民用航空飞机四维航迹的预测研究

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民用航空飞机四维航迹的预测研究

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：

民用航空飞机四维航迹的预测研究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...

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