基于飛行計劃與導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫的航跡預(yù)測方法
【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)測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)有的空中交通管制系統(tǒng)（ATC)對空中交管員的反應(yīng)速度、危機處理能力等依賴 度過高；交通管理員需要在高負荷的工作狀態(tài)下長時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)可能會因為管制員的疏忽或者超負荷工作而引發(fā)危機，如 果能事先制定合理的飛行軌跡并要求飛機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)計飛機的飛行軌跡，從而提前進行沖突探測，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，飛機應(yīng)當(dāng)沿著一條制定好的航線進行飛行。而該條航線必須保證飛行的可預(yù)測性 以及可重復(fù)性。因此，在航線制定過程中應(yīng)當(dāng)充分考慮飛機性能參數(shù)，飛機起降程序以及導(dǎo) 航規(guī)范，并且選擇合理的地理坐標系統(tǒng)。而現(xiàn)有技術(shù)中對于航跡的預(yù)測或是對起降程序過 分簡化，或者對實際飛行航段的航段類型考慮過于簡化而未充分考慮導(dǎo)航規(guī)范，或者將飛 機模型過于簡化，未考慮飛機一般性能參數(shù)。因而不能保證所制定航線的可飛行，可預(yù)測性 以及可重復(fù)性。現(xiàn)有航跡預(yù)測方法存在的問題可大致概括為以下四個方面：
[0003] 1)空間定位點（包括航路點、導(dǎo)航臺、強制報告點、偽航路點、跑道入口等）坐標系 統(tǒng)采用標準圓球系統(tǒng)，甚至采用二維平面坐標系。在實際系統(tǒng)中，應(yīng)當(dāng)采用WGS-84地理坐 標系統(tǒng)。
[0004] 2)飛行階段劃分過于簡單，多數(shù)成果未考慮飛機標準爬升/下降程序，未考慮終 端區(qū)標準儀表飛行程序，甚至將整個飛行階段簡單的劃分為"直線爬升一一平飛巡航一一 直線下降"三個階段。在實際系統(tǒng)中應(yīng)當(dāng)考慮飛機的標準爬升/下降程序以及終端區(qū)標準 儀表飛行程序。
[0005] 3)未考慮實際飛行航段信息，將航段類型過于簡化，多數(shù)只考慮簡單的定位點之 間的直線連接，即使考慮轉(zhuǎn)彎銜接，轉(zhuǎn)彎航跡計算也過于簡化。未充分考慮航段高度限制及 速度限制。在實際系統(tǒng)中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)飛行計劃查詢導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫，嚴格按照導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫對各航 段的定義和規(guī)范進行航跡預(yù)測。
[0006] 4)飛機模型考慮過于簡化，多數(shù)將飛機視為勻速運動質(zhì)點、或者勻加速運動質(zhì)點。 在實際系統(tǒng)中，雖然空管部門進行航跡預(yù)測不需要考慮復(fù)雜的飛機動力學(xué)模型和復(fù)雜的性 能數(shù)據(jù)庫。然而應(yīng)當(dāng)考慮飛機一般性能參數(shù)，如部分基本氣動參數(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)測出的航跡為可 飛航跡。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對上述問題，本發(fā)明提出了一種覆蓋飛行全過程更具有可飛性的航跡預(yù)測方 法。
[0008] 為達到上述目的，本發(fā)明基于飛行計劃與導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫的航跡預(yù)測方法，包括水平 航跡預(yù)測方法和/或垂直航跡預(yù)測方法；所述基于飛行計劃與導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫的航跡預(yù)測方法 的過程為：
[0009] I. 1獲取所述水平航跡預(yù)測方法和/或垂直航跡預(yù)測方法所需的航跡預(yù)測數(shù)據(jù)， 所述航跡預(yù)測數(shù)據(jù)包括飛行計劃、導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫、飛機性能參數(shù)；
[0010] 1. 2根據(jù)航跡預(yù)測數(shù)據(jù)，應(yīng)用水平航跡預(yù)測方法和/或垂直航跡預(yù)測方法逐段生 成飛行全過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)測方法的步驟為：
[0013] 2. 1在導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫中提取飛行計劃的第一、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] 如需要則采用直線-轉(zhuǎn)彎銜接-直線航跡預(yù)測方法生成航跡；
[0016] 否則將當(dāng)前航段的終點定義為后續(xù)航段的起點，生成一段與當(dāng)前航段對應(yīng)的水平 預(yù)測航跡
[0017] 2. 3 -步航跡預(yù)測后將后續(xù)航段定義為當(dāng)前航段，將導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫中后續(xù)航段的下 一航段定義為后續(xù)航段；轉(zhuǎn)2. 2進行下一步預(yù)測，直至逐段形成整個飛行過程的全部水平 航跡。
[0018] 優(yōu)選地，所述直線-轉(zhuǎn)彎銜接-直線航跡預(yù)測方法的判斷依據(jù)及兩種不同的預(yù)測 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預(yù)設(shè)門檻值，則 采用直線一轉(zhuǎn)彎銜接一直線預(yù)測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)測方法的兩種不同的具體預(yù)測方法分別為：
[0021] 當(dāng)前航段終點與后續(xù)航段起點的坐標如果相同：
[0022] 先根據(jù)轉(zhuǎn)彎處的預(yù)計高度查詢速度計劃表，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)航段的朝向計算出轉(zhuǎn)彎中心點坐標；
[0024] 利用轉(zhuǎn)彎中心點坐標和轉(zhuǎn)彎半徑計算出轉(zhuǎn)彎起點和終點；
[0025] 其中，共生成兩段預(yù)測水平航跡，第一段為直線型航跡，開始于當(dāng)前航段的起點， 終止于轉(zhuǎn)彎起點。第二段為轉(zhuǎn)彎圓弧型航跡，開始于轉(zhuǎn)彎起點，結(jié)束于轉(zhuǎn)彎終點；
[0026] 或，
[0027] 當(dāng)前航段終點與后續(xù)航段起點的坐標不同：
[0028] 根據(jù)轉(zhuǎn)彎處的預(yù)計高度查詢速度計劃表，估算轉(zhuǎn)彎處的速度，并以此估算轉(zhuǎn)彎半 徑；
[0029] 以當(dāng)前航段終點為參考，結(jié)合當(dāng)前航段朝向以及轉(zhuǎn)彎半徑計算轉(zhuǎn)彎中心，再以計 算出的轉(zhuǎn)彎中心點為參考點，結(jié)合轉(zhuǎn)彎半徑和后續(xù)航段的朝向計算轉(zhuǎn)彎終點；其中，共生成 兩段預(yù)測水平航跡，第一段為直線型航跡，開始于當(dāng)前航段的起點，終止于轉(zhuǎn)彎起點；第二 段為轉(zhuǎn)彎圓弧型航跡，開始于轉(zhuǎn)彎起點，結(jié)束于轉(zhuǎn)彎終點；
[0030] 此時，將計算出的轉(zhuǎn)彎終點作為后續(xù)航段的起點，將計算出的轉(zhuǎn)彎終點與后續(xù)航 段終點間的連線作為后續(xù)航段。
[0031] 優(yōu)選地，所述垂直航跡預(yù)測方法包括爬升垂直航跡預(yù)測，所述爬升垂直航跡預(yù)測 的步驟為：
[0032] 4. 1獲取所述爬升垂直航跡預(yù)測所需的航跡預(yù)測基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、爬升速度計劃表以及 飛機基本性能數(shù)據(jù)；
[0033] 4. 2將起飛跑道出口點設(shè)置為第一段垂直航跡起點，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)本段起點高度在爬升速度計劃表中查詢相應(yīng)速度，計算該點垂直航線 角（FPA).
[0035] 4. 2. 2以計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 終止該段垂直航跡預(yù)測；
[0036] 1)斜線在垂直方向截獲速度計劃表中的某一高度值，則將起點到該截獲點之間的 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)測之后結(jié)束爬升垂直航跡 預(yù)測；
[0037] 2)斜線在水平方向上到達水平航跡中某一定位點，則將起點到該點之間的斜線作 為本段垂直航跡，如斜線到達定位點處時違反定位點的高度限制，則修改該段垂直航跡。修 改方法為，從起點沿原斜線直到截獲該定位點限制高度，之后將FPA設(shè)置為0,平飛至定位 占.
[0038] 4. 2. 3將本段預(yù)測垂直航跡的終點更新為起點，終點高度更新為起點和高度，如更 新后起點高度為10000英尺，則將FPA設(shè)為0,加入平飛加速段，計算加速段終點位置，將加 速段終點更新為起點；之后轉(zhuǎn)入4. 2.