民航飛機四維航跡研究進展及啟示分析

陳曉 杜雙 張彥娥

摘 要 四維航跡也稱4D航跡，指航空器在空間內三維位置坐標及每個位置點對應過點時間組成的點集合，借助四維航跡預測分析，地面指揮中心可以對民航飛機的飛行軌跡進行指揮，提升空中交通管制的有效性。本文就民航飛機四維航跡的研究進展及啟示進行了分析，希望能夠為我國民航事業(yè)的發(fā)展提供參考。

關鍵詞 民航飛機;四維航跡;研究進展;啟示

前言

新的經濟環(huán)境下，民航事業(yè)飛速發(fā)展，航空公司的經營規(guī)模也在不斷拓展，在為人們日常出行提供便利的同時，也導致了空中交通流量的迅速增長，航路擁擠乃至航路沖突問題頻繁出現，給飛機的飛行安全造成了威脅[1]。借助四維航跡預測，航空公司能夠對飛機的起降順序及航路選擇進行合理安排，促進航空運輸效率的提高。

1四維航跡的研究進展

1.1 產生

早在20世紀80年代，美國聯邦航空管理局就提出了全國空域系統的相關概念，希望借此對空中交通流量迅速增長帶來的各種問題進行解決，其中就包含了飛機四維導航和指導的思想，強調基于時間實現航空器航跡的監(jiān)控。四維航跡的相關概念就是在這樣的背景下得以產生，通過相應的航跡預測，可以減少飛機飛行過程中的沖突，降低航路及終端區(qū)空域的擁擠程度[2]。

1.2 發(fā)展

面對不斷發(fā)展的民航運輸業(yè)，歐洲原本瑣碎的空域劃分嚴重制約著航空業(yè)的發(fā)展，對此，2004年，歐盟發(fā)起了SESAR計劃，強調就未來的空中交通管理落實基于四維航跡的管理，以提高空域容量，保障飛機的穩(wěn)定安全運行。2012年2月，空客公司使用一架A320飛機，成功完成了首次使四維航跡空中交通管理技術的試飛，相應的項目被稱為初始4D航跡[3]。在美國，為了能夠適應民航運輸業(yè)的發(fā)展需求，提出了NGATS計劃，基于四維航跡的運行是計劃中的一個基本要求，希望能夠在實現對航跡的精準預測的同時，于飛機飛行過程中就其飛行航跡進行實時監(jiān)測調整[4]。

1.3 趨勢

新的發(fā)展環(huán)境下，四維航跡預測模式可以將氣象環(huán)境、飛行員意圖以及管制員意圖等因素的干擾考慮在內，融合了極大代數理論和混雜系統理論等，促進了航跡預測準確性的提高。

2四維航跡預測方法及性能模型

2.1 預測方法

四維航跡預測方法大致可以分為三種，一是基于卡爾曼濾波等的估計方法，二是基于等角或者大圓航跡的推測方法，三是基于飛機性能模型的預測方法。

2.2 性能模型

飛機的性能包含了氣動特性、飛機重量、發(fā)動機特性等，在對基于四維航跡的性能模型進行構建時，需要在垂直面和水平面內，對飛機三維航跡進行分解，以簡化航跡的計算和生成。實際操作中，主要是將航跡分解為垂直、水平航跡剖面以及速度剖面，然后結合飛機性能數據，如燃油消耗率、起飛重量、發(fā)動機可用推力等，得到預測飛行航跡[5]。計算環(huán)節(jié)，必須考慮外部環(huán)境因素的影響，如溫度、氣壓、天氣狀況等。在性能模型構建中，應該關注三個方面的內容[6-7]：一是垂直航跡剖面。飛機在飛行過程中，垂直飛行剖面包括了五個階段，依次為起飛、爬升、平飛、下降和著陸，對應的參數可以在相應的性能數據庫中查詢得到，再結合能量守恒原理和牛頓第二定律，就能夠得到準確結果;二是水平航跡剖面。依照航路點信息，可以將水平航跡分解為直線航段和轉彎航段，相應的航路點信息可以從領航計劃報中得到，在實踐中，可以將轉彎航段細分為約束轉彎、內切轉彎、末端轉彎三種，一般情況下，飛機在飛行過程中都是以內切轉彎為主;三是速度剖面。對速度剖面進行分解，包括了正常速度剖面、最短到達時間剖面和最長到達時間剖面，其都是由一系列剖面段連接在一起得到，每一個剖面段都可以看作是直線飛行及轉彎飛行的水平航跡地速剖面。

3四維航跡研究的啟示

最近幾年，我國民航事業(yè)發(fā)展迅速，同時也出現了不少問題，如航路擁擠、空域緊張以及飛機起降晚點等，對于空域管理工作提出了更加嚴格的要求。四維航跡預測是新一代空中交通管理中的核心技術，能夠為上述問題的解決提供思路和方法，對其進行合理應用，能夠促進民航事業(yè)的穩(wěn)定健康發(fā)展，也可以保持飛機飛行的平穩(wěn)，減少燃油消耗和碳排放，有效降低航空公司運營成本。

4結束語

總而言之，四維航跡預測在民航空中交通管理中發(fā)揮著重要作用，能夠幫助航空公司和空管部門對飛機的起降順序及航路選擇進行合理安排，提高航空運輸效率，減少飛機在飛行過程中的沖突，切實保證飛行安全。

參考文獻

[1] 樊垚，邵興悅，李清東，等.民機四維航跡/姿態(tài)一體化自適應控制[J].航空學報，2019，40（2）：161-170.

[2] 劉莉雯.四維航跡規(guī)劃綜述[J].計算機產品與流通，2018，（3）： 278，280.

[3] 馬勇.基于數據挖掘的四維航跡精密預測方法研究[D].南京：南京航空航天大學，2016.

[4] 劉海軍.民航飛行大學生人文素質現狀分析及對策研究[J].產業(yè)與科技論壇，2018，17（13）：123-125.

[5] 楊尚文.基于四維航跡的空域靈活使用研究思路初探[J].中國民航飛行學院學報，2015，（6）：31-35.

[6] 靳宇波，王鑫.飛機尾流探測技術研究進展與應用趨勢探析[J].科技創(chuàng)新與應用，2015，（27）：51-52.

[7] 李黎.下一代空管系統的核心理念：基于四維航跡的運行[J].中國民用航空，2015，（8）：18-20.