本发明涉及民航空中交通管理，具体涉及一种全空域飞机尾流遭遇风险告警系统实现方法，可为空中交通自动化管理设备和雷达管制模拟设备上提供必要的尾流提醒和告警功能。
背景技术：
尾流是由于飞机在飞行中由于机翼上下表面压力差而在翼尖形成的反向旋转涡流。为防止跟随飞行的后机遭遇尾流后可能出现的滚转、急剧俯仰、下降高度、失速等危险事件发生，民航局制定了前后飞机之间的最小尾流距离间隔标准。
我国民航空中交通管理部门所适用的空中交通自动化管理系统主要包括法国泰蕾兹集团的“EURO-CAT”、西班牙INDRA公司的“INDRA自动化系统”、南京莱斯集团的“牧羊人—2000”等。当前后飞机的实际间距接近或小于尾流间隔标准时，这些设备中都无法提供出任何语音或图形上的告警与保护。此外，国内在训练空中交通管制员时，用到的雷达管制模拟训练设备则包括川大智胜、中电28所、天航创力等厂家的产品，这些产品上目前也不能够提供尾流预警和告警功能。
最小尾流间隔标准与前后飞机所属的类别有关，不是单一的固定数字。同时当飞机航向改变后，直接判定两架飞机之间的前后属性也存在一定不确定性；另外飞机尾流的消散和运动机理也存在一定的模糊性。这些原因使得到目前为止，我国民航空中交通管理部门所使用的空中交通自动化管理系统和雷达管制模拟训练设备上均未能提供尾流告警功能。随着雷达间隔的不断缩减，尾流间隔对机场容量的限制作用也越来越明显,对飞机尾流遭遇风险告警系统的需求也越来越大。
飞机尾流是机场终端管制区内飞行安全和起降容量的重要限制因素之一。现行的空中交通自动化管理系统和雷达管制模拟训练设备上均没有提供飞机尾流模块，无法向空中交通管制员提供尾流遭遇预警和提醒，一方面存在安全隐患，另一方面也限制了空中交通管制员对飞行冲突的调配潜力，影响管制员的空中交通指挥技能的发挥。
技术实现要素：
鉴于现有技术现状，本发明的目的是提供一种全空域飞机尾流遭遇风险告警系统实现方法。本方法通过设计了一种适用于空中交通自动化管理系统和雷达管制模拟训练设备上的尾流告警模块，实现了全空域飞机尾流遭遇风险告警功能。具体包括前后飞机的实际间距显示时机与方式，飞机着陆前切入五边（即跑道中线延长线，下同）的尾流告警方式，跑道中线延长线上的尾流间隔告警阈值与方式，全空域尾流间隔告警算法、阈值和方式等。通过特定的图形符号，在空中交通自动化管理系统和雷达管制模拟训练设备的屏幕上直观地显示出前机尾流的影响范围，后机的间隔安全余量，为管制员提供飞机尾流告警和安全保护，提高管制指挥的安全性和管制调配能力。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种全空域飞机尾流遭遇风险告警系统实现方法，其特征在于，所述系统为尾流间隔告警模块，该模块包括四部分：飞机实际距离显示部分、切入五边的尾流告警部分、五边尾流间隔告警部分和全空域尾流间隔告警部分；四部分的实现方法是：
（一）、飞机实际距离显示部分在五边或全空域遭遇尾流时，以标牌数字方式进行显示。
（二）、切入五边的尾流告警部分对五边上的最后一个飞机，以几条带颜色的横线方式进行显示，显示出不同后机类型下的所需尾流间隔，以提醒后续将加入五边的飞机来注意前机尾流。
（三）、五边尾流间隔告警部分对切入五边的前机尚未进入跑道时，以三种方式进行显示：
（a）、前机后方以带颜色尾流间隔警示线显示；
（b）、以前伸型告警锥方式进行显示；
（c）、以后伸型告警锥方式进行显示。
（四）、全空域尾流间隔告警部分分为两个等级进行全空域尾流间隔告警显示：
（a）、以提醒等级显示；
（b）、以警报等级显示。
所述的飞机实际距离显示部分以标牌数字方式进行显示，标牌数字包括：机场跑道号、航班号、飞机类型、当前飞行高度、目标飞行高度、飞机地速、着陆机场、飞机型号、该架飞机距离前机的距离。
所述的切入五边的尾流告警部分对于五边上的最后一个飞机，在其当前位置后方用三条粉色线垂直于下滑道，宽度为2个像素、长度为8个像素；三条粉线到飞机的距离分别为重型后机所需尾流间隔大小、中型后机所需尾流间隔大小和轻型后机所需尾流间隔大小。
所述的五边尾流间隔告警部分对于五边上的飞机，分别计算出每个飞机相对于跑道入口的间距，间距越小的飞机越靠前，越大则越靠后，从而判定出前后飞机对，当飞机同时满足以下三个条件时，飞机切入并稳定在了航向道上，即进入了五边：
（a）、飞机与跑道入口之间间距小于30公里；
（b）、航向与跑道中线夹角小于0.1度；
（c）、飞机位置与跑道中心点连线与跑道中线夹角小于0.1度。
所述的五边尾流间隔告警部分的三种显示方式具体为：
（a）、在前机后方用一个粉色横线显示出与后机的所需尾流间隔，粉线垂直于下滑道，宽度为2个像素、长度为8个像素，后机在五边跟进飞行时不能超越粉线，否则就会小于尾流间隔；
（b）、前伸型告警锥：从后机所在位置开始，沿着飞机航向往前绘制一个锥体，长度等于相对于前机的最小尾流间隔，同时在锥体内部显示所需间隔，椎体告警显示类型分为三类，从低到高分别是：监控告警椎体显示、提醒告警椎体显示和警报告警椎体显示；
（c）、后伸型告警锥：从前机所在位置开始，在飞机后方绘制一个在锥体，长度等于相对于后机的最小尾流间隔。同时在锥体内部显示出所需间隔，椎体告警显示类型分为三类，从低到高分别是：监控告警显示椎体、提醒告警椎体显示和警报告警椎体显示。
所述的警报告警椎体以红色显示，当同时满足以下条件时触发警报等级告警：
（a）、所述的航班对的间隔余量小于2nm，即间隔小于尾流间隔+2nm；
（b）、前机尚未进跑道；
（c）、根据前机和后机的当前速度差，24秒之内将丧失间隔。
所述的提醒告警椎体以黄色显示，当同时满足以下条件时触发提醒等级告警：
（a）、所述的航班对的间隔余量小于2nm，即间隔小于尾流间隔+2nm；
（b）、前机尚未进跑道；
（c）、根据前机和后机的当前速度差，45秒之内将丧失间隔。
所述的监控告警锥体以蓝色显示，当满足以下条件时触发监控等级告警：所述的航班对的间隔余量小于2nm，即间隔小于尾流间隔+2nm。
所述的全空域尾流间隔告警部分：当任意两架飞机中，后机的预测航迹与前机的历史航迹存在交叉时，首先计算出从前机位置到交叉点的距离L1，然后计算出后机位置到交叉点的距离L2，得到总距离L1+L2，如果总距离小于所需尾流间隔就给出警报等级显示；显示方式：从后机当前位置开始绘制一个红色三角形，三角形的底边朝向为前机当前位置，长度为所需间隔，在锥形区域里，显示所需间隔。
所述的如果总距离L1+L2不低于所需尾流间隔，但小于所需尾流间隔的1.1倍，则给出提醒等级显示，显示方式包括以下两种：
（a）、沿前机历史轨迹，绘制出从前机位置到交叉点的连线，然后再绘制出从交叉点到后机当前位置的连线；
（b）、给出前机当前位置到后机当前位置的尾迹点；然后从后机当前位置开始绘制一个锥体，长度为所需间隔；在锥形区域里，显示所需间隔。
本发明所产生的有益效果是：通过在THCL雷达管制模拟训练设备上，邀请4名空中交通管制学员、4名一线管制员进行实验验证。实验空域为天津在终端管制区，3个走廊口共16架进场飞机，机型类别包括A380、重型、中型和轻型。实验表明：采用本发明能使管制员更直观地查看飞机尾流的影响和变化趋势，不仅能有效降低终端区内尾流遭遇事件的发生（约5%），而且还能提高终端区内单位时间的飞机起降架次数（约3%），提升民航空管的运行安全性和效率。
附图说明
图1为本发明飞机实际距离的显示方式效果图；
图2为本发明切入五边（即跑道中线延长线）的尾流告警方式效果图；
图3为本发明后机前方的尾流间隔警示线显示效果图；
图4为本发明用于监控的前伸型尾流间隔警示锥显示效果图；
图5为本发明用于提醒的前伸型尾流间隔警示锥显示效果图；
图6为本发明用于警报的前伸型尾流间隔警示锥显示效果图；
图7为本发明用于监控的后伸型尾流间隔警示锥显示效果图；
图8为本发明用于提醒的后伸型尾流间隔警示锥显示效果图；
图9为本发明用于警报的后伸型尾流间隔警示锥显示效果图；
图10为本发明的全空域尾流间隔告警部分用于提醒等级（a）方式显示效果图；
图11为本发明的全空域尾流间隔告警部分用于提醒等级（b）方式显示效果图；
图12为本发明的全空域尾流间隔告警部分用于警报的显示效果图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
本发明的尾流间隔告警模块的主要功能如表1所示。
表1尾流间隔告警模块的主要功能
全空域飞机尾流遭遇风险告警系统实现方法具体实施步骤如下：
（1）飞机切入航向道上的判定准则：建立飞机切入航向道上的判定准则，包括飞机航向、飞机与跑道入口的相对方位关系、飞机与跑道入口的距离大小，从而筛选出切入五边的飞机。
（2）建立五边飞机链表：建立一个飞机链表，对于新切入五边的飞机，将其及时加入到这个链表中；对于已经飞过跑道入口的飞机，则将其从链表中删除；
（3）五边上飞机实际距离的显示时机：针对五边飞机链表中的每一个飞机，根据位置计算出相对于跑道入口的距离，然后按照从小到大排序，并计算出两两之间的实际距离。如果小于所需距离的一定倍数，就在标牌下方予以显示这个实际距离。
（4）切入五边的尾流告警：对于新切入五边的飞机，依据民航局公布的尾流间隔标准，计算出在其后方的重型、中型和轻型飞机的所需尾流间隔，并使用线条在其后方予以显示。随着飞机移动，这些线条也需要及时移动和更新。当有新飞机加入链表，则不再显示该飞机后方的尾流告警线。此时，需要根据这架新飞机重新来计算和显示新飞机后方的尾流告警线。
（5）五边尾流间隔告警：针对五边飞机链表中飞机，计算出两两之间的实际距离。如果小于所需距离的一定倍数，就根据用户的选择，以特定方式显示告警，并根据告警等级用不同的颜色来显示。
（6）全空域尾流告警：根据尾流的滞空时间，分析后机历史轨迹与前机预测轨迹之间的关系，当任意两架飞机的预测航迹与历史航迹存在交叉（高度差小于100米、水平位置重合）时，首先计算出从前机位置到交叉点的距离L1，然后计算出后机位置到交叉点的距离L2，得到总距离L1+L2。如果总距离小于所需尾流间隔的一定倍数就告警，包括提醒和警报两个等级。
尾流间隔标准的选择：在飞行中，飞机上下翼面的压力差会导致机翼尖部卷起两个反向旋转涡流。在重力、大气湍流、温度层结特性等因素作用下向后扩展，形成尾涡流场。为防止跟随后机侵入前机尾涡流场而可能出现的俯仰、滚转、失速等危险情况，国内外民航管理机构基于实践经验，将航空器按照最大起飞重量来进行分类，然后给出不同类别组合下的最小间距。现行的尾流间隔将航空器按照最大起飞重量来进行分类，然后给出不同类别组合下的间隔标准。依据民航局有关规定，对于繁忙机场可按照表2所示的尾流间隔标准来运行。
表 2现行尾流间隔标准
实施例：
一、前后飞机之间的实际距离显示
参照图1，在飞机标牌上除显示机型和尾流类别外，对于在五边上的飞机，会在后机上显示与前机之间的实际距离。当飞机之间存在尾流遭遇可能性的时候，会在后机上显示与前机之间的实际距离。
具体的显示方式：距离大小精确到0.01km，不显示计量单位，字体颜色为黄色，大小为宋体五号，显示位置在飞机标牌的机型（Y_12）下方，如图1所示。图1中，同心圆代表飞机所在位置；右上方为飞机标牌。其中第一行的“23L”代表机场跑道号；第二行左边的“CHH7872”代表航班号；第二行右边的“L”代表飞机类型；第三行左边的“0360”代表当前高度为3600米；第三行中间的“0360”代表目标高度为3600米；第三行右边的“298”代表飞机地速为298公里/小时；第四行左边的“ZLXY”代表着陆机场；第四行右边的“Y_12”代表飞机型号为Y12飞机；第五行的3.85代表该架飞机距离前机为3.85公里。从飞机位置到标牌之间有一条实心连线。图中其他线为机场的飞行程序路线。
二、切入五边的尾流告警显示
参照图2，对于五边上的最后一个飞机，在其当前位置后方用粉色横线显示出不同后机类型下的所需尾流间隔，几条粉线依次为重型后机、中型后机和轻型后机。以提醒后续将加入五边的飞机来注意前机尾流。在操作中，可以使用CTRL键控制显示和隐藏。
显示方式：三条粉色线，垂直于下滑道，宽度为2个像素、长度为8个像素。三条粉线到飞机的距离分别为重型后机所需尾流间隔大小、中型后机所需尾流间隔大小和轻型后机所需尾流间隔大小。图2中，同心圆代表飞机所在位置；右上方为飞机标牌。其中第一行的“02”代表机场跑道号；第二行左边的“GCR6438”代表航班号；第二行右边的“M”代表飞机类型；第三行左边的“0101”代表当前高度为1010米；第三行中间的“0080”代表目标高度为800米；第三行右边的“037”代表飞机地速为37公里/小时；第四行“9.88代表该架飞机距离前机为9.88公里。图上左下方的三条黑线，分别代表后机分别为重型飞机、中型飞机、轻型飞机时，与该飞机之间所需保持的最小尾流间隔大小。
三、五边尾流间隔告警显示
飞机切入并稳定在航向道上的判定依据：当飞机同时满足以下三个条件时，可认为飞机切入并稳定在了航向道上（也就是进入了五边）。即：
（a）飞机与跑道入口之间间距小于30公里；
（b）航向与跑道中线夹角小于0.1度；
（c）飞机位置与跑道中心点连线与跑道中线夹角小于0.1度。
对于五边上的飞机，分别计算出每个飞机相对于跑道入口的间距。间距越小的飞机越靠前，越大则越靠后。从而判定出前后飞机对(Pair)。当满足一定条件时，采用三种不同的图形显示方式显示尾流间隔警示线或椎体。
1.尾流间隔警示线
在前机后方用一个粉色横线显示出与后机的所需尾流间隔。后机在五边跟进飞行时不能超越粉线，否则就会小于尾流间隔。
显示方式：一条粉色线，中心位置距离前机为所需尾流间隔大小，粉线垂直于下滑道，宽度为2个像素、长度为8个像素，如图3所示。图3中有两架飞机，右上方为前机，左下方为后机。两架飞机的标牌含义同图2。在后机的右上方有一条黑线，在这条线的中心位置距离前机为所需尾流间隔大小，因此后机不能越过该线。
2.前伸型尾流间隔警示锥
从后机所在位置开始，沿着飞机航向往前绘制一个在锥体，长度等于相对于前机的最小尾流间隔，同时在锥体内部显示所需间隔。椎体告警显示类型分为三类，从低到高分别是监控显示、提醒显示和警报显示。满足预设条件会才会触发显示。
（1）警报显示：是在锥体告警的最高情景，用红色表示。当同时满足以下条件时触发告警：
a航班对的间隔余量小于2nm（间隔小于尾流间隔+2nm）；
b前机尚未进跑道；
c根据前机和后机的当前速度差，24秒之内将丧失间隔。
（2）提醒显示：是在锥体告警的次高情景，用黄色表示。当同时满足以下条件时触发告警：
a航班对的间隔余量小于2nm（间隔小于尾流间隔+2nm）；
b前机尚未进跑道；
c根据前机和后机的当前速度差，45秒之内将丧失间隔。
（3）监控显示：是在锥体告警的最低情景。当满足以下条件时触发告警：
航班对的间隔余量小于2nm（间隔小于尾流间隔+2nm）。
显示方式：用一个三角形来表示。其中三角形的顶点在后机位置上，三角形关于飞机航向左右对称，方向与后机航向相同，三角形的前伸长度（高）为所需尾流间隔大小，底边的宽度为8个像素。在三角形的中间用数字显示出来所需尾流间隔大小，精度为0.01公里（白色字体、五号宋体）。三角形用不同颜色来绘制，以代表不同的告警类型。其中监控显示用蓝色、提醒显示用黄色、警报显示用红色。
用于监控告警椎体显示如图4所示，图4中有两架飞机，右上方为前机，左下方为后机，标牌含义同图2。从后机所在位置伸出的三角形代表前后飞机的所需尾流间隔大小。三角形内的数字“7.00”代表所需间隔大小为7.00公里。
用于提醒告警椎体显示如图5所示，图5中有两架飞机，右上方为前机，左下方为后机，标牌含义同图2。从后机所在位置伸出的三角形代表前后飞机的所需尾流间隔大小。三角形内的数字“8.00”代表所需间隔大小为8.00公里。
用于警报告警椎体显示如图6所示，图6中有两架飞机，右上方为前机，左下方为后机，标牌含义同图2。从后机所在位置伸出的三角形代表前后飞机的所需尾流间隔大小。三角形内的数字“8.00”代表所需间隔大小为8.00公里。
3.后伸型尾流间隔警示锥
从前机所在位置开始，在飞机后方绘制一个在锥体，长度等于相对于后机的最小尾流间隔，同时在锥体内部显示出这个间隔值。椎体告警显示类型分为三类，从低到高分别是监控显示、提醒显示和警报显示。满足预设条件会才会触发显示。
（1）警报显示：是在锥体告警的最高情景，用红色表示。当同时满足以下条件时触发告警：
a航班对的间隔余量小于2nm（间隔小于尾流间隔+2nm）；
b前机尚未进跑道；
c根据前机和后机的当前速度差，24秒之内将丧失间隔。
（2）提醒显示：是在锥体告警的次高情景，用黄色表示。当同时满足以下条件时触发告警：
a航班对的间隔余量小于2nm（间隔小于尾流间隔+2nm）；
b前机尚未进跑道；
c根据前机和后机的当前速度差，45秒之内将丧失间隔。
（3）监控显示：是在锥体告警的最低情景。当满足以下条件时触发告警：
航班对的间隔余量小于2nm（间隔小于尾流间隔+2nm）。
显示方式：用一个三角形来表示。其中三角形的顶点在前机位置上，三角形关于前机航向左右对称，方向与前机航向相反，三角形的后伸长度（高）为所需尾流间隔大小，底边的宽度为8个像素。在三角形的中间用数字显示出来所需尾流间隔大小，精度为0.01公里（白色字体、五号宋体）。三角形用不同颜色来绘制，以代表不同的告警类型。其中监控显示用蓝色、提醒显示用黄色、警报显示用红色。
用于监控告警椎体显示如图7所示，图7中有两架飞机，右上方为前机，左下方为后机，标牌含义同图2。从前机所在位置伸出的三角形代表前后飞机的所需尾流间隔大小。三角形内的数字“7.00”代表所需间隔大小为7.00公里。
用于提醒告警椎体显示如图8所示，图8中有两架飞机，右上方为前机，左下方为后机，标牌含义同图2。从前机所在位置伸出的三角形代表前后飞机的所需尾流间隔大小。三角形内的数字“8.00”代表所需间隔大小为8.00公里。
用于警报告警椎体显示如图9所示，图9中有两架飞机，右上方为前机，左下方为后机，标牌含义同图2。从前机所在位置伸出的三角形代表前后飞机的所需尾流间隔大小。三角形内的数字“8.00”代表所需间隔大小为8.00公里。可以看到，此时后机已进入三角形区域，说明当前间隔（7.27公里）已小于所需间隔标准（8.00公里）。
四、全空域尾流间隔告警显示
根据尾流的滞空时间，分析后机历史轨迹与前机预测轨迹之间的关系，设计全空域尾流间隔告警模块，针对空域内任何可能存在的尾流遭遇，给出提醒或警报。
判定方法：当任意两架飞机的预测航迹与历史航迹存在交叉（高度差小于100米、水平位置重合）时，首先计算出从前机位置到交叉点的距离L1，然后计算出后机位置到交叉点的距离L2，得到总距离L1+L2。如果总距离小于所需尾流间隔的一定倍数就告警。
1.提醒等级显示
如果总距离不低于所需尾流间隔，但小于所需尾流间隔的1.1倍，给出提醒。具体提醒的显示方式包括以下两种：
a显示方式一：沿前机历史轨迹，绘制出从前机位置到交叉点的连线，然后再绘制出从交叉点到后机当前位置的连线。在绘制时，从前机开始一直到所需间隔这段，用黄色表示；之后用蓝色表示。同时在后机标牌下方，显示当前间隔，精确到0.01km。如图10所示。图10中有两架飞机，右边为前机，左边为后机，标牌含义同图2。两机之间的连线包括两部分，从前机开始到交叉点的线段长度为所需尾流间隔标准。从后机开始到交叉点的线段长度为间隔安全余量。
b显示方式二：给出前机的尾迹点，从前机当前位置一直到交叉点；然后再绘制出从后机当前位置开始绘制一个锥体，长度为所需间隔；在锥形区域里，显示所需间隔；在后机标牌下方，显示当前间隔，精确到0.01km。如图11所示。图11中有两架飞机，右边为前机，左边为后机，标牌含义同图2。从后机所在位置伸出的三角形代表前后飞机的所需尾流间隔大小。三角形内的数字“8.00”代表所需间隔大小为8.00公里。
2.警报等级显示
如果总距离小于所需尾流间隔，给出警报。
显示方式：从后机当前位置开始绘制一个红色三角形，三角形的底边朝向为前机当前位置，长度为所需间隔。在锥形区域里，显示所需间隔，在后机标牌下方，显示当前间隔，精确到0.01km。如图12所示。图12中有两架飞机，上边为后机，下边为前机，标牌含义同图2。从后机所在位置伸出的三角形代表前后飞机的所需尾流间隔大小。三角形内的数字“7.00”代表所需间隔大小为7.00公里。可以看到，此时前机已侵入到了后机的这个三角形区域，说明当前间隔（5.10公里）已小于所需间隔标准（7.00公里）。