CN115292895A - 一种基于水平航线和地速剖面的飞行时间间隔计算方法 - Google Patents

一种基于水平航线和地速剖面的飞行时间间隔计算方法 Download PDF

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CN115292895A CN202210784295.0A CN202210784295A CN115292895A CN 115292895 A CN115292895 A CN 115292895A CN 202210784295 A CN202210784295 A CN 202210784295A CN 115292895 A CN115292895 A CN 115292895A
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turn
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王洪
李磊
吴龙泉
郭志成
张保存
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Abstract

本发明提供了一种基于水平航线和地速剖面的飞机纵向时间间隔计算方法。首先根据预设航迹点计算初始水平航线，由初始地速和倾斜角计算航向变化、转弯半径、转弯的起点、终点、中心；然后根据航迹段模型和空速、高度的限制，结合初始水平航线中的空速、高度、风和温度信息，计算初始地速剖面和飞机沿航线位置；利用上述计算结果，对水平航线和地速剖面依次迭代更新；最后，由水平航线和地速剖面获得飞机通过各航段的时间，预测不同飞机之间的时间间隔。通过本机和目标飞机的位置高度信息，并且考虑风速、温度等影响因素，可准确计算飞机的纵向间隔，进一步实现间隔管理，提高间隔的精度和连续性。

Description

一种基于水平航线和地速剖面的飞行时间间隔计算方法
技术领域
本发明涉及民用航空监视领域，具体而言，涉及一种基于水平航线和地速剖面的飞行时间间隔计算方法。
背景技术
在民用航空领域，传统的航路沿地面导航台设计，飞机朝向顺序设置的导航台依次飞行，航路上飞机间的纵向间隔规定为固定值，地面管制员负责监视飞机间隔是否满足要求。这种导航方式的缺点是航路流量受限，高峰期航路拥挤，管制员负荷重。区域导航RNAV(Regional Area Navigation)打破了固定航路的限制，RNAV使航空器在导航信号覆盖范围之内或在机载导航设备的工作能力范围之内，可沿任意期望的航径飞行。不仅如此，所需性能导航RNP(Required Navigation Performance)和基于性能的导航PBN(PerformanceBased Navigation)也允许飞机不再按固定航路飞行，这些导航方式被视为下一代导航系统的核心。新的导航方式建立了航路点数据库，由管制员为每架飞机分配各自的航路点，相同目的地的飞机沿不同航线飞行到达相同的终端，保持飞机间的间隔是航路安全飞行的关键。间隔管理的作用是通过本机和目标飞机的位置速度，以及环境信息，计算出本机和目标飞机的实时间隔，为飞行员提供间隔操作建议。目标飞机由地面管制员指定，是可能产生间隔风险的飞机，管制员同时指定与目标飞机的间隔目标，间隔管理系统安装到飞机驾驶舱内，辅助飞行员操作，降低管制员的负荷。
由于飞机沿不同航线飞行，本机和目标飞机到达相同的计划终端点PTP(PlanedTermination Point)，管制员为两架飞机指定一个相同的到达点ABP(Achieve-by Point),ABP与PTP之间的维持阶段是直线飞行，间隔计算比较简单，而到达ABP之前的到达阶段(Achieve Stage),飞机沿指定的航路点飞行，航路点的方向涉及转弯，同时飞机速度受风速影响，需要设计准确的间隔计算算法，为间隔管理提供可靠的参照。
发明内容
有鉴于此，本发明以目标飞机的ADS-B信息、本机和环境传感器的信息为输入，综合考虑本机和目标飞机的位置、速度、风和温度、飞机的预定航路点，提出将飞机航线转换为水平航线，飞机速度转换为地速剖面，计算出转弯路径，预测出本机和目标飞机达到ABP的时间，从而得到预测的时间间隔。
本发明的第一方面提供了一种基于水平航线和地速剖面的飞行时间间隔计算方法，所述方法包括：
S1，根据由预期飞行航迹信息所定义的航路点序列，计算初始水平航线，所述初始水平航线是根据一系列水平航线转换点HPT描述的水平航线；根据转弯期间的初始地速和倾斜角，计算航向变化，转弯半径，转弯的起点、终点、中心，以及各水平航线转换点HPT到计划终点之间的沿航线距离；
S2，基于航迹段模型和程序设置的空速和高度的限制，结合初始水平航线中沿航线的空速、高度、风和温度信息，计算初始地速剖面和本机当前沿航线位置；
S3，根据S2计算的地速剖面，使用转弯处地速的精确估计值重新计算水平航线；
S4，若所述沿航线的空速、高度、风和温度信息发生改变，则根据S3中获取的水平航线，并基于改变后的空速、高度、风和温度信息，重新计算地速剖面，以生成更新地速剖面；根据所述更新地速剖面重新执行S3，以重新计算水平航线；
S5，基于地速剖面和当前的沿航线距离计算本机和目标飞机TTG，得到预测时间间隔。
进一步，所述S5，基于地速剖面和当前的沿航线距离计算本机和目标飞机TTG，得到时间间隔，包括：
在目标飞机通过到达点之前，预测时间间隔PSI(t)是指本机从当前沿航线位置通过到达点的时间TTGO(t)和目标飞机的TTGT(t)的时间间隔之差，表示为：
PSI(t)＝TTGO(t)-TTGT(t)
在目标飞机通过到达点之后，但在本机通过到达点之前，在时刻t的预测时间间隔PSI(t)是本机的TTGO(t)和目标飞机在到达点的实际到达时间ATA之间的差值，表示为：
PSI(t)＝(TTGO(t)+t)-ATAT。
进一步，所述S1，包括：
S11，确定航路点序列：首先根据导航数据库中的IFPI(Intended Flight PathInformation)数据转换为航路点序列，航路点用wpti表示，其中i＝1，…，N；计算的水平航线转换点用HPTj表示，其中j＝1，…，M，M＝2m+2，m为转弯次数；转弯处的航路点，用两个HPT表示转弯的起点的终点；
S12，计算航路点间的航向变化：各个航路点的坐标为(x，y)，两个航路点之间的航向θi：
Figure BDA0003731320890000021
航向角沿x轴以逆时针方向进行测量，定义范围为0到2π；航向变化Δθ是wpti+1和wpti之间的航向θi和wpti和wpti-1之间的航向θi-1的差；航向变化Δθ的定义为[-π，π]，以防止航向变化超过180度；
S13，计算转弯半径：如果采用固定半径RF(Radius-to-Fix)航段，则转弯半径R为转弯中心到终点的距离，其他航段转弯半径为地速和假定转弯倾斜角度的函数：
Figure BDA0003731320890000031
其中，VGS是假定的地速，g是重力引起的加速度，φ是转弯时假定的倾斜角；假定最大转弯倾斜角为23°，转弯倾斜角φ：
Figure BDA0003731320890000032
S14，计算转弯的起点、终点和中心：如果采用RF航段，转弯中心和转弯终点则在导航数据库中确定，转弯起点为前一个航段的终点，否则将根据航路点、转弯半径和航向变化计算转弯的起点和终点；
S15，计算各HPT到计划终点的距离DTG：对两条连续的直线航段，第j个HPT的DTG是从第(j-1)个HPT的沿航线距离加上第j个和第(j-1)个HPT之间的距离；对于非RF的转弯航段，有两个HPT被标记为转弯的起点和终点；转弯起点处的沿航线距离为后一个HPT到转弯终点的沿航线距离加上前一个HPT的沿航线距离；转弯处的沿航线距离为转弯半径乘以航线改变角得出的弧长。
进一步，所述S2，包括：
S21，航迹段建模：根据不同的航段类型执行航迹段建模，每个航迹段的输出是作为时间函数的沿航线位置(ds/dt)、高度(dh/dt)和真实空速
Figure BDA0003731320890000033
的导数，然后相对于时间对它们进行积分；
S22，计算风速信息：风速信息的分矢量Vw，x，i和Vw，y，i分别表示高度hi在x和y方向上面的风速；使用样本拟合算法来计算出指定高度的预测风速
Figure BDA0003731320890000034
和
Figure BDA0003731320890000035
其中，相对于飞机风速的平行风
Figure BDA0003731320890000039
和垂直风
Figure BDA00037313208900000310
表示为：
Figure BDA0003731320890000036
Figure BDA0003731320890000037
其中，θ表示航向，
Figure BDA0003731320890000038
为分别x和y方向上的风速拟合值；
S23，计算温度信息：采用国际标准大气ISA模型来确定温度和海拔高度的关系，使用以下方程式定义的ISA模型：
T(Hp)＝T0+ΔT+β*Htrop，Hp≥Htrop
T(Hp)＝T0+ΔT+β*Hp，Hp≤Htrop
其中，T0＝288.15K，β＝-0.0065K/m，Hp是以米为单位的位势高度，ΔT是ISA偏差，并且Htrop＝11000m是对流层顶的位势高度；
S24，计算高度和速度限制：根据IFPI元素或者默认的高度速度限制的设置，来进行确定高度和速度限制；
S25，计算当前位置的沿航线位置：本机和目标飞机的沿航线位置通过将其当前水平位置投影到水平航线上来确定。
进一步，所述S25，还包括：当j＝1...M时，航路点的坐标(x，y)位置和HPTj之间的距离使用欧几里德距离计算；从计算出最小距离dj的HPT开始，计算飞机位置和水平航线之间的跨航迹误差；如果跨航迹误差的绝对值小于2.5nmi，则确定下游的HPT，否则，用第二个最小值dj检查HPT的跨航迹误差；继续对比跨航迹误差，直到找到满足2.5nmi阈值的HPT，然后使用下游HPT计算沿航线位置和沿航线距离。
进一步，所述S14，还包括，转弯终点(xturn_end，yturn_end)计算如下：
Figure BDA0003731320890000041
Figure BDA0003731320890000042
其中，L是wpti和wpti+1之间的距离，R为转弯半径，θi为当前航向，Δθ为航向变化；
如果Δθ＜0时，转弯中心(xturn_center，yturn_center)、转弯起点(xturn_start，yturn_start)表示为：
Figure BDA0003731320890000043
Figure BDA0003731320890000044
Figure BDA0003731320890000045
Figure BDA0003731320890000046
如果Δθ＞0时，转弯中心(xturn_center，yturn_center)、转弯起点(xturn_start，yturn_start)表示为：
Figure BDA0003731320890000051
Figure BDA0003731320890000052
Figure BDA0003731320890000053
Figure BDA0003731320890000054
此外，本发明的第二方面提供了一种电子装置，所述电子装置包括：一个或多个处理器，存储器，所述存储器用于存储一个或多个计算机程序；所述计算机程序被配置成由所述一个或多个处理器执行，所述程序包括用于执行如上所述的基于水预测时间间隔平航线和地速剖面的飞行时间间隔计算方法步骤。
此外，本发明的第三方面提供了一种存储介质，所述存储介质存储有计算机程序；所述程序由处理器加载并执行以实现如上所述的基于水预测时间间隔平航线和地速剖面的飞行时间间隔计算方法步骤。
本发明的方案中，通过根据由预期飞行航迹信息所定义的航路点序列，计算初始水平航线，所述初始水平航线是根据一系列水平航线转换点HPT描述的水平航线；根据转弯期间的初始地速和倾斜角，计算航向变化，转弯半径，转弯的起点、终点、中心，以及各水平航线转换点HPT到计划终点之间的沿航线距离；基于航迹段模型和程序设置的空速和高度的限制，结合初始水平航线中沿航线的空速、高度、风和温度信息，计算初始地速剖面和本机当前沿航线位置；根据计算的地速剖面，使用转弯处地速的精确估计值重新计算水平航线；若所述沿航线的空速、高度、风和温度信息发生改变，则根据S3中获取的水平航线，并基于改变后的空速、高度、风和温度信息，重新计算地速剖面，以生成更新地速剖面；根据所述更新地速剖面重新计算水平航线；基于地速剖面和当前的沿航线距离计算本机和目标飞机TTG，得到预测时间间隔。通过综合考虑本机和目标飞机的位置、速度、风和温度、飞机的预定航路点，将飞机航线转换为水平航线，飞机速度转换为地速剖面，计算出转弯路径，并迭代更新，预测出本机和目标飞机达到ABP的时间，从而准确预测出时间间隔。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本实施例公开的基于水平航线和地速剖面的飞行时间间隔计算方法的流程示意图；
图2为本实施例公开的基于水平航线转换HPT点描述的水平航线的示意图；
图3为本实施例公开的水平航线的计算流程图；
图4为本实施例公开的航段类型的结构图；
图5为本实施例公开的计算当前水平位置最短的沿航线位置的流程图；
图6为本实施例公开的迭代更新计算间隔的原理流程图；
图7为本实施例公开的根据航迹点序列仿真逐步生成的水平航路图；
图8为本实施例公开的测量本机与目标飞机时间间隔的仿真结果。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本申请将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本申请的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本申请的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知方法、装置、实现或者操作以避免模糊本申请的各方面。
附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
以下对本申请实施例的技术方案的实现细节进行详细阐述：
本实施例针对航路中飞机的飞行间隔管理，提出了基于水平航线和地速剖面的飞行时间间隔计算方法。该方法使用水平航线和地速剖面表示飞机的飞行航线和航段速度，用本机从当前沿航线位置通过到达点的时间TTGO(t)和目标飞机的TTGT(t)的时间间隔之差表示预测间隔PSI(Predicted Spacing Interval)。初始水平航线根据预设航路点计算。初始地速剖面则根据航迹段模型和初始水平航线中的空速、高度、风和温度信息计算。通过动态迭代，获取更精确的水平航线和地速剖面，计算飞机通过到达点的时间TTG(Time-to-Go)。
请参阅图1，图1是本发明实施例公开的一种基于水平航线和地速剖面的飞行时间间隔计算方法的流程示意图。如图1所示，本发明实施例的一种基于水平航线和地速剖面的飞行时间间隔计算方法，所述方法包括：
S1，根据由预期飞行航迹信息所定义的航路点序列，计算初始水平航线，所述初始水平航线是根据一系列水平航线转换点HPT描述的水平航线；根据转弯期间的初始地速和倾斜角，计算航向变化，转弯半径，转弯的起点、终点、中心，以及各水平航线转换点HPT到计划终点之间的沿航线距离。
具体地，本实施例，执行水平航线投影。飞机的飞行航迹由ADS-B的四维航迹信息确定，包括随时间变化的水平位置和高度。为了确定在时间t的本机或目标飞机的通过到达点ABP的时间TTG，相应飞机在时间t的水平位置被正交投影到其水平航线上，以获得当时的沿水平航线的位置。
进一步，计算初始水平航线的输入是飞机转弯时的地速估计值、航路点序列和转弯倾斜角度的假设。输出则是一系列水平航线转换HPT(Horizontal Path Transition)点描述的水平航线，示例如图2所示基于水平航线转换HPT点描述的水平航线，HPT用圆点表示，代表转弯和直线段的起点和终点。虚线表示连接航路点的直线航线，虚线表示通过HPT的连续水平航线，如图3所示为本实施例水平航线的计算流程图。其中，所述S1，包括：
S11，确定航路点序列：首先根据导航数据库中的IFPI数据转换为航路点序列，航路点用wpti表示，其中i＝1，…，N；计算的水平航线转换点用HPTj表示，其中j＝1，…，M，M＝2m+2，m为转弯次数；转弯处的航路点，用两个HPT表示转弯的起点的终点；
S12，计算航路点间的航向变化：各个航路点的坐标为(x，y)，两个航路点之间的航向θi：
Figure BDA0003731320890000071
航向角沿x轴以逆时针方向进行测量，定义范围为0到2π；航向变化Δθ是wpti+1和wpti之间的航向θi和wpti和wpti-1之间的航向θi-1的差；航向变化Δθ的定义为[-π，π]，以防止航向变化超过180度；
S13，计算转弯半径：如果采用固定半径RF(Radius-to-Fix)航段，则转弯半径R为转弯中心到终点的距离，其他航段转弯半径为地速和假定转弯倾斜角度的函数：
Figure BDA0003731320890000081
其中，VGS是假定的地速，g是重力引起的加速度，φ是转弯时假定的倾斜角；假定最大转弯倾斜角为23°，转弯倾斜角φ：
Figure BDA0003731320890000082
S14，计算转弯的起点、终点和中心：如果采用RF航段，转弯中心和转弯终点则在导航数据库中确定，转弯起点为前一个航段的终点，否则将根据航路点、转弯半径和航向变化计算转弯的起点和终点；
进一步，所述S14，还包括，转弯终点(xturn_end，yturn_end)计算如下：
Figure BDA0003731320890000083
Figure BDA0003731320890000084
其中，L是wpti和wpti+1之间的距离，R为转弯半径，θi为当前航向，Δθ为航向变化；
如果Δθ＜0时，转弯中心(xturn_center，yturn_center)、转弯起点(xturn_start，yturn_start)表示为：
Figure BDA0003731320890000085
Figure BDA0003731320890000086
Figure BDA0003731320890000087
Figure BDA0003731320890000088
如果Δθ＞0时，转弯中心(xturn_center，yturn_center)、转弯起点(xturn_start，yturn_start)表示为：
Figure BDA0003731320890000091
Figure BDA0003731320890000092
Figure BDA0003731320890000093
Figure BDA0003731320890000094
S15，计算各HPT到计划终点的距离DTG：对两条连续的直线航段，第j个HPT的DTG是从第(j-1)个HPT的沿航线距离加上第j个和第(j-1)个HPT之间的距离；对于非RF的转弯航段，有两个HPT被标记为转弯的起点和终点；转弯起点处的沿航线距离为后一个HPT到转弯终点的沿航线距离加上前一个HPT的沿航线距离；转弯处的沿航线距离为转弯半径乘以航线改变角得出的弧长。
S2，基于航迹段模型和程序设置的空速和高度的限制，结合初始水平航线中沿航线的空速、高度、风和温度信息，计算初始地速剖面和本机当前沿航线位置。
具体地，本实施例，地速剖面是飞机空速映射到水平航线上沿路径的速度，同时考虑风速和温度的影响。通过将一组沿路径位置、高度和真实空速的常微分方程积分为时间的函数而生成。地面速度剖面通过组合轨迹段构建，轨迹段使用基本运动学关系定义，因此程序高度和速度限制以及调节速度限制都得到了遵守。
进一步，所述S2，包括：
S21，航迹段建模：根据不同的航段类型执行航迹段建模，每个航迹段的输出是作为时间函数的沿航线位置(ds/dt)、高度(dh/dt)和真实空速
Figure BDA0003731320890000095
的导数，然后相对于时间对它们进行积分。
具体地，本实施例，航段类型如图4所示，分6种类型。每个航迹段的输出是作为时间函数的沿航线位置(ds/dt)、高度(dh/dt)和真实空速
Figure BDA0003731320890000096
的导数，然后相对于时间对它们进行积分。沿航迹位置s、高度h、校准空速VCAS、地速
Figure BDA0003731320890000097
飞行航迹角(γ)和垂直速率dh/dt都是间t的函数。在地速方程中，Vw⊥是垂直于飞机航向的风分量，Vw||是平行于飞机航向的风分量。
类型1：恒定校准空速下降航段。假设下降过程中的飞行航迹角恒定为γ。如果飞机低于10000英尺时γ＝2.9°，飞机高于10000英尺时γ＝3.1°，则输出为：
Figure BDA0003731320890000098
Figure BDA0003731320890000099
Figure BDA0003731320890000101
类型2：减速和下降航段。假设恒定的真实空速减速为0.50节/秒，恒定的飞行航迹角γ＝1.0°。则输出为：
Figure BDA0003731320890000102
Figure BDA0003731320890000103
Figure BDA0003731320890000104
类型3：恒定航迹角下降，保持恒定空速航段。空速保持恒定，飞机的飞行航迹角γ根据地速确定。输出为：
Figure BDA0003731320890000105
Figure BDA0003731320890000106
Figure BDA0003731320890000107
其中γ-表示飞行航迹角γ是用之前状态更新的。
类型4：恒定航迹角下降，减速空速航段。设定了飞行航迹角γ和沿航迹的减速度。输出为：
Figure BDA0003731320890000108
Figure BDA0003731320890000109
Figure BDA00037313208900001010
类型5：水平飞行，保持恒定空速航段。空速和高度保持恒定，输出为：
Figure BDA00037313208900001011
Figure BDA00037313208900001012
Figure BDA00037313208900001013
类型6：水平飞行，减速空速航段。高度保持不变，输出为：
Figure BDA00037313208900001014
Figure BDA00037313208900001015
Figure BDA00037313208900001016
S22，计算风速信息：风速信息的分矢量Vw，x，i和Vw，y，i分别表示高度hi在x和y方向上面的风速；使用样本拟合算法来计算出指定高度的预测风速
Figure BDA0003731320890000111
和
Figure BDA0003731320890000112
其中，相对于飞机风速的平行风
Figure BDA0003731320890000117
和垂直风
Figure BDA0003731320890000118
表示为：
Figure BDA0003731320890000113
Figure BDA0003731320890000114
其中，θ表示航向，
Figure BDA0003731320890000115
为分别x和y方向上的风速拟合值；
S23，计算温度信息：采用国际标准大气ISA(InternationalStandardAtmosphere)模型来确定温度和海拔高度的关系，使用以下方程式定义的ISA模型：
T(Hp)＝T0+ΔT+β*Htrop，Hp≥Htrop
T(Hp)＝T0+ΔT+β*Hp，Hp≤Htrop
其中，T0＝288.15K，β＝-0.0065K/m，Hp是以米为单位的位势高度，ΔT是ISA偏差，并且Htrop＝11000m是对流层顶的位势高度；
S24，计算高度和速度限制：根据IFPI元素或者默认的高度速度限制的设置，来进行确定高度和速度限制；
具体地，本实施例，高度和速度限制是计算地速功能的输入，用于计算本机和目标飞机的垂直和空速剖面。假设在航路点序列的每个航路点都有高度和速度限制，限制信息来自IFPI元素或者默认的高度速度限制。某些航路点可能没有程序限制，比如计划终端点，就必须要默认的高度和空速限制，如表1所示为本实施例默认速度和高度限制的对照表。
表1
Figure BDA0003731320890000116
S25，计算当前位置的沿航线位置：本机和目标飞机的沿航线位置通过将其当前水平位置投影到水平航线上来确定。具体地，如图5所示，为本实施例计算当前水平位置最短的沿航线位置的流程图。
进一步，所述S25，还包括：当j＝1…M时，航路点的坐标(x，y)位置和HPTj之间的距离使用欧几里德距离计算；从计算出最小距离dj的HPT开始，计算飞机位置和水平航线之间的跨航迹误差；如果跨航迹误差的绝对值小于2.5nmi，则确定下游的HPT，否则，用第二个最小值dj检查HPT的跨航迹误差；继续对比跨航迹误差，直到找到满足2.5nmi阈值的HPT，然后使用下游HPT计算沿航线位置和沿航线距离。
S3，根据S2计算的地速剖面，使用转弯处地速的精确估计值重新计算水平航线。
具体地，本实施例，计算飞机从当前位置沿航线的TTG，需要计算飞机当前沿航线通过到达点的各航迹段距离，使用飞机的地速剖面计算通过各段时间，最后相加。
S4，若所述沿航线的空速、高度、风和温度信息发生改变，则根据S3中获取的水平航线，并基于改变后的空速、高度、风和温度信息，重新计算地速剖面，以生成更新地速剖面；根据所述更新地速剖面重新执行S3，以重新计算水平航线。
需要说明的是，航路点序列是构成水平航线的基础。首先假定飞机以固定速度飞行，由预期飞行航路点计算出本机和目标飞机到达终点的沿航线距离，然后得到本机和目标飞机的间隔。由于风速和温度的影响，以及飞机飞行的速度和假定速度不一致，导致由第一步假设数据计算的沿航线距离发生了改变，需要继续返回到第一步进行计算，通过迭代更新计算间隔来保证间隔的可靠性，如图6为本实施例迭代更新计算间隔的原理流程图。进一步，根据本机和目标飞机的水平航线，能够计算出到计划终端点的沿航线距离、TTG、测量的时间间隔。
S5，基于地速剖面和当前的沿航线距离计算本机和目标飞机TTG，得到预测时间间隔。
进一步，所述S5，基于地速剖面和当前的沿航线距离计算本机和目标飞机TTG，得到时间间隔，包括，在目标飞机通过到达点之前，预测时间间隔PSI(t)是指本机从当前沿航线位置通过到达点的时间TTGO(t)和目标飞机的TTGT(t)的时间间隔之差，表示为：
PSI(t)＝TTGO(t)-TTGT(t)
在目标飞机通过到达点之后，但在本机通过到达点之前，在时刻t的预测时间间隔PSI(t)是本机的TTGO(t)和目标飞机在到达点的实际到达时间ATA之间的差值，表示为：
PSI(t)＝(TTGO(t)+t)-ATAT。
具体地，本实施例，使用时间间隔表示飞机间的实时间隔。时间间隔为各段航路的间隔之和，每段时间间隔由水平航线距离比上此段的实时地速。进一步，参考水平航线由一系列直线段和转弯段组成，用这些组合描述飞机的连续航线，参考水平航线数据如表2，根据航迹点序列仿真逐步生成的水平航路图如图7所示。
表2
Figure BDA0003731320890000131
风和温度测试数据如表3，本机以200节速度从HPT1航行，目标飞机以230节速度从HPT2航行，测量本机与目标飞机的通过HPT4的时间间隔。仿真结果如图8。
表3
Figure BDA0003731320890000132
此外，本实施例的第二方面提供了一种电子装置，所述电子装置包括：一个或多个处理器，存储器，所述存储器用于存储一个或多个计算机程序；所述计算机程序被配置成由所述一个或多个处理器执行，所述程序包括用于执行如上所述的基于水平航线和地速剖面的飞行时间间隔计算方法步骤。
此外，本实施例的第三方面提供了一种存储介质，所述存储介质存储有计算机程序；所述程序由处理器加载并执行以实现如上所述的基于水平航线和地速剖面的飞行时间间隔计算方法步骤。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网格设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于水平航线和地速剖面的飞行时间间隔计算方法，其特征在于，所述方法包括：
S1，根据由预期飞行航迹信息所定义的航路点序列，计算初始水平航线，所述初始水平航线是根据一系列水平航线转换点HPT描述的水平航线；根据转弯期间的初始地速和倾斜角，计算航向变化，转弯半径，转弯的起点、终点、中心，以及各水平航线转换点HPT到计划终点之间的沿航线距离；
S2，基于航迹段模型和程序设置的空速和高度的限制，结合初始水平航线中沿航线的空速、高度、风和温度信息，计算初始地速剖面和本机当前沿航线位置；
S3，根据S2计算的地速剖面，使用转弯处地速的精确估计值重新计算水平航线；
S4，若所述沿航线的空速、高度、风和温度信息发生改变，则根据S3中获取的水平航线，并基于改变后的空速、高度、风和温度信息，重新计算地速剖面，以生成更新地速剖面；根据所述更新地速剖面重新执行S3，以重新计算水平航线；
S5，基于地速剖面和当前的沿航线距离计算本机和目标飞机TTG，得到预测时间间隔。
2.根据权利要求1所述的基于水预测时间间隔平航线和地速剖面的飞行时间间隔计算方法，其特征在于，所述S5，基于地速剖面和当前的沿航线距离计算本机和目标飞机TTG，得到时间间隔，包括：
在目标飞机通过到达点之前，预测时间间隔PSI(t)是指本机从当前沿航线位置通过到达点的时间TTGO(t)和目标飞机的TTGT(t)的时间间隔之差，表示为：
PSI(t)＝TTGO(t)-TTGT(t)
在目标飞机通过到达点之后，但在本机通过到达点之前，在时刻t的预测时间间隔PSI(t)是本机的TTGO(t)和目标飞机在到达点的实际到达时间ATA之间的差值，表示为：
PSI(t)＝(TTGO(t)+t)-ATAT。
3.根据权利要求2所述的基于水预测时间间隔平航线和地速剖面的飞行时间间隔计算方法，所述S1，包括：
S11，确定航路点序列：首先根据导航数据库中的IFPI数据转换为航路点序列，航路点用wpti表示，其中i＝1，…，N；计算的水平航线转换点用HPTj表示，其中j＝1，…，M，M＝2m+2，m为转弯次数；转弯处的航路点，用两个HPT表示转弯的起点的终点；
S12，计算航路点间的航向变化：各个航路点的坐标为(x，y)，两个航路点之间的航向θi：
Figure FDA0003731320880000011
航向角沿x轴以逆时针方向进行测量，定义范围为0到2π；航向变化Δθ是wpti+1和wpti之间的航向θi和wpti和wpti-1之间的航向θi-1的差；航向变化Δθ的定义为[-π，π]，以防止航向变化超过180度；
S13，计算转弯半径：如果采用固定半径RF(Radius-to-Fix)航段，则转弯半径R为转弯中心到终点的距离，其他航段转弯半径为地速和假定转弯倾斜角度的函数：
Figure FDA0003731320880000021
其中，VGS是假定的地速，g是重力引起的加速度，φ是转弯时假定的倾斜角；假定最大转弯倾斜角为23°，转弯倾斜角φ：
Figure FDA0003731320880000022
S14，计算转弯的起点、终点和中心：如果采用RF航段，转弯中心和转弯终点则在导航数据库中确定，转弯起点为前一个航段的终点，否则将根据航路点、转弯半径和航向变化计算转弯的起点和终点；
S15，计算各HPT到计划终点的距离DTG：对两条连续的直线航段，第j个HPT的DTG是从第(j-1)个HPT的沿航线距离加上第j个和第(j-1)个HPT之间的距离；对于非RF的转弯航段，有两个HPT被标记为转弯的起点和终点；转弯起点处的沿航线距离为后一个HPT到转弯终点的沿航线距离加上前一个HPT的沿航线距离；转弯处的沿航线距离为转弯半径乘以航线改变角得出的弧长。
4.根据权利要求3所述的基于水预测时间间隔平航线和地速剖面的飞行时间间隔计算方法，所述S2，包括：
S21，航迹段建模：根据不同的航段类型执行航迹段建模，每个航迹段的输出是作为时间函数的沿航线位置(ds/dt)、高度(dh/dt)和真实空速
Figure FDA0003731320880000023
的导数，然后相对于时间对它们进行积分；
S22，计算风速信息：风速信息的分矢量Vw，x，i和Vw，y，i分别表示高度hi在x和y方向上面的风速；使用样本拟合算法来计算出指定高度的预测风速
Figure FDA0003731320880000024
和
Figure FDA0003731320880000025
其中，相对于飞机风速的平行风
Figure FDA0003731320880000026
和垂直风
Figure FDA0003731320880000027
表示为：
Figure FDA0003731320880000028
Figure FDA0003731320880000029
其中，θ表示航向，
Figure FDA00037313208800000210
为分别x和y方向上的风速拟合值；
S23，计算温度信息：采用国际标准大气ISA模型来确定温度和海拔高度的关系，使用以下方程式定义的ISA模型：
T(Hp)＝T0+ΔT+β*Htrop,Hp≥Htrop
T(Hp)＝T0+ΔT+β*Hp，Hp≤Htrop
其中，T0＝288.15K，β＝-0.0065K/m，Hp是以米为单位的位势高度，ΔT是ISA偏差，并且Htrop＝11000m是对流层顶的位势高度；
S24，计算高度和速度限制：根据IFPI元素或者默认的高度速度限制的设置，来进行确定高度和速度限制；
S25，计算当前位置的沿航线位置：本机和目标飞机的沿航线位置通过将其当前水平位置投影到水平航线上来确定。
5.根据权利要求4所述的基于水预测时间间隔平航线和地速剖面的飞行时间间隔计算方法，所述S25，还包括：
当j＝1…M时，航路点的坐标(x，y)位置和HPTj之间的距离使用欧几里德距离计算；从计算出最小距离dj的HPT开始，计算飞机位置和水平航线之间的跨航迹误差；
如果跨航迹误差的绝对值小于2.5nmi，则确定下游的HPT，否则，用第二个最小值dj检查HPT的跨航迹误差；
继续对比跨航迹误差，直到找到满足2.5nmi阈值的HPT，然后使用下游HPT计算沿航线位置和沿航线距离。
6.根据权利要求3所述的基于水预测时间间隔平航线和地速剖面的飞行时间间隔计算方法，所述S14，还包括：
转弯终点(xturn_end，yturn_end)计算如下：
Figure FDA0003731320880000031
Figure FDA0003731320880000032
其中，L是wpti和wpti+1之间的距离，R为转弯半径，θi为当前航向，Δθ为航向变化；
如果Δθ<0时，转弯中心(xturn_center，yturn_center)、转弯起点(xturn_start，yturn_start)表示为：
Figure FDA0003731320880000041
Figure FDA0003731320880000042
Figure FDA0003731320880000043
Figure FDA0003731320880000044
如果Δθ>0时，转弯中心(xturn_center，yturn_center)、转弯起点(xturn_start，yturn_start)表示为：
Figure FDA0003731320880000045
Figure FDA0003731320880000046
Figure FDA0003731320880000047
Figure FDA0003731320880000048
7.一种电子装置，所述电子装置包括：一个或多个处理器，存储器，所述存储器用于存储一个或多个计算机程序；其特征在于，所述计算机程序被配置成由所述一个或多个处理器执行，所述程序包括用于执行如权利要求1-6任一项所述的基于水预测时间间隔平航线和地速剖面的飞行时间间隔计算方法步骤。
8.一种存储介质，所述存储介质存储有计算机程序；所述程序由处理器加载并执行以实现如权利要求1-6任一项所述的基于水预测时间间隔平航线和地速剖面的飞行时间间隔计算方法步骤。
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