基于4d轨迹估算的实时监视告警方法

基于4d轨迹估算的实时监视告警方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及计算机应用技术和空管自动化管制领域，特别设及一种基于4D轨迹 估算的实时监视告警方法。
【背景技术】
[0002] 上世纪六十年代W来，民用航空事业取得了较大的进步，在整个综合交通运输体 系中所占的比重也越来越大。尤其是改革开放后，我国民航运输业一直处于高速发展的状 态，年均增长接近20%。中国定期航班完成的总周转量在国际民航组织缔约国中名列第S 位，我国已成为名副其实的航空大国。
[0003] 另一方面，随着我国国民经济的快速发展和国±防空能力的增强，军民航执行的 飞行任务量显著增加，空中飞行流量迅速增长。军民航航空器数量的增加和飞行流量的增 长，导致空域日益繁忙和拥挤，使得飞机之间的碰撞风险大大增加，对飞行安全造成了严重 威胁。实时监视告警将是空管自动化管制中一项重要的决策支持工具，在军民航管制中应 用实时监视告警有助于解决资源限制、提高空域使用率、缓解飞行矛盾。
[0004] 目前，我国军民航现有的各级各型管制中屯、系统实时监视告警不完善，比如尚不 具备中期冲突计算功能等等，原因主要为；1、现有方法计算复杂、W现有计算机技术实现所 需的时间和空间复杂度较高，不满足空管监视实时性需求；2、我国空管具有自己的特色，与 西方等发达国家有些区别，国外现有的系统或方法不适合直接使用。

【发明内容】

[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种基于4D轨迹估算的实时监视告警方法， 在满足监视精度的情况下，简化冲突计算过程，计算机易实现，时间和空间复杂度都很低。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
[0007] 基于4D轨迹估算的实时监视告警方法，包括W下步骤：
[0008] 对飞机建模，W飞机作为一个质点，在飞机爬升、巡航、下降阶段都考虑为匀速飞 行；
[0009] 利用4D轨迹估算模型，预测飞机的飞行计划4D轨迹；
[0010] 根据预测的4D轨迹，对未来一段时间的飞行计划进行冲突计算，并且允许修改基 于4D轨迹的实时监视告警参数；所述冲突计算过程为：
[0011] S1、给定任意两条航线linel和line2,取航线linel上在管制区域内任意航段AB 和line2上在管制区域内的任意航段CD，判断两航段AB、CD时间有无交叉，若无交叉，则两 航段无冲突，若有交叉，则用航段两端点的4D信息表示出同一时刻第一航段间任意航点E 的坐标和第二航段间任意航点F的坐标；
[001引 S2、取E、F两航点的高度zl，z2;
[001引 S3、通过高度限制|zl-z2| <vsp_h(高度限制阀值），计算出满足高度限制的时 间范围（tll，tl2)，若（tll，t。）无意义，即til>tl2,则两航段无冲突，若（tll，t。）有 意义，即til《tl2,则通过距离限制IEFI<vsp_d(距离限制阀值），计算出满足距离限制 的时间范围（tl3,tl4);
[0014] S4、若（tl3，tl4)无意义，即tl3 >tl4,则两航段无冲突，若（tl3，tl4)有意义， 即tl3《tl4,则取（tll，tl2)、（tl3,tl4)的交集，记作（tl5,tl6);
[0015] S5、若交集（tl5，tl6)为空，则两航段无冲突，若交集（tl5，tl6)为非空，则通过时 间端点及航段AB、CD端点的4D信息，计算出向前看时间段内的对应冲突段的信息；
[0016] 根据冲突计算结果，得到告警信息。
[0017] 此外，利用BADA库内飞机的尾流、最大真空速、升限、巡航速度、巡航高度、上升 率、下降率、上升阶段水平速度、下降阶段水平速度、转弯半径W及进离场程序等信息对所 述飞行计划4D轨迹进行预测。
[0018] 当接收到飞行计划信息、监视数据、气象数据时，自动触发一次冲突计算。
[0019] 当所述基于4D轨迹估算的实时监视告警方法部署在多台服务器上时，有主从态 之分，其中只有一台处于主态，只有在主态中才能够进行冲突计算。
[0020] 当飞行计划信息为飞行计划更新时，所述基于4D轨迹估算的实时监视告警方法 启动冲突计算的过程为；接收飞行计划，判断其是否为主态，若为从态，更新本地飞行计划， 若为主态，判断飞行计划是否删除；若是删除，则清除本飞行计划与其他飞行计划的冲突信 息，并删除本地飞行计划，若不是删除，则判断飞行计划是否发生变化；若飞行计划发生变 化，则更新本地飞行计划，并且重新计算本飞行计划与其他飞行计划的冲突。
[0021] 当飞行计划信息为航迹更新时，所述基于4D轨迹估算的实时监视告警方法启动 冲突计算的过程为；接收雷达数据，进而更新本地航迹，判断其是否为主态，若是主态，则判 断航迹是否与上次计算的航迹偏离，若是偏离，则重新计算本飞行计划与其他飞行计划的 冲突。
[0022] 与现有技术相比，本发明的有益效果是；1、本发明方法模型简单，计算机易实现， 时间和空间复杂度都很低；2、该方法是利用雷达航迹信息和气象信息实时修正飞行计划， 保证了计算效果实时性和准确性；3、该方法适用范围广，不仅适用于军民航飞行计划，而且 还适用于具有计划航线的通航飞行计划；4、该方法适用周期长，不仅适用于对飞行计划进 行中期冲突识别，还是适用于长期冲突识别。
【附图说明】
[0023]图1是本发明基于4D轨迹估算的实时监视告警方法冲突计算过程示意图。
[0024] 图2是本发明基于4D轨迹估算的实时监视告警方法初始化流程示意图。
[0025] 图3是本发明基于4D轨迹估算的实时监视告警方法飞行计划更新处理流程示意 图。
[0026] 图4是本发明基于4D轨迹估算的实时监视告警方法航迹更新处理流程示意图。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明。
[0028] 本发明基于4D轨迹估算的实时监视告警方法主要针对我国空管特色，依据现实 管制需求而提出的，是一种符合我国空中交通管制要求、适合地面导航特点、精确简易而又 实用的监视方法。本发明中，基于4D轨迹的实时监视告警简称为B4DFPCD。
[0029] 本发明方法包括W下步骤：
[0030] 对飞机建模，W飞机作为一个质点，在飞机爬升、巡航、下降阶段都考虑为匀速飞 行。在对未来航段的飞行计划进行估算预测时，可利用BADA炬aseofAircraftData)库内 飞机的尾流、最大真空速、升限、巡航速度、巡航高度、上升率、下降率、上升阶段水平速度、 下降阶段水平速度、转弯半径W及进离场程序等信息对所述飞行计划4D轨迹进行预测。
[0031] 表1B4DFPCD区域定义表字段列表
[0032]
[0033] 利用4D轨迹估算模型，预测飞机的飞行计划4D轨迹，包括初始化流程，如图2所 示，B4DFPCD初始化时需要读取适应性数据和VSP参数（Vari油lesystemparameters),装 载所有飞行计划，如果启动时是主态，并且冲突计算开关开启（默认是关闭），还要进行一 次所有计划的冲突计算。
[0034] 在初始化时，B4DFPCD进程用到的适应性数据有B4DFPCD区域定义表，如表1所示， 和B4DFPCD参数表，如表2所示。
[00巧]表2B4DFPCD参数表字段列表
[0036]
[0037] B4DFPCD区域定义表用于配置空域信息W及每个空域内的冲突限制条件。冲突计 算时，航迹在配置空域内的航段才参与计算，如果不配置此表，即使航迹有冲突并且冲突探 测开关开启，冲突计算的结果也是空的，得不到预想的结果。B4DFPCD参数表配置默认向前 看时间。冲突计算时，每次只计算当前到向前看时间内的航段的冲突结果。
[0038] 根据预测的4D轨迹， 对未来一段时间的飞行计划进行冲突计算，并且允许修改基 于4D轨迹的实时监视告警参数。基于4D轨迹的实时监视告警利用4D轨迹估算模型，预测 飞行计划的4D轨迹，根据预测的4D轨迹，对未来一段时间的飞行计划进行冲突计算，并且 接收对B4DFPCD参数的设置，实时进行冲突计算。冲突计算时，依据我国空管对空域配置的 需求，设置适应数据，可W配置不同的空域，每个空域的高度和距离限制条件可W设置不一 样，冲突计算时如果两飞行轨迹分别在不同区域，此时的限制条件取两个区域最严格的标 准进行冲突计算。
[0039] B4DFPCD设计为一个在服务器上运行的独立进程，它接收飞行计划、监视数据、气 象数据W及各种适应性数据和VSP参数，进行B4DFPCD计算，最后将结果显示到界面上，供 管制员决策参考。一旦接收到计划信息、监视数据、气象数据时，自动触发一次B4DFPCD计 算。
[0040] B4DFPCD为一个冗余的进程，可能部署在多台服务器上，有主从态之分，其中只有 一台处于主态，并且只有主态的B4DFPCD才能够进行冲突计算工作。空管系统一般部署两 台飞行数据处理服务器，互为冗余，B4DFPCD进程通常部署在飞行数据处理服务器1、2上， W主从热备份方式运行。
[0041] B4DFPCD中最重要的方法是计算初选后任意两条航线中距离和高度小于VSP参数 的航段，同时考虑高度和距离两个因素。假设给定任意两条航线linel和line2,取航线 linel上在管制区域内任意航段AB分别和line2上在管制区域内的任意航段CD进行冲突 比较，本发明中冲突计算过程如图1所示：
[0042] S1、判断两航段AB、CD时间有无交叉，若无交叉，则两航段无冲突，若有交叉，则用 航段两端点的4D信息表示出同一时刻第一航段间任意航点E的坐标和第二航段间任意航 点F的坐标；
[0043] S2、取E、F两航点的高度zl，z2;
[0044] S3、通过高度限制|zl-z2| <vsp_h，求解出满足高度限制的时间范围（til， tl2)，若（tll，tl2)无意义，即til>tl2,则两航段无冲突，若（tll，tl2)有意义，即 til《tl2,则通过距离限制|EF| <vsp_d，求解出满足距离限制的时间范围（tl3,tl4);
[0045] S4、若（tl3，tl4)无意义，即tl3 >tl4,则两航段无冲突，若（tl3，tl4)有意义， 即tl3《tl4,则取（tll，tl2)、（tl3,tl4)的交集，记作（tl5,tl6);
[0046] S5、若交集（tl5，tl6)为空，则两航段无冲突，若交集（tl5，tl6)为非空，则通过时 间端点及航段AB、CD端点的4D信息，求解出向前看时间段内的对应冲突段的信息；
[0047] 根据冲突计算结果，得到告警信息。
[0048] 如图3所示，当飞行计划信息为飞行计划更新时，所述基于4D轨迹估算的实时监 视告警方法启动冲突计算的过程为；接收飞行计划，判断其是否为主态，若为从态，更新本 地飞行计划，若为主态，判断飞行计划是否删除；若是删除，则清除本飞行计划与其他飞行 计划的冲突信息，并删除本地飞行计划，若不是删除，则判断飞行计划是否发生变化；若飞 行计划发生变化，则更新本地飞行计划，并且重新计算本飞行计划与其他飞行计划的冲突。
[0049] 如图4所示，当飞行计划信息为航迹更新时，所述基于4D轨迹估算的实时监视告 警方法启动冲突计算的过程为；接收雷达数据，进而更新本地航迹，判断其是否为主态，若 是主态，则判断航迹是否与上次计算的航迹偏离，若是偏离，则重新计算本飞行计划与其他 飞行计划的冲突。
【主权项】
1. 一种基于4D轨迹估算的实时监视告警方法，包括以下步骤： 对飞机建模，以飞机作为一个质点，在飞机爬升、巡航、下降阶段都考虑为匀速飞行； 利用4D轨迹估算模型，预测飞机的飞行计划4D轨迹； 根据预测的4D轨迹，对未来一段时间的飞行计划进行冲突计算，并且允许修改基于4D 轨迹的实时监视告警参数； 根据冲突计算结果，得到告警信息；其特征在于，所述冲突计算过程为： 51、 给定任意两条航线Iinel和line2,取航线Iinel上在管制区域内任意航段AB和 line2上在管制区域内的任意航段CD，判断两航段AB、CD时间有无交叉，若无交叉，则两航 段无冲突，若有交叉，则用航段两端点的4D信息表示出同一时刻第一航段间任意航点E的 坐标和第二航段间任意航点F的坐标； 52、 取E、F两航点的高度zl，z2 ; 53、 通过高度限制|zl-z2| <vsp_h，vsp_h为高度限制阀值，计算出满足高度限制的 时间范围（tll，tl2)，若（tll，tl2)无意义，即til > tl2,则两航段无冲突，若（tll，tl2) 有意义，即til彡tl2,则通过距离限制|EF| < VSp_d，VSp_dS距离限制阀值，计算出满足 距离限制的时间范围（tl3, tl4); 54、 若（tl3，tl4)无意义，即tl3 > tl4,则两航段无冲突，若（tl3, tl4)有意义，即 tl3 彡 tl4,则取（tll，tl2)、（tl3, tl4)的交集，记作（tl5, tl6); 55、 若交集（tl5，tl6)为空，则两航段无冲突，若交集（tl5，tl6)为非空，则通过时间端 点及航段AB、CD端点的4D信息，计算出向前看时间段内的对应冲突段的信息。2. 如权利要求1所述的基于4D轨迹估算的实时监视告警方法，其特征在于，利用BADA 库内飞机的尾流、最大真空速、升限、巡航速度、巡航高度、上升率、下降率、上升阶段水平速 度、下降阶段水平速度、转弯半径以及进离场程序等信息对所述飞行计划4D轨迹进行预 测。3. 如权利要求1所述的基于4D轨迹估算的实时监视告警方法，其特征在于，当接收到 飞行计划信息、监视数据、气象数据时，自动触发一次冲突计算。4. 如权利要求1至3任一项所述的基于4D轨迹估算的实时监视告警方法，其特征在 于，当所述基于4D轨迹估算的实时监视告警方法部署在多台服务器上时，有主从态之分， 其中只有一台处于主态，只有在主态中才能够进行冲突计算。5. 如权利要求3所述的基于4D轨迹估算的实时监视告警方法，其特征在于，当飞行计 划信息为飞行计划更新时，所述基于4D轨迹估算的实时监视告警方法启动冲突计算的过 程为：接收飞行计划，判断其是否为主态，若为从态，更新本地飞行计划，若为主态，判断飞 行计划是否删除；若是删除，则清除本飞行计划与其他飞行计划的冲突信息，并删除本地飞 行计划，若不是删除，则判断飞行计划是否发生变化；若飞行计划发生变化，则更新本地飞 行计划，并且重新计算本飞行计划与其他飞行计划的冲突。6. 如权利要求3所述的基于4D轨迹估算的实时监视告警方法，其特征在于，当飞行计 划信息为航迹更新时，所述基于4D轨迹估算的实时监视告警方法启动冲突计算的过程为： 接收雷达数据，进而更新本地航迹，判断其是否为主态，若是主态，则判断航迹是否与上次 计算的航迹偏离，若是偏离，则重新计算本飞行计划与其他飞行计划的冲突。
【专利摘要】本发明公开了一种基于4D轨迹估算的实时监视告警方法，包括以下步骤：对飞机建模，以飞机作为一个质点，在飞机爬升、巡航、下降阶段都考虑为匀速飞行；利用4D轨迹估算模型，预测飞机的飞行计划4D轨迹；根据预测的4D轨迹，对未来一段时间的飞行计划进行冲突计算，冲突计算采用本发明中简化的计算方式，并且接收基于4D轨迹的实时监视告警参数；根据冲突计算结果，得到告警信息。本发明方法模型简单，计算机易实现，时间和空间复杂度都很低。
【IPC分类】G08G5/00
【公开号】CN104882029
【申请号】CN201510216698
【发明人】成磊峰, 刘宇, 陈正茂
【申请人】四川川大智胜软件股份有限公司
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年4月29日