一種基于歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的起飛前航跡預(yù)測(cè)分析算法

羅秦 王艷波

摘要：隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，越來越多人將民航飛行作為出行首選，航班流量管理也越來越受到業(yè)界重視，而航跡預(yù)測(cè)是流量管理工作開展的根本。該文研究和分析了雷達(dá)數(shù)據(jù)處理和航跡預(yù)測(cè)算法，使用基于角平分線垂直交叉的方法實(shí)現(xiàn)雷達(dá)航跡判斷，使用歷史數(shù)據(jù)挖掘航班航段經(jīng)驗(yàn)飛行時(shí)間。歷史數(shù)據(jù)挖掘算法分三個(gè)步驟，第一步是采樣，第二步是使用防脈沖干擾平均濾波算法進(jìn)行除噪，第三步對(duì)剩余樣本求平均值。目前該方法已應(yīng)用到中南地區(qū)航班協(xié)同放行系統(tǒng)中，取得了較好的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)數(shù)據(jù)處理；航跡預(yù)測(cè)；數(shù)據(jù)挖掘

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）21-0175-03

近年來，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，航班量逐步增長(zhǎng)，流量管理也越來越受到民航系統(tǒng)重視。航跡預(yù)測(cè)是航班流量管理的基礎(chǔ)，航跡預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確，無法實(shí)現(xiàn)有效的流量管理。

中南地區(qū)航班協(xié)同放行系統(tǒng)在建設(shè)過程中，遇到的第一個(gè)難題就是如何實(shí)現(xiàn)起飛前準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)航班飛行軌跡。本文將詳細(xì)介紹中南地區(qū)航班協(xié)同放行系統(tǒng)中航跡預(yù)算方法的實(shí)現(xiàn)，并介紹在算法實(shí)現(xiàn)過程中遇到的問題及解決方法。

中南地區(qū)航班協(xié)同放行系統(tǒng)采用的航跡預(yù)測(cè)算法分以下幾個(gè)步驟：1）基于角平分線的綜合雷達(dá)航跡處理；2）雷達(dá)歷史數(shù)據(jù)挖掘；3）航跡預(yù)測(cè)計(jì)算。

1 綜合雷達(dá)航跡處理算法介紹

空管自動(dòng)化系統(tǒng)中多雷達(dá)數(shù)據(jù)融合處理后的航跡信息包括航班號(hào)、高度、二次代碼、速度和位置信息等。航跡過點(diǎn)事件判斷是航路相關(guān)監(jiān)視（Route Adherence Monitor， RAM）的一種，是對(duì)航班實(shí)際飛行過程中的飛行軌跡進(jìn)行計(jì)算和判斷，當(dāng)接近或飛越航路固定點(diǎn)時(shí)，觸發(fā)相應(yīng)事件的過程。此類事件可用于落地時(shí)間預(yù)測(cè)、進(jìn)出管制區(qū)域預(yù)測(cè)、統(tǒng)計(jì)空中交通流量統(tǒng)計(jì)、航路航線偏離告警等。事件判斷的實(shí)時(shí)型、準(zhǔn)確性和效率至關(guān)重要。

本文采用一種分角平分線的算法，對(duì)航跡過點(diǎn)事件進(jìn)行設(shè)計(jì)和建模，并根據(jù)是否與飛行計(jì)劃建立關(guān)聯(lián)，對(duì)算法的效率、誤差進(jìn)行分析。提出并實(shí)現(xiàn)一種可配置的、高效的航跡過點(diǎn)事件判斷算法。

綜合雷達(dá)航跡的數(shù)據(jù)包按照一定的數(shù)據(jù)協(xié)議進(jìn)行封裝，以字節(jié)數(shù)組的方式在網(wǎng)絡(luò)上傳輸。使用信息需先進(jìn)行監(jiān)視數(shù)據(jù)包的解析，提取與航班相關(guān)的四維狀態(tài)信息，包含經(jīng)緯度、氣壓高度（或地理高度）、飛行高度層、速度、爬升率、加速度等；相關(guān)航跡還需提取飛行計(jì)劃信息，包括航班號(hào)、機(jī)型、尾流等級(jí)、起降機(jī)場(chǎng)、相關(guān)時(shí)間等。不同航班的航跡信息通過航跡號(hào)和應(yīng)答機(jī)編碼區(qū)分，以一定的頻率（4秒）向外輸出。以上信息組成一個(gè)航跡信息（Track Information Object）對(duì)象。

空域態(tài)勢(shì)（Area Snapshot）是某監(jiān)視區(qū)域上空所有航班飛行態(tài)勢(shì)的一個(gè)快照。監(jiān)視區(qū)可定義為一個(gè)由若干邊界點(diǎn)圍成的二維平面多邊形，監(jiān)視區(qū)包含多個(gè)固定點(diǎn)（Fixed Point）組成的列表，航班實(shí)際飛越這些固定點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)將觸發(fā)相應(yīng)的過點(diǎn)事件。以應(yīng)答機(jī)和航跡號(hào)為關(guān)鍵字，每一個(gè)實(shí)際航班對(duì)應(yīng)一個(gè)航班航跡（Flight Track Object）對(duì)象，航班航跡對(duì)象包含一個(gè)航班狀態(tài)（Track Status Object）對(duì)象的數(shù)組，記錄最近若干次的四維狀態(tài)信息。

航路走廊寬度（Route Corridor Width）和航路點(diǎn)半徑（Route Point Radius）是在進(jìn)行航路相關(guān)監(jiān)視時(shí)的兩個(gè)重要參數(shù)。航路走廊以航段兩端固定點(diǎn)連線為中心線，向外擴(kuò)展指定寬度，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)指定航路走廊寬為20海里（左右兩側(cè)各10海里），航路點(diǎn)半徑經(jīng)驗(yàn)值為20海里。上述參數(shù)可根據(jù)需求調(diào)整。

1.1 常規(guī)算法及應(yīng)用

目前的管制綜合信息系統(tǒng)中，對(duì)航跡過點(diǎn)的判斷采用的方法是：當(dāng)航班航跡更新時(shí)，根據(jù)監(jiān)視區(qū)范圍。對(duì)范圍內(nèi)的固定點(diǎn)的經(jīng)緯度和航班經(jīng)緯度進(jìn)行遍歷匹配，當(dāng)二者距離小于等于設(shè)定閾值，即航跡出現(xiàn)在航路點(diǎn)半徑區(qū)域內(nèi)時(shí)，觸發(fā)過點(diǎn)事件。

改算法普遍運(yùn)用在中南各地FIPS系統(tǒng)雷達(dá)相關(guān)程序、區(qū)管前置系統(tǒng)雷達(dá)相關(guān)程序、協(xié)同放行系統(tǒng)雷達(dá)相關(guān)程序等。程序存在以下缺點(diǎn)：1）過點(diǎn)事件判斷算法準(zhǔn)確度不高；2）雷達(dá)數(shù)據(jù)解析、事件判斷、應(yīng)用邏輯耦合在一起，擴(kuò)展性不強(qiáng)；3）數(shù)據(jù)庫訪問頻繁，容易造成數(shù)據(jù)庫死鎖；4）配置文件基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)繁瑣。

1.2 基于角平分線的綜合雷達(dá)航跡處理算法

航班的最新歷史經(jīng)過點(diǎn)（Last Pass Point）、當(dāng)前經(jīng)過固定點(diǎn)（Current Pass Point）、下一經(jīng)過固定點(diǎn)（Next Pass Point）組成一個(gè)夾角。航班飛過固定點(diǎn)區(qū)域時(shí)，航跡曲線將與此夾角的角平分線相交，且交點(diǎn)在航路點(diǎn)半徑區(qū)域內(nèi)。

綜合雷達(dá)航跡按指定頻率輸出航班的位置信息，是航跡曲線的定時(shí)抽樣。當(dāng)相鄰的航跡位置點(diǎn)構(gòu)成的直線與角平分線相交，且交點(diǎn)在事件判斷有效區(qū)域內(nèi)時(shí)，表示航班飛過當(dāng)前固定點(diǎn)。

如上左圖，紅色曲線表示某航班航跡（方向由左向右），P0、P1、P2、P3為綜合雷達(dá)航跡輸出的連續(xù)位置點(diǎn)。航線段AO、OB、OC交匯于固定點(diǎn)O，L0、L1所在直線分別為∠AOB和∠AOC的平分線，航班軌跡與L0、L1相交點(diǎn)為O0、O1。圓O內(nèi)陰影區(qū)域?yàn)楹桨噙^點(diǎn)事件判斷有效區(qū)域。如果航班的航路是從A經(jīng)過點(diǎn)O到達(dá)B，則O0點(diǎn)為事件觸發(fā)點(diǎn)；如果航路是從A經(jīng)過O到達(dá)C，這O1點(diǎn)為事件觸發(fā)點(diǎn)。

過點(diǎn)時(shí)間準(zhǔn)確性方面。在老算法中，紅色曲線與圓弧左側(cè)的交點(diǎn)即觸發(fā)過點(diǎn)事件。而利用本算法，在O0或O1才真正出發(fā)過點(diǎn)事件，準(zhǔn)確性明顯提升。

針對(duì)本算法（如上右圖），當(dāng)飛行軌跡垂直穿過圓心時(shí)（T1），即AO進(jìn)，OB出，在原點(diǎn)處判斷出過O點(diǎn)，準(zhǔn)確度最高；當(dāng)飛行軌跡與圓相切時(shí)（T2），即從AO進(jìn)，OA出，在切點(diǎn)A處判斷出過點(diǎn)事件，與老算法一致。

T1航跡判斷過點(diǎn)事件時(shí)間最晚，精度最準(zhǔn)確；T2航跡判斷過點(diǎn)事件時(shí)間最早，精準(zhǔn)度最差。如果假設(shè)飛行的巡航速度為V千米/小時(shí)，圓區(qū)域的半徑為R千米。兩者時(shí)間差為：R / V * 3600 秒。假設(shè)圓的半徑為20公里，飛機(jī)巡航速度為800KM/h，時(shí)間差為90秒。

初始化階段，根據(jù)航跡編號(hào)、應(yīng)答機(jī)（、航班號(hào)）信息建立航班航跡字典（或者Hash Table）相應(yīng)記錄，鍵值對(duì)通過應(yīng)答機(jī)等信息的組合形成唯一鍵。

下圖紫色虛線框所示區(qū)域內(nèi)，包括A1～A3，B1～B3等12個(gè)固定點(diǎn)，包括AW1、AW2、AW3等三條航線。

初始LPT點(diǎn)確定。根據(jù)航班歷史航跡（History Flight Track），若指定（VSP參數(shù)）連續(xù)歷史航跡在同一航線段內(nèi)，表示該航班正飛越此航線段。并根據(jù)航向確定其最新歷史經(jīng)過點(diǎn)（LPT），航向偏差根據(jù)VSP參數(shù)設(shè)定（正負(fù)10度）。如下圖航跡FlightTrack01在通過AW2S1航線段時(shí)，若方位角在區(qū)間[90 – VSP， 90 + VSP]，其LPT點(diǎn)為A0。

在算法實(shí)現(xiàn)上，根據(jù)綜合雷達(dá)航跡是否與數(shù)據(jù)庫中的航班計(jì)劃進(jìn)行匹配，算法又分為兩種方式實(shí)現(xiàn)：不進(jìn)行航班匹配方式和進(jìn)行航班匹配方式。

1.3不進(jìn)行航班匹配

不進(jìn)行航班匹配則不知道航班的FPL航路，則NPT可能有多個(gè)備選，需要計(jì)算多個(gè)過角平分線時(shí)間，事件的觸發(fā)時(shí)間推遲到下一個(gè)航段確認(rèn)時(shí)。此時(shí)需要對(duì)所有可能CPT點(diǎn)進(jìn)行遍歷：與CPT點(diǎn)連接的航線段的毗鄰端點(diǎn)為可能NPT點(diǎn)，當(dāng)航跡進(jìn)入這些CPT點(diǎn)的事件判斷區(qū)域時(shí)，用角平分線算法進(jìn)行過點(diǎn)事件判斷。如下圖，若航跡在由IDUMA飛往SHL的航線段上，LPT為IDUMA，CPT為SHL，NPT可能的集合為（YIN、POU、LMN、CON、NUSLA、K）。一旦航跡進(jìn)入RPR區(qū)域，則進(jìn)行過點(diǎn)判斷。分別判斷出所有過角平分線時(shí)間，當(dāng)航跡進(jìn)入下一個(gè)航段時(shí)，可確定下一個(gè)CPT時(shí)，選擇一個(gè)正確的角平分線時(shí)間，并觸發(fā)過點(diǎn)事件。

此種情況的優(yōu)勢(shì)是：1）不許與數(shù)據(jù)庫交互；2）事件計(jì)算相對(duì)準(zhǔn)確。劣勢(shì)在于：1）事件觸發(fā)事件有延遲，延遲的大小參考第4節(jié)的內(nèi)容；2）計(jì)算量相對(duì)較大；3）對(duì)偏航的情況無法正確處理。

1.4進(jìn)行航班匹配

進(jìn)行航班匹配的目的是為了分析出航班的計(jì)劃航路信息，作為算法判斷的依據(jù)。管制綜合信息系統(tǒng)的航班計(jì)劃存儲(chǔ)在中心數(shù)據(jù)庫中。進(jìn)行過點(diǎn)事件判斷前，先確認(rèn)航班的計(jì)劃航路，以此為依據(jù)確認(rèn)NPT點(diǎn)，過角平分線計(jì)算出過點(diǎn)時(shí)間即觸發(fā)過點(diǎn)事件。此種應(yīng)用模式既提高了時(shí)間判斷的準(zhǔn)確性，又提高了事件響應(yīng)的及時(shí)性；對(duì)偏航的處理更加靈活。但需要與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，可通過將數(shù)據(jù)庫信息取回本地或緩存的方式改善。

2 經(jīng)驗(yàn)飛行數(shù)據(jù)挖掘算法

在中南地區(qū)航班協(xié)同放行系統(tǒng)中，系統(tǒng)自動(dòng)采集最近15天之內(nèi)的所有雷達(dá)采樣數(shù)據(jù)，并按機(jī)型進(jìn)行分類整理。經(jīng)驗(yàn)飛行數(shù)據(jù)挖掘以歷史雷達(dá)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，但由于存在管制指揮盤旋、直飛等因素，歷史雷達(dá)數(shù)據(jù)記錄的航班過關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)與實(shí)際正常飛行數(shù)據(jù)往往存在誤差，因此在對(duì)雷達(dá)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘前需對(duì)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行除噪。

常見的雷達(dá)歷史數(shù)據(jù)除噪算法有：限幅濾波法、中位值濾波發(fā)、算術(shù)平均濾波法、防脈沖干擾平均濾波法等。

本文采用的除噪算法是防脈沖干擾平均濾波法，它具有運(yùn)算簡(jiǎn)單，在濾波除噪的同時(shí)，可以很好地保護(hù)信號(hào)的細(xì)節(jié)信息。

A機(jī)型航班，從P1點(diǎn)飛往P2點(diǎn)的經(jīng)驗(yàn)飛行數(shù)據(jù)挖掘方法如下：

1） 連續(xù)采樣最近7天內(nèi)A機(jī)型從P1點(diǎn)飛P2點(diǎn)的經(jīng)驗(yàn)飛行時(shí)間，樣本總數(shù)為N；

2） 將樣本值按從小到大的順序排列；

3） 去掉列頭的N*0.2個(gè)最小樣本；

4） 去掉列尾的N*0.2個(gè)最大樣本；

5） 將剩余的樣本求平均值，即是A機(jī)型航班，從P1點(diǎn)飛往P2點(diǎn)的經(jīng)驗(yàn)飛行時(shí)間。

3 航跡預(yù)測(cè)算法

航跡預(yù)測(cè)算法以經(jīng)驗(yàn)飛行數(shù)據(jù)挖掘算法的結(jié)果為基礎(chǔ)，對(duì)A機(jī)型從機(jī)場(chǎng)A1飛往機(jī)場(chǎng)A2，途中經(jīng)過P1、P2……PN的預(yù)測(cè)過程就是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)時(shí)間不斷累加的過程，在此不做詳述。

4 常見問題及解決方法

4.1起飛地到走廊口經(jīng)驗(yàn)時(shí)間難以挖掘

從起飛機(jī)場(chǎng)到走廊口的經(jīng)驗(yàn)飛行時(shí)間挖掘存在以下兩個(gè)困難，會(huì)導(dǎo)致挖掘數(shù)據(jù)與實(shí)際偏差較大：

1） 跑道方向不同，飛行時(shí)長(zhǎng)不同；

2） 起飛場(chǎng)到走廊口可能會(huì)直飛，導(dǎo)致樣本差別較大。

針對(duì)該問題，有兩種解決方法：

1） 由管制員人工指定從起飛場(chǎng)到走廊口的經(jīng)驗(yàn)飛行時(shí)間，指定的時(shí)間中需考慮跑道方向、直飛等因素；

2） 系統(tǒng)在歷史數(shù)據(jù)記錄和挖掘時(shí)，考慮跑道方向和直飛等因素。

4.2 風(fēng)向突變會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)數(shù)據(jù)挖掘不準(zhǔn)確

如果風(fēng)向突然發(fā)生改變，如昨天刮東風(fēng)，今天刮西風(fēng)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)挖掘的經(jīng)驗(yàn)時(shí)間無法滿足現(xiàn)場(chǎng)管制需求。據(jù)中南空管局運(yùn)行管制中心的跟蹤數(shù)據(jù)，在風(fēng)向突變的情況下，從西往東橫穿中南空域的時(shí)間差異最長(zhǎng)可達(dá)20分鐘。由此可見，風(fēng)向突變對(duì)系統(tǒng)預(yù)測(cè)的效果影響很大。

針對(duì)該問題，可采用當(dāng)前空中實(shí)時(shí)飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，以彌補(bǔ)采用歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和挖掘帶來的缺陷。

4.3高度速度的挖掘

高度和速度往往具有不確定性，建議直接采用該航班前一架次的歷史高度和速度數(shù)據(jù)。如CCA1303航班，7.2日過某些重要報(bào)告點(diǎn)的高度、速度，可直接取7.1日同架次航班的飛行高度、速度歷史數(shù)據(jù)。

5 應(yīng)用和總結(jié)

以該算法為基礎(chǔ)的中南地區(qū)航班協(xié)同放行系統(tǒng)于2012年在中南空管局全局投入使用，取得了較好的應(yīng)用效果。

中南地區(qū)通過ATM聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了河南空管分局、湖北空管分局、湖南空管分局等所轄十多個(gè)空管分局站主用ATC系統(tǒng)的綜合雷達(dá)航跡引接。引接的雷達(dá)航跡通過拼接的方式，與區(qū)管萊斯自動(dòng)化系統(tǒng)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，再引入中南地區(qū)航班協(xié)同放行系統(tǒng)。

協(xié)同放行系統(tǒng)的數(shù)據(jù)挖掘算法通過先采集綜合雷達(dá)航跡數(shù)據(jù)，再進(jìn)行除噪，最后對(duì)剩余的數(shù)據(jù)樣本求平均值，執(zhí)行一次數(shù)據(jù)挖掘的時(shí)長(zhǎng)不超過30秒。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用該算法預(yù)測(cè)的起飛前軌跡，與航班實(shí)際執(zhí)行偏差在5分鐘以內(nèi)為94.8%，能完全滿足中南地區(qū)對(duì)航班起飛前流量管理的需要。

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