用于管理空中交通的进度管理系统和方法与流程

用于管理空中交通的进度管理系统和方法相关申请案的交叉引用本申请要求2012年6月30日提交的美国临时申请号61/666,801的权益，所述美国临时申请的内容以引用的方式并入本说明书中。另外，本申请是2011年2月22日提交的共同待决的美国专利申请序号13/032,176的部分继续专利申请，所述美国专利申请的内容以引用的方式并入本说明书中。技术领域本发明大体涉及用于管理空中交通的方法和系统。更具体地，本发明涉及用于优化空中交通管制操作并使空中交通效率的损失最小化的方法和系统，并且包括通过包括提前巡航下降(earlycruisedescent)作为承受由一个或多个飞行器错过它的/它们的预定到达时间(STA)而造成的时间延迟而用于管理到达飞行器的时间进度表的方法和系统。

背景技术：
管理接近其到达机场的飞行器的时间进度表是通过空中交通管制执行的重要的空中交通管理任务。重要的是在将到达飞行器在STA附近的容差参数范围内输送至到达计量方位(arrivalmeterfix)，尽管存在来自天气影响和其他空中交通的干扰。在现代空中交通中，错过其STA的单架飞机将具有下游空中交通影响，可能包括错过着陆时隙。空间(纬度、经度、高度)和时间中的准确四维轨迹(4DT)使得空中交通管制能够评估空中交通和飞行器的未来位置。这些参数还可通过空中交通管制用于进度管理的目的，以通过纵向(速度变化)、横向(飞行路径延长或缩短)或竖直(减小巡航高度以降低速度)改变来承受空中交通延迟并且改变下游空中交通的到达时间。目前，速度变化和飞行路径横向改变的组合用于承受时间延迟。如本说明书所使用，轨迹是飞行器从起飞到着陆的三维位置的时序序列，并且能够以数学方式来描述。相比之下，飞行计划是由飞行员或班机调度员向民航管理部门提交的一系列文档，包括诸如出发位置和到达位置、出发时间和到达时间的这类信息，所述信息能够由空中交通管制(ATC)用于提供跟踪和路线选择服务。轨迹是实现预期飞行计划的一种方式，具有时间和位置的不确定性。基于轨迹的操作(TBO)是在不久的将来实现的先进的空中交通系统的重要组成部分，包括美国下一代空中运输系统(NextGen)和欧洲的单一欧洲天空ATM研究(SESAR)。TBO概念为改进的空域操作效率提供基础。在TBO中实现的轨迹同步和协商还使空域用户(包括班机操作员、班机调度员、班机甲板人员、无人航空系统和军事用户)能够定期以接近它们优选轨迹的轨迹来飞行，从而使包括燃料和时间效率、风力最佳路线选择和天气相关轨迹变化的商业目标能够结合到TBO概念中。因此，大量研究已进入开发实现TBO的系统框架和技术。TBO的总体目标是通过使用以上提及的空间和时间中的4DT来降低与飞行器未来位置的预测相关联的不确定性。4DT的精确使用极大地降低了确定飞行器的当前位置和未来位置以及相对于时间的轨迹的不确定性，并且包括在飞行器接近其到达机场时，预测飞行器抵达到达计量方位(地理位置，也称为计量方位、到达方位或角柱(cornerpost))的时间的能力。当前，空中交通管制依赖于“基于间隙的管制”系统，这取决于对飞行器当前位置的观察，通常没有更进一步了解飞行器的轨迹。通常，这导致飞行器飞行通过空中交通管制确定并且不是飞行器优选轨迹的路线。切换至TBO将使得飞行器能够沿着用户优选的轨迹飞行。在TBO中，用户偏好确定在空中交通操作中进行的选择。更确切地，飞行器轨迹和操作过程是飞行器操作员的商业目标的直接结果。这些商业目标的基本元素是成本指数(CI)，所述成本指数是飞行中的飞行器的时间成本(成本每分钟)与燃料成本(成本每千克)的比。飞行器的CI确定其最优飞行速度和轨迹，并且是大气条件、飞行器性能能力和轨迹的函数，并且因此对于每次飞行是近乎唯一的。另外，诸如速度和高度的因素不一定随增加的CI而线性地增加。这样，在地面模拟中，CI的计算是困难的。当前，空中交通管制员通过首先关注安全性和飞行器之间的分离来维持交通模式。在不关注优选飞行器轨迹的情况下形成此类模式，并且这样空中交通管制员未作出努力来为飞行器操作员节约成本。已观察到，在诸如这样的情况下，可进行更加节约成本的其他可行轨迹变化。确定优选轨迹所需要的最优化和计算最可能不是可能由人操作员或交通管制员进行，并且需要由计算机系统提供。在这样一种情况下，计算机将为人操作员提供优选轨迹选项，所述人操作员随后将从一系列可能的轨迹中进行选择。为使TBO有效地起作用，需要对来自相关飞行器的轨迹数据的积累和编译。用户优选轨迹(飞行器操作员最期望的那些轨迹)可能经常彼此冲突，尤其是在不再基于间隙的空中交通系统中。尽管TBO将改进效率，但它必须处理轨迹和交通冲突。轨迹协商确定多种飞行器的轨迹要求或意图，并且试图形成满足尽可能多的用户偏好的解决方案并更好地利用可用空域。这样一个轨迹协商依赖于飞行器轨迹数据以及人的决策和轨迹参数选择。当前，飞行路径的横向变化以及速度变化用于承受空中交通飞行延迟。然而，所期望的是提前下降轨迹变化是否可用于承受空中交通的飞行延迟。美国国家航空航天局(NationalAeronauticsandSpaceAdministration，NASA)艾姆斯研究中心已在NASA的航路下降咨询(En-RouteDescentAdvisor，EDA)中，通过利用有经验的航路交通管制中心(AirRouteTrafficControlCenter，ARTCC)部门管制员进行人在回路仿真实验(human-in-the-loopsimulationexperiment)，研究了使用高度变化(下降)咨询能力的可行性，如在AIAA导航制导管制大会中所公开的、标题为“对无冲突连续下降到达的中间巡航高度咨询的影响(ImpactsonIntermediateCruise-AltitudeAdvisoryforConflict-FreeContinuous-DescentArrival)”的论文中所报告，2011年8月8日，美国俄勒冈州波特兰。在连续下降或提前下降的轨迹中，飞行器比在标准轨迹中要更早得多以空转或接近空转推力设置开始下降。通过在飞行路径中更早地开始缓慢下降，可承受时间延迟并且可消耗较少燃料。在图1中示出提前下降轨迹的基本轮廓。遵循提前下降轨迹的飞行器可以连续下降到指定计量方位位置或下降到中间较低高度，从而允许飞行器以较慢的速度飞行以便承受飞行延迟并且可能消耗较少燃料。当必须承受空中交通的时间延迟时，提前下降机动飞行(maneuver)可提供优于对飞行器轨迹的横向或速度变化的明显的成本优势。然而，通过确定满足空中交通安全限制的优选轨迹，承受适当的延迟和节约材料最有可能超越人管制员的计算能力，尤其是在人管制员是专注于防止空中交通冲突的情况下。因此，必须使系统处于适当位置中，所述位置能够确定可包括提前下降机动飞行一个优选轨迹或若干优选轨迹，并且随后能够向可将命令转发给飞行器飞行员的人管制员提供这些轨迹。在空中交通冲突需要飞机机动飞行以承受时间延迟的情况下，这个系统将提供优于飞行器轨迹的简单横向和纵向变化的轨迹选项，同时仍意识到空中交通安全性和由于周围交通而造成的操作限制。美国专利申请公开号2009/0157288试图解决类似的问题，但将解决方案中的参与者(actor)限制为单个飞行器。飞行器仅从空中交通管制接收时间延迟因子，并且独立于来自地面系统的任何额外信息，确定最好的轨迹修改以满足这个时间延迟。虽然可使信息和决策完全针对飞行器或地面系统，但在这些方法的任一个中存在对信息的准确性和可用性的限制。通常，这样的计算取决于飞行器附近的整个空中交通条件，并且因此这些决策的结果不孤立于飞行器。

技术实现要素：
本发明提供用于管理到达飞行器接近它们的到达机场的时间进度表的方法和系统。本发明提供用于改变飞行器飞行轨迹(包括但不限于提前巡航下降)的装置，以便补偿空中交通调度变化，包括但不限于由于一个或多个飞行器错过它的/它们的STA(预定到达时间)而引起的时间延迟。根据本发明的第一方面，提供用于管理包括处于限定空域内的多个飞行器并且接近到达机场的空中交通的进度管理系统，其中所述多个飞行器中的每一个均具有包括三维位置和速度的现有轨迹参数。所述进度管理系统包括：飞行器上飞行管理系统(FMS)，所述飞行器上飞行管理系统与多个飞行器单独关联并且适用于确定与其关联的飞行器的飞行器轨迹和飞行特定成本数据；和空中交通管制系统，所述空中交通管制系统适用于监视多个飞行器，但并不位于所述多个飞行器中的任一个上。空中交通管制系统具有决策支持工具并且可操作用于从FMS获得飞行器轨迹和飞行特定成本数据并且针对沿去往到达机场的路径的至少一个位置(例如，计量方位点)产生所述多个飞行器中的每一个的STA。如果多个飞行器中的任一个在所述位置错过它的STA并且由此使得飞向所述位置的多个飞行器中的第二个延迟，从而对第二飞行器强加更后的STA，那么空中交通管制系统可操作用于将飞行器轨迹和飞行特定成本数据传输至决策支持工具，使用决策支持工具确定特定的轨迹改变对于第二飞行器承受与更后的STA关联的延迟是否更为节省成本，并且随后基于由决策支持工具帮助的人决策来向第二飞行器传输指令。根据本发明的第二方面，提供用于管理包括处于限定空域内的多个飞行器并且接近到达机场的空中交通的方法，其中所述多个飞行器中的每一个均具有包括三维位置和速度的现有轨迹参数。所述方法包括：通过与多个飞行器单独关联的飞行器上FMS来确定多个飞行器中的每一个的飞行器轨迹和飞行特定成本数据；通过并不位于多个飞行器中的任一个上的空中交通管制系统来监视多个飞行器；并且随后针对沿去往到达机场的路径的至少一个位置(例如，计量方位点)来通过空中交通管制系统产生多个飞行器中的每一个的STA。如果多个飞行器中的任一个在所述位置错过它的STA并且由此使得飞向所述位置的多个飞行器中的第二个延迟，从而对第二个飞行器强加更后的STA，那么所述方法进一步包括将从FMS获得的飞行器轨迹和飞行特定成本数据传输至空中交通管制系统的决策支持工具，使用决策支持工具确定特定的轨迹改变对于让第二飞行器来承受与更后的STA关联的延迟是否更节省成本，并且随后基于由决策支持工具帮助的人决策来向第二飞行器传输指令。本发明的技术效果在于，尽管管理到达飞行器的时间进度表的现有方法依赖于完全留给单独飞行器或地面系统的信息和决策，本发明寻求提供准确和全面的进度管理系统，所述进度管理系统在基于地面的空中交通管制系统(例如，空中交通管制中心)的影响范围内使用飞行器和从飞行器接收的飞行数据，并且随后使用地面系统的决策支持工具(DST)来计算所管理的每个飞行器的估计到达时间(ETA)并且确定是否对承受飞行器的时间延迟或时空提前存在需求。从以下详细描述中将更好地理解本发明的其他方面和优点。附图说明图1示意性地表示可由本发明的实施例实施的提前下降轨迹的基本轮廓。图2是用于基于单独飞行器的轨迹和飞行特定成本数据管理接近到达机场的空中交通的进度管理方法和系统的方框图。图3是表示给定时间延迟与可用来在提前下降机动飞行中从到计量方位点某个距离开始承受时间延迟的高度变化之间的关系的图。图4表示与常规的横向或速度变化相比，在通过实施飞行器轨迹的提前下降机动飞行来承受空中交通的时间延迟时可实现的潜在成本优势。具体实施方式本发明提供用于管理接近到达机场的空中交通的进度管理系统和方法。根据本发明的优选方面，空域内的飞行器配备有确定单独飞行器的飞行器轨迹和飞行特定成本数据的飞行器上飞行管理系统(FMS)，在所述单独飞行器上安装有所述飞行器上飞行管理系统。进度管理系统在空中交通管制(ATC)中心的影响范围内从飞行器的FMS接收飞行器轨迹和飞行特定成本数据，所述空中交通管制中心的地面系统配备有决策支持工具(DST)。空中交通管制系统在沿着去往到达机场的一个或多个路径的一个或多个计量方位点(meterfixpoint)处确定飞行器的预定到达时间(STA)，并且如果任何飞行器错过它的STA并且由此对飞向所述计量方位点的一个或多个其他飞行器强加时间延迟，则DST使用其他(延迟的)飞行器的飞行器轨迹和飞行特定成本数据来确定飞行器轨迹变化在一个或多个承受时间延迟方面是否是有利的。如果适当，这样一个确定可由空中交通管制人员传输给延迟的飞行器。根据本发明的优选方面，飞行特定成本信息由飞行器产生并提供给DST进行分析。基于现有的计算能力，DST优选是基于地面的计算机系统的一部分并且并不位于飞行器上。这提供了更大的数据存储和处理能力，考虑到DST可具有大得多的尺寸，设计用于安装在房间或建筑物内，并且不位于飞行器舱中。基于地面的DST还提供用于在空中交通管制系统的管制下编译来自多个飞行器的输入数据的更好媒介。应指出，本发明的这个实施例提供促进空中交通管制的进步的能力，具体来说，以便适应未来将实施的先进的空中交通系统诸如基于轨迹的操作(TBO)，包括NextGen和SESAR演变。这样，DST设计用于不仅仅通过一个飞行器起作用，而是通过大量不同的飞行器、轨迹、位置和时间限制起作用。到达管理器(AMAN)通常用于拥挤空域以计算飞行器在具体机场的到达进度表。进度管理系统的计算机系统可使用飞行器监测数据和/或来自飞行器的预测轨迹来构建在某个点(通常是位于终端空域边界的计量方位)到达的飞行器的进度表。现今，这个功能由联邦航空局的交通管理顾问(TMA)在美国执行，而其他AMAN在国际上被使用。总体上，本发明可以利用到达进度表工具，所述到达进度表工具基于飞行器数据监视飞行器并且计算到达飞行器到达计量方位的顺序和STA。尽管大多数当前的进度表使用先来先服务算法来计算STA，但存在很多不同的替代进度表装置，包括装备最好服务最佳的进度表。另一方面，DST是用于产生替代轨迹的咨询工具，所述替代轨迹将使得后到达的飞行器能够准确地执行提前下降轨迹(这可导致速度降低)，所述提前下降轨迹将会根据由计算机系统针对后达到飞行器计算的延迟STA将飞行器输送至计量方位。作为本发明的进度管理系统的实施和操作的非限制性实例，图2表示在机场附近出现的空中交通冲突，其中两个飞行器将同时抵达机场的交通模式。在参照图2描述的场景下，必须使一个飞行器(在图2中示出)延迟，以使得另一个飞行器(未示出)可以首先进入交通模式并且会在飞行器之间提供充分的空间量。尽管空中交通管制人员仅可以要求延迟飞行器降低它的巡航速度或仅作出另一个简单的轨迹改变，这样做对于飞行器操作员来说可能不是最节省成本或最希望的。在进度管理系统内，提供具有基于地面的计算机系统的空中交通管制系统，所述基于地面的计算机系统在每个飞行器进入正由空中交通管制系统监视的空域时监视每个飞行器的4D(高度、横向路线和时间)轨迹(4DT)。适当配备有机载FMS(或，例如，数据通信(DataComm)系统)的飞行器能够直接向计算机系统提供这一信息。具体来说，很多先进的FMS能够准确地计算4DT数据，所述4DT数据可使用CPDLC、ADS-C或飞行器与空中交通管制系统之间的另一个数据通信机构或来自班机调度员的另一个数字交换机与计算机系统交换。对于监视空域内的每个飞行器，与空中交通管制系统关联的计算机系统针对与飞行器共享的到达(目的地)机场关联的至少一个计量方位计算估计到达时间(ETA)。使多个飞行器的ETA以队列形式存储，所述队列是可由计算机系统及其DST访问的数据存储单元的一部分。在参照图2描述的场景中，其中第一飞行器(未示出)首先进入交通模式，这导致另一个飞行器(在图2中示出)延迟，计算机系统执行计算来基于从飞行器推断或下行的信息确定第一飞行器的ETA和延迟飞行器的适当延迟时间。通过使用4DT、飞行特定成本数据以及任选地基于从延迟飞行器获得的飞行器操作员的商业目的的参数选择，计算机系统使用DST来计算若干可能的替代轨迹，这些替代轨迹会使得延迟飞行器充分地延迟并且解决交通冲突，同时还通过可能地开始提前下降而节约飞行器运行成本。在这种情况下，通过使用适当的ATCo界面(诸如图形/用户界面)，空中交通管制人员可以选择由DST推荐的可能轨迹中的一条(可能包括提前下降)并向延迟飞行器转发这一请求。这样，人仍可以作出决定来改变飞行器的轨迹，但DST通过计算和推荐可包括一条或多条提前下降轨迹的更为节省成本的解决方案来促进更好的操作效率。一旦下降轨迹请求已由延迟飞行器记录(“飞行员检查”)并实施(“4DT”)，空中交通管制系统便可遵守所述请求继续监视飞行器轨迹。如果必要并且可能，空中交通管制系统可以将ETA更新至存储在数据存储队列中的每个飞行器的计量方位。如图2中所示，进度管理系统可以被实施来参照起始和最终调度地平线(schedulinghorizon)进行工作。起始调度地平线是空间地平线，是每个飞行器进入给定空域(例如，在到达机场的约200海里(370.4km)内的空域)的位置。ATM系统监视飞行器的位置并且一旦飞行器进入起始调度地平线，即被触发。最终调度地平线(也称为STA冻结地平线)是由特定到达时间计量方位限定。STA冻结地平线可在未来定义为小于或等于(例如)二十分钟的飞行器计量方位ETA。一旦飞行器穿过STA冻结地平线，它的STA保持不变，进度管理系统得以触发，并使任何满足时间机动飞行被上行传输至飞行器以执行由进度管理系统的DST设计的替代轨迹之一。在图1中示意性地表示延迟飞行器的提前下降轨迹的基本轮廓，其证明飞行器开始下降(例如，在空转或接近空转推力设置下)比在标准轨迹中要早得多。通过在飞行路径中早得多地开始缓慢下降，承受时间延迟并且在优选实施例中，消耗较少燃料。飞行器可以继续下降到指定计量方位位置或下降到中间较低高度，从而允许飞行器以较慢的速度飞行以便承受飞行延迟并且消耗较少燃料。在必须承受空中交通的时间延迟时，图1所示类型的并且通过图2的进度管理系统变得可能的提前下降机动飞行可以提供优于飞行器轨迹的横向或速度变化的明显成本优势。产生本发明的实验评估包括对以下各项的模拟：多个波音737模型的飞行器类型、风速轮廓线和满足时间目标，包括产生了图3中用曲线图表示的时间延迟数据以及图4中绘制的预测燃料成本的模拟。图3中的曲线图表示为承受某个时间延迟所需的高度变化程度之间的关系，在提前下降机动飞行中离计量方位点给定一定距离。虽然在恒风条件下燃料使用对于提前巡航下降比对于相应的路径伸展总体上更高，但观察到非恒风场的存在，因为与较高高度处的路径伸展相比，可能提供显著的燃料节约。还开发了基于费用系数的框架，所述框架可以支持最优满足时间进度管理机动飞行的基于地面的计算。在第30次数字航空电子系统会议(2011年10月16-20日)的Torres等人的“通过用户偏好驱动的轨迹管理(TrajectoryManagementDrivenbyUserPreferences)”论述这样一种框架的论述，所述论述的关于这样一种框架的教义以引用的方式并入本说明书中。操作飞行的成本可以分解成燃料成本以及其他直接和时间相关成本，包括但不限于组员工资、飞行器维护、客运和货运物流和设备贬值。本发明的优选实施例涉及从飞行器的机载FMS减去有效的操作成本。用于计算和评估操作成本的合适机制可以包括成本指数，如上文以及Torres中所论述。特定飞行器的这样的计算和评估可能位于于飞行器本身上，因为数据存储和处理所必要的硬件要求远远不及基于地面的系统的DST所要求的。待处理的信息将取决于或直接与特定飞行器相关，这与大体属于由给定空中交通管制中心监视的空中交通内的所有飞行器形成对照。所述机制随后使得所述信息可用于(下行至)空中交通管制系统及其DST。如上所述，Torres含有对基于成本系数的框架的论述，所述框架可以支持最优满足时间进度管理机动飞行的基于地面的计算，通过所述论计算响应于错过其STA的较早飞行器确定飞行器的新的成本优化的STA。总体上，就速度、横向路径变化(路径长度变化)或巡航高度的变化而言，这样一种框架涉及计算其当前计划轨迹的各种类型的变化的成本(相对于当前计划轨迹或绝对成本)的飞行器。所述巡航高度变化最有可能是巡航高度的减小以降低速度，尽管巡航高度的增加有可能是适当的，例如，如果较高高度处的强大逆风可导致整体时间延迟，所述整体时间延迟能够满足由于较早飞行器错过其STA而成为必要的飞行器的更后STA。使这个成本信息传输至地面上的DST(可能作为来自飞行器的成本系数集)。鉴于上述情况，成本信息可以用于确定特定进程改变是否为与(例如)路径伸展或另一个机动飞行相比，满足进度表的更有效的方法。这样一个进程改变的非限制性实例将为对于满足飞行器的新的STA来说最优的提前下降轨迹，特定实例为由于较早飞行器错过其STA而成为必须的更后STA。DST将飞行器提供的可用信息编译到更有用的工具中。如果TBO的一部分较早进行描述，DST产生并编译信息，通过所述信息可发生轨迹协商，并且根据所述信息，DST优选产生若干可能的替代轨迹，其中的一个或多个可以由飞行器操作员优选和/或适合现有空中交通环境的限制。DST旨在能够通过适当界面向一个或多个人用户提供所有可用的飞行数据以及优选轨迹而促进更好地使用空域并且满足航空器用户优选轨迹，所述界面允许用户基于轨迹以及潜在额外信息作出决定。通过对所管理的飞行器的STA的访问，DST可以基于预测飞行器轨迹来计算飞行器的ETA。如果飞行器的ETA早于其STA，则需要承受时间延迟。相反，如果飞行器的ETA晚于其STA，则需要使飞行器在时间上提前。基于地面的DST可考虑速度变化(单个速度指令或时间限制，如要求到达时间(RTA))、横向路径伸展或捷径和/或巡航高度变化的各种组合。由下行成本系数构成的成本面用于评估和选择飞行器的满足时间机动飞行，以及更优选地，在到达计量方位满足STA时对于飞行器看上去最有利的最佳满足时间机动飞行。鉴于上述情况，本发明实现提前巡航下降作为针对空中交通管制人员设定为可用的可行选项的一部分，从而扩大针对满足时间进度管理的选项设置。这也增大了了速度变化和路径伸展以外的可用自由度，从而允许更好地识别在拥挤空域中满足时机要求的无冲突轨迹。利用更广泛的选项设置以及用于计算与每个选项关联的成本的装置，可考虑并满足飞行器商业目的。虽然本发明已就某些实施例进行了描述，但很显然，所属领域的技术人员可以使用其他形式。相应地，应理解，本发明不限于本说明书中描述的具体实施例。因此，本发明的范围仅受随附权利要求书的限制。