基于所需到达时间限制的四维轨迹速度调节方法及装置与流程

本发明涉及空中交通管理技术、飞行管理技术领域，特别涉及一种基于所需到达时间限制的四维轨迹速度调节方法及装置。

背景技术：

随着空域的日益紧张，空中交通流量的逐渐增加，基于轨迹的运行成为下一代空中交通管理的发展方向。它要求先进的飞行管理系统能够根据空中交通管制给出的飞行计划预测出飞机的四维轨迹，要求飞机沿轨迹飞行并在特定的时间到达特定点。

因此，在空中交通管制给出了所需到达时间限制的情况下，飞行管理系统需要对四维轨迹的速度剖面进行优化，使四维轨迹能够满足各飞行计划航路点所需到达时间的要求。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种基于所需到达时间限制的四维轨迹速度调节方法，该方法对多点所需到达时间限制进行有效的处理，使轨迹能够满足各航路点所需到达时间的要求。

本发明的另一个目的在于提出一种基于所需到达时间限制的四维轨迹速度调节装置。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种基于所需到达时间限制的四维轨迹速度调节方法，包括以下步骤：步骤s1：根据空管给出的水平飞行计划，在不考虑所需到达时间限制的情况下，利用初始垂直剖面构建初始四维轨迹；步骤s2：从起飞机场开始按顺序读取一个带所需到达时间限制的飞行计划航路点wpti；步骤s3：根据预测轨迹判断所述飞行计划航路点wpti的预计到达时间eta是否满足所需到达时间rta的误差限制；步骤s4：如果不满足所述误差限制时，则计算所述飞行计划航路点wpti的预计到达时间及其一阶、二阶导数，以得到速度调整参数sap；步骤s5：根据所述速度调整参数sap以上一个带所需到达时间限制的航路点wpti-1为起始点调整垂直剖面上的速度限制值，并重新进行轨迹预测，返回所述步骤s3；步骤s6：如满足所述误差限制时，则判断所述飞行计划航路点wpti是否为最后一个航路点，且如果为所述最后一个航路点，则结束，否则将i+1，并返回所述步骤s2。

本发明实施例的基于所需到达时间限制的四维轨迹速度调节方法，通过数值计算的方法，引入速度调整参数，并结合空管给出的飞行计划和飞管预测出的四维轨迹，调整飞机的速度剖面，从而对多点所需到达时间限制进行有效的处理，使轨迹能够满足各航路点所需到达时间的要求。

另外，根据本发明上述实施例的基于所需到达时间限制的四维轨迹速度调节方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，巡航区航路点的所需到达时间误差在10s以内，且终端区航路点的所需到达时间误差在6s以内。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述步骤s4，进一步包括：引入所述速度调整参数sap，以计算从所述上一个带所需到达时间限制的飞行计划航路点wpti-1开始的每个预测轨迹点目标地速。

进一步地，在本发明的一个实施例中，预计到达时间一阶和二阶导数为：

其中，sj为两预测轨迹点间的水平距离，vg,j为每个预测轨迹点目标地速。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述速度调整参数sap的求解式为：

其中，etai为预计到达时间，rtai为所需到达时间。

为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种基于所需到达时间限制的四维轨迹速度调节装置，包括：构建模块，用于根据空管给出的水平飞行计划，在不考虑所需到达时间限制的情况下，利用初始垂直剖面构建初始四维轨迹；读取模块，用于从起飞机场开始按顺序读取一个带所需到达时间限制的飞行计划航路点wpti；第一判断模块，用于根据预测轨迹判断所述飞行计划航路点wpti的预计到达时间eta是否满足所需到达时间rta的误差限制；计算模块，用于在不满足所述误差限制时，计算所述飞行计划航路点wpti的预计到达时间及其一阶、二阶导数，以得到速度调整参数sap；调整模块，用于根据所述速度调整参数sap以上一个带所需到达时间限制的航路点wpti-1为起始点调整垂直剖面上的速度限制值，并重新进行轨迹预测，并返回所述第一判断模块；第二判断模块，用于在足所述误差限制时，判断所述飞行计划航路点wpti是否为最后一个航路点，且如果为所述最后一个航路点，则结束，否则将i+1，并返回所述读取模块。

本发明实施例的基于所需到达时间限制的四维轨迹速度调节装置，通过数值计算的方法，引入速度调整参数，并结合空管给出的飞行计划和飞管预测出的四维轨迹，调整飞机的速度剖面，从而对多点所需到达时间限制进行有效的处理，使轨迹能够满足各航路点所需到达时间的要求。

另外，根据本发明上述实施例的基于所需到达时间限制的四维轨迹速度调节装置还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，巡航区航路点的所需到达时间误差在10s以内，且终端区航路点的所需到达时间误差在6s以内。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述计算模块进一步用于引入所述速度调整参数sap，以计算从所述上一个带所需到达时间限制的飞行计划航路点wpti-1开始的每个预测轨迹点目标地速。

进一步地，在本发明的一个实施例中，预计到达时间一阶和二阶导数为：

其中，sj为两预测轨迹点间的水平距离，vg,j为每个预测轨迹点目标地速。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述速度调整参数sap的求解式为：

其中，etai为预计到达时间，rtai为所需到达时间。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的基于所需到达时间限制的四维轨迹速度调节方法的流程图；

图2为根据本发明一个具体实施例的基于所需到达时间限制的四维轨迹速度调节方法的流程图；

图3为根据本发明一个实施例的基于所需到达时间限制的四维轨迹速度调节装置的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于所需到达时间限制的四维轨迹速度调节方法及装置，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的基于所需到达时间限制的四维轨迹速度调节方法。

图1是本发明一个实施例的基于所需到达时间限制的四维轨迹速度调节方法的流程图。

如图1所示，该基于所需到达时间限制的四维轨迹速度调节方法包括以下步骤：

步骤s1：根据空管给出的水平飞行计划，在不考虑所需到达时间限制的情况下，利用初始垂直剖面构建初始四维轨迹。

可以理解的是，如图2所示，首先，本发明实施例获取初始预测轨迹。下面对水平飞行计划、垂直剖面和四维轨迹进行详细阐述。

(1)水平飞行计划：水平飞行计划由空管给出，由导航数据库中定义的飞行航段和航路点构成，包括终端区程序的23种类型航段以及航路区两航路点之间的连线。水平飞行计划中的每一航段信息包括该段起点、终点、转弯中心点坐标，转弯方向等。

(2)垂直飞行计划/垂直剖面：垂直飞行计划结合飞机性能和空管要求，为一系列点构成的速度/高度计划表，包括点的速度高度限制、控制模式等。

(3)四维轨迹：根据水平飞行计划和垂直飞行计划积分得到的预测轨迹，轨迹各点信息包括该点位置、速度、高度、燃油流量、质量、控制模式、到达时间等高维信息，四维轨迹在水平方向能够投影为一条平滑连接的轨迹，使水平飞行计划的各航段之间进行平滑的过渡连接。由于积分步长很小，一条水平飞行计划航段能够由多个预测轨迹点组成，因此预测出的四维轨迹点个数远远大于飞行计划点个数，计算出的轨迹精度较高。

步骤s2：从起飞机场开始按顺序读取一个带所需到达时间限制的飞行计划航路点wpti。

步骤s3：根据预测轨迹判断飞行计划航路点wpti的预计到达时间eta是否满足所需到达时间rta的误差限制。

在本发明的一个实施例中，巡航区航路点的所需到达时间误差在10s以内，且终端区航路点的所需到达时间误差在6s以内。

可以理解的是，本发明实施例根据预测轨迹，得到该航路点的预计到达时间，判断此航路点的预计到达时间eta是否满足所需到达时间rta的误差限制，一般情况下，巡航区航路点的所需到达时间误差需要在10s以内，终端区航路点的所需到达时间误差需要在6s以内。

步骤s4：如果不满足误差限制时，则计算飞行计划航路点wpti的预计到达时间及其一阶、二阶导数，以得到速度调整参数sap。

在本发明的一个实施例中，步骤s4，进一步包括：引入速度调整参数sap，以计算从上一个带所需到达时间限制的飞行计划航路点wpti-1开始的每个预测轨迹点目标地速。

具体而言，引入速度调整参数sap，计算从上一个带所需到达时间限制的飞行计划航路点wpti-1开始的每个预测轨迹点目标地速：

vg,j＝vg0,j×(1+sap×gainj)

其中，vg0,j为预测轨迹点的初始地速，gain根据飞行阶段、速度单位的不同可以取不同值，速度可以从爬升校正空速、爬升马赫数、巡航马赫数、下降马赫数、下降校正空速等等中取。

得到该飞行计划航路点的预计到达时间为：

其中，sj为两预测轨迹点间的水平距离。

进一步地，在本发明的一个实施例中，预计到达时间一阶和二阶导数为：

其中，sj为两预测轨迹点间的水平距离，vg,j为每个预测轨迹点目标地速。

在本发明的一个实施例中，速度调整参数sap的求解式为：

其中，etai为预计到达时间，rtai为所需到达时间。

具体而言，预计到达时间一阶和二阶导数为：

根据eta对sap的泰勒展开求解出所需的sap值，sap求解式为：

sap的求解式为二元一次方程，可能出现无解的情况，此种情况出现原因可能为此航段距离太小，无法调节到需要的速度，此时应该给出告警提示。

步骤s5：根据速度调整参数sap以上一个带所需到达时间限制的航路点wpti-1为起始点调整垂直剖面上的速度限制值，并重新进行轨迹预测，返回步骤s3。

步骤s6：如满足误差限制时，则判断飞行计划航路点wpti是否为最后一个航路点，且如果为最后一个航路点，则结束，否则将i+1，并返回步骤s2。

根据以上步骤，则可完成全轨迹的速度调整。

综上，本发明实施例的特点在于结合飞行计划与预测轨迹，在飞行计划航路点所需到达时间限制的条件下，以预测轨迹计算速度调整参数，通过数值计算的方法逐步逼近航路点所需到达时间限制，在调整垂直速度剖面的同时多次进行轨迹预测，使预测出的四维轨迹拥有较高的精度。

根据本发明实施例提出的基于所需到达时间限制的四维轨迹速度调节方法，通过数值计算的方法，引入速度调整参数，并结合空管给出的飞行计划和飞管预测出的四维轨迹，调整飞机的速度剖面，从而对多点所需到达时间限制进行有效的处理，使轨迹能够满足各航路点所需到达时间的要求。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的基于所需到达时间限制的四维轨迹速度调节装置。

图3是本发明一个实施例的基于所需到达时间限制的四维轨迹速度调节装置

如图3所示，该基于所需到达时间限制的四维轨迹速度调节装置10包括：构建模块100、读取模块200、第一判断模块300、计算模块400、调整模块500和第二判断模块600。

其中，构建模块100用于根据空管给出的水平飞行计划，在不考虑所需到达时间限制的情况下，利用初始垂直剖面构建初始四维轨迹。读取模块200用于从起飞机场开始按顺序读取一个带所需到达时间限制的飞行计划航路点wpti。第一判断模块300用于根据预测轨迹判断飞行计划航路点wpti的预计到达时间eta是否满足所需到达时间rta的误差限制。计算模块400用于在不满足误差限制时，计算飞行计划航路点wpti的预计到达时间及其一阶、二阶导数，以得到速度调整参数sap。调整模块500用于根据速度调整参数sap以上一个带所需到达时间限制的航路点wpti-1为起始点调整垂直剖面上的速度限制值，并重新进行轨迹预测，并返回第一判断模块300。第二判断模块600用于在足误差限制时，判断飞行计划航路点wpti是否为最后一个航路点，且如果为最后一个航路点，则结束，否则将i+1，并返回读取模块200。本发明实施例的装置10可以对多点所需到达时间限制进行有效的处理，使轨迹能够满足各航路点所需到达时间的要求。

进一步地，在本发明的一个实施例中，巡航区航路点的所需到达时间误差在10s以内，且终端区航路点的所需到达时间误差在6s以内。

进一步地，在本发明的一个实施例中，计算模块400进一步用于引入速度调整参数sap，以计算从上一个带所需到达时间限制的飞行计划航路点wpti-1开始的每个预测轨迹点目标地速。

进一步地，在本发明的一个实施例中，预计到达时间一阶和二阶导数为：

其中，sj为两预测轨迹点间的水平距离，vg,j为每个预测轨迹点目标地速。

进一步地，在本发明的一个实施例中，速度调整参数sap的求解式为：

其中，etai为预计到达时间，rtai为所需到达时间。

需要说明的是，前述对基于所需到达时间限制的四维轨迹速度调节方法实施例的解释说明也适用于该实施例的基于所需到达时间限制的四维轨迹速度调节装置，此处不再赘述。

根据本发明实施例提出的基于所需到达时间限制的四维轨迹速度调节装置，通过数值计算的方法，引入速度调整参数，并结合空管给出的飞行计划和飞管预测出的四维轨迹，调整飞机的速度剖面，从而对多点所需到达时间限制进行有效的处理，使轨迹能够满足各航路点所需到达时间的要求。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。