[发明专利]基于4D航迹运行的空中交通管制方法

摘要

本发明涉及一种基于4D航迹运行的空中交通管制方法由空中交通管制系统实施，所述空中交通管制系统包括数据通信模块、监视数据融合模块、机载终端模块、管制终端模块，其中监视数据融合模块用于实现空管雷达监视数据与自动相关监视数据的融合，为管制终端模块提供实时航迹信息；管制终端模块包括飞行前无冲突4D航迹生成、飞行中短期4D航迹生成、实时飞行冲突监控与告警、飞行冲突解脱4D航迹优化这四个子模块；上述系统的基于4D航迹运行的空中交通管制方法，依靠管制终端模块，处理飞行计划数据并利用隐马尔科夫模型生成4D航迹，实现空域交通状况潜在的交通冲突的分析，以及采用模型预测控制理论方法提供最优解脱方案。本发明可有效防止飞行冲突，提高空中交通的安全性。

主权项

1.一种基于4D航迹运行的空中交通管制方法，由空中交通管制系统实施，所述空中交通管制系统包括机载终端模块、数据通信模块、监视数据融合模块以及管制终端模块；监视数据融合模块用于实现空管雷达监视数据与自动相关监视数据的融合，为管制终端模块提供实时航迹信息；其特征在于：所述管制终端模块包括以下子模块：飞行前无冲突4D航迹生成模块，根据飞行计划和世界区域预报系统的预报数据，建立航空器动力学模型，然后依据飞行冲突耦合点建立航迹冲突预调配理论模型，生成航空器无冲突4D航迹；飞行中短期4D航迹生成模块，依据监视数据融合模块提供的实时航迹信息，利用隐马尔科夫模型，推测未来一定时间窗内的航空器4D轨迹；实时飞行冲突监控与告警模块，用于建立从航空器的连续动态到离散冲突逻辑的观测器，将空中交通系统的连续动态映射为离散观测值表达的冲突状态；当系统有可能违反空中交通管制规则时，对空中交通混杂系统的混杂动态行为实施监控，为管制员提供及时的告警信息；飞行冲突解脱4D航迹优化模块，在保证系统满足航空器性能和管制规则约束条件下，通过选择不同的解脱目标函数，采用模型预测控制理论方法，计算航空器冲突解脱4D航迹；并通过数据通信模块将航空器冲突解脱4D航迹发送给机载终端模块执行；所述基于4D航迹运行的空中交通管制方法包括如下几个步骤：步骤A、飞行前无冲突4D航迹生成模块根据飞行计划和世界区域预报系统的预报数据，建立航空器动力学模型，并依据飞行冲突耦合点建立航迹冲突预调配理论模型，生成航空器无冲突4D航迹；步骤B、监视数据融合模块将空管雷达监视数据与自动相关监视数据进行融合，生成航空器实时航迹信息并提供给管制终端模块；管制终端模块中的飞行中短期4D航迹生成模块依据航空器实时航迹信息和历史航迹信息推测未来一定时间窗内的航空器4D轨迹；所述依据航空器实时航迹信息和历史航迹信息推测未来一定时间窗内的航空器4D轨迹的具体实施过程如下：步骤B6、对航空器轨迹数据预处理，依据所获取的航空器原始离散二维位置序列x＝[x1,x2,...,xn]和y＝[y1,y2,...,yn]，采用一阶差分方法对其进行处理获取新的航空器离散位置序列△x＝[△x1,△x2,...,△xn‑1]和△y＝[△y1,△y2,...,△yn‑1],其中△xb＝xb+1‑xb,△yb＝yb+1‑yb，b＝1,2,...,n‑1”；步骤B7、对航空器轨迹数据聚类，对处理后新的航空器离散二维位置序列△x和△y，通过设定聚类个数M'，采用遗传聚类算法分别对其进行聚类；步骤B8、对聚类后的航空器轨迹数据利用隐马尔科夫模型进行参数训练，通过将处理后的航空器运行轨迹数据△x和△y视为隐马尔科夫过程的显观测值，通过设定隐状态数目N'和参数更新时段ζ'，依据最近的T'个位置观测值并采用B‑W算法滚动获取最新隐马尔科夫模型参数λ'；步骤B9、依据隐马尔科夫模型参数，采用Viterbi算法获取当前时刻观测值所对应的隐状态q；步骤B10、通过设定预测时域h'，基于航空器当前时刻的隐状态q，获取未来时段航空器的位置预测值O；步骤C、实时飞行冲突监控与告警模块建立从航空器的连续动态到离散冲突逻辑的观测器，将空中交通系统的连续动态映射为离散观测值表达的冲突状态；当系统有可能违反空中交通管制规则时，对空中交通混杂系统的混杂动态行为实施监控，为管制员提供及时的告警信息；步骤D、飞行冲突解脱4D航迹优化模块在保证系统满足航空器性能和管制规则约束条件下，通过选择不同的解脱目标函数，采用模型预测控制理论方法，计算航空器冲突解脱4D航迹；并通过数据通信模块将航空器冲突解脱4D航迹发送给机载终端模块执行；步骤E、机载终端模块接收并执行管制终端模块发布的4D航迹数据；所述步骤D的具体实施过程如下：步骤D1、对飞行冲突解脱过程建模：将冲突解脱航迹视为连续的三段光滑曲线，给定解脱航迹的起点和终点，依据航迹限制条件，建立包含加速度、爬升或下降率、转弯率的多变量最优冲突解脱模型；步骤D2、对不同飞行条件下冲突解脱变量约束建模：其中t时刻需实施冲突解脱航空器k的变量约束可描述为：ak(t)≤aM、ωk(t)≤ωM、γk(t)≤γM，aM、ωM、γM分别为最大的加速度、转弯率和爬升或下降率；步骤D3、设定航空器避撞规划的终止参考点位置P、避撞规划控制时域Θ、轨迹预测时域Υ；步骤D4、在每一采样时刻t，基于航空器当前的运行状态和历史位置观察序列，获取空域风场变量的数值；步骤D5、设定在给定优化指标函数的前提下，基于合作式避撞轨迹规划思想，通过给各个航空器赋予不同的权重以及融入实时风场变量滤波数值，得到各个航空器的避撞轨迹和避撞控制策略且各航空器在滚动规划间隔内仅实施其第一个优化控制策略；步骤D6、在下一采样时刻，重复步骤D4至D5直至各航空器均到达其解脱终点。