民用航空飛機四維航跡的預測研究

　　我國近些年民航業(yè)得到了高速發(fā)展，隨之而來(lái)的空域緊張、航路擁擠、飛機起降晚點(diǎn)等情況日益凸顯。下面是一篇關(guān)于民用航空飛機四維航跡預測探究的論文范文，歡迎閱讀，希望對你的論文寫(xiě)作有幫助。

　　引言

　　伴隨民航業(yè)的迅猛發(fā)展，航空公司的規模不斷擴大，機隊數量不斷增加�？罩薪煌�流量迅速增長(cháng)，航路擁擠、航路沖突的問(wèn)題不斷出現，同時(shí)空中飛機碰撞的風(fēng)險也在不斷增大。合理安排飛機的起降順序和航路選擇，可以進(jìn)一步提高航空運輸的運行效率。通過(guò)提前預測飛機的飛行航跡還能減少飛機飛行過(guò)程中的沖突，降低航路和終端區空域擁擠程度。

　　1、四維航跡的產(chǎn)生與發(fā)展

　　1.1四維航跡的產(chǎn)生

　　八十年代，美國聯(lián)邦航空管理局(FAA)為了解決由空中交通量迅速增長(cháng)的問(wèn)題，提出了全國空域系統(NAS)的概念，在其中提出了飛機四維導航和制導的想法，即基于時(shí)間來(lái)監控航空器的航跡。

　　四維航跡，也稱(chēng)4D航跡，是指航空器在空間中的三維位置點(diǎn)坐標和航空器在每個(gè)位置點(diǎn)相應的過(guò)點(diǎn)時(shí)間所組成的一系列點(diǎn)的集合。四維航跡預測是指在飛機起飛前就通過(guò)飛行計劃、歷史飛行數據、雷達資料、氣象信息等對該架飛機的飛行航跡進(jìn)行預測，并確定航跡上各個(gè)航跡點(diǎn)的過(guò)點(diǎn)時(shí)間。在美國一般將航跡預測分為正常航跡預測、最壞狀況航跡預測和概率航跡預測[1].

　　1.2四維航跡的發(fā)展

　　在歐洲隨著(zhù)民航運量的增加，航班延誤、空域擁擠、航路沖突的問(wèn)題也越來(lái)越明顯，而且由于歐洲各個(gè)國家的地理分布特點(diǎn)，以及各個(gè)國家對自己本國領(lǐng)空空域劃分的標準不一致，使得歐洲的空域劃分瑣碎。這種瑣碎的空域劃分不利于歐洲航空業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展壯大。于是，在2004年，歐盟發(fā)起了一項SESAR計劃(SingleEuro-peanSkyATMResearch)，即單一歐洲天空空中交通管理研究項目。為了達到SESAR的計劃目標，其中一個(gè)很重要的方法就是對未來(lái)的空中交通管理實(shí)施基于四維航跡的管理。因為，基于四維航跡的運行管理可以明顯提高空域容量，提高飛機運行和空域使用的效率。

　　2012年2月，空客公司運用一架A320飛機進(jìn)行了全球首次利用四維航跡空中交通管理技術(shù)的試驗飛行。該項目被稱(chēng)作為Initial-4D,即初始4D航跡。隨后在2014年3月，空客公司同樣用一架A320飛機進(jìn)行了第二次初始四維航跡飛行試驗。

　　在20世紀90年代，美國就開(kāi)發(fā)了一套空管自動(dòng)化系統CTAS,該系統主要應用于在終端區空域，對空域內航空器在未來(lái)一段時(shí)間內的航跡進(jìn)行預測，從而輔助管制員實(shí)行管制工作。為了適應民航業(yè)的快速發(fā)展以及民航運輸需求量的不斷增長(cháng)，美國后來(lái)又提出了NGATS計劃(NextGenerationAirTransportationSystem)，即美國下一代空中交通運輸系統。而基于四維航跡的運行是NGATS里面的一個(gè)基礎要求，力求通過(guò)提前預測得到精確的預計航跡，并且在飛機實(shí)際飛行中實(shí)時(shí)監測并調整飛行航跡。

　　2、四維航跡預測的方法

　　國內外四維航跡的預測方法，主要可以分成以下幾類(lèi)：(1)基于卡爾曼濾波等的估計算法;(2)基于飛機性能模型的航跡預測方法;(3)基于大圓航跡或等角航跡的航跡推測方法。

　　3、四維航跡預測的性能模型

　　飛機的性能是指：飛機的氣動(dòng)特性，包括升力特性、阻力特性等;飛機的重量，包括結構限重等;發(fā)動(dòng)機特性，包括發(fā)動(dòng)機工作狀態(tài)、耗油特性等。

　　基于航空器飛行性能的航跡預測模型，一般是把飛機的三維航跡在垂直面內和水平面內進(jìn)行分解，這樣做的目的是為了簡(jiǎn)化航跡的計算與生成。把航跡分解成垂直航跡剖面、水平航跡剖面和速度剖面，然后再結合飛機性能的各種相關(guān)數據和參數，如：飛機的起飛重量、燃油重量、發(fā)動(dòng)機可用推力、燃油消耗率等，計算得出預計的飛行航跡。在計算過(guò)程中還應該考慮飛行所處環(huán)境的影響，包括氣溫、氣壓、天氣狀況等。目前世界上使用最廣泛的飛機性能數據庫是CTAS(終端區自動(dòng)化系統性能模型)和BADA(飛機數據基礎)[2].

　　3.1垂直航跡剖面

　　飛機的垂直飛行剖面通�？煞譃槠痫w、爬升、平飛、下降、著(zhù)陸五個(gè)階段。相關(guān)的參數可以從飛機性能數據庫中查得。然后根據牛頓第二定律和能量守恒原理列出平衡方程，求解即可。

　　3.2水平航跡

　　水平航跡可以按照航路點(diǎn)的信息，把水平飛行航跡分解成一個(gè)個(gè)直線(xiàn)航段和轉彎航段。這些航路點(diǎn)的信息可以從領(lǐng)航計劃報(FPL)中得到。其中轉彎航段又分為內切轉彎、約束轉彎、末端轉彎[3]三種方式。而一般情況下航路飛行多以?xún)惹修D彎為主。

　　3.3速度剖面

　　速度剖面的分解一般情況下分為三種，即正常速度剖面、最短到達時(shí)間剖面和最長(cháng)到達時(shí)間剖面。這些速度剖面均由一系列剖面段連接而成。每個(gè)剖面段均是直線(xiàn)飛行和轉彎飛行的水平航跡的地速剖面[4].

　　4、四維航跡預測的研究趨勢

　　現今的航空器四維航跡預測模型里已經(jīng)開(kāi)始綜合考慮復雜氣象環(huán)境因素、管制員意圖、飛行員意圖等因素的干擾，在模型建立上結合了混雜系統理論[5]、極大代數理論[6]等，從而提高了航跡預測的準確性。下一步就是要進(jìn)一步完善航跡預測的模型，使航空器四維航跡的預測結果更符合真實(shí)的飛行情況。

　　啟示

　　我國近些年民航業(yè)得到了高速發(fā)展，但是問(wèn)題也接踵而至。特別是在我們在從民航大國邁向民航強國的進(jìn)程中，隨之而來(lái)的空域緊張、航路擁擠、飛機起降晚點(diǎn)等情況日益凸顯。四維航跡預測作為新的下一代空中交通管理系統的重要基礎性技術(shù)，為我國解決民航發(fā)展過(guò)程中遇到的上述這些問(wèn)題提供了解決思路。四維航跡預測技術(shù)的運用對民航業(yè)的發(fā)展起到了保障和促進(jìn)作用。同時(shí)基于高精度的四維航跡的運行，還可以使飛機的飛行變得更加平穩，可以大大減少飛機的燃油消耗和碳排放，降低航空公司的運營(yíng)成本，改善環(huán)境。

　　參考文獻：

　　[1]AnthonyMasalonis,etal.UsingProbabilisticDemandPredictionsforTrafficFlowManagementDecisionSupport[C].AIAAGuidanceNavigationandControlConferenceandExhibitProvidence,RhodeIsland,2004.

　　[2]郭運韜，朱衍波，黃智剛。民用飛機航跡預測關(guān)鍵技術(shù)研究[J].中國民航大學(xué)學(xué)報，2007,25(1)。

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