基于四维航迹的终端空域进场决策支持系统研究

Currently, the congestion of terminal airspace and frequent flight delays have become a serious choke point holding back progress at civil aviation industry. And the dynamical arrival scheduling and real-time control are playing a critical role in air traffic management field. In view of such mentioned practical dilemma and research hotspot, this project will focus on arrival decision support through the analysis, prediction and optimization of 4D trajectory. .This project intends to analyze the cause of the flight delays and its propagation mechanism, and identify the prevalent air traffic flow and air traffic control based on the trajectory clustering. Then, a new on-time scheduling algorithm will be designed through the 4D trajectory prediction and dynamical arrival scheduling. Taking the scheduled landing time as the target, 4D trajectory optimization is realized by using optimal control theory, which solves the problem of the real-time scheduling of the arrival flights. Such efforts will provide theoretical and technical foundation for the arrival decision support of the terminal airspace. Based on the above-mentioned theory research, this project intends to develop a terminal arrival decision support prototype system with independent intellectual property rights, which is expected to improve the operational efficiency and guarantee the punctuality of the flights..

目前，终端空域拥堵、航班延误频发等问题严重影响我国民航事业发展，而进场动态调度与实时管控日益成为空中交通管理研究领域的重点。针对上述现实困境与研究热点，本课题基于四维航迹分析、预测与优化，开展进场决策支持的研究。.课题拟采用时空轨迹聚类方法，探讨延误产生原因及传播机理，研究交通流识别与管制策略辨识技术；在此基础上，通过对四维航迹预测与航空器进场动态调度的研究，设计新型在线调度算法；将调度优化的降落时刻作为目标，采用最优控制理论实现四维航迹优化，解决进场航空器实时管控问题。以上述研究作为基础，为终端空域进场决策支持提供理论与技术支撑，并研发具有自主知识产权的终端空域进场决策支持原型系统，以期实现提高运行效率，保障航班正点的目的。

目前，终端空域拥堵、航班延误频发等问题严重影响我国民航事业发展，而进场动态调度与实时管控日益成为空中交通管理研究领域的重点。针对上述现实困境与研究热点，本课题基于四维航迹分析、预测与优化，开展进场决策支持的研究。.(1).针对航空器四维轨迹预测的实时性与准确性，提出了基于航空器性能数据以及航空器意图的航迹预测方法。通过统计分析航空器雷达轨迹构建航空器意图模型，并联合气象因素，基于航空器性能数据设计四维航迹预测模型。.(2).提出一种状态相关模态切换的混合估计算法。该算法不仅解决了标准交互式多模型算法似然函数为零均值高斯函数假设的缺陷，而且基于实时状态更新模态转移矩阵，使得飞行模态估计更为准确，从而提高飞行轨迹预测的精度。.(3).通过基于时间触发的滑动时间窗实现了进场航班的动态排序。在精确四维航迹预测的基础上，结合实际中管制运行约束，采用分支定界法对时间窗内航班进行优化排序与调度。.(4).构建了进场航班排序模型，针对进场航班排序模型，提出了进场航班排序的复合分派规则，设计了进场航班排序的启发式算法；.(5).提出了基于历史雷达轨迹分析的四维航迹规划方法：首先利用动态时间规整与层次聚类算法对进场历史雷达轨迹进行聚类分析，完成水平路径设计；其次对进场历史雷达数据统计分析，确定各进场航路点的高度／速度范围，完成高度剖面设计；最后通过对参数优化调整完成所需速度剖面的设计。.(6).提出了水平轨迹与高度/速度剖面分阶段设计的四维航迹规划方法。首先，基于动态时间规整与层次聚类方法实现历史雷达轨迹聚类分析，完成水平轨迹设计。然后，建立速度剖面规划模型，精细化控制进场时间，以满足计划到达时间要求。.上述研究为终端空域进场决策支持提供理论与技术支撑，并研发了具有自主知识产权的终端空域进场决策支持原型系统，达到了实现提高运行效率，保障航班正点的目的。