民航飛機(jī)四維航跡研究進(jìn)展及啟示分析

陳曉 杜雙 張彥娥

摘 要 四維航跡也稱4D航跡，指航空器在空間內(nèi)三維位置坐標(biāo)及每個(gè)位置點(diǎn)對(duì)應(yīng)過點(diǎn)時(shí)間組成的點(diǎn)集合，借助四維航跡預(yù)測(cè)分析，地面指揮中心可以對(duì)民航飛機(jī)的飛行軌跡進(jìn)行指揮，提升空中交通管制的有效性。本文就民航飛機(jī)四維航跡的研究進(jìn)展及啟示進(jìn)行了分析，希望能夠?yàn)槲覈?guó)民航事業(yè)的發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞 民航飛機(jī);四維航跡;研究進(jìn)展;啟示

前言

新的經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，民航事業(yè)飛速發(fā)展，航空公司的經(jīng)營(yíng)規(guī)模也在不斷拓展，在為人們?nèi)粘３鲂刑峁┍憷耐瑫r(shí)，也導(dǎo)致了空中交通流量的迅速增長(zhǎng)，航路擁擠乃至航路沖突問題頻繁出現(xiàn)，給飛機(jī)的飛行安全造成了威脅[1]。借助四維航跡預(yù)測(cè)，航空公司能夠?qū)︼w機(jī)的起降順序及航路選擇進(jìn)行合理安排，促進(jìn)航空運(yùn)輸效率的提高。

1四維航跡的研究進(jìn)展

1.1 產(chǎn)生

早在20世紀(jì)80年代，美國(guó)聯(lián)邦航空管理局就提出了全國(guó)空域系統(tǒng)的相關(guān)概念，希望借此對(duì)空中交通流量迅速增長(zhǎng)帶來的各種問題進(jìn)行解決，其中就包含了飛機(jī)四維導(dǎo)航和指導(dǎo)的思想，強(qiáng)調(diào)基于時(shí)間實(shí)現(xiàn)航空器航跡的監(jiān)控。四維航跡的相關(guān)概念就是在這樣的背景下得以產(chǎn)生，通過相應(yīng)的航跡預(yù)測(cè)，可以減少飛機(jī)飛行過程中的沖突，降低航路及終端區(qū)空域的擁擠程度[2]。

1.2 發(fā)展

面對(duì)不斷發(fā)展的民航運(yùn)輸業(yè)，歐洲原本瑣碎的空域劃分嚴(yán)重制約著航空業(yè)的發(fā)展，對(duì)此，2004年，歐盟發(fā)起了SESAR計(jì)劃，強(qiáng)調(diào)就未來的空中交通管理落實(shí)基于四維航跡的管理，以提高空域容量，保障飛機(jī)的穩(wěn)定安全運(yùn)行。2012年2月，空客公司使用一架A320飛機(jī)，成功完成了首次使四維航跡空中交通管理技術(shù)的試飛，相應(yīng)的項(xiàng)目被稱為初始4D航跡[3]。在美國(guó)，為了能夠適應(yīng)民航運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展需求，提出了NGATS計(jì)劃，基于四維航跡的運(yùn)行是計(jì)劃中的一個(gè)基本要求，希望能夠在實(shí)現(xiàn)對(duì)航跡的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)的同時(shí)，于飛機(jī)飛行過程中就其飛行航跡進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)調(diào)整[4]。

1.3 趨勢(shì)

新的發(fā)展環(huán)境下，四維航跡預(yù)測(cè)模式可以將氣象環(huán)境、飛行員意圖以及管制員意圖等因素的干擾考慮在內(nèi)，融合了極大代數(shù)理論和混雜系統(tǒng)理論等，促進(jìn)了航跡預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的提高。

2四維航跡預(yù)測(cè)方法及性能模型

2.1 預(yù)測(cè)方法

四維航跡預(yù)測(cè)方法大致可以分為三種，一是基于卡爾曼濾波等的估計(jì)方法，二是基于等角或者大圓航跡的推測(cè)方法，三是基于飛機(jī)性能模型的預(yù)測(cè)方法。

2.2 性能模型

飛機(jī)的性能包含了氣動(dòng)特性、飛機(jī)重量、發(fā)動(dòng)機(jī)特性等，在對(duì)基于四維航跡的性能模型進(jìn)行構(gòu)建時(shí)，需要在垂直面和水平面內(nèi)，對(duì)飛機(jī)三維航跡進(jìn)行分解，以簡(jiǎn)化航跡的計(jì)算和生成。實(shí)際操作中，主要是將航跡分解為垂直、水平航跡剖面以及速度剖面，然后結(jié)合飛機(jī)性能數(shù)據(jù)，如燃油消耗率、起飛重量、發(fā)動(dòng)機(jī)可用推力等，得到預(yù)測(cè)飛行航跡[5]。計(jì)算環(huán)節(jié)，必須考慮外部環(huán)境因素的影響，如溫度、氣壓、天氣狀況等。在性能模型構(gòu)建中，應(yīng)該關(guān)注三個(gè)方面的內(nèi)容[6-7]：一是垂直航跡剖面。飛機(jī)在飛行過程中，垂直飛行剖面包括了五個(gè)階段，依次為起飛、爬升、平飛、下降和著陸，對(duì)應(yīng)的參數(shù)可以在相應(yīng)的性能數(shù)據(jù)庫中查詢得到，再結(jié)合能量守恒原理和牛頓第二定律，就能夠得到準(zhǔn)確結(jié)果;二是水平航跡剖面。依照航路點(diǎn)信息，可以將水平航跡分解為直線航段和轉(zhuǎn)彎航段，相應(yīng)的航路點(diǎn)信息可以從領(lǐng)航計(jì)劃報(bào)中得到，在實(shí)踐中，可以將轉(zhuǎn)彎航段細(xì)分為約束轉(zhuǎn)彎、內(nèi)切轉(zhuǎn)彎、末端轉(zhuǎn)彎三種，一般情況下，飛機(jī)在飛行過程中都是以內(nèi)切轉(zhuǎn)彎為主;三是速度剖面。對(duì)速度剖面進(jìn)行分解，包括了正常速度剖面、最短到達(dá)時(shí)間剖面和最長(zhǎng)到達(dá)時(shí)間剖面，其都是由一系列剖面段連接在一起得到，每一個(gè)剖面段都可以看作是直線飛行及轉(zhuǎn)彎飛行的水平航跡地速剖面。

3四維航跡研究的啟示

最近幾年，我國(guó)民航事業(yè)發(fā)展迅速，同時(shí)也出現(xiàn)了不少問題，如航路擁擠、空域緊張以及飛機(jī)起降晚點(diǎn)等，對(duì)于空域管理工作提出了更加嚴(yán)格的要求。四維航跡預(yù)測(cè)是新一代空中交通管理中的核心技術(shù)，能夠?yàn)樯鲜鰡栴}的解決提供思路和方法，對(duì)其進(jìn)行合理應(yīng)用，能夠促進(jìn)民航事業(yè)的穩(wěn)定健康發(fā)展，也可以保持飛機(jī)飛行的平穩(wěn)，減少燃油消耗和碳排放，有效降低航空公司運(yùn)營(yíng)成本。

4結(jié)束語

總而言之，四維航跡預(yù)測(cè)在民航空中交通管理中發(fā)揮著重要作用，能夠幫助航空公司和空管部門對(duì)飛機(jī)的起降順序及航路選擇進(jìn)行合理安排，提高航空運(yùn)輸效率，減少飛機(jī)在飛行過程中的沖突，切實(shí)保證飛行安全。

參考文獻(xiàn)

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