基于BCOP的終端區(qū)四維航跡預(yù)測研究＊

（南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院 南京 210016）

隨著我國民航的快速發(fā)展，飛行流量的不斷攀升，對空中交通管制安全保障系統(tǒng)造成了空前的壓力．新形勢對管制員隊(duì)伍提出了新的要求，為有效地維護(hù)和促進(jìn)空中交通安全，維護(hù)空中交通秩序和保障空中交通暢通，要求管制員具有較強(qiáng)的業(yè)務(wù)能力、管理能力、應(yīng)變能力和協(xié)作能力等綜合素質(zhì)［1］．因此，開發(fā)以最小成本實(shí)現(xiàn)飛行計(jì)劃和減輕飛行員工作負(fù)荷為目的的空中交通管理系統(tǒng)變得十分重要．空中交通管理系統(tǒng)是復(fù)雜、動態(tài)、信息驅(qū)動的以人工決策為中心的自動化系統(tǒng)［2］．飛行管理系統(tǒng)的核心問題是航跡預(yù)測，對飛機(jī)航跡的精確預(yù)測是實(shí)現(xiàn)空管自動化的先決條件．

航跡預(yù)測研究中出現(xiàn)的算法主要有基于數(shù)據(jù)挖掘的無參數(shù)方法和進(jìn)行飛行模擬方法［3］．這2種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)行飛行模擬需要大量的飛行器參數(shù)，如重量、推力、阻力和升力系數(shù)等．這些數(shù)據(jù)獲取困難且不同類型的飛機(jī)有各自不同的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量龐大．使用線性回歸和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等數(shù)據(jù)挖掘的預(yù)測算法，是一種完全基于歷史飛行數(shù)據(jù)的預(yù)測方法，不依賴于空氣動力學(xué)和牛頓力學(xué)模型，不需要獲取飛機(jī)動力學(xué)參數(shù)和飛行計(jì)劃，但是由于輸入信息有限，預(yù)測的準(zhǔn)確度不高［4－5］．根據(jù)機(jī)場終端區(qū)的情況，本文使用波音公司的飛行性能軟件波音爬升程序（boeing climb out program，BCOP）進(jìn)行飛行航跡預(yù)測．

1 四維飛行航跡預(yù)測模型

1.1 數(shù)學(xué)模型

飛機(jī)的運(yùn)動是一個(gè)復(fù)雜的質(zhì)點(diǎn)系動力學(xué)問題［6］．如果全面考慮地球的曲率，燃油的消耗，動力系統(tǒng)和操縱系統(tǒng)等機(jī)件的相對運(yùn)動及飛機(jī)本身的彈性變形，以及外力使飛機(jī)外形、飛行姿態(tài)和運(yùn)動參數(shù)變化等因素，會使飛機(jī)航跡預(yù)測變得極為復(fù)雜，因此將飛機(jī)簡化為一個(gè)剛體，對飛機(jī)的航跡的預(yù)測轉(zhuǎn)為對質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行受力分析和運(yùn)動分析［7－8］．飛行航跡預(yù)測的數(shù)學(xué)模型由以下方程構(gòu)成．

飛機(jī)的質(zhì)心動力學(xué)方程為

飛機(jī)的質(zhì)心運(yùn)動方程為

式中：m為飛機(jī)質(zhì)量；t為時(shí)間；g為重力加速度；Vt為真空速；T為推力；D為阻力；L為升力；α為迎角；ε為發(fā)動機(jī)安裝角；γc為航跡傾角；ψa為航向角；δa為航跡滾轉(zhuǎn)角；x，y，z為飛機(jī)在某慣性坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)；wx，wy，wh分別為地球坐標(biāo)系中東，北，高度方向的風(fēng)．

1.2 基于BCOP的終端區(qū)四維航跡預(yù)測模型

飛行航跡的精確計(jì)算必須基于可靠的大氣環(huán)境數(shù)據(jù)和飛機(jī)性能數(shù)據(jù)，遵循進(jìn)、離場飛行程序和飛行員的操作．波音爬升程序BCOP是windows界面下用于分析航路并利用用戶提供的離場或進(jìn)近程序計(jì)算飛機(jī)性能軟件，該軟件可以根據(jù)輸入的飛機(jī)機(jī)型、發(fā)動機(jī)信息、機(jī)場跑道信息、機(jī)場的氣象信息、設(shè)定的垂直航路和水平航路，輸出飛行軌跡的垂直剖面和地面軌跡．基于BCOP的終端區(qū)四維航跡預(yù)測模型由大氣環(huán)境模塊、飛機(jī)性能模塊、飛行程序和飛行員操作模塊組成．

1．2．1 大氣環(huán)境模塊 氣象要素與航空飛行之間有密切聯(lián)系，氣壓和溫度會影響發(fā)動機(jī)性能，風(fēng)直接對飛行器產(chǎn)生作用力，惡劣氣象環(huán)境影響飛行安全［9］．大氣的密度、溫度、壓強(qiáng)、濕度等狀態(tài)參數(shù)隨著地理位置、距離地面的高度和季節(jié)發(fā)生變化．將機(jī)場終端區(qū)實(shí)時(shí)的氣壓、溫度、風(fēng)速、風(fēng)向信息輸入BCOP的機(jī)場信息界面，作為大氣環(huán)境模塊．

1．2．2 飛機(jī)性能模塊 飛機(jī)性能是與飛機(jī)氣動性能、發(fā)動機(jī)性能、載重、航程相關(guān)的參數(shù)，包括飛機(jī)在不同姿態(tài)下的升力系數(shù)、阻力系數(shù)，發(fā)動機(jī)在不同高度、不同環(huán)境溫度、不同推力輸出情況下的耗油率，以及飛機(jī)重量、經(jīng)濟(jì)巡航速度、最大航程等．目前主要的飛行器性能模型有CTAS（center－TRACON automation system）性能模型和BADA（base of aircraft data），這些飛機(jī)性能模型存放了飛機(jī)性能的簡化數(shù)據(jù)［10］．BCOP提供了詳細(xì)的飛行性能數(shù)據(jù)，可以提高航跡預(yù)測的準(zhǔn)確性．

1．2．3 飛行程序和飛行員操作模塊 飛機(jī)進(jìn)場由一系列的航段組成，見圖1．飛行員的手動控制或自動飛行的操作可以分為3類：第一類是速度，包括指示空速、真空速、馬赫數(shù)、地速和到達(dá)時(shí)間；第二類是航路，包括高度、航跡角等；第三類是發(fā)動機(jī)、襟翼、起落架的控制［11］．使用BCOP可以仿真這些操作．

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)／離場圖規(guī)定的水平飛行軌跡、航路點(diǎn)處的速度、高度限制和飛行員的操作，使用BCOP計(jì)算飛行剖面．

圖1 飛機(jī)進(jìn)場著陸過程

2 算例分析

本文采用BCOP內(nèi)置的機(jī)型數(shù)據(jù)庫，使用KCOP機(jī)場06L跑道的進(jìn)近程序，結(jié)合常規(guī)的飛行操作和氣象條件，對進(jìn)場飛機(jī)航跡進(jìn)行仿真［12］．

2.1 初始條件

KCOP機(jī)場06L跑道氣象條件：氣溫25℃，靜風(fēng)，1 013．25hPa．進(jìn)近時(shí)飛機(jī)重量：74 900kg（165 000lb），收起落架和襟翼；IAS：250kn；高度：3 048m（1 000ft）．輸入機(jī)場跑道的長度、標(biāo)高、經(jīng)緯度坐標(biāo)和導(dǎo)航臺的標(biāo)高、類型、經(jīng)緯度坐標(biāo)、磁差，設(shè)置初始條件．

2.2 飛行剖面仿真

2．2．1 垂直剖面 根據(jù)機(jī)場飛行程序和飛行員的操作，垂直剖面的仿真設(shè)置如下：第1段．飛機(jī)從航路飛行轉(zhuǎn)為進(jìn)場飛行，減速平飛，慢車推力，打開襟翼；第2段．當(dāng)襟翼20°時(shí)，以3°的下滑角加速下降，繼續(xù)打開襟翼，放下起落架；第3段．當(dāng)襟翼40°時(shí)，等速下架，直到氣壓高度15．24m（50 ft）．BCOP輸出的垂直剖面如圖2所示．

圖2 BCOP輸出的垂直剖面圖

2．2．2 水平剖面 飛機(jī)起始航向315°，氣壓高度1 050英尺時(shí)，左轉(zhuǎn)彎向臺飛行切入NAV3導(dǎo)航臺240°航跡線．BCOP輸出的水平剖面見圖3．

根據(jù)BCOP產(chǎn)生的報(bào)告，繪制的飛行航跡圖見圖4．

圖3 BCOP輸出的水平航跡圖

圖4 BCOP繪制的飛行航跡圖

3 結(jié)束語

結(jié)合機(jī)場實(shí)時(shí)的氣象條件、飛行程序和飛行員的操作，提出的基于BCOP的終端區(qū)四維航跡預(yù)測模型，并進(jìn)行了算例仿真．由于BCOP軟件具有詳細(xì)的飛行性能數(shù)據(jù)和簡便的操作界面，使航跡預(yù)測簡便、準(zhǔn)確．航空公司性能人員根據(jù)機(jī)場條件和飛行程序，使用該模型制定某型飛機(jī)的飛行計(jì)劃、安全分析、燃油消耗、預(yù)測航跡，空管部門可使用該模型對終端區(qū)內(nèi)所有飛機(jī)機(jī)型的航跡進(jìn)行預(yù)測和空中交通流量分析．

［1］何 昕，高浩然，陳亞青，等．我國空中交通管制員素質(zhì)模糊綜合評估研究［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版，2010，34（5）：912－915．

［2］郭運(yùn)韜，朱衍波，黃智剛．民用飛機(jī)航跡預(yù)測關(guān)鍵技術(shù)研究［J］．中國民航大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，25（1）：20－24．

［3］RUSSELL A，PAIELLI．Trajectory specification for high－capacity air traffic control［J］．Journal of Aerospace Computing，Information and Communication，2005（2）：361－385．

［4］吳 鵬，潘 薇．基于數(shù)據(jù)挖掘的四維飛行軌跡預(yù)測模型［J］．計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2007，27（11）：2637－2639．

［5］孫 煒，白劍林．一種空中目標(biāo)航跡的灰色預(yù)測方法［J］．電光與控制，2009，16（6）：12－15．

［6］陳廷楠．飛機(jī)飛行性能品質(zhì)與控制［M］．北京：國防工業(yè)出版社，2007．

［7］ WU Kun，PAN Wei．A 4－D trajectory prediction model based on radar data［C］／／Proceedings of the 27th Chinese Control Conference，Kunming，2008：591－594．

［8］MORANI G，PALUMBO R，CUCINIELLO G，et al．Method for prediction and optimization of a stratospheric balloon ascent trajectory［J］．Journal of Spacecraft and Rockets，2009，46（1）：126－133．

［9］任倩倩，陳治懷．終端區(qū)四維飛行航跡的計(jì)算［J］．中國民航大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，18（2）：11－14．

［10］NEWMAN B，BRITCHER C．Trajectory management concepts for future small aircraft transportation systems［J］．Journal of Aircraft，2006，43（6）：1643－1654．

［11］LEEGE A M P，VELD A C，MULDER M，et al．Three－degree decelerating approaches in high－density arrival streams［J］．Journal of Aircraft，2009，46（5）：1681－1691．

［12］武喜萍，李海峰．終端區(qū)空中交通管制專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］．交通信息與安全，2009，27（2）：131－133．