民用航空四維航跡的預(yù)測(cè)模型

文/王艷霞

民用航空四維航跡的預(yù)測(cè)模型

文/王艷霞

本文分析了民用空中交通管理的現(xiàn)狀及未來發(fā)展的需求，介紹了民用航空飛機(jī)四維航跡的產(chǎn)生與發(fā)展，特別是歐美有關(guān)四維航跡的研究進(jìn)展情況；并對(duì)四維航跡預(yù)測(cè)模型的展開了深入的研究。

民用航空 四維航跡

1 引言

隨著中國(guó)民航飛速的發(fā)展，空中交通流量大、密度高、空域資源緊張等問題逐漸凸顯；如何精細(xì)化管理空域資源，減少航空器飛行沖突，減少空管原因?qū)е碌暮桨嘌诱`，提高空管綜合保障能力，是空管發(fā)展的迫切的需求?？茖W(xué)技術(shù)的變革、經(jīng)濟(jì)全球化發(fā)展、空中交通服務(wù)的市場(chǎng)化，促進(jìn)了空管全球一體化的發(fā)展。空管全球一體化進(jìn)程也推進(jìn)中國(guó)空管行業(yè)的改革進(jìn)程?？茖W(xué)的流量管理，優(yōu)化利用空域資源，提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)是我國(guó)空管行業(yè)的目標(biāo)。

在空中交通流量密集的復(fù)雜空域采用四維航跡（4D trajectory，4D航跡）運(yùn)行，航空器按四維航跡高效飛行而不需要空管人員的過多介入，提高運(yùn)行效率，提高空管綜合保障能力。

2 四維航跡管理的發(fā)展

四維航跡由三維空間（位置點(diǎn)坐標(biāo)）和四維時(shí)間（位置點(diǎn)的過點(diǎn)時(shí)間）來確定航空器航跡。通過相關(guān)數(shù)據(jù)完成航跡進(jìn)行預(yù)測(cè)，確定過點(diǎn)時(shí)間，在飛行過程中根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整飛行航跡。

1980s，美國(guó)聯(lián)邦航空管理局首次提出了航空器四維導(dǎo)航制導(dǎo)問題。2004年歐盟SESAR計(jì)劃提出基于四維航跡的空中交通管理。2005年美國(guó)的NGATS計(jì)劃規(guī)劃了基于航跡運(yùn)行的發(fā)展。2007年我國(guó)計(jì)劃在新一代空中交通管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)飛行任務(wù)的四維航跡管理。2012年國(guó)際民航組織將基于航跡的運(yùn)行作為高效飛行軌跡性能改進(jìn)領(lǐng)域的關(guān)鍵項(xiàng)目，基于四維航跡的運(yùn)行是下一代空管系統(tǒng)中的核心運(yùn)行概念之一。其中四維航跡建模、規(guī)劃和實(shí)施等技術(shù)是TBO的基礎(chǔ)與核心。

歐盟積極推進(jìn)四維航跡技術(shù)的研究及驗(yàn)證工作，解決空域擁堵，建設(shè)減少航空運(yùn)輸對(duì)環(huán)境的影響。2012年一架空客A320成功完成初始四維航跡(Initial-4D，I4D)試飛，是全球首次利用四維航跡飛行。截至2014年3月，單一歐洲天空空管研究（SESAR）聯(lián)合行動(dòng)成員共進(jìn)行了兩次I4D飛行測(cè)試，并于2015年4月利用飛往漢堡和圖盧茲的多個(gè)航班向地面下傳擴(kuò)展投射剖面（EPP），來驗(yàn)證空地?cái)?shù)據(jù)共享。i4D航跡是面向全部4D航跡運(yùn)行的重要一步，也是實(shí)現(xiàn)可預(yù)測(cè)飛行的第一步。

3 民用航空四維航跡預(yù)測(cè)模型研究

四維航跡預(yù)測(cè)綜合考慮空氣動(dòng)力學(xué)，運(yùn)動(dòng)學(xué)，發(fā)動(dòng)機(jī)特性，大氣環(huán)境、航路限制及管制意圖等因素，采用模型化預(yù)測(cè)方法，主要方法有：

3.1 基于航空動(dòng)力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的預(yù)測(cè)

綜合考慮航空器重量、風(fēng)速等因素，對(duì)飛行過程進(jìn)行階段性劃分，并建立相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)方程。歐洲航管實(shí)驗(yàn)中心發(fā)布的包括399種機(jī)型的航空器基礎(chǔ)資料可用于四維航跡模型的預(yù)測(cè)，包括操作性能參數(shù)以及航空公司程序參數(shù)等數(shù)據(jù)。基于航空動(dòng)力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)模型預(yù)測(cè)的方法在預(yù)測(cè)中，存在參數(shù)過多問題，未考慮管制意圖對(duì)航跡的影響，在實(shí)際預(yù)測(cè)中，風(fēng)速、溫度、阻力等不斷變化會(huì)預(yù)測(cè)精度的降低。

3.2 基于卡爾曼濾波、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和交互式多模型等無參數(shù)估方法

根據(jù)上一時(shí)刻的航空器狀態(tài)預(yù)測(cè)當(dāng)前時(shí)刻的航空器狀態(tài)，再根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻的航空器狀態(tài)修正前期的預(yù)測(cè)值。該方法考慮到管制意圖對(duì)航跡的影響，預(yù)測(cè)精度得到提高，但由于信息有限而使預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度難以提升；

3.3 基于航空器意圖的預(yù)測(cè)

航空器運(yùn)行意圖轉(zhuǎn)換為航空器意圖描述語(yǔ)言（ALDL）指令數(shù)據(jù)，用于四維航跡預(yù)測(cè)模型。航空器意圖包括飛行員和管制員的指令：

（1）限制指令；

（2）構(gòu)型指令；

（3）管制指令；

（4）目標(biāo)指令?；诤娇掌饕鈭D的預(yù)測(cè)方法不易結(jié)合其他飛行因素。

3.4 基于歷史數(shù)據(jù)挖掘的預(yù)測(cè)

采用大數(shù)據(jù)進(jìn)行歷史航跡數(shù)據(jù)管理，分析歷史飛行時(shí)間數(shù)據(jù)，通過函數(shù)挖掘從中找出三維坐標(biāo)和過點(diǎn)時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)行未來數(shù)據(jù)趨勢(shì)的預(yù)測(cè)。全程飛行時(shí)間數(shù)據(jù)是四維航跡預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)，挖掘歷史的全程飛行時(shí)間數(shù)據(jù)，從中找出影響飛行時(shí)間的因素，預(yù)測(cè)出下一次飛行的全程時(shí)間，建立預(yù)測(cè)模型。根據(jù)下次飛行總時(shí)間，選擇最匹配的歷史飛行軌跡作為四維航跡輸出。歷史航跡數(shù)據(jù)結(jié)合其他飛行影響因素，可以有效的提高預(yù)測(cè)精度。

4 結(jié)論

經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)推動(dòng)了航空運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，對(duì)空中交通管理提出了更高的要求。四維航跡預(yù)測(cè)是空中交通管理的關(guān)鍵技術(shù)之一,可以有效提高空中交通管理效率和安全性，減少飛行沖突，降低油耗、減少碳排放。新一代空中交通管理系統(tǒng)是我國(guó)新一代民航運(yùn)輸體系的核心之一，以航跡管理為中心，完善四維航跡預(yù)測(cè)的模型，提高航跡預(yù)測(cè)精度，提升空中交通服務(wù)水平。四維航跡預(yù)測(cè)模型需綜合考慮航空動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、復(fù)雜天氣、環(huán)境因素、管制員意圖、飛行員意圖等因素的干擾，使預(yù)測(cè)結(jié)果更符合真實(shí)的飛行情況。

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作者單位民航西北空管局 陜西省西安市 710082

王艷霞（1984-），女，河南省開封市人。碩士學(xué)位。工程師。主要研究方向?yàn)榭展茏詣?dòng)化系統(tǒng)、民航空管安全管理。