[发明专利]一种基于管制意图和飞机性能模型的四维航迹预测方法

权利要求书

1.一种基于管制意图和飞机性能模型的四维航迹预测方法，其特征在于，包括步骤如下：

1)对飞行数据进行预处理；

2)管制意图提取；

3)基于飞机性能模型和管制意图的4D航迹预测建模；

4)高空风修正建模；

5)生成航班的静态4D航迹预测结果；

6)实时雷达数据修正；

所述步骤2)具体包括：

21)对采集到的航空器航迹数据做融合处理，清洗后的数据与相应的飞行计划数据匹配，建立航空器飞行情况记录表；

22)获取航迹点经验航程；

23)获取报告点实际过点信息；根据航线启用时间建立全国航线模型参数库，利用上述步骤22)中结果获得航路报告点实际航程，最小距离的航迹点的过点高度即为报告点过点高度；

24)获取报告点高度层高度和航迹点高度层高度；

25)对步骤23)和步骤24)中得到的报告点实际航程和高度层高度，使用硬聚类算法得出同一起降机场、同一机型同一航线条件下经过各报告点的经验航程以及经验高度层高度；

26)利用步骤24)得到的航迹点高度层高度以及飞行情况记录中的航迹点过点时间作为巡航高度计算过程信息，删除掉飞行时间持续低于一定范围的信息，从中获取持续时间最长的高度作为航班巡航高度；

27)建立航路经验数据信息表，将上述计算过程得到的数据信息进行记录，得到航路经验数据信息表；

所述步骤3)具体包括：接收创建、修改或提取的飞行计划处理信息，利用步骤27)中获取的航路经验数据信息表中报告点经验过点信息，替换飞行计划中的报告点高度、巡航高度，结合采集到的实际雷达航迹气象数据信息，构建基于管制意图和飞机性能模型的4D航迹预测模型；

飞行性能模型表示如下；

式中：m为航空器质量；V_Tas为真空速；T为推力；D为阻力；g为重力加速度；γ为航空器的爬升/下降角；

上升下降率为：

其中，h为高度，为能量分配系数，可转化为马赫数的函数f(M)，表示按照选定的速度进行爬升时，用于爬升的推力与用于加速的推力的比值；利用BADA性能库中的飞行器性能参数，即与飞机气动性能、发动机性能、载重、航程相关的参数，包括飞机在不同姿态下的升力系数、阻力系数，发动机在不同高度、不同环境温度、不同推力输出情况下的耗油率，以及飞机重量、经济巡航速度、最大航程，来计算发动机推力、空气阻力和燃油流量，然后根据这些参数来确定巡航、爬升及下降速度，实现航班飞行轨迹仿真动力学建模；按飞行阶段特点，将4D航迹分成水平飞行轨迹、高度剖面和速度剖面三个剖面进行建模；建模思路：首先是合成从起始点位置和航向至结束点位置和航向的二维水平飞行轨迹，然后研究沿着已知水平轨迹的速度剖面和高度剖面，从而实现4D航迹仿真计算；

管制意图和飞机性能模型的耦合方法：

(1)水平剖面

从数据挖掘得到的航路经验数据里，提取该机型、该航路、该起降机场条件下的各报告点间经验航程作为需要计算的航路各报告点的目标航程；同时计算航段目标航程，数据挖掘得到报告点A和报告点B间航程为S_A和S_B，则航段目标航程为S_AB＝S_B-S_A；

(2)高度和速度剖面计算

航空器飞行模型构建的过程中，在无特殊情况的条件下，航路飞行默认是按照标准飞行程序爬升至巡航高度，再以巡航高度飞行一段距离后按照标准下降程序下降至落地机场；在实际飞行过程中，航空器经过不同的管制区域时接受不同管制扇区的指挥，各扇区之间需要在扇区移交协议基础上，通过高度调整指挥航空器进入指定飞行高度层移交给下一管制扇区；不同扇区之间高度的限制要求将会影响航空器到达各报告点的高度；在航迹预测计算时，将从历史航迹挖掘中得到的报告点经验过点高度作为报告点目标高度；要求航空器在指定报告点到达指定的高度；

(3)剖面耦合

根据报告点经纬度信息，计算报告点间计划航程；

设第一点A的经纬度(B1,L1),第二点B的经纬度(B2,L2)；A,B两点之间经度差a和纬度差b：

a＝B₁-B₂

b＝L₁-L₂

A,B两点之间计划航程S'_AB：

根据报告点目标航程和4D轨迹点航程计算得到的4D轨迹点所属航段，并按照航段计划航程与航段目标航程等比例求得4D轨迹点到对应的航段的起始点的计划航程；

根据计划航程和所属航段的起始报告点位置信息，计算得到4D轨迹点对应的位置信息，从而获得所有4D轨迹点的预测位置、时间、高度、速度结果以及报告点的预测过点时间、过点速度、过点高度。