一种连续下降运行程序的分析和设计方法与流程

本发明属于民航技术领域，特别涉及了一种连续下降运行程序的分析和设计方法。

背景技术：

近年来，随着能源危机的加剧，环境保护意识的加强，燃油消耗、机场噪声、废气排放等问题日益凸显。如何在安全运行的前提下，尽可能地降低燃油消耗、缓解机场噪声、减少废气排放等已成为民航业关注的焦点。连续下降运行程序(Continuous Descent Operation,CDO)正是基于上述背景，率先在航空发达国家提出并应用。目前，美国、荷兰、新加坡等国家的CDO技术已经相对成熟，并且已经在大部分机场运行，带来了巨大的经济与环境效益。

我国在《国务院关于促进民航业发展的若干意见》(国发〔2012〕24号)中明确指出——“到2020年，我国初步形成安全、便捷、高效、绿色的现代化民用航空体系”、“要切实打造绿色低碳航空”。同时，中国民航局在近期发布的多个规划性文件中，也着重强调要加速行业节能减排工作。这些诉求必将有力地推进我国民航CDO程序的研究与应用工作。

我国在CDO程序方面的研究刚刚起步，与上述航空发达国家的差距较大。同时，CDO程序的设计与应用，均离不开CDO程序高度/速度设计的分析以及管制移交间隔的分析，四维航迹生成与预测方面的研究能够为此类分析提供基础。目前四维航迹预测的方法，主要有全能量方程法和质点模型法，均采用是正向计算生成四维航迹。然而，CDO程序的关键问题是如何确定TOD点的位置，并在TOD点之后生成连续下降剖面。上述采用正向计算的航迹预测方法都不能解决该问题。同时，目前对于飞行程序的分析主要从安全性、节能减排、经济性等方面入手，鲜考虑飞行过程中不确定性因素与管制移交习惯等方面，从而不能够模拟出更适合终端空域实际运行情况的飞行程序。

技术实现要素：

为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种连续下降运行程序的分析和设计方法，克服现有CDO程序存在的缺点，设计在节能、减排、降噪方面具备一定优势的CDO程序。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种连续下降运行程序的分析和设计方法，包括以下步骤：

(1)根据初始设计的连续下降运行程序，联合导航点坐标与数据库编码表，考虑水平航迹与垂直剖面，建立航空器意图模型；

(2)选择典型机型，考虑航空器质量和运行环境的不确定性，结合步骤(1)建立的航空器意图模型，建立航空器质点模型，生成航空器四维航迹；

(3)基于生成的航空器四维航迹，分析不确定条件下各类航空器过航路点高度与速度分布，以及不同机型配比时前后机的间隔分布，从而判断连续下降运行程序设计是否合理，以及现行管制移交间隔是否合理；

(4)根据步骤(3)的判断结论，修改连续下降运行程序，更新连续下降运行程序的水平航迹、高度/速度限制以及管制移交间隔，并将修改后的连续下降运行程序返回步骤(1)，重新分析，直至连续下降运行程序安全合理。

进一步地，步骤(1)的具体步骤如下：

(A)根据初始设计的连续下降运行程序，确定连续下降运行程序中包含的航路点；

(B)根据导航点坐标和数据库编码表，确定航空器所要经过的航路点的经纬度、航向以及是否为转弯点，建立连续下降运行程序的水平航迹；

(C)根据导航点坐标和数据库编码表，确定航空器所要经过的航路点的速度限制和高度限制信息，建立连续下降运行程序的垂直剖面；

(D)根据连续下降运行程序的水平航迹与垂直剖面，以及连续下降运行程序的运行特点，建立航空器意图模型。

进一步地，步骤(2)的具体步骤如下：

(a)基于航空器基本性能数据库，确定航空器的性能参数；

(b)确定运行期间的环境模型，包括确定随高度变化的温度、压力与空气密度参数，以及确定随高度与位置变化的风场数据；

(c)确定航空器的质量参数，以及质量参数的不确定性；

(d)基于步骤(1)建立的航空器意图模型，建立航空器运动的质点模型；

(e)基于航空器运动质点模型，生成航空器四维航迹。

进一步地，在步骤(b)中，确定随高度变化的温度、压力与空气密度参数的步骤如下：

(a1)根据气压高度，确定温度T：

T＝T₀+ΔT+β_T·H_p

上式中，T₀＝288.15K，表示国际标准大气条件下在平均海平面处的温度；ΔT表示温度偏差；H_p表示气压高度；β_T＝-0.0065K/m，表示温度垂直递减率；

(b1)根据温度T，确定压力p：

上式中，p₀＝101325Pa，表示国际标准大气条件下的空气压力；g₀＝9.80665m/s²，表示重力加速度；R＝287.05287m²/(K·s²)，表示空气常数。

(c1)根据温度T与压力p，确定空气密度r：

进一步地，在步骤(b)中，确定随高度与位置变化的风场数据的步骤如下：

(a2)在天气预报中心上选取所需的各气压层上的风场数据，包含日期、时刻、风分量和高度层；

(b2)根据连续下降运行程序的水平航迹的范围，裁剪区域，由纬度范围确定南北区域、经度范围确定东西区域；

(c2)根据精度要求确定单位网格跨度；

(d2)根据设定下载风场数据；

(e2)针对高度层的u风分量与v风分量，计算出风速和风向：

上式中，V_wind为风速，为风向。

进一步地，在步骤(d)中，建立航空器运动的质点模型的步骤如下：

(a3)根据航空器意图模型中连续下降运行程序的水平航迹，分为直线航段与转弯航段，进而构建水平方向上的质点运动模型，其中直线航段：

式中，s为飞行距离；V_GS为地速；V_TAS为真空速；为风角，MC为航线角；为偏流，

其中转弯航段：

上式中，ROT为转弯率；φ为转弯坡度；

(b3)根据航空器意图模型中连续下降运行程序的垂直剖面，建立高度与速度变化的质点方程：

上式中，h为高度；γ为航径角；D为航空器阻力；Thr为航空器推力；m为航空器质量；g为重力加速度；

(c3)考虑航空器在飞行过程中的燃油消耗，建立航空器质量变化方程。

进一步地，在步骤(c)中，确定航空器质量参数以及质量参数不确定性的步骤如下：

(a4)根据性能参数，以对应机型的参考质量作为该航空器的质量参数；

(b4)设执行连续下降运行程序的航空器质量符合正态分布，选择合适的均值与方差构建航空器质量参数的不确定性模型。

进一步地，在步骤(e)中，生成航空器四维航迹的步骤如下：

(a5)采用4阶龙格库塔法对航空器运动的质点模型进行反向积分，生成航空器的垂直剖面；

(b5)对航空器所要经过的航路点采用等距离散的方式，生成航空器的水平航迹；

(c5)将垂直剖面与水平航迹融合，得到航空器四维航迹。

进一步地，步骤(3)的具体过程如下：

确定执飞连续下降运行程序的主力机型，基于各机型执飞连续下降运行程序的四维航迹，以高度/速度剖面以及在各航路点高度/速度分布图的形式展示，分析下降顶点，分析是否满足国际民航组织提出的垂直剖面边界要求，从而判断连续下降运行程序设计是否合理；

确定执飞连续下降运行程序的前后机型配比情况，基于各机型配比执飞连续下降运行程序的四维航迹，依据现行的移交间隔，推算连续下降运行程序结束处的前后机间隔，分析不同机型配比时，现行的移交间隔是否满足安全间隔要求。

进一步地，在步骤(4)中，修改连续下降运行程序的过程如下：

如果航空器的过点高度、速度不满足国际民航组织提出的垂直剖面边界要求，则修改航路点的高度、速度限制；

如果连续下降运行程序结束处的前后机间隔不满足雷达管制的间隔要求，则增大管制移交间隔；如果满足要求，则适量减小管制移交间隔。

采用上述技术方案带来的有益效果：

(1)综合考虑影响因素，使得本发明具有准确性特点：

本发明考虑了航空器质量以及风速风向的不确定性，基于航空器质点模型，结合航空器意图模型，采用航空器基本性能数据库(BADA)，生成航空器四维航迹，因此确保了生成航迹的准确性与全面性。

(2)能够生成CDO运行下的航空器的四维航迹，使得本发明具有国内领先与国外新技术接轨特点：

本发明提出了一种利用4阶龙格库塔法(ODE45)可以反向计算的特点，结合特殊的航空器意图，反向生成连续下降的航空器高度剖面并确定TOD点位置的方法，使得本发明与正向生成航空器四维航迹的方法不同。

(3)利用生成的航空器四维航迹进行多角度的全面分析，然后根据分析结果进行程序设计，使得本发明具有可靠性特点：

本发明提出了分析各类航空器过航路点高度与速度分布、不同机型配比时前后机间隔分布，然后根据分析结果修改CDO程序的方法，使得本发明具有可靠性高的特点，同时对于管制移交间隔的分析，使得本发明更能贴近终端空域实际的运行情况。

(4)技术解决方案简单可靠，使得本发明便于应用：

本发明在设计各个模块时，通过深入研究欧美的四维航迹预测和飞行程序设计与分析的结构、功能，为满足实时性、可靠性的需求，采用了简单可靠的技术解决方案。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明中建立航空器意图模型流程示意图；

图3为本发明中生成航空器四维航迹流程示意图；

图4为本发明环境模型中确定随高度变化的温度、压力与空气密度参数流程示意图；

图5为本发明环境模型中确定随高度与位置变化的风场数据流程示意图；

图6为本发明建立航空器运动质点模型的流程示意图；

图7为本发明中航空器四维航迹生成算法流程示意图；

图8为典型的CDO程序下的航空器进场垂直飞行航迹示意图；

图9为本发明分析各类航空器过航路点高度与速度分布流程示意图；

图10为本发明分析不同机型配比时前后机间隔分布流程示意图；

图11为本发明修改CDO程序流程示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明提出的一种连续下降运行程序的分析和设计方法，流程图如图1所示，包括以下步骤：

步骤11，根据初始设计的CDO程序，联合导航点坐标与数据库编码表，考虑水平航迹与垂直剖面，建立航空器意图模型；

步骤12，选择典型机型，考虑航空器质量以及风速风向的不确定性，基于航空器质点模型，结合上述航空器意图模型，采用航空器基本性能数据库(BADA)，生成航空器四维航迹；

步骤13，基于上述生成的一系列航空器四维航迹，分析不确定条件下，各类航空器过航路点高度与速度分布，以及不同机型配比时，前后机的间隔分布，获得：CDO程序初始设计是否恰当，现行管制移交间隔是否合理的结论。

步骤14，根据上述结论，指导CDO程序的设计与修改，更新CDO程序的水平航迹、高度/速度限制以及管制移交间隔，并重新分析，直至CDO程序安全合理。

图2为建立航空器意图模型流程示意图，具体包括以下步骤：

步骤21，根据初始设计的CDO程序，确定CDO程序中包含的航路点；

步骤22，根据导航点坐标和数据库编码表，确定航空器所要经过的航路点的经纬度、航向、是否转弯点等信息，建立CDO程序的水平航迹；

步骤23，根据导航点坐标和数据库编码表，确定航空器所要经过的航路点的速度限制、高度限制等信息，建立CDO程序的垂直剖面；

步骤24，根据上述CDO程序的水平航迹与垂直剖面，以及CDO程序的运行特点，建立航空器意图模型，包括：直线飞行、转弯飞行、等马赫数(Mach)下降、等校正空速(CAS,Calibrated Air Speed)下降、等下降率(ROD,Rate of Descent)减速下降等方式。本发明中CDO程序运行时的航空器意图与使用阶段对应关系在表1中记录。

表1

图3为生成航空器四维航迹流程示意图，具体包括以下步骤：

步骤31，基于欧控实验中心发布航空器基础资料(BADA)，确定航空器的性能参数，包括：航空器机型参数(含发动机数目、发动机类型、尾流等级)；质量参数(含最大/最小/参考质量，以及最大配载质量)；飞行包络参数(含最大飞行速度、最大运行高度等)；空气动力学参数(含机翼参考面积、航空器各类构型的失速速度、航空器各类构型的附加/诱导阻力系数)、发动机推力参数(含最大爬升/下降/进近/着陆推力系数)、燃油流量参数(含推力相关、下降与巡航的燃油流量系数)；

步骤32，确定运行期间的环境模型，包括：一方面确定随高度变化的温度、压力与空气密度参数；另一方面利用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)给出的数据，确定随高度与位置变化的风场数据；

步骤33，确定航空器的质量参数，以及质量参数的不确定性；

步骤34，基于航空器的意图模型，建立航空器运动的质点模型；

步骤35，基于航空器运动的质点模型，确定航空器四维航迹生成的求解算法。

图4为环境模型中确定随高度变化的温度、压力与空气密度参数流程示图，具体包括以下步骤：

步骤41，根据气压高度(对流层顶以下)确定温度T：

T＝T₀+ΔT+β_T·H_p

上式中，T₀＝288.15K，表示国际标准大气条件下在平均海平面处的温度；ΔT表示温度偏差；H_p表示气压高度；β_T＝-0.0065K/m，表示温度垂直递减率；

步骤42，根据温度T确定压力p：

上式中，p₀＝101325Pa，表示国际标准大气条件下的空气压力；g₀＝9.80665m/s²，表示重力加速度；R＝287.05287m²/(K·s²)，表示空气常数；

步骤43，根据温度T与压力p确定空气密度：

图5为环境模型中确定随高度与位置变化的风场数据流程示意图，具体包括以下步骤：

步骤51，从欧洲中期天气预报中心(ECMWF)网站上选取所需的各气压层上风的数据，包含日期、时刻(0h 6h 12h 18h，UTC时间)、风分量、高度层等；

步骤52，根据初始设计CDO程序的水平航迹的范围，裁剪区域，分别由纬度范围确定南北区域，经度范围确定东西区域；

步骤53，确定单位网格跨度，数据可以定义在0.75°×0.75°经纬度跨度的网格上，也可根据所需精度自定义网格跨度；

步骤54，各选项确定后，下载文件，文件下载格式为GRIB格式；

步骤55，将所获取的以GRIB格式存储的风场信息，进行解码：首先，利用工具grib2ctl.exe生成整个文件的描述文件.ctl；然后，利用工具gribmap.exe生成映射文件.idx；最后，通过其描述文件，提取该文件存储记录的形式与结构信息，处理并保存数据(各高度层的u风分量与v风分量)；

步骤56，针对高度层的u风分量与v风分量，根据下述公式计算出风速和风向：

上式中，V_wind为风速，为风向，南北方向，南风为正；东西方向，西风为正。

步骤57，将所得的风速、风向进行概率统计，分析其分布函数与系数，从而完成风场数据的估算。

确定航空器质量参数以及不确定性，具体包括以下步骤：

步骤61，根据航空器基础资料(BADA)提供的性能参数，确定以对应机型的参考质量作为该航空器的质量参数；

步骤62，假设执行CDO程序的航空器质量符合正态分布，选择合适的均值与方差构建航空器质量参数的不确定性模型。

图6为航空器运动的质点模型的建立流程示意图，具体包括以下步骤：

步骤71，根据建立的航空器意图模型中CDO程序的水平航迹，将其分为直线航段与转弯航段，进而构建水平方向上的质点运动模型，其中直线航段为：

上式中，s为飞行距离；V_GS为地速；V_TAS为真空速；为风角，MC为航线角；为偏流，

其中转弯航段为：

上式中，ROT为转弯率；φ为转弯坡度；

步骤72，根据建立的航空器意图模型中的CDO程序的垂直剖面，建立高度与速度变化的质点方程：

上式中，γ为航径角；D为航空器阻力；Thr为航空器推力；m为航空器质量；g为重力加速度；

步骤73，计算航空器阻力，如下式：

上式中，C_D为阻力系数，C_D＝C_D0+C_D2·(C_L)²，其中C_L为升力系数；S为机翼参考面积；各系数参见航空器基础资料(BADA)；

步骤74，计算航空器推力，其最大起飞推力如下式：

Thr_{max climb}＝C_Tc,1·(1-h/C_Tc,2+C_Tc,3·h²)·(1-C_Tc,5·ΔT)

上式中，C_Tc,1、C_Tc,2、C_Tc,3和C_Tc,5均为推力系数，参见航空器基础资料(BADA)，且下降/进近/着陆的推力可视作最大爬升推力的函数，但与所处的高度以及飞行阶段相关；

步骤75，考虑航空器在飞行过程中的燃油消耗，建立航空器质量变化方程，如下式：

上式中，C_f1、C_f2、C_f3和C_f4均为燃油消耗系数，参见航空器基础资料(BADA)。

图7为航空器四维航迹生成中确定求解算法流程示意图，具体包括以下步骤：

步骤81，利用4阶龙格库塔法(ODE45)对航空器运动的质点模型进行反向积分，生成航空器的垂直剖面；图8为典型的CDO程序下的航空器进场垂直飞行航迹示意图；

步骤82，对航空器所要经过的航路点采用等距离散的方式，生成航空器的水平航迹；

步骤83，将垂直剖面与水平航迹融合，得到执飞CDO程序的四维航迹。

图9为分析各类航空器过航路点高度与速度分布流程示意图，具体包括以下步骤：

步骤91，确定执飞CDO程序的主力机型；

步骤92，确定仿真次数，以及确定CDO程序区域的风场信息，确定各机型的航空器质量分布；

步骤93，建立各机型执飞CDO程序的航空器意图；

步骤94，生成各机型执飞CDO程序的四维航迹；

步骤95，基于各机型执飞CDO程序的四维航迹，以高度/速度剖面以及其在各航路点高度/速度分布图的形式展示，分析下降顶点(TOD)的位置，分析是否满足国际民航组织(ICAO)提出的垂直剖面边界要求。

图10为分析不同机型配比时前后机间隔分布流程示意图，具体包括以下步骤：

步骤101，确定执飞CDO程序的前后机型配比情况；

步骤102，确定仿真次数，以及确定CDO程序区域的风场信息，确定各机型的航空器质量分布；

步骤103，建立各机型配比执飞CDO程序的航空器意图；

步骤104，生成各机型配比执飞CDO程序的四维航迹；

步骤105，基于各机型配比执飞CDO程序的四维航迹，依据现行的移交间隔，推算CDO程序结束处的前后机间隔，分析不同机型配比时，现行的移交间隔是否满足安全间隔要求。

图11为修改CDO程序流程示意图，具体包括以下步骤：

步骤111，根据分析各类航空器过航路点高度与速度分布，如果航空器的过点高度、速度不满足国际民航组织(ICAO)提出的垂直剖面边界要求，则修改航路点的高度、速度限制。限制主要分为4类：无限制、上界限制、下界限制与窗口限制；

步骤112，分析不同机型配比时前后机间隔分布，如果航空器对之间在CDO程序结束处，不满足雷达管制的间隔要求，则增大管制移交间隔；如果满足要求，则可以适当减小管制移交间隔；

步骤113，针对修改结果，重新构建航空器意图模型、生成航空器四维航迹，进行再次分析。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。