基于多條件四維航跡預(yù)測方法

祁振杰

民航貴州空管分局 貴州 貴陽 550005

引言

自2005年國際民用航空組織（ICAO, International Civil Aviation Organization）提出“基于航跡的運行”（TBO，Trajectory Based Operations）以來，2020年2月民航局空管局發(fā)布了《中國民航空管基于航跡運行（TBO）運行概念》[1]。TBO是對航空器全生命周期的四維航跡（4DT, 4Dimensional Trajectory）為基礎(chǔ)，在空管部門、航空公司、機場、航空器等相關(guān)方實時和動態(tài)維護航跡信息，進而實現(xiàn)多方協(xié)同決策。當前，空管自動化系統(tǒng)作為管制指揮使用最多、與管制指揮最為密切相關(guān)的重要核心系統(tǒng)，在空管自動化系統(tǒng)中實現(xiàn)高精準的“4DT航跡預(yù)測”，為“基于航跡的運行”的理念在空管部門中落地、實施，有著很強的現(xiàn)實意義。

1 背景與現(xiàn)狀

ICAO最新發(fā)布的《全球航行計劃》第六版（GANP，Global Air Navigation Plan - Sixth Edition）中，TBO是航行系統(tǒng)組塊升級（ASBU，Aviation System Block Upgrades）各引線繼承的總目標，計劃在2031年之前分三個階段逐步進行實現(xiàn)。當前，歐美航空發(fā)達國家已經(jīng)在新一代空管系統(tǒng)的發(fā)展規(guī)劃中將TBO作為核心理念，全球各大研究機構(gòu)、設(shè)備廠商也高度重視TBO技術(shù)標準制定和裝備升級。為實現(xiàn)民航強國戰(zhàn)略構(gòu)想，踐行“智慧民航”的理念，我國民航各個企事業(yè)單位正積極開展以TBO為代表的空管新理念新技術(shù)的研究、開發(fā)、驗證以及應(yīng)用推廣工作。

TBO的實現(xiàn)完全依托于4DT的全生命周期。就當前技術(shù)發(fā)展的程度而言，“4DT預(yù)測計算”的較大方面都體現(xiàn)在空管自動化系統(tǒng)（ATC，Air Traffic Control System）之中。截至2021年12月10日，貴陽現(xiàn)場使用的主用萊斯Numan2000系統(tǒng)不具備4DT預(yù)測的功能，備用二所Air Net自動化系統(tǒng)已經(jīng)具備初步的4DT預(yù)測計算的功能，但是預(yù)測的精度與準確性都有待進一步提高。

“4DT預(yù)測計算”未來將成為空管自動化系統(tǒng)的一項基本功能，直接關(guān)系著管制人員使用空管自動化系統(tǒng)指揮航空器的體驗，其中包含預(yù)計經(jīng)過扇區(qū)的“預(yù)管制狀態(tài)”預(yù)測、未飛航跡高度的預(yù)測、過點時間的預(yù)判等一系列管制指揮特別關(guān)注和必須提前掌握的信息，精準的預(yù)測航跡的“4DT軌跡”不僅在調(diào)配航空器間的沖突，增加管制指揮安全冗余度等方面，都對管制指揮工作產(chǎn)生直接的影響。所以，“4DT航跡預(yù)測”計算功能在空管自動化系統(tǒng)功能中，是當前的研究熱點與難點。

2 基本概念

空管自動化系統(tǒng)是空中交通管制指揮的核心系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠大幅提升空中交通管制效率，隨著航班的流量日益增長，管制指揮人員的面對的指揮、調(diào)配航空器的沖突壓力也隨之增加，監(jiān)視數(shù)據(jù)航跡預(yù)測的準確性、及時性以及適當量的“4DT航跡預(yù)測”就成為空中交通指揮保障飛行安全的重要手段與方式。

具體來講，4DT是由一系列的點連接而成的飛行路徑，每個點在四個維度（經(jīng)度、緯度、高度、時間）都有一定的精度要求，并以此描述飛行的運行過程。4DT的航路點上包含“可控到達時間”，確保航空器全程“可控、可達”。

當前，接入空管自動化系統(tǒng)的監(jiān)視數(shù)據(jù)源包含S模式或A/C模式雷達數(shù)據(jù)、廣播式自動相關(guān)監(jiān)視數(shù)據(jù)（ADS-B, Automatic Dependent Surveillance-Broadcast的縮寫）[2]、多點定位技術(shù)監(jiān)視數(shù)據(jù)（MLAT，multilateration 的縮寫）等。對于以上接入空管自動化系統(tǒng)的各類監(jiān)視源數(shù)據(jù)，在空管自動化系統(tǒng)中經(jīng)過融合處理，形成系統(tǒng)綜合航跡。對于空管自動化系統(tǒng)而言，“航跡預(yù)測”功能的實現(xiàn)，就依賴于空管自動化系統(tǒng)中的航跡4D計算，其中的4D軌跡計算（4D Trajectory Prediction）根據(jù)航空器的飛行路線、機型、天氣等基本屬性，通過預(yù)測計算航空器經(jīng)過飛行路線沿途各個航路點的位置（經(jīng)緯度）、高度、時間，從而得到航空器的4D軌跡模型。有賴于4D軌跡模型的建立，地面上的空中交通管制指揮人員就可以依據(jù)航跡的預(yù)測提前做好航空器的間距（分為垂直、水平方向）調(diào)配，做好沖突化解于未然，提高管制指揮的安全冗余度。

3 多條件的預(yù)測計算

本文就針對如何提高空管自動化系統(tǒng)中4DT預(yù)測計算的準確性，提出基于多條件進行4DT預(yù)測計算方法，以達到提高4DT軌跡預(yù)測計算的準確性與精度，為空管自動化系統(tǒng)實現(xiàn)4DT航跡預(yù)測提供思路。

4DT的預(yù)測計算，分為水平方向和垂直方向上的推測計算。水平方向上航空器的位置變化一般會嚴格按照領(lǐng)航飛行計劃報（FPL，filed flight plan message的縮寫）中描述的航路、航線或者進離場程序中描述的線路進行改變，而且航路、航線上的固定報告點或者進離場程序的線路點包含經(jīng)度、維度等信息。垂直方向上航空器的高度變化，就依賴于航空器飛行剖面模型進行預(yù)測計算?？梢钥闯觯展茏詣踊到y(tǒng)中的4DT的預(yù)測計算，核心的計算要素為航空器的預(yù)計過點高度與過點時間信息。對航空器的過點高度與過點時間的預(yù)測計算，需要根據(jù)航空器的飛行階段，進行剖面模型階段劃分，從而提高預(yù)測計算在不同飛行階段的預(yù)測精準度。

傳統(tǒng)的航空器飛行剖面模型[3-4]，分為起飛、爬升、巡航、進場、進近、著陸6個，分屬于爬升階段、巡航階段、下降階段3個階段。其中起飛、爬升屬于爬升階段，巡航屬于巡航階段，進場、進近、著陸屬于下降階段。另外，關(guān)于航空器處于哪個階段的判斷，超出了本文的討論范圍，筆者將在未來的文章中進行描述與討論。

圖1 傳統(tǒng)的航空器飛行剖面模型

通過為航空器建立基本飛行剖面模型的階段劃分，根據(jù)航空器的飛行高度層，并結(jié)合歐洲航行安全組織（EUROCONTROL，簡稱：歐控）實驗中心提供常見飛機的飛行性能數(shù)據(jù)庫BADA（Base of Aircraft Data的縮寫）獲取航空器在各個高度層的典型飛行速度，從而推測計算航空器的4D軌跡模型。

空管自動化系統(tǒng)根據(jù)航空器的4D軌跡模型，實現(xiàn)航空器實時狀態(tài)管理、推算航空器將經(jīng)過哪些管制扇區(qū)、計算航空器下一個即將進入的扇區(qū)、精準的過點高度和過點時間等功能。在不同的飛行階段，為航空器建立基本的飛行剖面，不同的階段適用不同的推測條件。根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)發(fā)展水平，涉及的多條件主要有如下幾種：

3.1 基于人工干預(yù)的條件

航空器的空中飛行時依賴于地面管制的指揮，管制人員為了調(diào)配航空器沖突，會根據(jù)實際情況對航空器進行干預(yù)，在空管自動化系統(tǒng)中設(shè)置CFL高度（指令高度）。在下降階段中，進近時刻因調(diào)配沖突的工作需要管制指揮人員會發(fā)布指令使航空器繞圈（保持高度）或者使航空器在空中盤旋等待或下降。以下簡稱“條件1”。

3.2 基于歷史數(shù)據(jù)的條件

近5年來，數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析歷史數(shù)據(jù)[5-6]，促進了對軌跡挖掘應(yīng)用的研究與廣泛應(yīng)用。數(shù)據(jù)挖掘、機器學習、大數(shù)據(jù)分析歷史數(shù)據(jù)的發(fā)展，促進了4DT軌跡預(yù)測計算應(yīng)用的發(fā)展。經(jīng)過大數(shù)據(jù)統(tǒng)計，得出一定的結(jié)論：起飛機場、目的地機場相同，過點時間間隔在無特殊情況時一定程度與精度下是相同的；同一時間段飛越航空器的過點時間間隔時相同的。以下簡稱“條件2”。

3.3 基于實時飛行數(shù)據(jù)的條件

近年來，隨著基于S模式雷達、ADS-B信號接入空管自動化系統(tǒng)中，在空管自動化中收到的機載下行數(shù)據(jù)中包含實時飛行信息，比如實時飛行速度、飛行員撥表高度等重要的機載數(shù)據(jù)，可以根據(jù)實時的記載下行數(shù)據(jù)進行航跡預(yù)測計算的調(diào)整與推測。以下簡稱“條件3”。

階段一：爬升階段。

水平方向：按照離場程序中的路線進行變化，根據(jù)“條件1”和“條件3”中的航空器實時水平速度信息，預(yù)測計算過點時間。

垂直方向：按照離場程序中的路線進行變化，根據(jù)“條件1”和“條件3”中的航空器實時垂直速度信息，預(yù)測計算過點高度信息。正常情況下，航空器在爬升階段不會出現(xiàn)高度下降的情況，因此，預(yù)測計算的下一點高度應(yīng)該不低于當前的過點高度。

階段二：巡航階段。

水平方向：綜合“條件1”、“條件2”和“條件3”。根據(jù)航空器的機型，由BADA數(shù)據(jù)獲取對應(yīng)航空器機型在各個飛行高度層的典型速度，通過典型速度預(yù)測計算航空器未來經(jīng)過航路點的過點時間。實時根據(jù)“條件3”中的航空器實時水平速度信息，預(yù)測計算過點時間。并根據(jù)“條件2”中的過點時間間隔差，修正過點時間。

垂直方向：綜合“條件1”、“條件2”和“條件3”。根據(jù)“條件1”中的修改預(yù)測計算的高度信息，以及“條件2”，預(yù)測計算過點高度信息，綜合“條件3”中的航空器實時垂直速度信息，修正預(yù)測結(jié)果。

階段三：下降階段。

水平方向：按照進場程序中的路線進行變化，根據(jù)“條件1”和“條件3”中的航空器實時水平速度信息，預(yù)測計算過點時間。

垂直方向：按照進場程序中的路線進行變化，根據(jù)“條件1”和“條件3”中的航空器實時垂直速度信息，預(yù)測計算過點高度信息。正常情況下，航空器在下降階段一般情況下不會出現(xiàn)高度上降的情況，因此，預(yù)測計算的下一點高度應(yīng)該不高于當前的過點高度。

空管自動化系統(tǒng)在實現(xiàn)“4DT航跡預(yù)測”計算時，需要依據(jù)航空器在不同的階段結(jié)合不同的預(yù)測條件，從而使空管自動化系統(tǒng)的航跡預(yù)測計算精度不斷提高。總之，基于多條件4DT航跡預(yù)測將會是空管自動化系統(tǒng)一項亟待提升的核心功能需求，此項功能的高精度與高準確度的實現(xiàn)，必須依賴于國內(nèi)各個空管自動化系統(tǒng)的生產(chǎn)廠家深入研究與測試實施。

4 結(jié)束語

本文最新的基于航跡的運行概念，通過闡述空管自動化系統(tǒng)中航跡預(yù)測功能的重要性，依據(jù)航空器剖面模型的不同階段綜合考慮不同條件的組合，充分考慮管制人為調(diào)配因素、歷史數(shù)據(jù)規(guī)律、實時動態(tài)數(shù)據(jù)三個條件，給在空管自動化系統(tǒng)中對4DT預(yù)測預(yù)測計算實現(xiàn)提供一定的方法依據(jù)。這種根據(jù)不同飛行階段結(jié)合不同條件預(yù)測的方式，綜合多個影響因素的影響，再進行多條件4DT軌跡預(yù)測計算，能夠大大提高預(yù)測航跡的準確性與精度，為未來新一代空管自動化系統(tǒng)中航跡預(yù)測功能實現(xiàn)提供一種思路。