一種基於ADS‑B信息更新的四維航跡動態預測方法與流程
2023-05-28 10:46:56
本發明屬於民用航空空中交通管理
技術領域：
，特別涉及空中交通服務、空中交通管制的自動化與智能化、基於航跡運行以及空管決策支持工具的設計與驗證等。
背景技術：
：近年來，隨著空中交通量的持續激增，現有空中航行系統的運行能力幾近飽和，從而導致空域擁堵、航班延誤等問題頻繁發生，而且我國尤為嚴重。如何在飛行流量持續增長的情況下，提高空中交通運行效率、保障航班正常率成為我國民航運輸事業可持續發展的迫切需求。國際民航組織(ICAO)提出了「航空系統組塊升級」(ASBU)計劃，美國和歐洲則分別提出了「下一代空中交通系統」(NextGen)與「單一歐洲天空空管研究」(SESAR)計劃，以期指導空中交通管理系統的規劃與實施，其中民用航空器四維航跡預測是上述計劃實施的核心與關鍵。早在上世紀末，美國宇航局(NASA)便開始著手研究與設計四維航跡預測方法和工具，在嘗試通過時間間隔取代距離間隔來管理終端空域的航空器時，於民用航空領域提出航跡預測技術，並基於四階Runge-Kutta方法設計與仿真了航空器的四維下降剖面。歐洲航行安全局(EUROCONTROL)在實施空中交通管理研究協調計劃(PHARE)時，明確將航跡預測作為主要模塊進行設計與測試，從而更好地為諸如衝突探測、進場管理、離場管理等模塊服務。隨後，EUROCONTROL在「歐洲空中交通管制協調實施計劃」(EATCHIP)中從定義、數據以及性能角度分析了航跡預測的運行需求。本世紀初，荷蘭航空航天國家實驗室(NLR)從空域管理、空管系統、空管人員、航空公司、飛行員、航空電子設備等視角，給出了在現行以及未來運行理念下的航跡預測結構與流程。上述歐美的四維航跡預測研究擁有許多如下特點：①定義一致：航跡預測是指通過計算預估航空器未來軌跡的過程；②結構一致：航跡預測主要由四個過程組成——準備、計算、更新與輸出；③數據來源：氣象數據、基礎數據和性能數據是航跡預測的重要數據來源；④應用至上：由應用場合決定航跡預測模型的繁簡與方法的異同。我國與民航發達國家相比，空管自動化與智能化運行水平尚存在一定的差距，目前尚未成功研製相關的四維航跡預測工具，僅在理論與算法領域取得較多成果，如：卡爾曼濾波方法、自適應濾波算法、交互式多模型濾波算法、全能量方程法、動力學及運動學模型法、機器學習方法等實現四維航跡預測。為了應對飛行流量持續增長的情況，努力提高空中交通運行效率、保障航班正常率，增強管制員的情境意識，我國急需研究與開發四維航跡預測的方法與工具。而且，為了提高航跡預測結果的精度與可行度，需要不斷根據航空器的實際位置進行修正。空管自動化系統通過雷達監視信息的處理，能夠提供實時的航班位置信息，但是由於安全原因，無法獲取接口。近年來，廣播式自動相關監視(ADS-B)技術應用愈發廣泛，且與傳統的雷達監視技術相比，ADS-B技術具有精度高、誤差小、監視能力強的特點。如此，可以依靠ADS-B的信息更新，研究與開發四維航跡的動態實時在線預測技術與工具。因此，本發明提出一種基於ADS-B信息更新的四維航跡動態預測方法：一方面，利用航空器性能數據，聯合氣象信息與航空器意圖，基於航空器動力與運動學模型，研究與開發航空器四維航跡預測方法和工具；另一方面，基於ADS-B信息更新，通過TCP(傳輸控制協議)的Socket編程，實現ADS-B接收機與四維航跡預測工具的網絡通信，針對預測航跡與實際航跡進行一致性檢驗，從而觸發航跡修正模塊，實現四維航跡的實時在線預測，為增強管制人員的情境意識，發展空中交通管制的自動化與智能化，以及實現基於航跡運行(TBO，TrajectoryBasedOperation)提供重要的技術保障。與現有國內四維航跡預測研究相比，本發明具有完整性、動態實時性與可驗證性的優勢。技術實現要素：本發明的目的在於，通過提出一種基於ADS-B信息更新的四維航跡動態預測方法，為研發具有自主智慧財產權的、高性價比的、適合於國內繁忙終端空域的空管決策支持原型系統提供支撐，為後續發展空中交通管制的自動化與智能化，以及實現基於航跡運行夯實研究基礎與提供技術保障。從而達到加速空中交通流量、減少繁忙機場延誤、增強管制員情境意識、降低管制員工作負荷的目的。技術方案：一種基於ADS-B信息更新的四維航跡動態預測方法，包括步驟：步驟1：建立ADS-B接收機與四維航跡預測系統之間的網絡通信；ADS-B接收機利用網絡通信接收表徵航空器的實時信息的16進位代碼；步驟2：對步驟1中ADS-B接收機接收的數據進行解碼，獲得航空器的實時信息，包括：航班號、實時位置、速度以及航向信息，並依此構建航空器意圖模型；步驟3：建立航空器意圖與航跡之間的關係，根據步驟2構建的航空器意圖模型進行四維航跡預測；步驟4：將步驟3預測的四維航跡與ADS-B接收機接收的航空器的實際航跡進行比較，判斷誤差值是否超出閾值；其中閾值是根據航空器的安全間隔所設置的；若未超出閾值，則繼續保持原來的預測航跡；若超出閾值，則轉到步驟5；步驟5：更新與重構航空器意圖模型，並根據重構的航空器意圖模型觸發新一輪四維航跡預測，獲取航空器預測軌跡，實現四維航跡動態預測。所述步驟2中對步驟1中ADS-B接收機接收的數據進行解碼具體為：ADS-B接收機接收的數據信息消息為16進位，轉化為2進位，其類型碼為第33-第37位；數據欄位為第38-第88位；步驟21：當消息類型碼的值位於1-4之間，則表示該條信息代表的是該航空器的航班號信息；取出信息的41至88比特位，將這48個二進位位按照每組6位的分組方式分為8組，並將每組的二進位數轉化為十進位數；然後，將得到的十進位數與索引信息作比較，解出相應的航班號信息；步驟22：當消息類型碼的值位於8-19之間，則表示該條消息是該航空器的位置信息；採用CPR算法進行編解碼計算航空器的位置信息；步驟23：當消息類型碼的值為19時，則表示該條消息是該飛機的速度信息；取出信息中的4個值：東/西向標誌位s(ew)為57位、東/西向速度V(ew)為58-67位、南/北向標誌位s(ns)為46位、南/北向速度V(ns)為47-56位；並據此計算得到航空器速度；計算過程如下：ψ＝ψ+360if(ψ＜0)所述步驟2中構建航空器意圖模型具體為：根據解碼後的航空器實時信息得到航空器速度、高度、推力和側向，根據航空器意圖模型表以及後續飛經的航路點的速度/高度的限制信息構建航空器意圖模型。構建航空器意圖模型考慮風對航空器航向以及地速的影響，具體如下：DA＝arcsin(Vwind/VTAS×sin(WA))VGS＝VTAS×cos(DA)+Vwind×cos(WA)其中，WA為風角，為風向。Vwind為風速，DA為偏流，VGS為地速，VTAS為真空速，MTK為航跡角。所述步驟3中四維航跡預測具體包括步驟：步驟31：讀取飛行計劃資料庫、進離場航路資料庫及航空器飛經航路信息；步驟32：根據航空器初始狀態、風速風向數據以及航空器性能數據，確定計算步長，進行四維航跡預測；步驟33：判斷航空器是否轉彎；並分別將航空器進場飛行軌跡分為直線航段與轉彎航段處理。所述步驟5中更新與重構航空器意圖模型具體為：步驟51：確定航空器的位置，即搜索距離航空器最近的航路點；然後計算當前航空器與該航路點的角度；若小於90度，表明航空器已經飛過該航路點，則新的航路信息從下一個航路點開始；若大於90度，表明航空器還未飛過該航路點，則新的航路信息從該點開始；步驟52：根據步驟51更新航空器意圖，並重構航空器意圖模型。所述步驟4中的誤差包括時間誤差和位置誤差；其中，時間誤差指經過同一航路點的時間差值；位置誤差由水平位置誤差和垂直位置誤差構成，其中水平位置誤差可分為沿航跡誤差與偏航跡誤差。有益效果：(1)綜合考慮影響因素，使得本發明具有準確性特點由於四維航跡預測模塊的構建基於不同機型的航空器基礎性能參數，利用了航空器動力學、運動學、質量變化以及導航方程，聯合了航空器意圖模型，考慮了風對航空器影響，因此確保了航跡預測的準確性。(2)引入ADS-B信息，使得本發明具有動態性特點通過與ADS-B接收機(BECKER-BAR6216)之間的網絡通信，利用ADS-B數據解碼，獲取航班實時的速度、高度、經度和緯度信息，並與預測航跡進行一致性檢驗，從而實現動態、在線、實時地航跡預測能力。(3)技術解決方案簡單可靠，便於應用使得本發明本發明在設計四維航跡動態預測工具時，通過深入研究歐美四維航跡預測的結構、功能，為滿足實時性、可靠性的需求，採用了簡單可靠的技術解決方案。我國正處於從「民航大國」向「民航強國」邁進的歷史契機下，本發明能夠為未來設計具有自主智慧財產權的決策支持系統奠定堅實基礎，從而提高我國管制自動化系統的智能化水平。附圖說明圖1為基於ADS-B信息更新的四維航跡動態預測方法流程圖。圖2為ADS-B信息解碼示意圖。圖3為航空器意圖與航跡之間的關係示意圖。圖4為四維航跡預測流程示意圖。圖5為等轉彎率轉彎航跡預測流程示意圖。圖6為等速平飛航跡預測流程示意圖。圖7為減速平飛航跡預測流程示意圖。圖8為等速下降模式的航跡預測流程示意圖。圖9為航空器意圖判斷示意圖。圖10為在線航跡預測更新流程示意圖。圖11為四維航跡動態預測水平軌跡示意圖。具體實施方式下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。圖1為一種基於ADS-B信息更新的四維航跡動態預測方法的流程示意圖。步驟1：建立數據通信基於TCP的Socket編程，實現ADS-B接收機與四維航跡預測系統之間的網絡通信；利用網絡通信，ADS-B接收機接收航空器的實時信息，包括：航班號、時間、速度、高度、經度和緯度。步驟2：解碼ADS-B數據ADS-B信息的標準格式以十六進位表示，首先轉化為二進位形式，總共112位；然後利用標準協議進行解碼，其解碼流程如圖2所示。具體步驟如下：a).首先，將以十六進位表示的ADS_B信息的標準格式轉換為二進位格式，各欄位所代表信息如下表所示：起始位終止位縮寫全稱15DF下行數據鏈格式68CA能力欄位932ICAO24航空器ICAO地址3388DATA數據欄位88112PC奇偶校驗欄位b).當信息類型type(即信息第33至37比特位)值位於1-4之間，則表示該條信息代表的是該航空器的航班號信息。取出該條信息的41至88比特位，將這48個二進位位按照每組6位的分組方式分為8組，並將每組的二進位數轉化為十進位數；然後，將得到的十進位數與索引信息作比較，可解出相應的航班號信息。c).當消息類型type(即信息第33至37比特位)值位於8-19之間，則表示該條消息是該航空器的位置信息。要計算航空器的位置信息，需要用CPR算法進行編解碼，此處又分為兩種全球解碼和本地解碼。其中全球解碼比較複雜，需要兩條消息才能確定航空器的位置信息，即一條為奇編碼，一條為偶編碼。報文中奇偶標誌位為54位，高度信息位為41-52位，緯度信息位為55-71位，經度信息位為72-88位。CPR算法計算過程如下：(1)把二進位信息轉化為十進位；(2)計算緯度的索引j＝floor(59×LatCPR-E-60×LatCPR-O+0.5)(3)計算偶形式和奇形式的緯度LatE＝DLatE×(mod(j,60)+LatCPR-E)LatE＝LatE-360if(LatE≥270)LatO＝DLatO×(mod(j,59)+LatCPR-O)LatO＝LatO-360if(LatO≥270)(4)計算經度Lon＝Lon-360if(Lon≥180)(5)計算高度h＝N×25-100(ft)d).當消息類型type(即信息第33至37比特位)值為19時，則表示該條消息是該飛機的速度信息。要計算航空器速度，需要報文中的4個值：東/西向標誌位S(EW)(57位)、東/西向速度V(EW)(58-67位)、南/北向標誌位S(NS)(46位)、南/北向速度V(NS)(47-56位)。計算過程如下：ψ＝ψ+360if(ψ＜0)步驟3：構建航跡預測支持模塊根據航行資料彙編(AIP)構建航空器四維飛行軌跡預測的基礎環境，包括：機場、跑道、導航臺、定位點、航路航線、標準儀表離場程序、標準儀表進場程序等。a).以航空器進場飛行為例，假設迎角很小，且水平航跡與垂直運動解耦，如此則可建立航空器意圖與航跡之間的關係，如圖3所示。航空器意圖為包含一系列指令集合，包括速度、高度、推力控制及改變構型等，可以被視作由飛行員或飛行管理系統控制航空器運動的抽象化描述。圖3為典型的航空器進場飛行軌跡：水平軌跡由直線飛行(75°)→轉彎飛行→直線飛行(110°)構成；垂直軌跡由等速平飛→減速平飛→等馬赫數下降→等校正空速下降(至4500ft)構成。其飛行軌跡所對應的航空器速度、高度、側向、推力剖面以及構型如圖3所示，從而構建了航空器意圖模型的基本要素。b).根據受其影響的航空器運動自由度的特點，將指令歸為速度、高度、推力和側向四組，構建航空器意圖模型表。根據航空器的歷史綜合航跡，利用統計分析的方法，以及各管制部門的運行手冊、管制要點與移交協議，獲得航空器在速度、高度限制。c).將航空器在各航路點的速度、高度限制，以航空器意圖模型表為依據，聯合上海浦東國際機場所處終端空域的相關數據(終端區、扇區、標準儀表進場航線)，設計進場航線數據表。欄位描述數據類型主鍵ID序列號int否AIP_ID機場名稱cstring否RWY_ID降落跑道cstring是FixPt_NO航路點編號int否FixPt_ID航路點名稱cstring是FixPt_Lat航路點緯度cstring否FixPt_Long航路點經度cstring否Seg_Dis(km)航路段距離(km)double否ToTHR_Dis(km)距離跑道入口距離(km)double否Height_Cons(m)航路點高度限制(m)double否Speed_Cons(m/s)航路點速度限制(m/s)double否Heading航向double否IsTurnPt是否轉彎點cstring否d).利用歐洲中期天氣預報中心(ECMWF)提供的氣象信息，獲得所需空域範圍內各高度層的溫度、風速與風向信息，通過插值，考慮風對航空器航向以及地速的影響。由於風速與風向的變化，會引起偏流與地速的相應變化。因此，進場四維航跡預測中需要按以下公式考慮風對航向與地速的影響。DA＝arcsin(Vwind/VTAS×sin(WA))VGS＝VTAS×cos(DA)+Vwind×cos(WA)其中，WA為風角，為風向。Vwind為風速，DA為偏流，VGS為地速，VTAS為真空速，MTK為航跡角。步驟4：進行四維航跡預測a).四維航跡預測流程示意圖如圖4所示。包括步驟：步驟41：讀取飛行計劃資料庫、進場航路資料庫及航空器飛經航路信息；步驟42：根據航空器初始狀態、氣象信息以及航空器性能數據，確定計算步長，進行四維航跡預測；初始狀態包含航空器位置、速度、高度、航班號與機型信息，來源於ADS-B接收機接收的數據。航空器性能參數包含航跡預測全局參數(空氣絕熱指數，氣體常數，重力加速度，等)、機型參數(發動機數目，發動機類型，尾流等級，等)、質量參數(最大/最小/參考質量，以及最大容許配載)、飛行包線參數(最大飛行速度/馬赫數/高度，等)；空氣動力學參數(各階段失速速度、誘導/附加阻力係數，翼展參考面積，等)、發動機推力參數(最大爬升/下降/進近/著陸推力係數以及推力溫度係數等)；氣象信息包括：各高度層的溫度、氣壓、空氣密度以及風速風向信息。步驟43：判斷航空器是否轉彎；將航空器飛行軌跡分為直線航段與轉彎航段處理。轉彎航段航跡預測過程中，考慮航空器轉入與轉出的姿態調整，且採用旁切轉彎形式，等轉彎率轉彎航跡預測流程示意圖如圖5所示。當航空器距轉彎航路點的距離等於或小於轉入起始點到轉彎航路點的距離時，航空器進入轉彎程序。轉彎率計算公式如下所示：其中φ為滾轉角。當航空器所轉過的角度一旦等於或大於轉彎角度時，航空器轉彎結束，進入下一航段。b).直線航段航跡預測過程中，依據航空器進場飛行特性，分為等速平飛、減速平飛與等速下降三種模式，採用如下航空器連續動態模型，其航跡預測的流程示意圖分別如圖6、圖7與圖8所示。航跡預測中，通過航空器動力學方程計算得到速度、航徑角以及航向的變化率：通過航空器質量變化方程計算得到質量的變化率：通過航空器導航方程計算得到位置(經度、緯度、高度)的變化率：其中，T為推力，D為阻力，F為燃油流量，m為航空器質量，VTAS為航空器真空速，λ、h為飛機質心的測地參考系統的坐標。步驟5：進行四維航跡監視設定時間間隔為2分鐘，每隔兩分鐘ADS-B接收的航空器的實際航跡與預測航跡進行比較，判斷誤差值是否超出閾值。其中閾值是根據航空器的安全間隔所設置的。根據不同應用場合使用如下兩類誤差：時間誤差與位置誤差。其中，時間誤差指經過同一航路點的時間差值，常作為進離場排序與調度以及空中交通流量管理應用時的評價指標；位置誤差由水平位置誤差和垂直位置誤差構成，其中水平位置誤差又可分為沿航跡誤差與偏航跡誤差，位置誤差常作為衝突探測與解脫、空中交通風險評估等關注航空器間隔應用的評價指標。步驟6：進行四維航跡預測修正當高度偏差大於所設定的閾值時，則更新航空器的意圖信息，以距離和角度判斷航空器的飛行意圖，其航空器意圖判斷示意圖如圖9示。首先，確定航空器的位置，即搜索距離航空器最近的航路點；然後計算當前航空器與該航路點的角度：若小於90度，表明航空器已經飛過該航路點，則新的航路信息應從下一個航路點開始；若大於90度，表明航空器還未飛過該航路點，則新的航路信息應從該點開始；接著，根據上述信息，更新航空器意圖信息與重構航空器意圖模型；最後，以航空器當前經度/緯度/高度/速度/時間作為初始狀態，觸發新一輪四維航跡預測，獲取航空器預測軌跡，實現四維航跡動態預測。在線航跡預測更新模型如圖10。通過ADS-B獲得航班的真實位置(經度和維度)，高度，速度等信息將航班真實數據與預測數據進行比較，如果誤差超過所設定的閾值則修正航班的航路信息，觸發新一輪的航跡預測，否則繼續監測預測軌跡。驗證實施案例選取上海浦東國際機場北向運行時使用VMB-13G標準儀表進場航路的航班為仿真對象，當四維預測軌跡位置誤差或高度誤差超過所設定的閾值時，則更新航空器的意圖信息，重新觸發四維航跡預測，圖11為航空器動態航跡預測的水平軌跡示意圖，其中灰色實線為終端空域管制扇區邊界，灰色點圈線為標準儀表進場航路，黑色點劃線為航空器實際軌跡，黑色實線為航空器預測航跡。在圖(a)中黑色點劃線為航空器實際軌跡，黑色實線為第一次四維航跡預測，由圖可知預測航跡沿著標準儀表進場航路；當航空器飛到A點時，監測到四維航跡預測誤差超過所設定的閾值，因此觸發第二次航跡預測，如圖(b)所示；當航空器飛到B點時，監測到四維航跡預測誤差超過所設定的閾值，觸發第三次航跡預測，如圖(c)所示；該案例中一共觸發了8次四維航跡預測，每次都會對四維航跡誤差進行修正，直至航空器飛過初始進近定位點則不再對四維航跡進行更新。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對於本
技術領域：
的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。當前第1頁1 2 3