民航飛機四維航跡研究進展及啟示

劉申申

摘 要：文章介紹了民航飛機四維航跡的產生與發展，特別是歐美有關四維航跡的研究進展情況。同時文章也介紹了航跡預測的基本方法。對今后四維航跡研究的趨勢做了預測，并提出了四維航跡研究對我國民航運輸發展的啟示。

關鍵詞：四維航跡；航跡預測；研究

引言

伴隨民航業的迅猛發展，航空公司的規模不斷擴大，機隊數量不斷增加。空中交通流量迅速增長，航路擁擠、航路沖突的問題不斷出現，同時空中飛機碰撞的風險也在不斷增大。合理安排飛機的起降順序和航路選擇，可以進一步提高航空運輸的運行效率。通過提前預測飛機的飛行航跡還能減少飛機飛行過程中的沖突，降低航路和終端區空域擁擠程度。

1 四維航跡的產生與發展

1.1 四維航跡的產生

八十年代，美國聯邦航空管理局（FAA）為了解決由空中交通量迅速增長的問題，提出了全國空域系統（NAS）的概念，在其中提出了飛機四維導航和制導的想法，即基于時間來監控航空器的航跡。四維航跡，也稱4D航跡，是指航空器在空間中的三維位置點坐標和航空器在每個位置點相應的過點時間所組成的一系列點的集合。四維航跡預測是指在飛機起飛前就通過飛行計劃、歷史飛行數據、雷達資料、氣象信息等對該架飛機的飛行航跡進行預測，并確定航跡上各個航跡點的過點時間。在美國一般將航跡預測分為正常航跡預測、最壞狀況航跡預測和概率航跡預測[1]。

1.2 四維航跡的發展

在歐洲隨著民航運量的增加，航班延誤、空域擁擠、航路沖突的問題也越來越明顯，而且由于歐洲各個國家的地理分布特點，以及各個國家對自己本國領空空域劃分的標準不一致，使得歐洲的空域劃分瑣碎。這種瑣碎的空域劃分不利于歐洲航空業的進一步發展壯大。于是，在2004年，歐盟發起了一項SESAR計劃（Single European Sky ATM Research），即單一歐洲天空空中交通管理研究項目。為了達到SESAR的計劃目標，其中一個很重要的方法就是對未來的空中交通管理實施基于四維航跡的管理。因為，基于四維航跡的運行管理可以明顯提高空域容量，提高飛機運行和空域使用的效率。

2012年2月，空客公司運用一架A320飛機進行了全球首次利用四維航跡空中交通管理技術的試驗飛行。該項目被稱作為Initial-4D，即初始4D航跡。隨后在2014年3月，空客公司同樣用一架A320飛機進行了第二次初始四維航跡飛行試驗。

在20世紀90年代，美國就開發了一套空管自動化系統CTAS，該系統主要應用于在終端區空域，對空域內航空器在未來一段時間內的航跡進行預測，從而輔助管制員實行管制工作。為了適應民航業的快速發展以及民航運輸需求量的不斷增長，美國后來又提出了NGATS計劃（Next Generation Air Transportation System），即美國下一代空中交通運輸系統。而基于四維航跡的運行是NGATS里面的一個基礎要求，力求通過提前預測得到精確的預計航跡，并且在飛機實際飛行中實時監測并調整飛行航跡。

2 四維航跡預測的方法

國內外四維航跡的預測方法，主要可以分成以下幾類：（1）基于卡爾曼濾波等的估計算法；（2）基于飛機性能模型的航跡預測方法；（3）基于大圓航跡或等角航跡的航跡推測方法。

3 四維航跡預測的性能模型

飛機的性能是指：飛機的氣動特性，包括升力特性、阻力特性等；飛機的重量，包括結構限重等；發動機特性，包括發動機工作狀態、耗油特性等。

基于航空器飛行性能的航跡預測模型，一般是把飛機的三維航跡在垂直面內和水平面內進行分解，這樣做的目的是為了簡化航跡的計算與生成。把航跡分解成垂直航跡剖面、水平航跡剖面和速度剖面，然后再結合飛機性能的各種相關數據和參數，如：飛機的起飛重量、燃油重量、發動機可用推力、燃油消耗率等，計算得出預計的飛行航跡。在計算過程中還應該考慮飛行所處環境的影響，包括氣溫、氣壓、天氣狀況等。目前世界上使用最廣泛的飛機性能數據庫是CTAS（終端區自動化系統性能模型）和BADA（飛機數據基礎）[2]。

3.1 垂直航跡剖面

飛機的垂直飛行剖面通常可分為起飛、爬升、平飛、下降、著陸五個階段。相關的參數可以從飛機性能數據庫中查得。然后根據牛頓第二定律和能量守恒原理列出平衡方程，求解即可。

3.2 水平航跡

水平航跡可以按照航路點的信息，把水平飛行航跡分解成一個個直線航段和轉彎航段。這些航路點的信息可以從領航計劃報（FPL）中得到。其中轉彎航段又分為內切轉彎、約束轉彎、末端轉彎[3]三種方式。而一般情況下航路飛行多以內切轉彎為主。

3.3 速度剖面

速度剖面的分解一般情況下分為三種，即正常速度剖面、最短到達時間剖面和最長到達時間剖面。這些速度剖面均由一系列剖面段連接而成。每個剖面段均是直線飛行和轉彎飛行的水平航跡的地速剖面[4]。

4 四維航跡預測的研究趨勢

現今的航空器四維航跡預測模型里已經開始綜合考慮復雜氣象環境因素、管制員意圖、飛行員意圖等因素的干擾，在模型建立上結合了混雜系統理論[5]、極大代數理論[6]等，從而提高了航跡預測的準確性。下一步就是要進一步完善航跡預測的模型，使航空器四維航跡的預測結果更符合真實的飛行情況。

5 啟示

我國近些年民航業得到了高速發展，但是問題也接踵而至。特別是在我們在從民航大國邁向民航強國的進程中，隨之而來的空域緊張、航路擁擠、飛機起降晚點等情況日益凸顯。四維航跡預測作為新的下一代空中交通管理系統的重要基礎性技術，為我國解決民航發展過程中遇到的上述這些問題提供了解決思路。四維航跡預測技術的運用對民航業的發展起到了保障和促進作用。同時基于高精度的四維航跡的運行，還可以使飛機的飛行變得更加平穩，可以大大減少飛機的燃油消耗和碳排放，降低航空公司的運營成本，改善環境。

參考文獻

[1]Anthony Masalonis，et al. Using Probabilistic Demand Predictions for Traffic Flow Management Decision Support[C].AIAA Guidance Navigation and Control Conference and Exhibit Providence，Rhode Island，2004.

[2]郭運韜，朱衍波，黃智剛. 民用飛機航跡預測關鍵技術研究[J].中國民航大學學報，2007，25（1）.

[3]SLATTERY R A. Terminal area trajectory synthesis for air traffic control automation[C].Proceedings of the American Control Conference，Seattle，IEEE Computer Society Press，1995.

[4]王超，郭九霞，沈志鵬.基于基本飛行模型的4D航跡預測方法[J].西南交通大學學報，2009，44（2）.

[5]陸志偉.航空器無沖突4D航跡推測與生成[D]. 南京航空航天大學，2012.

[6]韓云祥，湯新民，韓松臣.基于混雜系統理論的無沖突4D航跡預測[J].西南交通大學學報，2012，47（6）.