CN104794213A - 基于飞行计划与导航数据库的航迹预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于飞行计划与导航数据库的航迹预测方法，主要针对现有航迹预测方法对于飞机模型、飞行航段以及空间几何计算考虑过于简化的问题而提出，包括水平航迹预测方法和/或垂直航迹预测方法；所述基于飞行计划与导航数据库的航迹预测方法的过程为：获取所述水平航迹预测方法和/或垂直航迹预测方法所需的航迹预测基础数据，所述航迹预测基础数据包括飞行计划、导航数据、飞机性能参数；然后根据航迹预测基础数据，应用水平航迹预测方法和/或垂直航迹预测方法逐段生成飞行全过程的水平航迹与垂直航迹；最后再应用航迹整合方法将水平垂直航迹进行整合为完整的三维航迹；本发明提供了一种覆盖飞行全过程可飞性强的基于飞行计划与导航数据库的航迹预测方法。

Description

基于飞行计划与导航数据库的航迹预测方法

技术领域

本发明涉及空中交通管制领域，特别涉及一种航迹预测方法。

背景技术

现有的空中交通管制系统(ATC)对空中交管员的反应速度、危机处理能力等依赖度过高；交通管理员需要在高负荷的工作状态下长时间保持注意力高度集中，而这种以空中交通管制员为核心的空管系统可能会因为管制员的疏忽或者超负荷工作而引发危机，如果能事先制定合理的飞行轨迹并要求飞机跟随制定的轨迹飞行，则空管部门就能在很大程度上提前预计飞机的飞行轨迹，从而提前进行冲突探测，以避免可能发生的碰撞等事故。在这种需求下，基于轨迹的运行(TBO)和基于性能的导航(PBN)概念被相继提出。尤其在TBO概念下，飞机应当沿着一条制定好的航线进行飞行。而该条航线必须保证飞行的可预测性以及可重复性。因此，在航线制定过程中应当充分考虑飞机性能参数，飞机起降程序以及导航规范，并且选择合理的地理坐标系统。而现有技术中对于航迹的预测或是对起降程序过分简化，或者对实际飞行航段的航段类型考虑过于简化而未充分考虑导航规范，或者将飞机模型过于简化，未考虑飞机一般性能参数。因而不能保证所制定航线的可飞行，可预测性以及可重复性。现有航迹预测方法存在的问题可大致概括为以下四个方面：

1)空间定位点(包括航路点、导航台、强制报告点、伪航路点、跑道入口等)坐标系统采用标准圆球系统，甚至采用二维平面坐标系。在实际系统中，应当采用WGS-84地理坐标系统。

2)飞行阶段划分过于简单，多数成果未考虑飞机标准爬升/下降程序，未考虑终端区标准仪表飞行程序，甚至将整个飞行阶段简单的划分为“直线爬升——平飞巡航——直线下降”三个阶段。在实际系统中应当考虑飞机的标准爬升/下降程序以及终端区标准仪表飞行程序。

3)未考虑实际飞行航段信息，将航段类型过于简化，多数只考虑简单的定位点之间的直线连接，即使考虑转弯衔接，转弯航迹计算也过于简化。未充分考虑航段高度限制及速度限制。在实际系统中，应当根据飞行计划查询导航数据库，严格按照导航数据库对各航段的定义和规范进行航迹预测。

4)飞机模型考虑过于简化，多数将飞机视为匀速运动质点、或者匀加速运动质点。在实际系统中，虽然空管部门进行航迹预测不需要考虑复杂的飞机动力学模型和复杂的性能数据库。然而应当考虑飞机一般性能参数，如部分基本气动参数、最大横倾角、最大水平加速度、最大垂直加速度、最大爬升/下降率、最大垂直速率等，以保证预测出的航迹为可飞航迹。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种覆盖飞行全过程更具有可飞性的航迹预测方法。

为达到上述目的，本发明基于飞行计划与导航数据库的航迹预测方法，包括水平航迹预测方法和/或垂直航迹预测方法；所述基于飞行计划与导航数据库的航迹预测方法的过程为：

1.1获取所述水平航迹预测方法和/或垂直航迹预测方法所需的航迹预测数据，所述航迹预测数据包括飞行计划、导航数据库、飞机性能参数；

1.2根据航迹预测数据，应用水平航迹预测方法和/或垂直航迹预测方法逐段生成飞行全过程的水平航迹与垂直航迹。

1.3应用航迹整合方法将水平垂直航迹进行整合为完整的三维航迹。

优选地，所述水平航迹预测方法的步骤为：

2.1在导航数据库中提取飞行计划的第一、第二条航段数据，设置第一条航段为当前航段，第二条航段为后续航段；

2.2判断是否需要在相邻两航段之间加入转弯衔接：

如需要则采用直线-转弯衔接-直线航迹预测方法生成航迹；

否则将当前航段的终点定义为后续航段的起点，生成一段与当前航段对应的水平预测航迹

2.3一步航迹预测后将后续航段定义为当前航段，将导航数据库中后续航段的下一航段定义为后续航段；转2.2进行下一步预测，直至逐段形成整个飞行过程的全部水平航迹。

优选地，所述直线-转弯衔接-直线航迹预测方法的判断依据及两种不同的预测方法分别为：

如果当前航段和后续航段均为直线型航段，且两航段朝向差超过预设门槛值，则采用直线一转弯衔接一直线预测方法在两直线航段之间插入一段转弯衔接航段。

直线-转弯衔接-直线航迹预测方法的两种不同的具体预测方法分别为：

当前航段终点与后续航段起点的坐标如果相同：

先根据转弯处的预计高度查询速度计划表，估算转弯处的速度，并以此估算转弯半径；

利用转弯半径，以及当前航段和后续航段的朝向计算出转弯中心点坐标；

利用转弯中心点坐标和转弯半径计算出转弯起点和终点；

其中，共生成两段预测水平航迹，第一段为直线型航迹，开始于当前航段的起点，终止于转弯起点。第二段为转弯圆弧型航迹，开始于转弯起点，结束于转弯终点；

或，

当前航段终点与后续航段起点的坐标不同：

根据转弯处的预计高度查询速度计划表，估算转弯处的速度，并以此估算转弯半径；

以当前航段终点为参考，结合当前航段朝向以及转弯半径计算转弯中心，再以计算出的转弯中心点为参考点，结合转弯半径和后续航段的朝向计算转弯终点；其中，共生成两段预测水平航迹，第一段为直线型航迹，开始于当前航段的起点，终止于转弯起点；第二段为转弯圆弧型航迹，开始于转弯起点，结束于转弯终点；

此时，将计算出的转弯终点作为后续航段的起点，将计算出的转弯终点与后续航段终点间的连线作为后续航段。

优选地，所述垂直航迹预测方法包括爬升垂直航迹预测，所述爬升垂直航迹预测的步骤为：

4.1获取所述爬升垂直航迹预测所需的航迹预测基础数据、爬升速度计划表以及飞机基本性能数据；

4.2将起飞跑道出口点设置为第一段垂直航迹起点，按下述方法形成逐段生成垂直航迹，直至爬升至设定的巡航高度；

4.2.1根据本段起点高度在爬升速度计划表中查询相应速度，计算该点垂直航线角(FPA).

4.2.2以计算出的垂直航线角为斜率，在垂直剖面上做斜线，遇到以下两种情况时终止该段垂直航迹预测；

1)斜线在垂直方向截获速度计划表中的某一高度值，则将起点到该截获点之间的斜线作为本段垂直航迹。如截获的高度为巡航高度，则在本次预测之后结束爬升垂直航迹预测；

2)斜线在水平方向上到达水平航迹中某一定位点，则将起点到该点之间的斜线作为本段垂直航迹，如斜线到达定位点处时违反定位点的高度限制，则修改该段垂直航迹。修改方法为，从起点沿原斜线直到截获该定位点限制高度，之后将FPA设置为0，平飞至定位点；

4.2.3将本段预测垂直航迹的终点更新为起点，终点高度更新为起点和高度，如更新后起点高度为10000英尺，则将FPA设为0，加入平飞加速段，计算加速段终点位置，将加速段终点更新为起点；之后转入4.2.1，开始新一步预测。

优选地，所述垂直航迹预测方法包括紧接爬升段垂直航迹预测进行的下降航迹预测，所述下降航迹预测的步骤为：

5.1获取所述爬升航迹预测所需的航迹预测基础数据、爬升速度计划表以及飞机基本性能数据：

5.2计算沿着已经生成的水平航迹距离降落跑道入口点预设距离的空间点的坐标，将其设为下降顶点。以下降顶点为第一段下降垂直航迹的起点，按照下述方法逐段生成下降轨迹，直至最后进近点(针对精密进近)或者复飞点(针对非精密进近)；

5.2.1根据本段起点高度在降落速度计划表中查询相应速度，计算该点FPA。

5.2.2以计算出的FPA为斜率，在垂直剖面上做斜线，遇到以下两种情况时终止本步垂直航迹预测：

1)斜线在垂直方向截获速度计划表中的某一高度值，则将起点到该截获点之间的斜线作为本段垂直航迹；

2)斜线在水平方向上到达水平航迹中某一定位点，则将起点到该点之间的斜线作为本段垂直航迹；如斜线到达定位点处时违反定位点的高度限制，则修改该段垂直航迹。修改方法为，从起点沿原斜线直到截获该定位点限制高度，之后将FPA设置为0，平飞至定位点；如到达点为最后进近点或者复飞点，则结束下降垂直航迹预测；

5.2.3将本步垂直预测轨迹段终点更新为下一步的起点，如更新后起点高度为10000英尺，则将FPA设为0，加入平飞减速段，计算减速段终点位置，将其更新为起点；之后转入5.2.1，开始新一步预测，

优选地，所述垂直航迹预测方法包括紧接下降段航迹预测进行的平飞巡航段垂直航迹预测，所述平飞巡航段垂直航迹预测的步骤为：

6.1以爬升航迹终点作为平飞巡航段起点；

6.2以下降顶点为巡航终点；

6.3巡航起点与终点之间连接一条FPA为0的线段，代表飞机等高巡航。

优选地，还包括水平航迹与垂直航迹整合方法；

7.1分别选取水平航迹上各航段间的衔接点、垂直航迹上各航段间的衔接点；

7.2将这些衔接点同时投影到水平距离坐标轴上、将相邻两投影点之间的线段即代表最终形成的一段预测航迹。

优选地，航迹预测在WGS-84地理坐标系下进行，即航迹预测中涉及的所有空间点的坐标均采用经度-纬度-高度三维坐标体系表示，且任意两空间点之间的连线采用大圆连线。

优选地，所述导航数据库为ARINC 424导航数据库，航迹预测服务器根据用户输入的标准飞行计划在导航数据库中查询并输出的信息对应关系为：

接收用户向所述航迹预测服务器输入起飞机场/跑道标示符，航迹预测服务器查询ARINC 424导航数据库中PA、PG表并输出起飞跑道信息

接收用户向所述航迹预服务器输入离场程序(SID)标识符，航迹预测服务器查询ARINC424导航数据库中PD表并输出离场时各航段信息；

接收用户向所述航迹预服务器输入航路区航线标示符，航迹预测服务器查询ARINC 424数据库中ER、TC表并输出航路区各航段信息；

接收用户向所述航迹预服务器输入到场程序(STAR)标示符，航迹预测服务器查询ARINC 424数据库中PE表并输出进场程序各航段信息；

接收用户向所述航迹预服务器输入进近程序(APCH)标识符，航迹预测服务器查询ARINC 424数据库中PF表并输出进近程序各航段信息；

接收用户向所述航迹预服务器输入降落机场/跑道信息，航迹预测服务器查询ARINC424中PA、PG表并输出降落跑道信息；

所述航迹预测服务器将输出的包含全部航段信息的数据包存储在导航数据信息缓冲区以备航迹预测主机进行全航迹预测。

优选地，所述飞机性能数据与爬升/下降速度计划表来源于BADA手册，包括飞机的基本气动参数，参考爬升/下降速度剖面，参考起飞滑跑距离等。以上飞机性能数据均供航迹制定主机进行全航程航迹制定。

本发明实现的有益效果是：

本发明揭示了针对飞行全过程较为完备的航迹预测方法。本发明中水平航迹预测方法考虑到了转弯衔接，因而预测航迹对飞行器真实水平航迹的拟合程度更高；本发明对于垂直航迹预测考虑到了标准爬升程序、标准下降程序、飞机的性能约束与空管约束使得生成的航迹更具有可飞性；航迹预测中采用WGS-84地理坐标系统，对空间任意定位点均采用三维(经度、纬度、高度)坐标体系表示，使得航迹预测接近真实飞行场景，从而对实际飞行更具备参考价值。

本发明提供了便于自动化空中交通管理的航迹预测方法，使控制台实现了基于终端提供的飞行计划和导航数据库对飞行航迹更真实的模拟，控制台管理员可以借助这个智能的航迹预测系统很容易的制定飞行器的航迹。在制定航线的基础上可以进一步预测飞机轨迹以便于规划控制流量，探测并避免冲突等。

附图说明

图1是本发明实施例1的输入输出图；

图2是本发明实施例1的总体流程图；

图3是本发明实施例1所述导航数据库的查询流程图；

图4是本发明实施例1所述水平航迹预测方法的预测流程图；

图5是本发明实施例1所述爬升段垂直航迹预测的流程图；

图6是本发明实施例1所述下降段垂直航迹预测的流程图；

图7是本发明实施例2所述水平/垂直预测航迹整合示意图

图9是本发明实施例1所述下降航迹预测的相邻点间下降剖面及定位点高度限制违反情况示意图；

图10是本发明实施例1所述水平航迹预测方法中相邻航段衔接类型的示意图；

图11是本发明实施例1所述直线-转弯衔接-直线航迹预测方法中第一种情形的示意图；

图12是本发明实施例1所述直线-转弯衔接-直线航迹预测方法中第二种情形的示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明做进一步的描述。

本发明基于飞行计划与导航数据库的航迹预测方法，包括水平航迹预测方法和/或垂直航迹预测方法以及水平航迹和垂直航迹的整合方法；所述基于飞行计划与导航数据库的航迹预测方法的过程为：

1.1获取所述水平航迹预测方法和/或垂直航迹预测方法所需的航迹预测数据，所述航迹预测基础数据包括飞行计划、导航数据库、飞机性能参数、飞机爬升/下降速度计划；

1.2根据航迹预测数据，应用水平航迹预测方法和/或垂直航迹预测方法逐段生成飞行全过程的水平航迹与垂直航迹。

1.3应用航迹整合方法，将生成的水平航迹与垂直航迹整合为完整的飞行全过程三维航迹。

实施例1：

如图1与2，本实施例基于飞行计划与导航数据库的航迹预测方法，包括水平航迹预测方法与垂直航迹预测方法，其过程为：

1.1航迹预测主机获取所述水平航迹预测方法与垂直航迹预测方法所需的航迹预测基础数据，所述航迹预测基础数据包括飞行计划、导航数据库、飞机性能参数与飞机爬升/下降速度计划。所述飞行计划包含飞行器飞行的全过程中各航段的全部信息；

航迹预测客户端将飞行计划上传到航迹预测服务器；航迹预测服务器根据飞行计划查询导航数据库并载入航迹预测所需的包括(但不仅包括)起始点坐标、各航段信息、飞机性能参数以及飞机爬升/下降速度计划表；

1.2航迹预测服务器根据载入的各航段数据信息、飞机性能参数与飞机爬升/下降速度计划，应用水平航迹预测方法与垂直航迹预测方法逐段生成飞行全过程的水平航迹与垂直航迹

所述水平航迹预测方法的步骤为：

2.1获取所述水平航迹预测方法所需的航迹预测数据；所述水平航迹预测方法所需的用户参数至少包括飞机爬升/下降速度计划信息，巡航高度，巡航速度以及用于判断直线航段水平航迹预测类型的角度偏差门限值；所述飞机性能参数至少包括飞机最大横倾角角，即门限值，飞机最大水平/垂直加速度以及飞机最大速度；所述飞行计划至少包含飞行全过程中各航段的起始点与航段信息；所述水平航迹预测方法的预测过程为：

2.2航迹预测主机将离场程序第一航段定义为当前航段，将紧随当前航段之后的相邻航段定义为后续航段，转入步骤2.3；

2.3航迹预测主机根据以下条件是否成立来决策是否执行不同的预测过程，当且仅当：1)当前航段与后续航段都是直线航段、2)当前航段与后续航段的衔接点不是过点转弯点、3)当前航段与后续航段真朝向差距大于用户设定的某一门限值；上述三个条件均满足时，转至步骤2.4，否则转至步骤2.5；

2.4航迹预测主机采用直线-转弯衔接-直线航迹预测方法定位转弯起点坐标与转弯终点坐标并生成与当前航段相对应的航迹，且生成用于衔接前后航段的转弯航迹，航迹生成后将后续航段定义为当前航段，将紧随后续航段之后的下一航段定义为后续航段，然后转至步骤2.3；

2.5航迹预测主机将当前航段的终点直接定义为后续航段的起点，并形成当前航段对应的水平航迹，航迹生成后将后续航段定义为当前航段，将紧随后续航段之后的下一航段定义为后续航段，然后转至步骤2.3。

重复步骤2.3-2.5，直至逐段形成整个飞行过程的全部水平航迹、水平航迹预测终止。

如图3，所述水平航迹预测方法具体过程如下：

2.Ⅰ航迹预测服务器载入飞行计划计划各航段的信息，所述飞行计划各航段的信息包括各航段的定位点信息(包括坐标，高度限制，速度限制，是否过点转弯等)与航段类型，航迹预测服务器定义离场程序第一航段为当前航段；

2.Ⅱ航迹预测服务器根据各航段类型信息判断当前航段是否为转弯飞行段，如果是则缓存当前航段并中止，航迹预测服务器将当前航段的终点设置为后续航段的起点并生成当前航段的水平航迹(图10中C类即弧线-直线型或D类即弧线-弧线型)；

2.Ⅲ如果当前航段不是转弯飞行段而是直线飞行段则航迹预测主机继续读取当前航段终点类型并判断当前航段终点是否为过点飞越点，如果是则缓存当前航段并中止，航迹预测主机将当前航段的终点设置为后续航段的起点并生成当前航段对应的水平航迹(图10中B类即直线-直线型或者C类即直线-弧线型)；

2.Ⅳ如果当前航段的终点不是过点飞越点则航迹预测主机继续读取后续航段类型信息并判断后续航段是否为转弯航段，如果是则存储当前航段并中止，航迹预测主机将当前航段的终点设置为后续航段的起点并生成当前航段对应的水平航迹(图10中C类直线-弧线型)；

2.Ⅴ如果后续航段不是转弯航段而是直线飞行段则判断当前航段与后续航段的真朝向差距是否小于门限制，如果是则缓存当前航段并中止，航迹预测主机将当前航段的终点设置为后续航段的起点并生成当前航段对应的水平航迹(所述相邻航段航迹为图10中B类即直线-直线型)；

2.Ⅵ如果当前直线飞行段与后续直线飞行段的真朝向差距大于或等于门限值，则采用航迹预测主机中的直线-转弯衔接-直线航迹预测方法由转弯半径以及转弯角度参数计算出当前航段与后续航段间的转弯飞行衔接段的转弯起点坐标与转弯终点坐标，航迹预测服务器将转弯起点坐标设置为当前航段的终点、将转弯终点坐标设置为后续航段的起点并生成当前航段对应的水平航迹以及转弯衔接水平航迹(图10中A类即直线-转弯衔接-直线型)并缓存。

2.Ⅶ航迹预测主机根据各航段终点信息判断后续航段终点是否为降落跑道入口或者复飞点，如果是则终止水平航迹预测，如果后续航段终点不是降落跑道入口或者复飞点则将后续航段设置为当前航段，并转由步骤2.Ⅱ重新开始预测直至终止。

。

如图11与12，所述直线-转弯衔接-直线航迹预测方法根据两种不同情形分别为

Ⅰ当前航段终点与后航段起点的坐标如果相同，则首先根据转弯处的预计高度(可根据转弯所在航路点高度限制大概预测该出高度，此处预计的偏差对航迹预测结果并无明显影响)查询速度计划表获得此处速度，利用估计速度按照下式计算转弯半径；

$R=V_{\mathrm{TAS}}^2/g\tan \left(\mathrm{\φ}\right)$

其中，R为转弯半径，为预计速度，g为重力加速度，为预计横倾角。之后可利用计算出的转弯半径代入下式，以计算转弯中心点。

$\left\{\begin{array}{c}{N}_1\·P_c=R/R_n\\ N_2\·P_c=R/R_n\\ \left|\right|P_c\left|\right|=1\end{array}\right.$

其中P_c(x，y，z)为转弯中心点处的单位向量，该向量与经纬度坐标关系如下：

$\left\{\begin{array}{c}x=\cos \left(\mathrm{LAT}\right)\cos \left(\mathrm{LON}\right)\\ y=\cos \left(\mathrm{LAT}\right)\sin \left(\mathrm{LON}\right)\\ z=\sin \left(\mathrm{LON}\right)\end{array}\right.$

LAT，LON分别为纬度，经度数值。N₁，N₂分别代表前航段，后续航段所在大圆面的单位法向量。最后，如下式所示计算转弯起点和终点。

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{ap}\_\mathrm{start}}=N_1\×(P_c\×N_1)\\ P_{\mathrm{ap}\_\mathrm{end}}=N_2\×(P_c\×N_2)\end{array}\right.$

P_{ap_star}，P_{ap_end}分别为转弯起点，终点对应的直角坐标，将其归一化之后，利用(3)式中的关系可以反推出这两点的经纬度坐标。

Ⅱ当前航段终点与后续航段起点的坐标如果不同，则首先按照上段所述估算转弯半径，之后将当前航段终点设为转弯起点。并根据转弯起点坐标，计算得到的转弯半径和当前航段的朝向，按照下面的方法计算转弯中心点：

首先计算转弯起点和转弯中心点张成的平面的法向量：

N＝P_r×P_u

其中，N为计算得到的法向量，P_r为参考点单位向量(此处参考点为转弯起点)，P_u为未知点单位向量(此处未知点为转弯中心点)。

之后计算参考点处东向单位向量如下：

$\mathrm{Es}{t}_{\mathrm{unit}}=\frac{Z\×P_r}{\left|\right|Z\×P_r\left|\right|}$

其中，Z＝(0，0，1)。之后计算参考点处单位北向向量如下：

$\mathrm{Nt}{h}_{\mathrm{unit}}=\frac{P_r\×\mathrm{Es}{t}_{\mathrm{unit}}}{\left|\right|P_r\×\mathrm{Es}{t}_{\mathrm{unitr}}\left|\right|}$

最后，根据下式计算转弯中心点坐标：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{co}{s}^{-1}(P_r\·P_u)R_n=d\\ \mathrm{\θ}=\mathrm{ta}{n}^{-1}\left(\frac{-N\·\mathrm{Nt}{h}_{\mathrm{unit}}}{N\·\mathrm{Es}{t}_{\mathrm{unit}}}\right)\\ \left|\right|P_u\left|\right|=1\end{array}\right.$

其中，θ为参考点到未知点连线的方向，此处为转弯起点到转弯中心点连线的方向，该连线与当前航段垂直，两者相差90°。

计算得到转弯中心点坐标以后，用上述同样的方法可以计算得到转弯终点的坐标，不用在于此时参考点设为转弯中心点，未知点为转弯终点。

以上两种情况中，在计算得到转弯起点，终点，中心点的坐标以后，均生成两段水平预测航迹，第一段为当前航段起点到转弯起点之间的直线型航迹，第二段为转弯起点到转弯终点之间的圆弧型航迹。生成的航迹分别如图10，和图11中的实线部分所示。

如图5与图8，所述垂直航迹预测方法包括爬升垂直航迹预测，所述爬升垂直航迹预测的步骤为：

4.1获取所述爬升垂直航迹预测所需的航迹预测数据，所述航迹预测数据为爬升速度计划、巡航高度、已经生成的水平预测航迹数据以及飞机性能参数，所述爬升航迹预测所需的已有水平预测航迹数据包括水平预测航迹中定位点的高度限制及其坐标；所述爬升航迹预测所需的飞机性能参数至少包括最大水平加速度以及各基本气动参数；

4.2将起飞跑道出口设为第一段爬升垂直航迹起点；

4.3计算起点处FPA，并在垂直平面内做斜线，如果该斜线在垂直方向上截获速度计划表中某一阶梯高度线，则转入4.4。如果该斜线截获水平航迹中某一定位点处的垂直横截面，则转入4.5.

4.4将截获点设置为本垂直航迹段终点，本段内速度恒定，该速度按照爬升速度计划表中的规定，根据本段高度区间确定。如果当前截获高度为10000英尺，则转入4.4.1。如果当前截获高度值为巡航高度，则结束爬升垂直航迹预测；

4.4.1以当前航迹段终点为加速起点，将FPA设置为0，加入10000英尺平飞加速段，加速终点为本加速航迹段终点，之后转入4.6；

4.5将截获点设置为本垂直航迹段终点，检测终点处高度是否超过定位点高度限制，若未超过，则转入4.5.1，否则转入4.5.2；

4.5.1连接起点和终点间的斜线，作为本段垂直航迹。段内速度恒定，该速度按照爬升速度计划表中的规定，根据本段高度区间确定；

4.5.2修改终点。首先获取斜线与定位点限制高度线的截获点，之后将FPA设置为0，从高度截获点开始作水平线并于定位点处垂直横截面相交，将交点更新为本段终点。段内速度恒定，该速度按照爬升速度计划表中的规定，根据本段高度区间确定；

4.6将当前航迹段终点更新为下一段起点，转入4.3。

如图6与图9，所述垂直航迹预测方法包括紧接爬升段垂直航迹预测进行的下降垂直航迹预测，所述下降垂直航迹预测的步骤为：

5.1获取所述下降垂直航迹预测所需的航迹预测数据，所述航迹预测数据为下降速度计划、已经生成的水平预测航迹数据以及飞机性能参数，所述下降航迹预测所需的已有水平预测航迹数据包括水平预测航迹中定位点的高度限制及其坐标；所述下降航迹预测所需的飞机性能参数至少包括最大水平加速度以及各基本气动参数；

5.2计算沿已生成水平航迹，距离降落跑道口100海里位置点的坐标，将其定位下降顶点，并设为首段下降航迹的起点；

5.3计算起点处FPA，并在垂直平面内做斜线，如果该斜线在垂直方向上截获速度计划表中某一阶梯高度线，则转入5.4。如果该斜线截获水平航迹中某一定位点处的垂直横截面，则转入5.5.

5.4将截获点设置为本垂直航迹段终点，本段内速度恒定，该速度按照爬升速度计划表中的规定，根据本段高度区间确定。如果当前截获高度为10000英尺，转入5.4.1；

5.4.1以当前航迹段终点为减速起点，将FPA设置为0，加入10000英尺平飞减速段，减速终点为本减速航迹段终点，之后转入5.6；

5.5将截获点设置为本垂直航迹段终点，检测终点处高度是否低于定位点高度限制，若未低于，则转入5.5.1，否则转入5.5.2；

5.5.1连接起点和终点间的斜线，作为本段垂直航迹。段内速度恒定，该速度按照爬升速度计划表中的规定，根据本段高度区间确定；

5.5.2修改终点。首先获取斜线与定位点限制高度线的截获点，之后将FPA设置为0，从高度截获点开始作水平线并于定位点处垂直横截面相交，将交点更新为本段终点。段内速度恒定，该速度按照爬升速度计划表中的规定，根据本段高度区间确定。如果当前截获水平航迹中定位点为最后进近点(针对精密进近)，则转入5.7；或者如果当前截获水平航迹中定位点为复飞点(对于非精密进近)，则转入5.8；

5.6将当前航迹段终点更新为下一段起点，转入5.3。

5.7将最后进近点作为最后一段垂直航迹的起点，按照导航数据库中规定的垂直下滑，将最后进近点与降落跑道入口点相连，并以此作为最后一段下降垂直航迹；

5.8结束下降垂直航迹预测。

所述垂直航迹预测方法包括紧接下降垂直航迹预测进行的巡航段垂直航迹预测；

如图6，所述巡航阶段垂直航迹预测的具体过程如下：

6.1以爬升垂直航迹终点作为巡航段起点，以下降顶点为巡航终点；

6.2生成由巡航起点开始，在巡航高度以巡航速度等速平飞到巡航终点的等高等速垂直航迹。

参照图3，所述导航数据库为ARINC 424导航数据库，航迹预测服务器根据用户输入的标准飞行计划在导航数据库中查询并输出的信息对应关系为：

接收用户向所述航迹预测服务器输入起飞机场/跑道标示符，航迹预测服务器查询ARINC 424导航数据库中PA、PG表并输出起飞跑道信息

接收用户向所述航迹预服务器输入离场程序(SID)标识符，航迹预测服务器查询ARINC424导航数据库中PD表并输出离场时各航段信息；

接收用户向所述航迹预服务器输入航路区航线标示符航迹预测服务器查询ARINC 424数据库中ER、TC表并输出航路区各航段信息；

接收用户向所述航迹预服务器输入到场程序(STAR)标示符，航迹预测服务器查询ARINC 424数据库中PE表并输出进场程序各航段信息；

接收用户向所述航迹预服务器输入进近程序(APCH)标识符，航迹预测服务器查询ARINC 424数据库中PF表并输出进近程序各航段信息；

接收用户向所述航迹预服务器输入降落机场/跑道信息，航迹预测服务器查询ARINC424中PA、PG表并输出降落跑道信息；

所述航迹预测服务器将输出的包含全部航段信息的数据包存储在导航数据信息缓冲区以备航迹预测主机进行全航迹预测。

实施例2：

如图7，本实施例所述的基于飞行计划与导航数据库的航及预测方法，整体过程以及水平航迹预测与垂直航迹预测均采用与实施例1相同的方法，不同之处在于，还包括水平航迹与垂直航迹整合方法，即：

选取水平航迹上的各段之间的衔接点(经度-纬度)与垂直航迹上的各段之间的衔接点(高度-水平距离)，将这些衔接点同时投影到水平距离坐标轴上，相邻投影点之间的水平航迹和垂直航迹经过整合即构成了最终的三维航迹。

水平垂直航迹整合的过程为：

首先将预测水平飞行航迹“拉直”——即依次计算各水平飞行段的长度，并将其投影到一条直线上。如图9中，水平飞行段包括h1h2，h2h3……h8h9共8段，依次计算每一段的长度，然后将其投影到一条直线上。例如h1h2投影到hd1hd2。

之后将预测垂直飞行航迹“拉直”——即依次将各垂直飞行段投影到一条直线上(垂直飞行段长度已经包含在每一段的记录信息中)。垂直飞行段包括v1v2，v2v3….v5v6共5段，依次将每一段投影到直线上。例如v1v2投影到vd1vd2。

最后根据直线上所有投影点(包括水平和垂直)距离零距离点的远近排序，相邻两点之间即构成一段飞行段。例如：vd2hd2段在水平方向为直线飞行，在垂直方向上为平飞，因此该段为直线平飞段，；hd2hd3段在水平方向为转弯飞行，在垂直方向上为平飞，因此该段为转弯平飞段。

以上，仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于飞行计划与导航数据库的航迹预测方法，其特征在于，包括水平航迹预测方法和/或垂直航迹预测方法；所述基于飞行计划与导航数据库的航迹预测方法的过程为：

1.1获取所述水平航迹预测方法和/或垂直航迹预测方法所需的航迹预测数据，所述航迹预测数据包括飞行计划、导航数据库、飞机性能参数；

1.2根据航迹预测数据，应用水平航迹预测方法和/或垂直航迹预测方法逐段生成飞行全过程的水平航迹与垂直航迹。

1.3应用航迹整合方法将水平垂直航迹进行整合为完整的三维航迹。

2.如权利要求1所述的基于飞行计划与导航数据库的航迹预测方法，其特征在于，所述水平航迹预测方法的步骤为：

2.1在导航数据库中提取飞行计划的第一、第二条航段数据，设置第一条航段为当前航段，第二条航段为后续航段；

2.2判断是否需要在相邻两航段之间加入转弯衔接：

如需要则采用直线-转弯衔接-直线航迹预测方法生成航迹；

否则将当前航段的终点定义为后续航段的起点，生成一段与当前航段对应的水平预测航迹

2.3一步航迹预测后将后续航段定义为当前航段，将导航数据库中后续航段的下一航段定义为后续航段；转2.2进行下一步预测，直至逐段形成整个飞行过程的全部水平航迹。

3.如权利要求2所述的基于飞行计划与导航数据库的航迹预测方法，其特征在于，所述直线-转弯衔接-直线航迹预测方法的判断依据及两种不同的预测方法分别为：

如果当前航段和后续航段均为直线型航段，且两航段朝向差超过预设门槛值，则采用直线-转弯衔接-直线预测方法在两直线航段之间插入一段转弯衔接航段。

直线-转弯衔接-直线航迹预测方法的两种不同的具体预测方法分别为：

当前航段终点与后续航段起点的坐标如果相同：

先根据转弯处的预计高度查询速度计划表，估算转弯处的速度，并以此估算转弯半径；

利用转弯半径，以及当前航段和后续航段的朝向计算出转弯中心点坐标；

利用转弯中心点坐标和转弯半径计算出转弯起点和终点；

其中，共生成两段预测水平航迹，第一段为直线型航迹，开始于当前航段的起点，终止于转弯起点。第二段为转弯圆弧型航迹，开始于转弯起点，结束于转弯终点；

或，

当前航段终点与后续航段起点的坐标不同：

根据转弯处的预计高度查询速度计划表，估算转弯处的速度，并以此估算转弯半径；

以当前航段终点为参考，结合当前航段朝向以及转弯半径计算转弯中心，再以计算出的转弯中心点为参考点，结合转弯半径和后续航段的朝向计算转弯终点；其中，共生成两段预测水平航迹，第一段为直线型航迹，开始于当前航段的起点，终止于转弯起点；第二段为转弯圆弧型航迹，开始于转弯起点，结束于转弯终点；

此时，将计算出的转弯终点作为后续航段的起点，将计算出的转弯终点与后续航段终点间的连线作为后续航段。

4.如权利要求1所述的基于飞行计划与导航数据库的航迹预测方法，其特征在于，所述垂直航迹预测方法包括爬升垂直航迹预测，所述爬升垂直航迹预测的步骤为：

4.1获取所述爬升垂直航迹预测所需的航迹预测基础数据、爬升速度计划表以及飞机基本性能数据；

4.2将起飞跑道出口点设置为第一段垂直航迹起点，按下述方法形成逐段生成垂直航迹，直至爬升至设定的巡航高度；

4.2.1根据本段起点高度在爬升速度计划表中查询相应速度，计算该点垂直航线角(FPA).

4.2.2以计算出的垂直航线角为斜率，在垂直剖面上做斜线，遇到以下两种情况时终止该段垂直航迹预测；

1)斜线在垂直方向截获速度计划表中的某一高度值，则将起点到该截获点之间的斜线作为本段垂直航迹。如截获的高度为巡航高度，则在本次预测之后结束爬升垂直航迹预测；

2)斜线在水平方向上到达水平航迹中某一定位点，则将起点到该点之间的斜线作为本段垂直航迹，如斜线到达定位点处时违反定位点的高度限制，则修改该段垂直航迹。修改方法为，从起点沿原斜线直到截获该定位点限制高度，之后将FPA设置为0，平飞至定位点；

4.2.3将本段预测垂直航迹的终点更新为起点，终点高度更新为起点和高度，如更新后起点高度为10000英尺，则将FPA设为0，加入平飞加速段，计算加速段终点位置，将加速段终点更新为起点；之后转入4.2.1，开始新一步预测。

5.如权利要求1所述的基于飞行计划与导航数据库的航迹预测方法，其特征在于，所述垂直航迹预测方法包括紧接爬升段垂直航迹预测进行的下降航迹预测，所述下降航迹预测的步骤为：

5.1获取所述爬升航迹预测所需的航迹预测基础数据、爬升速度计划表以及飞机基本性能数据：

5.2计算沿着已经生成的水平航迹距离降落跑道入口点预设距离的空间点的坐标，将其设为下降顶点。以下降顶点为第一段下降垂直航迹的起点，按照下述方法逐段生成下降轨迹，直至最后进近点(针对精密进近)或者复飞点(针对非精密进近)；

5.2.1根据本段起点高度在降落速度计划表中查询相应速度，计算该点FPA。

5.2.2以计算出的FPA为斜率，在垂直剖面上做斜线，遇到以下两种情况时终止本步垂直航迹预测：

1)斜线在垂直方向截获速度计划表中的某一高度值，则将起点到该截获点之间的斜线作为本段垂直航迹；

2)斜线在水平方向上到达水平航迹中某一定位点，则将起点到该点之间的斜线作为本段垂直航迹；如斜线到达定位点处时违反定位点的高度限制，则修改该段垂直航迹。修改方法为，从起点沿原斜线直到截获该定位点限制高度，之后将FPA设置为0，平飞至定位点；如到达点为最后进近点或者复飞点，则结束下降垂直航迹预测；

5.2.3将本步垂直预测轨迹段终点更新为下一步的起点，如更新后起点高度为10000英尺，则将FPA设为0，加入平飞减速段，计算减速段终点位置，将其更新为起点；之后转入5.2.1，开始新一步预测，

6.如权利要求1所述的基于飞行计划与导航数据库的航迹预测方法，其特征在于，所述垂直航迹预测方法包括紧接下降段航迹预测进行的平飞巡航段垂直航迹预测，所述平飞巡航段垂直航迹预测的步骤为：

6.1以爬升航迹终点作为平飞巡航段起点；

6.2以下降顶点为巡航终点；

6.3巡航起点与终点之间连接一条FPA为0的线段，代表飞机等高巡航。

7.如权利要求1所述的基于飞行计划与导航数据库的航迹预测方法，其特征在于，还包括水平航迹与垂直航迹整合方法：

7.1分别选取水平航迹上各航段间的衔接点、垂直航迹上各航段间的衔接点；

7.2将这些衔接点同时投影到水平距离坐标轴上、将相邻两投影点之间的线段即代表最终形成的一段预测航迹。

8.如权利要求1所述的基于飞行计划与导航数据库的航迹预测方法，其特征在于，航迹预测在WGS-84地理坐标系下进行，即航迹预测中涉及的所有空间点的坐标均采用经度-纬度-高度三维坐标体系表示，且任意两空间点之间的连线采用大圆连线。

9.如权利要求1所述的基于飞行计划与导航数据库的航迹预测方法，其特征在于，所述导航数据库为ARINC 424导航数据库，航迹预测服务器根据用户输入的标准飞行计划在导航数据库中查询并输出的信息对应关系为：

接收用户向所述航迹预测服务器输入起飞机场/跑道标示符，航迹预测服务器查询ARINC 424导航数据库中PA、PG表并输出起飞跑道信息

接收用户向所述航迹预服务器输入离场程序(SID)标识符，航迹预测服务器查询ARINC424导航数据库中PD表并输出离场时各航段信息；

接收用户向所述航迹预服务器输入航路区航线标示符，航迹预测服务器查询ARINC 424数据库中ER、TC表并输出航路区各航段信息；

接收用户向所述航迹预服务器输入到场程序(STAR)标示符，航迹预测服务器查询ARINC 424数据库中PE表并输出进场程序各航段信息；

接收用户向所述航迹预服务器输入进近程序(APCH)标识符，航迹预测服务器查询ARINC 424数据库中PF表并输出进近程序各航段信息；

接收用户向所述航迹预服务器输入降落机场/跑道信息，航迹预测服务器查询ARINC424中PA、PG表并输出降落跑道信息；

所述航迹预测服务器将输出的包含全部航段信息的数据包存储在导航数据信息缓冲区以备航迹预测主机进行全航迹预测。

10.如权利要求1所述的基于飞行计划与导航数据库的航迹预测方法，其特征在于，所述飞机性能数据与爬升/下降速度计划表来源于BADA手册，包括飞机的基本气动参数，参考爬升/下降速度剖面，参考起飞滑跑距离等。以上飞机性能数据均供航迹制定主机进行全航程航迹制定。