基于BCOP的航跡預測和飛行優(yōu)化研究

胡曉晨

摘 要：針對目前空域擁堵造成資源緊張、航空事故增多;以及各主體對經濟性飛行越來越重視的現狀，本文引進了四維航跡的概念，并借助波音公司的飛行爬升性能軟件輔助其分析。先對軟件進行了簡單介紹，隨后通過對特定機型運行昆明長水-巫家壩國際機場的一離場程序進行分析，研究了其對航跡的四維預測，以及分析了相關參數變化對航空器飛行經濟性的影響，對相關用戶決策具有一定的指導作用。

關鍵詞：BCOP;四維航跡;垂直剖面;水平剖面;飛行經濟性

隨著航空業(yè)的迅猛發(fā)展，一方面，空域資源變得越來越緊張，由于空域擁堵造成的間隔丟失問題，以及由此造成的航空事故在逐漸增加。目前精準預測航跡，合理規(guī)劃空域資源成為了研究的一大重點。另一方面，航空公司、機場、管制單位等對于飛行的經濟性和有效性提出了更高的要求，如何通過調整飛機性能參數，優(yōu)化航跡，降低燃油成本，合理利用飛機等，也成為了航空公司等主體追求的目標。

四維航跡可以很好的解決目前我國所面臨的空中交通擁堵問題，同時也可以提高時間、空間資源和各種設備的利用率和工作人員的工作效率。4D航跡是未來我國民用航空導航方法的主要發(fā)展方向。

通過計算航班按給定航線飛行的飛行剖面獲得航班的時間與空間和飛行位置信息。根據航班的飛行時間，模擬航班的飛行過程，得到航班的四維飛行剖面，有利于管制員對某一時段空中交通流量的管制。本文涉及的波音公司的飛行爬升性能分析軟件（BCOP軟件）對于四維航跡的研究具有較好的輔助作用。BCOP可以根據飛行計劃，設置相應的環(huán)境參數和飛機性能參數，以及定義剖面的相關參數，實現飛機沿預定航跡、預定時間飛行。因此，借助該軟件可以分析與航空器飛行直接相關的因素，通過控制相關參數的變化，優(yōu)化航跡，實現航空器的經濟性運行。本文將借助BCOP軟件研究昆明長水-巫家壩國際機場（ICAO代碼ZPPP）離場程序航跡信息，并分析相關參數的變化對離場程序以及飛機飛行的影響，從而為相關用戶進行沖突預防、以及飛機經濟性飛行提供一定的參考。

1 軟件介紹

BCOP是波音公司開發(fā)的一種用于航空器航線分析的軟件。通過預先將飛行計劃信息以相關參數的形式輸入，向用戶輸出飛機預計運行的結果，以圖形界面或報告的形式。該結果在三維航跡的基礎上與時間相關聯，為管制員和飛行員提供決策支持。在有限的空域內，通過控制飛機進入空域時間，有效預防沖突，進而緩解空域資源緊張狀況。

該軟件參數輸入界面包含這樣幾個模塊：計算模塊（computation）：查看計算結果和設置輸出報告類型、飛機配置模塊（airplane configuration）：選擇需要計算的飛機機型和發(fā)動機類型、機場信息模塊（airport information）：設置航空器運行機場和跑道相關參數、氣壓高度選擇模塊（pressure altitude selection）：顯示機場所在位置標準海平面氣壓、水平和垂直導航模塊（vertical and lateral navigation）：定義飛行過程中離場程序對應的垂直剖面和水平剖面、初始條件模塊（initial conditions）：主要設置航空器起飛重量以及起飛過程中襟翼偏度等參數、航班開始條件（in-flight starting conditions）：根據需要飛行的水平剖面，設置飛機從跑道起飛后每一航段的初始狀態(tài)參數。

另外，該軟件還具有輸出參數選擇模塊（output parameter selection），主要用于查看生成的航跡圖，包括垂直剖面和水平剖面，并可根據需要選擇相關參數生成分析報告。該軟件通過設置界面一中的相關輸入信息，執(zhí)行后，模擬相關進離場程序飛行，得到界面二中所示航跡圖和相關參數變化情況。

2 條件輸入

在進行上述界面設置時，需要提前建立相應的數據庫并事先導入軟件中，用于后續(xù)計算。而這些數據庫應該包含機型數據、機場數據、跑道數據等。

2.1 機場及跑道信息

機場及跑道基本信息是進行航空器進離場分析的關鍵，因此前期需要將機場相關信息完整得導入該軟件中，具體應該包括機場名、機場標高、機場位置信息、導航臺設施、以及跑道詳細信息，見圖3。

由上圖可知，長水巫家壩機場基準點標高較高，達到了六千多英尺，屬于高原機場，另外，從上述數據庫中經緯度數據能得到機場精確位置信息，作為該機場起飛主用跑道——03號跑道，其具體參數信息被定義，此外還有定義該機場區(qū)域的幾個導航臺，包括KMG、LXI、QB、SL具體位置信息。

2.2 垂直剖面的定義

某機型飛機在長水機場起飛，預先定義的全發(fā)工作離場垂直剖面如下表：

以上若干航段是航空器在起飛過程中歷經的速度、高度或推力變化，由上述變化關鍵節(jié)點處相關信息可以定義出航空器垂直方向上航跡動態(tài)。

2.3 水平剖面的定義

對于一作離場飛行的航空器，其離場程序有多種，不同種類離場程序會得到不同的飛行航跡。通過事先定義航空器離場程序，可以預測航空器預計航跡，分析航空器的越障性能，以及分析相關參數，對航線進行經濟性分析。

對該機場GMA-1D離場程序的水平剖面定義如下：

第一段：飛航向33度;轉到新航向230度;轉彎點為DME臺3.5NM，左轉，轉彎坡度角為15度;

第二段：飛航向230度;切入KMG新徑向線（導航臺244度，背臺飛行）;自動轉，右轉彎，轉彎坡度角為15度;

第三段：沿KMG徑向線244度飛行（背臺）;不轉彎;結束點為飛機飛行至氣壓高度為20000ft處。

3 結果分析與應用

3.1 四維航跡預測