CN112669651B - 一种基于飞行动态情报中eet值修正预测过点时间的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于飞行动态情报中EET值修正预测过点时间的方法，属于航班飞行轨迹预测处理技术领域。步骤1：根据飞行计划航路信息、空域基础数据和气象报文信息，获得飞机四维预测航迹信息；步骤2：根据飞机四维预测航迹信息，获取过各情报区边界点的预测过点信息；步骤3：接收飞行动态报文，并解析飞行动态报文中的预计飞越各情报区的EET时间，建立动态结构体数组；步骤4：基于动态结构体数组中的EET时间对航路点过点时间进行修正计算，获取最终的航班过点时间。本发明有效利用了飞行动态情报中的EET值，对基于四维航迹预测获得的预计过点时间进行了修正，提高了航迹推测的精确度。

Description

一种基于飞行动态情报中EET值修正预测过点时间的方法

技术领域

本发明涉及航班飞行轨迹预测处理技术领域，尤其涉及一种基于飞行动态情报中EET值修正预测过点时间的方法。

背景技术

随着民航事业的快速发展，航空飞行数量与日俱增，空域资源的有限与交通流量不断增加之间的矛盾日渐突出，使得航空器间产生飞行冲突的可能性大大增加，这无疑加重了管制员的工作负荷。为促进民航业健康发展，必须加快建设管制员辅助决策工具，推进技术进步，完善民航空管的自动化与智能化运行机制。

目前正在建设的典型空中交通管理辅助决策工具，例如协同决策***、流量管理***、进离港排序***等，其核心内容是通过航空器四维航迹预测算法提前掌握飞机预计飞越或到达情报区或终端区的时间，尽早探测出各个不同架次的飞行轨迹之间可能存在的冲突，以便管制员提前做出规划和决策，从而达到平滑交通流，增加空中交通通过量，保障空中交通安全和提高空中交通效率的目的。因此，获取高精度的航迹预测结果，包括过点位置和过点时间，是空管科技领域的一个核心问题，也是当前各个航空发达国家与地区争相研究的一项关键性技术。

各空管***中关于航路点预测过点时间的计算方法主要有：1、依靠计划中的航路点、巡航高度、速度等信息进行四维航迹推算获取；2、在飞机起飞之后，利用飞行中获取的航班实时位置、时间等信息对四维航迹预测结果进行修正获取；3、基于大数据技术的轨迹预测算法，通过挖掘航班历史飞行特性，匹配历史航迹中相似度最高的航迹数据获取等。这些方法考虑有飞机的飞行性能、气象预测条件以及历史管制经验等信息，取得了一定的预测效果。然而飞机航迹预测是一个涉及多种因素的复杂问题，要想实现航班的精准预测仍然非常困难。特别是对于航班实时动态信息，例如实时的管制规划、空域状态、气象变化等，由于当前的技术手段以及信息交互的局限性等原因，尚不能完全掌握。而飞行动态情报是空中交通管理部门在其掌握的较为全面的交通信息的基础上进行更新发布的，其中的EET字段由空中交通管理部门在当前的飞行交通环境信息以及即将进行的空域管制规划的基础上进行综合计算得到，反映了空中交通管理部门对管制移交的限制要求和交通调整策略信息，在上述几种现有方法中却未得到有效利用。因此，在现有方法获取航路点预测过点时间的基础上，增加飞行动态情报中的EET字段修正过程，可进一步提高预测时间准确性。

另一方面，国内现有的空中交通管理协同决策***，均为区域性管理***，在全国流量管理***等跨越多个情报区的辅助决策***研发中，面临同时接收多个情报区的EET值的情况，也需要设计利用多个报文EET值修正预计过点时间的方案。

发明内容

为了解决现有技术中的未充分利用飞行动态情报中包含的EET字段，对过点时间的预测精度仍需提高的问题，本发明在已有的四维航迹和实时修正计算结果的基础上，利用最新收到的飞行动态报文中的一个或多个飞行动态情报中的EET值，对基于航班四维航迹获得的预测过点时间进行优化，进一步提高预测准确性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于飞行动态情报中EET值修正预测过点时间的方法，包括以下步骤：

步骤1：根据飞行计划航路点信息、空域基础数据和气象报文信息，获得飞机四维预测航迹信息；

步骤2：根据飞机四维预测航迹信息，获取过各情报区边界点的预测过点信息；

步骤3：接收飞行动态报文，并解析飞行动态报文中的预计飞越各情报区的EET时间，建立动态结构体数组；

步骤4：基于动态结构体数组中的EET时间对航路点过点时间进行修正计算，获取最终的航班过点时间，包括以下步骤：

4.1)飞机起飞后，根据飞机四维预测航迹依次得到随飞行时间变化的预测报告点及其所在的情报区名称，将预测报告点对应的情报区名称与动态结构体数组中的情报区名称进行依次匹配，匹配得到的报告点作为进入第一情报区的起始点，并将其作为修正截止点，将匹配得到的第一情报区EET时间作为截止时间；

4.2)将匹配动态结构体数组得到的前一个情报区名称对应的报告点作为修正开始点，将前一情报区EET时间作为开始时间；若第一情报区的前一个情报区匹配不到，说明飞机在第一情报区内起飞或前面的情报区均没有EET值，将飞机起飞点作为修正开始点，将飞机起飞时间作为开始时间；

4.3)将飞行动态报文中的EET时间差作为所述的修正截止点与开始点对应的新的时间差，将所述的修正截止点的预测过点时间与修正开始点的预测过点时间作为飞机四维预测时间差，利用两个时间差计算修正系数，将修正开始点至修正截止点中的每一个点与上一点之间的过点时间差乘以修正系数，得到点与点之间新的时间差，并根据新的时间差计算对应的修正后的过点时间；

4.4)重复步骤4.1)至步骤4.3)，直至动态结构体数组中每一个情报区内的报告点过点时间修正完毕。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1)本发明通过飞行计划航路点信息、空域基础数据和气象报文信息，建立了飞机水平方向和垂直方向的运动模型，并结合气象报文中的高空风信息对速度进行修正，能够得到较准确的飞机空间坐标和过点时间的四维预测航迹信息。

2)本发明充分利用了飞机动态情报数据，飞机动态情报是在飞机即将起飞的较短时间段或者已经起飞之后获得，表征了空中交通管理部门的管理规划、飞行经验以及环境等综合信息。本发明通过解析飞机动态情报中的EET值，将EET值作为提高四维航迹预测结果准确性的重要补充，该方法利用了飞行动态情报信息更新及时，准确性高的特点，在原始计划航路信息存在偏差或错误的情况下，有效改善过点时间预测准确性，为冲突探测和空中交通流量管控提供了重要参考。

3)本发明通过建立动态结构体数组能够同时将接收到的多个情报区的EET情况进行存储，对已经预测到的航迹信息基于一个或多个飞行动态情报中的EET值依次进行修正。按照本发明中的方法，可保证每个EET的时间值均获得修正，且前后序列的EET值修正结果保持一致；因此，本发明不受每次更新的情报区到达时间个数限制，支持一个和多个预计飞越情报区时间的综合修正并有效考虑了航班飞行经过的情报区先后顺序，为全国性协同决策***的功能实现提供了有效的技术支撑。

4)本发明通过耦合四维航迹推算结果和飞行动态情报信息，提高了航迹预测过点时间的准确性，该方法简单实用，可以为新一代空中交通***的冲突探测与解脱、进离场排序、空中交通流量预测、容量评估等关键技术提供基础保障。

附图说明

图1是内切转弯示意图；

图2是飞机标准爬升剖面图；

图3是飞机受力情况示意图；

图4是本实施例采用的角度和法示意图；

图5是EET修正预测过点时间流程图。

具体实施方式

结合技术方案和附图，给出本发明的具体实施方式。

本发明的关键点是利用飞行动态情报中的EET值，对基于四维航迹预测获得的预计过点时间进行修正，进一步提高航迹过点时间预测准确性。主要包括以下步骤：

步骤1：根据飞行计划航路点信息、空域基础数据和气象报文信息，获得飞机四维预测航迹信息；本发明所述的空域基础数据包括进离场程序、空域地理信息等。

步骤2：根据飞机四维预测航迹信息，获取过各情报区边界点的预测过点信息；

步骤3：接收飞行动态报文，并解析飞行动态报文中的预计飞越各情报区的EET时间，建立动态结构体数组；

步骤4：基于动态结构体数组中的EET时间对航路点过点时间进行修正计算，获取最终的航班过点时间。

在本发明的一项具体实施中，对步骤1进行详细介绍。

1.1)建立飞机水平方向的运动模型，包括直线运动模型和转弯运动模型；根据飞机水平方向的运动模型合成从起始点位置至结束点位置的二维水平飞行轨迹；

所述的直线运动模型直接采用两航路点间连线得到，根据距离与航路点位置坐标获取水平航迹上各点坐标和对应的航程。

所述的转弯运动模型的建立方法如下：

飞机转弯前后两个直航段的航向表示为：

式中，ψ₂表示飞机转弯前的直航段的航向，(x_P1,y_P1)表示该直航段上的航路点坐标；ψ₃表示飞机转弯后的直航段的航向，(x_P3,y_P3)表示该直航段上的航路点坐标；(x_P2,y_P2)是飞机转弯前后两个直航段的延长线交点坐标。

根据两个直航段的航向，得到飞机的转弯角度Δψ、方向SIGN及转弯半径R：

SIGN＝SGN[(y_P3-y_P2)cosψ₂-(y_P3-y_P2)sinψ₂)

其中，SGN(Δ)函数取值为：当Δ>0时，SGN(Δ)＝1，右转；当Δ＝0时，SGN(Δ)＝0,直线；当Δ<0时，SGN(Δ)＝-1，左转。V_Gs表示地速，g为重力加速度，

为转弯倾斜角。

根据转弯角Δψ和R，得到飞机转弯前的直航段上的转弯开始点、转弯结束点坐标、转弯航程、以及在转弯前直航段上的飞行距离。

1.2)建立飞机垂直方向的运动模型，根据飞机垂直方向的运动模型获得速度和高度信息；将飞机作为质点建立受力模型，表示为：

式中：m为航空器质量；V_Tas为真空速；T为推力；D为阻力；g为重力加速度；γ为航空器的爬升/下降角。

上升下降率为：

其中，h为高度信息，

为能量分配系数，可以转化为马赫数的函数f(M)，表示按照选定的速度进行爬升时，用于爬升的推力与用于加速的推力的比值；

T表示推力，D表示阻力，V_Tas表示真空速，m表示航空器质量，g表示重力加速度，γ表示航空器的爬升/下降角。

按照已知的飞机类型、航段类别及标准飞行程序，求解航程、高度及速度变化情况，得到垂直方向上的速度和高度信息，利用气象报文中的高空风信息对速度进行修正。

1.3)将飞机水平方向的运动模型和飞机垂直方向的运动模型的计算结果进行耦合，建立沿着二维水平飞行轨迹的速度剖面和高度剖面，得到飞机空间坐标和过点时间的四维预测航迹信息。

在本发明的一项具体实施中，对步骤2进行详细介绍。

2.1)根据四维预测航迹信息中各航迹点的地理坐标，获取所在情报区的名称；

2.2)情报区初步筛选：

针对航迹点(lat,lon,h)和情报区(A1,A2,A3,A4,h_low,h_high)，其中lat为航迹点经度，lon为航迹点纬度，h为航迹点高度；A1(lat1，lon1)、A2(lat2，lon2)、A3(lat3，lon3)、A4(lat4，lon4)为情报区顶点，lat i、lon i是第i个顶点的经度和纬度，h_low和h_high为情报区高度上界和下界；

首先，根据航迹点高度信息，查找获取在高度范围内的情报区；

之后，由情报区经纬度的最大值和最小值构成矩形边界，判断航迹点是否在矩形边界内，初筛获取到情报区集。

2.3)情报区精确计算：

对航迹点和初筛获取到的情报区进行投影，得到投影直角坐标系，其中航迹点在直角坐标系中表示为P(x,y,h)，初筛后的情报区表示为B(B1,B2,B3,B4,hB_low,hB_high)；其中B1坐标为(x1,y1,h1)，B2坐标为(x2,y2,h2)，B3坐标为(x3,y3,h3)，B4坐标为(x4,y4,h4)，投影直角坐标中的(x,y,h)分别表示横坐标、纵坐标和高度坐标。

采用角度和法，计算航迹点是否在对应的情报区内，计算方法为：

根据各点坐标依次计算∠B1PB2、∠B2PB3、∠B3PB4、∠B4PB1之和，其中各角度值以顺时针为正，逆时针为负；

若各角度之和为360度，则航迹点在对应的情报区内，否则，航迹点不在对应的情报区内。

2.4)边界点计算：

当两个相邻航迹点P1和航迹点P2的情报区名称不一致时，说明存在进入新情报区的边界点，则计算P1P2航段与P2所在情报区的各边之间的交点，得到各情报区边界点的预测过点坐标和过点时间。

在本发明的一项具体实施中，对步骤3进行详细介绍。

根据接收到的飞行动态报文的电报格式，解析获取报文中的EET字段的值；

根据到达各情报区的EET的值建立动态结构体数组EET_FIR[]，动态结构体数组EET_FIR[]中包含预计从起飞到进入该情报区的时间EET_FIR[].time、以及情报区名称EET_FIR[].name；其中EET_FIR[n]表示动态结构体数组中对应的第n+1个情报区的信息，n是大于等于0的整数。

在本发明的一项具体实施中，对步骤4进行详细介绍。

4.1)飞机起飞之后，根据飞机四维预测航迹依次得到随飞行时间变化的预测报告点point[]及其所在情报区的名称fir_name[]；

4.2)令i＝0；

4.3)令j＝0；

获取预测报告点point[j]及其所在情报区的名称fir_name[j]；

将fir_name[j]与EET_FIR[i].name进行匹配，i表示当前匹配的情报区，0≤i≤动态结构体数组中的情报区总数；若匹配不成功，则j++，直至匹配成功；

将匹配得到的EET_FIR[i].name作为第一情报区，报告点point[j]为进入第一情报区的起始点，将第一情报区对应的EET_FIR[i].time的值记为截止时间time_last，将point[j]记为修正截止点point[n_last]，将修正截止点point[n_last]的预测过点时间记为point[n_last].eto。

4.4)从n_last-1开始，逐个查找前面的报告点是否也有对应的EET值相匹配；

若找到了距离point[j]最近的对应有EET值的报告点，则将匹配得到的该情报区作为第二情报区，将第二情报区对应的EET_FIR[].time的值记为开始时间time_begin；查找预测进入第二情报区的报告点point[m]，将point[m]记为修正开始点point[n_begin]，将修正开始点point[n_begin]的预测过点时间记为point[n_begin].eto；

若没有找到，说明飞机在第一情报区内起飞或前面的情报区均没有EET值，则将point[0]记为修正开始点point[n_begin]，将起飞点的零时刻记为开始时间，即time_begin＝0。

4.5)将所述的截止时间与开始时间对应的差值作为飞行动态报文中的EET时间差，将所述的修正截止点的预测过点时间与修正开始点的预测过点时间作为飞机四维预测时间差，计算修正系数，将修正开始点至修正截止点中的每一个过点时间乘以修正系数，得到第一情报区之前的修正后的过点时间；

根据飞机四维预测航迹获取飞机预计进入第二情报区的时间、以及飞机预计进入第一情报区的时间，得到预测时间差deltaT_old＝point[n_last].eto-point[n_begin].eto；

将飞行动态报文中的EET时间差作为所述的修正截止点与修正开始点对应的差值deltaT_new＝time_last-time_begin；

计算修正系数k＝deltaT_new/deltaT_old；

将point[n_begin]至point[n_last]之间的每一个预测报告点与下一点之间的的过点时间差乘以修正系数k，得到情报区EET_FIR[i].name内的各报告点与下一点修正后的过点时间差，从而计算出所有报告点新的过点时间。

4.6)令i++，重复步骤4.3)至步骤4.5)，直至动态结构体数组EET_FIR[]中每一个情报区内的报告点过点时间修正完毕。

实施例

下面给出本发明的一个完整实施例。

S1.导入ATC***所用基础情报数据(包括航路、航线和机场等)，并对基础数据进行更新和补充，要覆盖主要航路航线，重点机场，区管的扇区划设等内容，充分满足航路拆分的数据要求。

S2.对同期的GRIB气象预报数据，解析并入库，为航迹预测提供必要的气象预报信息。

S3.利用从欧控获得的BADA飞行器性能数据文件，解析并完成数据入库，为航迹预测提供必要的飞行器性能信息。

S4.获取四维预测航迹。

以飞机性能模型为例，首先是合成从起始点位置和航向至结束点位置和航向的二维水平飞行轨迹，然后研究沿着已知水平轨迹的速度剖面和高度剖面，从而实现4D航迹仿真计算。

(1)水平飞行轨迹解算时，考虑飞机通常是直线从一个航路点飞行另一航路点，然后在这一航路点或该点的附近转弯并跟踪新的航向，接着又将直线飞行。因此，飞机水平方向的运动主要包括直线运动模型和转弯运动模型。

针对转弯运动，本实施例采用内切转弯模型。

如图1所示，转弯半径

为转弯倾斜角。对于起飞阶段，一般取值15度左右。飞机从p1点以航向直飞p2点，在P点发生转弯，转弯半径R，在Q点截获新航向。已知p1、p2、p3点经纬度坐标，由坐标转换得到直角坐标分别为(x_P1,y_P1)、(x_P2,y_P2)、(x_P3,y_P3)。

飞机的航向方程详见具体实施方式中的上述描述，此处不再赘述。根据两个直航段的航向，可得飞机的转弯角度。根据转弯角Δψ和R，可以进而求得转弯起始点P与两个直航段的焦点P2之间的距离C₂，从而得到直线段上的飞行距离D2、D3，转弯航程以及转弯开始点P、结束点Q坐标位置等。针对直线运动模型，则采用两报告点间连线或者转弯点(P、Q)和航路点直线连线得到，根据距离和端点位置坐标获取水平航迹上各点坐标和对应的航程。

(2)垂直剖面建模，按照飞行程序进行建模，例如性能手册中垂直剖面上的标准飞行程序定义，如图2所示：A段：从起飞离地爬升到1 500英尺，表速达到250海里/时；B段：从1500英尺保持等表速250海里/时爬升到10 000英尺；C段：从10 000英尺高度平飞加速到爬升度；D段：从10 000英尺等表速爬升到转换高度；E段：从转换高度以上采用等M爬升方式爬升到爬升顶点，到达巡航高度。

整个爬升过程中，飞行员均可以保持3个飞行性能参数为常量。

飞机被看作一个质点来建模，受力如图3所示，作用在飞机上的合外力作的功等于飞机的动能和势能增量，表示如下；

式中：m为航空器质量；V_Tas为真空速；T为推力；D为阻力；g为重力加速度；γ为航空器的爬升/下降角。

上升下降率为：

其中h为高度。

为能量分配系数，可以转化为马赫数的函数f(M)，表示按照选定的速度进行爬升时，用于爬升的推力与用于加速的推力的比值。

根据飞机类型、航段类别以及标准飞行程序，在BADA数据库中获得相关性能参数，确定不同航段设置为定值的变量，并计算空气阻力和燃油流量。采用数值积分法，对不同航段的积分变量进行积分求解，求得航程(s)、高度(h)及速度(V_Tas)变化情况，具体如表1所示。

表1不同飞行段剖面特征

(3)在计算过程中，利用GRIB气象报文中的高空风信息来表征气象因素对飞机航迹预测的影响。GRIB气象报来源于WAFS(World Area Forecast System)，包括了全球区域的地面降水、地面及高空不同等压面上的风、湿等信息。根据计算需要，对GRIB格式高空风/温度数据进行解析和插值，在指定高度层内各经纬度风格点上，给出高空风大小、风向、温度等。根据预测航路位置、高度信息，调用对应的高空风数据，与计算所得真空速进行矢量运算，得到相应的地速，从而对航迹预测结果进行修正。

(4)将水平剖面计算结果和垂直剖面计算结果进行耦合。具体方法是，通过相同的航程，对应水平剖面各点水平位置以及垂直剖面上的高度、时间信息，最终获得飞机的空间坐标和过点时间四维航迹信息。

S5.根据各航迹点的地理坐标，计算所在情报区的名称。

(1)情报区初筛。

首先根据航迹点高度快速查找获取在高度范围内的扇区。例如对航迹点(lat，lon，h),lat为航迹点经度，lon为航迹点纬度，h为航迹点高度。情报区(A1,A2,A3,A4,h_low,h_high)，A1(lat1，lon1),A2(lat2，lon2),A3(lat3，lon3),A4(lat4，lon4)为情报区顶点，h_low和h_high为情报区高度上界和下界。根据h是否在h_low和h_high之间初选出可能的情报区。

之后，利用矩形边界快速查找获取可能在的情报区，提高计算效率。假设A1,A2,A3,A4经纬度最大值和最小值分别为lat_max,lat_min,lon_max,lon_min。通过判断航迹点是否在lat_max,lat_min,lon_max,lon_min四条边组成的矩形内，初筛获取可能的情报区集。

(2)情报区精确计算。为便于计算，首先对航迹点和情报区进行投影计算，获得投影直角坐标系，航迹点P(x,y,h)，情报区B(B1,B2,B3,B4,hB_low,hB_high)为初筛获得的情报区，其中B1坐标为(x1,y1,h1)，B2坐标为(x2,y2,h2)，B3坐标为(x3,y3,h3)，B4坐标为(x4,y4,h4)。

然后采用角度和法对航迹点和初筛获得的情报区集依次计算，判断航迹点是否在对应的情报区内，直到查找到情报区后退出。角度和方法如下：

如图4所示，根据各点坐标依次计算∠B1PB2,∠B2PB3,∠B3PB4,∠B4PB1。顺时针为正，逆时针为负数。若P在多边形内，则各角度和为360度(如图4(a)，角度和为360度)。否则为P在多边形外(如图4(b)，角度和为0度)。

S6.边界点计算。当两顺序航迹点P1和航迹点P2的情报区名称不一致时，说明存在进入新情报区的边界点。依次计算P1P2和P2所在情报区的各边之间的交点，计算获取边界点坐标。

S7.根据AFTN电报格式，解析获取收到的AFTN报文中的EET字段的值。

S8.将到达各情报区的EET的值放入动态结构体数组EET_FIR[]中，结构体EET_FIR[n]中包含time和name两个量，name为情报区名称，time为预计从起飞到进入该情报区的时间，下文中分别采用EET_FIR[].name表示解析AFTN电报获得的情报区名称，用EET_FIR[].time表示解析AFTN电报获得的预计从起飞到进入该情报区的时间。

S9.如图5所示给出了详细的EET修正预测过点时间流程图，利用EET修正预测过点时间时，首先初始化循环参数i＝0，初始化EET修正标志eet_amend_flag＝0。

S10.获取四维航迹预测得到的报告点point[]所在情报区名称fir_name[]。

S11.依次获取报告点所在情报区名称，并与EET_FIR中的第1个情报区的EET_FIR[].name进行匹配。当匹配成功时，即找到情报区EET_FIR[].name(情报区1)对应的报告点j，跳出循环。

S12.根据对应的EET_FIR[].time的值对time_last赋值；找到了对应的报告点，EET修正标志eet_amend_flag置为1；该情报区预计飞越时间time修正的最后点为进入该情报区的报告点j，修正的最后点n_last＝j。

S13.从j＝n_last-1开始，逐个往前查找报告点，查找前面的报告点是否也有对应的EET值相匹配。找到最近的有EET值的报告点，并记录该情报区的名称为firname_begin(情报区2)，记录飞越该情报区的时间time_begin；

由point[]中第一个点开始，查找报告点所在情报区名称，找到第一个情报区名称为firname_begin的报告点m。过点时间修正开始点n_begin＝m+1。

若没有找到，说明前面在当前情报区内起飞，则修正开始点为point[]中第一个点，n_begin＝0，time_begin＝0；

S14.由基于飞机性能模型的四维航迹预测得到的各报告点过点时间获取进入情报区2后至进入情报区1时的时间差deltaT_old，由AFTN电报中对应的两个情报区的EET时间值获取对应的时间差deltaT_new＝time_last-time_begin。根据等比例计算方法，更新n_begin至n_last的每个报告点与下一个报告点之间的时间差，从point[]中的第二个点开始，根据起飞时间和与上一个报告点之间的时间差进行累加，依次计算各报告点过点时间。

S15.若报文中有多个情报区的EET时间，则EET_FIR中第1个情报区修正完以后，继续重复S11的流程，依次用下一个情报区EET时间做修正。按照本发明中的方法，可保证每个EET的时间值均获得修正，且前后序列的EET值修正结果保持一致。

S16.所有EET修正完毕，获得最终的报告点过点时间。实现基于飞机性能和飞行情报中EET字段的航路点过点时间预测。

计算案例：以从厦门高崎机场(ZSAM)飞往汉中机场(ZSHZ)的某航班为例，对应的航路点名称和经纬度信息如下表1所示，计划巡航高度10400m，速度835km/h。采用文中所述步骤1和步骤2，获取报告点过点时间为表中第四列所示(082000表示起飞时间8:20:00，依此类推)，并得到在边界点1处进入武汉情报区(ZHWH)，在边界点2处进入兰州情报区(ZLHW)。收到AFTN电报后，采用步骤3，解析报文中字段：EET/ZHWH0116ZLHW0155，表示进入武汉情报区(ZHWH)的时间为起飞后1小时16分钟，进入兰州情报区(ZLHW)的时间为ZLHW 1小时55分钟。采用步骤4，得到经EET字段修正后的预测过点时间如表中最后一列所示。

表1计算示例

效果验证：为验证本专利所述方法的有效性，采用统计学方法，对2020年1月某日进入华北情报区的1980个航班进行了统计分析，将使用飞行计划报文中EET字段时长进行修正获得的进入华北情报区(ZBPE)边界点的预测过点时间以及未进行EET修正的进入华北情报区边界点的预测过点时间与历史统计获得的实际进入华北情报区对应边界点的过点时间进行对比，得到误差情况如下表2所示，可以看出，按上述方法利用飞行动态情报中的EET值进行修正后，预测过点时间更加准确。

表2进入边界点时间与历史统计值对比情况

综上，本发明在航班四维航迹预测的基础上，利用空中交通情报部门发送的飞行动态情报中反映当前管制规划、环境、飞行经验等信息的预计经过总时间(EET)字段，通过航迹点情报区判断，匹配对应的EET时间，同时考虑情报区顺序，在收到一个或多个情报区EET时均可实现对预测过点时间的修正，大大提高航班到达和飞越时刻预测准确度，这在现有技术中均未报道，也均未给出启示。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (10)

1.一种基于飞行动态情报中EET值修正预测过点时间的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据飞行计划航路信息、空域基础数据和气象报文信息，获得飞机四维预测航迹信息；

步骤2：根据飞机四维预测航迹信息，获取过各情报区边界点的预测过点信息；

步骤3：接收飞行动态报文，并解析飞行动态报文中的预计飞越各情报区的EET时间，建立动态结构体数组；

步骤4：基于动态结构体数组中的EET时间对航路点过点时间进行修正计算，获取最终的航班过点时间，包括以下步骤：

4.1)根据飞机四维预测航迹依次得到随飞行时间变化的预测报告点及其所在的情报区名称，将预测报告点对应的情报区名称与动态结构体数组中的情报区名称进行依次匹配，匹配得到的报告点作为进入第一情报区的起始点，并将其作为修正截止点，将匹配得到的第一情报区EET时间作为截止时间；

4.2)将匹配动态结构体数组得到的前一个情报区名称对应的报告点作为修正开始点，将前一情报区EET时间作为开始时间；若第一情报区的前一个情报区匹配不到，说明飞机在第一情报区内起飞或前面的情报区均没有EET值，将飞机起飞点作为修正开始点，将飞机起飞时间作为开始时间；

4.3)将飞行动态报文中的EET时间差作为所述的修正截止点与开始点对应的新的时间差，将所述的修正截止点的预测过点时间与修正开始点的预测过点时间作为飞机四维预测时间差，计算修正系数，将修正开始点至修正截止点中的每一个点与上一点之间的过点时间差乘以修正系数，得到点与点间新的时间差，并计算第一情报区之前的修正后的过点时间；

4.4)重复步骤4.1)至步骤4.3)，直至动态结构体数组中每一个情报区内的报告点过点时间修正完毕。

2.根据权利要求1所述的一种基于飞行动态情报中EET值修正预测过点时间的方法，其特征在于，所述的步骤1具体为：

1.1)建立飞机水平方向的运动模型，包括直线运动模型和转弯运动模型；根据飞机水平方向的运动模型合成从起始点位置至结束点位置的二维水平飞行轨迹；

1.2)建立飞机垂直方向的运动模型，根据飞机垂直方向的运动模型获得速度和高度信息；

1.3)将飞机水平方向的运动模型和飞机垂直方向的运动模型的计算结果进行耦合，建立沿着二维水平飞行轨迹的速度剖面和高度剖面，得到飞机空间坐标和过点时间的四维预测航迹信息。

3.根据权利要求2所述的一种基于飞行动态情报中EET值修正预测过点时间的方法，其特征在于，所述的步骤1.1)中，所述的直线运动模型直接采用两航路点间连线得到，根据距离与航路点位置坐标获取水平航迹上各点坐标和对应的航程；

所述的转弯运动模型的建立方法如下：

飞机转弯前后两个直航段的航向表示为：

式中，ψ₂表示飞机转弯前的直航段的航向，(x_P1,y_P1)表示该直航段上的航路点坐标；ψ₃表示飞机转弯后的直航段的航向，(x_P3,y_P3)表示该直航段上的航路点坐标；(x_P2,y_P2)是飞机转弯前后两个直航段的延长线交点坐标；

根据两个直航段的航向，得到飞机的转弯角度Δψ、方向SIGN及转弯半径R：

SIGN＝SGN[(y_P3-y_P2)cosψ₂-(y_P3-y_P2)sinψ₂)

其中，SGN(Δ)函数取值为：当Δ>0时，SGN(Δ)＝1，右转；当Δ＝0时，SGN(Δ)＝0,直线；当Δ<0时，SGN(Δ)＝-1，左转；V_Gs表示地速，g表示重力加速度，

表示转弯倾斜角；

根据转弯角Δψ和转弯半径R，得到飞机转弯前的直航段上的转弯开始点、转弯结束点坐标、转弯航程、以及在转弯前直航段上的飞行距离。

4.根据权利要求2所述的一种基于飞行动态情报中EET值修正预测过点时间的方法，其特征在于，所述的步骤1.2)中，建立飞机垂直方向的运动模型时，将飞机作为质点建立受力模型，表示为：

式中：m为航空器质量；V_Tas为真空速；T为推力；D为阻力；g为重力加速度；γ为航空器的爬升/下降角；

上升下降率为：

其中，h为高度信息，

为能量分配系数，可以转化为马赫数的函数f(M)，表示按照选定的速度进行爬升时，用于爬升的推力与用于加速的推力的比值；T表示推力，D表示阻力，V_Tas表示真空速，m表示航空器质量，g表示重力加速度，γ表示航空器的爬升/下降角；

按照已知的飞机类型、航段类别及标准飞行程序，求解航程、高度及速度变化情况，得到垂直方向上的速度和高度信息。

5.根据权利要求4所述的一种基于飞行动态情报中EET值修正预测过点时间的方法，其特征在于，利用气象报文中的高空风信息对速度进行修正。

6.根据权利要求1所述的一种基于飞行动态情报中EET值修正预测过点时间的方法，其特征在于，所述的步骤2具体为：

2.1)根据四维预测航迹信息中各航迹点的地理坐标，获取所在情报区的名称；

2.2)情报区初步筛选：

针对航迹点(lat,lon,h)和情报区(A1,A2,A3,A4,h_low,h_high)，其中lat为航迹点经度，lon为航迹点纬度，h为航迹点高度；A1(lat1，lon1)、A2(lat2，lon2)、A3(lat3，lon3)、A4(lat4，lon4)为情报区顶点，lat i、lon i是第i个顶点的经度和纬度，h_low和h_high为情报区高度上界和下界；

首先，根据航迹点高度信息，查找获取在高度范围内的情报区；

之后，由情报区经纬度的最大值和最小值构成矩形边界，判断航迹点是否在矩形边界内，初筛获取到情报区集；

2.3)情报区精确计算：

对航迹点和初筛获取到的情报区进行投影，得到投影直角坐标系，其中航迹点在直角坐标系中表示为P(x,y,h)，初筛后的情报区表示为B(B1,B2,B3,B4,hB_low,hB_high)；其中B1坐标为(x1,y1,h1)，B2坐标为(x2,y2,h2)，B3坐标为(x3,y3,h3)，B4坐标为(x4,y4,h4)，投影直角坐标中的(x,y,h)分别表示横坐标、纵坐标和高度坐标；

采用角度和法，计算航迹点是否在对应的情报区内，计算方法为：

根据各点坐标依次计算∠B1PB2、∠B2PB3、∠B3PB4、∠B4PB1之和，其中各角度值以顺时针为正，逆时针为负；

若各角度之和为360度，则航迹点在对应的情报区内，否则，航迹点不在对应的情报区内；

2.4)边界点计算：

当两个相邻航迹点P1和航迹点P2的情报区名称不一致时，说明存在进入新情报区的边界点，则计算P1P2航段与P2所在情报区的各边之间的交点，得到各情报区边界点的预测过点坐标和过点时间。

7.根据权利要求1所述的一种基于飞行动态情报中EET值修正预测过点时间的方法，其特征在于，所述的步骤3具体为：

根据接收到的飞行动态报文的电报格式，解析获取报文中的EET字段的值；

根据到达各情报区的EET的值建立动态结构体数组EET_FIR[]，动态结构体数组EET_FIR[]中包含预计从起飞到进入该情报区的时间EET_FIR[].time、以及情报区名称EET_FIR[].name；其中EET_FIR[n]表示动态结构体数组中对应的第n+1个情报区的信息，n是大于等于0的整数。

8.根据权利要求1所述的一种基于飞行动态情报中EET值修正预测过点时间的方法，其特征在于，所述的步骤4.1具体为：

4.1.1)飞机起飞之后，根据飞机四维预测航迹依次得到随飞行时间变化的预测报告点point[]及其所在情报区的名称fir_name[]；

4.1.2)令j＝0；

获取预测报告点point[j]及其所在情报区的名称fir_name[j]；

将fir_name[j]与EET_FIR[i].name进行匹配，i表示当前匹配的情报区，0≤i≤动态结构体数组中的情报区总数；若匹配不成功，则j++，直至匹配成功；

将匹配得到的EET_FIR[i].name作为第一情报区，报告点point[j]为进入第一情报区的起始点，将第一情报区对应的EET_FIR[i].time的值记为截止时间time_last，将point[j]记为修正截止点point[n_last]，将修正截止点point[n_last]的预测过点时间记为point[n_last].eto。

9.根据权利要求8所述的一种基于飞行动态情报中EET值修正预测过点时间的方法，其特征在于，所述的步骤4.2)具体为：

从n_last-1开始，逐个查找前面的报告点是否也有对应的EET值相匹配；

若找到了距离point[j]最近的对应有EET值的报告点，则将匹配得到的该情报区作为第二情报区，将第二情报区对应的EET_FIR[].time的值记为开始时间time_begin；查找预测进入第二情报区的报告点point[m]，将point[m+1]记为修正开始点point[n_begin]，将修正开始点point[n_begin]的预测过点时间记为point[n_begin].eto；

若没有找到，说明飞机在第一情报区内起飞或前面的情报区均没有EET值，则将point[0]记为修正开始点point[n_begin]，将起飞点的零时刻记为开始时间，即time_begin＝0。

10.根据权利要求9所述的一种基于飞行动态情报中EET值修正预测过点时间的方法，其特征在于，所述的步骤4.3)具体为：

4.3)将飞行动态报文中的EET时间差作为所述的修正截止点与开始点对应的新的时间差，将所述的修正截止点的预测过点时间与修正开始点的预测过点时间作为飞机四维预测时间差，计算修正系数，将修正开始点至修正截止点中的每一个点与上一点之间的过点时间差乘以修正系数，得到点与点间新的时间差，并根据点与点之间新的时间差计算第一情报区之前的修正后的过点时间；

根据飞机四维预测航迹获取飞机预计进入第二情报区的时间、以及飞机预计进入第一情报区的时间，得到预测时间差deltaT_old＝point[n_last].eto-point[n_begin].eto；

将飞行动态报文中的EET时间差作为所述的修正截止点与开始点对应的新的时间差值deltaT_new＝time_last-time_begin；

计算修正系数k＝deltaT_new/deltaT_old；

将point[n_begin]至point[n_last]之间的每一个预测报告点到下一个预测报告点之间的过点时间差deltaT乘以修正系数k，得到新的报告点之间的过点时间差，并利用新的过点时间差计算获得所有预测报告点修正后的过点时间。

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