四维航迹预测性能模型及对民航运输的启示

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四维航迹预测性能模型及对民航运输的启示

引言

伴随民航业的迅猛发展，航空公司的规模不断扩大，机队数量不断增加。空中交通流量迅速增

长，航路拥挤、航路冲突的问题不断出现，同时空中飞机碰撞的风险也在不断增大。合理安排

飞机的起降顺序和航路选择，可以进一步提高航空运输的运行效率。通过提前预测飞机的飞行

航迹还能减少飞机飞行过程中的冲突，降低航路和终端区空域拥挤程度。

1 四维航迹的产生与发展

1.1 四维航迹的产生

八十年代，美国联邦航空管理局（FAA）为了解决由空中交通量迅速增长的问题，提出了全国

空域系统（NAS）的概念，在其中提出了飞机四维导航和制导的想法，即基于时间来监控航空

器的航迹。

四维航迹，也称 4D 航迹，是指航空器在空间中的三维位置点坐标和航空器在每个位置点相应

的过点时间所组成的一系列点的集合。四维航迹预测是指在飞机起飞前就通过飞行计划、历史

飞行数据、雷达资料、气象信息等对该架飞机的飞行航迹进行预测，并确定航迹上各个航迹点

的过点时间。在美国一般将航迹预测分为正常航迹预测、最坏状况航迹预测和概率航迹预测

[1].

1.2 四维航迹的发展

在欧洲随着民航运量的增加，航班延误、空域拥挤、航路冲突的问题也越来越明显，而且由于

欧洲各个国家的地理分布特点，以及各个国家对自己本国领空空域划分的标准不一致，使得欧

洲的空域划分琐碎。这种琐碎的空域划分不利于欧洲航空业的进一步发展壮大。于是，在 2004

年，欧盟发起了一项 SESAR 计划（Single Euro-pean Sky ATM Research），即单一欧洲天空空

中交通管理研究项目。为了达到 SESAR 的计划目标，其中一个很重要的方法就是对未来的空

中交通管理实施基于四维航迹的管理。因为，基于四维航迹的运行管理可以明显提高空域容

量，提高飞机运行和空域使用的效率。

2012 年2 月，空客公司运用一架 A320 飞机进行了全球首次利用四维航迹空中交通管理技术的

试验飞行。该项目被称作为 Initial-4D, 即初始 4D 航迹。随后在 2014 年3 月，空客公司同样用

一架 A320 飞机进行了第二次初始四维航迹飞行试验。

在20 世纪 90 年代，美国就开发了一套空管自动化系统 CTAS,该系统主要应用于在终端区空

域，对空域内航空器在未来一段时间内的航迹进行预测，从而辅助管制员实行管制工作。为了

适应民航业的快速发展以及民航运输需求量的不断增长，美国后来又提出了 NGATS 计划

（Next Generation Air Transportation System），即美国下一代空中交通运输系统。而基于四维

航迹的运行是 NGATS 里面的一个基础要求，力求通过提前预测得到精确的预计航迹，并且在

飞机实际飞行中实时监测并调整飞行航迹。

2 四维航迹预测的方法

国内外四维航迹的预测方法，主要可以分成以下几类：（1）基于卡尔曼滤波等的估计算法；

（2）基于飞机性能模型的航迹预测方法；（3）基于大圆航迹或等角航迹的航迹推测方法。

3 四维航迹预测的性能模型

飞机的性能是指：飞机的气动特性，包括升力特性、阻力特性等；飞机的重量，包括结构限重

等；发动机特性，包括发动机工作状态、耗油特性等。

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摘要：

四维航迹预测性能模型及对民航运输的启示引言伴随民航业的迅猛发展，航空公司的规模不断扩大，机队数量不断增加。空中交通流量迅速增长，航路拥挤、航路冲突的问题不断出现，同时空中飞机碰撞的风险也在不断增大。合理安排飞机的起降顺序和航路选择，可以进一步提高航空运输的运行效率。通过提前预测飞机的飞行航迹还能减少飞机飞行过程中的冲突，降低航路和终端区空域拥挤程度。1四维航迹的产生与发展1.1四维航迹的产生八十年代，美国联邦航空管理局（FAA）为了解决由空中交通量迅速增长的问题，提出了全国空域系统（NAS）的概念，在其中提出了飞机四维导航和制导的想法，即基于时间来监控航空器的航迹。四维航迹，也称4D航迹，是指...

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