民用航空四維航跡的預測模型

文/王艷霞

民用航空四維航跡的預測模型

文/王艷霞

本文分析了民用空中交通管理的現狀及未來發展的需求，介紹了民用航空飛機四維航跡的產生與發展，特別是歐美有關四維航跡的研究進展情況；并對四維航跡預測模型的展開了深入的研究。

民用航空 四維航跡

1 引言

隨著中國民航飛速的發展，空中交通流量大、密度高、空域資源緊張等問題逐漸凸顯；如何精細化管理空域資源，減少航空器飛行沖突，減少空管原因導致的航班延誤，提高空管綜合保障能力，是空管發展的迫切的需求。科學技術的變革、經濟全球化發展、空中交通服務的市場化，促進了空管全球一體化的發展。空管全球一體化進程也推進中國空管行業的改革進程。科學的流量管理，優化利用空域資源，提供優質服務是我國空管行業的目標。

在空中交通流量密集的復雜空域采用四維航跡（4D trajectory，4D航跡）運行，航空器按四維航跡高效飛行而不需要空管人員的過多介入，提高運行效率，提高空管綜合保障能力。

2 四維航跡管理的發展

四維航跡由三維空間（位置點坐標）和四維時間（位置點的過點時間）來確定航空器航跡。通過相關數據完成航跡進行預測，確定過點時間，在飛行過程中根據實際情況調整飛行航跡。

1980s，美國聯邦航空管理局首次提出了航空器四維導航制導問題。2004年歐盟SESAR計劃提出基于四維航跡的空中交通管理。2005年美國的NGATS計劃規劃了基于航跡運行的發展。2007年我國計劃在新一代空中交通管理系統實現飛行任務的四維航跡管理。2012年國際民航組織將基于航跡的運行作為高效飛行軌跡性能改進領域的關鍵項目，基于四維航跡的運行是下一代空管系統中的核心運行概念之一。其中四維航跡建模、規劃和實施等技術是TBO的基礎與核心。

歐盟積極推進四維航跡技術的研究及驗證工作，解決空域擁堵，建設減少航空運輸對環境的影響。2012年一架空客A320成功完成初始四維航跡(Initial-4D，I4D)試飛，是全球首次利用四維航跡飛行。截至2014年3月，單一歐洲天空空管研究（SESAR）聯合行動成員共進行了兩次I4D飛行測試，并于2015年4月利用飛往漢堡和圖盧茲的多個航班向地面下傳擴展投射剖面（EPP），來驗證空地數據共享。i4D航跡是面向全部4D航跡運行的重要一步，也是實現可預測飛行的第一步。

3 民用航空四維航跡預測模型研究

四維航跡預測綜合考慮空氣動力學，運動學，發動機特性，大氣環境、航路限制及管制意圖等因素，采用模型化預測方法，主要方法有：

3.1 基于航空動力學及運動學模型的預測

綜合考慮航空器重量、風速等因素，對飛行過程進行階段性劃分，并建立相應的運動方程。歐洲航管實驗中心發布的包括399種機型的航空器基礎資料可用于四維航跡模型的預測，包括操作性能參數以及航空公司程序參數等數據。基于航空動力學及運動學模型預測的方法在預測中，存在參數過多問題，未考慮管制意圖對航跡的影響，在實際預測中，風速、溫度、阻力等不斷變化會預測精度的降低。

3.2 基于卡爾曼濾波、神經網絡和交互式多模型等無參數估方法

根據上一時刻的航空器狀態預測當前時刻的航空器狀態，再根據當前時刻的航空器狀態修正前期的預測值。該方法考慮到管制意圖對航跡的影響，預測精度得到提高，但由于信息有限而使預測準確度難以提升；

3.3 基于航空器意圖的預測

航空器運行意圖轉換為航空器意圖描述語言（ALDL）指令數據，用于四維航跡預測模型。航空器意圖包括飛行員和管制員的指令：

（1）限制指令；

（2）構型指令；

（3）管制指令；

（4）目標指令。基于航空器意圖的預測方法不易結合其他飛行因素。

3.4 基于歷史數據挖掘的預測

采用大數據進行歷史航跡數據管理，分析歷史飛行時間數據，通過函數挖掘從中找出三維坐標和過點時間的對應關系，進行未來數據趨勢的預測。全程飛行時間數據是四維航跡預測的基礎，挖掘歷史的全程飛行時間數據，從中找出影響飛行時間的因素，預測出下一次飛行的全程時間，建立預測模型。根據下次飛行總時間，選擇最匹配的歷史飛行軌跡作為四維航跡輸出。歷史航跡數據結合其他飛行影響因素，可以有效的提高預測精度。

4 結論

經濟的快速增長推動了航空運輸業的發展，對空中交通管理提出了更高的要求。四維航跡預測是空中交通管理的關鍵技術之一,可以有效提高空中交通管理效率和安全性，減少飛行沖突，降低油耗、減少碳排放。新一代空中交通管理系統是我國新一代民航運輸體系的核心之一，以航跡管理為中心，完善四維航跡預測的模型，提高航跡預測精度，提升空中交通服務水平。四維航跡預測模型需綜合考慮航空動力學、運動學、復雜天氣、環境因素、管制員意圖、飛行員意圖等因素的干擾，使預測結果更符合真實的飛行情況。

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作者單位民航西北空管局 陜西省西安市 710082

王艷霞（1984-），女，河南省開封市人。碩士學位。工程師。主要研究方向為空管自動化系統、民航空管安全管理。