5D計算機飛行計劃的實現(xiàn)方法研究

摘要：隨著我國航空技術深度發(fā)展，飛行計劃的效率性、精確性、安全性等尤為重要。經(jīng)度、緯度、高度、時間是傳統(tǒng)飛行計劃主要依賴的四維數(shù)據(jù)，但是在現(xiàn)代航空運輸中，已經(jīng)難以滿足日益變化的需求。本文基于此，結合傳統(tǒng)的四維數(shù)據(jù)提出5D計算機飛行計劃實現(xiàn)方法，通過增加第五維度數(shù)據(jù)展開計算，旨在提高飛行效率和安全性，為航空運輸行業(yè)提供更為精準的飛行計劃。

關鍵詞：5D計算機飛行計劃；實現(xiàn)方法；優(yōu)化計算；數(shù)據(jù)分類；校驗管理

傳統(tǒng)四維飛行計劃已經(jīng)難以與現(xiàn)代航空技術發(fā)展需求相匹配，導致飛行器無法滿足復雜多變的飛行環(huán)境要求。傳統(tǒng)的運行控制系統(tǒng)使用性能等學科計算公式來計算飛機油耗和飛行時間，計算精度低，工作流程需要優(yōu)化。在既有的科學技術支持下，為了更加精準地對飛行路徑展開合理規(guī)劃，減少燃油消耗的同時提高飛行安全，5D計算機飛行計劃應運而生。該方案是以四維數(shù)據(jù)作為基礎而展開的，將飛機性能、天氣狀況等因素融入其中，維系飛行計劃始終保持全面、動態(tài)。

加載四維數(shù)據(jù)

近年來，隨著四川、海南、湖南、江西、安徽等低空空域管理改革試點建設工作相繼取得突破性成效，全國范圍內各類通航飛行需求不斷增加。根據(jù)《2022年民航行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報》顯示，2022年獲得通用航空經(jīng)營許可證的傳統(tǒng)通用航空企業(yè)同比凈增62家，無人機通用航空企業(yè)同比凈增2467家，通用航空在冊航空器總數(shù)達到3186架，全國通用航空共完成飛行小時數(shù)同比增長3.5%。基于經(jīng)度、維度、高度和時間四個維度精準控制，是四維航跡技術的核心，可最大化地保證飛行運行處于安裝穩(wěn)定狀態(tài)。通過精細化控制航班起飛、爬升、巡航、近進、著陸等全階段，可保證飛行運行定點定時推進，控制時間精準度從分鐘級到10分鐘級，再到10秒容差之內。對于市場體量快速發(fā)展的民航企業(yè)而言，提高飛行時間控制能力，保證飛行穩(wěn)定安全具有極為重要的意義。在最近幾年，民航連續(xù)五年的運輸總周轉量、旅客周轉量、貨郵周轉量呈上升趨勢，尤其是運輸增速不低于10%。基于此，為規(guī)避大面積航班延誤、降低成本支出，提高自動化水平是最為有效的路徑。以四維航跡為基礎的運行，是當前民航局、空管局高度關注的重點技術應用，同時也是智慧空管建設、智慧民航建設的具體應用場景，如圖1。

基于傳統(tǒng)的四維飛行計劃，將第五維度數(shù)據(jù)引入，為飛行計劃提供更多的細節(jié)和深度。在獲取第五維度數(shù)據(jù)的時候，其是一個多維度過程，涵蓋天氣狀況到飛機性能參數(shù)，再到航線交通狀況等多個方面。其中，將氣象服務提供的數(shù)據(jù)引入其中，可動態(tài)性地獲取飛行線路上的風速、風向、氣溫、氣壓、云高、能見度等關鍵信息。飛機不同，其性hDubb1f7hFnKde8ewRsLCzjWTg7f9y/IwolY2gMfSFQ=能特點也存在差異，具體包括最大起飛重量、最大降落重量、爬升率、下降率等。利用空中交通管理系統(tǒng)獲取實時的航線交通信息，包括其他航班的飛行計劃、空中交通管制指令等。在本次研究中，收集某機場4月第五維度數(shù)據(jù)，如表1。

執(zhí)行第五維度優(yōu)化操作

在客戶側應用端，基于收集的多維度數(shù)據(jù)執(zhí)行第五維度優(yōu)化操作。應用Dijkstra算法等成本函數(shù)或優(yōu)化算法優(yōu)化飛行路線，可找到最短、最快、最安全的飛行路徑，即：

在關系式中，Cost為飛行成本；Distance為飛行距離；Fuel Consumption Rate為燃油消耗率；Risk Factor為風險因素。

根據(jù)氣溫、氣阻力、風速等因素調整飛行高度，考慮飛機升阻比對飛行高度展開優(yōu)化，即：

在關系式中，hopt為給定高度范圍內的最優(yōu)高度；L（h）為飛機的升力；D（h）為飛機的阻力。

控制飛機飛行速度，多以飛行經(jīng)濟性和安全性作為依據(jù)展開。成本指數(shù)速度是較為常見的經(jīng)濟速度計算方法，可將燃油和時間作出平衡，即

在關系式中，VE為經(jīng)濟速度；Fuel Cost為單位燃油成本；Distance為剩余航程；Time Cost為單位時間成本。

輸出優(yōu)化結果

以第五維度的數(shù)據(jù)作為基礎，采用Dijkstra算法等優(yōu)化算法重新規(guī)劃飛行路線。綜合考慮了飛行成本、飛行距離、燃油消耗率和風險因素，規(guī)避不利的氣象區(qū)域和空中交通的堵塞節(jié)點，找到一條既安全又高效的飛行通道。

其中，a，b，c代表系數(shù)。

將函數(shù)最小化處理，得到新的飛行路線，飛行距離與原始路線相比較而言縮短了8%。由此可見，其能夠直接降低燃油消耗量，為航空公司帶來良好的經(jīng)濟效益。不僅如此，也為乘客提供更加便捷的出行，新路線風險系數(shù)顯著降低了15%，極大地提升了飛行安全。

在優(yōu)化飛行高度的過程中，綜合氣溫、氣阻力、風速等多維度數(shù)據(jù)展開精準分析和模擬實驗，確定最佳飛行高度為10000米。在此高度上，飛機的升阻比（升力與阻力之比）達到了相對最優(yōu)狀態(tài)。升阻比的計算公式可以表示為：

在公式中，L為飛機升力，D為飛機阻力。

在10000米的高度上，升阻比的最大化表示飛機能夠以最小的阻力獲得最大的升力，從而顯著減少燃油消耗。相比較原先常用的飛行高度，新選定的飛行高度還能降低飛行過程中的阻力約10%。

在對飛行速度展開控制的時候，基于飛行經(jīng)濟性和安全性展開合理優(yōu)化。引進成本指數(shù)速度計算法找到能夠平衡燃油和時間成本的經(jīng)濟速度。詳細而言，最經(jīng)濟的飛行速度為850公里/小時成本指數(shù)速度的計算可以基于以下公式：

公式中，V經(jīng)濟為經(jīng)濟速度，C燃油為單位燃油成本，D剩余為剩余航程，C時間為單位時間成本。

在這個速度下，整體飛行成本（包括燃油成本和時間成本等）達到了相對較低的狀態(tài)，新的飛行速度在保持航班準時到達的同時，還能減少約8%的燃油消耗。

結語

在現(xiàn)代航空技術發(fā)展的背景下，傳統(tǒng)四維飛行計劃已無法滿足其需求，故引入5D計算機飛行計劃，為航空公司管理提供技術支持。該計劃在設計與實施時，以四維數(shù)據(jù)為基礎，并將飛機性能和天氣狀況等因素融入，實現(xiàn)全面、動態(tài)的飛行規(guī)劃。加載四維數(shù)據(jù)、獲取第五維度數(shù)據(jù)、執(zhí)行優(yōu)化操作及輸出優(yōu)化結果等步驟的落實，可成功規(guī)避不利氣象區(qū)域與交通堵塞節(jié)點，縮短飛行距離，降低燃油消耗，提高飛行安全。根據(jù)本文分析得知，新航線的飛行距離縮短8%，風險系數(shù)降低15%，確定最佳飛行高度為10000米，最經(jīng)濟飛行速度為850公里/小時，從而實現(xiàn)經(jīng)濟效益和環(huán)保的雙贏，為航空公司帶來好處，也為乘客提供更快捷、更安全的飛行體驗，推動航空技術持續(xù)發(fā)展與創(chuàng)新。