民機連續下降四維飛行引導技術研究

許博

民機連續下降四維飛行引導技術研究

許博

（中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089）

針對連續下降運行技術因難以準確估計飛機的到達時間而在高密度機場限制使用的問題，提出了一種民機連續下降四維飛行引導方法，通過對水平導航和垂直導航進行設計實現飛機在三維空間內對飛行計劃的精確跟蹤，并在此基礎上增加了地速調整控制策略，通過航段的所需到達時間、計劃航程、飛行時間以及位置信息等對期望地速進行解算，以提高估計到達時間的準確度，最終實現連續下降的四維飛行引導。通過算例對該方法的引導效果進行仿真驗證，結果表明，該方法可以實現在對期望航跡的準確跟蹤控制的同時，可以將估計到達時間的精度控制在5 s范圍內，具有一定的工程應用價值。

連續下降；四維引導；水平導航；垂直導航

1 引言

近年來，民航運輸保持高速發展，機場噪聲、燃油消耗以及廢氣排放等問題受到廣泛的關注。連續下降運行（continuous descent operation，CDO）技術指使用小推力并以固定下滑角進近著陸，它改變了傳統的階梯式下降的進進方式，可以有效減少燃油消耗并降低噪聲污染，美國NextGen計劃和歐洲單一天空空中交通管理研究項目都將連續下降運行列為重要的研究內容并開展了試飛驗證。目前，中國在廣州機場低密度時間實施CDO試運行，未來該技術將會在更多機場進行推廣運行。

盡管CDO技術能夠帶來諸多益處，但也對導航和引導技術提出更高的要求。采用傳統的位置導航難以對飛機的到達時間進行精確估計，出于安全考慮，就不得不在終端區增大飛行間隔，降低了機場起降效率。為了提高民航飛機到達時間的準確度，減少不確定性，本文提出了一種基于四維飛行引導的連續下降技術。在導引控制律上引入時間維信息，為了提高估計到達時間（estimated time of arrival，）的預測精度，提出了基于所需到達時間（required time of arrival，）和位置誤差的地速調整策略。

2 四維CDO飛行引導設計

四維CDO飛行導引設計思路是通過水平導航控制和垂直導航控制實現空間位置的精確跟蹤，增加并引入地速調整控制律，實現對的精確預測，以滿足的要求。

2.1 水平導航控制

水平導航主要是通過計算飛機的滾轉指令完成水平航跡的跟蹤控制，其所用到的主要信號有側偏距△和航向偏差△。第段的航向偏差為第個航段的期望航向與當前飛機航向之差△i=i－。

假設第航段的起始航路點fix1（0，0）和飛機當前位置（，）已知，該航段的期望航向為i。過點（，）的緯線與期望的等角航線相交于1（1，1）點，1與等角航線的夾角為，如圖1所示，那么等角航線下側偏距△可以通過下式計算：

△=|1|cosi=（－1）Lcoscosi

△=（－0）L

圖1 等角航線下的側偏距

直線段水平導航控制律滾轉指令g的計算反饋了地速作為控制輸入信號，因地速越大，側偏距的變化率越大，所以地速中包含有側偏距的微分信息，同時它避免了模型中對側偏距微分信號的計算：

g=1·△+2·（i－）·

圓弧航段控制主信號側偏距△的計算原理如圖2所示，1（1，1）、2（2，2）是圓弧航段起點和終點，0（0，0）是圓弧的圓心，（，）是飛機當前坐標位置。

圖2 圓弧航段側偏距計算

根據文獻[8]，用等角航線反解計算過程可直接計算出0的距離，以下直接給出計算過程。

0的航向角為：

其中：

0之間的距離為：

其中為該點所在緯線與赤道線之間的子午線弧長，那么有：△=（0）－（），△=－。

圓弧航段的水平導航控制律可在協調轉彎平衡方程中引入側偏距的微分信號，以增加系統的抗干擾能力，其控制律形式如下式所示：

2.2 垂直導航控制

leg為航段起點到航段終點的航程，則有：

飛機的期望高度指令為：g=1+scur。

將如下形式的高度控制律輸入給姿態控制回路，實現飛機沿期望的連續下降進進縱向剖面的跟蹤控制：

2.3 地速調整策略設計

基于四維的連續下降進近，為了滿足到達時間（）的要求，需對速度進行精確的控制。因地速直接影響到達時間，必須對地速的調整策略進行設計，本文將時間偏差轉化為縱向距離誤差作為主要控制信號，兩者關系如圖4所示。

圖4 時間軸與距離軸的關系

圖4中距離軸上實際位置與期望位置的差值即為縱向距離誤差，符號表示為s。

圖5 地速調整原理

地速調整原理如圖5所示，偏差計算模塊輸入當前航段的、計劃航程、飛行時間以及當前位置并依次計算平均速度、期望位置和縱向距離誤差s。將s和反饋的GND輸入給地速調整模塊，經過地速調整控制律計算期望的地速指令信號GNDg，通過自動油門控制油門偏度。最終實現通過調整地速以滿足每一航段的到達時間要求。

若plan是該航段的計劃航程，cur是在該航段的已飛航程，則縱向距離誤差可通過下式計算：

s=（plan/）·－cur

地速調整控制律設計為比例微分形式，最終實現對地速的調整和所需到達時間（）的精確控制。

3 四維CDO飛行引導算例

本算例仿真驗證環境為Matlab 2011b，以國產某型飛機為對象，對四維連續下降進行仿真，起始下降速度設置為 150 m/s，終點所需到達時間為RTA=950 s，飛行計劃信息如表1所示。

表1 飛行計劃信息

航路點緯度/deg經度/deg高度/m航段長度/kmRTA/s 點131.40121.006 000 點231.31121.305 23830.23220 點331.25121.504 01220.17388 點431.17121.771 99827.20591 點531.15121.791 8613.15607 點630.90121.7999128.11890 點730.85121.797625.54950

仿真結果如圖6～圖9所示。

圖6 水平航跡

圖7 垂直航跡

圖8 三維航跡

圖9 地速調整仿真結果

通過圖6～圖8的仿真結果可以看出實際的飛行航跡實現了對飛行計劃航跡良好的跟蹤效果，可以在水平剖面和垂直剖面保持期望航跡嚴格一致。圖9顯示在700 s處，估計到達時間（）與所需到達時間（）的差值達到最大，這是由于飛機位置在到達第五航路點時，由上一航段的=607 s切換至下一航路點的=890 s，此時與的誤差達到最大，通過2.3節所述的地速調整策略對速度進行減速調整，縮小與的誤差。通過仿真結果可以看到，該地速調整策略可以將飛行計劃航路終點的與的誤差控制在5 s，實現了在時間維度的精確控制。

4 結束語

連續下降運行可以為民航運輸帶來極高的經濟價值，同時可減少噪聲及環境污染。但由于到達時間的不確定性，使得其在應用中不得不增大飛行間隔以保障安全，也因此在高密度機場限制了連續下降運行的實施。

本文提出了一種四維飛行引導方法，通過對水平導航、垂直導航以及地速調整策略進行設計，在實現對三維空間期望航跡準確跟蹤的同時，提高了估計到達時間的精度，實現對四維連續下降的飛行引導，對連續下降運行的實施具有很高的工程應用價值。

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V249

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.13.026

2095－6835（2020）13－0069－04

許博（1990—），男，山西運城人，碩士研究生，助理工程師，主要從事飛行管理系統、導航系統試飛方法研究。

〔編輯：王霞〕