初始四維軌跡運行技術研究

葉軍暉　鄭智明

【摘 要】初始四維軌跡運行（Initial 4D， I4D）技術為通信導航監視/空中交通管理（CNS/ATM）技術實現的基礎。本文首先介紹了I4D技術的概念，在此基礎上，對I4D的兩個關鍵技術I4D軌跡和I4D制導進行了探究，對I4D的工程應用奠定了重要的理論基礎。

【關鍵詞】初始四維軌跡運行；四維軌跡；四維制導

0 引言

隨著航空運輸業的迅猛發展，空中交通日益繁忙，目前的航空運輸系統已經不能滿足需求。為此，歐洲單一天空實施計劃（SESAR）和美國下一代航空運輸系統（NextGen）提出了通信導航監視/空中交通管理（CNS/ATM）技術。根據SESAR和NextGen的開發計劃，初始四維軌跡運行（Initial 4D， I4D）技術是CNS/ATM的基礎。

I4D技術將建立一個統一的空管體系，在地面和飛機之間實現信息交換，對飛行時間也加以控制，以便使空中交通管制（ATC）能預先排定飛機的到達時間，減少空中的擁擠與排隊。I4D技術可以為民用航空提供更加準時、安全的航空運輸、更高的飛行效率和更多的飛行容量。

1 初始四維軌跡運行技術概述

I4D技術指的是機載設備通過數據鏈將構建的四維軌跡發送給地面的ATC，ATC可以盡早的探測到飛行計劃的沖突，然后與飛機進行軌跡的協商，以獲得一個綜合飛機和地面限制考慮在內的最佳飛行剖面，然后飛機通過4D制導對速度進行精確控制來實現協商的軌跡，并且整個飛行過程中受到地面的監控。

以飛機進場為例，圖1為I4D技術空地協商示意圖。首先地面ATC發出一個初始請求，然后機載飛行管理系統（FMS）向地面發送其預測的四維軌跡（經過優化并滿足限制條件的軌跡）。ATC通常不會完全接受用戶根據自己情況優化的軌跡，因為它常會與其他飛機發生沖突，而是通過聲音或數據鏈的方式發送合適的約束條件給飛機。FMS或飛行員根據地面系統的指令可能會對預測的四維軌跡做一定的修改，對于根據約束修改后的新的軌跡，也要傳送到地面。最后飛機端發送一個接受的信息，地面做出清晰的回答。在實施四維運行時，地面系統不斷的對飛機是否按照四維軌跡飛行進行一致性監視。

2 I4D軌跡

I4D技術中涉及到兩個關鍵的功能和技術，分別是I4D軌跡和I4D制導。I4D軌跡是依據航空公司的飛行計劃和一些額外的約束條件而生成的，該軌跡定義了預測的水平和垂直剖面，包括沿著該剖面的速度和時間。飛行機組選擇航空公司優先的成本指數（時間與燃油的關系，對于特定的飛行在時間和燃油值之間平衡），然后根據實際需要而加上速度、高度、時間約束，FMS根據飛機當前的狀態、大氣數據以及飛行機組輸入的或AOC上傳的數據來產生I4D軌跡。該I4D軌跡滿足約束條件，并且每次航班FMS計算獨特的飛行性能參數（最優速度，最大和空油門值，燃油流量等）。最后FMS的水平導航和垂直導航功能將通過自動飛行控制系統（AFCS）引導飛機至該I4D軌跡。

航路點的速度限制指的是飛機的速度值“不能超過”某個限制值。如果是在爬升階段，則適用于該點以及該點之前的所有航路點；如果是在下降階段，則適用于該點及該點之后所有的航路點。航路點的高度限制有4種類型：“在”，“在或在上面”，“在或在下面”，“之間”。航路點的時間限制可以分成：“在”、“在/之前”、“在/之后”三種類型。“在/之前”和“在/之后”類型時間限制通常用于途中航路點偏航，而4D運行時主要用的是“在”類型時間限制。圖2為I4D軌跡生成示意圖。

3 I4D制導

傳統的制導是通過搜索速度方式，不能與飛機到達時間形成交聯，因此無法實現對飛機到達時間的精確控制，不能適應復雜多變的情況。I4D技術是在3維軌跡（緯度、經度、高度）的基礎上加上所需到達時間（RTA）的約束，I4D制導可以充分利用FMS的能力，通過對RTA的引入，來計算出相應的速度，進而通過對速度的控制將飛機在規定的時間內引導至規定的位置。I4D制導方式多樣，國外的主機所和主要FMS供應商均掌握了一定的核心技術，但這些技術對于國內是封鎖的。國內的主機所和研究院所在I4D制導方面的技術儲備還較少。圖3提供了一種I4D制導方法。

I4D技術通過輸入的RTA生成相應的時間指令，再通過速度剖面發生器產生速度剖面，進而對軌跡進行更新，整個過程形成一個閉環。該方法能夠抑制風模型誤差對RTA的影響，在實驗室環境（硬件在回路仿真）下RTA精度為+/-6秒。

4 結論

當前SESAR和NextGen正在積極地推進I4D技術的應用。I4D運行的實施是結合空中和地面共同進行，對于空中機載設備來說，其關鍵是FMS支持I4D運行技術，即生成優化的4D軌跡并與自動飛行系統耦合通過I4D制導功能將飛機精確的引導至協商好的位置。本文的研究對于I4D技術在國產民用飛機上的應用奠定了理論基礎。

【參考文獻】

[1]霍曼等.飛速發展的航空電子[M].航空工業出版社，2007.

[2]European ATM Master Plan [S].SESAR，2012.

[3]鄭智明，宗軍耀，李偉，胡應東.CNS/ATM概念下的基于時間運行技術研究[J]. 科技資訊，2015（19）：111-112.

[責任編輯：張濤]endprint