机场管制空域内无人机运行安全风险评估

doi:10.7527/S1000-6893.2024.31276

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机场管制空域内无人机运行安全风险评估

杨锦¹, 杭旭², 王艳军¹()

^1.南京航空航天大学民航学院，南京 210016
^2.中国民用航空中南地区空中交通管理局，广州 540005

收稿日期:2024-09-27 修回日期:2024-10-31 接受日期:2025-02-10 出版日期:2025-02-24 发布日期:2025-02-21
通讯作者: 王艳军 E-mail:ywang@nuaa.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(52272333);国家自然科学基金(U2033203);国家自然科学基金(U2433204)

Safety risk assessment of UAVs operations in airport controlled airspace

Jin YANG¹, Xu HANG², Yanjun WANG¹()

^1.College of Aerospace Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China
^2.Central and Southern Regional Administration，Civil Aviation Administration of China，Guangzhou 540005，China

Received:2024-09-27 Revised:2024-10-31 Accepted:2025-02-10 Online:2025-02-24 Published:2025-02-21
Contact: Yanjun WANG E-mail:ywang@nuaa.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(52272333)

摘要/Abstract

摘要：

面向城市空中交通概念下机场管制空域内无人机（UAVs）与运输航空融合运行场景，提出了一种空域运行安全风险评估方法。首先考虑无人机机动性能与航空器位置误差，提出了一种双层碰撞保护体积模型；之后使用蒙特卡罗模拟方法来模拟航空器误差计算碰撞概率；进一步提出了一种适用于无人机航线与起降航线碰撞风险评估的改进Reich模型。基于改进Reich模型，以国内某枢纽机场为例，对机场周围的无人机航线进行了风险评估，结果表明，该机场33跑道降落航线与无人机运行航线的碰撞风险不满足目标安全水平（TLS）要求。研究发现，降低无人机航线高度与飞行速度可以减小碰撞风险，而改变无人机航线流量不会影响碰撞风险。

关键词: 无人机, 城市空中交通, 融合运行, 碰撞保护体积, 碰撞风险评估, 改进Reich模型

Abstract:

Aiming at the scenario of the integrated operation of Unmanned Aerial Vehicles （UAVs） and transport aviation in the airport controlled airspace under the concept of urban air mobility， this paper proposes an airspace operation safety risk assessment method. Firstly， considering the maneuverability of UAVs and the position error of aircraft， a double-layer collision protection volume model is proposed； then， the Monte Carlo simulation method is used to simulate the aircraft error and calculate the collision probability. Furthermore， an improved Reich model suitable for the collision risk assessment of UAV routes and take-off and landing routes is proposed. Based on the improved Reich model， a risk assessment of UAV routes around a domestic hub airport is carried out. The results show that the collision risk between the Runway 33 landing route of the airport and the UAV operation route does not meet the Target Level of Safety （TLS） requirements. The study found that reducing the altitude and flight speed of the UAV route can reduce the collision risk， while changing the UAV route flow will not affect the collision risk.

Key words: UAV, urban air mobility, integrated operation, collision protection volume, collision risk assessment, improved Reich model

中图分类号:

V355

杨锦, 杭旭, 王艳军. 机场管制空域内无人机运行安全风险评估[J]. 航空学报, 2025, 46(11): 531276.

Jin YANG, Xu HANG, Yanjun WANG. Safety risk assessment of UAVs operations in airport controlled airspace[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(11): 531276.

图/表 20

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参考文献 25

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

参数		数值
长（宽）/m		5.726
高/m		1.933
最大爬升率/（m·s^-1）		6
最大下降率/（m·s^-1）		5
最大加速度/（m·s^-2）		±5
最大平飞速度/（m·s^-1）		25
最大飞行高度/m		120
航线控制精度/m	水平方向	±20
航线控制精度/m	垂直方向	±2
悬停精度/m	水平方向	±2
悬停精度/m	垂直方向	±1
GPS定位精度/m		±1.5
最大俯仰角度/（°）		35
最大转弯坡度/（°）		20

航空器	爬升率/（km·h^-1）	下降率/（km·h^-1）	飞行流量/（架次·h^-1）	飞行速度/（km·h^-1）	飞行高度/m
有人机	50	13.5	10
EH216S	0	0	450	72	100

航线分段	节点	航向/（°）	航线夹角/（°）	长度/m
1	节点1~节点2	35.3/215.3	61.9	274.4
2	节点2~节点3	74.1254.1	79.3	576
3	节点3~节点5	98.4/278.4	55.0	1 340
4	节点5~节点6	36.8/216.8	63.4	709
5	节点6~节点8	11.1/191.1	37.7	2 371
6	节点8~节点10	94.5/274.5	58.9	522

飞行高度/m	飞行速度/（km·h^-1）
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机场管制空域内无人机运行安全风险评估

Safety risk assessment of UAVs operations in airport controlled airspace

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飞行高度/m	碰撞风险/fapfh	飞行高度/m	碰撞风险/fapfh
50	1.17×10^-13	400	4.62×10^-12
100	1.59×10^-10	450	1.98×10^-14
150	1.89×10^-10	500	1.13×10^-17
200	1.77×10^-9	550	6.47×10^-21
250	1.64×10^-10	600	3.80×10^-24
300	1.52×10^-10	650	2.17×10^-27
350	1.09×10^-10	700	1.24×10^-30

飞行高度/m	碰撞风险/fapfh	飞行高度/m	碰撞风险/fapfh
50	8.35×10^-9	400	2.46×10^-50
100	4.71×10^-3	450	2.55×10^-58
150	2.42×10^-10	500	2.97×10^-66
200	2.41×10^-18	550	2.91×10^-74
250	2.02×10^-26	600	3.06×10^-82
300	1.90×10^-34	650	5.81×10^-90
350	2.07×10^-42	700	5.24×10^-98

起降航线	碰撞风险/fapfh
起降航线	分段1	分段2	分段3	分段4	分段5	分段6
跑道15起飞	1.96×10^-10	4.08×10^-12	4.19×10^-17	5.94×10^-28	6.84×10^-28	4.33×10^-29
跑道33降落	4.71×10^-3	5.62×10^-5	4.44×10^-9	1.41×10^-16	9.27×10^-21	9.89×10^-32
跑道16起飞	9.62×10^-25	2.15×10^-26	2.05×10^-31	3.05×10^-42	5.82×10^-42	6.11×10^-43
跑道34降落	2.79×10^-14	1.02×10^-15	3.90×10^-20	5.81×10^-28	3.68×10^-32	3.68×10^-41
跑道33起飞	3.93×10^-33	8.03×10^-35	8.13×10^-40	1.20×10^-50	2.27×10^-50	2.39×10^-51
跑道15降落	4.32×10^-34	8.64×10^-36	9.01×10^-41	1.31×10^-51	2.57×10^-51	2.64×10^-52
跑道34起飞	1.61×10^-50	1.14×10^-51	4.25×10^-40	1.61×10^-67	3.38×10^-67	3.32×10^-68
跑道16降落	1.77×10^-51	1.23×10^-52	1.28×10^-57	1.76×10^-68	3.82×10^-68	3.66×10^-69

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600	304
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飞行高度/m	飞行速度/（km·h^-1）
50	225
100	225
150	228
200	235
250	230
300	233
350	246
400	265
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飞行高度/m	飞行速度/（km·h^-1）
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100	315
150	315
200	315
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飞行高度/m	飞行速度/（km·h^-1）
50	225
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