专利名称：空中交通管理的快速垂直轨迹预测方法及相关atm系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及空中交通管理(ATM)的快速垂直轨迹预测方法，及相关的ATM系统。更详细地，本发明涉及一种能够计算飞行器垂直轨迹的方法，通过采用合适的方法以快速和计算性有效的方式集成一些飞行阶段的数值解法和分析解法。本发明进一步涉及实现本发明方法的ATM系统。
背景技术：
目前ATM系统支持飞行。然而，相关的国际交通正在快速[4，5]增长，需要一种比任何一个当前的操作系统更大的，支持多个飞行的ATM系统。因此，必须增加ATM过程的自动化水平来实现这一需求。计划在下一代航空区飞行的飞行器数量将需要非现实数量的人类控制器[6]。因此，在主要功能如冲突消除上，软件控制器将会取代人类控制器。正在开发一些工具来支持安全软件控制器的实施。事实上，一些功能要求运行具有大运算量的复杂算法，此外，因为需要实时解决方案，这些算法足够在短时间内确保解决方案的输出。特别地，必须要避免不可控循环，因为这将防碍系统完成时间决定论的需求。空中管理需要的一重要类别的工具是冲突解决系统[4，5]。它们需要精确轨迹预测算法的支持为所探测到的空中拥堵生成实际解决方案。在过去的几年中，已经开发了一些工具来提供有效的轨迹预测[7-11]。关于准确轨迹预测工具的实现主要有以下问题i.工具必须能够支持实时冲突解决，也就是在短短几秒必须运行数以千次。ii.工具必须基于飞行器数据库中包括的参数知识，该数据库覆盖所有受管理交通且当市场引入不可忽略数量的新飞行器模型时就进行更新。为确保满足条件i)，必须简化轨迹预测计算引擎，使其运行最少次所需计算来生成解决方案。关于条件ii)，在过去几年中开发出来的大多数ATM工具中选择世界标准数据库作为参考的是由B0eingTMEur0pe为EUROCONTROL 所开发的B0ADA 。3. 6版本包括集成截止2006年欧洲所有运营飞行器中99%的飞行器(海拔)高度和速度，以及在世界其他地区运营的大多数飞行器类型所需要的所有参数11。以下报纸文章是关于ATM系统自动化的相同领域的-Slattery. R. and Zhao, Y. . “Trajectory Synthesis for Air TrafficAutomation.，，AIAA Journal of Guidance, Control, and Dynamics，Vol. 20，Issue 2，March. April 1997，pages 232-238 ；-Swenson, H. N. , Hoang. T. , Engelland. S. , Vincent. D. 。 Sanders，T. Sanford. B.， Heere. K.，“Design and Operational Evaluation of theTraffic Management Advisor at the Fort Worth Air Route TrafficControl Center. T st USA/Europe Air Traffic Management Researchand Development Seminar，Saclay, France June 1997 ；-Glover, W. and Lygeros，J.，“A Stochastic Hybrid model for AirTrafficControl Simulation” in Hybrid Systems Computation andContrOl. ser. LNCS, R. Alur and G Pappas，Eds.，Springer Verlag. 2004，pages 372-386 ；-Marco Porretta，Marie. Dominique Dupuy. Wolfgang Schuster，Arnab Majumdar and Washington Ochieng，iiPerformanceEvaluation of a Novel 4D Trajectory Prediction Model for CivilAircraft，，，The Journal of Navigation. Vol. 61,2008. pages 393420.值得关注的是上述文章没有一篇报导关于空中交通管理系统现有形式自动化的轨迹预测的实时解决方案。
发明内容
本发明的目标是为空中交通管理提供一种垂直轨迹预测方法，解决问题并克服现有技术中的困难。本发明的特定目标是实现本发明方法目标的空中交通管理系统。本发明的主题是一种飞行器垂直轨迹的预测方法，尤其用于空中交通管理，包括以下与相关飞行阶段对应的飞行计算模块起飞；上升；巡航；降落；以及着陆，其特征在于-利用计算机通过采用以下总能量模型(TEM)方程实现预测飞行器轨迹的计算。
权利要求
1.一种用于预测飞行器垂直轨迹的计算机实现的方法，尤其用于空中交通管理，包括以下对应相关的飞行阶段的飞行计算模块起飞；爬升；巡航；下降；和着陆，其特征在于 -预测飞行轨迹的计算通过计算机处理器使用以下总能量模块(TEM)方程来实现
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于，对于分为地面滑行，过渡阶段和初始爬升阶段的起飞阶段，预测飞行器轨迹的计算采用以下对所述TEM方程的分析解法进行运算
3.如权利要求I或2所述的方法，特征在于对于着陆阶段，预测飞行器轨迹的运算采用以下分析解法来实现滑翔进场:
4.如权利要求I到3所述的方法，其特征在于用于计算预测轨迹的TEM方程的整合是通过使用速度和高度的一对最大整合间距来完成的，从而在可接受的准确程度找出最小计算负载，最大整合间距对通过以下步骤来确定-对范围从最小值对到最大值对的，速度和高度间距对的均匀分布的集合，根据所述 TEM方程进行爬行、降落以及巡航阶段的仿真-假设最小值对为最精确值对；-对于包括爬行、降落以及巡航阶段的每次仿真，都执行等值线绘制，报告每个速度和高度间距对相对于所述最小值对的RMS误差百分比；-选择最优间距对，该对代表着具有小于预定阈值的误差，并且离所述最小值对距离最远的点。
5.如权利要求I到4任一项所述的方法，其特征在于对于除巡航阶段外的所有飞行阶段，对TEM方程进行整合，i是正整数值，任何第i个整合步骤为-检查所计算的运行状态在包括基于预定飞行包线计算的目标CAS和目标高度h的预定目标PS中；-如果所计算运行状态在飞行包线范围外，运行以下步骤-用离飞行包线边界最近，并加上了距边界的安全边际距离的经校正运行状态代替所述计算的运行状态，从而避免在接下来的计算在飞行包线之外。-从所述经校正运行状态，也就是校正后的CAS和海拔h开始，进入整合的第i+Ι步骤。
6.如权利要求I到5任一项所述的方法，其特征在于通过在所述TEM方程中增加以下方程来考虑风的影响
7.如权利要求I到6任一项所述的方法，其特征在于，在下面情况下求解TEM方程-每次需要或者改变飞行计划时，尤其是在飞行器起飞阶段之前；-在固定的飞行计划中，每次雷达探测到的飞行器实际位置与预测位置的差值大于预先设定阈值时。
8.空中交通管理系统，包括计算预测轨迹的电子精制单元，以及将飞行器必须遵从的轨迹的自然语言命令提供给所述电子精制单元的飞行控制器，其特征在于所述电子精制单元执行将自然语言命令到输入数值的转换，并且所述电子精制单元执行根据权利要求1-7 所述方法的计算。
9.电子精制单元，其特征在于包括代码装置，运行时执行根据权利要求1-7所述方法。
10.计算机程序，其特征在于包括适于执行的代码装置，当在电子精制单元运行编码时，执行根据权利要求1-7方法的计算。
11.可由计算机读取的有形存储介质，其存储计算机程序，其特征在于该程序是根据权利要求10的计算机程序。
全文摘要
本发明公开空中交通管理的快速垂直轨迹预测方法及相关ATM系统。根据本发明的一种用于预测飞行器垂直轨迹的方法，尤其用于空中交通管理，包括对应相关的飞行阶段的以下飞行计算模块起飞；爬升；巡航；下降；和着陆，其特征在于-预测飞行器轨迹的计算通过使用以下TEM方程来完成求解VRCD，TAS，以及m，其中VRCD是上升或者下降的垂直速度；TAS是实际空速，ESF是能量共享因子，T是推力，D是阻力，m是模型化为点质量的飞行器质量，{M}是取决于TAS、温度和高度的马赫数，g是重力加速度，f是燃油流量，γ是飞行航迹角。
文档编号G08G5/00GK102610126SQ201110463288
公开日2012年7月25日 申请日期2011年12月15日 优先权日2010年12月20日
发明者A·利尔迪, A·莫恰, D·阿卡尔多, G·马雷斯卡, L·卡米尼蒂, L·菲奥里洛, M·格拉西, U·坦克雷迪 申请人:塞莱斯系统集成公司