CN111488849A - 一种对轨迹中圆形盘旋的特征识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对轨迹中圆形盘旋的特征识别方法。该方法根据空管二次雷达记录的民航飞机空中交通轨迹数据，依次分析各个航迹的航向信息，提出自动化识别轨迹中圆形盘旋特征的方法。识别的圆形盘旋特征包括：盘旋开始航迹、盘旋结束航迹、盘旋等待时间和盘旋圈数。本发明与现有方法相比具有两个优点：第一，通过调节四个自定义参数，方法适用于轨迹中存在噪声航迹和记录误差等低质量数据的情况，健壮性强；第二，该方法实现了对轨迹数据中圆形盘旋特征的自动化识别，避免了传统方式下的人工记录，有效降低了空中交通管制员的工作负荷，提高了运行效率。

Description

一种对轨迹中圆形盘旋的特征识别方法

技术领域

本发明涉及民航空中交通管理中的数据挖掘，具体涉及一种对轨迹中圆形盘旋的特征识别方法。

背景技术

在空中交通管制工作中，为了保障前后民航飞机之间具备足够的间隔，管制员经常指挥跟随飞机实施盘旋等待。盘旋等待的具体原因一般包括流量控制、机场、放油、天气、空域、军方活动和特情等。其中一种常见的盘旋等待是圆形盘旋。

在海量的民航飞机监视轨迹数据中，盘旋等待轨迹数量很少，而且与通常由直线与转弯组合而成的一般轨迹相比，特征差异显著，属于异常轨迹。但民航轨迹数据挖掘领域对异常轨迹的研究，通常局限在飞机飞行过程中发生航路、航线的偏离，速度突然增加、减少，高度变化过快，出现在未经允许的区域(如危险区、限制区、禁区等)。目前，国内尚没有自动化识别轨迹中所包含的圆形盘旋特征的方法。

盘旋等待程序保障了飞行安全，但同时也延缓了空中交通进程，影响了飞行效率和航班正常性。各地区空管单位都开展了盘旋等待事件的记录工作，增加了空中交通管制员的工作负荷。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的是根据空管二次雷达记录的民航飞机空中交通轨迹数据，依次分析各个航迹的航向信息，提出自动化识别轨迹中圆形盘旋特征的方法。识别的圆形盘旋特征包括：盘旋开始航迹、盘旋结束航迹、盘旋等待时间和盘旋圈数。

本发明采取的技术方案是：一种对轨迹中圆形盘旋的特征识别方法，其特征在于，首先定义所述方法中所采用的两个概念：航迹和轨迹，其中航迹定义为一个六维向量：

P＝(x,y,z,v,h,t)

式中：x、y、z、v、h、t分别表示航迹P的经度、纬度、高度、速度、航向和记录时刻；轨迹定义为航迹的集合：

T＝{P₁,P₂,…,P_i,…,P_n}

式中：P_i表示轨迹T中第i个航迹，n为航迹总数。

所述方法有如下步骤：

一、输入轨迹

输入已知一条包含圆形盘旋的轨迹。

二、设定参数

设定进入转弯阈值、窗口长度、持续转弯阈值和圆形盘旋阈值四个参数。

三、计算全部航向差

如果飞机向右转弯，计算方法如式(1)所示：

式中，h_i+1表示后一个航迹的航向，单位：度；h_i表示前一个航迹的航向，单位：度；Δh_i表示两个相邻航迹的航向差，单位：度。

如果飞机向左转弯，计算方法如式(2)所示：

式中，h_i+1表示后一个航迹的航向，单位：度；h_i表示前一个航迹的航向，单位：度；Δh_i表示两个相邻航迹的航向差，单位：度。

四、分析第一个航向差

从第1个航向差Δh₁开始分析。

五、判断进入转弯

假如第i个航向差Δh_i小于所设定的进入转弯阈值，则继续分析第i+1个航向差Δh_i+1……依次类推，直到满足步骤六条件，进入步骤六。

六、识别转弯开始航迹

假如编号为b的航向差Δh_b大于所设定的进入转弯阈值，则标记该编号b的航迹P_b为转弯开始航迹。

七、计算窗口转弯航向

窗口转弯航向的计算方法如式(3)所示：

式中，W_b表示转弯开始航迹P_b的窗口转弯航向，单位：度；b表示转弯开始航迹P_b的编号；w表示窗口长度；Δh_i表示两个相邻航迹的航向差，单位：度。

八、判断持续转弯

假如编号为b的窗口转弯航向W_b大于所设定的持续转弯阈值，则识别该编号b的航迹P_b在持续转弯，继续分析编号b+1的航迹P_b+1，计算编号b+1的航迹P_b+1的窗口转弯航向W_b+1……依次类推，直到满足步骤九条件，进入步骤九。

九、识别转弯结束航迹

假如编号为e的窗口转弯航向W_e小于所设定的持续转弯阈值，则标记该编号e的航迹P_e为转弯结束航迹。

十、计算总转弯航向

总转弯航向计算方法如式(4)所示：

式中，H表示总转弯航向，单位：度；b表示转弯开始航迹P_b的编号；e表示转弯结束航迹P_e的编号；Δh_i表示两个相邻航迹的航向差，单位：度。

十一、判断形成圆形盘旋

如果总转弯航向小于所设定的圆形盘旋阈值，则继续分析下一个即编号e的航向差Δh_e，返回步骤五；如果总转弯航向大于所设定的圆形盘旋阈值，则判断该次转弯形成了圆形盘旋；十二、标记盘旋起止航迹

标记转弯开始航迹P_b为盘旋开始航迹，标记转弯结束航迹P_e为盘旋结束航迹；

十三、计算盘旋等待时间

盘旋等待时间计算方法如式(5)所示：

Δt＝t_e-t_b (5)

式中，Δt表示盘旋等待时间，t_e表示盘旋结束时刻，t_b表示盘旋开始时刻。

十四、计算盘旋圈数

盘旋圈数计算方法如式(6)所示：

式中，N表示盘旋圈数，H表示总转弯航向，单位：度。

十五、输出圆形盘旋特征

输出盘旋开始航迹、盘旋结束航迹、盘旋等待时间、盘旋圈数。

本发明与现有方法相比具有两个优点：第一，通过调节四个自定义参数，方法适用于轨迹中存在噪声航迹和记录误差等低质量数据的情况，健壮性强；第二，该方法实现了对轨迹数据中圆形盘旋特征的自动化识别，避免了传统方式下的人工记录，有效降低了空中交通管制员的工作负荷，提高了运行效率。

附图说明

图1为本发明方法步骤流程图；

图2为本发明实施例中包含圆形盘旋的轨迹示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

具体步骤如下：

一、输入轨迹

输入2019年8月17日某国内航班进场真实轨迹数据。

该轨迹从东北向西南方向进场，包含直线飞行、左转弯、右转弯和一个圆形盘旋，兼有各类飞行特征，具有一般性，如图2所示(图2中横坐标表示经度，纵坐标表示纬度)。该轨迹数据如表1所示：

表1轨迹数据

注：记录时刻的格式为年yyyy月mm日dd时hh分mm秒ss，一般8～10秒记录一次。

二、设定参数

1.进入转弯阈值：由表1可知，飞机在直线段飞行时，航向会在该直线方向两侧产生小幅度的偏差。所以定义该参数，表示相邻航迹记录时刻的时间间隔内，只有飞机航向变化的绝对值大于该值，才被本方法识别为飞机进入转弯。该参数取值越小，本方法对航向变化越敏感，越能对更多的疑似盘旋进行分析，但会增大方法计算量。本次实验设定进入转弯阈值为8(度)。

2.窗口长度：由表1可知，飞机在持续转弯过程中，由于空管二次雷达记录设备误差或者飞行技术原因，航向变化率(即转弯率，度/秒)并不稳定，甚至存在反向变化的情况。此外，存在单位时间内航向变化很小的缓慢转弯。所以定义该参数，利用窗口长度数量的连续航向差之和，作为判断飞机是否持续转弯的标准。该参数取值越大，对航向变化的容错率越高，对缓慢转弯漏判的可能性越小。本次实验设定窗口长度为3(个)。

3.持续转弯阈值：只有窗口转弯航向的绝对值大于该值，才被本方法识别为飞机在持续转弯。该参数取值越小，本方法对航向变化越敏感，越能对更多的疑似盘旋进行分析，但会增大方法计算量。该参数的最大值一般不超过进入转弯阈值×窗口长度。本次实验设定持续转弯阈值为20(度)。

4.圆形盘旋阈值：由图2可知，由于空管二次雷达记录设备误差、飞行技术、天气情况等因素，轨迹中包含的圆形盘旋并不是“完美”的圆形。所以定义该参数，一般略小于360度，只要飞机总转弯航向变化大于该值，本方法就认定该次转弯为圆形盘旋。本次实验设定圆形盘旋阈值为350(度)。

三、计算全部航向差

按照式(1)和式(2)，依次计算该轨迹前后航迹的航向差，计算结果组成该轨迹的航向差向量，表示相邻记录时刻的时间间隔里面飞机转弯的角度，如表2所示。

表2全部航向差

四、分析第一个航向差

从第1个航向差Δh₁开始分析。

五、判断进入转弯由表2可知，第1个，第2个……依次计算到第15个航向差的绝对值都小于设定的进入转弯阈值8(度)，直到第16个航向差。

六、识别转弯开始航迹

第16个(即编号b)航向差(即Δh_b)为9(度)，该航向差绝对值大于设定的进入转弯阈值8(度)，因此标记第16个航迹(即P_b)为转弯开始航迹。该航迹如表3所示。

表3转弯开始航迹数据

七、计算窗口转弯航向

按照式(3)的计算方法，从第16个航迹开始，计算3个(即窗口长度w)连续航向差之和，即窗口转弯航向为41(度)。因为窗口转弯航向的绝对值41(度)大于设定的持续转弯阈值20(度)，继续计算第17个(即编号b+1)航迹的窗口转弯航向的绝对值为47(度)……依次类推，相关航迹的窗口转弯航向计算结果如表4所示。

表4相关航迹的窗口转弯航向

八、判断持续转弯由表4可知，第16个，第17个……依次计算至第42个航迹的窗口转弯航向的绝对值均大于所设定的持续转弯阈值20(度)，识别第16到第42编号的航迹均在持续转弯，直到第43个航迹的窗口转弯航向。

九、识别转弯结束航迹

第43个(即编号e)航迹的窗口转弯航向(即W_e)为5(度)，该窗口转弯航向的绝对值小于设定的持续转弯阈值20(度)，因此标记第43个航迹(即P_e)为转弯结束航迹。该航迹如表5所示。

表5转弯结束航迹数据

十、计算总转弯航向

按照式(4)，计算从转弯开始航迹即第16个航迹到转弯结束航迹即第43个航迹的连续航向差之和，得到总转弯航向为371(度)。

十一、判断形成圆形盘旋

因为总转弯航向371(度)大于设定的圆形盘旋阈值350(度)，因此标记在该轨迹中识别到了圆形盘旋。

十二、标记盘旋起止航迹

标记第16个航迹为盘旋开始航迹，标记第43个航迹为盘旋结束航迹。

十三、计算盘旋等待时间

按照式(5)，计算盘旋等待时间为3分44秒。

十四、计算盘旋圈数

按照式(6)，计算盘旋圈数为1。

十五、输出圆形盘旋特征

输出方法识别的圆形盘旋特征，如表6所示。

表6圆形盘旋特征

Claims (1)

1.一种对轨迹中圆形盘旋的特征识别方法，其特征在于，首先定义所述方法中所采用的两个概念：航迹和轨迹，其中航迹定义为一个六维向量：

P＝(x,y,z,v,h,t)

式中：x、y、z、v、h、t分别表示航迹P的经度、纬度、高度、速度、航向和记录时刻；

轨迹定义为航迹的集合：

T＝{P₁,P₂,…,P_i,…,P_n}

式中：P_i表示轨迹T中第i个航迹，n为航迹总数；

所述方法有如下步骤：

一、输入轨迹

输入已知一条包含圆形盘旋的轨迹；

二、设定参数

设定进入转弯阈值、窗口长度、持续转弯阈值和圆形盘旋阈值四个参数；

三、计算全部航向差

如果飞机向右转弯，计算方法如式(1)所示：

式中，h_i+1表示后一个航迹的航向，单位：度；h_i表示前一个航迹的航向，单位：度；Δh_i表示两个相邻航迹的航向差，单位：度；

如果飞机向左转弯，计算方法如式(2)所示：

式中，h_i+1表示后一个航迹的航向，单位：度；h_i表示前一个航迹的航向，单位：度；Δh_i表示两个相邻航迹的航向差，单位：度；

四、分析第一个航向差

从第1个航向差Δh₁开始分析；

五、判断进入转弯

假如第i个航向差Δh_i小于所设定的进入转弯阈值，则继续分析第i+1个航向差Δh_i+1……依次类推，直到满足步骤六条件，进入步骤六；

六、识别转弯开始航迹

假如编号为b的航向差Δh_b大于所设定的进入转弯阈值，则标记该编号b的航迹P_b为转弯开始航迹；

七、计算窗口转弯航向

窗口转弯航向的计算方法如式(3)所示：

式中，W_b表示转弯开始航迹P_b的窗口转弯航向，单位：度；b表示转弯开始航迹P_b的编号；w表示窗口长度；Δh_i表示两个相邻航迹的航向差，单位：度；

八、判断持续转弯

假如编号为b的窗口转弯航向W_b大于所设定的持续转弯阈值，则识别该编号b的航迹P_b在持续转弯，继续分析编号b+1的航迹P_b+1，计算编号b+1的航迹P_b+1的窗口转弯航向W_b+1……依次类推，直到满足步骤九条件，进入步骤九；

九、识别转弯结束航迹

假如编号为e的窗口转弯航向W_e小于所设定的持续转弯阈值，则标记该编号e的航迹P_e为转弯结束航迹；

十、计算总转弯航向

总转弯航向计算方法如式(4)所示：

式中，H表示总转弯航向，单位：度；b表示转弯开始航迹P_b的编号；e表示转弯结束航迹P_e的编号；Δh_i表示两个相邻航迹的航向差，单位：度；

十一、判断形成圆形盘旋

如果总转弯航向小于所设定的圆形盘旋阈值，则继续分析下一个即编号e的航向差Δh_e，返回步骤五；如果总转弯航向大于所设定的圆形盘旋阈值，则判断该次转弯形成了圆形盘旋；

十二、标记盘旋起止航迹

标记转弯开始航迹P_b为盘旋开始航迹，标记转弯结束航迹P_e为盘旋结束航迹；

十三、计算盘旋等待时间

盘旋等待时间计算方法如式(5)所示：

Δt＝t_e-t_b (5)

式中，Δt表示盘旋等待时间，t_e表示盘旋结束时刻，t_b表示盘旋开始时刻；

十四、计算盘旋圈数

盘旋圈数计算方法如式(6)所示：

式中，N表示盘旋圈数，H表示总转弯航向，单位：度；

十五、输出圆形盘旋特征

输出盘旋开始航迹、盘旋结束航迹、盘旋等待时间、盘旋圈数。

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