基于管制策略的4D进场航迹规划方法的初探

基于管制策略的4D进场航迹规划方法的初探

摘要

近几年，随着经济的腾飞和科技的进步，人们越来越多地选择飞机出行，各个航空公司的机队不断壮大，航班的数量也在不断地增加，民航事业的快速发展，使得原本繁忙的机场终端区出现了拥堵现象，影响了航班的正常运行，带来大面积航班延误问题，其不仅带来巨大的经济损失还对航班的安全运行构成了威胁。欧美等发达国家提出的航迹运行（TBO）模型，由于TBO模型可以实现高密度、大流量、小间隔条件下的有效空域管理，因而备受关注。因此，本文针对4D航迹规划，尤其是终端区经常航空器4D航迹规划展开深入研究。

关键词：管制策略；航迹规划；航迹聚类

第一章绪论

1.1研究背景及意义

近年来，随着我国民航事业的发展，特别是在民航领域取得了巨大的成绩。但随着经济的发展，机场的兴建也成了当地发展的标志。随着国内机场数量的不断增多和航班数量的增长，出现了各种各样的问题。例如，在机场终端区的空间范围内，产生的交通拥挤压力也日益增大。所以，在不久的将来，机场管理人员是否能够准确预测冲突，解决冲突，并在着陆后重新安排航班的难度有所增大，传统依赖地面辅助人工指挥办法也因终端区承载容量受限，无法提供安全保障[1]。

因此，基于控制策略的四维进场航迹规划、冲突预测与解决、起飞、降落时的航班排序优化等新技术，目前已成为航空管制领域的一个重要课题，通过对这种新技术的探索，可以有效解决终端容量问题，改善航路安全，降低地面管制人员的工作负荷。航迹规划是指在考虑到达时间、燃料消耗、威胁、飞行地域等条件下，为确保飞行任务的顺利进行飞行轨迹的规划[2]。

1.2研究现状

在管制自动化方面，国内外都有一些研究。Jesper等提出了4D空地协作航迹预测方法[3]；Roberto等提出了将水平路径与垂直剖面相结合的航迹优化方法[4]；Sai等对终端区航迹规划的节能降耗问题进行了研究[5]；Wang等提出了基于机器学习的飞机着陆时间预测模型[6]。

在我国，马广辉等人根据历史雷达的航迹分析，提出了一种新的四维航迹规划方案，它可以计算出每一航点的高度和速度范围，并据此设计出合理的高度和速度剖面图[7]。刘杰等人在综合各种飞机的特性和环境因素的基础上，设计了一种航迹生成器，并运用反馈控制的思想构造了飞机速度剖面规划的两阶段四维航迹规划方法[8]。

1.3研究内容

基于航迹运行模式是未来航空管制的重要内容之一，即基于航迹运行利用4D航迹对航空器当前以及未来位置航迹操作，确保航空器间隔，航空器排序等；基于航迹运行实现了门到门的控制，可以在飞行的各个阶段获益；基于航迹运行利用4D航迹对航空器的飞行实现战略上的管理和战术上的控制和操作，即飞机完全被它自己的4D航迹所支配。

从目前国内外的研究状况来看，目前对基于航迹操作模型的研究还处于初步的探讨阶段，还没有形成一个完整的体系，许多关键技术还有待于进一步的深入研究。为了使我国航空运输管理的自动化和智能化，加快航迹操作模式（TBO）的实施，必须对航迹操作模型进行深入的研究：第一，从战略层次出发，对单一航线的总体飞行路线进行优化，并对多个航班的航线进行规划和管理；在预战术阶段，通过对个别或多个航线的航线进行调整，可以有效地提高航线的运行效率；在战术阶段，通过预测航班的飞行冲突，给出科学的控制策略。

因此，基于航迹操作模式（TBO）的实施要求机载飞行管理系统FMS和4D航迹规划系统相互配合，地面上的终端空域进场航空器4D航迹规划是实现基于航迹运行模式的基础。针对这一问题，本文采用数据挖掘技术，从大量复杂的历史雷达记录中提取出典型的交通流量，并在此基础上，结合数据挖掘技术，设计出多条横向通道；然后，为了保证飞机能够在预定的时间内抵达目的地，给出了两种速度剖面规划的算法，即：基于参数调节的速度剖面规划法和航空器运动模型。

参考文献

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[3] JESPER BRONSVOORT, GREG MCDONALD, EDUARDO GALLO, et al. Model for a Combined Air-Ground Approach to Closed-Loop Trajectory Prediction in Support of Trajectory Management[C]. //AIAA modeling and simulation technologies conference 2013, vol. 2: AIAA (American Institute of Aeronautics and Astronautics) modeling and simulation technologies conference 2013, 19-22 August 2013, Boston, Massachusetts, USA.:American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2013:791-806.

[4] ROBERTO SALVADOR FELIX PATRON, YOLENE BERROU, RUXANDRA MIHAELA BOTEZ. Climb, Cruise and Descent 3D Trajectory Optimization Algorithm for the FMS CMA-9000 on the Airbus A310[C]. //AIAA/3AF aircraft noise and emissions reduction symposium 2014: AIAA (American Institute of Aeronautics and Astronautics)/3AF aircraft noise and emissions reduction symposium 2014, held at the AIAA aviation forum 2014, 16-20 June 2014, Atlanta, Georgia, USA.:American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2014:204-215.

[5] SAI VADDI, GREGORY D. SWERIDUK, MONISH TANDALE. 4D Green Trajectory Design for Terminal Area Operations Using Nonlinear Optimization Techniques[C]. //AIAA guidance, navigation, and control conference 2012. vol. 4.:American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2012:2865-2889.

[6] WANG, ZHENGYI, LIANG, MAN, DELAHAYE, DANIEL. A hybrid machine learning model for short-term estimated time of arrival prediction in terminal manoeuvring area[J]. Transportation research, Part C. Emerging technologies,2018,95(Oct.):280-294.

[7] 马广辉,张军峰,王菲,等. 基于历史雷达轨迹分析的4D 航迹规划?[J]. 交通信息与安全,2015(4):106-112.

[8] 刘杰,张军峰,朱海波,等. 基于计划到达时刻的四维航迹规划[J]. 航空计算技术,2016,46(4):44-47,51.

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