摘 要：4D航跡預(yù)測是空管自動(dòng)化系統(tǒng)及流量管理系統(tǒng)的一項(xiàng)核心技術(shù)，能夠提高空域的利用率和安全性。本文提出了一種4D航跡預(yù)測方法，結(jié)合多數(shù)據(jù)源雷達(dá)、氣象、航班計(jì)劃、航空器性能等數(shù)據(jù)，利用飛行經(jīng)驗(yàn)樣本推測各時(shí)間點(diǎn)的航空器位置，從而得出航空器的飛行軌跡與時(shí)間的精準(zhǔn)預(yù)測。通過在華東空管流量管理系統(tǒng)及空管自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用效果，說明該方法的實(shí)用性和有效性。

　　關(guān)鍵詞：雷達(dá)數(shù)據(jù)融合;航跡預(yù)測;空管流量;空管自動(dòng)化

　　《軟件和集成電路》(月刊)創(chuàng)刊于1984年，郵發(fā)代碼：82-469。由中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院、北京中電報(bào)發(fā)展有限公司主辦的計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)刊物。

　　1 引言(Introduction)

　　隨著全球航空業(yè)的高速發(fā)展，空域資源緊張和交通流堵塞現(xiàn)象日趨明顯。為能有效地實(shí)施對高密度、小間隔、大流量條件下地空域管理，精確預(yù)測飛行器軌跡與飛行時(shí)間成為解決問題地關(guān)鍵一環(huán)。

　　本文提出了一種基于雷達(dá)數(shù)據(jù)融合的航班4D軌跡預(yù)測方法。首先采集海量雷達(dá)數(shù)據(jù)，結(jié)合航班計(jì)劃，通過時(shí)空統(tǒng)一、校正系統(tǒng)誤差、雷達(dá)航跡跟蹤和關(guān)聯(lián)等方法，獲取準(zhǔn)確的航班實(shí)時(shí)位置信息為航跡預(yù)測做數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。其次，結(jié)合航班計(jì)劃中的預(yù)計(jì)航路信息與空管飛行環(huán)境數(shù)據(jù)庫中的航路、航線基礎(chǔ)數(shù)據(jù)得出航路軌跡的2D預(yù)測。最后，根據(jù)航班性能指標(biāo)和預(yù)計(jì)航路信息計(jì)算出預(yù)測軌跡的高度信息，結(jié)合樣本飛行經(jīng)驗(yàn)值得出飛行軌跡的高度和時(shí)間，最終獲得較為精準(zhǔn)的4D航跡預(yù)測數(shù)據(jù)[1，2]。

　　2 雷達(dá)數(shù)據(jù)處理(Radar data processing)

　　雷達(dá)數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

　　(1)數(shù)據(jù)預(yù)處理

　　數(shù)據(jù)預(yù)處理包括格式轉(zhuǎn)換、飛點(diǎn)處理、坐標(biāo)變換。

　　在雷達(dá)數(shù)據(jù)處理前，需將各路雷達(dá)信號接入，并將不同格式的雷達(dá)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為同一格式，定義統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括每批目標(biāo)的二次代碼、航跡號、位置、高度、速度和航跡特性等，通過飛點(diǎn)處理將明顯錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)剔除。

　　典型的雷達(dá)數(shù)據(jù)監(jiān)測項(xiàng)目有正北/扇區(qū)連續(xù)性、雷達(dá)目標(biāo)報(bào)告必備項(xiàng)丟失和格式正確性檢查、測試目標(biāo)和模擬應(yīng)答機(jī)目標(biāo)的準(zhǔn)確性檢查等。

　　坐標(biāo)變換即數(shù)據(jù)的空間校準(zhǔn)，就是把各傳感器在不同坐標(biāo)系下的觀測數(shù)據(jù)變換到融合中心統(tǒng)一的參考坐標(biāo)系下。由于在雷達(dá)信號中以極坐標(biāo)的方式來標(biāo)示飛機(jī)的飛行位置，需要進(jìn)行地圖投影和坐標(biāo)變換[3]。

　　(2)初始化航跡

　　利用點(diǎn)跡屬性及空間位置對航跡進(jìn)行初始化，即收到三個(gè)(可配置)以上點(diǎn)跡，并且上述點(diǎn)并未與其他航跡關(guān)聯(lián)，其空間位置關(guān)系與根據(jù)其速度推算出來的位置的偏差在預(yù)設(shè)的范圍內(nèi)，則新起一批航跡。

　　(3)點(diǎn)跡關(guān)聯(lián)

　　如果接收到點(diǎn)跡數(shù)據(jù)，利用點(diǎn)跡屬性及空間位置進(jìn)行關(guān)聯(lián)形成航跡。

　　一次雷達(dá)：若無法獲得航空器的標(biāo)識信息，數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)利用位置信息進(jìn)行閾值相關(guān)。二次雷達(dá)：利用SSR代碼進(jìn)行配對計(jì)算，再利用空間閾值相關(guān)進(jìn)一步確認(rèn)。ADS-B：利用ADS-B數(shù)據(jù)中包含的24位代碼進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，再利用空間閾值相關(guān)進(jìn)一步確認(rèn)[4]。

　　(4)QNH修正

　　為了便于管制員和飛行員掌握航空器的超障余度，避免航空器在機(jī)場附近起飛、爬升、下降和著陸過程中與障礙物相撞，航空器和障礙物在垂直方向上應(yīng)使用同一測量基準(zhǔn)，即平均海平面。因此，在機(jī)場地區(qū)應(yīng)使用修正海平面氣壓(QNH)作為航空器的高度表撥正值。

　　修正海壓高度的計(jì)算：

　　QNH altitude=Mode C level+(1013.2) 修正系統(tǒng)

　　我國民用機(jī)場高度表撥正程序和過渡高度層改革示意圖如圖2所示。

　　在下列狀態(tài)時(shí)，雷達(dá)航跡顯示修正海壓高度：

　　(1)處于下降狀態(tài)的雷達(dá)航跡的mode C高度小于或等于過渡高度層時(shí)。

　　(2)處于上升狀態(tài)的雷達(dá)航跡的修正海壓高度小于或等于過渡高度時(shí)。

　　(3)處于平飛狀態(tài)的雷達(dá)航跡的修正海壓高度小于或等于過渡高度時(shí)。

　　(5)時(shí)空對齊

　　根據(jù)信號源延遲、信號間隔記錄、速度信息、航向信息等，對監(jiān)視信息進(jìn)行時(shí)間外插值計(jì)算，對齊為同一時(shí)刻下空間位置。

　　(6)多路融合

　　判斷航班號，相同即為同一個(gè)目標(biāo)，如果航班號不同，接著判斷二次代碼，如果一致，則判斷位置和航向是否滿足，如果滿足則為同一個(gè)目標(biāo)，不同則不是一個(gè)目標(biāo)。

　　3 監(jiān)視信息與計(jì)劃綜合相關(guān)(Surveillance information is integrated with planning)

　　監(jiān)視信息與計(jì)劃綜合相關(guān)服務(wù)，從飛行計(jì)劃應(yīng)用預(yù)處理模塊和監(jiān)視信息處理服務(wù)接收分別接收飛行計(jì)劃數(shù)據(jù)和監(jiān)視信息，并通過標(biāo)識相關(guān)、空間相關(guān)、時(shí)間相關(guān)后，進(jìn)行綜合研判，實(shí)現(xiàn)監(jiān)視信息與飛行計(jì)劃相關(guān)。

　　計(jì)劃與監(jiān)視信息的關(guān)聯(lián)原則有如下幾點(diǎn)：

　　(1)標(biāo)識相關(guān)

　　飛行計(jì)劃中標(biāo)識飛機(jī)的屬性項(xiàng)與監(jiān)視數(shù)據(jù)中的相應(yīng)項(xiàng)一致則將該監(jiān)視信息與計(jì)劃綜合相關(guān)。

　　二次代碼：飛行計(jì)劃包含的二次代碼與航跡中的二次代碼一致。

　　航班號/批號/呼號：飛行計(jì)劃中的航班號與監(jiān)視信息中的二次代碼一致。

　　傳感器標(biāo)識：飛行計(jì)劃中的ICAO-24位編碼、數(shù)據(jù)鏈標(biāo)識等與監(jiān)視信息中的對應(yīng)項(xiàng)一致。

　　(2)空間相關(guān)

　　空間相關(guān)用于對已通過標(biāo)識相關(guān)的計(jì)劃與監(jiān)視信息進(jìn)行驗(yàn)證或者作為標(biāo)識相關(guān)存在二義性時(shí)進(jìn)行綜合研判的依據(jù)之一。空間相關(guān)即監(jiān)視數(shù)據(jù)中的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)空間屬性與計(jì)劃飛行路徑、速度等運(yùn)動(dòng)特征一致。

　　空間距離：航跡的實(shí)時(shí)位置與計(jì)劃航線的垂直距離小于30公里(可配置)。

　　航向：航跡的最近3點(diǎn)(可配置)擬合直線與當(dāng)前飛行航段的夾角小于30度(可配置)。

　　飛行速度：處于巡航階段的航跡，高度大于5000米(可配置)，其速度與飛行計(jì)劃的巡航速度的差值小于100千米/小時(shí)(可配置)。

　　高度：處于巡航高度的航跡，高度大于3000米(可配置)，其高度與飛行計(jì)劃的巡航高度的差值小于3千米(可配置)。

　　(3)時(shí)間相關(guān)

　　時(shí)間相關(guān)也是對已關(guān)聯(lián)計(jì)劃存在二義性時(shí)進(jìn)行綜合研判的依據(jù)之一。

　　時(shí)差因子：當(dāng)前時(shí)刻與航跡當(dāng)前點(diǎn)計(jì)劃預(yù)達(dá)時(shí)刻的差值小于20分鐘(可配置)。

　　綜合研判對接收到的計(jì)劃、航跡進(jìn)行遍歷，調(diào)用標(biāo)識相關(guān)原則、空間相關(guān)原則、時(shí)間相關(guān)原則，綜合考慮計(jì)劃與計(jì)劃、航跡與航跡、計(jì)劃與航跡之間的關(guān)系，生成計(jì)劃與航跡之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。綜合研判的步驟如下：

　　利用計(jì)劃與航跡的屬性(二次代碼、傳感器標(biāo)識、航班號/批號)等建立初步的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

　　一個(gè)計(jì)劃對應(yīng)一個(gè)航跡。利用空間距離原則對關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行驗(yàn)證，若不符則去掉關(guān)聯(lián)關(guān)系。

　　一個(gè)計(jì)劃對應(yīng)多個(gè)航跡、一個(gè)航跡對應(yīng)多個(gè)計(jì)劃。利用空間距離、航向、速度、高度進(jìn)行研判。選擇通過每項(xiàng)驗(yàn)證的航跡與該計(jì)劃關(guān)聯(lián);若未全部通過驗(yàn)證，則按照“空間距離>航向>速度>高度”的原則進(jìn)行優(yōu)先選擇。若全未通過驗(yàn)證，則取消關(guān)聯(lián)關(guān)系。

　　人工多義性處理。對于一個(gè)航跡對應(yīng)多個(gè)計(jì)劃的情況，采用醒目的顏色將關(guān)聯(lián)度最高的飛行計(jì)劃為監(jiān)視信息掛上臨時(shí)標(biāo)牌，等待管制員的人工確認(rèn)。對于一個(gè)計(jì)劃對應(yīng)多個(gè)航跡的情況，采用醒目的顏色將兩個(gè)航跡均掛上臨時(shí)標(biāo)牌，等待管制員人工確認(rèn)。

　　已相關(guān)的軍航綜合航跡。對于接收到的已相關(guān)的綜合航跡可保留其相關(guān)信息或者重新相關(guān)。系統(tǒng)提供配置項(xiàng)在兩者之間切換。

　　帶航班號的民航航跡。對于接收到的帶航班號的航跡，以航班號為最高優(yōu)先級判據(jù)，結(jié)合時(shí)間屬性對其進(jìn)行相關(guān)。

　　去相關(guān)即刪除某批次航跡與飛行計(jì)劃的關(guān)聯(lián)關(guān)系。某批次航跡的實(shí)時(shí)屬性、空間、時(shí)間與飛行計(jì)劃的關(guān)系不滿足相關(guān)原則時(shí)，自動(dòng)去相關(guān)，并更新數(shù)據(jù)。

　　4 飛行數(shù)據(jù)處理及4D航跡預(yù)測(Flight data processing and 4D trajectory prediction)

　　根據(jù)FPL報(bào)文編組15的航路信息、當(dāng)前位置信息、實(shí)際飛行高度和許可飛行高度信息計(jì)算飛行計(jì)劃軌跡。

　　在進(jìn)行飛行計(jì)劃軌跡計(jì)算時(shí)，利用真空速和高空風(fēng)數(shù)據(jù)，計(jì)算經(jīng)過的所有航路點(diǎn)的預(yù)計(jì)飛越時(shí)間。

　　根據(jù)飛行計(jì)劃和氣象GRIB信息，進(jìn)行飛行計(jì)劃四維計(jì)算和預(yù)測(位置、高度、時(shí)間)，形成飛行航跡。

　　4.1 航跡估計(jì)功能計(jì)算

　　(1)預(yù)計(jì)結(jié)束時(shí)間和高度;

　　(2)爬升的頂點(diǎn)和下降的頂點(diǎn);

　　(3)預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間。

　　爬升的頂點(diǎn)和下降的頂點(diǎn)需要根據(jù)BADA飛機(jī)性能特征、風(fēng)和空氣溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。但是，航跡估計(jì)功能在計(jì)算航線中飛行高度變化程序時(shí)會(huì)忽視BADA飛機(jī)性能。爬升的頂點(diǎn)在爬升和巡航階段之間的轉(zhuǎn)折點(diǎn)標(biāo)記，下降的頂點(diǎn)在巡航和下降階段之間的轉(zhuǎn)折點(diǎn)標(biāo)記，見圖3。

　　航跡估計(jì)考慮相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)儀表離場程序(SID)、標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)場程序(STAR)和在用跑道，如果已知，在起飛和到達(dá)機(jī)場估計(jì)飛行航跡。

　　4.2 4D航跡計(jì)算過程

　　航跡計(jì)算的基礎(chǔ)是樣本搜索，下一個(gè)樣本的計(jì)算考慮由倡議的高度限制與先前輸入的戰(zhàn)術(shù)約束和先前的航跡樣本狀態(tài)計(jì)算出的航線2D路徑(例如高度、速度矢量、2D位置等)。

　　航跡計(jì)算的詳細(xì)步驟如下：①航段;②段子區(qū)間;③航跡樣本計(jì)算;④飛行階段;⑤扇區(qū)的劃定。

　　(1)航段：航段由計(jì)算的航路點(diǎn)組成，以連續(xù)對[，]的形式來處理，是入境或過境的航班或者起飛機(jī)場計(jì)算出的航線上的第一個(gè)點(diǎn)，是出境或過境的航班或者目的機(jī)場計(jì)算出的航線上的最后一個(gè)點(diǎn)。若或是機(jī)場，如果使用的跑道已知，跑道的位置將用于航跡計(jì)算。SID和STAR過程考慮只要從它們的航線擴(kuò)展的導(dǎo)航點(diǎn)屬于計(jì)算的航線作為任何其他ATS航線的航跡估計(jì)。