4D航迹的概述与环境要素

4D航迹的概述与环境要素

顾斌

民航湖南空管分局湖南长沙410137

摘要:本文主要研究了飞机从起飞到着陆的过程中完成四维飞行对于航路设备环境的要求。本文对四维飞行航迹的由来、四维飞行剖面的相关概念作了简要的介绍。4D航迹可以很好的解决目前我国所面临的空中交通拥堵问题，4D航迹是未来我国民用航空导航方法的主要发展方向。本文所做的工作是为实现空中交通流量管理系统做准备的。

关键词:区域导航四维飞行GPS导航

引言

近年来航空业有了突飞猛进的发展，但是航空事故也在不断发生，为了提高飞行的安全性和经济性，优化飞机的飞行管理系统是很有必要的，飞行性能数据的计算是飞行管理系统的一部分，了解飞机的飞行性能数据的计算才能实时的知道飞机的飞行状态，这样可以节省大量的燃油消耗，并且可以按照空中交通管制规定的时间精确的到达指定地点。这样不仅可有效地缓和机场空域的拥挤，提高机场吞吐能力，而且能大大减轻飞行员和ATC管制人员的工作负荷。

在空中交通管理环境方面，目前所用的空中交通管理(ATC)系统都是靠雷达监测空中的交通情况，由机场调度员来控制和管理飞机的进场和着陆。该系统被称为战术控制系统，它只在机场上空的终端区内通过调整飞机间的相互位置来控制飞机的进近和着陆。随着空运事业的迅速发展，空中交通日益繁忙和拥挤，该战术系统所存在的许多问题和缺陷也愈加突出。为此，Boeing公司在七十年代便提出了一种战略控制方案.其基本思想为:扩展对飞机进行交通管制的范围，当其还远离机场,甚或刚刚起飞时，就为其制定一个4D飞行计划，使其在整个飞行中沿优化飞行剖面，按预计的时间表到达中途点或终端机场，用时间间隔来调整其进场和着陆次序。这样，就可使ATC人员能从全局出发，在较大范围(或整个空域)内调度飞机的飞行。该战略控制方案迅速得到了美国以及欧洲各国的大力支持。美国交通部(DOT)在七十年代中期提出的先进空中交通管理系统(AATMS)的研究计划中，即定义了一种用于解决90年代空中交通问题的ATC系统，其主要特色即是采用了战略控制思想。

4D航迹的原理

?4D航迹：4D航迹是一种基于四维的从当前位置到结束位置连续的对于飞机飞行轨迹的精确描述。（在4D航迹上的每一个点都精确的与时间关联。）

?3D航迹：3D航迹是一种基于三维的从当前位置到结束位置连续的对于飞机飞行轨迹的精确描述。（在3D航迹中任何一个点都没有与时间关联。）

?3?D航迹：3?D航迹是指3D连续航迹中一个活着多个点与要求抵达时间的结合。

航迹的使用是为了给飞机提供间隔。间隔包括为飞机的资源使用排序，为航空器间提供时间间隔。只有4D航迹才能为飞机提供冲突预防。即使是最简单的冲突预防也需要和时间关联，3D航迹对飞机之间的冲突预防贡献不大，洋区飞行尤其突出。总而言之在3D航迹系统里航空器与航空器之间并没有冲突预防的功能，他们所处的安全空域内同时还可能有其他航空器出现。这样就会导致可用空域资源的利用效率大量的减少。

本文主要研究的对象是要实现4D航迹所必须具备的航路设备环境，分为比较先进的GPS设备和传统的DME、VOR设备等，以及机载的FMS系统几部分来进行讨论。

4D航迹的研究

对于空中交通管理的软件开发工作，世界各国己经取得了相当多的成果，其中最突出的是美国FAA和NASA在九十年代联合开发并已投入使用的中央塔康台自动化系统CTAS。这套软件的主要功能是针对航空器进场次序及着陆时间研发的，其核心模块即为航班的4D飞行轨迹合成。比利时的BARCO公司，则研制开发了以FPL,ATC规则、气象数据以及航空器的飞行性能为基础进行航迹预测的04D轨迹预测软件。从1995年起，法国的EEC(EurocontrolExperimentCentre)中心开始开发BADA飞机性能数据库，并且仍在不断的更新中，到目前为止共包括295架不同型号的飞行的性能数据，如:飞机质量、飞行包线、发动机推力、空气阻力和燃油流量等，所有数据都是根据飞行手册、运行手册来确定的。BADA最主要的用途是用于ATM系统中的飞行轨迹仿真和预测。现在4D轨迹优化、4D导航、制导以及4D飞行管理技术已经研究的比较成熟，而且在机场终端区空中交通管理方面得到了广泛的应用，并取得了很大的成功。目前人们正在积极研究4D技术在未来空中交通管理领域更广阔的应用。

近年来随着国外各种型号大型先进民航客机的引进和使用，遇到对综合飞行控制系统、飞行管理系统等先进机载电子控制设备的使用与维护等问题，加之我国在近期内也将大力发展国产先进的干线民航客机，从而也迫切需要从原理和技术上对飞行管理这类系统进行研究和探讨。1991年，南京航空航天大学的张旗等对四维飞行性能管理中下降进场技术进行了研究与仿真。1993年，南京航空航天大学的吴树范、郭锁凤研究了飞机纵向飞行剖面的解算与综合。1996年，北京航空航天大学的王大海对先进飞行管理系统中最优飞行剖面与4D导航进行了研究。2000年，北京航空航天大学的曾宏威研究了终端区流量管理中的轨迹综合算法，用于下降咨询的过程综合法。2001年，南京航空航天大学的胡小兵对下降段四维飞行剖面的优化进行了研究。2002年，西北工业大学的王明光用龙格库塔积分法规划出飞机下降进近4D轨迹。

4D航迹的作用

四维飞行轨迹预测的主要目的在于保证飞行安全、维护空中交通秩序和加速空中交通流量，同时也可以提高时间、空间资源和各种设备的利用率和工作人员的工作效率。

具体包含以下几个方面:

(1)显示四维飞行剖面:通过计算航班按给定航线飞行的飞行剖面实时获得航班的时间与空间和飞行位置信息。根据航班的飞行时间，模拟航班的飞行过程，得到航班的四维飞行剖面，有利于管制员对某一时段空中交通流量的管制。

(2)预计航班起飞/到达时间:根据计算得到的航班飞行时间，可计算出航班预计到达时间。通过对该航班到达时可前后某一时间段内的航班队列进行优化排序，确定出该航班是否能够加入到到达航班队列，确定航班的预计起飞到达时间。这有利于民航总局和各个航空公司合理制定航班时刻表和加班航班的飞行计划。

(3)速度和高度咨询:根据计算得到的飞行剖面，确定终端区内各个SID节点处的高度和速度限制，为管制员的工作提供了参考依据，减轻了管制员的负担。并且对于相同型号相同飞行计划的航班在终端区内的飞行给出了标准限制。

(4)下降点咨询:根据计算得到的飞行剖面，确定出合理的下降点，减轻了管制员和飞行员的负担，提高了空中交通管理的自动化程度。

(5)冲突探测:航迹预测可以预测出航班飞行过程中经过指定点的高度、速度、航向、时间。可以提前预测到各种潜在的飞行冲突，来帮助管制员提前采取相应的间隔调配措施，避免出现飞行冲突和危急情况。

(6)自由飞行:飞行员只有根据实时提供的周围航班的4-D飞行剖面，在此基础上才能在管制和相关飞行规则下，自由选择本机的飞行航线和飞行速度:另外准确的航迹预测是所有空中交通管理系统开发的基础，如:中、长期冲突探测、航班到场管理系统、“欧洲猫”空管系统等。

4D航迹的环境要素

4D航迹根据其特点对于航路环境的导航设备要求分为平面导航，垂直导航，时间同步几个要素。要达到这几个要素的设备要求，又分为先进的GNSS与传统的航路导航设备几种，在以下几个章节具体介绍分别满足4D航迹的几种航路设备方案。

结论

全世界的航空都处于一个担负了来自大众和政府降低对环境影响所带来的高度压力的新时期。所以正确的能够贯彻4D空中交通管理系统的概念的提出显得尤为重要。要满足4D区域导航的航路设备要求可以有多种方案，比较先进的GPS系统和传统的DME/VOR,惯导等搭配上时统系统都可以满足4D区域导航的航路设备环境要求。要完善4D航迹的设备环境还有许多方面需要研究与完善，今后应该尽可能的进一步提高个别设备的精度以及把各个部分结合成一个统一的系统整体。