一种基于所需到达时间的航空器四维航迹优化方法与流程

本发明公开了一种基于所需到达时间的航空器四维航迹优化方法，涉及空中交通管制自动化与智能化、空中交通管制决策支持工具，属于空中航行器交通控制系统的技术领域。

背景技术：

四维航迹的管理体现在对航空器航迹的生成、预测和优化上。当前研究更多集中在航迹的初始生成、预测方面以及如何提升它们的精度。准确的航迹初始生成和预测能为管制员提供良好的态势感知，但对于诸如进场管理系统提出的调度方案却无法提供有效的解决方法。航迹优化即是一种带有目标的航迹生成，以航迹初始生成和预测为基础，并将进场管理系统的调度方案作为优化目标，在满足运行规则的前提下为航空器制定四维航迹。

目前，有部分航迹优化研究是基于到达时间的，然而，其侧重点主要是机载航迹，这样带来的问题其一是机载设备缺少全空域的气象、航班等信息，优化结果顾此失彼；其二是机载优化使得空域管理者空中交通管制员丧失了信息与管制的主动性。申请号为201710474250的发明申请公开了一种基于所需到达时间的管制辅助决策指令生成方法，根据管理辅助决策系统获得的航路点所需到达时间，对初始的四维航迹进行拆分与组合确定飞行员的操作时机进而确定管制指令点及管制方式，提高管制准确性，减轻负荷，然而，该申请从预添加航路中选择水平航路优化得到的航迹单一，管制指令点及管制方式不灵活，存在调度能力弱的缺陷。

本申请旨在提出一种对航空器的水平轨迹、垂直剖面分别进行优化的四维航迹优化方法。

技术实现要素：

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了一种基于所需到达时间的航空器四维航迹优化方法，其以准确的四维航迹预测为基础，通过与管制自动化系统的信息交互，为进场航空器规划符合时间要求的四维航迹，解决了从预添加航路中选择水平航路优化得到的航迹单一进而导致管制不灵活的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种基于所需到达时间的航空器四维航迹优化方法，包括如下步骤：

步骤1，分析机场终端区进场航路特征，创建链表结构的航路数据，设置灵活三边的范围限制；

步骤2，构建计算四维航迹的四个基本模型：气象模型、质点模型、性能模型、意图模型；

步骤3，依据航迹生成流程，运用步骤2中的四个基本模型对航空器的到达时间、调度范围进行预测；

步骤4，基于本发明的系统与进场管理系统实现数据交互，利用进场管理系统冲突探测与调度排序功能得到航空器的所需到达时间；

步骤5，根据步骤4中的所需到达时间对航空器的水平轨迹、垂直剖面分别进行优化；

步骤6，在管制自动化系统中显示航迹优化结果，为管制员提供决策辅助。

上述步骤1的具体实现方法如下：

步骤1a，分析机场终端区的标准进离场航路和历史雷达轨迹，规划实际运行中航空器的可用航路；

步骤1b，将步骤1a中出现的所有航路点视作链表结点，每一结点代表一个航路点，结点属性中记录航路点的代码、经纬度、高度/速度限制、特殊飞行限制；

步骤1c，步骤1b中所提到的每个结点都拥有三个下一级指向结点，采用short指向、star指向、long指向这三个属性标记每个结点的三个下一级指向结点，short指向、star指向、long指向分别代表从当前结点到目的结点的最短航路、标准航路和最长航路指向；

步骤1d，初始化航空器运行目的结点(如跑道结点)的short指向、star指向、long指向均为null；

步骤1e，从步骤1b结点中选择两个恰当的结点，分别作为最短三边结点和最长三边结点。

上述步骤2中，气象模型的构建方法是：

步骤21a，根据温度偏差和气压高度，确定大气温度t：

t＝t0+δt+βt·hp，

其中，t0＝288.15k，表示国际标准大气条件下在平均海平面处的温度；δt表示温度偏差；hp表示气压高度；βt＝-0.0065k/m，表示温度垂直递减率；

步骤21b，根据大气温度t，确定大气压力p：

其中，p0＝101325pa，表示国际标准大气条件下的空气压力；g＝9.80665m/s²，表示重力加速度；r＝287.05287m²/(k·s²)，表示空气常数；

步骤21c，根据温度t与压力p，确定大气密度ρ：

步骤21d，根据气象预报中的风向风速，结合大气温度、大气压力和大气密度，建立航空器运行的气象模型。

上述步骤2中，质点模型的构建方法是：

步骤22a，建立航空器的位置换算模型：

其中，x、y表示航空器的水平位置，h表示航空器的垂直位置，vtas表示航空器真空速，γ为飞行路径角，ψ为航向角，w1和w2分别表示飞行时受到风的正东向分量和正北向分量；

步骤22b，确定航空器真空速的变化方式：

其中，thr、d分别表示航空器的推力与受到的阻力，m为航空器质量；

步骤22c，确定航空器航向角的变化方式：

其中，表示转弯坡度；

步骤22d，确定航空器质量变化方程：

其中，ffuel表示燃油流量。

上述步骤2中，性能模型的构建方法是：

步骤23a，计算航空器发动机的推力，其最大起飞推力thrmaxclimb如下式：

thrmaxclimb＝ctc,1·(1-h/ctc,2+ctc,3·h²)·(1-ctc,5·δt)，

其中，ctc,1、ctc,2、ctc,3和ctc,5均为推力系数，实际推力thr则根据飞行阶段由最大起飞推力修正得到；

步骤23b，根据下式计算航空器阻力d：

其中，cd为阻力系数，s为机翼参考面积。

上述步骤2中，意图模型的构建方法是：

步骤24a，结合航空器经纬度与终端区航路设置，判定航空器当前飞行航路以及在航路中的位置；

步骤24b，根据航空器的当前位置与航向，捕捉航空器即将飞行的下一个航路点；

步骤24c，依据步骤1中建立的链表航路，选择结点组成最短航路、最长航路、标准进场航路，初步建立水平意图模型；

步骤24d，由飞行计划与管制移交协议，确定步骤24c中航路的高度/速度约束，初步建立意图模型。

上述步骤3的具体实现方法如下：

步骤3a，采用步骤24c中的标准进场航路，使用步骤2中的航迹模型，计算当前航空器的标准进场时间；

步骤3b，采用步骤24c中的最短进场航路，使用步骤2中的航迹模型，计算当前航空器的最小进场时间；同样的，采用24c中的最长进场航路，计算得到最大进场时间；

步骤3c，由最小与最大进场时间确定航空器着陆时间窗，即当前航空器的时间调度范围。

上述步骤4的具体实现方法是：管制自动化系统从航迹优化模块获取标准进场时间及着陆时间窗，并利用其冲突探测与调度排序功能，指定航空器的所需到达时间，该时间不小于着陆时间窗的最小值。

上述步骤5通过先水平、后垂直的分步规划方法实现整体的航迹优化，水平航迹优化的实现方法如下：

步骤51a，若航空器未进入三边程序，选择步骤24c中的标准进场航路作为初始待优化航路；若航空器已进入三边程序，选择标准三边长度为初始待优化航路，设航空器仍需飞行的三边长度为d；

步骤51b，根据待优化航路的高度/速度限制范围计算当前待优化航路的着陆时间窗，设计算结果为[tsmall,tlarge]；

步骤51c，若tsmall≤rta≤tlarge，选择当前航路为进场航路，水平航迹优化结束；

步骤51d，若rta＜tsmall：(1)航空器未进入三边程序：将待优化航路中某一结点的star指向结点替换为该结点的short指向结点，组成新的待优化航路，执行步骤51b，逐步替换结点直至水平航迹优化结束；(2)航空器已进入三边程序：设定航空器的三边飞行长度为d-δd，其中，δd为调整步长，逐步减步长直至水平优化结束；

步骤51e，若rta＞tlarge：(1)航空器未进入三边程序：将待优化航路中某一结点的star指向结点替换为该结点的long指向结点，组成新的待优化航路，执行步骤51b，逐步替换结点直至水平航迹优化结束，如果所有结点的star指向结点已替换为long指向结点后仍不满足步骤51c，则执行步骤51f；(2)航空器已进入三边程序：设定航空器的三边飞行长度为d+δd，逐步加步长直至水平优化结束；

步骤51f，在步骤51a中加入等待程序，执行步骤51b；逐步增加等待次数直至水平航迹优化结束。

上述步骤5中，垂直剖面的优化方法如下：

步骤52a，根据步骤51c优化得到的水平航迹生成初始四维航迹，按照意图模型中的一个约束点到下一个约束点，将待优化航路拆分为多个航段；

步骤52b，将每个航段再次拆分为两个子航段：完成减速下降过程的子航段1，及，完成等速平飞到下一个约束点的子航段2；

步骤52c，在基于所需到达时间的航迹优化过程中，将子航段2再次拆分为两个等速平飞的子航段：位于子航段1之前等速平飞的子航段2a，及，位于子航段1之后等速平飞的子航段2b；

步骤52d，设在步骤52a中拆分出的一个航段需要调整的时间为δt，建立以下方程：

t0＝t3

δt＝t2-t6，

t1-t0＝t5-t4

其中，t0表示优化前子航段1开始时间，t1表示优化前子航段1结束时间或子航段2开始时间，t2表示优化前子航段2结束时间；t3表示优化后子航段2a开始时间，t4表示优化后子航段2a结束时间或子航段1开始时间，t5表示优化后子航段1结束时间或子航段2b开始时间，t6表示优化后子航段2b结束时间；

步骤52e，不考虑转弯过程中的距离损耗，优化前后航空器在每个航段飞过的水平距离相等：

其中，f1表示优化前的速度-时间函数，f2表示优化后的速度-时间函数；

步骤52f，对每个航段可调整时间δt作出如下限制：

其中，vtas0表示子航段1开始点的真空速，vtas1表示子航段1结束点的真空速；

步骤52g，比较优化后的航空器过点时间与所需到达时间的差，若在误差范围内则优化完成；若超出误差范围，则调整优化量并重新进行优化，直到航空器过点时间与所需到达时间的差在误差范围内。

上述步骤6，点击管制自动化系统中航空器标牌，在主界面显示水平航迹，在辅助界面显示垂直航迹。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

(1)本发明采用链表模式存储航路基础数据，每个链表数据记录了表征当前航路点到目的航路点构成标准进场航路、最短进场航路、最长进场航路的指向信息，以航空器所需到达时间位于待优化水平航路着陆时间窗内为目标，利用链表数据灵活规划航路，再对优化水平轨迹后的四维航迹进行拆分和重组，在不改变原有的航路限制与飞行操作方式的前提下调节航空器下降与减速时机，进而实现过航点时间的控制。

(2)本发明使用覆盖面广，从管制自动化系统捕捉到进场航空器至脱离进场三边程序，本发明都可以在合理范围内进行有效航迹优化，水平航迹优化拥有直飞、迂回、等待、长短三边等多种调节方法，时间调整范围大。

(3)本发明为管制员提供决策的依据，优化结果亦可作为管制员与飞行员实现调度的方法。

附图说明

图1是本发明优化航空器四维航迹的流程图。

图2是链表化航路及灵活设置三边的示意图。

图3是气象模型生成的示意图。

图4(a)是质点模型中航空器俯仰受力的分析图，图4(b)是质点模型中航空器偏航受力的分析图，图4(c)是质点模型中航空器横滚受力的分析图。

图5是性能模型生成的示意图。

图6(a)是意图模型中航空器捕捉非star航路点的示意图，图6(b)是意图模型中航空器捕捉star航路点的示意图，图6(c)是意图模型中航空器捕捉标准等待程序的示意图，图6(d)是意图模型中航空器捕捉盘旋一周等待的示意图。

图7是水平航迹优化过程的示意图。

图8是垂直剖面优化过程的示意图。

图9是垂直航迹优化中速度-时间的剖面示意图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

本发明提供的一种基于所需到达时间的航空器四维航迹优化方法如图1所示，包括以下6个步骤：

步骤11，链表化航路点数据：分析机场终端区进场航路特征，创建链表结构的航路数据，设置灵活三边的范围限制；

步骤12，构建计算四维航迹的四个基本模型：气象模型、质点模型、性能模型、意图模型；

步骤13，运用步骤12中的四个基本模型对航空器的到达时间、调度范围进行预测；

步骤14，基于本发明的系统与进场管理系统实现数据交互，利用进场管理系统冲突探测与调度排序功能得到航空器的所需到达时间；

步骤15，根据所需到达时间对航空器的水平轨迹、垂直剖面分别进行优化；

步骤16，在管制自动化系统中显示航迹优化结果，为管制员提供决策辅助。

如图2所示，链表化航路点及灵活设置三边的具体实现方法如下：

步骤21，设机场终端区的一条标准进场航路为：w1-w3-w4-w6-w8-rwy，根据机场航图及历史雷达轨迹，分别规划出长航路：w1-w2-w3，短航路：w1-w4，灵活三边区域：w5-w7；

步骤22，对结点w1而言，其short指向是结点w4，star指向是结点w3，long指向是结点w2；而结点w3的short指向、star指向、long指向均为结点w4。w5处是最短三边位置，w7处是最长三边位置；

步骤23，根据航路限制、管制规则及航空器性能，分机型设定结点wi(i＝1,2,...,8)的高度限制、速度限制、特殊飞行限制，补充结点wi(i＝1,2,...,8)的航路点代码、经纬度等基础属性；

步骤24，设定终结点rwy的short指向、star指向、long指向均为null。

如图3所示，生成气象模型具体包括以下步骤：

步骤31，根据温度偏差和气压高度确定大气温度t：

t＝t0+δt+βt·hp，

上式中，t0＝288.15k，表示国际标准大气条件下在平均海平面处的温度；δt表示温度偏差；hp表示气压高度；βt＝-0.0065k/m，表示温度垂直递减率；

步骤32，根据大气温度t确定大气压力p：

上式中，p0＝101325pa，表示国际标准大气条件下的空气压力；g0＝9.80665m/s²，表示重力加速度；r＝287.05287m²/(k·s²)，表示空气常数；

步骤33，根据温度t与压力p确定大气密度ρ：

步骤34，根据气象预报中的风向风速，结合大气温度、大气压力和大气密度，建立航空器运行的环境模型。

航空器俯仰、偏航和横滚受力如图4(a)、图4(b)、图4(c)所示，质点模型的构建方法是：

步骤41，mg，l，thr，d分别表示航空器飞行时受到的重力、升力、推力和阻力，vtas表示航空器的真空速，α，β表示飞行时的攻角与侧滑角，γ为飞行路径角，ψ为航向角，表示转弯坡度；在空中交通管理领域，一般认为攻角和侧滑角为零，以推力、转弯坡度、航径角作为控制变量，以航空器的位置、真空速、航向和质量作为状态变量；

步骤42，构建质点模型：

式中，x，y表示航空器的水平位置，h表示航空器的垂直位置；w1和w2分别表示飞行时受到风的正东向分量和正北向分量；ffuel为燃油流量。

如图5所示，性能模型的构建方法如下：

步骤51，计算航空器发动机的推力，其最大起飞推力thrmaxclimb如下式：

thrmaxclimb＝ctc,1·(1-h/ctc,2+ctc,3·h²)·(1-ctc,5·δt)，

其中，ctc,1、ctc,2、ctc,3和ctc,5均为推力系数，实际推力thr则根据飞行阶段最大起飞推力修正得到；

步骤52，根据下式计算航空器阻力d：

其中，cd为阻力系数，s为机翼参考面积。

航空器捕捉非star航路点、star航路点、标准等待程序、盘旋一周等待的意图如图6(a)、图6(b)、图6(c)、图6(d)所示，意图模型的构建方法如下：

步骤61，结合航空器经纬度与终端区的航路设置，判定航空器当前飞行航路以及在航路中的位置；

步骤62，根据航空器的当前位置与航向捕捉航空器的飞行意图，如图6(a)、图6(b)所示，两架航空器在同一位置，但由于航向不同，故而捕捉到不同的将飞航路点；如图6(c)、图6(d)所示，根据航向及轨迹判断两架航空器均在执行转弯程序，图6(c)中的转弯开始点位于标准等待程序起始点，故而判断图6(c)中的意图是执行标准等待程序，而图6(d)中的意图是盘旋一周等待；

步骤63，按照链表化数据结构，将后续航路点信息添加至链表结点，初步建立水平意图；

步骤64，依据飞行计划与管制移交协议确定步骤63中航路的高度和速度约束，初步建立意图模型。

水平航迹优化过程如图7所示，具体实现方法如下：

步骤71，根据待优化航路的高度/速度约束范围，计算当前待优化航路的着陆时间窗，设计算结果为[mintime,maxtime]；

步骤72，若mintime≤rta≤maxtime，选择当前航路为进场航路，水平航迹优化结束；

步骤73，若rta＜mintime：(1)航空器未进入三边程序：将待优化航路中某一结点的star指向结点替换为该结点的short指向结点，更新待优化航路，执行步骤72，逐步替换结点直至水平航迹优化结束；(2)航空器已进入三边程序：设定航空器的三边飞行长度为d-δd，其中，δd为调整步长，逐步减步长直至水平优化结束；

步骤74，若rta＞maxtime：(1)航空器未进入三边程序：将待优化航路中的某一结点的star指向结点替换为该结点的long指向结点，更新待优化航路，执行步骤72，逐步替换结点直至水平航迹优化结束，如果所有结点的star指向结点已替换为long指向结点后仍不满足步骤72，则执行步骤75；(2)航空器已进入三边程序：设定航空器的三边飞行长度为d+δd，逐步加步长直至水平优化结束；

步骤75，在步骤71中加入等待程序，执行步骤72；逐步增加等待次数直至水平航迹优化结束。

垂直航迹优化过程如图8所示，具体实现方法如下：

步骤81，按照意图模型中的一个约束点(添加了高度/速度约束的链表化航路点)到下一个约束点，将待优化航路拆分为多个航段，下降航段中可能会采用减速下降、等速下降、减速平飞、等速平飞四种飞行方式，爬升航段中可能会采用加速爬升、等速爬升、加速平飞、等速平飞四种飞行方式，然而，两类航段中等速平飞的飞行方式往往紧随另外三种飞行方式，因此，可将每个航段再次拆分为两个子航段：完成减速下降过程的子航段1以及完成等速平飞到下一个约束点的子航段2；

步骤82，在基于所需到达时间的航迹优化过程中，需要将子航段2再次拆分为两个等速平飞的子航段：位于子航段1之前等速平飞的子航段2a，位于子航段1之后等速平飞的子航段2b；

步骤83，将拆分后的三个子航段：子航段1，子航段2a，子航段2b按照如下规则进行重组：

(a)设在步骤81中拆分出的一个航段需要调整的时间为δt，建立以下方程：

上式中，t0表示优化前子航段1开始时间，t1表示优化前子航段1结束时间或子航段2开始时间，t2表示优化前子航段2结束时间；t3表示优化后子航段2a开始时间，t4表示优化后子航段2a结束时间或子航段1开始时间，t5表示优化后子航段1结束时间或子航段2b开始时间，t6表示优化后子航段2b结束时间，

(b)不考虑转弯过程中的距离损耗，优化前后航空器在每个航段飞过的水平距离相等：

上式中，f1表示优化前的速度-时间函数，f2表示优化后的速度-时间函数，

(c)对每个航段可调整时间δt作出如下限制：

上式中，vtas0表示子航段1开始点的真空速，vtas1表示子航段1结束点的真空速；

步骤84，由于优化时改变了航空器经过转弯点的速度，引起转弯半径的变化，进而导致整个水平距离的变化。为了消除由总距离变化产生的时间误差，比较优化后的航空器过点时间与rta的差，若在误差范围内则优化完成；若超出误差范围，则调整优化量并重新进行优化，直到航空器过点时间与rta的差在误差范围内。

图9是垂直航迹优化中的速度-时间剖面示意图，通过对航段的拆分与组合，航空器从一个航路点到下一航路点的时间缩短了δt，且不会改变初始四维航迹在航路点的高度/速度。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。