基于新航行技術(shù)降低碳排放的算法研究

劉志恒

（中國(guó)民航機(jī)場(chǎng)建設(shè)集團(tuán)公司西南分公司 四川成都 610202）

基于新航行技術(shù)降低碳排放的算法研究

劉志恒

（中國(guó)民航機(jī)場(chǎng)建設(shè)集團(tuán)公司西南分公司 四川成都 610202）

目前ICAO規(guī)定的碳排放標(biāo)準(zhǔn)體系以飛機(jī)的著陸起飛循環(huán)（Landing Take Off，LTO）為基礎(chǔ)，但是飛機(jī)高空巡航進(jìn)場(chǎng)的排放還沒(méi)有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)體系。因此本文在研究新航行技術(shù)的運(yùn)行特點(diǎn)基礎(chǔ)之上，提出了基于新航行技術(shù)的能夠減少航空器碳排放量的進(jìn)場(chǎng)模型，并在該模型的基礎(chǔ)之上設(shè)計(jì)出航空器碳排放量最小的進(jìn)場(chǎng)程序路徑?jīng)_突解脫算法。

新航行技術(shù)；飛行程序；碳排放

前言

目前ICAO規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)體系以飛機(jī)的著陸起飛循環(huán)（Landing Take Off，LTO）為基礎(chǔ)，只對(duì)航空器在機(jī)場(chǎng)附近的排放做出了規(guī)定，對(duì)于飛機(jī)高空巡航進(jìn)場(chǎng)的排放還沒(méi)有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)體系。由于高空排放對(duì)環(huán)境破壞的嚴(yán)重性，高空排放的控制也將被ICAO納入到新的適航體系之中。因此本文在對(duì)新航行技術(shù)主要是PBN技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用這些技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)減少航空器高空巡航進(jìn)場(chǎng)階段碳排放進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了基于新航行技術(shù)的能夠減少航空器碳排放量的進(jìn)場(chǎng)模型，并設(shè)計(jì)出基于新航行技術(shù)的進(jìn)場(chǎng)程序模型和基于航空器碳排放量最小的進(jìn)場(chǎng)程序路徑?jīng)_突解脫算法[1]。

1 基于新航行技術(shù)的最優(yōu)化進(jìn)場(chǎng)程序模型

為了改進(jìn)當(dāng)前運(yùn)行的PBN程序的航空器選擇進(jìn)場(chǎng)程序的被動(dòng)形式，本文設(shè)計(jì)的基于新航行技術(shù)的進(jìn)場(chǎng)程序?qū)⒉捎脛?dòng)態(tài)的，基于航路點(diǎn)的程序形式，在航空器機(jī)載計(jì)算機(jī)中只儲(chǔ)存一系列有規(guī)律設(shè)計(jì)的航路點(diǎn)，而沒(méi)有儲(chǔ)存進(jìn)場(chǎng)航線(xiàn)，當(dāng)航空器進(jìn)場(chǎng)時(shí)，航空器能夠根據(jù)當(dāng)前空域內(nèi)其他航空器的運(yùn)行情況，依據(jù)儲(chǔ)存在機(jī)載計(jì)算機(jī)中一系列有規(guī)律設(shè)計(jì)的航路點(diǎn)計(jì)算出一條進(jìn)場(chǎng)航線(xiàn)，進(jìn)而主動(dòng)的，動(dòng)態(tài)的運(yùn)行進(jìn)場(chǎng)程序，更大限度的合理利用終端區(qū)空域，減少航空器在空中的等待時(shí)間，減少航空器碳排放量。

將終端區(qū)空域以融合點(diǎn)（即最后進(jìn)近定位點(diǎn)（FAF）或中間進(jìn)近定位點(diǎn)（IF））為圓心分別以r海里為半徑規(guī)劃N個(gè)同心圓柱，其中30/N海里間隔為水平安全間隔。同時(shí)以h間隔將3000m高的空域劃分為N層，每層的高度3000/N，其中h的間隔要能夠滿(mǎn)足給定低推力設(shè)置條件下提供給航空器足夠的垂直高度來(lái)機(jī)動(dòng)飛行。

在N個(gè)圓柱與N層水平面相交的N個(gè)圓環(huán)上建立航路點(diǎn)，最外面半徑為30nm的環(huán)上的航路點(diǎn)為航線(xiàn)飛行到進(jìn)場(chǎng)程序的過(guò)渡點(diǎn)，其環(huán)上的航路點(diǎn)為航線(xiàn)與環(huán)的交點(diǎn)，環(huán)上航路點(diǎn)的個(gè)數(shù)取決于到該機(jī)場(chǎng)的航線(xiàn)條數(shù)。其余環(huán)上航路點(diǎn)之間的間隔為d，具體如圖1～2所示。

圖1 基于新航行技術(shù)進(jìn)場(chǎng)程序平面圖

2 基于新航行技術(shù)的進(jìn)場(chǎng)程序碳排放最小沖突解脫模型

上一節(jié)本文提出了基于新航行技術(shù)的最優(yōu)化進(jìn)場(chǎng)模型，在該模型中航空器進(jìn)場(chǎng)是基于航路點(diǎn)進(jìn)行的，進(jìn)場(chǎng)程序不是固定的，基于當(dāng)前的空管指揮模型，不能很好的確定航空器如何來(lái)根據(jù)航路點(diǎn)選擇相應(yīng)的進(jìn)場(chǎng)航線(xiàn)，同時(shí)避免航空器之間發(fā)生沖突，很難發(fā)揮基于新航行技術(shù)進(jìn)場(chǎng)程序的優(yōu)勢(shì)來(lái)減少航空器的碳排放量，因此本節(jié)提出了針對(duì)該模型的沖突解脫模型。

圖2 基于新航行技術(shù)進(jìn)場(chǎng)程序剖面圖

2.1 航空器碳排放量計(jì)算

在提出基于新航行技術(shù)進(jìn)場(chǎng)程序碳排放最小沖突解脫模型前，有必要對(duì)如何對(duì)航空器基于新航行技術(shù)進(jìn)場(chǎng)程序的碳排放量計(jì)算方法進(jìn)行研究。

本文為簡(jiǎn)化運(yùn)算過(guò)程，將飛行階段分為四段：起飛、爬升、巡航、下降進(jìn)近階段，與之相對(duì)應(yīng)的各階段的發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)分別為最大起飛狀態(tài)（MTO）、最大爬升狀態(tài)（MCL）、最大巡航狀態(tài)（MCR）、空閑狀態(tài)（Idle）。歐洲航行安全組織（EUROCONTROL）采集了全球航空器性能數(shù)據(jù)，并發(fā)布的航空器基礎(chǔ)數(shù)據(jù)文件（BADA）。

由于在基于新航行技術(shù)進(jìn)場(chǎng)程序模型中航空器始終處于下降階段，因此航空器處于空閑狀態(tài)（Idle），當(dāng)航空器的發(fā)動(dòng)機(jī)處于空閑狀態(tài)時(shí)，BADA提供了相應(yīng)的燃油消耗率（Fuelrate）的計(jì)算模型，該模型的計(jì)算公式如下：

2.2 有效路徑的選擇方法模型

由于航空器的性能要求限制，并不是基于新航行技術(shù)進(jìn)程程序中規(guī)劃的每條進(jìn)場(chǎng)航線(xiàn)都能滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范要求，因此有必要對(duì)有效的進(jìn)場(chǎng)程序選擇方法進(jìn)行研究。在飛行程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)進(jìn)場(chǎng)航線(xiàn)的選擇限制主要有在每個(gè)航路點(diǎn)的轉(zhuǎn)彎角度限制和下降梯度限制。本文主要針對(duì)這兩種限制進(jìn)行有效進(jìn)場(chǎng)程序的選擇。

2.2.1 轉(zhuǎn)彎角度的限制的確定

在航空器運(yùn)行目視儀表與飛行程序設(shè)計(jì)（8168）規(guī)范中規(guī)定PBN飛行程序設(shè)計(jì)中航空器在航路點(diǎn)的轉(zhuǎn)彎角度最大為110°，當(dāng)大于這個(gè)角度時(shí)將采用反向程序，因此本文將中航空器在航路點(diǎn)的轉(zhuǎn)彎角度限制定為110°。

2.2.2 下降梯度限制

在航空器運(yùn)行目視儀表與飛行程序設(shè)計(jì)（8168）規(guī)范中，對(duì)于PBN飛行程序設(shè)計(jì)起始進(jìn)近航段的下降梯度有如下規(guī)定：

最佳下降梯度為4%（H類(lèi)，6.5%）。如果為了避開(kāi)障礙物需要采用更大的梯度，最大允許下降梯度為8%（H類(lèi)，10%）。下降梯度是根據(jù)最快航空器類(lèi)型的最短可能航跡距離（TRD）得到的，而不是根據(jù)航段長(zhǎng)度。[4]

因此本文將航空器在各航段的最大下降梯度限制定為8%。

2.2.3 有效路徑選擇方法

對(duì)于每一個(gè)航路點(diǎn)確定一個(gè)編號(hào)Gij，其中i表示第i個(gè)圓環(huán)，j表示第j個(gè)航路點(diǎn)，但由于航空器的性能要求，有些航路徑不能滿(mǎn)足航空器的性能要求，要將這些路徑排除，本模型算法就是要解決這個(gè)問(wèn)題。模型算法如下：

其中α（Gi+1j，Gik）表示航路點(diǎn)Gi+1j到Gik的航段的航線(xiàn)角度，和h（Gi+1j）表示在航路點(diǎn)Gi+1j的高度，d（Gi+1j，Gik）表示航路點(diǎn)Gi+1j到Gik的航段的距離。

2 .3沖突解脫方法模型

本模型利用4D航跡技術(shù)，航空器能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)航空器到達(dá)各航路點(diǎn)的時(shí)間。設(shè)同時(shí)進(jìn)場(chǎng)的航空器有N架A=[A1，A1…AN]，進(jìn)場(chǎng)的航空器獨(dú)立的計(jì)劃，各自的進(jìn)場(chǎng)路徑，不考慮彼此間的相互影響。

先進(jìn)入基于新航行技術(shù)進(jìn)場(chǎng)程序的航空器在有效的進(jìn)場(chǎng)程序中根據(jù)航空器碳排放量最小這一目標(biāo)，選擇進(jìn)場(chǎng)的航路點(diǎn)。

對(duì)于每架航空器選擇的碳排放量最小且有效的進(jìn)場(chǎng)程序都定義如下的矩陣：

其中H為最小垂直間隔，D為最小水平間隔，d是兩個(gè)航路點(diǎn)之間的大圓航線(xiàn)距離，r為地球半徑，△ψ為經(jīng)度改變量，△λ為緯度改變量。

若CD（i，j，tp，tq）=0，表示兩架航空器沒(méi)有沖突，若CD（i，j，tp，tq）=1，表示兩架航空器存在沖突。

當(dāng)CD（i，j，tp，tq）=1，兩架航空器存在沖突時(shí)，則后進(jìn)場(chǎng)的航空器對(duì)這條進(jìn)場(chǎng)程序進(jìn)行刪除，再在剩余的有效進(jìn)場(chǎng)航線(xiàn)中選擇碳排放量最小的進(jìn)場(chǎng)程序，直至CD（i，j，tp，tq）=0，不存在沖突為止。

3 總結(jié)

本文分別對(duì)基于新航行技術(shù)的最優(yōu)化進(jìn)場(chǎng)程序模型、基于新航行技術(shù)的進(jìn)場(chǎng)程序碳排放最小沖突解脫模型進(jìn)行了研究，同時(shí)對(duì)航空器進(jìn)場(chǎng)過(guò)程中的航空器碳排放量計(jì)算模型和有效路徑選擇模型進(jìn)行了研究，通過(guò)以上模型選出飛機(jī)機(jī)場(chǎng)過(guò)程中基于碳排放量最少的路徑，為以后進(jìn)一步對(duì)減少碳排放量的研究奠定了基礎(chǔ)。

[1]劉志恒.運(yùn)用新航行技術(shù)降低航空器碳排放方法研究[D].廣漢：中國(guó)民用航空飛行學(xué)院，2014.

[2]陸志偉.航空器無(wú)沖突4D航跡推測(cè)與生成.南京：南京航空航天大學(xué)，2012.

[3]Yi Cao，Dengfeng Sun，Joseph Post.Evaluation of Continuous Descent Approach as a Standard Terminal Airspace Operation[J].Ninth USA/Europe Air Traffic Management Research and Development Seminar（ATM2011）.

[4]ICAO.Aircraft Operations-Construction of Visual and Instrument Flight Procedures（Doc8168）[R].2006.

X738

A

1004-7344（2016）24-0307-02

2016-8-7

劉志恒（1987-），研究方向?yàn)榭沼蛞?guī)劃、飛行程序設(shè)計(jì)、飛機(jī)性能分析。