民航飛機(jī)四維航跡研究進(jìn)展及啟示

劉申申

摘 要：文章介紹了民航飛機(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。同時文章也介紹了航跡預(yù)測的基本方法。對今后四維航跡研究的趨勢做了預(yù)測，并提出了四維航跡研究對我國民航運(yùn)輸發(fā)展的啟示。

關(guān)鍵詞：四維航跡；航跡預(yù)測；研究

引言

伴隨民航業(yè)的迅猛發(fā)展，航空公司的規(guī)模不斷擴(kuò)大，機(jī)隊(duì)數(shù)量不斷增加?？罩薪煌髁垦杆僭鲩L，航路擁擠、航路沖突的問題不斷出現(xiàn)，同時空中飛機(jī)碰撞的風(fēng)險也在不斷增大。合理安排飛機(jī)的起降順序和航路選擇，可以進(jìn)一步提高航空運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)行效率。通過提前預(yù)測飛機(jī)的飛行航跡還能減少飛機(jī)飛行過程中的沖突，降低航路和終端區(qū)空域擁擠程度。

1 四維航跡的產(chǎn)生與發(fā)展

1.1 四維航跡的產(chǎn)生

八十年代，美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）為了解決由空中交通量迅速增長的問題，提出了全國空域系統(tǒng)（NAS）的概念，在其中提出了飛機(jī)四維導(dǎo)航和制導(dǎo)的想法，即基于時間來監(jiān)控航空器的航跡。四維航跡，也稱4D航跡，是指航空器在空間中的三維位置點(diǎn)坐標(biāo)和航空器在每個位置點(diǎn)相應(yīng)的過點(diǎn)時間所組成的一系列點(diǎn)的集合。四維航跡預(yù)測是指在飛機(jī)起飛前就通過飛行計(jì)劃、歷史飛行數(shù)據(jù)、雷達(dá)資料、氣象信息等對該架飛機(jī)的飛行航跡進(jìn)行預(yù)測，并確定航跡上各個航跡點(diǎn)的過點(diǎn)時間。在美國一般將航跡預(yù)測分為正常航跡預(yù)測、最壞狀況航跡預(yù)測和概率航跡預(yù)測[1]。

1.2 四維航跡的發(fā)展

在歐洲隨著民航運(yùn)量的增加，航班延誤、空域擁擠、航路沖突的問題也越來越明顯，而且由于歐洲各個國家的地理分布特點(diǎn)，以及各個國家對自己本國領(lǐng)空空域劃分的標(biāo)準(zhǔn)不一致，使得歐洲的空域劃分瑣碎。這種瑣碎的空域劃分不利于歐洲航空業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展壯大。于是，在2004年，歐盟發(fā)起了一項(xiàng)SESAR計(jì)劃（Single European Sky ATM Research），即單一歐洲天空空中交通管理研究項(xiàng)目。為了達(dá)到SESAR的計(jì)劃目標(biāo)，其中一個很重要的方法就是對未來的空中交通管理實(shí)施基于四維航跡的管理。因?yàn)椋谒木S航跡的運(yùn)行管理可以明顯提高空域容量，提高飛機(jī)運(yùn)行和空域使用的效率。

2012年2月，空客公司運(yùn)用一架A320飛機(jī)進(jìn)行了全球首次利用四維航跡空中交通管理技術(shù)的試驗(yàn)飛行。該項(xiàng)目被稱作為Initial-4D，即初始4D航跡。隨后在2014年3月，空客公司同樣用一架A320飛機(jī)進(jìn)行了第二次初始四維航跡飛行試驗(yàn)。

在20世紀(jì)90年代，美國就開發(fā)了一套空管自動化系統(tǒng)CTAS，該系統(tǒng)主要應(yīng)用于在終端區(qū)空域，對空域內(nèi)航空器在未來一段時間內(nèi)的航跡進(jìn)行預(yù)測，從而輔助管制員實(shí)行管制工作。為了適應(yīng)民航業(yè)的快速發(fā)展以及民航運(yùn)輸需求量的不斷增長，美國后來又提出了NGATS計(jì)劃（Next Generation Air Transportation System），即美國下一代空中交通運(yùn)輸系統(tǒng)。而基于四維航跡的運(yùn)行是NGATS里面的一個基礎(chǔ)要求，力求通過提前預(yù)測得到精確的預(yù)計(jì)航跡，并且在飛機(jī)實(shí)際飛行中實(shí)時監(jiān)測并調(diào)整飛行航跡。

2 四維航跡預(yù)測的方法

國內(nèi)外四維航跡的預(yù)測方法，主要可以分成以下幾類：（1）基于卡爾曼濾波等的估計(jì)算法；（2）基于飛機(jī)性能模型的航跡預(yù)測方法；（3）基于大圓航跡或等角航跡的航跡推測方法。

3 四維航跡預(yù)測的性能模型

飛機(jī)的性能是指：飛機(jī)的氣動特性，包括升力特性、阻力特性等；飛機(jī)的重量，包括結(jié)構(gòu)限重等；發(fā)動機(jī)特性，包括發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)、耗油特性等。

基于航空器飛行性能的航跡預(yù)測模型，一般是把飛機(jī)的三維航跡在垂直面內(nèi)和水平面內(nèi)進(jìn)行分解，這樣做的目的是為了簡化航跡的計(jì)算與生成。把航跡分解成垂直航跡剖面、水平航跡剖面和速度剖面，然后再結(jié)合飛機(jī)性能的各種相關(guān)數(shù)據(jù)和參數(shù)，如：飛機(jī)的起飛重量、燃油重量、發(fā)動機(jī)可用推力、燃油消耗率等，計(jì)算得出預(yù)計(jì)的飛行航跡。在計(jì)算過程中還應(yīng)該考慮飛行所處環(huán)境的影響，包括氣溫、氣壓、天氣狀況等。目前世界上使用最廣泛的飛機(jī)性能數(shù)據(jù)庫是CTAS（終端區(qū)自動化系統(tǒng)性能模型）和BADA（飛機(jī)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)）[2]。

3.1 垂直航跡剖面

飛機(jī)的垂直飛行剖面通常可分為起飛、爬升、平飛、下降、著陸五個階段。相關(guān)的參數(shù)可以從飛機(jī)性能數(shù)據(jù)庫中查得。然后根據(jù)牛頓第二定律和能量守恒原理列出平衡方程，求解即可。

3.2 水平航跡

水平航跡可以按照航路點(diǎn)的信息，把水平飛行航跡分解成一個個直線航段和轉(zhuǎn)彎航段。這些航路點(diǎn)的信息可以從領(lǐng)航計(jì)劃報（FPL）中得到。其中轉(zhuǎn)彎航段又分為內(nèi)切轉(zhuǎn)彎、約束轉(zhuǎn)彎、末端轉(zhuǎn)彎[3]三種方式。而一般情況下航路飛行多以內(nèi)切轉(zhuǎn)彎為主。

3.3 速度剖面

速度剖面的分解一般情況下分為三種，即正常速度剖面、最短到達(dá)時間剖面和最長到達(dá)時間剖面。這些速度剖面均由一系列剖面段連接而成。每個剖面段均是直線飛行和轉(zhuǎn)彎飛行的水平航跡的地速剖面[4]。

4 四維航跡預(yù)測的研究趨勢

現(xiàn)今的航空器四維航跡預(yù)測模型里已經(jīng)開始綜合考慮復(fù)雜氣象環(huán)境因素、管制員意圖、飛行員意圖等因素的干擾，在模型建立上結(jié)合了混雜系統(tǒng)理論[5]、極大代數(shù)理論[6]等，從而提高了航跡預(yù)測的準(zhǔn)確性。下一步就是要進(jìn)一步完善航跡預(yù)測的模型，使航空器四維航跡的預(yù)測結(jié)果更符合真實(shí)的飛行情況。

5 啟示

我國近些年民航業(yè)得到了高速發(fā)展，但是問題也接踵而至。特別是在我們在從民航大國邁向民航強(qiáng)國的進(jìn)程中，隨之而來的空域緊張、航路擁擠、飛機(jī)起降晚點(diǎn)等情況日益凸顯。四維航跡預(yù)測作為新的下一代空中交通管理系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)性技術(shù)，為我國解決民航發(fā)展過程中遇到的上述這些問題提供了解決思路。四維航跡預(yù)測技術(shù)的運(yùn)用對民航業(yè)的發(fā)展起到了保障和促進(jìn)作用。同時基于高精度的四維航跡的運(yùn)行，還可以使飛機(jī)的飛行變得更加平穩(wěn)，可以大大減少飛機(jī)的燃油消耗和碳排放，降低航空公司的運(yùn)營成本，改善環(huán)境。

參考文獻(xiàn)

[1]Anthony Masalonis，et al. Using Probabilistic Demand Predictions for Traffic Flow Management Decision Support[C].AIAA Guidance Navigation and Control Conference and Exhibit Providence，Rhode Island，2004.

[2]郭運(yùn)韜，朱衍波，黃智剛. 民用飛機(jī)航跡預(yù)測關(guān)鍵技術(shù)研究[J].中國民航大學(xué)學(xué)報，2007，25（1）.

[3]SLATTERY R A. Terminal area trajectory synthesis for air traffic control automation[C].Proceedings of the American Control Conference，Seattle，IEEE Computer Society Press，1995.

[4]王超，郭九霞，沈志鵬.基于基本飛行模型的4D航跡預(yù)測方法[J].西南交通大學(xué)學(xué)報，2009，44（2）.

[5]陸志偉.航空器無沖突4D航跡推測與生成[D]. 南京航空航天大學(xué)，2012.

[6]韓云祥，湯新民，韓松臣.基于混雜系統(tǒng)理論的無沖突4D航跡預(yù)測[J].西南交通大學(xué)學(xué)報，2012，47（6）.