基于PointMerge航路结构的繁忙终端区内进场航迹动态优化方法与流程

本发明属于繁忙终端区进场航迹优化技术领域，特别是涉及一种基于Point Merge航路结构的繁忙终端区内进场航迹动态优化方法。

背景技术：

在机场终端区内，进离场航空器的运行都比较复杂，因此一直以来航空器4D航迹优化研究都是重点。传统的终端区航迹优化方法主要基于传统的树状进场航路结构，该方法是不同航路的航空器以两两多次汇聚方式将多股交通流汇聚为一股交通流，最后通过进近管制员雷达引导方式汇聚到最后进近定位点(FAF)。这种方法的缺点是：1)需要管制员根据管制经验和对航向的敏感程度，通常通过不少于3次指令方式来调整进场航空器的航迹，因此工作负荷大。2)树状汇聚结构调整航空器的位置有限，面对大于2的位置调整，其所需的机动空间较大。3)基于树状结构的进场航迹调整，管制员采用的机动策略会产生大量的工作负荷，使得终端区的容量增加幅度非常有限。4)树状结构对于平行跑道运行的适用性非常有限，不灵活。

因此，从90年代开始，航空工业领域内的研究人员一直都在研究进港航班优化系统AMAN(Arrival manager)来辅助管制员对进港航班排序进行日常的有效管理，尤其是在恶劣天气和高强度运行环境下。目前，欧洲主要枢纽机场在用的AMAN系统有：MAESTRO，OSYRIS,4D-Planner,IBP and future SARA extension,OPTAMOS,SELEX AMAN。

AMAN系统能记录距离机场约200海里以内的所有正在飞行中的飞机，基于航迹预测、天气情况、航空器性能、飞行计划的数据对进港航班进行排序，将航空器的预计到达时间(STA)进行修正，然后将新计算获得的到达时间(CTA)以及航空器排序情况显示给管制员，从而辅助管制员对进场航班进行排序。通过该系统可以减少管制员(特别是在繁忙机场工作的管制员)的工作负荷，提高航班运行的安全和效率，减少盘旋和等候降落的飞机数量，非常有利于减少飞机废气排放、飞行噪音和空气污染。此外，借助AMAN系统，塔台、进场和航路管制部门的工作人员都可以掌握最新的飞行计划信息，大大便利了各个扇区之间的协作。在国内，我国深圳航管站也于2011年自主开发了国产AMAN系统，可提高航班正常率10％。

根据AMAN系统的功能可总结出目前终端区航迹运行优化的主要技术，其包括：一、排序优化(Optimised sequence)；二、进场航空器到达时刻分配(Metering of traffic)优化。排序优化技术是指通过调整进场航空器的着陆顺序，从而达到在有限的时间内尽量增加航空器的进场数量的目的。其依据因素主要包括：航空器之间的公平性、尾流类型、跑道容量和其他运行限制(例如每个航空器只能与临近的航空器进行位置的改变)。进场航空器到达时刻分配优化技术是指：为进场航空器分配其计算达到时刻，保证跑道的稳定、有序和有效使用，从而提高运行效率。航空器的计算到达时刻在初始规划阶段可进行动态变化，以辅助管制员掌握进场航空器的整体动态，有效采取相应的机动手段来实现航空器预计到达时刻与计算到达时刻的有效匹配；而当航空器进入最后规划阶段时，其计算到达时刻将维持固定不变。

但在现行的排序优化技术中，航空器的位置变化非常有限，仅可以和左右相邻的航空器进行变化，而且其位置的变化要求管制员采取一些机动手段来达到，例如雷达引导、航向改变、速度改变等，这些机动手段的选择与运用会给管制员带来较大的脑力工作负荷，在航班量较大的终端区一般很难实现对航空器位置的调整大于1，从而在一定程度上限制了排序优化技术的运用。

Point Merge(PM)系统是由Eurocontrol在2006年设计的一个新型航路结构，用于对进场交通流进行有效的排序和汇聚。该技术被认为是有效过渡到终端区4D航迹管理和自由飞行阶段的重要技术。传统的PM系统包括两条排序弧和一个汇聚定位点。其中排序弧由多个定位点链接而成，属于RNAV航路，两条排序弧彼此水平间隔3海里以上，垂直间隔最少300米，排序弧长度和设置位置需根据机场和空域的运行环境进行设计。航空器在两条排序弧上的飞行方向相反，保持在同一个高度，保持经济速度，但航空器之间需要保持不同的尾流间隔，例如前机尾流类型为重型，后机尾流类型为中型，或前机尾流类型为中型，后机尾流类型为重型。随后管制员会在恰当时候给航空器“直飞”指令，使其朝汇聚定位点直飞，航空器在直飞过程中会自动执行最佳的下降剖面，管制员只通过速度控制来保持航空器之间的横侧间隔。PM系统的优点是可使终端区内进场航迹更加规范，可预测程度更高，管制员工作方法得到了巨大的改善，能够面对大流量运行环境，但缺点是航空器彼此之间的间隔不一样，因此要求管制员必须持续观察其运行的动态，因此监视负荷仍较大。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于Point Merge航路结构的繁忙终端区内进场航迹动态优化方法。

为了达到上述目的，本发明提供的基于Point Merge航路结构的繁忙终端区内进场航迹动态优化方法包括按顺序进行的下列步骤：

(1)在终端区内设定两条内侧排序弧R_内和两条外侧排序弧R_外，内侧排序弧R_内和外侧排序弧R_外之间的水平投影间隔至少2海里，将进入两条内侧排序弧R_内或两条外侧排序弧R_外内的所有航空器按不同尾流类型进行垂直分类，每种类型的航空器分别占用一个高度，每两个高度层之间垂直间隔300米，并且在水平面的投影重合；

(2)将内侧排序弧R_内和外侧排序弧R_外内的航空器经过汇聚定位点M后在两条临近且处于平行状态的跑道R上着陆；

(3)设定一个具有固定时间长度和移动间隔的滑动窗，并根据终端区内航空器的飞行时间来确定滑动窗的时间长度和移动间隔，之后对进场航空器进行状态划分,然后采用智能算法对部分或全部航迹处于滑动窗内的航空器的进入终端区的时间、航空器在排序弧上的转弯时刻和航空器的飞行速度这三个运行参数进行优化，由此获得经过航迹动态优化后的各进场航空器运行策略。

在步骤3)中，所述的滑动窗的时间长度设定为1小时，移动间隔为30分钟。

在步骤3)中，所述的对进场航空器进行状态划分的方法是：将所有进场航空器划分为四类不同的状态：完成、待完成、全激活、预备；“完成”状态指航空器的航迹已被全部优化，航空器已经着陆；“待完成”指航空器的航迹还有部分没有优化，其还有部分航迹在滑动窗内；“全激活”指航空器的所有航迹都在滑动窗内；“预备”状态指航空器还没有进入时间窗内。

在步骤3)中，所述的采用智能算法对部分或全部航迹处于滑动窗内的航空器的进入终端区的时间、航空器在排序弧上的转弯时刻和航空器的飞行速度这三个运行参数进行优化，由此获得经过航迹动态优化后的各进场航空器运行策略的方法是：使用模拟退火算法作为智能算法来优化进场航空器航迹，首先设定优化目标为航空器之间的冲突总数为零；根据设定的优化目标建立目标函数，目标函数值的大小由上述三个运行参数变量共同确定，再根据进场航空器的运行要求建立含有各控制参数变量的约束条件，之后采用模拟退火算法进行处理，自动搜寻目标函数最优值，由此获得经过航迹动态优化后的各进场航空器运行策略。

本发明提供的基于Point Merge航路结构的繁忙终端区内进场航迹动态优化方法具有如下有益效果：

1、能够使进场航空器的位置调整更为灵活，从而实现更优排序策略；

2、在增加航空器位置调整灵活性的同时，尽量不大幅度增加管制员机动调整航空器进场航迹的工作负荷，使得终端空域的容量可以进一步提升，以获得更佳的排队序列，加快航空器进场效率，同时以最少的管制机动调整为代价；

3、设计适用于平行跑道的进场航路，使得进场航空器可以根据空域和机场运行环境的变化而灵活地调整着陆跑道策略。

附图说明

图1是本发明的基于Point-Merge的多层运行概念图；

图2是本发明的基于Point-Merge的平行跑道仪表独立进近运行环境下的水平拓扑图；

图3是本发明的基于滚动优化策略和智能算法的优化技术整体概念图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的基于Point Merge航路结构的繁忙终端区内进场航迹动态优化方法进行说明。

本发明提供的基于Point Merge航路结构的繁忙终端区内进场航迹动态优化方法包括按顺序进行的下列步骤：

(1)如图1所示，在终端区内设定两条内侧排序弧R_内和两条外侧排序弧R_外，内侧排序弧R_内和外侧排序弧R_外之间的水平投影间隔至少2海里，将进入两条内侧排序弧R_内或两条外侧排序弧R_外内的所有航空器按不同尾流类型进行垂直分类，每种类型的航空器分别占用一个高度，即重型、中型、轻型分别占用不同的高度，每两个高度层之间垂直间隔300米，并且在水平面的投影重合；通常内侧排序弧R_内的高度要高于外侧排序弧R_外的高度。例如可将两条内侧排序弧R_内分成2100米和2400米两个高度层，将两条外侧排序弧R_外分成1500米和1800米两个高度层；或在实际高度层数量受限的情况下将两类数量较小的航空器合并后划分到一个高度，例如，超重型航空器A380在运行中占有的比例通常很小，因此为了减少不必要的高度层浪费，可将重型和超重型的航空器划分到一个高度上。轻型航空器一般情况下在繁忙枢纽机场运行的比例也很低，同样的道理，可将其划入到比例较小的航空器类型所占的高度层上。

本步骤将不同尾流类型的进入排序弧的航空器划分到不同高度层上，可以减少管制员对排序弧上航空器间隔的监视负荷，只需通过一次控制航空器进入排序弧的时间即可持续保持航空器在排序弧上的间隔。在高度层受限的情况下，将运行比重较大的航空器和比重较小的航空器划分在不同高度层上，这样管制员仅需关注比重较小的航空器之间的间隔，对于比重较大的航空器主要控制其进入排序弧的时间即可，由此可以大幅度减少管制员的监视负荷。

(2)将内侧排序弧R_内和外侧排序弧R_外内的航空器经过汇聚定位点M后在两条临近且处于平行状态的跑道R上着陆；

针对目前国内机场基本上都是平行跑道运行模式，如图2所示，本步骤采用平行跑道独立仪表进近模式，即航空器可以在两条跑道R上独立地进近，只需考虑在同一条跑道R上前后着陆的航空器之间的前后纵向间隔，不需要考虑临近跑道上着陆的航空器之间的相关间隔。另外，如果初始跑道R着陆条件不适合，那么待着陆的航空器能够很灵活地转移到另一条跑道R着陆。

(3)如图3所示，设定一个具有固定时间长度和移动间隔的滑动窗，并根据终端区内航空器的飞行时间来确定滑动窗的时间长度和移动间隔，之后对进场航空器进行状态划分,然后采用智能算法对部分或全部航迹处于滑动窗内的航空器的进入终端区的时间、航空器在排序弧上的转弯时刻和航空器的飞行速度这三个运行参数进行优化。具体实现方法如下：

1)确定滑动窗的时间长度和移动间隔

航空器在终端区的飞行时间通常为30分钟左右，进近管制员通常会提前30分钟预先了解将要进入终端区的航空器的飞行信息。滑动窗的时间长度主要根据航空器在终端区内飞行的时间来确定，终端区内典型的航空器飞行时间为30分钟，考虑到需要对进入终端区内的航空器运行状态进行预判，因此可将滑动窗的时间长度设定为1小时，移动间隔为30分钟。

由于终端区的空域范围有限，航空器运行动态变化较大，并且需要进行高度和航向的持续改变，因此从实际运行角度看，采用滚动优化策略可以较好地适应终端区航空器动态变化的特点。具体而言，即将对长期的、静态的优化拆分成短期的、动态的优化。滑动窗确定之后，在滑动窗内部采用智能算法来实现对航空器进场航迹的控制和优化。优化后的航空器航迹能够实现无冲突自动汇聚，并且汇聚航迹规范、清晰，采用的优化策略简单、可靠，操作性强，便于管制员进行监视。

2)对进场航空器进行状态划分

根据航空器进入终端区的预计时间和不确定性，可将所有进场航空器划分为四类不同的状态：完成、待完成、全激活、预备。“完成”状态指航空器的航迹已被全部优化，航空器已经着陆；“待完成”指航空器的航迹还有部分没有优化，其还有部分航迹在滑动窗内；“全激活”指航空器的所有航迹都在滑动窗内；“预备”状态指航空器还没有进入时间窗内。

3)使用模拟退火算法优化进场航空器航迹

本发明中设定的优化目标为：航空器之间的冲突总数为零，即在航空器间保持一定时间间隔。

以各滑动窗内处于“待完成”和“全激活”状态的进场航空器为对象，对航迹进行优化。进场航空器的运行策略可由三个参数变量表示，分别为：航空器进入终端区的时间、航空器在排序弧上的转弯时刻以及航空器的飞行速度。

对于参数“进入终端区的时间”，5秒为其变化的最小尺度，可变化的范围为[－3分钟，+10分钟]。对于参数“航空器的飞行速度”，在不同飞行段使用不同的控制方法，首先调整航空器进入终端区的飞行速度，其变化最小尺度为1％，可变化的范围为[－20％，5％]；其次当航空器进入排序弧之后，根据其尾流类型分别调整到一个恒定速度，本发明中设计的重型、中型航空器的保持速度分别为230节和220节；最后当航空器通过定位汇聚点之后，重型、中型航空器的速度分别减为180节和150节，保持该速度至着陆。对参数“航空器在排序弧上的转弯时刻”的控制通过百分比控制方法，整个弧线长度为100％，最小变化量为1％。

根据设定的优化目标建立目标函数，目标函数值的大小由上述三个参数变量共同确定，再根据进场航空器的运行要求建立含有各控制参数变量的约束条件。针对此优化问题，本发明中采用模拟退火算法进行处理，自动搜寻目标函数最优值，获得经过航迹动态优化后的各进场航空器运行策略。