CN109191925A - 一种面向四维航迹运行的多空域轨迹规划与协商方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向四维航迹运行的多空域轨迹规划与协商方法，属于空中交通管理领域。该方法首先获取航班飞行计划、空域容量、机场的可用时隙、空中交通流量管理策略信息，确定航班飞行轨迹之间存在相互影响的准则，定义控制空域和中间空域，生成空域航班相互影响关系矩阵，并以此为依据确定需要优先调整的航班轨迹范围，通过改变关键点时间和高度的方式对轨迹进行调整，迭代更新上述矩阵直至相互影响航班的数量为零，规划结果以轨迹共享和协商的方式确定可执行性。本发明能够为支持四维航迹运行的空管自动化系统和管制辅助决策工具的研制提供技术支持。

Description

一种面向四维航迹运行的多空域轨迹规划与协商方法

技术领域

本发明涉及一种多空域轨迹规划与协商方法，具体涉及一种面向四维航迹运行的多空域轨迹规划与协商方法。

背景技术

随着航班量的增加，在交通流密集空域内仍然采用基于飞行计划结合基于经验的间隔调配逐渐不能满足空管运行需要。为此国际民航界提出将基于四维航迹运行作为未来空中交通运行的新理念，它以航空器飞行全生命周期的四维轨迹为中心，空管部门、航空公司、航空器、机场之间共享、协商、管理动态轨迹，实现飞行与管制之间的协同决策。基于四维航迹运行改变了传统将航空器当前位置作为已知条件的运行模式，能够实现高密度、大流量、小间隔条件下的有效空域管理。在起飞前为每个航空器分配一条无冲突的参考飞行轨迹是实现四维航迹运行的基础。

现有研究一般通过构建不同的多目标优化模型和轨迹调整策略对需要规划的所有飞行轨迹在进行全局优化，在理论研究方面已经相对成熟，但这种方法与空管运行实际情况的结合相对较弱。实际运行过程中管制单位负责其所辖空域内的空中交通管制工作，每个责任空域同时可划分成多个扇区由不同的管制员进行管理，航班的一次飞行通常需要经由不同管制单位负责的多个空域和扇区。因此全局式轨迹规划方法计算复杂度较大的同时，也存在各方参与决策程度低导致结果可执行性弱的问题，难以直接用于系统工具的开发中。目前尚缺少一种全面、简便和更贴近空管运行实际的方法实现多空域环境下的无冲突轨迹规划。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明提供一种面向四维航迹运行的多空域轨迹规划与协商方法，该方法可以解决现有技术中规划方法计算复杂和各方参与决策程度低导致结果可执行性弱的问题。

技术方案：本发明所述的面向四维航迹运行的多空域轨迹规划与协商方法，该方法包括：

(1)获取与待规划空域相关的飞行计划、空域结构和容量、机场的可用时隙和空中交通流量管理策略信息，作为轨迹规划模型的输入和约束条件；

(2)根据所述飞行计划的参数：飞行航路、预计撤轮档时间和机型，利用基于航空器性能的轨迹预测模型，生成每条飞行计划的四维轨迹信息；

(3)利用所述空中交通流量管理策略中的计算起飞时间CTOT更新所述航班飞行轨迹，同时通过依次判断飞行航路中关键点归属的管制区域来确定该航班的控制空域和中间空域；

(4)根据步骤(1)中所述的轨迹规划模型的输入和约束条件，确定航班之间存在相互影响的判断准则；

(5)根据所述判断准则，计算所述控制空域在每个中间空域产生相互影响的航班数量，得到空域航班相互影响矩阵，并得到一个中间空域内所有相互影响航班的数量；

(6)根据所述一个中间空域内所有相互影响航班的数量，确定相互影响航班数量最多的中间空域，并确定在所述相互影响航班数量最多的中间空域下产生相互影响航班数最多的控制空域；

(7)调整并更新控制空域的航班四维轨迹，消除其对中间空域的影响；

(8)更新所述空域航班相互影响矩阵，重复步骤(6)到(8)，直至相互影响的航班数量为零，形成规划的无冲突轨迹；

(9)将所述规划的无冲突轨迹中关键点控制到达时间和高度限制在航班起飞前共享给相关的空域扇区和航空器进行协商，确认轨迹的可执行性，通过各方协商确认的轨迹成为航班飞行过程的参考轨迹。

优选的，所述步骤(3)中，控制空域是指航班在待规划空域中第一次出现的空域，中间空域是指航班飞越或者降落的空域，每个航班有且只有一个控制空域，但可以有多个中间空域。

优选的，所述步骤(4)中，相互影响的判断准则具体包括：

(41)超过容量限制：单位时间内经过关键点的航班数超过所述设定的容量值，则认为这些航班之间存在相互影响；

(42)违反流量管理措施：对存在流量管理尾随间隔MIT策略的关键点，前后两个航班之间的时间间隔小于MIT值，则认为这两个航班相互影响；

(43)存在冲突：当两个航空器在经过某个关键点时水平和垂直间隔同时小于最小安全间隔时，则认为两者之间存在相互影响。

优选的，所述步骤(5)中，空域航班相互影响矩阵为：

其中，N为待规划空域的总数，INT(C_i,I_j)表示控制空域为C_i的航班在中间空域I_j内是相互影响航班的数量。

优选的，所述步骤(5)中，一个中间空域内所有相互影响航班的数量，定义为：

优选的，所述步骤(6)中，相互影响航班数量最多的中间空域I_i记为：

I_i＝MAX(U₁,U₂,…,U_N)

其中，U_N为第N个待规划空域内的相互影响航班的数量。

优选的，所述在中间空域I_i产生相互影响航班数最多的控制空域C_j记为：

C_j＝MAX(INT(C₁,I_i),INT(C₂,I_i),…,INT(C_N,I_i))

其中，INT(C_N,I_i)表示控制空域为C_N的航班在中间空域I_i内是相互影响航班的数量。

优选的，所述步骤(7)，调整并更新控制空域的航班四维轨迹，遵循的原则为：

(71)优先调整航班到达时间，当仅调整到达时间无法完全消除相互影响时，考虑调整航班飞行高度；

(72)当单位时间内的航班流量超出设定容量时，将超出的航班后移到下一个时段；

(73)优先处理从前序时段后移到本时段的航班；

(74)优先将航班的控制到达时间确定在预计到达时间之后，当航班在预计到达时间和本时段结束时刻之间没有可用的时隙时，考虑将航班的控制到达时间确定在预计到达时间之前，以满足最大的容量利用。

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：1、本发明为预战术阶段的航空器确定无冲突参考飞行轨迹提供了一种快速实现方法；2、本发明为空管自动化系统和管制辅助决策工具的研发提供了技术支持；3、本发明为基于四维航迹运行技术的运用提供了技术依据；4、本发明易于应用于空管自动化系统或管制辅助工具的研制，支持航班无冲突参考轨迹的生成，促进四维航迹运行技术的应用，提升空中交通运行效率。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为航班控制到达时间和高度分配流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明公开了一种面向四维航迹运行的多空域轨迹规划与协商方法，属于空中交通管理领域。该方法首先获取航班飞行计划、空域容量、机场的可用时隙、空中交通流量管理策略信息，确定航班飞行轨迹之间存在相互影响的准则，定义控制空域和中间空域，形成空域航班相互影响关系矩阵，寻找存在相互影响航班数最多的中间空域I，接着寻找在该中间空域内产生影响航班数量最多的控制空域C，调整控制空域为C的航班四维轨迹，更新空域航班相互影响关系矩阵，直至所有待规划空域内的相互影响航班数量为零。最后将规划的航班轨迹中关键航路点控制到达时间和高度共享给相关的空域扇区和航空器，协商规划轨迹的可执行性，为每个航班生成无冲突的参考轨迹。

本发明主要针对四维航迹运行下的预战术阶段规划，为航空器分配无冲突和可行的参考飞行轨迹，具体步骤如下：

步骤1：获取与待规划空域相关的飞行计划、空域结构和容量、机场的可用时隙、空中交通流量管理策略信息等输入和约束信息，其中流量管理策略主要是尾随间隔MIT，用以确定航班之间的最小间隔；

步骤2：根据飞行计划中的飞行航路、预计撤轮档时间和机型等数据，利用基于航空器性能的轨迹预测模型，生成每条飞行计划的四维轨迹信息；

利用空中交通流量管理策略中的计算起飞时间CTOT更新航班飞行轨迹；同时通过依次判断飞行航路中关键点归属的管制区域来确定该航班的控制空域和中间空域；控制空域是指航班在待规划空域中第一次出现的空域；中间空域是指航班飞越或者降落的空域；每个航班有且只有一个控制空域，但可以有多个中间空域；

步骤3：确定航班之间存在相互影响的依据。空域容量和机场时隙均是对航班总量的控制，本方法将关键点单位时间内通过的最大航班架次作为容量约束条件，判断航班之间存在相互影响的具体情况如下：

1)超过容量限制：单位时间内经过关键点的航班数超过设定的容量值，则认为这些航班之间存在相互影响；

2)违反流量管理措施：对存在流量管理尾随间隔MIT策略的关键点，前后两个航班之间的时间间隔小于MIT值，则认为这两个航班相互影响；

3)存在冲突：当两个航空器在经过某个关键点时水平和垂直间隔同时小于最小安全间隔时，则认为两者之间存在相互影响；本方法中最小垂直安全高度为300米，为简化计算，最小水平间隔采用时间间隔，设置为90秒；

步骤4：依据步骤3中的相互影响判断准则，依次计算控制空域在每个中间空域产生相互影响航班的数量，形成空域航班相互影响矩阵：

对于N个待规划的空域，空域航班相互影响矩阵是一个N×N的矩阵，由控制空域和中间空域两个维度构成；矩阵的每一行代表由该控制空域的航班在相关中间空域内是相互影响航班的数量；矩阵的每一列代表在一个中间空域内由相关控制空域产生的相互影响航班数量。

其中，INT(C_i,I_j)表示控制空域为C_i的航班在中间空域I_j内是相互影响航班的数量。同时可作如下定义：

其中，U_j表示一个中间空域内所有相互影响航班的数量。

步骤5：通过下面的公式确定相互影响航班数量最多的中间空域I_i

I_i＝MAX(U₁,U₂,…,U_N)

确定在中间空域I_i产生相互影响航班数最多的控制空域C_j

C_j＝MAX(INT(C₁,I_i),INT(C₂,I_i),…,INT(C_N,I_i))

步骤6：将15分钟作为时间单元，逐时段通过调整关键点到达时间和高度改变控制空域为C_j的航班四维轨迹，以解决航班之间存在的相互影响，其中遵循的主要原则如下：

1)优先调整航班到达时间，当仅调整到达时间无法完全消除相互影响时，考虑调整航班飞行高度；

2)当单位时间内的航班流量超出设定容量时，将超出的航班后移到下一个时段；

3)优先处理从前序时段后移到本时段的航班；

4)优先将航班的控制到达时间确定在预计到达时间之后，当航班在预计到达时间和本时段结束时刻之间没有可用的时隙时，考虑将航班的控制到达时间确定在预计到达时间之前，以满足最大的容量利用。

步骤7：更新空域航班相互影响矩阵，重复步骤5到7，直至相互影响的航班数量为零或者达到可接受的某个数值，形成规划的无冲突轨迹；

步骤8：将规划的无冲突轨迹中关键点控制到达时间和高度限制在航班起飞前共享给相关的空域扇区和航空器进行协商，地-地之间通过轨迹协商工具实现，空-地之间通过管制员-飞行员数据链通信CPDLC工具实现；轨迹协商过程将规划的无冲突轨迹中关键点控制到达时间和高度共享给相关空域扇区和航空器，其中关键点包括飞行计划中的航路点、区域移交点、终端区走廊口点等。

步骤9：通过各方协商确认的轨迹成为航班飞行过程的参考轨迹。

根据本发明设计思路，开发和实现了无冲突轨迹规划原型工具，并选取全国某典型日航班运行数据进行仿真验证，输入航班计划数据(1629条)和全国空域结构数据，对未来30-120分钟时间范围内北京管制区域的航班轨迹进行规划，每个关键点15分钟内的容量值均设置为7架次，按照权利要求说明书的详细步骤进行计算，确定每条飞行计划的最新四维轨迹，以此为依据统计了5个关键航路点的预计航班流量信息,如下表所示，其中左侧数字表示预计流量值，右侧数字代表设定的容量值。

表1、5个关键航路点的预计航班流量信息

进一步进行计算，可以得到航班在每个关键点的控制到达时间和高度，下面具体给出WXI关键点的时间和高度分配结果的部分示例，其中，高度单位是米。结果的中航班的控制到达高度和控制到达时间可以作为轨迹协商过程的依据。

表2、WXI关键点的时间和高度分配结果的部分示例

当WXI点由于天气等原因预计出现通行能力下降情况时，比如9:00-9：30这半小时内每15分钟容量值下降到3，利用本方法规划的部分结果表3所示：

表3、当出现通行能力下降时，WXI关键点的时间和高度分配结果的部分示例

通过上述的具体实施方法和仿真验证可以说明本发明中提出的方法能够支持预战术阶段无冲突四维轨迹的规划，充分结合了管制实际运行情况，同时计算复杂度相对较低，可以应用于空管自动化系统或管制辅助决策工具的研制，支持航班无冲突参考轨迹的生成。

Claims (8)

1.一种面向四维航迹运行的多空域轨迹规划与协商方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)获取与待规划空域相关的飞行计划、空域结构和容量、机场的可用时隙和空中交通流量管理策略信息，作为轨迹规划模型的输入和约束条件；

(2)根据所述飞行计划的参数：飞行航路、预计撤轮档时间和机型，利用基于航空器性能的轨迹预测模型，生成每条飞行计划的四维轨迹信息；

(3)利用所述空中交通流量管理策略中的计算起飞时间CTOT更新所述航班飞行轨迹，同时通过依次判断飞行航路中关键点归属的管制区域来确定该航班的控制空域和中间空域；

(4)根据步骤(1)中所述的轨迹规划模型的输入和约束条件，确定航班之间存在相互影响的判断准则；

(5)根据所述判断准则，计算所述控制空域在每个中间空域产生相互影响的航班数量，得到空域航班相互影响矩阵，并得到一个中间空域内所有相互影响航班的数量；

(6)根据所述一个中间空域内所有相互影响航班的数量，确定相互影响航班数量最多的中间空域，并确定在所述相互影响航班数量最多的中间空域下产生相互影响航班数最多的控制空域；

(7)调整并更新控制空域的航班四维轨迹，消除其对中间空域的影响；

(8)更新所述空域航班相互影响矩阵，重复步骤(6)到(8)，直至相互影响的航班数量为零，形成规划的无冲突轨迹；

(9)将所述规划的无冲突轨迹中关键点控制到达时间和高度限制在航班起飞前共享给相关的空域扇区和航空器进行协商，确认轨迹的可执行性，通过各方协商确认的轨迹成为航班飞行过程的参考轨迹。

2.根据权利要求1所述的面向四维航迹运行的多空域轨迹规划与协商方法，其特征在于，所述步骤(3)中，控制空域是指航班在待规划空域中第一次出现的空域，中间空域是指航班飞越或者降落的空域，每个航班有且只有一个控制空域，但可以有多个中间空域。

3.根据权利要求1所述的面向四维航迹运行的多空域轨迹规划与协商方法，其特征在于，所述步骤(4)中，相互影响的判断准则具体包括：

(41)超过容量限制：单位时间内经过关键点的航班数超过所述设定的容量值，则认为这些航班之间存在相互影响；

(42)违反流量管理措施：对存在流量管理尾随间隔MIT策略的关键点，前后两个航班之间的时间间隔小于MIT值，则认为这两个航班相互影响；

(43)存在冲突：当两个航空器在经过某个关键点时水平和垂直间隔同时小于最小安全间隔时，则认为两者之间存在相互影响。

4.根据权利要求1所述的面向四维航迹运行的多空域轨迹规划与协商方法，其特征在于，所述步骤(5)中，空域航班相互影响矩阵为：

其中，N为待规划空域的总数，INT(C_i,I_j)表示控制空域为C_i的航班在中间空域I_j内是相互影响航班的数量。

5.根据权利要求4所述的面向四维航迹运行的多空域轨迹规划与协商方法，其特征在于，所述步骤(5)中，一个中间空域内所有相互影响航班的数量，定义为：

6.根据权利要求5所述的面向四维航迹运行的多空域轨迹规划与协商方法，其特征在于，所述步骤(6)中，相互影响航班数量最多的中间空域I_i，记为：

I_i＝MAX(U₁,U₂,…,U_N)

其中，U_N为第N个待规划空域内的相互影响航班的数量。

7.根据权利要求6所述的面向四维航迹运行的多空域轨迹规划与协商方法，其特征在于，所述在中间空域I_i产生相互影响航班数最多的控制空域C_j，记为：

C_j＝MAX(INT(C₁,I_i),INT(C₂,I_i),…,INT(C_N,I_i))

其中，INT(C_N,I_i)表示控制空域为C_N的航班在中间空域I_i内是相互影响航班的数量。

8.根据权利要求1所述的面向四维航迹运行的多空域轨迹规划与协商方法，其特征在于，所述步骤(7)，调整并更新控制空域的航班四维轨迹，遵循的原则为：

(71)优先调整航班到达时间，当仅调整到达时间无法完全消除相互影响时，考虑调整航班飞行高度；

(72)当单位时间内的航班流量超出设定容量时，将超出的航班后移到下一个时段；

(73)优先处理从前序时段后移到本时段的航班；

(74)优先将航班的控制到达时间确定在预计到达时间之后，当航班在预计到达时间和本时段结束时刻之间没有可用的时隙时，考虑将航班的控制到达时间确定在预计到达时间之前，以满足最大的容量利用。