基于飛行計(jì)劃與導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)的航跡預(yù)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及空中交通管制領(lǐng)域，特別涉及一種航跡預(yù)測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)有的空中交通管制系統(tǒng)（ATC)對(duì)空中交管員的反應(yīng)速度、危機(jī)處理能力等依賴 度過(guò)高；交通管理員需要在高負(fù)荷的工作狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間保持注意力高度集中，而這種以空 中交通管制員為核心的空管系統(tǒng)可能會(huì)因?yàn)楣苤茊T的疏忽或者超負(fù)荷工作而引發(fā)危機(jī)，如 果能事先制定合理的飛行軌跡并要求飛機(jī)跟隨制定的軌跡飛行，則空管部門就能在很大程 度上提前預(yù)計(jì)飛機(jī)的飛行軌跡，從而提前進(jìn)行沖突探測(cè)，以避免可能發(fā)生的碰撞等事故。在 這種需求下，基于軌跡的運(yùn)行（TBO)和基于性能的導(dǎo)航（PBN)概念被相繼提出。尤其在TBO 概念下，飛機(jī)應(yīng)當(dāng)沿著一條制定好的航線進(jìn)行飛行。而該條航線必須保證飛行的可預(yù)測(cè)性 以及可重復(fù)性。因此，在航線制定過(guò)程中應(yīng)當(dāng)充分考慮飛機(jī)性能參數(shù)，飛機(jī)起降程序以及導(dǎo) 航規(guī)范，并且選擇合理的地理坐標(biāo)系統(tǒng)。而現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)于航跡的預(yù)測(cè)或是對(duì)起降程序過(guò) 分簡(jiǎn)化，或者對(duì)實(shí)際飛行航段的航段類型考慮過(guò)于簡(jiǎn)化而未充分考慮導(dǎo)航規(guī)范，或者將飛 機(jī)模型過(guò)于簡(jiǎn)化，未考慮飛機(jī)一般性能參數(shù)。因而不能保證所制定航線的可飛行，可預(yù)測(cè)性 以及可重復(fù)性。現(xiàn)有航跡預(yù)測(cè)方法存在的問(wèn)題可大致概括為以下四個(gè)方面：
[0003] 1)空間定位點(diǎn)（包括航路點(diǎn)、導(dǎo)航臺(tái)、強(qiáng)制報(bào)告點(diǎn)、偽航路點(diǎn)、跑道入口等）坐標(biāo)系 統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)圓球系統(tǒng)，甚至采用二維平面坐標(biāo)系。在實(shí)際系統(tǒng)中，應(yīng)當(dāng)采用WGS-84地理坐 標(biāo)系統(tǒng)。
[0004] 2)飛行階段劃分過(guò)于簡(jiǎn)單，多數(shù)成果未考慮飛機(jī)標(biāo)準(zhǔn)爬升/下降程序，未考慮終 端區(qū)標(biāo)準(zhǔn)儀表飛行程序，甚至將整個(gè)飛行階段簡(jiǎn)單的劃分為"直線爬升一一平飛巡航一一 直線下降"三個(gè)階段。在實(shí)際系統(tǒng)中應(yīng)當(dāng)考慮飛機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)爬升/下降程序以及終端區(qū)標(biāo)準(zhǔn) 儀表飛行程序。
[0005] 3)未考慮實(shí)際飛行航段信息，將航段類型過(guò)于簡(jiǎn)化，多數(shù)只考慮簡(jiǎn)單的定位點(diǎn)之 間的直線連接，即使考慮轉(zhuǎn)彎銜接，轉(zhuǎn)彎航跡計(jì)算也過(guò)于簡(jiǎn)化。未充分考慮航段高度限制及 速度限制。在實(shí)際系統(tǒng)中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)飛行計(jì)劃查詢導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)，嚴(yán)格按照導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)各航 段的定義和規(guī)范進(jìn)行航跡預(yù)測(cè)。
[0006] 4)飛機(jī)模型考慮過(guò)于簡(jiǎn)化，多數(shù)將飛機(jī)視為勻速運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)、或者勻加速運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)。 在實(shí)際系統(tǒng)中，雖然空管部門進(jìn)行航跡預(yù)測(cè)不需要考慮復(fù)雜的飛機(jī)動(dòng)力學(xué)模型和復(fù)雜的性 能數(shù)據(jù)庫(kù)。然而應(yīng)當(dāng)考慮飛機(jī)一般性能參數(shù)，如部分基本氣動(dòng)參數(shù)、最大橫傾角、最大水平 加速度、最大垂直加速度、最大爬升/下降率、最大垂直速率等，以保證預(yù)測(cè)出的航跡為可 飛航跡。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種覆蓋飛行全過(guò)程更具有可飛性的航跡預(yù)測(cè)方 法。
[0008] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明基于飛行計(jì)劃與導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)的航跡預(yù)測(cè)方法，包括水平 航跡預(yù)測(cè)方法和/或垂直航跡預(yù)測(cè)方法；所述基于飛行計(jì)劃與導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)的航跡預(yù)測(cè)方法 的過(guò)程為：
[0009] I. 1獲取所述水平航跡預(yù)測(cè)方法和/或垂直航跡預(yù)測(cè)方法所需的航跡預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)， 所述航跡預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)包括飛行計(jì)劃、導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)、飛機(jī)性能參數(shù)；
[0010] 1. 2根據(jù)航跡預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，應(yīng)用水平航跡預(yù)測(cè)方法和/或垂直航跡預(yù)測(cè)方法逐段生 成飛行全過(guò)程的水平航跡與垂直航跡。
[0011] 1. 3應(yīng)用航跡整合方法將水平垂直航跡進(jìn)行整合為完整的三維航跡。
[0012] 優(yōu)選地，所述水平航跡預(yù)測(cè)方法的步驟為：
[0013] 2. 1在導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)中提取飛行計(jì)劃的第一、第二條航段數(shù)據(jù)，設(shè)置第一條航段為當(dāng) 前航段，第二條航段為后續(xù)航段；
[0014] 2. 2判斷是否需要在相鄰兩航段之間加入轉(zhuǎn)彎銜接：
[0015] 如需要?jiǎng)t采用直線-轉(zhuǎn)彎銜接-直線航跡預(yù)測(cè)方法生成航跡；
[0016] 否則將當(dāng)前航段的終點(diǎn)定義為后續(xù)航段的起點(diǎn)，生成一段與當(dāng)前航段對(duì)應(yīng)的水平 預(yù)測(cè)航跡
[0017] 2. 3 -步航跡預(yù)測(cè)后將后續(xù)航段定義為當(dāng)前航段，將導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)中后續(xù)航段的下 一航段定義為后續(xù)航段；轉(zhuǎn)2. 2進(jìn)行下一步預(yù)測(cè)，直至逐段形成整個(gè)飛行過(guò)程的全部水平 航跡。
[0018] 優(yōu)選地，所述直線-轉(zhuǎn)彎銜接-直線航跡預(yù)測(cè)方法的判斷依據(jù)及兩種不同的預(yù)測(cè) 方法分別為：
[0019] 如果當(dāng)前航段和后續(xù)航段均為直線型航段，且兩航段朝向差超過(guò)預(yù)設(shè)門檻值，則 采用直線一轉(zhuǎn)彎銜接一直線預(yù)測(cè)方法在兩直線航段之間插入一段轉(zhuǎn)彎銜接航段。
[0020] 直線-轉(zhuǎn)彎銜接-直線航跡預(yù)測(cè)方法的兩種不同的具體預(yù)測(cè)方法分別為：
[0021] 當(dāng)前航段終點(diǎn)與后續(xù)航段起點(diǎn)的坐標(biāo)如果相同：
[0022] 先根據(jù)轉(zhuǎn)彎處的預(yù)計(jì)高度查詢速度計(jì)劃表，估算轉(zhuǎn)彎處的速度，并以此估算轉(zhuǎn)彎 半徑；
[0023] 利用轉(zhuǎn)彎半徑，以及當(dāng)前航段和后續(xù)航段的朝向計(jì)算出轉(zhuǎn)彎中心點(diǎn)坐標(biāo)；
[0024] 利用轉(zhuǎn)彎中心點(diǎn)坐標(biāo)和轉(zhuǎn)彎半徑計(jì)算出轉(zhuǎn)彎起點(diǎn)和終點(diǎn)；
[0025] 其中，共生成兩段預(yù)測(cè)水平航跡，第一段為直線型航跡，開(kāi)始于當(dāng)前航段的起點(diǎn)， 終止于轉(zhuǎn)彎起點(diǎn)。第二段為轉(zhuǎn)彎圓弧型航跡，開(kāi)始于轉(zhuǎn)彎起點(diǎn)，結(jié)束于轉(zhuǎn)彎終點(diǎn)；
[0026] 或，
[0027] 當(dāng)前航段終點(diǎn)與后續(xù)航段起點(diǎn)的坐標(biāo)不同：
[0028] 根據(jù)轉(zhuǎn)彎處的預(yù)計(jì)高度查詢速度計(jì)劃表，估算轉(zhuǎn)彎處的速度，并以此估算轉(zhuǎn)彎半 徑；
[0029] 以當(dāng)前航段終點(diǎn)為參考，結(jié)合當(dāng)前航段朝向以及轉(zhuǎn)彎半徑計(jì)算轉(zhuǎn)彎中心，再以計(jì) 算出的轉(zhuǎn)彎中心點(diǎn)為參考點(diǎn)，結(jié)合轉(zhuǎn)彎半徑和后續(xù)航段的朝向計(jì)算轉(zhuǎn)彎終點(diǎn)；其中，共生成 兩段預(yù)測(cè)水平航跡，第一段為直線型航跡，開(kāi)始于當(dāng)前航段的起點(diǎn)，終止于轉(zhuǎn)彎起點(diǎn)；第二 段為轉(zhuǎn)彎圓弧型航跡，開(kāi)始于轉(zhuǎn)彎起點(diǎn)，結(jié)束于轉(zhuǎn)彎終點(diǎn)；
[0030] 此時(shí)，將計(jì)算出的轉(zhuǎn)彎終點(diǎn)作為后續(xù)航段的起點(diǎn)，將計(jì)算出的轉(zhuǎn)彎終點(diǎn)與后續(xù)航 段終點(diǎn)間的連線作為后續(xù)航段。
[0031] 優(yōu)選地，所述垂直航跡預(yù)測(cè)方法包括爬升垂直航跡預(yù)測(cè)，所述爬升垂直航跡預(yù)測(cè) 的步驟為：
[0032] 4. 1獲取所述爬升垂直航跡預(yù)測(cè)所需的航跡預(yù)測(cè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、爬升速度計(jì)劃表以及 飛機(jī)基本性能數(shù)據(jù)；
[0033] 4. 2將起飛跑道出口點(diǎn)設(shè)置為第一段垂直航跡起點(diǎn)，按下述方法形成逐段生成垂 直航跡，直至爬升至設(shè)定的巡航高度；
[0034] 4. 2. 1根據(jù)本段起點(diǎn)高度在爬升速度計(jì)劃表中查詢相應(yīng)速度，計(jì)算該點(diǎn)垂直航線 角（FPA).
[0035] 4. 2. 2以計(jì)算出的垂直航線角為斜率，在垂直剖面上做斜線，遇到以下兩種情況時(shí) 終止該段垂直航跡預(yù)測(cè)；
[0036] 1)斜線在垂直方向截獲速度計(jì)劃表中的某一高度值，則將起點(diǎn)到該截獲點(diǎn)之間的 斜線作為本段垂直航跡。如截獲的高度為巡航高度，則在本次預(yù)測(cè)之后結(jié)束爬升垂直航跡 預(yù)測(cè)；
[0037] 2)斜線在水平方向上到達(dá)水平航跡中某一定位點(diǎn)，則將起點(diǎn)到該點(diǎn)之間的斜線作 為本段垂直航跡，如斜線到達(dá)定位點(diǎn)處時(shí)違反定位點(diǎn)的高度限制，則修改該段垂直航跡。修 改方法為，從起點(diǎn)沿原斜線直到截獲該定位點(diǎn)限制高度，之后將FPA設(shè)置為0,平飛至定位 占.
[0038] 4. 2. 3將本段預(yù)測(cè)垂直航跡的終點(diǎn)更新為起點(diǎn)，終點(diǎn)高度更新為起點(diǎn)和高度，如更 新后起點(diǎn)高度為10000英尺，則將FPA設(shè)為0,加入平飛加速段，計(jì)算加速段終點(diǎn)位置，將加 速段終點(diǎn)更新為起點(diǎn)；之后轉(zhuǎn)入4. 2.