一種基于雷達數(shù)據(jù)融合的航班4D航跡預測方法

摘 ?要：4D航跡預測是空管自動化系統(tǒng)及流量管理系統(tǒng)的一項核心技術，能夠提高空域的利用率和安全性。本文提出了一種4D航跡預測方法，結(jié)合多數(shù)據(jù)源雷達、氣象、航班計劃、航空器性能等數(shù)據(jù)，利用飛行經(jīng)驗樣本推測各時間點的航空器位置，從而得出航空器的飛行軌跡與時間的精準預測。通過在華東空管流量管理系統(tǒng)及空管自動化系統(tǒng)中的應用效果，說明該方法的實用性和有效性。

關鍵詞：雷達數(shù)據(jù)融合;航跡預測;空管流量;空管自動化

中圖分類號：TP399 ? ? 文獻標識碼：A

Abstract：4D trajectory prediction is a core technology of ATC automation system and traffic management system，which can improve the utilization and security of airspace.In this paper，a 4D trajectory prediction method is proposed.Combining the data of multi-data source radar，meteorology，flight plan and aircraft performance，the position of an aircraft at each time point is inferred by flight experience samples，and the precise prediction of flight trajectory and time is obtained.The practicability and effectiveness of the method are illustrated by the application effect in East China ATC Flow Management System and ATC Automation System.

Keywords：radar data fusion;trajectory prediction;ATC flow;ATC automation

1 ? 引言（Introduction）

隨著全球航空業(yè)的高速發(fā)展，空域資源緊張和交通流堵塞現(xiàn)象日趨明顯。為能有效地實施對高密度、小間隔、大流量條件下地空域管理，精確預測飛行器軌跡與飛行時間成為解決問題地關鍵一環(huán)。

本文提出了一種基于雷達數(shù)據(jù)融合的航班4D軌跡預測方法。首先采集海量雷達數(shù)據(jù)，結(jié)合航班計劃，通過時空統(tǒng)一、校正系統(tǒng)誤差、雷達航跡跟蹤和關聯(lián)等方法，獲取準確的航班實時位置信息為航跡預測做數(shù)據(jù)準備。其次，結(jié)合航班計劃中的預計航路信息與空管飛行環(huán)境數(shù)據(jù)庫中的航路、航線基礎數(shù)據(jù)得出航路軌跡的2D預測。最后，根據(jù)航班性能指標和預計航路信息計算出預測軌跡的高度信息，結(jié)合樣本飛行經(jīng)驗值得出飛行軌跡的高度和時間，最終獲得較為精準的4D航跡預測數(shù)據(jù)[1，2]。

2 ? 雷達數(shù)據(jù)處理（Radar data processing）

雷達數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

（1）數(shù)據(jù)預處理

數(shù)據(jù)預處理包括格式轉(zhuǎn)換、飛點處理、坐標變換。

在雷達數(shù)據(jù)處理前，需將各路雷達信號接入，并將不同格式的雷達數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為同一格式，定義統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括每批目標的二次代碼、航跡號、位置、高度、速度和航跡特性等，通過飛點處理將明顯錯誤的數(shù)據(jù)剔除。

典型的雷達數(shù)據(jù)監(jiān)測項目有正北/扇區(qū)連續(xù)性、雷達目標報告必備項丟失和格式正確性檢查、測試目標和模擬應答機目標的準確性檢查等。

坐標變換即數(shù)據(jù)的空間校準，就是把各傳感器在不同坐標系下的觀測數(shù)據(jù)變換到融合中心統(tǒng)一的參考坐標系下。由于在雷達信號中以極坐標的方式來標示飛機的飛行位置，需要進行地圖投影和坐標變換[3]。

（2）初始化航跡

利用點跡屬性及空間位置對航跡進行初始化，即收到三個（可配置）以上點跡，并且上述點并未與其他航跡關聯(lián)，其空間位置關系與根據(jù)其速度推算出來的位置的偏差在預設的范圍內(nèi)，則新起一批航跡。

（3）點跡關聯(lián)

如果接收到點跡數(shù)據(jù)，利用點跡屬性及空間位置進行關聯(lián)形成航跡。

一次雷達：若無法獲得航空器的標識信息，數(shù)據(jù)關聯(lián)利用位置信息進行閾值相關。二次雷達：利用SSR代碼進行配對計算，再利用空間閾值相關進一步確認。ADS-B：利用ADS-B數(shù)據(jù)中包含的24位代碼進行數(shù)據(jù)關聯(lián)，再利用空間閾值相關進一步確認[4]。

（4）QNH修正

為了便于管制員和飛行員掌握航空器的超障余度，避免航空器在機場附近起飛、爬升、下降和著陸過程中與障礙物相撞，航空器和障礙物在垂直方向上應使用同一測量基準，即平均海平面。因此，在機場地區(qū)應使用修正海平面氣壓（QNH）作為航空器的高度表撥正值。

修正海壓高度的計算：

QNH altitude=Mode C level+（1013.2） 修正系統(tǒng)

我國民用機場高度表撥正程序和過渡高度層改革示意圖如圖2所示。

在下列狀態(tài)時，雷達航跡顯示修正海壓高度：

（1）處于下降狀態(tài)的雷達航跡的mode C高度小于或等于過渡高度層時。

（2）處于上升狀態(tài)的雷達航跡的修正海壓高度小于或等于過渡高度時。

（3）處于平飛狀態(tài)的雷達航跡的修正海壓高度小于或等于過渡高度時。

（5）時空對齊

根據(jù)信號源延遲、信號間隔記錄、速度信息、航向信息等，對監(jiān)視信息進行時間外插值計算，對齊為同一時刻下空間位置。

（6）多路融合

判斷航班號，相同即為同一個目標，如果航班號不同，接著判斷二次代碼，如果一致，則判斷位置和航向是否滿足，如果滿足則為同一個目標，不同則不是一個目標。

3 ?監(jiān)視信息與計劃綜合相關（Surveillance information is integrated with planning）

監(jiān)視信息與計劃綜合相關服務，從飛行計劃應用預處理模塊和監(jiān)視信息處理服務接收分別接收飛行計劃數(shù)據(jù)和監(jiān)視信息，并通過標識相關、空間相關、時間相關后，進行綜合研判，實現(xiàn)監(jiān)視信息與飛行計劃相關。

計劃與監(jiān)視信息的關聯(lián)原則有如下幾點：

（1）標識相關

飛行計劃中標識飛機的屬性項與監(jiān)視數(shù)據(jù)中的相應項一致則將該監(jiān)視信息與計劃綜合相關。

二次代碼：飛行計劃包含的二次代碼與航跡中的二次代碼一致。

航班號/批號/呼號：飛行計劃中的航班號與監(jiān)視信息中的二次代碼一致。

傳感器標識：飛行計劃中的ICAO-24位編碼、數(shù)據(jù)鏈標識等與監(jiān)視信息中的對應項一致。

（2）空間相關

空間相關用于對已通過標識相關的計劃與監(jiān)視信息進行驗證或者作為標識相關存在二義性時進行綜合研判的依據(jù)之一?？臻g相關即監(jiān)視數(shù)據(jù)中的目標運動空間屬性與計劃飛行路徑、速度等運動特征一致。

空間距離：航跡的實時位置與計劃航線的垂直距離小于30公里（可配置）。

航向：航跡的最近3點（可配置）擬合直線與當前飛行航段的夾角小于30度（可配置）。

飛行速度：處于巡航階段的航跡，高度大于5000米（可配置），其速度與飛行計劃的巡航速度的差值小于100千米/小時（可配置）。

高度：處于巡航高度的航跡，高度大于3000米（可配置），其高度與飛行計劃的巡航高度的差值小于3千米（可配置）。

（3）時間相關

時間相關也是對已關聯(lián)計劃存在二義性時進行綜合研判的依據(jù)之一。

時差因子：當前時刻與航跡當前點計劃預達時刻的差值小于20分鐘（可配置）。

綜合研判對接收到的計劃、航跡進行遍歷，調(diào)用標識相關原則、空間相關原則、時間相關原則，綜合考慮計劃與計劃、航跡與航跡、計劃與航跡之間的關系，生成計劃與航跡之間的關聯(lián)關系。綜合研判的步驟如下：

利用計劃與航跡的屬性（二次代碼、傳感器標識、航班號/批號）等建立初步的關聯(lián)關系。

一個計劃對應一個航跡。利用空間距離原則對關聯(lián)關系進行驗證，若不符則去掉關聯(lián)關系。

一個計劃對應多個航跡、一個航跡對應多個計劃。利用空間距離、航向、速度、高度進行研判。選擇通過每項驗證的航跡與該計劃關聯(lián);若未全部通過驗證，則按照“空間距離>航向>速度>高度”的原則進行優(yōu)先選擇。若全未通過驗證，則取消關聯(lián)關系。

人工多義性處理。對于一個航跡對應多個計劃的情況，采用醒目的顏色將關聯(lián)度最高的飛行計劃為監(jiān)視信息掛上臨時標牌，等待管制員的人工確認。對于一個計劃對應多個航跡的情況，采用醒目的顏色將兩個航跡均掛上臨時標牌，等待管制員人工確認。

已相關的軍航綜合航跡。對于接收到的已相關的綜合航跡可保留其相關信息或者重新相關。系統(tǒng)提供配置項在兩者之間切換。

帶航班號的民航航跡。對于接收到的帶航班號的航跡，以航班號為最高優(yōu)先級判據(jù)，結(jié)合時間屬性對其進行相關。

去相關即刪除某批次航跡與飛行計劃的關聯(lián)關系。某批次航跡的實時屬性、空間、時間與飛行計劃的關系不滿足相關原則時，自動去相關，并更新數(shù)據(jù)。

4 飛行數(shù)據(jù)處理及4D航跡預測（Flight data processing and 4D trajectory prediction）

根據(jù)FPL報文編組15的航路信息、當前位置信息、實際飛行高度和許可飛行高度信息計算飛行計劃軌跡。

在進行飛行計劃軌跡計算時，利用真空速和高空風數(shù)據(jù)，計算經(jīng)過的所有航路點的預計飛越時間。

根據(jù)飛行計劃和氣象GRIB信息，進行飛行計劃四維計算和預測（位置、高度、時間），形成飛行航跡。

4.1 ? 航跡估計功能計算

（1）預計結(jié)束時間和高度;

（2）爬升的頂點和下降的頂點;

（3）預計到達時間。

爬升的頂點和下降的頂點需要根據(jù)BADA飛機性能特征、風和空氣溫度數(shù)據(jù)進行計算。但是，航跡估計功能在計算航線中飛行高度變化程序時會忽視BADA飛機性能。爬升的頂點在爬升和巡航階段之間的轉(zhuǎn)折點標記，下降的頂點在巡航和下降階段之間的轉(zhuǎn)折點標記，見圖3。

航跡估計考慮相關標準儀表離場程序（SID）、標準進場程序（STAR）和在用跑道，如果已知，在起飛和到達機場估計飛行航跡。

4.2 ? 4D航跡計算過程

航跡計算的基礎是樣本搜索，下一個樣本的計算考慮由戰(zhàn)略的高度限制與先前輸入的戰(zhàn)術約束和先前的航跡樣本狀態(tài)計算出的航線2D路徑（例如高度、速度矢量、2D位置等）。

航跡計算的詳細步驟如下：①航段;②段子區(qū)間;③航跡樣本計算;④飛行階段;⑤扇區(qū)的劃定。

（1）航段：航段由計算的航路點組成，以連續(xù)對[，]的形式來處理，是入境或過境的航班或者起飛機場計算出的航線上的第一個點，是出境或過境的航班或者目的機場計算出的航線上的最后一個點。若或是機場，如果使用的跑道已知，跑道的位置將用于航跡計算。SID和STAR過程考慮只要從它們的航線擴展的導航點屬于計算的航線作為任何其他ATS航線的航跡估計。

（2）航段的子區(qū)間：每個航段都看作由點[，]組成的一些子區(qū)間，航段內(nèi)子區(qū)間的長度是固定的。它是一個設定的參數(shù)（最大為4mile）。每個子區(qū)間組成了一個計算樣本。和航段一樣，子區(qū)間同樣以連續(xù)對的形式處理，所以根據(jù)先前的范例對樣本進行計算。

（3）航跡樣本計算：以第一個航跡樣本作為初始條件，以高度、時間和坐標作為成功樣本計算出來。遍歷所有樣本，能夠獲得每個樣本的4D估計。只要計算出航段所有樣本的4D估計，采用先前一個航段的最后一個樣本估計值作為初始條件，下一個航段就能以相同的方式處理。計算航跡樣本的交互過程如圖4所示。

計算的初始條件是：2D位置、起飛機場（起飛航班）或起飛跑道（如果可用）、進入前的最后一個外部點（進港航班）、最后的航線位置、飛機經(jīng)過的最后一個飛行計劃航路點高度是相應的2D位置的高度。

當航跡與飛行計劃相關時，當前的航跡位置、高度、水平速度數(shù)據(jù)和爬升/下降率作為初始條件用于計算下一個航跡采樣狀態(tài)。只要它們屬于相同的BADA高度層，同樣的水平速度數(shù)據(jù)和爬升/下降率用于隨后的航跡樣本。當改變高度層或者飛行計劃與航跡沒有相關時，航跡采用BADA參數(shù)對應的高度層、飛行階段和飛機型號進行計算[5，6]。

（4）飛行階段：航跡估計功能確定飛行計劃在起飛（爬升）、巡航或到達（下降）各個子區(qū)間的飛行階段。航跡估計功能確定航跡的最大爬升率和最大下降率（例如，沒有爬升的頂點或TO下降的頂點的飛機確定為平穩(wěn)飛越航班）。爬升的頂點標志爬升和巡航階段之間的過渡點，下降的頂點標志巡航和下降階段的過渡點。

5 ?預測方法的實際應用（Practical application of the prediction method）

5.1 ? 空管自動化系統(tǒng)中的沖突檢測

如圖5所示，沖突檢測的方法是在固定時間點劃定一個危險區(qū)域MSAW，經(jīng)過4D航跡計算的航班預計航跡若在這個時間點上經(jīng)過該區(qū)域則表示該航班與其他航空器存在飛行沖突情況，需要及時告警，通知航空管制員立即干預[7，8]。

華東空管中心的空管自動化系統(tǒng)自帶的沖突檢測功能，提前15秒鐘沖入告警。而使用了文中航跡預測方法沖突檢測模塊能夠提前30秒鐘檢測到?jīng)_突情況。這多出的15秒鐘，使管制人員能夠有更加充分的時間實施更格式的沖突解脫方案，極大程度的提高航空安全。

5.2 ? 流量管理中的應用

空管流量管理是否精確有效的關鍵環(huán)節(jié)是對每架航班所有預計航路點的預計過點時間的精確推測。如圖6所示，以上海虹橋至北京的CES5111航班為例，應用文中方法的華東空管流量管理系統(tǒng)能夠在收到航班FPL領航計劃報文，立即預測航班的所有過點時間。經(jīng)常長期運行證明，在航班起飛前90分鐘內(nèi)，系統(tǒng)對航路點過點時間的預測誤差在30秒內(nèi)，總航線的時間預測誤差在3分鐘內(nèi)。這一指標，明顯高出流量管理系統(tǒng)國標中對于航路預測的指標要求。

6 ? 結(jié)論（Conclusion）

本文提出的這種基于多雷達數(shù)據(jù)融合的航班4D航跡預測方法，通過對大量雷達數(shù)據(jù)的清洗、融合，獲得航班精確的實時位置及航班飛行經(jīng)驗庫。利用航跡片段采樣算法，能夠在航班預計起飛前一段時間內(nèi)，準確預測航班的4D航跡，為其他的空管信息系統(tǒng)提供有效的航班飛行數(shù)據(jù)，從而提升空管信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)準確性和業(yè)務功能有效性。

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作者簡介：

韓劍峰（1980-），男，碩士，軟件工程師.研究領域：空管信息系統(tǒng)設計，軟件開發(fā).