基于新航行技術降低碳排放的算法研究

劉志恒

（中國民航機場建設集團公司西南分公司 四川成都 610202）

基于新航行技術降低碳排放的算法研究

劉志恒

（中國民航機場建設集團公司西南分公司 四川成都 610202）

目前ICAO規定的碳排放標準體系以飛機的著陸起飛循環（Landing Take Off，LTO）為基礎，但是飛機高空巡航進場的排放還沒有相應的標準體系。因此本文在研究新航行技術的運行特點基礎之上，提出了基于新航行技術的能夠減少航空器碳排放量的進場模型，并在該模型的基礎之上設計出航空器碳排放量最小的進場程序路徑沖突解脫算法。

新航行技術；飛行程序；碳排放

前言

目前ICAO規定的排放標準體系以飛機的著陸起飛循環（Landing Take Off，LTO）為基礎，只對航空器在機場附近的排放做出了規定，對于飛機高空巡航進場的排放還沒有相應的標準體系。由于高空排放對環境破壞的嚴重性，高空排放的控制也將被ICAO納入到新的適航體系之中。因此本文在對新航行技術主要是PBN技術的特點和應用這些技術如何實現減少航空器高空巡航進場階段碳排放進行分析的基礎上，提出了基于新航行技術的能夠減少航空器碳排放量的進場模型，并設計出基于新航行技術的進場程序模型和基于航空器碳排放量最小的進場程序路徑沖突解脫算法[1]。

1 基于新航行技術的最優化進場程序模型

為了改進當前運行的PBN程序的航空器選擇進場程序的被動形式，本文設計的基于新航行技術的進場程序將采用動態的，基于航路點的程序形式，在航空器機載計算機中只儲存一系列有規律設計的航路點，而沒有儲存進場航線，當航空器進場時，航空器能夠根據當前空域內其他航空器的運行情況，依據儲存在機載計算機中一系列有規律設計的航路點計算出一條進場航線，進而主動的，動態的運行進場程序，更大限度的合理利用終端區空域，減少航空器在空中的等待時間，減少航空器碳排放量。

將終端區空域以融合點（即最后進近定位點（FAF）或中間進近定位點（IF））為圓心分別以r海里為半徑規劃N個同心圓柱，其中30/N海里間隔為水平安全間隔。同時以h間隔將3000m高的空域劃分為N層，每層的高度3000/N，其中h的間隔要能夠滿足給定低推力設置條件下提供給航空器足夠的垂直高度來機動飛行。

在N個圓柱與N層水平面相交的N個圓環上建立航路點，最外面半徑為30nm的環上的航路點為航線飛行到進場程序的過渡點，其環上的航路點為航線與環的交點，環上航路點的個數取決于到該機場的航線條數。其余環上航路點之間的間隔為d，具體如圖1～2所示。

圖1 基于新航行技術進場程序平面圖

2 基于新航行技術的進場程序碳排放最小沖突解脫模型

上一節本文提出了基于新航行技術的最優化進場模型，在該模型中航空器進場是基于航路點進行的，進場程序不是固定的，基于當前的空管指揮模型，不能很好的確定航空器如何來根據航路點選擇相應的進場航線，同時避免航空器之間發生沖突，很難發揮基于新航行技術進場程序的優勢來減少航空器的碳排放量，因此本節提出了針對該模型的沖突解脫模型。

圖2 基于新航行技術進場程序剖面圖

2.1 航空器碳排放量計算

在提出基于新航行技術進場程序碳排放最小沖突解脫模型前，有必要對如何對航空器基于新航行技術進場程序的碳排放量計算方法進行研究。

本文為簡化運算過程，將飛行階段分為四段：起飛、爬升、巡航、下降進近階段，與之相對應的各階段的發動機狀態分別為最大起飛狀態（MTO）、最大爬升狀態（MCL）、最大巡航狀態（MCR）、空閑狀態（Idle）。歐洲航行安全組織（EUROCONTROL）采集了全球航空器性能數據，并發布的航空器基礎數據文件（BADA）。

由于在基于新航行技術進場程序模型中航空器始終處于下降階段，因此航空器處于空閑狀態（Idle），當航空器的發動機處于空閑狀態時，BADA提供了相應的燃油消耗率（Fuelrate）的計算模型，該模型的計算公式如下：

2.2 有效路徑的選擇方法模型

由于航空器的性能要求限制，并不是基于新航行技術進程程序中規劃的每條進場航線都能滿足相關規范要求，因此有必要對有效的進場程序選擇方法進行研究。在飛行程序設計過程中，對進場航線的選擇限制主要有在每個航路點的轉彎角度限制和下降梯度限制。本文主要針對這兩種限制進行有效進場程序的選擇。

2.2.1 轉彎角度的限制的確定

在航空器運行目視儀表與飛行程序設計（8168）規范中規定PBN飛行程序設計中航空器在航路點的轉彎角度最大為110°，當大于這個角度時將采用反向程序，因此本文將中航空器在航路點的轉彎角度限制定為110°。

2.2.2 下降梯度限制

在航空器運行目視儀表與飛行程序設計（8168）規范中，對于PBN飛行程序設計起始進近航段的下降梯度有如下規定：

最佳下降梯度為4%（H類，6.5%）。如果為了避開障礙物需要采用更大的梯度，最大允許下降梯度為8%（H類，10%）。下降梯度是根據最快航空器類型的最短可能航跡距離（TRD）得到的，而不是根據航段長度。[4]

因此本文將航空器在各航段的最大下降梯度限制定為8%。

2.2.3 有效路徑選擇方法

對于每一個航路點確定一個編號Gij，其中i表示第i個圓環，j表示第j個航路點，但由于航空器的性能要求，有些航路徑不能滿足航空器的性能要求，要將這些路徑排除，本模型算法就是要解決這個問題。模型算法如下：

其中α（Gi+1j，Gik）表示航路點Gi+1j到Gik的航段的航線角度，和h（Gi+1j）表示在航路點Gi+1j的高度，d（Gi+1j，Gik）表示航路點Gi+1j到Gik的航段的距離。

2 .3沖突解脫方法模型

本模型利用4D航跡技術，航空器能夠準確預測航空器到達各航路點的時間。設同時進場的航空器有N架A=[A1，A1…AN]，進場的航空器獨立的計劃，各自的進場路徑，不考慮彼此間的相互影響。

先進入基于新航行技術進場程序的航空器在有效的進場程序中根據航空器碳排放量最小這一目標，選擇進場的航路點。

對于每架航空器選擇的碳排放量最小且有效的進場程序都定義如下的矩陣：

其中H為最小垂直間隔，D為最小水平間隔，d是兩個航路點之間的大圓航線距離，r為地球半徑，△ψ為經度改變量，△λ為緯度改變量。

若CD（i，j，tp，tq）=0，表示兩架航空器沒有沖突，若CD（i，j，tp，tq）=1，表示兩架航空器存在沖突。

當CD（i，j，tp，tq）=1，兩架航空器存在沖突時，則后進場的航空器對這條進場程序進行刪除，再在剩余的有效進場航線中選擇碳排放量最小的進場程序，直至CD（i，j，tp，tq）=0，不存在沖突為止。

3 總結

本文分別對基于新航行技術的最優化進場程序模型、基于新航行技術的進場程序碳排放最小沖突解脫模型進行了研究，同時對航空器進場過程中的航空器碳排放量計算模型和有效路徑選擇模型進行了研究，通過以上模型選出飛機機場過程中基于碳排放量最少的路徑，為以后進一步對減少碳排放量的研究奠定了基礎。

[1]劉志恒.運用新航行技術降低航空器碳排放方法研究[D].廣漢：中國民用航空飛行學院，2014.

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

[3]Yi Cao，Dengfeng Sun，Joseph Post.Evaluation of Continuous Descent Approach as a Standard Terminal Airspace Operation[J].Ninth USA/Europe Air Traffic Management Research and Development Seminar（ATM2011）.

[4]ICAO.Aircraft Operations-Construction of Visual and Instrument Flight Procedures（Doc8168）[R].2006.

X738

A

1004-7344（2016）24-0307-02

2016-8-7

劉志恒（1987-），研究方向為空域規劃、飛行程序設計、飛機性能分析。