[发明专利]基于4D航迹运行的用于飞行冲突预警的空中交通管制系统

摘要

本发明涉及一种基于4D航迹运行的用于飞行冲突预警的空中交通管制系统，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、这3个子模块；上述系统的基于4D航迹运行的飞行冲突预警方法，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。本发明可有效预警飞行冲突，提高空中交通的安全性。

主权项

一种基于4D航迹运行的用于飞行冲突预警的空中交通管制系统，其特征在于：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；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；所述基于4D航迹运行的用于飞行冲突预警的空中交通管制系统进行飞行冲突预警的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K‑means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；所述步骤A的航空器无冲突4D航迹按照以下方法生成：步骤A1、进行航空器状态转移建模，根据飞行计划中航空器的飞行高度剖面，建立单个航空器在不同航段转移的Petri网模型：E＝(g,G,Pre,Post,m)为航空器阶段转移模型，其中g表示飞行航段，G表示垂直剖面中飞行状态参数的转换点，Pre和Post分别表示航段和航路点的前后向连接关系，表示航空器所处的飞行阶段；步骤A2、建立航空器全飞行剖面混杂系统模型如下，vH＝κ(vCAS,Mach,hp,tLOC)，vGS＝μ(vCAS,Mach,hp,tLOC,vWS,α)，其中vCAS为校正空速，Mach为马赫数，hp为气压高度，α为风向预报与航路的夹角，vWS为风速预报值，tLOC为温度预报值，vH为高度变化率，vGS为地速；步骤A3、采用混杂系统仿真的方式推测求解航迹：采用将时间细分的方法，利用状态连续变化的特性递推求解任意时刻航空器在某一飞行阶段距参考点的航程和高度其中J0为初始时刻航空器距参考点的航程，△τ为时间窗的数值，J(τ)为τ时刻航空器距参考点的航程，h0为初始时刻航空器距参考点的高度，h(τ)为τ时刻航空器距参考点的高度，由此可以推测得到单航空器的4D航迹；步骤A4、对多航空器耦合模型实施无冲突调配：根据两航空器预达交叉点的时间，按照空中交通管制原则，对交叉点附近不满足间隔要求的航空器4D航迹进行二次规划，得到无冲突4D航迹。