
wspomagajcych zarzdzanie przepywem samolotów, takich jak: radiolatarnie, dalmierze,
radary, czno
radiowa, systemy zarzdzania ruchem lotniczym. Powoano do ycia
suby kontroli ruchu lotniczego pomagajce bezpiecznie wykonywa
loty. Wspóczesne
samoloty lotnictwa komunikacyjnego mog porusza
si po wyznaczonych przez
naziemne pomoce nawigacyjne drogach lotniczych a kady manewr samolotu musi zosta
zaakceptowany przez suby kontroli ruchu lotniczego. Niemniej jednak rozwój awioniki
174
Marek Malarski, Marcin Pitek
oraz systemów zarzdzania ruchem lotniczym umoliwi w przyszoci bezpieczne
wykonywanie lotów swobodnych, poza wyznaczonymi trasami.
Kompleksowe opracowania z dziedziny zarzdzania ruchem lotniczym dostpne s w
literaturze jedynie w postaci zalece oraz wymaga organizacji sprawujcych piecz nad
bezpieczestwem eglugi powietrznej, takich jak: ICAO, EUROCONTROL i FAA. W
Polsce, poza pracami podstawowymi na Wydziale Transportu PW [45, 46, 47, 55] i
wybranymi aplikacjami komercyjnymi w Polskiej Agencji eglugi Powietrznej, prace w
zakresie zarzdzania ruchem lotniczym a w szczególnoci w zakresie zarzdzania
trajektori lotu w ruchu lotniczym kontrolowanym nie s prowadzone.
W opracowaniach zagranicznych wyróni
naley publikacje grupy gównych
orodków badawczych prowadzcych badania nad zagadnieniami zarzdzania ruchem
lotniczym ATM (Air Traffic Management) w cisej wspópracy z przemysem lotniczym
oraz wadzami lotniczymi na terenie Stanów Zjednoczonych i Europy.
Amerykaska Massachusetts Institute of Technology (MIT) posiada dwie jednostki
organizacyjne prowadzce badania dotyczce ruchu lotniczego. S to: Department of
Aeronautics and Astronautics, zajmujcy si badaniami ukierunkowanymi na rozwój
osprztu wspierajcego zarzdzanie ruchem lotniczym oraz International Center for Air
Transportation (ICAT), którego celem badawczym jest podnoszenie bezpieczestwa,
pynnoci ruchu oraz pojemnoci systemu transportu lotniczego poprzez rozwój technik
informacyjnych oraz systemów zalenych od czynnika ludzkiego. Uczelniany orodek
University of California, Berkeley prowadzi badania zwizane z planowaniem trajektorii
lotu w ramach wspópracy midzy wydziaami Department of Electrical Engineering and
Computer Sciences i Department of Transportation Engineering. Wanym amerykaskim
orodkiem naukowym, który poza dziaalnoci zwizan z poznawaniem wszechwiata
prowadzi równie badania nad zagadnieniami zarzdzania ruchem lotniczym, jest NASA
Ames Research Center. Korporacja MITRE, poza dziaalnoci na rzecz obronnoci i
wywiadu amerykaskiego, powadzi na zlecenie federalnych wadz lotniczych badania nad
zaawansowanymi technologiami lotniczymi w ramach jednostki badawczej Center for
Advanced Aviation System Development (CAASD).
W Europie gównym orodkiem badawczym zajmujcym si problematyk zarzdzania
ruchem lotniczym ATM jest EUROCONTROL Experimental Centre, który jest jednostk
organizacyjn europejskich wadz lotniczych, dla których realizuje wikszo
prac
badawczych. Kolejnym orodkiem badawczym pod auspicjami EUROCONTROL jest
Central European Air Traffic Services (CEATS) Research, Development and Simulation
Centre (CRDS), prowadzcy badania symulacyjne ruchu lotniczego w rejonie pastw
czonkowskich. Problematyk wyznaczania trajektorii lotu zajmuje si równie orodek
akademicki Labolatorie d'Optimisation Globale (LOG) nalecy do Centre d'Etudes de la
Navigation Aerienne oraz Ecole Nationale de l'Aviation Civile. Instytut Dutch National
Aerospace Laboratory (NLR) prowadzi prace badawcze nad zagadnieniami organizacji
ruchu lotniczego na potrzeby europejskich i amerykaskich instytucji rzdowych.
Niemiecki instytut robotyki i mechatroniki Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt
e.V. (DLR) bierze udzia w budowie prototypów systemów wspierajcych zarzdzanie
ruchem lotniczym w celu weryfikacji ich przydatnoci. Badania prowadzone s na rzecz
EUROCONTROL.
Wikszo
z wymienionych orodków badawczych udostpnia swoje prace za
porednictwem Internetu. Publikacje dotyczce zagadnie zarzdzania ruchem lotniczym
Kierunki rozwoju nowoczesnych systemów zarzdzania ruchem lotniczym na wiecie
175
wydawane s regularnie, midzy innymi, przez organizacje: American Institute of
Aeronautics and Astronautics (AIAA) oraz ICASE NASA Langley Research Center.
Do najwikszych konferencji powiconych wycznie zagadnieniom zarzdzania
ruchem lotniczym nale: USA/Europe ATM R&D Seminar oraz AIAA Guidance,
Navigation and Control Conference. Ponadto, problematyka zarzdzania ruchem
lotniczym, w tym zarzdzania trajektori lotu, poruszana jest, midzy innymi, na amach
wydawnictw: Air Traffic Control Quarterly, Air Traffic Management, Air Traffic
Technology International, Aviation Week and Space Technology, The Journal of
Navigation, ICAO Journal, Air Transport, Airports International oraz Human Factors.
W artykule tym przyjto popularny w literaturze anglojzycznej akronim CD&R
(Collision Detection and Resolution) do oznaczenia problematyki wykrywania i
rozwizywania sytuacji kolizyjnych w ruchu lotniczym.
2. NOWE KIERUNKI ROZWOJU SYSTEMÓW
ZARZDZANIA RUCHEM LOTNICZYM ATM
W roku 1990 Europejska Konferencja Lotnictwa Cywilnego ECAC (European Civil
Aviation Conference) przyja Strategi Obszarow, której gównym zadaniem jest
harmonizacja europejskich systemów ATM, a nastpnie – do pierwszych lat wieku XXI ich zintegrowanie. Dla realizacji celów tej strategii zosta opracowany i zaakceptowany
Europejski Program Harmonizacji i Integracji Kontroli Ruchu Lotniczego EATCHIP
(European Air Traffic Control Harmonization and Integration Program). Programowi
EATCHIP przywiecaj cztery najwaniejsze cele:
zwikszenie bezpieczestwa ruchu lotniczego,
lepsze (efektywniejsze) wykorzystanie europejskiej przestrzeni powietrznej i
przestrzeni poszczególnych pastw,
polepszenie jakoci sprawowania sub ruchu lotniczego,
zmniejszenie kosztów utrzymania sub i infrastruktury.
Realizacja ,,Koncepcji Elastycznego Uytkowania Przestrzeni Powietrznej'' FUA
(Flexible Use of Airspace) w Polsce i Europie doprowadzia do opracowania nowego
systemu zarzdzania przestrzeni powietrzn. Przyjty system jest jednolity (narodowy
zamiast cywilnego i wojskowego). W celu zlikwidowania cywilno-wojskowej koordynacji
w stosunku do lotów w przestrzeni kontrolowanej poza staymi trasami lotniczymi
wprowadzono procedur stref zredukowanej koordynacji RCA (Reduced Coordination
Area). Procedura ta jest stosowana w cile okrelonych rejonach przestrzeni powietrznej,
w okresie zmniejszonej aktywnoci ruchu samolotów wojskowych.
Wprowadzenie elastycznego uytkowania przestrzeni powietrznej FUA jakociowo
zmienio organizacj ruchu lotniczego. Elastyczne struktury przestrzeni powietrznej
pozwalaj na jej wykorzystanie przez rónych uytkowników. Doprowadzio to do nowych
zasad kontroli ruchu lotniczego – bez sztywnej sieci dróg lotniczych. Istniej nowe
moliwoci rozoenia w czasie i przestrzeni potoku ruchu statków powietrznych. Moliwe
jest wyznaczanie dla statku powietrznego nietrasowej trajektorii lotu. Trajektoria taka musi
176
by
weryfikowana na bezkolizyjno
z aktualnie aktywnymi elementami przestrzeni
powietrznej. Konieczne jest oczywicie weryfikowanie bezkolizyjnoci tras lotu statków
powietrznych ze sob. Jest to obecnie podstawowy problem wdraania koncepcji FUA.
Koncepcja elastycznego uytkowania przestrzeni powietrznej FUA realizowana jest na
wiecie w dwóch wersjach: USA i Europy. Wersja amerykaska to koncepcja lotów
swobodnych FFP (Free Flight Programme). Koncepcja ta zakada loty swobodne i
docelowe zarzdzanie ruchem lotniczym w przestrzeni kontrolowanej wspólnie przez
suby kontroli ruchu lotniczego oraz uytkowników przestrzeni – przewoników
lotniczych. Wersja europejska koncepcji FUA to projekt wprowadzenia swobodnych tras
lotu FRAP (Free Routes Airspace Project). Koncepcja ta zakada, e uytkownicy
przestrzeni powietrznej mog swobodnie planowa
trasy przelotu od punktu do punktu z
pominiciem sieci dróg lotniczych. W trakcie realizacji lotu zadanie zapewnienia separacji
bdzie realizowane przez suby kontroli ruchu lotniczego.
Dowiadczenia dotychczasowego funkcjonowania koncepcji FUA w Europie
doprowadziy do podjcia prac nad przyszociowym systemem zarzdzania Europejsk
Przestrzeni Powietrzn. Pierwszym krokiem byo tu przyjcie koncepcji Jednolitej
Europejskiej Przestrzeni Powietrznej SES (Single European Sky), której podstawy prawne
zostay przyjte przez Komisj Europejsk 10 marca 2004 roku (zakoczenie legislacji).
Nastpnym krokiem byo podjcie Bada nad Przyszociowym Zarzdzaniem Ruchem
Lotniczym ATM (Air Traffic Management) w Przestrzeni SES – program SESAR (Single
European Sky ATM Research).
SESAR jest programem majcym na celu modernizacj zarzdzania ruchem lotniczym
w Europie poprzez realizacj europejskiego systemu ATM nowej generacji. Przyszy
europejski system ATM m.in. musi by
w stanie bezpiecznie obsuy
zwikszajc si
liczb lotów oraz spenia
wymagania uytkowników przestrzeni powietrznej, co do
wydajnoci i kosztów.
W raporcie SESAR D3 The ATM Target Concept zaproponowano koncepcj docelow
dla systemu ATM w Europie po 2020 roku. Gówne zaoenia koncepcji docelowej
systemu ATM mona opisa
nastpujco:
- koncepcja wykorzystuje tzw. trajektorie 4D (pozycje w 3 wymiarach i czas) dla
których okrelana bdzie obecna i przysza pozycja statku powietrznego,
- koncepcja jest elastyczna i moe by
dostosowana do lokalnych wymaga
uwzgldniajc ich ewolucje w miar trwania programu SESAR,
- odnosi si do wszystkich operacji realizowanych przez uytkowników przestrzeni
powietrznej (przewonicy lotniczy, wojsko, lotnictwo ogólne GA, lotnictwo
korporacyjne BA, bezpilotowe statki powietrzne UAV/UAS),
- funkcjonowanie oparte na dziaaniach sieciocentrycznych NCO (Network-Centric
Operations),
- system musi by interoperacyjny z rozwizaniami midzynarodowymi (ICAO doc.
9854) oraz lokalnymi (np. NGATS/NextGen w USA);
Koncepcja docelowa ATM zawiera jedynie ogólny zarys przyszego systemu oraz
wytyczne dalszego postpowania. Cze
przedstawionych w niej dziaa i rozwiza
znajduje si jedynie w stadium projektów (mniej lub bardziej zaawansowanych). Mona
wyróni
kilka podstawowych elementów proponowanej koncepcji dziaania programu
SESAR.
177
Trajektorie biznesowe (Business Trajectories) - koncepcja umieszcza trajektorie
biznesowe jako jeden z fundamentów caego systemu, z zaoeniem, aby kady lot by
maksymalnie zbliony do intencji jego wykonawcy (organizatora):
l suby ATM maj zapewni
, e lot bdzie przeprowadzony bezpiecznie i oszczdnie,
uwzgldniajc ograniczenia ze strony infrastruktury oraz warunków atmosferycznych,
l zmiany w trajektoriach biznesowych s sprowadzone do minimum, poprzez
mechanizm wspólnego podejmowania decyzji CDM (Collaborative Decision Making),
z wyjtkiem sytuacji pilnych,
l biznesowe trajektorie lotu bd okrelone w 4 wymiarach (pozycja i czas) i lot po nich
odbywa
si bdzie z wiksz precyzj ni dzisiaj.
Zarzdzanie trajektori lotu (Trajectory Management) - okrelono nowe podejcie do
projektowania przestrzeni powietrznej i jej zarzdzania - przeniesienie uwagi z przestrzeni
powietrznej na trajektori lotu statku powietrznego:
l uytkownicy przestrzeni powietrznej bd lata
preferowanymi przez siebie trasami
bez koniecznoci wykorzystania predefiniowanych tras,
l stae (wielosegmentowe) trasy bd aktywowane jedynie w sytuacjach wymagajcych
utrzymania okrelonej pojemnoci (np. w zatoczonych TMA),
l zabezpieczenie interesów strony wojskowej, min. poprzez AFUA (Advanced Flexible
Use of Airspace),
l ustalono, e segregacja (podzia) przestrzeni powietrznej nie jest wymagana,
l wprowadzenie tylko 2 kategorii przestrzeni powietrznej: przestrzeni kontrolowanej
(separacja zapewniana jest przez dostawc usug eglugi powietrznej ANSP, lecz moe
by
w okrelonych sytuacjach przekazana na zaog statku powietrznego) i przestrzeni
niekontrolowanej (zaoga statku powietrznego odpowiedzialna za zapewnienie
separacji) - rys. 1.
Przestrze kontrolowana loty nietrasowe
uytkownik trasy preferowane
uytkownik zarzdza trajektori lotu
odpowiedzialno za separacje ANSP (moe by przeniesiona)
Przestrze o duej gstoci ruchu
(zdefiniowana w czasie i przestrzeni)
loty trasowe (ograniczona pojemno)
trasa + trajektoria lotu uytkownik + ANSP
odpowiedzialno za separacje
Przestrze niekontrolowana
ANSP (moe by przeniesiona)
Przestrze niekontrolowana
uytkownik przestrzeni
uytkownik przestrzeni
Rys. 1. Docelowa struktura europejskiej przestrzeni powietrznej (wedug SESAR i wasnych
przemyle autorów) ANSP (Air Navigation Service Provider - dostawca usug eglugi
powietrznej; w Polsce PAP – Polska Agencja eglugi Powietrznej)
178
W pracach wiatowych z zakresu zarzdzania ruchem lotniczym wyróni
mona kilka
kierunków badawczych.
3. MODELOWANIE TRAJEKTORII LOTÓW
Badania niekolizyjnoci lotu i rozwizywanie sytuacji konfliktowych zapocztkowane
zostay ju w latach 60-tych. Od tamtych lat powstao wiele modeli, z których niektóre
zostay wykorzystane w implementacji awioniki pokadowej oraz w naziemnych
systemach zarzdzania ruchem lotniczym Air Traffic Management (ATM). Niemniej
jednak, dynamiczny rozwój ruchu lotniczego oraz zmiany organizacji przestrzeni
powietrznej stawiaj przed badaczami nowe wyzwania. Pewne podsumowanie
wczeniejszych prac w tym zakresie (gównie modelowanie CD&R) do roku 2000
wykonali Kuchar i Young w [40]. Niniejszy artyku jest uzupenienie tamtej analizy o
zagadnienia kolizyjnoci trajektorii z elementami przestrzeni powietrznej, specyfiki ruchu
lotniczego, kontekstu wykorzystania metod przez suby ATC oraz badania moliwoci
implementacyjnych z wykorzystaniem wspóczesnych technik informacyjnych. Tabela 1
zawiera przegld metod detekcji i rozwizywania kolizyjnoci trajektorii lotów w aspekcie
wyej wymienionych zagadnie.
Tabela 1.
Przegld modeli CD&R, opracowanie wasne z wykorzystaniem [40]
Model
Trajekt
oria
Wym
iary
Granic
e
Rozw.
Manewry
Samolo
ty
Akl, Shepard [1]
Elliot, Durand [2]
Altman, Burgess [3]
Andrews, Welch [4]
CTAS [5]
Bakker, Blom [6]
EGPWS [7]
MTCD [8]
Bilimoria, Chatterji [9]
Bilimoria, Grabbe [10]
Blom, Heuvelink [11]
Bole, Coenen [12]
STCA [13]
TCAD [14]
URET [15]
Burdun, Perfentyev [16]
Carpenter, Kuchar [17]
Chakravarthy, Ghose [18]
Duong, Hoffman [19]
Eby, Kelly [20]
Paielli [21]
PRM [22]
Feron, Frazzoli [23]
W
N
N
N
P
P
N
W
N
N
P
N
N
N
P
N
P
N
N
N
P
N
N
HV
HV
H
H
HV
HV
HV
HV
HV
H
H
H
HV
HV
HV
HV
H
H
HV
HV
H
H
H
+
+
+
T
C
M
+
+
+
T
+
M
+
+
+
C
-
O
O
O
M
M
P
O
O
O
M
O
P
O
M/F
F
P
O
T
TV
T
C(STV)
C(STV)
STV
C(ST)
S
ST
C(STV)
C(STV)
C(TV)
C(ST)
C(STV)
C(STV)
C(TV)
C(ST)
P
G
P
P
P
P
P
P
P&G
P
P
P
P
P
P
P
P
P
G
P
P
G
ATC
Impleme
ntacja
T
+
A
P
+
+
R
A
P
+
+
+
T
+
Feron, Shewchun [24]
Ford [25]
Ford, Powell [26]
Gazit [27]
Gelosi, Innocenti [28]
Gent, Hoekstra [29]
Guarino, Harper [30]
Hagiwara, Iijima [31]
Havel, Husarcik [32]
Irvine [33]
Kalarus, Rome [34]
Kelly [35]
Kosecka, Pappas [36]
Krozel [37]
Krozel, Peters [38]
Kuchar, Yang [39]
Lachner [41]
Lee, Ota [42]
Love [43]
Lygeros, Prandini [44]
Menon, Sridhar [48]
Niedringhaus [49]
Niedringhaus [50]
GPWS [51]
TCAS [52]
Ratcliffe [53]
Roy, Sridhar[54]
AILS [56]
Schiefele, Viebahn [57]
Schild [58]
Schulz, Zhao [59]
Stengel, Wangermann [60]
Taylor [61]
Tomlin, Pappas [62]
Warren [63]
Williams [64]
Zeghal [65]
Zeghal [66]
W
N
W
N
P
N
N
N
N
N
P
N
N
P
N
P
W
N
N
P
N
N
N
N
N
W
N
W
P
N
N
P
P
N
P
P
N
N
HV
HV
H
H
H
HV
H
H
HV
HV
H
HV
H
HV
HV
HV
H
HV
HV
H
HV
HV
H
V
HV
HV
H
HV
HV
HV
H
HV
H
H
H
HV
HV
H
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
C
C
+
+
T
+
+
+
+
+
+
-
O
O
F
F
O
O
O
F
O
O
M
O
O
O
O
O
O
O
P
O
P
O
O
O
O
O
F
F
Oznaczenia zastosowane w przegldzie modeli.
Trajektoria - sposób wyznaczenia trajektorii:
N trajektoria deterministyczna (nominalna),
W trajektoria obarczona najwikszym bdem,
P trajektoria probabilistyczna.
Wymiary – przestrze poszukiwania konfliktów:
H tylko w paszczynie poziomej,
V tylko w paszczynie pionowej,
HV w paszczynie poziomej i pionowej.
Granice – granice horyzontu detekcji konfliktu:
+ pre-definiowane (nieznany horyzont),
C krytyczne (poniej minuty),
V
VT
C(ST)
C(STV)
C(ST)
ST
C(STV)
C(ST)
STV
STV
C(STV)
C(ST)
C(TV)
TV
T
C(STV)
STV
C(ST)
V
V
C(TV)
TV
C(TV)
T
C(STV)
ST
C(STV)
C(ST)
P
P
P
P
G
P
G
P
P
P
P
P
G
P
P
P
P
G
P
P
G
G
G
P
P
P
P
P
P
P
G
P
G
P
P
G
G
179
A
A
+
+
A/T
+
T
180
T taktyczne (jedna do kilku minut),
M rednioterminowe (od kilku do kilkudziesiciu minut),
L dugoterminowe - strategiczne (do kilkunastu godzin),
- niezdefiniowane.
Rozwizanie – sposób wyznaczenia rozwizania:
P pre-definiowane,
O optymalizacja,
F pole magnetyczne (Force Field),
M manualne,
- nie rozwaane.
Manewry – rodzaj manewrów majcych zapobiec kolizji:
T zmiana kierunku,
V zmiana wysokoci,
S zmiana prdkoci,
C( ) kombinacja w/w manewrów.
Samoloty – liczba samolotów uwzgldnianych w obliczeniach:
P pary,
G globalnie.
Przestrze – rodzaj przestrzeni powietrznej:
U górna,
L dolna,
T rejony lotnisk.
Suby ATC wspierane bezporednio suby ATC lub zaogi samolotów:
P przed-taktyczna kontrola obszaru (PLC),
R taktyczna kontrola obszaru (RC),
T kontrola zbliania (TMA),
A zaoga samolotu.
Implementacja – czy metoda zostaa zaimplementowana:
+ tak,
- nie.
4. ZARZDZANIE PRZEPYWEM RUCHU LOTNICZEGO
Wykorzystywane wspóczenie metody zachowania separacji pomidzy uczestnikami
ruchu lotniczego zbudowane zostay z wykorzystaniem istniejcej sieci dróg lotniczych
oraz metody kontroli wywodzcych si z kontroli proceduralnej. Kontrolerzy ruchu
lotniczego stanowi nierozczny element tego procesu z uwagi na ich zdolno
do
gromadzenia informacji oraz podejmowania decyzji.
Wzrost intensywnoci ruchu lotniczego, skutkujcy wzrostem obcienia prac sub
naziemnych, sprzyja popenianiu bdów w podejmowanych przez czowieka decyzjach.
Sytuacja ta przyczynia si do powstania narzdzi wspomagajcych podejmowanie decyzji
zarówno po stronie kontrolera, jak i pilota. Systemy te wykorzystuj dane pomiarowe do
181
przewidywania kolizji pomidzy uczestnikami ruchu oraz alarmowania operatorów i
ewentualnego wspomagania rozwizania konfliktu.
Relatywnie proste systemy alarmujce wykorzystywane s w automatyzacji zarzdzania
ruchem lotniczym ju od kilkunastu lat. Jednym z pierwszych takich systemów by
pokadowy system zapobiegania kolizjom TCAS, funkcjonujcy od lat 90-tych. Kolejnym
krokiem w automatyzacji kontroli ruchu lotniczego byo wprowadzenie do systemów
kontroli ruchu lotniczego funkcji krótkoterminowego ostrzegania przed kolizjami (STCA).
Zadaniem wszystkich systemów alarmujcych jest stworzenie sieci zabezpiecze
przeciwdziaajcej niebezpiecznym skutkom bdnych decyzji podejmowanych przez
czowieka. Na rysunku 2 przedstawiono ogólny schemat obiegu informacji w pierwszych
systemach zabezpiecze. Pogrubionymi liniami przedstawiono przepyw informacji w
nominalnym procesie kontroli. Niepogrubione linie przedstawiaj obieg informacji w
systemie zautomatyzowanej kontroli ruchu lotniczego.
!
Pokadowe
systemy CD&R
Systemy
dozorowania
Piloci
trze
powie
ziemia
Kontrolerzy
ATC
Zobrazowanie
danych ATC
!
Naziemne
systemy CD&R
Informacja
z FPL
Rys. 2. Pokadowe i naziemne komponenty systemów CD&R
Obecnie ronie zainteresowanie bardziej rozbudowanymi systemami automatyzacji
wsparcia sub naziemnych, umoliwiajce wspomaganie podejmowania decyzji podczas
rozwizywania konfliktów. Systemy te w niedalekiej przyszoci bd mogy korzysta
z
nowych technologii, takich jak transmisja danych powietrze-ziemia (DLC),
umoliwiajcych pozyskiwanie dokadnych danych o pooeniu samolotów i planowanych
trajektoriach lotów z pokadowych systemów zarzdzania lotem (FMS). Dziki temu
wzronie bezpieczestwo ruchu lotniczego oraz moliwa bdzie implementacja nowych
procedur poprawiajcych jego pynno
.
W dalszych rozwaaniach mianem konfliktu (lub kolizji) okrelane bdzie zdarzenie, w
którym uczestnicz co najmniej dwa samoloty, które dowiadczaj naruszenia
dopuszczalnych, minimalnych wartoci separacji.
Przykadem dopuszczalnej minimalnej separacji moe by
wynoszcy 5 mil morskich
(9260 metrów) poziomy dystans midzy samolotami w kontroli obszarowej ACC oraz
182
1000 stóp (300 metrów) pionowej separacji w dolnej przestrzeni powietrznej lub 500 stóp
(150 metrów) w górnej przestrzeni powietrznej objtej zredukowanymi minimami
separacji pionowej RVSM. Inne dopuszczalne minima separacji bd stosowane podczas
sprawowania kontroli w rejonach kontrolowanych lotnisk TMA. Bd to wartoci zalene
od kategorii turbulencji w ladzie aerodynamicznym separowanych samolotów.
Wartoci dopuszczalnych minimów separacji mog by
równie wyraane w
jednostkach czasu zamiast dystansu. Przykadem tego mog by
separacje stosowane
podczas startów samolotów z tego samego pasa startowego zalene od kategorii turbulencji
w ladzie aerodynamicznym samolotów.
Zadaniem systemu wykrywania i rozwizywania sytuacji kolizyjnych jest
przewidywanie, e konflikt moe mie
miejsce w przyszoci, informowanie o wykrytym
konflikcie operatora i w niektórych przypadkach podanie dopuszczalnych rozwiza.
Proces ten schematycznie opisuje rys. 3. Konflikty z obiektami innymi ni samoloty mog
zosta
sprowadzone do tego samego, podstawowego problemu decyzyjnego. Obiektami
takimi mog by
: uksztatowanie terenu w systemach typu GPWS, strefy turbulencji,
chmur burzowych i innych niebezpiecznych zjawisk pogodowych lub strefy ograniczone
dla lotnictwa komunikacyjnego.
Ruch lotniczy
pomiar i przetwarzanie
danych o ruchu
model dynamiczny
okrelenie
miar
wykrywanie konfliktu
rozwizanie konfliktu
operator
Rys. 3. Proces wykrywania i rozwizywania sytuacji kolizyjnych
Zgodnie ze schematem na rys. 3 otoczenie, w którym odbywa si ruch lotniczy musi
by
monitorowane za porednictwem radarów, bd innych rodków dozorowania.
Gromadzone podczas monitorowania dane, po wstpnym przetworzeniu (estymacja stanu),
s estymacj biecego stanu -- czyli przyblieniem aktualnej sytuacji ruchowej (np.:
wysokoci, pozycje i wektory prdkoci samolotów). Rónorodno
urzdze dozorowania
oraz ich niepewnoci pomiarowe powoduj, e aktualny model moe nie odzwierciedla
w
peni rzeczywistej sytuacji ruchu. Moe to wynika
, na przykad, z niejednorodnego
pokrycia radarowego w monitorowanym obszarze, opónie wynikajcych z procesu
183
pozyskiwania danych oraz niejednorodnego wyposaenia dozorowania monitorowanych
samolotów. Wartoci biecego stanu s zatem obarczone niepewnoci.
Estymacja biecego stanu nie jest wystarczajca do realizacji procesu identyfikacji
kolizyjnoci majcej wystpi
w przyszoci. Do tego celu wykorzystywany jest
dynamiczny model dokonujcy predykcji obrazu sytuacji ruchu w zadanym horyzoncie.
Sposób predykcji sytuacji ruchowej uzaleniony jest od celu, któremu ma suy
, czasu
objtego procesem wykrywania i rozwizywania sytuacji kolizyjnych oraz rodzaju
obiektów wzgldem, których badana jest kolizyjno
. Predykcja stanów moe by
realizowana tylko na podstawie biecej estymacji stanów, tak jak to ma miejsce w
systemach czasu krytycznego dziaajcych w kilkuminutowym horyzoncie, takich jak:
ACAS, GPWS, AILS. Natomiast w systemach krótkiego (np. STCA) i redniego
horyzontu (np. MTCA, URET, MTCD) predykcja stanów wykonywana jest na podstawie
danych biecych oraz przewidywa dotyczcych przyszoci, których ródami mog by
plany lotów bd dane z pokadowych systemów zarzdzania lotem (FMS). Podobnie jak
w przypadku estymacji stanu biecego, jego predykcja równie jest obarczona
niepewnoci.
Informacja dotyczca biecej i przewidywanej sytuacji ruchu jest wykorzystywana do
wyznaczenia miar wykorzystywanych w podejmowaniu decyzji. Przykadami takich miar
s minimalne separacje lub czasy pozostae do niebezpiecznych zblie pomidzy
uczestnikami ruchu bd uczestnikami ruchu a przeszkodami terenowymi, strefami
niebezpiecznych zjawisk pogodowych lub strefami zakazanymi przestrzeni powietrznej.
Estymacja stanów biecych i ich predykcja mog by
wyznaczane rozcznie dla kadego
samolotu w przeciwiestwie do definicji miar, która wymaga okrelonego grupowania i
agregacji badanych stanów poszczególnych samolotów.
Dla przyjtych miar i wyznaczonych wartoci miar kolizyjnoci podejmowane s
decyzje: czy operator powinien by
poinformowany o moliwoci utraty dopuszczalnych
separacji oraz czy powinny zosta
podjte dziaania zapobiegawcze w celu uniknicia
kolizji. Niektóre systemy zapewniaj jedynie informacj o moliwoci wystpienia kolizji,
której rozwizanie spoczywa na operatorze (np.: STCA, MTCD). Nie wszystkie kolizje
wynikajce z predykcji trajektorii wymagaj informowania operatora. Niektóre z nich
powinny pozosta
bez alarmu, na przykad z uwagi na du niepewno
zaistnienia
wykrytego konfliktu lub jego odlegy czas. Wszczynanie nieistotnych alarmów moe
doprowadzi
do zmniejszenia czujnoci operatora na istotne ostrzeenia i tym samym
zmniejszy
bezpieczestwo ruchu lotniczego. W dalszych rozwaaniach za konflikt
wykryty bdzie uznawany taki konflikt, który wynika z predykcji stanów oraz o którym
powinien by
poinformowany operator.
Po wykryciu kolizji moe zosta
zainicjowana faza rozwizania konfliktu. Proces ten
realizowany jest rónorodnie, zalenie od potrzeb. W pokadowym systemie TCAS pilot
otrzymuje gosowy komunikat o sposobie rozwizania konfliktu (znianie lub wznoszenie)
oraz jego parametry (prdko
wznoszenia lub zniania). Podobnie dziaa system
pokadowego ostrzegania przed przeszkodami terenowymi (GPWS) -- z ograniczeniem
zbioru moliwych rozwiza do wznoszenia. W innych przypadkach sposób rozwizania
konfliktu moe by
bardziej pasywny - udostpniajc jedynie moliwo
weryfikacji
proponowanego przez operatora sposobu uniknicia kolizji (np. MTCD). Operator moe
równie na danie otrzyma
ograniczony zbiór dopuszczalnych rozwiza konfliktu
(URET). Proces rozwizania konfliktu, przedstawiony na rys. 3 jako jeden blok, moe by
184
bardzo zoony obliczeniowo. Wymaga on przeprowadzenia wasnej estymacji i predykcji
trajektorii rozwizujcej kolizj, okrelenia wasnych miar oraz kryteriów kolizyjnoci,
które mog si róni
od wykorzystywanych do wykrywania pozostaych konfliktów.
W praktyce, zarówno proces wykrycia konfliktu, jak i proces jego rozwizania mog
by
realizowane przez czowieka wykonujcego okrelone procedury w rónym stopniu
zautomatyzowane.
W niekontrolowanej przestrzeni powietrznej klasy G, zarówno zapewnienie separacji,
jak i rozwizanie kolizji realizowane jest przez pilota. Pilot stale monitoruje otoczenie i
unika kursów kolizyjnych, zgodnie z przepisami wykonywania lotów z widocznoci
(VFR). Proces ten moe by
wspomagany przez systemy pokadowe, takie jak GPWS lub
TCAS, obecnie stosowane coraz powszechniej w lotnictwie rekreacyjnym.
W przestrzeni kontrolowanej (klasy C) dla lotów wykonywanych wedug wskaza
przyrzdów (VFR), kontroler ruchu lotniczego zapewnia zachowanie dopuszczalnych
minimów separacji pomidzy uczestnikami ruchu i otoczeniem. Kontroler w mniejszym
lub wikszym stopniu wspomagany jest systemami wykrywania i rozwizywania sytuacji
kolizyjnych. Do systemów tych nale, midzy innymi: powszechnie wykorzystywane
systemy krótkoterminowego wykrywania kolizji (STCA, APWS) oraz wchodzce obecnie
do uytku systemy rednioterminowego wykrywania kolizji (URET, MTCD).
Coraz czciej podejmowane s próby wykorzystania krótkoterminowych (AILS, PRM)
oraz rednioterminowych (AMAN, DMAN, SMAN) systemów wspomagania zarzdzania
pynnoci ruchu lotniczego w zatoczonej przestrzeni, w rejonach lotnisk (TMA). Nie
wszystkie z nich jednak s klasycznymi systemami wykrywania i rozwizywania kolizji.
5. KATEGORIE MODELI CD&R
Na podstawie przeprowadzonego przegldu literatury dokonano próby klasyfikacji
modeli CD&R. Przytaczane publikacje nie wyczerpuj w peni moliwoci rónorodnych
sposobów modelowania procesów wykrywania i rozwizywania kolizji. Niemniej jednak,
przegld prawie 80-ciu rónych modeli daje ogólny pogld na aktualny stan rozwoju
metod modelowania, zarówno tych, które stay si ju standardami w lotnictwie oraz
nowych, reprezentujcych ogólne tendencje w modelowaniu ruchu lotniczego.
Dziesi
sporód przeanalizowanych modeli literaturowych jest obecnie
wykorzystywanych operacyjnie w systemach pokadowych i systemach wspomagajcych
prac sub naziemnych, gównie w USA. Nale do nich pokadowe systemy: AILS,
CTAS, GPWS, EGPWS, PRM, TCAS, TCAD, system wdroony przez Cargo Airline
Association oraz systemy naziemne: STCA, URET i MTCD.
Pozostae modele, prezentowane w przeanalizowanej literaturze przedmiotu s
wynikiem bada prowadzonych przez gówne orodki badawcze, wspópracujce z
przemysem lotniczym i wykorzystywane s jedynie do testów laboratoryjnych.
Wykorzystujc analiz Kuchara i Yanga [40] oraz wasn analiz rozszerzon o prawie
100 publikacji z lat 1990-2006 (znaczn ich cz
zamieszczono w wykazie literatury)
dokonano klasyfikacji modeli pod wzgldem dziewiciu rónych cech:
sposób wyznaczenia trajektorii,
185
wymiary przestrzeni poszukiwania konfliktów,
zakres czasu poszukiwa,
sposób wyznaczenia rozwizania,
rodzaj dopuszczalnych manewrów majcych zapobiec kolizji,
liczba samolotów uwzgldnianych w obliczeniach,
rodzaj przestrzeni powietrznej,
bezporedni beneficjenci,
wdroenie do pracy operacyjnej.
Metody predykcji trajektorii
Metody przewidywania trajektorii lotu s najistotniejszym elementem modeli
wykrywania i rozwizywania kolizyjnoci z uwagi na cisy zwizek pomidzy
dokadnoci predykcji trajektorii a dokadnoci detekcji kolizji. Sporód wszystkich
badanych modeli CD&R wyszczególni
mona trzy grupy rónice si od siebie metod
predykcji trajektorii. Podstawowe metody ekstrapolacji stanu, to: metoda nominalna,
metoda najgorszego przypadku i metoda probabilistyczna. Metody te przedstawiono
schematycznie na rys. 4.
a)
b)
c)
Rys. 4. Metody predykcji trajektorii lotu; a) metoda nominalna, b) metoda najgorszego przypadku,
c) metoda probabilistyczna
Metoda nominalnej predykcji stanu polega na wyznaczeniu pojedynczej trajektorii na
podstawie
biecego
wektora
stanu.
Przykad
z
rysunku
4../Przed
edycj/root03a/%3ctex2html_cr_marka przedstawia nominaln trajektori wyznaczon na
podstawie biecego wektora prdkoci. Pozwala to na proste obliczeniowo okrelenie
pozycji samolotu w najbliszej przyszoci na podstawie aktualnych parametrów lotu. W
podejciu takim nie s rozwaane zagadnienia dokadnoci wyznaczonej trajektorii.
Niepewno
pozycji samolotu, majca istotny wpyw, na jako
detekcji kolizji w
duszym horyzoncie, uwzgldniana jest zazwyczaj poprzez dodanie do nominalnej
pozycji przestrzennego lub czasowego bufora bezpieczestwa.
Modele takie stosowane s powszechnie w systemach czasu krytycznego (np.: TCAS,
GPWS). W systemach takich horyzont predykcji stanu wynosi maksymalnie kilkadziesit
186
sekund. Dziki temu dokadno
nominalnej trajektorii wyznaczonej na podstawie
aktualnego stanu jest wystarczajca do spenienia wymaga dotyczcych wykrycia i
rozwizania sytuacji kolizyjnej.
Przeciwiestwem metody nominalnej jest metoda okrelana mianem najgorszego
przypadku (worst-case). Podstaw tej metody jest zaoenie, e samolot moe wykona
dowolny, moliwy do zrealizowania manewr. W wyniku takiego zaoenia, podczas
detekcji kolizyjnoci, przeszukiwany jest cay zbiór moliwych do realizacji trajektorii.
Zbiór ten przedstawiony zosta schematycznie na rysunku 4b w postaci obszaru, w którym
mog wystpi
badane trajektorie.
Tak asekuracyjne podejcie do zagadnienia predykcji stanu wyklucza praktyczne
stosowanie metody najgorszego przypadku w duszym horyzoncie. Zastosowanie takiego
rozwizania drastycznie zmniejszyoby pojemno
przestrzeni powietrznej lub
doprowadzioby do wszczynania bezpodstawnych alarmów. Metoda ta moe by
stosowana w krótkim horyzoncie, sigajcym maksymalnie kilkudziesiciu sekund. Model
ten stosowany jest w systemach wspomagania zarzdzania ruchem w rejonach lotnisk
(TMA), w których moliwe jest wykonywanie równolegych operacji startów i ldowa
(system AILS).
W metodzie probabilistycznej (rys. 4c) modelowane s niepewnoci przyszego
pooenia samolotu. Niepewnoci te wyznaczane s na dwa sposoby.
W systemach, takich jak URET lub CTAS, niepewnoci modelowane s poprzez
dodanie do nominalnej trajektorii bdu, który suy do okrelenia miary
prawdopodobiestwa kolizji.
Innym sposobem jest przypisanie trajektoriom wyznaczonym metod najgorszego
przypadku odpowiednich wag, okrelajcych prawdopodobiestwo realizacji kadej
trajektorii. Nastpnie dla zbioru wyznaczonych trajektorii okrelane s
prawdopodobiestwa kolizji.
Metoda probabilistyczna jest najczciej stosowana do oblicze w rednioterminowym
horyzoncie (URET). Stanowi ona uogólnienie metody nominalnej i najgorszego
przypadku. Pozostae metody (nominalna i najgorszego przypadku) mog zosta
opisane
jako szczególne przypadki metody probabilistycznej.
Wymiary obszaru poszukiwa
W modelach CD&R wyrónia si trzy grupy wymiarów, w których badana jest
kolizyjno
wektora stanu: paszczyzna pozioma, paszczyzna pionowa, modele
trójwymiarowe. Wikszo
modeli bada przestrze trójwymiarow. Niektóre z nich
ograniczaj obszar poszukiwa do paszczyzny poziomej. Jedynie pokadowy system
ostrzegania przed kolizj z uksztatowaniem terenu (GPWS) bazuje tylko na paszczynie
pionowej.
Niektóre z wystpujcych w przeanalizowanej literaturze modeli mona atwo
dostosowa
do badania wikszej liczby wymiarów od przewidzianej przez autorów. W
literaturze wystpuj równie takie metody, które pomimo rozpatrywania kolizyjnoci w
okrelonej paszczynie nie dokonuj tego w sposób wyczerpujcy moliwoci analizy dla
danego wymiaru (np. TCAS).
Czas poszukiwa
Kady model sucy wykrywaniu lub rozwizywaniu kolizji trajektorii lotów powinien
posiada
zdefiniowany horyzont, w którym prowadzone s poszukiwania konfliktu, oraz
podejmowane s decyzje o wszczciu alarmu lub inicjacji procedury rozwizujcej
187
konflikt. Modele nie posiadajce takich parametrów, nawet jeli przeprowadzaj zoone
obliczenia i dostarczaj wartociowych wyników, nie mog by
wykorzystywane w
systemach zarzdzania ruchem lotniczym (ATC).
W modelowaniu poszukiwania i rozwizywania kolizji trajektorii lotów mona
wyróni
pi
grup zakresów poszukiwania rozwiza. Nale do nich: strategiczne
(godziny), rednioterminowe (od kilku do kilkudziesiciu minut), krótkoterminowe (do
kilku minut) oraz krytyczne (do kilkudziesiciu sekund). Na rys. 5 przedstawiono wyej
wymienione horyzonty modelowania oraz zwizane z nimi znane modele, dla których
podjto próby zastosowania operacyjnego.
strategiczne
rednioterminowe
taktyczne
SLOT
krytyczne
TCAS
GPWS
PRM
STCA
AILS
CTAS
APWS
MTCD
URET
AMAN
DMAN
SMAN
sekundy
TSA
minuty
dziesitki minut
godziny
Rys. 5 Zakres czasu analizy modeli CD&R
Pierwszym etapem planowania trajektorii lotów, przedstawionym na schemacie jako
strategiczny, jest proces sporzdzania planu lotu. Proces ten rozpoczyna si na kilka godzin
przed planowanym startem. Przewonicy d do osignicia trajektorii lotów
speniajcych wymagania stawiane przez szereg uwarunkowa.
Pierwszym ograniczeniem trajektorii lotu na etapie strategicznym jest planowany
rozkad lotów przewonika lotniczego i zwizane z nim sloty lotniskowe w zatoczonych,
koordynowanych portach lotniczych. Istotny wpyw na strategiczny wybór trajektorii maj
warunki pogodowe: kierunki wiatrów oraz niebezpieczne zjawiska pogodowe (chmury
burzowe, turbulencje, oblodzenie, itp.).
Posta
trajektorii zalena jest równie od osigów samolotu, który bdzie j realizowa.
Decyduj o tym takie parametry samolotu, jak: dopuszczalne i ekonomiczne prdkoci
oraz wysokoci przelotowe, prdkoci wznoszenia i zniania. Parametry te s cile
zwizane z mas samolotu oraz temperatur atmosfery.
188
Kolejnym czynnikiem warunkujcym posta
trajektorii s ograniczenia w przestrzeni
powietrznej. Wynikaj one z dostpnoci dróg warunkowych, wydzielonych stref
ograniczonych lub zakazanych dla lotnictwa komunikacyjnego lub ogranicze pojemnoci
sektorów kontroli ruchu lotniczego.
Na tym samym etapie suby zarzdzania przepywem ruchu lotniczego (ATFM)
negocjuj z operatorami lotniczymi zmiany trajektorii lotów lub czasów startu pozwalajce
speni
ograniczenia przepustowoci przestrzeni powietrznej i zachowa
pynno
ruchu
lotniczego. Przewonicy d do wypracowania takiej trajektorii, która speni wyej
wymienione ograniczenia i pozwoli wykona
lot minimalizujcy zuycie paliwa.
W etapie rednioterminowym, sigajcym od kilku do kilkudziesiciu minut, w trakcie
realizacji trajektorii lotu, mog wystpi
zjawiska niepozwalajce na realizacj
zamierzonej trajektorii lub pozwalajce na realizacj taszej trajektorii alternatywnej. Do
przeszkód w realizacji trajektorii mona zaliczy
takie czynniki, jak: sytuacja ruchowa,
ograniczenia w przestrzeni powietrznej lub warunki pogodowe. Zmiana tego rodzaju
uwarunkowa na korzystniejsze od zakadanych w etapie strategicznym moe z kolei
umoliwi
wykonanie taszej trajektorii.
Najczciej wystpujca przyczyna zmiany trajektorii to sytuacja ruchowa.
Odzwierciedlaj j predykcje stanów trajektorii wszystkich uczestników ruchu. Sytuacja
ruchowa moe wymusi
zmian trajektorii z uwagi na wykryt kolizj z innymi
uczestnikami ruchu. Przed tego typu kolizjami ostrzegaj kontrolera naziemne systemy
CD&R (URET, MTCD). Ostrzeenie komunikowane jest maksymalnie kilkadziesit minut
przed naruszeniem separacji. Propozycja rozwizania konfliktu moe zosta
wyznaczona
minimalnie na kilka minut przed naruszeniem minimów separacji (URET).
Zjawiska pogodowe w postaci rejonów turbulencji lub chmur burzowych równie
stanowi przeszkod w realizacji planowanych trajektorii lotów. Ekstrapolowane
trajektorie mog by
badane w rednioterminowym wykrywaniu konfliktów z predykcjami
stanów zjawisk pogodowych (Duong i inni [19]). W rednioterminowym czasie
planowania realizowane mog by
take inne procesy automatyzacji wspomagania ATC,
nie powizane aktualnie z modelami wykrywania i rozwizywania kolizyjnoci
wykorzystywanymi przez suby kontroli obszaru (ACC). S to systemy wspomagania
zarzdzania startami i ldowaniami w zatoczonych portach lotniczych. Wspomagaj one
prac sub kontroli lotniska (TWR) oraz zbliania (APP). Przykadem takich systemów s
testowane europejskie systemy AMAN, DMAN oraz SMAN.
Taktyczne wykrywanie i rozwizywanie sytuacji kolizyjnych nastpuje z
kilkuminutowym wyprzedzeniem. Systemy taktycznego wspomagania maj za zadanie
ostrzega
przed kolizjami, którym nie udao si zapobiec na etapie rednioterminowym.
Zazwyczaj sytuacje kolizyjne wykryte na tym etapie wymagaj podjcia
natychmiastowego dziaania przez suby naziemne w celu uniknicia kolizji. Do
rozpatrywanych zagroe nale wzajemne kolizje trajektorii (STCA, AILS, CTAS) oraz
kolizje trajektorii z elementami przestrzeni powietrznej (APWS).
Krytyczne
wykrywanie
i
rozwizywanie
kolizji,
wystpuje
w
kilkudziesiciosekundowym horyzoncie. Systemy krytycznego wykrywania konfliktów
maj za zadanie nie dopuci
do kolizji, którym subom kontroli ruchu lotniczego nie
udao si wczeniej zapobiec. Kolizje wykryte na tym etapie wymagaj podjcia
natychmiastowego dziaania przez pilota. Systemy czasu krytycznego realizowane s, jako
systemy pokadowe z uwagi na zbyt krótki czas od wszczcia alarmu do podjcia dziaa,
189
aby moliwe byo nawizanie cznoci i przekazanie komendy uniknicia kolizji pilotowi
przez suby naziemne. Do rozpatrywanych zagroe w czasie krytycznym nale
niebezpieczne zblienia samolotów (TCAS) oraz zagroenia kolizji z uksztatowaniem
terenu (GPWS).
Rozwizywanie konfliktów
W przeanalizowanych literaturowo modelach CD&R wyróniono pi
sposobów reakcji
na wykryty konflikt. Nale do nich:
x rozwizania predefiniowane,
x rozwizania optymalne,
x rozwizania za pomoc zmodyfikowanych równa elektrostatycznych,
x rozwizania manualne,
x brak rozwizania.
Rozwizania predefiniowane stanowi zazwyczaj manewry opisane przez zbiór
predefiniowanych procedur. Przykadem wykorzystania takiego sposobu rozwizania
kolizji jest system GPWS. System ten wydaje pilotowi dwikowe polecenie ,,Pull Up'' po
wykryciu kolizji z uksztatowaniem terenu i nie optymalizuje sposobu wykonania
manewru ucieczki. Podobnie w systemie AILS, wykorzystywanym przy równolegych
ciekach podejcia do ldowania, manewrem ucieczki jest zawsze zakrt ze wznoszeniem
o predefiniowanej prdkoci. Zalet predefiniowanych rozwiza jest ich prostota
pozwalajca na osignicie krótkich czasów reakcji operatora na alarm. Rozwizania takie
s najczciej stosowane w systemach czasu krytycznego. Niemniej jednak, rozwizania
wyliczane w czasie rzeczywistym s efektywniejsze od predefiniowanych.
Rozwizania optymalne bazuj zazwyczaj na modelach kinematycznych z miarami
kosztów. W rozwizaniach tych funkcja celu optymalizuje koszty manewrów.
Optymalizacji najczciej podlegaj: zuycie paliwa, czas trwania lotu lub manewru, czy
te bardziej zoone parametry -- na przykad pracochonno
rozwizania. Przykadem
systemu z rozwizaniem optymalnym jest system taktycznego unikania kolizji trajektorii
lotów - TCAS, który przeszukuje zbiór dopuszczalnych prdkoci wznoszenia i zniania w
celu wybrania najmniej agresywnego manewru ucieczki.
Algorytmy optymalizacji rozwizania konfliktu w modelach wystpujcych w
przeanalizowanej literaturze wykorzystuj rónorodne metody poszukiwania rozwiza
optymalnych. Do metod tych nale midzy innymi: teoria gier, algorytmy genetyczne,
systemy eksperckie oraz logika rozmyta.
Wystpuj przykadowo rozwizania bazujce na zmodyfikowanych równaniach
elektrostatycznych. W rozwizaniach tych samoloty traktowane s, jako czsteczki o
okrelonym adunku elektrostatycznym. Siy odpychania wystpujce pomidzy
samolotami determinuj manewry rozwizujce konflikt. Metoda ta pozwala na prosty opis
rozwizania kolizji. Niemniej jednak równania elektrostatyczne wymagaj znacznych
modyfikacji w celu adaptacji do wymaga operacyjnych. Istotn przeszkod w
zastosowaniu operacyjnym tej metody jest brak moliwoci cigego w czasie sterowania
kierunkiem i prdkoci samolotu w przestrzeni kontrolowanej. Dyskretyzacja procesu
zarzdzania wystpujca w warunkach rzeczywistych, wynikajca z wydawanych pilotom
przez suby kontroli ruchu lotniczego zezwole na manewry, wymaga istotnych
ogranicze w modelu elektrostatycznym. Opracowano kilka metod wykorzystujcych
model elektrostatyczny w rodowisku z operatorem w procesie decyzyjnym [20, 28].
190
Rozwizania manualne pozwalaj zazwyczaj na testowanie rozwiza kolizji
proponowanych przez operatora -- kontrolera ruchu lotniczego. Zalet tej metody jest
moliwo
uwzgldnienia przez operatora wpywu czynników nieprzetwarzanych przez
system na posta
rozwizania kolizji. Przykadem takiego istotnego czynnika moe by
pogoda, rzadko modelowana we wspóczesnych systemach ATM. rednioterminowe
systemy CD&R wykorzystywane operacyjnie zazwyczaj umoliwiaj testowanie
rozwiza kolizji proponowanych przez operatora (URET, MTCD).
Istnieje równie grupa modeli wykrywania kolizji. Ich celem jest wycznie
wykrywanie i rejestracja sytuacji kolizyjnych.
Manewry rozwizujce
Do manewrów majcych zapobiec kolizji, stosowanych w badanych modelach CD&R
nale:
zmiana kierunku,
zmiana wysokoci,
zmiana prdkoci,
kombinacja wyej wymienionych manewrów.
Wybór manewru unikajcego zaleny jest od rodzaju kolizji, której ma on zapobiec. W
systemach GPWS bdzie to zawsze wznoszenie, w systemie TCAS zmiana wysokoci, w
systemie AILS kombinacja manewrów zmiany kierunku i wysokoci a w systemach
rednioterminowych (URET, MTCD) kombinacja wszystkich moliwych manewrów. Im
bardziej zoone manewry rozwizania kolizji, tym trudniejsze i bardziej pracochonne jest
ich nadzorowanie dla sub naziemnych.
Liczno samolotów
Modele CD&R badaj wzajemn kolizyjno
trajektorii na dwa sposoby: parami lub
globalnie. W pierwszej metodzie konflikty s rozwizywane pomidzy wszystkimi parami
samolotów, dla których wykryto sytuacje kolizyjne. W drugiej metodzie caa sytuacja
ruchowa badana jest symultanicznie.
Przestrze powietrzna
Z uwagi na rónorodn specyfik ruchu lotniczego w poszczególnych obszarach
kontrolowanej przestrzeni powietrznej (górnej, dolnej oraz w rejonach lotnisk) modele
CD&R s projektowane z uwzgldnieniem otoczenia, w którym bd wykorzystywane.
W górnej przestrzeni powietrznej ruch samolotów odbywa si na ogó na ustalonych,
ekonomicznych poziomach lotu z niewielkimi zmianami wysokoci w celu uniknicia
kolizji oraz zmianami wysokoci podczas pocztkowej fazy zniania do ldowania lub
kocowej fazy wznoszenia na wysokoci przelotowe. Modele dedykowane do oblicze dla
ruchu lotniczego w górnej przestrzeni powietrznej to systemy rednioterminowego
wykrywania i rozwizywania kolizji (URET, MTCD).
W dolnej przestrzeni powietrznej wystpuj czste zmiany wysokoci lotu samolotów.
Przestrze ta jest wykorzystywana gównie przez samoloty zniajce si do ldowania oraz
wznoszce si na ekonomiczne puapy przelotowe (pooone w górnej przestrzeni). Z
uwagi na charakter ruchu w dolnej przestrzeni powietrznej, modele dedykowane dla tej
przestrzeni uwzgldniaj czste zmiany prdkoci wznoszenia lub zniania. Kryteriów tych
nie speniaj systemy przed-taktyczne - URET oraz MTCD.
Rejony kontrolowane lotnisk (TMA) charakteryzuj si odmienn specyfik ruchu
lotniczego. Rónice te wynikaj zarówno z odmiennego charakteru ruchu lotniczego, jak i
z wynikajcych z tego faktu odmiennych zasad zarzdzania ruchem lotniczym (inne
191
wartoci separacji, sposoby sprawowania kontroli, wymagania dla urzdze dozorowania,
etc.). Modele CD&R projektowane do wspierania sub naziemnych oraz pilotów w
rejonach kontrolowanych lotnisk to systemy taktyczne, wspomagajce kontrol samolotów
na ciece podejcia do ldowania - APWS, PRM lub systemy przed-taktycznego
zarzdzania pynnoci ruchu w TMA-CTAS, AMAN, DMAN oraz SMAN.
Operatorzy
Operatorów systemów zbudowanych na modelach przeznaczonych do wykrywania i
rozwizywania sytuacji kolizyjnych mona podzieli
na dwie grupy:
x suby kontroli ruchu lotniczego, do których nale: suby kontroli obszaru i
suby kontroli zbliania,
x piloci samolotów realizujcych przeloty w przestrzeni kontrolowanej.
Dla pilotów dedykowane s pokadowe systemy krytycznego unikania kolizji, dziaajce w
czasie niepozwalajcym na koordynacj manewrów ze subami naziemnymi. Do
systemów tych zaliczy
mona: GPWS, EGPWS, AILS, TCAS, TCAD [7, 14, 51, 52, 56].
Dla sub kontroli obszaru dedykowane s zarówno taktyczne systemy ostrzegania przed
kolizjami, takie jak STCA, APWS, jak i rednioterminowe systemy wspomagajce
planowanie sytuacji ruchowej: MTCD, URET.
6. PODSUMOWANIE
Przeprowadzona analiza wskazuje, e dugoterminowym skutkiem realizacji Koncepcji
Elastycznego Uytkowania Przestrzeni Powietrznej FUA bdzie przejcie do modelu
nietrasowego ruchu lotniczego. Bdzie to miao równie miejsce na terenie wszystkich
pastw czonkowskich EUROCONTROL (program SESAR).
Przestrze powietrzna kontrolowana, w której odbywa si ruch samolotów objtych
analiz, dedykowana jest gównie dla potrzeb lotnictwa komunikacyjnego. Ruch
samolotów w przestrzeni kontrolowanej odbywa si pod nadzorem naziemnych sub
ruchu lotniczego. Suby te sprawuj kontrol nad bezpieczestwem wykonywania lotów.
Przelot samolotu w przestrzeni kontrolowanej poprzedzony jest zgoszeniem skierowanym
do sub naziemnych. Przelot i planowane manewry sprawdzane s na bezkolizyjno
przez kontrolera ruchu lotniczego. Kontroler wspomagany jest przez odpowiedni system
przetwarzania informacji o wzajemnej biecej konfiguracji samolotów. Zapewnia on by
ruch lotniczy odbywa si zgodnie z obowizujcymi przepisami.
Przyszoci systemów zarzdzania ruchem lotniczym jest swobodna nawigacja
nietrasowa. Planowanie nietrasowej trajektorii 4D powinno pozwala
na:
zweryfikowanie bezkolizyjnoci tras lotu samolotów ze sob,
sprawdzenie bezkolizyjnoci trajektorii z elementami przestrzeni powietrznej,
wyznaczenie innej trajektorii lotu w celu uniknicia ewentualnej kolizji lub braku
moliwoci wykonania operacji startu, bd ldowania przy zaoonych parametrach
lotu,
wyznaczenie wszystkich trajektorii w taki sposób, aby samoloty ldujce w tych
samych portach lotniczych wlatyway w rejony kontrolowane lotnisk z zachowaniem
odpowiednich separacji,
192
wyznaczenie wszystkich trajektorii o minimalnym cznym zuyciu paliwa przy
najmniejszej liczbie zmian parametrów lotów (kierunku, wysokoci i prdkoci).
Trajektoria nietrasowa powinna zapewni
:
zmniejszenie kosztów operatorów lotniczych,
zwikszenie bezpieczestwa ruchu lotniczego kontrolowanego,
zwikszenie przepustowoci sektora planowania operacyjnego,
zwikszenie przepustowoci rejonów lotnisk.
Bibliografia
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
Akl Y., DeanT., PowleyW., ShepardT.: A Conflict Prediction Algorithm Using Intent Information.
Annual Air Traffic Control Association Conference, 1991.
Alliot J., Chansou O., Durand N.: Optimal Resolution of En Route Conflicts. Air Traffic Control
Quarterly 3(3), pp. 139–161, 1995.
Altman S., Burgess D., Wood M. L.: TCAS: Maneuvering Aircraft in the Horizontal Plane. Lincoln
Laboratory Journal, 7 (2), 1994.
Andrews J. W., Welch J. D.: Safety Analysis for Advanced Separation Concepts. USA/Europe Air
Traffic Management R&D Seminar, 2005.
Bach R., Chan W., Mc Nally B.: Field Test Evaluation of the CTAS Conflict Prediction and Trial
Planning Capability. AIAA Guidance, Navigation and Control Conference, pp. 1686–1697, 1998.
Bakker G., Blom H.: Air Traffic Collision Risk Modeling. IEEE Conference on Decision and Control,
vol. 2, 1993.
Bateman D.: The Introduction of Enhanced Ground-proximity Warning Systems EGPWS in to Civil
Aviation Operations Around the World. Annual European Aviation Safety Seminar, 1999.
Beers J., de Jong K., Kauppinen S., Vink A.: Medium Term Conflict Detection in EATCHIP Phase III.
Digital Avionics Systems Conference, pp. 9.3–45 – 9.3–52, 1997.
Bilimoria K., Chatterji G., Sridhar B.: Effects of Conflict Resolution Maneuvers and Traffic Density of
Free Flight. AIAA Guidance, Navigation and Control Conference, 1996.
Bilimoria K. D., Grabbe S. R., Lee H. Q., Sheth K. S.: Performance Evaluation of Airborne Separation
Assurance for Free Fight. Air Traffic Control Quarterly 11(2), pp.85–102, 2003.
Blom H., Heuvelink G.: An Alternative Method to Solve a Variational Inequality Applied to an Air
Traffic Control Example. Analysis and Optimization of Systems, 1988.
Bole A. G., Coenen F. P., Smeaton G. P.: Knowledge-based Collision Avoidance. The Journal of
Navigation 42(1), 1989.
Bonn J., Fuller I., Howell D., Hustache J. C., Kettunen T., Knorr D.: Flight Efficiency Studies in Europe
and the United States. USA/Europe Air Traffic Management R&D Seminar, 2005.
Brodegard W., Ryan P.: New Collision Avoidance Device Is Based on Simple and Passive Design to
Keep the Cost Low. ICAO Journal 52(4), 1997.
Brudnicki D., Lindsay K., Mc Farland A.: Assessment of Field Trials, Algorithmic Performance, and
Benefits of the User Request Evaluation Tool (URET) Conflict Probe. Digital Avionics Systems
Conference, pp. 9.3–35 – 9.3–44, 1997.
Burdun I., Parfentyev O.: A Knowledge Model for Self-organizing Conflict Prevention/ Resolution in
Close Free-flight Airspace. IEEE Aerospace Conference, pp. 409–428, 1999.
Carpenter B., Kuchar J. K.: Probability-based Collision Alerting Logic for Closely-spaced Parallel
Approach. AIAA Aerospace, Sciences Meeting and Exhibit, 1997.
Chakravarthy A., Ghose D.: Obstacle Avoidance in a Dynamic Environment: A Collision Cone
Approach. IEEE Transactions on Systems, Man and Cybernetics, vol. 28, pp. 562–574, 1998.
Duong V. N., Hoffman E. G.: Conflict Resolution Advisory Service in Autonomous Aircraft Operations.
Digital Avionics Systems Conference, pp. 9.3–10 – 9.3–17, 1997.
Eby M., Kelly W.: Free Flight Separation Assurance Using Distributed Algorithms. IEEE Aerospace
Conference, pp. 429–441, 1999.
193
21. Erzberger H., Paielli R.: Conflict Probability Estimation for Free Flight. AIAA Journal of Guidance,
Control and Dynamics 20(3), 1997.
22. Federal Aviation Administration: Precision Runway Monitor Demonstration Report, Document
DOT/FAA/RD-91/5, 1991.
23. [43] Feron E., Frazzoli E., Mao Z. H., Oh J. H.: Resolution of Conflicts Involving Many Aircraft via
Semi-definite Programming. AIAA Journal of Guidance, Control and Dynamics 24(1), pp. 79–86, 2001.
24. Feron E., Oh J. H., Shewchun J. M.: Linear Matrix Inequalities for Free Flight Conflict Problems. IEEE
Conference on Decision and Control, pp. 2417–2422, 1997.
25. Ford R. L.: The Conflict Resolution Process for TCASII and Some Simulation Results. The Journal of
26. Ford R. L., Powell D. L.: A New Threat Detection Criterion for Airborne Collision Avoidance Systems.
The Journal of Navigation 43(3), 1990.
27. Gazit R.: Aircraft Surveillance and Collision Avoidance Using GPS. Dr Dis., Stanford University, 1996.
28. Gelosi P., Innocenti M., Pollini L.: Air Traffic Management Using Probability Function Fields. AIAA
Guidance, Navigation and Control Conference, pp. 1088–1097, 1999.
29. van Gent R., Hoekstra J., Ruigrok R.: Conceptual Design of Free Flight with Airborne Separation
Assurance. AIAA Guidance, Navigation and Control Conference, pp. 807–817, 1997.
30. Guarino S., Harper K., Mehta A., Mulgund S., Zacharias G.: Air Traffic Controller Agent Model for
Free Flight. AIAA Guidance, Navigation and Control Conference, pp. 288–301, 1999.
31. Hagiwara H., Iijima Y., Kasai H.: Results of Collision Avoidance Maneuver Experiments Using a
Knowledge-based Autonomous Piloting System. The Journal of Navigation 44(2), 1991.
32. Havel K., Husarcik J.: A Theory of the Tactical Conflict Prediction of a Pair of Aircraft. The Journal of
33. Irvine R.: A Geometrical Approach to Conflict Probability Estimation. USA/Europe Air Traffic
Management R&D Seminar, pp. 1–15, 2001.
34. Kalafus R., Rome H.: Impact of Automatic Dependent Surveillance and Navigation System Accuracy on
Collision Risk on Intersecting Tracks. National Technical Meeting of the Institute of Navigation, 1988.
35. Kelly W. E.: Conflict Detection and Alerting for Separation Assurance Systems. Digital Avionics
Systems Conference, 1999.
36. Kosecka J., Pappas G., Sastry S., Tomlin C.: Generation of Conflict Resolution Maneuvers for Air
Traffic Management. International Conference on Robotics and Intelligent Systems, 1997.
37. Krozel J.: Conflict Detection and Resolution for Future Air Transportation Management. 1997.
38. Krozel J., Peters M.: Conflict Detection and Resolution for Free Flight. Air Traffic Control Quarterly
5(3), pp. 181–212, 1997.
39. Kuchar J. K., Yang L. C.: Prototype Conflict Alerting Logic for Free Flight. AIAA Journal of Guidance,
Control and Dynamics 20 (4), pp. 768–773, 1997.
40. Kuchar J. K., Yang L. C.: A Review of Conflict Detection and Resolution Modeling Methods. IEEE
Transactions on Intelligent Transportation Systems 1(4), pp. 179–189, 2000.
41. Lachner R.: Collision Avoidance as a Differential Game: Real-time Approximation of Optimal
Strategies Using Higher Derivatives of the Value Function. IEEE Transactions on Systems, Man and
Cybernetics, pp. 2308–2313, 1997.
42. Lee D. C., Nagati M., Ota T.: Aircraft Collision Avoidance Trajectory Generation. AIAA Guidance,
Navigation and Control Conference, pp. 828–837, 1998.
43. Love D.: TCAS III: Bringing Operational Compatibility to Airborne Collision Avoidance. Digital
Avionics Systems Conference, 1988.
44. Lygeros J., Nilim A., Prandini M., Sastry S.: A Probabilistic Framework for Aircraft Conflict Detection.
AIAA Guidance, Navigation and Contro lConference, pp. 1047–1057, 1999.
45. Malarski M.: Inynieria ruchu lotniczego, OW PW, Warszawa 2006.
46. Malarski M., Pitek M.: Dynamiczne wyznaczanie trajektorii lotu nietrasowego dla zadania
szeregowania samolotów ldujcych, Badania operacyjne i systemowe 2004 – Zastosowania, AOW
EXIT, str. 319-328, Warszawa 2004.
47. Malarski M., Pitek M.: Infrastruktura techniczna dla lotów swobodnych w przestrzeni kontrolowanej –
koncepcje europejskie i amerykaskie, Systemy Logistyczne - teoria i praktyka, str. 381-386, Warszawa
2005.
194
48. Menon P. K., Sridhar B., Sweriduk G. D.: Optimal Strategies for Free-flight Air Traffic Conflict
Resolution. AIAA Journal of Guidance, Control and Dynamics 22(2), pp. 202–211, 1999.
49. Niedringhaus W. P.: Maneuver Option Manager: Automated Simplification of Complex Air Traffic
Control Problems. IEEE Transactions on Systems, Man and Cybernetics, vol. 22, pp. 1047–1057, 1992.
50. Niedringhaus W. P.: Stream Option Manager (SOM): Automated Integration of Aircraft Separation,
Merging, Stream Management and Other Air Traffic Control Functions. IEEE Transactions on Systems,
Man and Cybernetics, vol. 25, 1995.
51. Radio Technical Committee on Aeronautics: Minimum Performance Standards – Airborn Ground
Proximity Warning Equipment, Document No. RTCA/DO-161A, 1976.
52. Radio Technical Committee on Aeronautics: Minimum Performance Specifications for TCAS Airborne
Equipment, Document No. RTCA/DO-185, 1983.
53. Ratcliffe S.: Automatic Conflict Detection Logic for Future Air Traffic Control. The Journal of
54. Roy S., Sridhar B., Verghese G. C.: An Aggregate Dynamic Stochastic Model for an Air Traffic System.
USA/Europe Air Traffic Management R&D Seminar, 2003.
55. Skorupski J.: Metody wymiarowania bezpieczestwa ruchu lotniczego, PN PW Transport z. 66,
Warszawa 2008.
56. Scanlon C., Walker M.,: Proceedings of the NASA Workshop on flight deck centered parallel runway
approaches in instrument meteorological conditions. NASA No. 10191, Hampton, 1996.
57. Schiefele J., von ViebahnH.: A Method for Detecting and Avoiding Flight Hazards. SPIE Meeting on
Enhanced and Synthetic Vision, pp. 50–56, 1997.
58. Schild R.: Rule Optimization for Airborne Aircraft Separatio. Dr Dis., Technical University of Vienna
1998.
59. Schulz R. L., Zhao Y.: Deterministic Resolution of Two Aircraft Conflict in Free Flight. AIAA
Guidance, Navigation and Control Conference, pp. 469–478, 1997.
60. Stengel R. F., Wangermann J. P.: Principled Negotiation Between Intelligent Agents: a Model for Air
Traffic Management. ICAS Proceedings, pp. 2197–2207, 1994.
61. Taylor D. H.: Uncertainty in Collision Avoidance Maneuvering. The Journal of Navigation 43(2), 1990.
62. Tomlin C., Pappas G., Sastry S.: Conflict Resolution for Air Traffic Management: A Study in Multiagent Hybrid Systems. IEEE Transactions on Automatic Control, vol. 43, pp. 509–521, 1998.
63. Warren A.: Medium Term Conflict Detection for Free Routing: Operational Concepts and Requirements
Analysis. Digital Avionics Systems Conference, pp. 9.3–27–9.3–34, 1997.
64. Williams P. R.: Aircraft Collision Avoidance Using Statistical Decision Theory. Sensors and Sensor
Systems for Guidance and Navigation II, 1992.
65. Zeghal K.: Towards the Logic of an Airborne Collision Avoidance System which Ensures Coordination
with Multiple Cooperative Intruders. CAS Proceedings 3, pp. 2208–2218, 1994.
66. Zeghal K.: A Review of Different Approaches Based on Force Fields for Airborne Conflict Resolution.
AIAA Guidance, Navigation and Control Conference, pp. 818–827, 1998.
PERSPECTIVE OF NEW AIR TRAFFIC MANAGEMENT SYSTEMS DEVELOPING
Abstract: The new methods of air traffic separation assurance are based on the airways structures and former
procedural control rules. Air traffic controllers, having the complete traffic situation awareness are the main
decision makers in the process. The next generation air traffic management systems will enable navigation of
economical, direct 4D trajectories with number of automation tools, supporting air traffic controllers in midterm verification of aircraft trajectory collisions.
Keywords: air traffic, air traffic engineering.
Recenzent: Jerzy Manerowski

kierunki rozwoju nowoczesnych systemów zarz dzania ruchem

Transkrypt

Podobne dokumenty

Co może oznaczać sytuacja, że mimo zindeksowania interesujących

ROZWIĄZANIE UMOWY O PRACĘ BEZ WYPOWIEDZENIA

Dobra Karta Kredytowa.Dla osób z ca?ego kraju.

Architekt Systemów Informatycznych

Ustalenia techniczne

generuj pdf

Projektant Oprogramowania