初始四維軌跡運(yùn)行技術(shù)研究

葉軍暉　鄭智明

【摘 要】初始四維軌跡運(yùn)行（Initial 4D， I4D）技術(shù)為通信導(dǎo)航監(jiān)視/空中交通管理（CNS/ATM）技術(shù)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。本文首先介紹了I4D技術(shù)的概念，在此基礎(chǔ)上，對I4D的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)I4D軌跡和I4D制導(dǎo)進(jìn)行了探究，對I4D的工程應(yīng)用奠定了重要的理論基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】初始四維軌跡運(yùn)行；四維軌跡；四維制導(dǎo)

0 引言

隨著航空運(yùn)輸業(yè)的迅猛發(fā)展，空中交通日益繁忙，目前的航空運(yùn)輸系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足需求。為此，歐洲單一天空實(shí)施計(jì)劃（SESAR）和美國下一代航空運(yùn)輸系統(tǒng)（NextGen）提出了通信導(dǎo)航監(jiān)視/空中交通管理（CNS/ATM）技術(shù)。根據(jù)SESAR和NextGen的開發(fā)計(jì)劃，初始四維軌跡運(yùn)行（Initial 4D， I4D）技術(shù)是CNS/ATM的基礎(chǔ)。

I4D技術(shù)將建立一個(gè)統(tǒng)一的空管體系，在地面和飛機(jī)之間實(shí)現(xiàn)信息交換，對飛行時(shí)間也加以控制，以便使空中交通管制（ATC）能預(yù)先排定飛機(jī)的到達(dá)時(shí)間，減少空中的擁擠與排隊(duì)。I4D技術(shù)可以為民用航空提供更加準(zhǔn)時(shí)、安全的航空運(yùn)輸、更高的飛行效率和更多的飛行容量。

1 初始四維軌跡運(yùn)行技術(shù)概述

I4D技術(shù)指的是機(jī)載設(shè)備通過數(shù)據(jù)鏈將構(gòu)建的四維軌跡發(fā)送給地面的ATC，ATC可以盡早的探測到飛行計(jì)劃的沖突，然后與飛機(jī)進(jìn)行軌跡的協(xié)商，以獲得一個(gè)綜合飛機(jī)和地面限制考慮在內(nèi)的最佳飛行剖面，然后飛機(jī)通過4D制導(dǎo)對速度進(jìn)行精確控制來實(shí)現(xiàn)協(xié)商的軌跡，并且整個(gè)飛行過程中受到地面的監(jiān)控。

以飛機(jī)進(jìn)場為例，圖1為I4D技術(shù)空地協(xié)商示意圖。首先地面ATC發(fā)出一個(gè)初始請求，然后機(jī)載飛行管理系統(tǒng)（FMS）向地面發(fā)送其預(yù)測的四維軌跡（經(jīng)過優(yōu)化并滿足限制條件的軌跡）。ATC通常不會完全接受用戶根據(jù)自己情況優(yōu)化的軌跡，因?yàn)樗c其他飛機(jī)發(fā)生沖突，而是通過聲音或數(shù)據(jù)鏈的方式發(fā)送合適的約束條件給飛機(jī)。FMS或飛行員根據(jù)地面系統(tǒng)的指令可能會對預(yù)測的四維軌跡做一定的修改，對于根據(jù)約束修改后的新的軌跡，也要傳送到地面。最后飛機(jī)端發(fā)送一個(gè)接受的信息，地面做出清晰的回答。在實(shí)施四維運(yùn)行時(shí)，地面系統(tǒng)不斷的對飛機(jī)是否按照四維軌跡飛行進(jìn)行一致性監(jiān)視。

2 I4D軌跡

I4D技術(shù)中涉及到兩個(gè)關(guān)鍵的功能和技術(shù)，分別是I4D軌跡和I4D制導(dǎo)。I4D軌跡是依據(jù)航空公司的飛行計(jì)劃和一些額外的約束條件而生成的，該軌跡定義了預(yù)測的水平和垂直剖面，包括沿著該剖面的速度和時(shí)間。飛行機(jī)組選擇航空公司優(yōu)先的成本指數(shù)（時(shí)間與燃油的關(guān)系，對于特定的飛行在時(shí)間和燃油值之間平衡），然后根據(jù)實(shí)際需要而加上速度、高度、時(shí)間約束，F(xiàn)MS根據(jù)飛機(jī)當(dāng)前的狀態(tài)、大氣數(shù)據(jù)以及飛行機(jī)組輸入的或AOC上傳的數(shù)據(jù)來產(chǎn)生I4D軌跡。該I4D軌跡滿足約束條件，并且每次航班FMS計(jì)算獨(dú)特的飛行性能參數(shù)（最優(yōu)速度，最大和空油門值，燃油流量等）。最后FMS的水平導(dǎo)航和垂直導(dǎo)航功能將通過自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)（AFCS）引導(dǎo)飛機(jī)至該I4D軌跡。

航路點(diǎn)的速度限制指的是飛機(jī)的速度值“不能超過”某個(gè)限制值。如果是在爬升階段，則適用于該點(diǎn)以及該點(diǎn)之前的所有航路點(diǎn)；如果是在下降階段，則適用于該點(diǎn)及該點(diǎn)之后所有的航路點(diǎn)。航路點(diǎn)的高度限制有4種類型：“在”，“在或在上面”，“在或在下面”，“之間”。航路點(diǎn)的時(shí)間限制可以分成：“在”、“在/之前”、“在/之后”三種類型?！霸?之前”和“在/之后”類型時(shí)間限制通常用于途中航路點(diǎn)偏航，而4D運(yùn)行時(shí)主要用的是“在”類型時(shí)間限制。圖2為I4D軌跡生成示意圖。

3 I4D制導(dǎo)

傳統(tǒng)的制導(dǎo)是通過搜索速度方式，不能與飛機(jī)到達(dá)時(shí)間形成交聯(lián)，因此無法實(shí)現(xiàn)對飛機(jī)到達(dá)時(shí)間的精確控制，不能適應(yīng)復(fù)雜多變的情況。I4D技術(shù)是在3維軌跡（緯度、經(jīng)度、高度）的基礎(chǔ)上加上所需到達(dá)時(shí)間（RTA）的約束，I4D制導(dǎo)可以充分利用FMS的能力，通過對RTA的引入，來計(jì)算出相應(yīng)的速度，進(jìn)而通過對速度的控制將飛機(jī)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)引導(dǎo)至規(guī)定的位置。I4D制導(dǎo)方式多樣，國外的主機(jī)所和主要FMS供應(yīng)商均掌握了一定的核心技術(shù)，但這些技術(shù)對于國內(nèi)是封鎖的。國內(nèi)的主機(jī)所和研究院所在I4D制導(dǎo)方面的技術(shù)儲備還較少。圖3提供了一種I4D制導(dǎo)方法。

I4D技術(shù)通過輸入的RTA生成相應(yīng)的時(shí)間指令，再通過速度剖面發(fā)生器產(chǎn)生速度剖面，進(jìn)而對軌跡進(jìn)行更新，整個(gè)過程形成一個(gè)閉環(huán)。該方法能夠抑制風(fēng)模型誤差對RTA的影響，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境（硬件在回路仿真）下RTA精度為+/-6秒。

4 結(jié)論

當(dāng)前SESAR和NextGen正在積極地推進(jìn)I4D技術(shù)的應(yīng)用。I4D運(yùn)行的實(shí)施是結(jié)合空中和地面共同進(jìn)行，對于空中機(jī)載設(shè)備來說，其關(guān)鍵是FMS支持I4D運(yùn)行技術(shù)，即生成優(yōu)化的4D軌跡并與自動(dòng)飛行系統(tǒng)耦合通過I4D制導(dǎo)功能將飛機(jī)精確的引導(dǎo)至協(xié)商好的位置。本文的研究對于I4D技術(shù)在國產(chǎn)民用飛機(jī)上的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：張濤]endprint