初始四维轨迹运行技术研究

叶军晖　郑智明

【摘 要】初始四维轨迹运行（Initial 4D， I4D）技术为通信导航监视/空中交通管理（CNS/ATM）技术实现的基础。本文首先介绍了I4D技术的概念，在此基础上，对I4D的两个关键技术I4D轨迹和I4D制导进行了探究，对I4D的工程应用奠定了重要的理论基础。

【关键词】初始四维轨迹运行；四维轨迹；四维制导

0 引言

随着航空运输业的迅猛发展，空中交通日益繁忙，目前的航空运输系统已经不能满足需求。为此，欧洲单一天空实施计划（SESAR）和美国下一代航空运输系统（NextGen）提出了通信导航监视/空中交通管理（CNS/ATM）技术。根据SESAR和NextGen的开发计划，初始四维轨迹运行（Initial 4D， I4D）技术是CNS/ATM的基础。

I4D技术将建立一个统一的空管体系，在地面和飞机之间实现信息交换，对飞行时间也加以控制，以便使空中交通管制（ATC）能预先排定飞机的到达时间，减少空中的拥挤与排队。I4D技术可以为民用航空提供更加准时、安全的航空运输、更高的飞行效率和更多的飞行容量。

1 初始四维轨迹运行技术概述

I4D技术指的是机载设备通过数据链将构建的四维轨迹发送给地面的ATC，ATC可以尽早的探测到飞行计划的冲突，然后与飞机进行轨迹的协商，以获得一个综合飞机和地面限制考虑在内的最佳飞行剖面，然后飞机通过4D制导对速度进行精确控制来实现协商的轨迹，并且整个飞行过程中受到地面的监控。

以飞机进场为例，图1为I4D技术空地协商示意图。首先地面ATC发出一个初始请求，然后机载飞行管理系统（FMS）向地面发送其预测的四维轨迹（经过优化并满足限制条件的轨迹）。ATC通常不会完全接受用户根据自己情况优化的轨迹，因为它常会与其他飞机发生冲突，而是通过声音或数据链的方式发送合适的约束条件给飞机。FMS或飞行员根据地面系统的指令可能会对预测的四维轨迹做一定的修改，对于根据约束修改后的新的轨迹，也要传送到地面。最后飞机端发送一个接受的信息，地面做出清晰的回答。在实施四维运行时，地面系统不断的对飞机是否按照四维轨迹飞行进行一致性监视。

2 I4D轨迹

I4D技术中涉及到两个关键的功能和技术，分别是I4D轨迹和I4D制导。I4D轨迹是依据航空公司的飞行计划和一些额外的约束条件而生成的，该轨迹定义了预测的水平和垂直剖面，包括沿着该剖面的速度和时间。飞行机组选择航空公司优先的成本指数（时间与燃油的关系，对于特定的飞行在时间和燃油值之间平衡），然后根据实际需要而加上速度、高度、时间约束，FMS根據飞机当前的状态、大气数据以及飞行机组输入的或AOC上传的数据来产生I4D轨迹。该I4D轨迹满足约束条件，并且每次航班FMS计算独特的飞行性能参数（最优速度，最大和空油门值，燃油流量等）。最后FMS的水平导航和垂直导航功能将通过自动飞行控制系统（AFCS）引导飞机至该I4D轨迹。

航路点的速度限制指的是飞机的速度值“不能超过”某个限制值。如果是在爬升阶段，则适用于该点以及该点之前的所有航路点；如果是在下降阶段，则适用于该点及该点之后所有的航路点。航路点的高度限制有4种类型：“在”，“在或在上面”，“在或在下面”，“之间”。航路点的时间限制可以分成：“在”、“在/之前”、“在/之后”三种类型。“在/之前”和“在/之后”类型时间限制通常用于途中航路点偏航，而4D运行时主要用的是“在”类型时间限制。图2为I4D轨迹生成示意图。

3 I4D制导

传统的制导是通过搜索速度方式，不能与飞机到达时间形成交联，因此无法实现对飞机到达时间的精确控制，不能适应复杂多变的情况。I4D技术是在3维轨迹（纬度、经度、高度）的基础上加上所需到达时间（RTA）的约束，I4D制导可以充分利用FMS的能力，通过对RTA的引入，来计算出相应的速度，进而通过对速度的控制将飞机在规定的时间内引导至规定的位置。I4D制导方式多样，国外的主机所和主要FMS供应商均掌握了一定的核心技术，但这些技术对于国内是封锁的。国内的主机所和研究院所在I4D制导方面的技术储备还较少。图3提供了一种I4D制导方法。

I4D技术通过输入的RTA生成相应的时间指令，再通过速度剖面发生器产生速度剖面，进而对轨迹进行更新，整个过程形成一个闭环。该方法能够抑制风模型误差对RTA的影响，在实验室环境（硬件在回路仿真）下RTA精度为+/-6秒。

4 结论

当前SESAR和NextGen正在积极地推进I4D技术的应用。I4D运行的实施是结合空中和地面共同进行，对于空中机载设备来说，其关键是FMS支持I4D运行技术，即生成优化的4D轨迹并与自动飞行系统耦合通过I4D制导功能将飞机精确的引导至协商好的位置。本文的研究对于I4D技术在国产民用飞机上的应用奠定了理论基础。

【参考文献】

[1]霍曼等.飞速发展的航空电子[M].航空工业出版社，2007.

[2]European ATM Master Plan [S].SESAR，2012.

[3]郑智明，宗军耀，李伟，胡应东.CNS/ATM概念下的基于时间运行技术研究[J]. 科技资讯，2015（19）：111-112.

[责任编辑：张涛]endprint