民用航空四维航迹的预测模型

文/王艳霞

民用航空四维航迹的预测模型

文/王艳霞

本文分析了民用空中交通管理的现状及未来发展的需求，介绍了民用航空飞机四维航迹的产生与发展，特别是欧美有关四维航迹的研究进展情况；并对四维航迹预测模型的展开了深入的研究。

民用航空 四维航迹

1 引言

随着中国民航飞速的发展，空中交通流量大、密度高、空域资源紧张等问题逐渐凸显；如何精细化管理空域资源，减少航空器飞行冲突，减少空管原因导致的航班延误，提高空管综合保障能力，是空管发展的迫切的需求。科学技术的变革、经济全球化发展、空中交通服务的市场化，促进了空管全球一体化的发展。空管全球一体化进程也推进中国空管行业的改革进程。科学的流量管理，优化利用空域资源，提供优质服务是我国空管行业的目标。

在空中交通流量密集的复杂空域采用四维航迹（4D trajectory，4D航迹）运行，航空器按四维航迹高效飞行而不需要空管人员的过多介入，提高运行效率，提高空管综合保障能力。

2 四维航迹管理的发展

四维航迹由三维空间（位置点坐标）和四维时间（位置点的过点时间）来确定航空器航迹。通过相关数据完成航迹进行预测，确定过点时间，在飞行过程中根据实际情况调整飞行航迹。

1980s，美国联邦航空管理局首次提出了航空器四维导航制导问题。2004年欧盟SESAR计划提出基于四维航迹的空中交通管理。2005年美国的NGATS计划规划了基于航迹运行的发展。2007年我国计划在新一代空中交通管理系统实现飞行任务的四维航迹管理。2012年国际民航组织将基于航迹的运行作为高效飞行轨迹性能改进领域的关键项目，基于四维航迹的运行是下一代空管系统中的核心运行概念之一。其中四维航迹建模、规划和实施等技术是TBO的基础与核心。

欧盟积极推进四维航迹技术的研究及验证工作，解决空域拥堵，建设减少航空运输对环境的影响。2012年一架空客A320成功完成初始四维航迹(Initial-4D，I4D)试飞，是全球首次利用四维航迹飞行。截至2014年3月，单一欧洲天空空管研究（SESAR）联合行动成员共进行了两次I4D飞行测试，并于2015年4月利用飞往汉堡和图卢兹的多个航班向地面下传扩展投射剖面（EPP），来验证空地数据共享。i4D航迹是面向全部4D航迹运行的重要一步，也是实现可预测飞行的第一步。

3 民用航空四维航迹预测模型研究

四维航迹预测综合考虑空气动力学，运动学，发动机特性，大气环境、航路限制及管制意图等因素，采用模型化预测方法，主要方法有：

3.1 基于航空动力学及运动学模型的预测

综合考虑航空器重量、风速等因素，对飞行过程进行阶段性划分，并建立相应的运动方程。欧洲航管实验中心发布的包括399种机型的航空器基础资料可用于四维航迹模型的预测，包括操作性能参数以及航空公司程序参数等数据。基于航空动力学及运动学模型预测的方法在预测中，存在参数过多问题，未考虑管制意图对航迹的影响，在实际预测中，风速、温度、阻力等不断变化会预测精度的降低。

3.2 基于卡尔曼滤波、神经网络和交互式多模型等无参数估方法

根据上一时刻的航空器状态预测当前时刻的航空器状态，再根据当前时刻的航空器状态修正前期的预测值。该方法考虑到管制意图对航迹的影响，预测精度得到提高，但由于信息有限而使预测准确度难以提升；

3.3 基于航空器意图的预测

航空器运行意图转换为航空器意图描述语言（ALDL）指令数据，用于四维航迹预测模型。航空器意图包括飞行员和管制员的指令：

（1）限制指令；

（2）构型指令；

（3）管制指令；

（4）目标指令。基于航空器意图的预测方法不易结合其他飞行因素。

3.4 基于历史数据挖掘的预测

采用大数据进行历史航迹数据管理，分析历史飞行时间数据，通过函数挖掘从中找出三维坐标和过点时间的对应关系，进行未来数据趋势的预测。全程飞行时间数据是四维航迹预测的基础，挖掘历史的全程飞行时间数据，从中找出影响飞行时间的因素，预测出下一次飞行的全程时间，建立预测模型。根据下次飞行总时间，选择最匹配的历史飞行轨迹作为四维航迹输出。历史航迹数据结合其他飞行影响因素，可以有效的提高预测精度。

4 结论

经济的快速增长推动了航空运输业的发展，对空中交通管理提出了更高的要求。四维航迹预测是空中交通管理的关键技术之一,可以有效提高空中交通管理效率和安全性，减少飞行冲突，降低油耗、减少碳排放。新一代空中交通管理系统是我国新一代民航运输体系的核心之一，以航迹管理为中心，完善四维航迹预测的模型，提高航迹预测精度，提升空中交通服务水平。四维航迹预测模型需综合考虑航空动力学、运动学、复杂天气、环境因素、管制员意图、飞行员意图等因素的干扰，使预测结果更符合真实的飞行情况。

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作者单位民航西北空管局 陕西省西安市 710082

王艳霞（1984-），女，河南省开封市人。硕士学位。工程师。主要研究方向为空管自动化系统、民航空管安全管理。