CN102509475A - 基于4d航迹运行的空中交通管制***及方法 - Google Patents

基于4d航迹运行的空中交通管制***及方法 Download PDF

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CN102509475A CN201110327792XA CN201110327792A CN102509475A CN 102509475 A CN102509475 A CN 102509475A CN 201110327792X A CN201110327792X A CN 201110327792XA CN 201110327792 A CN201110327792 A CN 201110327792A CN 102509475 A CN102509475 A CN 102509475A
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Abstract

本发明公开了一种基于4D航迹运行的空中交通管制***。本发明的空中交通管制***包括数据通信模块、监视数据融合模块、机载终端模块、管制终端模块，其中监视数据融合模块用于实现空管雷达监视数据与自动相关监视数据的融合，为管制终端模块提供实时航迹信息；管制终端模块包括飞行前无冲突4D航迹生成、飞行中短期4D航迹生成、实时飞行冲突监控与告警、飞行冲突解脱4D航迹优化这四个子模块。本发明还公开了一种使用上述***的空中交通管制方法，依靠管制终端模块，处理飞行计划数据并生成4D航迹，实现空域交通状况潜在的交通冲突的分析，以及提供最优解脱方案。本发明可有效防止飞行冲突，提高空中交通的安全性。

Description

基于4D航迹运行的空中交通管制***及方法
技术领域
本发明涉及一种空中交通管制***及方法，尤其涉及一种基于4D航迹运行的空中交通管制***及方法。
背景技术
随着全球航空运输业快速发展与空域资源有限矛盾的日益突出，在空中交通流密集的复杂空域，仍然采用飞行计划结合间隔调配的空中交通管理方式逐渐显示出其落后性，具体表现在：（1）飞行计划并未为航空器配置精确的空管间隔，容易造成交通流战术管理中的拥挤，降低空域安全性；（2）以飞行计划为中心的空管自动化***对飞行剖面的推算和航迹预测精度差，造成冲突化解能力差；（3）空中交通管制工作仍然侧重于保持单个航空器之间的安全间隔，很难上升到对交通流进行战略性管理。
 4D 航迹是以空间和时间形式，对某一航空器航迹中的各点空间位置（经度、纬度和高度）和时间的精确描述，基于航迹的运行是指在4D 航迹的航路点上使用“控制到达时间”，即控制航空器通过特定航路点的“时间窗”。在高密度空域把基于4D航迹的运行（Trajectory  based Operation）作为基本运行机制之一，是未来对大流量、高密度、小间隔条件下空域实施管理的一种有效手段，可以显著地减少航空器航迹的不确定性，提高空域和机场资源的安全性与利用率。
基于航迹运行的空中交通运行方式需要在战略层面上对单航空器飞行航迹进行推算和优化，对多航空器构成的交通流实施协同和调整；在预战术层面上通过修正交通流中个别航空器的航迹以解决拥塞问题，并保证该交通流中所有航空器的运行效率；而在战术层面上预测冲突和优化解脱方案，将航空器间隔管理从固定的人工方式转变为考虑航空器性能、管制规则和环境等因素在内的可变的间隔控制方式，因此面向4D航迹的运行对空中交通管制提出了新的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种基于4D航迹运行的空中交通管制***及方法，可有效防止飞行冲突，提高空中交通的安全性。
本发明的基于4D航迹运行的空中交通管制***，包括数据通信模块、机载终端模块、管制终端模块，该空中交通管制***还包括监视数据融合模块，用于实现空管雷达监视数据与自动相关监视数据的融合，为管制终端模块提供实时航迹信息；
所述管制终端模块包括以下子模块：
飞行前无冲突4D航迹生成模块，根据飞行计划和世界区域预报***的预报数据，建立航空器动力学模型，然后依据飞行冲突耦合点建立航迹冲突预调配理论模型，生成航空器无冲突4D航迹；
飞行中短期4D航迹生成模块，依据监视数据融合模块提供的实时航迹信息，利用航空器运动学模型，推测未来一定时间窗内的航空器4D轨迹；
实时飞行冲突监控与告警模块，用于建立从航空器的连续动态到离散冲突逻辑的观测器，将空中交通***的连续动态映射为离散观测值表达的冲突状态；当***有可能出现违反空中交通管制规则时，对空中交通混杂***的混杂动态行为实施监控，为管制员提供及时的告警信息；
飞行冲突解脱4D航迹优化模块，在保证使得***满足航空器性能和管制规则约束条件下，通过选择不同的解脱目标函数，采用最优控制理论方法，计算航空器冲突解脱4D航迹；并通过数据通信模块将航空器冲突解脱4D航迹发送给机载终端模块执行。
本发明的基于4D航迹运行的空中交通管制方法，利用上述空中交通管制***进行空中交通管制，具体包括以下步骤：
步骤A、飞行前无冲突4D航迹生成模块根据飞行计划和世界区域预报***的预报数据，建立航空器动力学模型，并依据飞行冲突耦合点建立航迹冲突预调配理论模型，生成航空器无冲突4D航迹；
步骤B、监视数据融合模块将空管雷达监视数据与自动相关监视（ADS-B）数据进行融合，生成航空器实时航迹信息并提供给管制终端模块；管制终端模块中的飞行中短期4D航迹生成模块依据航空器实时航迹信息推测未来一定时间窗内的航空器4D轨迹；
步骤C、实时飞行冲突监控与告警模块建立从航空器的连续动态到离散冲突逻辑的观测器，将空中交通***的连续动态映射为离散观测值表达的冲突状态；当***有可能出现违反空中交通管制规则时，对空中交通混杂***的混杂动态行为实施监控，为管制员提供及时的告警信息；
步骤D、飞行冲突解脱4D航迹优化模块在保证使得***满足航空器性能和管制规则约束条件下，通过选择不同的解脱目标函数，采用最优控制理论方法，计算航空器冲突解脱4D航迹；并通过数据通信模块将航空器冲突解脱4D航迹发送给机载终端模块执行；
步骤E、机载终端模块接收并执行管制终端模块发布的4D航迹数据。
所述航空器无冲突4D航迹按照以下方法生成：
步骤A1、进行航空器状态转移建模，根据飞行计划中航空器的飞行高度剖面，建立单个航空器在不同航段转移的Petri网模型：                                                
Figure 201110327792X100002DEST_PATH_IMAGE001
为航空器阶段转移模型，其中
Figure 923734DEST_PATH_IMAGE002
表示飞行航段，
Figure 201110327792X100002DEST_PATH_IMAGE003
表示垂直剖面中飞行状态参数的转换点，
Figure 504888DEST_PATH_IMAGE004
和分别表示航段和航路点的前后向连接关系，
Figure 528470DEST_PATH_IMAGE006
表示航空器所处的飞行阶段；
步骤A2、建立航空器全飞行剖面混杂***模型如下，
Figure 201110327792X100002DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 195074DEST_PATH_IMAGE008
，
其中，
Figure 201110327792X100002DEST_PATH_IMAGE009
为高度，
Figure 149255DEST_PATH_IMAGE010
为地速，
Figure 201110327792X100002DEST_PATH_IMAGE011
为校正空速，为马赫数，
Figure 201110327792X100002DEST_PATH_IMAGE013
为气压高度，
Figure 767680DEST_PATH_IMAGE014
为风向预报与航路的夹角，为风速预报值，
Figure 672313DEST_PATH_IMAGE016
为温度预报值；
步骤A3、采用混杂***仿真的方式推测求解航迹：采用将时间细分的方法，利用状态连续变化的特性递推求解任意时刻航空器在某一飞行阶段距参考点的航程
Figure 201110327792X100002DEST_PATH_IMAGE017
和高度
Figure 492502DEST_PATH_IMAGE018
，其中为初始时刻航空器距参考点的航程，为时间窗的数值，
Figure 201110327792X100002DEST_PATH_IMAGE021
为时刻航空器距参考点的航程，
Figure 201110327792X100002DEST_PATH_IMAGE023
为初始时刻航空器距参考点的高度，
Figure 726933DEST_PATH_IMAGE024
为
Figure 22917DEST_PATH_IMAGE022
时刻航空器距参考点的高度；继而得到单航空器的4D航迹；
步骤A4、对多航空器耦合模型实施无冲突调配：根据两航空器预达交叉点的时间，按照空中交通管制原则，对交叉点附近不满足间隔要求的航空器4D航迹进行二次规划，得到无冲突4D航迹。
所述监视数据融合模块将空管雷达监视数据与自动相关监视数据进行融合，生成航空器实时航迹信息，具体按照以下方法：
步骤B1、将坐标单位和时间统一；
步骤B2、采用最邻近数据关联算法将属于同一个目标的点相关联，提取目标航迹；步骤B3、将分别从自动相关监视***和空管雷达提取的航迹数据从不同的时空参
考坐标***变换、对准到管制终端统一的时空参考坐标***；
步骤B4、计算两条航迹的相关系数，若相关系数小于某一预设阈值，则认为两条航迹不相关；否则该两条航迹相关，可以进行融合；
步骤B5、对相关的航迹进行融合。
优选地，步骤B5中所述对相关的航迹进行融合，采用基于采样周期的加权平均算法，其加权系数根据采样周期和信息精度确定，再利用加权平均算法将相关的自动相关监视航迹和空管雷达航迹融合为***航迹。
所述依据航空器实时航迹信息推测未来一定时间窗内的航空器4D轨迹，具体按照以下方法：
步骤B6、对施加不同管制指令后的航空器运行状况进行建模，包括：(a)升降模型，设航空器爬升梯度为
Figure 201110327792X100002DEST_PATH_IMAGE025
，爬升时的水平地速为
Figure 370852DEST_PATH_IMAGE026
，航向与
Figure 201110327792X100002DEST_PATH_IMAGE027
坐标轴的夹角为
Figure 907138DEST_PATH_IMAGE014
，则状态变化为：
Figure 894686DEST_PATH_IMAGE028
Figure 201110327792X100002DEST_PATH_IMAGE029
；（b）增减速模型，假设航空器初始速度为
Figure 807409DEST_PATH_IMAGE026
，加速度为
Figure 196802DEST_PATH_IMAGE030
，则航空器状态变化为：
Figure 201110327792X100002DEST_PATH_IMAGE031
；（c）偏航模型，假设航空器从原航路偏离角度为
Figure 169569DEST_PATH_IMAGE032
，但速度保持不变，则航空器状态变化为：；d）等待模型，假设选取的等效转弯率为，转弯半径为，则航空器状态变化为： ；
步骤B7、根据采样时刻
Figure 201110327792X100002DEST_PATH_IMAGE037
和时刻的航空器位置信息
Figure 201110327792X100002DEST_PATH_IMAGE039
和
Figure 622097DEST_PATH_IMAGE040
，计算
Figure 584237DEST_PATH_IMAGE038
时刻对应航空器的速度矢量
Figure 201110327792X100002DEST_PATH_IMAGE041
和航向
Figure 838763DEST_PATH_IMAGE042
；同时根据管制员之前发布的管制指令确定航空器的运行状态，包括匀速直线、直线加减速、沿行路升降、改变航向偏航飞行、在等待空域盘旋等待状态；
步骤B8、根据当前航空器状态
Figure 750218DEST_PATH_IMAGE040
，以及矢量
Figure 438688DEST_PATH_IMAGE041
和航向
Figure 638857DEST_PATH_IMAGE042
，计算经过时间后航空器的状态
Figure 201110327792X100002DEST_PATH_IMAGE043
，进而得到经过
Figure 638267DEST_PATH_IMAGE020
时间后航空器4D航迹。
优选地，所述
Figure 497639DEST_PATH_IMAGE020
为3分钟。
所述步骤C具体包括：
步骤C1、构造基于管制规则的冲突超曲面函数集：建立超曲面函数集用以反映***的冲突状况，其中，冲突超曲面中与单一航空器相关的连续函数
Figure 919524DEST_PATH_IMAGE044
为第 I型超曲面，与两架航空器相关的连续函数
Figure 201110327792X100002DEST_PATH_IMAGE045
为第II型超曲面；
步骤C2、建立由航空器连续状态至离散冲突状态的观测器；
步骤C3、设计从冲突到冲突解脱手段的离散监控器，该离散监控器可描述为函数
Figure 968383DEST_PATH_IMAGE046
，其中是观测器观测向量展成的空间，是所有决策向量
Figure 201110327792X100002DEST_PATH_IMAGE049
展成的空间；当观测器的离散观测向量表明某一非期望的状态出现时，立刻发出相应的告警，并采取相关策略对被控对象实施控制指令。
所述步骤D具体包括：
步骤D1、对飞行冲突解脱过程建模：将冲突解脱航迹视为连续的三段光滑曲线，给定解脱航迹的起点和终点，依据航迹限制条件，建立包含加速度、爬升或下降率、转弯率的多变量最优冲突解脱模型；
步骤D2、对不同飞行条件下冲突解脱变量约束建模：其中约束可描述为：
Figure 573119DEST_PATH_IMAGE050
、
Figure 201110327792X100002DEST_PATH_IMAGE051
、
Figure 606934DEST_PATH_IMAGE052
，
Figure 201110327792X100002DEST_PATH_IMAGE053
分别为最大的加速度、转弯率和爬升或下降率；
步骤D3、单目标最优解脱航迹求解：求解在单个解脱目标函数下的最优解脱航迹；
步骤D4、多目标最优解脱航迹求解：针对不同的空域运行背景，选择不同的冲突解脱目标函数，依据单目标航迹冲突解脱策略求解在不同解脱目标函数下的多目标最优解脱航迹曲线。
本发明在满足空中交通管制间隔的基础上，严格控制空域中飞行的航空器通过某些航路点的时刻。飞行前管制终端依据飞行数据处理和世界区域预报***，计算航空器的航迹。飞行中管制终端依据管制雷达或者自动相关监视***（ADS-B）给出的航空器位置、速度、航向等信息推测短期4D航迹，并依据管制相关规定，对可能出现的冲突实施告警。然后，管制终端将依据航空器性能数据、管制规定，计算航空器冲突解脱4D航迹。所有上述给出的4D航迹信息，都通过数据通信模块传递给机载计算机，由飞行管理***（FMS）或飞行员执行。
相比现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、***为航空器配置精确的空管间隔，严格控制航空器通过航路点的时间窗，降低了交通流无序性，提高了空域安全性。
2、管制***对飞行剖面的推算和航迹预测精度高，进而使得冲突化解能力和自动化水平提高，降低了管制员的工作负荷。
3、空中交通管制工作不再局限于保持单个航空器之间的安全间隔，而是从宏观上对空域内的交通流实施有效控制，管制工作可以更多的转移到航空器起飞时刻、进场排序、恶劣天气改航等方面。
4、基于不同性能指标的航空器最优解脱航迹可以显著地提高航空器运行的经济性，以及空域的利用率。
附图说明
图1为本发明的基于4D航迹运行的空中交通管制***的组成示意图；
图2为机载终端模块组成示意图；
图3为数据通信模块组成示意图；
图4为监视数据融合模块组成示意图。
图5为飞行前无冲突4D航迹生成方法流程示意图；
图6为飞行中短期4D航迹推测方法流程示意图；
图7为航空器航迹冲突监控与告警方法流程示意图；
图8为航空器解脱4D航迹优化方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
本发明的基于4D航迹运行的空中交通管制***，如图1所示，包括机载终端模块101、数据通信模块102、监视数据融合模块103、管制终端模块104。以下对各部分的具体实施方式分别进行详细描述。
1．机载终端模块
机载终端模块101是飞行员获取地面管制指令、参考4D航迹，以及输入飞行意图的界面，同时还是采集当前航空器位置数据的接口。
如图2所示，其具体实施方案如下：
机载终端模块101接收如下的信息输入：（1）ADS-B信息采集单元201通过机载GPS采集的航空器位置向量、速度向量，以及本航空器的呼号，编码后通过信息及数据传递给机载数据通信模块102；（2）航空器驾驶员需要将与地面管制指令不一致的飞行意图，通过人机输入界面，以及约定的地面管制员可以识别的形式通过信息及数据传递给机载数据通信模块102。另外机载终端模块101实现如下的信息输出：（1）通过终端显示屏幕，接收和显示飞行员可以识别的飞行管制指令；（2）接收和显示地面管制终端飞行前生成的无冲突4D航迹，以及当地面管制终端探测到冲突后计算的最优解脱4D航迹。
2．数据通信模块
数据通信模块102可实现空地双向数据通信，实现机载实时位置数据和飞行意图数据单元202的下行传输和地面管制指令单元203，以及参考4D航迹单元204的上行传输。
如图3所示，其具体实施方案如下：
下行数据通信：机载终端101通过机载二次雷达应答机将航空器识别标志和4D位置信息，以及其他附加数据，如飞行意图、飞行速度、气象等信息传输给地面二次雷达（SSR），二次雷达接收后对数据报文进行解析，并传输给中央数据处理组件301解码，通过指令航迹数据接口传输到管制终端104；上行数据通信：地面管制终端104通过指令航迹数据接口，经中央数据处理组件301编码后，地面二次雷达的询问机将将地面管制指令或参考4D航迹信息传递并显示在机载终端101。
3. 监视数据融合模块
监视数据融合模块103实现空管雷达监视与自动相关监视ADS-B数据的融合，为管制终端模块104中的飞行中短期4D航迹生成子模块和实时飞行冲突监控与告警子模块提供实时航迹信息。
如图4所示，其具体实施方案如下：
（1）在预处理阶段将坐标单位和时间统一，假设分别从ADS-B和空管雷达中提取的数据是一系列离散点的坐标（如经度、纬度、海拔高度）、各点对应采集时间；（2）采用最邻近数据关联算法将属于同一个目标的点相关联，提取目标航迹；（3）将分别从ADS-B和空管雷达中提取的航迹数据从不同的时空参考坐标***变换、对准到管制终端统一的时空参考坐标***；（4）计算两条航迹的相关系数，若相关系数小于某一预设阈值，则认为两条航迹不相关，否则该两条航迹相关，可以进行融合；（5）对相关的航迹进行融合。由于ADS-B和空管雷达的精度和采样周期不同，本***采用基于采样周期的加权平均算法，其加权系数根据采样周期和信息精度确定，再利用加权平均算法将与之相关的ADS-B航迹和空管雷达航迹融合为***航迹。
4. 管制终端模块
管制终端模块104包括飞行前无冲突4D航迹生成、飞行中短期4D航迹生成、实时飞行冲突监控与告警、飞行冲突解脱4D航迹优化这四个子模块。
 （1）飞行前无冲突4D航迹生成
根据飞行数据处理***（FDP）得到的飞行计划和世界区域预报***（WAFS）发布的风、温度的GRIB格点预报数据，对空中交通***建立层次化的混杂***模型，通过***在安全状态的演化，描述状态演化的时间轨迹，生成航空器航迹。
如图5所示，其具体实施过程如下：
首先，进行航空器状态转移建模。航空器沿航迹飞行的过程表现为在航段之间动态切换过程，根据飞行计划中航空器的飞行高度剖面，建立单个航空器在不同航段转移的Petri网模型：为航空器阶段转移模型，其中
Figure 872141DEST_PATH_IMAGE002
表示飞行航段，
Figure 886365DEST_PATH_IMAGE003
表示垂直剖面中飞行状态参数（包括空速、高度、构型）的转换点，
Figure 532110DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 594875DEST_PATH_IMAGE005
分别表示航段和航路点的前后向连接关系，
Figure 642465DEST_PATH_IMAGE006
表示航空器所处的飞行阶段。
其次，建立航空器全飞行剖面混杂***模型。航空器在单个航段内的飞行视为连续过程，依据质点能量模型，推导航空器在不同的运行阶段同气象条件下的航空器动力学方程，
Figure 765273DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 898314DEST_PATH_IMAGE008
，其中
Figure 827087DEST_PATH_IMAGE011
为校正空速，
Figure 479917DEST_PATH_IMAGE012
为马赫数，
Figure 22893DEST_PATH_IMAGE013
为气压高度，为风向预报与航路的夹角，
Figure 860847DEST_PATH_IMAGE015
为风速预报值，
Figure 617451DEST_PATH_IMAGE016
为温度预报值。
然后，采用混杂***仿真的方式推测求解航迹。采用将时间细分的方法，利用状态连续变化的特性递推求解任意时刻航空器在某一飞行阶段距参考点的航程
Figure 93780DEST_PATH_IMAGE017
和高度
Figure 201413DEST_PATH_IMAGE018
其中
Figure 409672DEST_PATH_IMAGE019
为初始时刻航空器距参考点的航程，
Figure 20782DEST_PATH_IMAGE020
为时间窗的数值，
Figure 921873DEST_PATH_IMAGE021
为
Figure 251223DEST_PATH_IMAGE022
时刻航空器距参考点的航程，
Figure 59910DEST_PATH_IMAGE023
为初始时刻航空器距参考点的高度，
Figure 541838DEST_PATH_IMAGE024
为
Figure 863098DEST_PATH_IMAGE022
时刻航空器距参考点的高度，由此可以推测得到单航空器的4D航迹。
最后，对多航空器耦合模型实施无冲突调配。根据两航空器预达交叉点的时间，按照空中交通管制原则，对交叉点附近不满足间隔要求的航空器4D航迹进行二次规划，得到无冲突4D航迹。
（2）飞行中短期4D航迹生成
依据管制雷达和自动相关监视***ADS-B实施融合后获得航空器实时航迹数据，利用航空器运动学模型，推测未来3分钟时间窗内的航空器4D轨迹。
 如图6所示，其具体实施过程如下：
首先，对施加不同管制指令后的航空器运行状况进行建模。包括：(a)升降模型，设航空器爬升梯度为
Figure 164898DEST_PATH_IMAGE025
（若
Figure 229806DEST_PATH_IMAGE054
，表示下降），爬升时的水平地速为
Figure 566240DEST_PATH_IMAGE026
，航向与
Figure 605872DEST_PATH_IMAGE027
坐标轴的夹角为
Figure 909814DEST_PATH_IMAGE014
，则状态变化为：
Figure 263566DEST_PATH_IMAGE028
；（b）增减速模型，假设航空器初始速度为
Figure 117570DEST_PATH_IMAGE026
，加速度为
Figure 643229DEST_PATH_IMAGE030
（若
Figure 201110327792X100002DEST_PATH_IMAGE055
，表示减速），则航空器状态变化为：；（c）偏航模型，假设航空器从原航路偏离角度为，但速度保持不变，则航空器状态变化为：
Figure 555449DEST_PATH_IMAGE033
；（d）等待模型，为简化计算将等待程序等效为圆形航迹，假设选取的等效转弯率为，转弯半径为
Figure 529539DEST_PATH_IMAGE035
，则航空器状态变化为：
Figure 944339DEST_PATH_IMAGE036
 。
然后，根据采样时刻
Figure 496675DEST_PATH_IMAGE037
和
Figure 747659DEST_PATH_IMAGE038
时刻的航空器位置信息
Figure 496172DEST_PATH_IMAGE039
和
Figure 504493DEST_PATH_IMAGE040
，计算
Figure 680259DEST_PATH_IMAGE038
时刻对应航空器的速度矢量
Figure 480856DEST_PATH_IMAGE041
和航向。同时根据管制员之前发布的管制指令确定航空器的运行状态，包括匀速直线、直线加减速、沿行路升降、改变航向偏航飞行、在等待空域盘旋等待状态。
最后，根据当前航空器状态，以及矢量
Figure 5006DEST_PATH_IMAGE041
和航向，计算经过
Figure 55319DEST_PATH_IMAGE020
时间后航空器的状态
Figure 299219DEST_PATH_IMAGE043
，进而得到经过时间后航空器4D航迹。
（3）实时飞行冲突监控与告警
当***有可能出现违反安全状态集的状态时，通过控制器实施状态监控，对航空器实施有效的管制措施，避免飞行冲突的发生。
 如图7所示，其具体实施过程如下：
首先，构造基于管制规则的冲突超曲面函数集。空中交通管制约束的违反都可以视为被控对象（管制空域飞行的多架航空器）构成***穿越超曲面而产生的事件，建立超曲面函数集用以反映***的冲突状况。其中，冲突超曲面中与单一航空器相关的连续函数
Figure 529660DEST_PATH_IMAGE044
为第 I型超曲面，而将与两架航空器相关的连续函数
Figure 971137DEST_PATH_IMAGE045
为第II型超曲面。
然后，建立由航空器连续状态至离散冲突状态的观测器。需要根据管制规范建立观测器，观测******穿越超曲面而产生的冲突事件，以便控制器做出相应的控制决策指令。观测器
Figure 820275DEST_PATH_IMAGE056
用于观测***中航空器位置的连续变化而产生冲突事件，称
Figure 201110327792X100002DEST_PATH_IMAGE057
为第 I型观测器，
Figure 321795DEST_PATH_IMAGE058
为第II型观测器。
最后，设计从冲突到冲突解脱手段的离散监控器。当观测器的离散观测向量表明某一非期望的状态出现时，立刻发出相应的告警，并采取相关策略对被控对象实施控制指令。该离散监控器可描述为函数
Figure 318701DEST_PATH_IMAGE046
，其中
Figure 750819DEST_PATH_IMAGE047
是观测器观测向量展成的空间，
Figure 720043DEST_PATH_IMAGE048
是所有决策向量展成的空间。
（4）飞行冲突解脱4D航迹优化
在保证使得***满足控制规范的条件下，通过选择不同的解脱目标函数，采用最优控制理论方法，使得控制器给出的控制输入能达到最优。
如图8所示，其具体实施过程如下：
首先，对飞行冲突解脱过程建模：将冲突解脱航迹视为连续的三段光滑曲线，给定解脱航迹的起点和终点，依据航迹限制条件，建立包含加速度
Figure 201110327792X100002DEST_PATH_IMAGE059
、爬升或下降率
Figure 876666DEST_PATH_IMAGE060
、转弯率
Figure 201110327792X100002DEST_PATH_IMAGE061
的多变量最优冲突解脱模型。
然后，对不同飞行条件下冲突解脱变量约束建模。由于冲突解脱变量受到航空器性能和空域的约束，约束可描述为：
Figure 722262DEST_PATH_IMAGE050
、
Figure 545993DEST_PATH_IMAGE051
、
Figure 576266DEST_PATH_IMAGE052
，分别为最大的加速度、转弯率和爬升或下降率。
其次，单目标最优解脱航迹求解。这类问题是一类奇异最优控制问题，奇异解由正常弧和奇异弧组成，依据此求解在单个解脱目标函数下的最优解脱航迹。
最后，多目标最优解脱航迹求解。针对不同的空域运行背景，选择不同的冲突解脱目标函数，依据单目标航迹冲突解脱策略求解在不同解脱目标函数下的多目标最优解脱航迹曲线
Figure 201110327792X100002DEST_PATH_IMAGE063
，其中，
Figure 201110327792X100002DEST_PATH_IMAGE065
为解脱航迹曲线上关键位置点。

Claims (9)

1.一种基于4D航迹运行的空中交通管制***，包括数据通信模块、机载终端模块、管制终端模块，其特征在于，
该空中交通管制***还包括监视数据融合模块，用于实现空管雷达监视数据与自动相关监视数据的融合，为管制终端模块提供实时航迹信息；
所述管制终端模块包括以下子模块：
飞行前无冲突4D航迹生成模块，根据飞行计划和世界区域预报***的预报数据，建立航空器动力学模型，然后依据飞行冲突耦合点建立航迹冲突预调配理论模型，生成航空器无冲突4D航迹；
飞行中短期4D航迹生成模块，依据监视数据融合模块提供的实时航迹信息，利用航空器运动学模型，推测未来一定时间窗内的航空器4D轨迹；
实时飞行冲突监控与告警模块，用于建立从航空器的连续动态到离散冲突逻辑的观测器，将空中交通***的连续动态映射为离散观测值表达的冲突状态；当***有可能出现违反空中交通管制规则时，对空中交通混杂***的混杂动态行为实施监控，为管制员提供及时的告警信息；
飞行冲突解脱4D航迹优化模块，在保证使得***满足航空器性能和管制规则约束条件下，通过选择不同的解脱目标函数，采用最优控制理论方法，计算航空器冲突解脱4D航迹；并通过数据通信模块将航空器冲突解脱4D航迹发送给机载终端模块执行。
2.一种基于4D航迹运行的空中交通管制方法，其特征在于，利用权利要求1所述空中交通管制***进行空中交通管制，具体包括以下步骤：
步骤A、飞行前无冲突4D航迹生成模块根据飞行计划和世界区域预报***的预报数据，建立航空器动力学模型，并依据飞行冲突耦合点建立航迹冲突预调配理论模型，生成航空器无冲突4D航迹；
步骤B、监视数据融合模块将空管雷达监视数据与自动相关监视数据进行融合，生成航空器实时航迹信息并提供给管制终端模块；管制终端模块中的飞行中短期4D航迹生成模块依据航空器实时航迹信息推测未来一定时间窗内的航空器4D轨迹；
步骤C、实时飞行冲突监控与告警模块建立从航空器的连续动态到离散冲突逻辑的观测器，将空中交通***的连续动态映射为离散观测值表达的冲突状态；当***有可能出现违反空中交通管制规则时，对空中交通混杂***的混杂动态行为实施监控，为管制员提供及时的告警信息；
步骤D、飞行冲突解脱4D航迹优化模块在保证使得***满足航空器性能和管制规则约束条件下，通过选择不同的解脱目标函数，采用最优控制理论方法，计算航空器冲突解脱4D航迹；并通过数据通信模块将航空器冲突解脱4D航迹发送给机载终端模块执行；
步骤E、机载终端模块接收并执行管制终端模块发布的4D航迹数据。
3.如权利要求2所述基于4D航迹运行的空中交通管制方法，其特征在于，所述航空器无冲突4D航迹按照以下方法生成：
步骤A1、进行航空器状态转移建模，根据飞行计划中航空器的飞行高度剖面，建立单个航空器在不同航段转移的Petri网模型：                                               
Figure 201110327792X100001DEST_PATH_IMAGE002
为航空器阶段转移模型，其中
Figure 201110327792X100001DEST_PATH_IMAGE004
表示飞行航段，表示垂直剖面中飞行状态参数的转换点，
Figure 201110327792X100001DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 201110327792X100001DEST_PATH_IMAGE010
分别表示航段和航路点的前后向连接关系，表示航空器所处的飞行阶段；
步骤A2、建立航空器全飞行剖面混杂***模型如下，
，
，
其中，为高度，
Figure 201110327792X100001DEST_PATH_IMAGE020
为地速，
Figure 201110327792X100001DEST_PATH_IMAGE022
为校正空速，为马赫数，
Figure 201110327792X100001DEST_PATH_IMAGE026
为气压高度，
Figure 201110327792X100001DEST_PATH_IMAGE028
为风向预报与航路的夹角，为风速预报值，
Figure 201110327792X100001DEST_PATH_IMAGE032
为温度预报值；
步骤A3、采用混杂***仿真的方式推测求解航迹：采用将时间细分的方法，利用状态连续变化的特性递推求解任意时刻航空器在某一飞行阶段距参考点的航程
Figure 201110327792X100001DEST_PATH_IMAGE034
和高度
Figure DEST_PATH_IMAGE036
，其中为初始时刻航空器距参考点的航程，
Figure DEST_PATH_IMAGE040
为时间窗的数值，为时刻航空器距参考点的航程，为初始时刻航空器距参考点的高度，
Figure DEST_PATH_IMAGE048
为
Figure 632151DEST_PATH_IMAGE044
时刻航空器距参考点的高度；继而得到单航空器的4D航迹；
步骤A4、对多航空器耦合模型实施无冲突调配：根据两航空器预达交叉点的时间，按照空中交通管制原则，对交叉点附近不满足间隔要求的航空器4D航迹进行二次规划，得到无冲突4D航迹。
4.如权利要求2所述基于4D航迹运行的空中交通管制方法，其特征在于，所述监视数据融合模块将空管雷达监视数据与自动相关监视数据进行融合，生成航空器实时航迹信息，具体按照以下方法：
步骤B1、将坐标单位和时间统一；
步骤B2、采用最邻近数据关联算法将属于同一个目标的点相关联，提取目标航迹；步骤B3、将分别从自动相关监视***和空管雷达提取的航迹数据从不同的时空参
考坐标***变换、对准到管制终端统一的时空参考坐标***；
步骤B4、计算两条航迹的相关系数，若相关系数小于某一预设阈值，则认为两条航迹不相关；否则该两条航迹相关，可以进行融合；
步骤B5、对相关的航迹进行融合。
5.如权利要求4所述基于4D航迹运行的空中交通管制方法，其特征在于，步骤B5中所述对相关的航迹进行融合，采用基于采样周期的加权平均算法，其加权系数根据采样周期和信息精度确定，再利用加权平均算法将相关的自动相关监视航迹和空管雷达航迹融合为***航迹。
6.如权利要求2所述基于4D航迹运行的空中交通管制方法，其特征在于，所述依据航空器实时航迹信息推测未来一定时间窗内的航空器4D轨迹，具体按照以下方法：
步骤B6、对施加不同管制指令后的航空器运行状况进行建模，包括：(a)升降模型，设航空器爬升梯度为
Figure DEST_PATH_IMAGE050
，爬升时的水平地速为
Figure DEST_PATH_IMAGE052
，航向与
Figure DEST_PATH_IMAGE054
坐标轴的夹角为
Figure 462966DEST_PATH_IMAGE028
，则状态变化为：
Figure DEST_PATH_IMAGE058
；（b）增减速模型，假设航空器初始速度为
Figure 599549DEST_PATH_IMAGE052
，加速度为
Figure DEST_PATH_IMAGE060
，则航空器状态变化为：
Figure DEST_PATH_IMAGE062
；（c）偏航模型，假设航空器从原航路偏离角度为
Figure DEST_PATH_IMAGE064
，但速度保持不变，则航空器状态变化为：
Figure DEST_PATH_IMAGE066
；d）等待模型，假设选取的等效转弯率为
Figure DEST_PATH_IMAGE068
，转弯半径为
Figure DEST_PATH_IMAGE070
，则航空器状态变化为：
Figure DEST_PATH_IMAGE072
 ；
步骤B7、根据采样时刻
Figure DEST_PATH_IMAGE074
和
Figure DEST_PATH_IMAGE076
时刻的航空器位置信息和
Figure DEST_PATH_IMAGE080
，计算
Figure 17497DEST_PATH_IMAGE076
时刻对应航空器的速度矢量和航向
Figure DEST_PATH_IMAGE084
；同时根据管制员之前发布的管制指令确定航空器的运行状态，包括匀速直线、直线加减速、沿行路升降、改变航向偏航飞行、在等待空域盘旋等待状态；
步骤B8、根据当前航空器状态
Figure 27172DEST_PATH_IMAGE080
，以及矢量
Figure 594551DEST_PATH_IMAGE082
和航向，计算经过时间后航空器的状态
Figure DEST_PATH_IMAGE086
，进而得到经过
Figure 35525DEST_PATH_IMAGE040
时间后航空器4D航迹。
7.如权利要求6所述基于4D航迹运行的空中交通管制方法，其特征在于，所述
Figure 73888DEST_PATH_IMAGE040
为3分钟。
8.如权利要求2所述基于4D航迹运行的空中交通管制方法，其特征在于，所述步骤C具体包括：
步骤C1、构造基于管制规则的冲突超曲面函数集：建立超曲面函数集用以反映***的冲突状况，其中，冲突超曲面中与单一航空器相关的连续函数
Figure DEST_PATH_IMAGE088
为第 I型超曲面，与两架航空器相关的连续函数
Figure DEST_PATH_IMAGE090
为第II型超曲面；
步骤C2、建立由航空器连续状态至离散冲突状态的观测器；
步骤C3、设计从冲突到冲突解脱手段的离散监控器，该离散监控器可描述为函数
Figure DEST_PATH_IMAGE092
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE094
是观测器观测向量展成的空间，
Figure DEST_PATH_IMAGE096
是所有决策向量展成的空间；当观测器的离散观测向量表明某一非期望的状态出现时，立刻发出相应的告警，并采取相关策略对被控对象实施控制指令。
9.如权利要求2所述基于4D航迹运行的空中交通管制方法，其特征在于，所述步骤D具体包括：
步骤D1、对飞行冲突解脱过程建模：将冲突解脱航迹视为连续的三段光滑曲线，给定解脱航迹的起点和终点，依据航迹限制条件，建立包含加速度、爬升或下降率、转弯率的多变量最优冲突解脱模型；
步骤D2、对不同飞行条件下冲突解脱变量约束建模：其中约束可描述为：
Figure DEST_PATH_IMAGE100
、、
Figure DEST_PATH_IMAGE104
，
Figure DEST_PATH_IMAGE106
分别为最大的加速度、转弯率和爬升或下降率；
步骤D3、单目标最优解脱航迹求解：求解在单个解脱目标函数下的最优解脱航迹；
步骤D4、多目标最优解脱航迹求解：针对不同的空域运行背景，选择不同的冲突解脱目标函数，依据单目标航迹冲突解脱策略求解在不同解脱目标函数下的多目标最优解脱航迹曲线。
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