CN114283624A

CN114283624A - 一种基于空地航迹信息共享的飞机位置预测方法

Info

Publication number: CN114283624A
Application number: CN202111573107.1A
Authority: CN
Inventors: 蒲钒; 朱永文; 王长春; 唐治理; 柴保华; 刘杨
Original assignee: 93209 Troops Of Chinese Pla
Current assignee: 93209 Troops Of Chinese Pla
Priority date: 2021-12-21
Filing date: 2021-12-21
Publication date: 2022-04-05
Anticipated expiration: 2041-12-21
Also published as: CN114283624B

Abstract

本发明提出了一种基于空地航迹信息共享的飞机位置预测方法，属于空中交管领域，包括：首先，在飞行计划阶段，地面管制中心获取管制范围内所有飞机的基础数据；针对单架飞机，预测生成该飞机的初始四维飞行航迹；起飞前准备阶段，飞机与地面管制中心建立空地数据链连接，并通过ADS‑C共享由机载系统计算的拓展飞行剖面数据，基于该数据对初始四维航迹进行修正，生成参考四维航迹；飞行过程中，地面管制中心同时接收来自飞机的ADS‑C和ADS‑B数据实现空地航迹一致性的判断，如果不满足一致性条件，利用最新的ADS‑C和ADS‑B数据对参考四维航迹进行动态修正，实现飞机预测位置的更新。本发明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

一种基于空地航迹信息共享的飞机位置预测方法

技术领域

本发明属于空中交通管理领域，具体是一种基于空地航迹信息共享的飞机位置预测方法。

背景技术

随着航空运输量的持续增加，在交通流密集空域内仍然采用传统的：基于飞行计划结合经验的间隔调配方法，逐渐不能满足空管运行的需要。为此国际民航界提出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航迹为中心，空管部门、航空公司、航空器、机场之间共享、协商和管理动态航迹，实现飞行与管制间的协同决策。

四维航迹运行最大的挑战是地面管制中心系统与飞机的飞行管理系统，两者之间的协同以及互用性。要实现这个目标，航迹共享与同步是必行条件，航迹的空地同步是一个贯穿于整个飞行阶段的动态过程。理论上，如果所有飞机都按照参考航迹进行飞行，则不需要在战术阶段进行调配，即可实现航迹同步；但是实际过程中，由于气象、航空器性能等因素的变化，往往导致飞机会偏离参考航迹。因此，需要建立一种基于空地航迹信息共享的飞机位置预测方法。

现有研究一般通过交换4D数据等实现航迹同步，在理论方面的研究已经相对成熟，但与空管运行的实际情况结合得相对较弱。

实际过程中由于飞行管理系统使用的天气数据和地面管制中心系统的气象数据不一致，加上，地面管制系统无法获取非常详细的飞机性能和配置参数，导数实际的空地协同信息共享具有一定的局限性。

目前，尚缺少一种简便和更贴近空管运行实际的方法及装置，以实现空地信息共享条件下的飞机位置的准确预测。

发明内容

针对下一代空管系统向基于四维航迹运行理念发展的需求，从空地航迹一致性方面出发，本发明提出了一种基于空地航迹信息共享的飞机位置预测方法，实现了空地航迹信息共享条件下不同阶段的飞机位置的准确预测。

所述的基于空地航迹信息共享的飞机位置预测方法，包括如下步骤：

步骤一、地面管制中心获取管制范围内的所有飞机的基础数据；

每架飞机的基础数据包括飞行计划数据、空域结构数据和航空器性能数据等；

飞行计划数据包括：航班号、机型、起飞机场、落地机场、航线代码、各航路点、预计过各点高度、预计过各点速度和预计过各点时间等。

空域结构数据包括：导航设施数据、航线与航路数据、管制地带数据和管制区数据等。

航空器性能数据包括：机型、尾流类型、巡航高度、巡航速度、最大爬升率、最大下降率、最大速度和最小速度等。

步骤二、针对单架飞机S，地面管制中心根据该飞机S的基础数据，预测生成该飞机S的初始四维飞行航迹；

初始四维飞行航迹包括耦合的水平预测航迹剖面，高度预测航迹剖面以及各航路点的真空速度；

水平预测航迹剖面根据飞机S的起飞机场、落地机场、航路点、占用空域和任务类型等信息形成；具体为：

该飞机S的起飞机场到落地机场之间的航迹包括若干航路点，从起飞机场开始作为起点航路点，落地机场作为终点航路点，将航迹中每两个相邻航路点之间的水平航迹顺序相连，得到完整的水平预测航迹剖面。

高度预测航迹剖面是：通过对雷达数据和气象数据进行解析，基于飞机S的航空器性能数据，利用爬升/下降率方程计算生成；

高度增量公式如下：

Δh＝ROCD·Δt

Δt为单位时间，ROCD为航空器的爬升率/下降率；

T为大气温度，ΔT为采用标准大气模型时产生的温差，Thr为飞机的推力，D为飞机的阻力，V_a为飞机的速度，m为飞机S的质量，g₀为海平面的重力加速度，f{M}为沿着固定的速度爬升/下降过程中，分配给爬升的能量与分配给加速的能量的比值因子。

各航路点的真空速度是：利用飞机经过各航路点的总能量，结合飞机经各点时的质量估计值，基于最小二乘法预测未来飞机过各航路点时的速度；

具体为：

首先，总能量计算公式如下：

Power(m)＝m×Q

Q是通过雷达数据和气象数据获取的飞机的速度、温度、气压高度和风速信息之和；即：

H_p为气压高度，W为风速。

预测飞机经过各航路点对应的真空速度计算公式为：

j为航路点的总数；

为飞机经过第i个航路点的速度，Power_i(·)为飞机经过第i个航路点对应的总能量值；m_i为飞机经过第i个航路点的质量；

步骤三、飞机S起飞前，地面管制中心与飞机机载系统建立空地数据链连接，并通过ADS-C下传机载系统预测的拓展飞行剖面数据；

拓展飞行剖面数据为飞机S的当前质量及预测的经过各航路点的时间、速度和高度等信息；

步骤四、地面管制中心将ADS-C下传的机载预测拓展飞行剖面数据与初始四维飞行航迹中的数据进行关联，判断ADS-C数据是否满足管制的要求和限制条件，如果是，对四维飞行航迹的位置进行修正；否则，保持初始四维飞行航迹不变；得到参考四维飞行航迹。

修正具体为：

利用ADS-C数据中的航空器质量和各航路点速度重新计算水平预测航迹剖面，高度预测航迹剖面以及各航路点的真空速度，获得新的参考四维飞行轨迹。

步骤五、飞机S按照参考四维飞行航迹飞行，并不断获取实时的ADS-C数据和ADS-B数据，用于修正参考四维飞行航迹，使其满足空地一致性；

飞机空地航迹一致性条件为：

1)空地航迹都需满足地面管制要求和实际飞行限制条件；

2)过相同航路点的飞机的位置(水平位置、高度)、速度和时间之间的误差满足设定阈值；

阈值的确定根据实际需求来定。

利用实时的ADS-B数据进行修正的过程为：

飞机S飞行过程中，针对当前航路点O，地面管制中心接收ADS-B数据，实时获取飞机S在当前航路点O对应的时间，用该时间更新参考四维飞行航迹中在当前航路点O的对应时间；

具体为：计算参考四维飞行航迹中，飞机S到达各航路点的时间与ADS-B获取的该位置的真实时间之间的差值，并判断差值是否超过阈值，如果是，保持参考四维飞行航迹中预测时间不变；否则，以ADS-B实时数据替换飞机S到达该航路点的时间；

利用实时的ADS-C数据进行修正的过程为：

飞机S飞行过程中，针对当前航路点O，地面管制中心接收ADS-C数据，实时获取飞机预测的后续航路点的位置信息，基于新获取的ADS-C数据，更新飞机S的四维飞行航迹中的未来位置信息；

具体为：飞机S飞行至当前航路点O，根据ADS-C实时获取的数据预测在未来时间T内到达后续航路点的位置，并与参考四维飞行航迹中，飞机S在未来时间T内各航路点的对应位置，计算各位置之间的差值，并判断差值是否超过阈值，如果是，保持参考四维飞行航迹中未来时间T预测的各航路点位置不变；否则，将ADS-C实时预测的各航路点位置数据替换参考四维飞行航迹中各航路点的预测位置；

阈值根据实际任务人为设定。

步骤六：判断是否达到终止预测条件；如果是，结束预测过程；否则，则返回步骤三，对下一个各航路点进行修正，直至满足终止预测条件；

终止预测条件包括：飞机已落地、不在地面管制中心的管制范围内、或者其他人为规定的终止预测条件。

本发明具有如下技术效果：

1、一种基于空地航迹信息共享的飞机位置预测方法，为不同阶段的飞机航迹预测提供了技术支持；

2、一种基于空地航迹信息共享的飞机位置预测方法，为不同阶段对的轨迹协商提供了技术支持；

3、一种基于空地航迹信息共享的飞机位置预测方法，为下一代空管系统实现航迹精准预测提供技术支撑。

附图说明

图1为本发明一种基于空地航迹信息共享的飞机位置预测方法的流程图；

图2为本发明ADS-C数据对初始四维预测航迹的修正；

图3为本发明基于ADS-B实时雷达数据的飞机当前位置时间修正方法；

图4为本发明ADS-C数据对飞机未来的预测位置修正方法。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图和实例对本发明作进一步的详细描述。

本发明公开了一种基于空地航迹信息共享的飞机位置预测方法，在飞行计划阶段(即战略阶段)，地面管制中心首先获取各飞机的飞行计划、空域结构和航空器性能数据等基础信息，作为飞机位置预测的基本输入和约束条件；针对单架飞机，利用基础数据生成飞机初始的四维飞行航迹，预测飞机在未来飞行过程中所处的位置；在起飞前准备阶段(即预战术阶段)，地面管制中心建立与飞机的空地数据链连接，通过ADS-C共享由机载系统计算的飞行剖面数据，地面管制中心基于ADS-C数据中的关键点时间信息对初始的四维航迹进行修正，生成用于管制指挥的参考四维航迹；在飞行执行阶段(即战术阶段)，地面管制中心同时接收来自飞机的ADS-C和ADS-B数据，并进行航迹一致性的判断，如果飞机实时数据与预测的航迹数据不满足一致性条件，则利用最新的ADS-C和ADS-B数据对参考四维航迹进行动态修正，实现飞机预测位置的更新。

本发明为不同阶段的航空器提供准确的位置预测信息，供不同功能使用，如图1所示，具体步骤如下：

步骤一、飞行计划阶段(即战略阶段)，地面管制中心获取管制范围内的所有飞机的基础数据，作为飞机位置预测模型的输入和约束条件；

飞行计划中的起降机场和航路点用于计算水平剖面，航空器性能数据用于高度剖面和速度剖面的计算；空域结构作为约束条件保证获取的初始航迹的合理性。

步骤二、针对单架飞机S，地面管制中心根据该飞机S的基础数据，预测生成该飞机S的初始四维飞行航迹，用于计划阶段的航迹协调；

步骤2-1：预测航迹的水平剖面生成：

根据计划信息中的起飞机场、落地机场、航路点、占用空域和任务类型等各种信息进行综合，计算形成水平预测航迹剖面；

其具体步骤：从标准离场程序的第一航段开始，将连续两个航段设定为前序航段和后续航段，对两航段进行一步预测，得到预测航迹的一组水平剖面段；将上一步预测中的后续航段设定为当前前序航段，并读取下一航段信息作为后续航段，再进行下一步预测；直至读取的后续航段为仪表进场程序的最后一个航段时，结束预测；将所有水平预测航迹剖面段顺序相连，即可得到预测航迹的完整水平剖面。

步骤2-2：预测航迹的高度剖面生成：

步骤2-2-1：要实现高度剖面的预测，首先需要对航空器性能进行预测，本发明通过对雷达数据和气象数据等进行解析，通过对航空器总能量方程进行最小二乘拟合，得到基于历史数据的航空器性能预测结果，具体如下：

首先，给出航空器总能量方程

其中Thr为飞机的推力，D为飞机的阻力，V_a为飞机的速度，m为飞机S的质量，g为重力加速度，h为地理高度，

为风速；

建立地理高度h与气压高度H_p之间的转换关系

其中g₀为海平面的重力加速度，T为大气温度，ΔT为采用标准大气模型时产生的温差；将式(2)带入式(1)则可得

参考EuroControl发布的BADA数据库可得航空器推力Thr为：气压高度H_p、温差ΔT和航空器速度V_a的函数，即有

Thr＝f₁(H_p,V_a,ΔT) (4)

航空器所受阻力D：则为气压高度H_p、温差ΔT和航空器速度V_a以及质量的平方m²的函数：

D＝f₂(H_p,V_a,ΔT,m²) (5)

于是有

Power＝(f₁(H_p,V_a,ΔT)-f₂(H_p,V_a,ΔT,m²))·V_a (6)

取Q：

则式(3)可简化为

Power(m)＝m×Q (8)

由式(7)可知，Q仅与航空器速度、温度、气压高度、风速相关，这些信息均可通过雷达数据和气象数据获取，因此在轨迹上的任一航路点i，Power_i都是质量m_i的函数，即：

Power_i(m_i)＝m_i×Q_i (9)

采用基于最小二乘法的质量估计方法求解上述等式，首先取误差函数ε，其表达式为

通过求取ε的最小值可求得航空器在i＝1,2,…n各航路点的质量预测。

步骤2-2-2：航空器轨迹垂直剖面通常包括爬升、巡航和下降三个阶段，在飞行计划阶段，可利用爬升/下降率方程，实现垂直剖面高度的预测，具体如下：

首先有航空器爬升率(或下降率)公式

其中，m表示航空器质量，由步骤2-2-1种的式(10)计算所得；f{M}为能量比例因子，表示在沿着固定的速度剖面爬升/下降过程中，分配给爬升的能量与分配给加速的能量的比值。

在得到ROCD后，可计算出高度增量。

Δh＝ROCD·Δt

Δt为单位时间，由此可迭代得出预测航迹的垂直高度剖面。

步骤2-3：预测航迹的速度剖面生成：

对于真空速的预测方法原理与质量的估计原理是一样的，基本思想是基于总能量方程，获取航空器的质量估计值，基于最小二乘法估计未来航空器过航迹点的真空速，具体公式表示如下

式中航空器质量由式(10)计算所得，高度由式(11)得出；j为航路点的总数；

为飞机经过第i个航路点的速度，Power_i(·)为飞机经过第i个航路点对应的总能量值；m_i为飞机经过第i个航路点的质量。

步骤2-4：将水平剖面、高度剖面和速度剖面独立计算后进行耦合，生成飞机的初始预测四维飞行航迹；

步骤三、飞机S起飞前，针对各航路点，地面管制中心与飞机S机载系统建立空地数据链连接，并通过ADS-C(合同式自动相关监视)下传机载系统预测的拓展飞行剖面数据；

飞行剖面数据为飞机S利用航空器当前质量、预计飞行经过各航路点的时间、速度和高度等信息；

ADS-C下传数据以EPP的形式进行下传，具体组织方式如下：

步骤四、地面管制中心将ADS-C下传的机载预测的拓展飞行剖面数据与初始四维飞行航迹中的数据进行关联，判断ADS-C数据是否满足管制的要求和限制条件，如果是，对四维飞行航迹的位置进行修正；否则，保持初始四维飞行航迹不变；得到参考四维飞行航迹。

如图4所示，修正具体为：

如果不满足管制要求和限制条件，则初始四维飞行航迹不修正，且地面管制中心将不满足管制要求和限制条件的数据反馈给机载系统，进行航迹协商。

步骤五、飞机S按照参考四维飞行航迹飞行，地面管制中心不断同时获取实时的ADS-C数据和ADS-B(广播式自动相关监视)数据，用于修正参考四维飞行航迹，使其满足空地一致性；

飞机空地航迹一致性条件为：

1)空地航迹都需满足地面管制要求和实际飞行限制条件；

阈值的确定根据实际需求来定，通常水平误差设定为10公里、高度误差设定为100米、时间误差设定为20秒；

利用实时的ADS-B数据进行修正的过程为：

如图3所示，具体为：计算参考四维飞行航迹中，飞机S到达各航路点的时间与ADS-B获取的该位置的真实时间之间的差值，并判断差值是否超过阈值，如果是，保持参考四维飞行航迹中预测时间不变；否则，以ADS-B实时数据替换飞机S到达该航路点和后续飞行航路点的时间；

利用实时的ADS-C数据进行修正的过程为：

具体为：飞机S飞行至当前航路点O，根据ADS-C实时获取的数据预测在未来时间T内到达后续航路点的位置，并与参考四维飞行航迹中，飞机S在未来时间T内各航路点的对应位置，计算各位置之间的差值，并判断差值是否超过阈值(水平10公里、高度100米、时间20秒)，如果是，保持参考四维飞行航迹中未来时间T预测的各航路点位置不变；否则，将ADS-C实时预测的各航路点位置数据替换参考四维飞行航迹中各航路点的预测位置；

阈值根据实际任务人为设定。

通过上述的具体实施方法可以说明本发明中提出的方法能从空地航迹一致性方面出发，实现基于空地航迹信息共享的飞机位置预测，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。

Claims

1.一种基于空地航迹信息共享的飞机位置预测方法，其特征在于，包括如下步骤：

首先，地面管制中心获取管制范围内所有飞机的基础数据；针对单架飞机S，地面管制中心根据该飞机S的基础数据，预测生成该飞机S的初始四维飞行航迹；

然后、飞机S起飞前，针对各航路点，地面管制中心与飞机S的机载系统建立空地数据链连接，并通过合同式自动相关监视ADS-C，下传预测的拓展飞行剖面数据；

地面管制中心将ADS-C下传的机载预测拓展飞行剖面数据与初始四维飞行航迹中的数据进行关联，判断ADS-C数据是否满足管制的要求和限制条件，如果是，对四维飞行航迹的位置进行修正；否则，保持初始四维飞行航迹不变；得到参考四维飞行航迹。

接着、飞机S按照参考四维飞行航迹飞行，地面管制中心不断同时获取实时的ADS-C数据和广播式自动相关监视ADS-B数据，用于修正参考四维飞行航迹，使其满足空地一致性；

地面管制中心利用ADS-B数据，实时获取飞机S飞行过程中，到达各航路点的对应时间，基于该时间更新参考四维飞行航迹在各航路点的时间；同时，根据ADS-C实时获取的数据预测在未来时间T内到达后续航路点的位置，并更新参考四维飞行航迹中未来时间T内各航路点的对应位置；

最后、继续重复对下一个航路点进行修正，直至达到终止预测条件。

2.如权利要求1所述的一种基于空地航迹信息共享的飞机位置预测方法，其特征在于，所述的每架飞机的基础数据包括飞行计划数据、空域结构数据和航空器性能数据；

飞行计划数据包括：航班号、机型、起飞机场、落地机场、航线代码、各航路点、预计过各点高度、预计过各点速度和预计过各点时间；

空域结构数据包括：导航设施数据、航线与航路数据、管制地带数据和管制区数据；

航空器性能数据包括：机型、尾流类型、巡航高度、巡航速度、最大爬升率、最大下降率、最大速度和最小速度。

3.如权利要求1所述的一种基于空地航迹信息共享的飞机位置预测方法，其特征在于，所述初始四维飞行航迹包括耦合的水平预测航迹剖面，高度预测航迹剖面以及各航路点的真空速度；

水平预测航迹剖面根据飞机S的起飞机场、落地机场、航路点、占用空域和任务类型形成；具体为：

该飞机S的起飞机场到落地机场之间的航迹包括若干航路点，从起飞机场开始作为起点航路点，落地机场作为终点航路点，将航迹中每两个相邻航路点之间的水平航迹顺序相连，得到完整的水平预测航迹剖面；

高度增量公式如下：

Δh＝ROCD·Δt

Δt为单位时间，ROCD为航空器的爬升率/下降率；

T为大气温度，ΔT为采用标准大气模型时产生的温差，Thr为飞机的推力，D为飞机的阻力，V_a为飞机的速度，m为飞机S的质量，g₀为海平面的重力加速度，f{M}为沿着固定的速度爬升/下降过程中，分配给爬升的能量与分配给加速的能量的比值因子；

具体为：

首先，总能量计算公式如下：

Power(m)＝m×Q

H_p为气压高度，W为风速；

预测飞机经过各航路点对应的真空速度计算公式为：

j为航路点的总数；

4.如权利要求1所述的一种基于空地航迹信息共享的飞机位置预测方法，其特征在于，所述的飞行剖面数据为飞机S利用航空器当前质量、预计飞行经过各航路点的时间、速度和高度。

5.如权利要求1所述的一种基于空地航迹信息共享的飞机位置预测方法，其特征在于，所述的对初始四维飞行航迹的预测位置进行修正，具体为：

利用ADS-C数据中的航空器质量和各航路点速度，重新计算水平预测航迹剖面，高度预测航迹剖面以及各航路点的真空速度，获得新的参考四维飞行轨迹；

6.如权利要求1所述的一种基于空地航迹信息共享的飞机位置预测方法，其特征在于，所述的地面管制中心根据ADS-C实时获取的数据，更新参考四维飞行航迹中未来时间T内各航路点的对应位置，具体为：

飞机S飞行至当前航路点O，根据ADS-C实时获取的数据，预测在未来时间T内到达后续航路点的位置，并与参考四维飞行航迹中，飞机S在未来时间T内各航路点的对应位置，计算各位置之间的差值，并判断差值是否超过阈值，如果是，保持参考四维飞行航迹中未来时间T预测的各航路点位置不变；否则，将ADS-C实时预测的各航路点位置数据替换参考四维飞行航迹中各航路点的预测位置；

阈值根据实际任务人为设定。

7.如权利要求1所述的一种基于空地航迹信息共享的飞机位置预测方法，其特征在于，所述的地面管制中心根据实时的ADS-B数据修正参考四维飞行航迹在各航路点的时间，过程为：

飞机S飞行过程中，针对当前航路点O，地面管制中心接收ADS-B数据，实时获取飞机S在当前航路点O对应的时间；同时计算参考四维飞行航迹中，飞机S到达该航路点的时间；两个时间之间计算差值，并判断差值是否超过阈值，如果是，保持参考四维飞行航迹中预测时间不变；否则，以ADS-B实时数据替换飞机S到达该航路点和后续飞行航路点的时间。

8.如权利要求1所述的一种基于空地航迹信息共享的飞机位置预测方法，其特征在于，所述的飞机空地航迹一致性条件为：

1)空地航迹都需满足地面管制要求和实际飞行限制条件；

阈值的确定根据实际需求来定。

9.如权利要求1所述的一种基于空地航迹信息共享的飞机位置预测方法，其特征在于，所述的终止预测条件包括：飞机已落地、不在地面管制中心的管制范围内、或者其他人为规定的终止预测条件。