一种基于航迹运行的无冲突航班时隙分配方法与流程

本发明属于空中交通管理领域，具体涉及一种基于航迹运行的无冲突航班时隙分配方法。

背景技术：

1、目前基于航迹运行模式下的研究正逐步由单机空间三维规划向包括到达时间在内的多机时空四维规划的方向发展。四维航迹运行是目前国际民航界普遍公认的下一代航行系统的核心运行理念，是应对航空运输持续增长的一种革命性的解决方案。四维航迹运行基于新技术应用，可以有效升级现行的空中交通管理系统，实现精准可控、安全高效。目前，传统的空中交通间隔管控采用以地面管制员为中心、按管制扇区进行集中式间隔管控的方式。随着航空运输量的持续增长，空中交通运行的复杂度逐步加大，四维航迹预测精度低，以及管制工作负荷大、航空器飞行灵活性受限等原因，传统管控方式难以满足高复杂度空域环境下空中交通安全高效运行的需求，已成为空管能力稳步提升的关键瓶颈之一。

2、在航班排序技术及应用方面，为了应对复杂空域环境下航班运行容流矛盾日益突出等问题，航班进港排序管理系统(aman，arrival management)应运而生，该系统主要替代以往人工排序的管理方式，采用决策工具为管制员提供进港航班排序队列及辅助决策建议。主要通过引接空域流量管理数据和实时雷达信息，对航班位置、高度、航线进行计算和预测，结合实时的天气情况、机场信息、跑道方向以及尾流等诸多因素，自动计算出航空器的落地顺序和时间，生成航班落地列表，管制员依据该列表指挥飞机依次落地，对于提前或者预期提前到达特定等待点的飞机，aman系统还给出最优的绕飞或时间消耗策略，针对各种复杂情况下的运行变更，系统动态更新优化生成相应合理的管制预案。目前的aman系统处于基于扇区的空管运行模式下，未来空管系统将从基于扇区的空管运行模式逐步过渡到基于航迹的运行模式，现有aman系统将不适用于新型运行模式，基于航迹运行模式下，航迹管理和航迹预测为管制运行的核心要素，每个航空器始终有一个从当前状态到目的地的四维航迹，该四维航迹是由一连串的点连接而成的飞行路径，每个点在四个维度(空间和时间)上都有一定的精度要求，是由各运行相关方经过协商得到，使之满足各方运行要求的同时达到遵守国家空域约束的目标。现有aman系统虽然也能对航空器进行航迹预测，但是其预测主要依靠从管制自动化系统中获得的计划数据、气象数据、雷达数据等，预测精度较低，预测算法模型还不完善，容易使进港航班发生时隙跳变，从而导致进港航班队列混乱进而影响管制正确决策。

3、在基于航空器意图的航迹协商技术研究方面，中国民航局空管局2019年制定的《中国民航空管基于航迹运行概念》中提出了发展面向航班全生命周期四维航迹的协同管理能力，以航迹协商为基础实现“门到门”的交通同步。然而，现有研究仅支持航空器在“点到点”小范围内自主选择飞行航迹，并且，目前空地航迹协商技术研究处于跟随阶段，尚未实现实际运行机制，且现有aman系统的进港排序队列根据地面预测航迹直接生成，没有航迹协商的过程，航空器被动接受管制指令，无法更充分的满足各利益相关方运行需求。

技术实现思路

1、鉴于上述的分析，本发明旨在公开一种基于航迹运行的无冲突航班时隙分配方法，实现在基于航迹运行的模式下的航班进港时隙分配。

2、本发明公开了一种基于航迹运行的无冲突航班时隙分配方法，包括以下步骤：

3、步骤s1、地面系统根据航迹预测数据生成航空器在指定点的eta时间窗以及eta时间窗内的eta序列；

4、步骤s2、地面系统依据航空器在融合点eta时间窗的eta序列，基于包括进港的时间和空间约束以及流控约束和飞行冲突探测约束在内的约束，计算出符合可靠性要求的到达时间rta组；

5、步骤s3、地面系统根据到达时间rta组生成包括至少一个建议到达时间rta的辅助决策建议并通过数据链与航空器进行交互；

6、步骤s4、航空器机组自主决定是否接受辅助决策建议；是，则根据接受的建议到达时间生成同意执行的rta指令下发到地面系统，用于生成基于四维航迹的进港排序队列；否，则重新执行步骤s2～s4，反复进行空地协商，直至得到同意执行的rta指令。

7、进一步地，在步骤s2包括：

8、基于进港的时间和空间约束，采用时空混杂因果模型对步骤s1中得到的eta序列进行重新排序，形成初始rta序列；

9、基于流控约束和飞行冲突探测约束，采用关联效应模型对于初始rta序列进行可靠性分析，计算出符合可靠性要求的到达时间rta组。

10、进一步地，在形成初始rta序列过程中，基于包括终端区空域容量、气象条件在内的空间约束，在融合点上，以安全时间间隔为时间约束条件，建立时空混杂因果模型，并以最小改动成本以及飞行最小油耗为目标，对步骤s1中得到的eta序列进行重新排序，形成初始rta序列。

11、进一步地，在计算出符合可靠性要求的到达时间rta组过程中，基于在时空混杂因果模型约束条件基础上，通过添加了流控约束和飞行冲突探测约束，建立关联效应模型，以延误时间最小为目标，对步骤s1中得到的eta序列进行重新排序，形成符合可靠性要求的到达时间rta组。

12、进一步地，时空混杂因果模型中包括决策变量、目标函数和约束条件；其中，

13、决策变量包括：

14、1)在指定点处的进场航班m计算得到的rta时间

15、2)表示在指定点处的进场航班计算得到的rta时间是否属于某时隙t的

16、3)表示在指定点处对前后航班m和n的排序决策变量pmn；

17、目标函数为：

18、其中，c为因改动飞行计划中的过点时间而造成的成本系数，为飞行计划中航班m的预计过点时间；fd为航班进港过程中的燃油消耗；a为进场航班集合；

19、约束条件包括：进场点安全间隔约束、航班过点时间与过点顺序关系约束、机场接受率约束、航班rta计算时刻约束和时隙唯一性约束。

20、进一步地，约束条件中，

21、进场点安全间隔约束为两架航空器在同一进场点处必须保持的管制安全时间间隔的约束；

22、航班过点时间与过点顺序关系约束为尾随关系的航班的时间约束；

23、机场接受率约束为在t时段内航班量不能超出机场在该时段内的接受率的约束；

24、航班rta计算时刻约束为航班计算rta的过点时间被所属时隙限制的约束；

25、时隙唯一性约束为将一架进场航班约束到一个时隙中。

26、进一步地，关联效应模型中包括决策变量、目标函数和约束条件；其中，

27、决策变量在时空混杂因果模型决策变量基础上扩充以下决策变量：

28、表示航班m和航班n之间是否存在飞行冲突的wmn；

29、航班m飞行轨迹采样点集合nm；

30、航班m过飞行轨迹采样点的时间集合qm,sample；

31、航班m在各飞行轨迹采样点的飞行位置坐标集合um；

32、航班m在解脱冲突时的飞行速度调整量大小δvm；

33、航班m的速度调整量为基准调速速度的倍数值σm；

34、目标函数为

35、目标函数表示控制优化后进场航班在终端区内延误的最小；公式为优化后所推算的降落时间与飞行计划中的预计降落时间之差；此处延误值包含航空器在扇区内的延误以及在机场跑道上的延误；为关键点r2处的场航班优化后的rta时间；为关键点r1处的场航班优化后的rta时间，r1为航班进场过程中的关键点集合r中的一个关键点，r2为进场航班使用的机场跑道rwy，sm为飞行计划中航班m的预计过点时间；

36、约束条件为在时空混杂因果模型基础上扩充以下约束条件：

37、流控约束、冲突探测约束和飞行速度约束。

38、进一步地，扩充的约束条件中，

39、流控约束为在流控点处受流控影响的航班之间应满足流控时间间隔约束；

40、冲突探测约束为两架航班m和n在同一研究时间段内所在位置之间的距离要小于安全间隔的约束；

41、飞行速度约束为当航空器之间存在飞行冲突，航空器通过调速解脱冲突时的速度约束。

42、进一步地，利用关联效应模型进行可靠性分析包括横向和纵向分析；其中，横向分析为对单条航迹的所有航路点的rta时间窗进行可靠性分析，纵向分析为单个航路点上的所有航迹的rta时间窗进行可靠性分析。

43、进一步地，地面系统还包括历史rta数据库；所述历史rta数据库中存储以往的可靠的rta历史数据；

44、在步骤s3中，地面系统通过对步骤s2中得到的到达时间rta组与历史rta数据库中存储以往的可靠的rta历史数据，进行比对，按生成的约束条件分类，从到达时间rta组中，选出至少一条到达时间rta作为建议到达时间rta。

45、本发明可实现以下有益效果：

46、本发明公开的基于航迹运行的无冲突航班时隙分配方法面向未来空管系统基于航迹运行模式，相比现有基于扇区运行的进港排序管理系统更加安全、高效、环保，可以大大改善终端区运行品质。地面系统可接收和处理机载预测航迹(epp)数据，根据eta时间窗进一步计算分配rta，时间精度为秒级，相比现有系统预测精度大幅提高，航班排序时隙进一步缩小。本发明采用协商的方式发布rta指令，可以更多的考虑航空器的飞行意图、性能和绩效，为管制指挥在效率、安全提升的基础上增加了灵活性。