本發(fā)明屬于航空器運行信息感知與識別領(lǐng)域，涉及一種航空器連續(xù)進近階段的排放優(yōu)化方法，具體涉及建立連續(xù)下降進近標稱航跡、劃設(shè)過渡空間/有效擴散空間和給出一種連續(xù)下降進近排放濃度的優(yōu)化求解方法。

背景技術(shù)：

中國民航局、空管局提出加快推進新技術(shù)應(yīng)用等舉措以切實提高運行管理效率，減少地面及空中燃油消耗、污染物排放。航空器連續(xù)下降進近(continuousdescentapproach，cda)作為一種國際民航組織積極推進的新型進場方式，在基于pbn飛行程序提供的垂直引導下，進場航空器可以選擇最優(yōu)初始進近點以最小推力沿連續(xù)下滑角進行下降，減少了傳統(tǒng)進近方式中的平飛段從而縮短進近路程、降低了油耗與排放。因其有效降低油耗、排放、實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保并減少管制員管制操作等優(yōu)點，這些年在行業(yè)內(nèi)被廣泛關(guān)注。

相比于國外已有機場付諸實踐，國內(nèi)對于連續(xù)下降進近技術(shù)的研究成果較少。當前對航空器連續(xù)下降進近排放的研究主要在于評估其影響因素與計算模型建立，通過建立標準的連續(xù)下降進近航跡，與傳統(tǒng)階梯式進近程序進行對比，分析連續(xù)下降進近在排放方面的優(yōu)勢；而在基于連續(xù)下降進近技術(shù)基礎(chǔ)上，根據(jù)不同航空器性能、狀態(tài)、不同機場等條件，針對航空器排放進行優(yōu)化方面存有空白。因此，現(xiàn)階段需要一種基于標稱航跡的運行控制方式，分析進近航段污染物排放模式，通過運用仿真分析方法建立飛機進近程序模型，提出一種可優(yōu)化航空器連續(xù)下降進近階段整體排放與擴散的模型和方法。這對優(yōu)化進近航路劃設(shè)，推行節(jié)能減排航空新技術(shù)的應(yīng)用具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的，在于提供一種基于粒子群算法的連續(xù)下降進近排放優(yōu)化方法，其可針對不同機場劃設(shè)出對機場、機場附近人口密集區(qū)污染最小的連續(xù)下降進近航跡，為航空器在終端區(qū)下降階段的節(jié)能減排提供相應(yīng)參考。

為了達成上述目的，本發(fā)明的解決方案是：

一種基于粒子群算法的連續(xù)下降進近排放優(yōu)化方法，包括如下步驟：

步驟1，分析航空器連續(xù)進近下降飛行過程，梳理航空器構(gòu)型變化對各類性能參數(shù)的影響，構(gòu)建連續(xù)下降進近標稱航跡運控模型，通過氣象條件與真實航行運行數(shù)據(jù)對模型進行修正；

步驟2，基于目標機場的標準儀表進場程序和pbn進近程序，確定航空器連續(xù)下降過程中的可行航跡與飛行參數(shù)的約束條件，劃設(shè)連續(xù)下降進近排放優(yōu)化過渡空間與排放優(yōu)化進近空間；

步驟3，構(gòu)建污染物擴散模型，采用高斯模型作為大氣擴散模式的模型，建立污染物濃度評估坐標系，分析該模型中決策變量，找出影響污染物濃度的關(guān)鍵因素；

步驟4，梳理影響航空器進近階段排放的各類因素，基于連續(xù)下降進近的過渡空間和有效擴散空間，以航空器在進近過程中的排放濃度最小為目標，建立航空器連續(xù)下降進近排放優(yōu)化模型，通過粒子群算法進行求解。

上述步驟1包括如下內(nèi)容：

步驟11，分析航空器連續(xù)下降過程中構(gòu)型變化過程，梳理受構(gòu)型變化影響最大的航空器運行參數(shù)；

步驟12，以歐洲航行安全組織發(fā)布的《航空器基礎(chǔ)性能數(shù)據(jù)庫》作為數(shù)據(jù)參考，應(yīng)用系統(tǒng)動力學理論，梳理航空器關(guān)鍵運行參數(shù)之間關(guān)聯(lián)，建立航空器連續(xù)下降標稱航跡運控模型；

步驟13，通過氣象條件與真實航行運行數(shù)據(jù)對模型進行修正。

上述步驟2的具體內(nèi)容是：

步驟21，根據(jù)目標機場的標準儀表進場程序和pbn進近程序，分析得到連續(xù)下降進近進場點范圍、初始速度、初始航向以及航路上各個拐點的范圍、速度和高度約束；

步驟22，過渡空間是以進場點為一邊中點建立的立方體空間，在此空間內(nèi)選取連續(xù)下降進近起始點，所述連續(xù)下降進近起始點滿足由進場點可減速下降至該連續(xù)下降進近起始點并滿足初始進近速度的約束條件；

步驟23，選出滿足條件的連續(xù)下降進近起始點后，以連續(xù)下降進近起始點為起始點引出多條航跡，根據(jù)下滑道和航跡拐點范圍，排除無法切入下滑道和超出拐點的航跡。

上述步驟22的具體內(nèi)容是：過渡空間是以進場點a0(x0,y0,z0)為一邊中點建立的立方體空間，分配給在進場點a0(x0,y0,z0)的航空器進場速度va，設(shè)置一個由10²m×10²m×10²m為單位步長的立方體組成的網(wǎng)格，構(gòu)成動態(tài)過渡空間；在過渡空間內(nèi)隨機產(chǎn)生過渡點b1、b2、……、bn(xn，yn，zn)，以及過渡點的約束速度vb，在a0到bn這條航跡內(nèi)，航空器若以不超過最大減速限度的加速度勻減速達到約束速度vb，則bn作為連續(xù)下降進近起始點，否則該過渡點不可行。

上述步驟3的具體內(nèi)容是：

步驟31，建立污染物濃度評估坐標系，并根據(jù)目標機場實地風向進行坐標系轉(zhuǎn)換；

步驟32，根據(jù)飛機燃油流率，求出單架航空器在連續(xù)下降進近階段的任一時間段內(nèi)污染物排放強度，由于飛機處于連續(xù)下降狀態(tài)，在計算前需修正有效污染源高度；

步驟33，運用turner法求出擴散系數(shù)。

上述步驟4的具體內(nèi)容是：

步驟41，分析影響排放濃度的主要因素，建立航空器連續(xù)下降進近排放優(yōu)化模型，模型使航空器在連續(xù)下降進近過程中對地面指定一點的污染物排放濃度最小；

步驟42，通過粒子群算法對排放優(yōu)化模型進行計算，得出最優(yōu)排放濃度和對應(yīng)航跡參數(shù)。

采用上述方案后，本發(fā)明可針對飛機終端區(qū)內(nèi)的任意機型，從任意起始點開始進行優(yōu)化計算處理，在較短時間內(nèi)得出針對排放的最優(yōu)航行軌跡，為飛行過程提供輔助決策，幫助機場更好規(guī)劃各個航路以減小對周圍居民區(qū)、人群密集處等地的污染，切實提高運行了管理效率，減少地面及空中污染物排放。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的核心原理圖；

圖2是航空器連續(xù)下降標稱航跡運控模型航跡圖；

圖3是劃設(shè)過渡空間與連續(xù)進近空間的篩選航跡圖；

圖4是優(yōu)化前后連續(xù)下降進近沿x軸方向nox排放濃度圖；

圖5是優(yōu)化前后連續(xù)下降進近沿x軸方向co排放濃度圖；

圖6是優(yōu)化前后連續(xù)下降進近沿x軸方向hc排放濃度圖。

具體實施方式

以下將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案及有益效果進行詳細說明。

通過綜合分析航空器在連續(xù)下降進近中各類影響因素，梳理航空器構(gòu)型變化規(guī)律，立足于污染物的排放，建立污染物擴散濃度模型。同時，基于機場標準儀表進場和pbn進近程序，模擬連續(xù)下降進近并驗證航跡可行性，通過分析進近過程中航空器初始狀態(tài)、下降角、發(fā)動機運行模式等特性，圍繞影響航空器排放的根本因素，本發(fā)明提供一種基于粒子群算法的連續(xù)下降進近排放優(yōu)化方法，結(jié)合圖1所示，包括如下步驟：

步驟1，分析航空器連續(xù)進近下降飛行過程，梳理航空器構(gòu)型變化對各類性能參數(shù)的影響，構(gòu)建連續(xù)下降進近標稱航跡運控模型，通過氣象條件與真實航行運控數(shù)據(jù)對模型進行修正。具體內(nèi)容如下：

(1.1)分析航空器連續(xù)下降過程中構(gòu)型變化過程，梳理受構(gòu)型變化影響最大的航空器運行參數(shù)，如在8000英尺與3000英尺處，航空器有較大的構(gòu)型變化，從而發(fā)動機推力、航空器所受阻力發(fā)生較大突變；

(1.2)以歐洲航行安全組織發(fā)布的《航空器基礎(chǔ)性能數(shù)據(jù)庫》作為數(shù)據(jù)參考，應(yīng)用系統(tǒng)動力學理論，梳理航空器關(guān)鍵運行參數(shù)之間關(guān)聯(lián)，建立航空器連續(xù)下降標稱航跡運控模型；

(1.3)通過氣象條件與真實航行運行數(shù)據(jù)對模型進行修正，實現(xiàn)根據(jù)航空器質(zhì)量、飛行高度、速度、機場實際風速、溫度的變化，對進近推力、實際燃油流率等關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行修正。

步驟2，基于目標機場的標準儀表進場程序和pbn進近程序，確定航空器連續(xù)下降過程中的可行航跡與飛行參數(shù)的約束條件，劃設(shè)連續(xù)下降進近排放優(yōu)化過渡空間與排放優(yōu)化進近空間。具體內(nèi)容如下：

(2.1)根據(jù)目標機場的標準儀表進場程序和pbn進近程序，分析得到連續(xù)下降進近進場點范圍、初始速度、初始航向以及航路上各個拐點的范圍、速度和高度約束等參數(shù)；

(2.2)過渡空間是以進場點a0(x0,y0,z0)為一邊中點建立的立方體空間，此空間存在b1、b2、……、bn(xn，yn，zn)，若滿足由進場點a0可減速下降至bn并滿足初始進近速度的約束條件，則bn可作為連續(xù)下降進近起始點。具體方法為分配給在進場點a0(x0,y0,z0)的航空器進場速度va，設(shè)置一個由10²m×10²m×10²m為單位步長的立方體組成的網(wǎng)格，構(gòu)成動態(tài)過渡空間。在過渡空間內(nèi)隨機產(chǎn)生過渡點b1、b2、……、bn(xn，yn，zn)，以及過渡點的約束速度(不能大于最大起始進近速度，即vb≤380km/h)，在a0到bn這條航跡內(nèi)，航空器若以不超過最大減速限度的加速度勻減速達到約束速度vb，則bn可作為連續(xù)下降進近起始點，否則該過渡點不可行。

(2.3)選出滿足條件的bn后，以bn為起始點引出多條航跡，根據(jù)下滑道和航跡拐點范圍，排除無法切入下滑道和超出拐點的航跡，剩余航跡均為可行航跡。下滑道的寬度與高度均與實際高度有關(guān)，拐彎高度分別為1800、1200與900米。

步驟3，構(gòu)建污染物擴散模型。本發(fā)明采用的大氣擴散模式的模型為高斯模型，建立污染物濃度評估坐標系，分析該模型中決策變量，找出影響污染物濃度的關(guān)鍵因素。具體內(nèi)容如下：

(3.1)建立污染物濃度評估坐標系(x,y,z)，并根據(jù)目標機場實地風向進行坐標系轉(zhuǎn)換；若β為風向與線源污染源的夾角，則轉(zhuǎn)換后的坐標系為

(3.2)根據(jù)飛機燃油流率，求出單架航空器在連續(xù)下降進近階段的任一δt內(nèi)污染物排放強度。進近航段根據(jù)航空器構(gòu)型變化高度及航跡拐點分為k段，每個分段看作一個獨立的污染源來計算污染氣體的擴散，飛機在進近階段為線源污染源，其污染物排放強度表示為其中為時段δt內(nèi)對分段k上的航班集合，ffi，k為飛機i在分段k上的燃油流率，eii，k為飛機i在分段k上的排放指數(shù)，vi，k為飛機i在分段k上的飛行速度。以a320為例，在下降過程中co排放指數(shù)eico＝2.5g/kg，氮氧化物排放指數(shù)einox＝8g/kg，hc氣體排放指數(shù)eihc＝0.40g/kg；

(3.3)高斯擴散模式計算線源污染源排放濃度時需根據(jù)風速、下風距離、太陽高度角等參數(shù)求出擴散系數(shù)；首先根據(jù)時間、地理位置確定太陽傾角，從而得到太陽高度角，并利用太陽高度角確定該天氣條件下的太陽輻射等級；在使用太陽輻射等級和風速來確定大氣穩(wěn)定度后，綜合大氣穩(wěn)定度與下風距離可得出擴散系數(shù)。假設(shè)在7月上旬某一日，云量為5，平均風速為4.4m/s,風向為62°，得當日太陽傾角為11°，那么以12:00～12:59為例，大氣擴散的水平與垂直擴散系數(shù)為：其中，x為下風距離。

步驟4，梳理影響航空器進近階段排放的各類因素，基于連續(xù)下降進近的過渡空間和有效擴散空間，以航空器在進近過程中的排放濃度最小為目標，建立航空器連續(xù)下降進近排放優(yōu)化模型，通過粒子群算法進行求解。具體內(nèi)容如下：

(4.1)分析影響排放濃度的主要因素，建立航空器連續(xù)下降進近排放優(yōu)化模型，模型使航空器在連續(xù)下降進近過程中對地面指定一點的污染物排放濃度最小，即目標函數(shù)為minpc。主要因素有航空器初始狀態(tài)、下降角及下風距離等。

(4.2)通過粒子群算法對排放優(yōu)化模型進行計算，得出最優(yōu)排放濃度和對應(yīng)航跡參數(shù)。實驗中，單次傳統(tǒng)cda程序在機場點的hc、co、nox排放濃度分別為0.51微克/米³、6.5微克/米³、20.32微克/米³，優(yōu)化后的程序濃度減少至0.47微克/米³、5.84微克/米³與18.69微克/米³，沿x軸方向排放濃度總體平均下降了9.43％，具有較為明顯的環(huán)保減排效益。

以上實施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動，均落入本發(fā)明保護范圍之內(nèi)。