基于4D航迹运行的空中交通管制方法技术

本发明专利技术涉及一种基于4D航迹运行的空中交通管制方法由空中交通管制系统实施，所述空中交通管制系统包括数据通信模块、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；上述系统的基于4D航迹运行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利用隐马尔科夫模型生成4D航迹，实现空域交通状况潜在的交通冲突的分析，以及采用模型预测控制理论方法提供最优解脱方案。本发明专利技术可有效防止飞行冲突，提高空中交通的安全性。

【技术实现步骤摘要】
本申请是申请号为：201510008164.3，专利技术创造名称为《一种空中交通管制系统的管制方法》，申请日为：2015年1月7日的专利技术专利申请的分案申请。
本专利技术涉及一种空中交通管制系统及方法，尤其涉及一种基于4D航迹运行的空中交通管制系统及方法。
技术介绍
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系统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。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是在于克服现有技术的不足，提供一种基于4D航迹运行的基于4D航迹运行的空中交通管制方法，可有效防止飞行冲突，提高空中交通的安全性。实现本专利技术目的的技术方案是提供一种基于4D航迹运行的空中交通管制方法由空中交通管制系统实施，所述空中交通管制系统包括机载终端模块、数据通信模块、监视数据融合模块以及管制终端模块；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系统的预报数据，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，利用隐马尔科夫模型，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，将空中交通系统的连续动态映射为离散观测值表达的冲突状态；当系统有可能违反空中交通管制规则时，对空中交通混杂系统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，在保证系统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，采用模型预测控制理论方法，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；所述基于4D航迹运行的空中交通管制方法包括如下几个步骤：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系统的预报数据，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和历史航迹信息推测未来一定时间窗内的航空器4D轨迹；所述依据航空器实时航迹信息和历史航迹信息推测未来一定时间窗内的航空器4D轨迹的具体实施过程如下：步骤B6、对航空器轨迹数据预处理，依据所获取的航空器原始离散二维位置序列x＝[x1,x2,...,xn]和y＝[y1,y2,…,yn]，采用一阶差分方法对其进行处理获取新的航空器离散位置序列Δx＝[Δx1,Δx2,...,Δxn-1]和Δy＝[Δy1,Δy2,...,Δyn-1],其中Δxb＝xb+1-xb,Δyb＝yb+1-yb(b＝1,2,...,n-1)；步骤B7、对航空器轨迹数据聚类，对处理后新的航空器离散二维位置序列Δx和Δy，通过设定聚类个数M'，采用遗传聚类算法分别对其进行聚类；步骤B8、对聚类后的航空器轨迹数据利用隐马尔科夫模型进行参数训练，通过将处理后的航空器运行轨迹数据Δx和Δy视为隐马尔科夫过程的显观测值，通过设定隐状态数目N'和参数更新时段ζ'，依据最近的T'个位置观测值并采用B-W算法滚动获取最新隐马尔科夫模型参数λ'；步骤B9、依据隐马尔科夫模型参数，采用Viterbi算法获取当前时刻观测值所对应的隐状态q；步骤B10、通过设定预测时域h'，基于航空器当前时刻的隐状态q，获取未来时段航空器的位置预测值O；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，将空中交通系统的连续动态映射为离散观测值表达的冲突状态；当系统有可能违反空中交通管制规则时，对空中交通混杂系统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系统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，采用模型预测控制理论方法，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。进一步的，步骤B中，所述聚类个数M'的值为4，隐状态数目N'的值为3，参数更新时段ζ'为30秒，T'为10，预测时域h'为300秒。进一步的，步骤B的B8具体是指：由于所获得的航迹序列数据长度是动态变化的，为了实时跟踪航空器航迹的状态变化，有必要在初始航迹隐马尔科夫模型参数λ'＝(π,A,B)的基础上对其重新调整，以便更精确地推测航空器在未来某时刻的位置；每隔时段ζ'，依据最新获得的T'个观测值(o1,o2,...,oT')对航迹隐马尔科夫模型参数λ'＝(π,A,B)进行重新估计。步骤B的B10具体是指：每隔时段根据最新获得的隐马尔科夫模型参数λ'＝(π,A,B)和最近H个历史观测值(o1,o2,…,oH)，基于航空器当前时刻的隐状态q，通过设定预测时域h'，在时刻t获取航空器在未来时段h'的位置预测值O。更进一步的，时段为4秒。进一步的，所述步骤D的具体实施过程如下：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t时刻需实施冲突解脱航空器k的变量约束可描述为：ak(t)≤aM、ωk(t)≤ωM、γk(t)≤γM，aM、ωM、γM分别为最大的加速度、转弯率和爬升或下降率；步骤D3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于4D航迹运行的空中交通管制方法由空中交通管制系统实施，所述空中交通管制系统包括机载终端模块、数据通信模块、监视数据融合模块以及管制终端模块；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；其特征在于：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系统的预报数据，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，利用隐马尔科夫模型，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，将空中交通系统的连续动态映射为离散观测值表达的冲突状态；当系统有可能违反空中交通管制规则时，对空中交通混杂系统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，在保证系统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，采用模型预测控制理论方法，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；所述基于4D航迹运行的空中交通管制方法包括如下几个步骤：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系统的预报数据，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和历史航迹信息推测未来一定时间窗内的航空器4D轨迹；所述依据航空器实时航迹信息和历史航迹信息推测未来一定时间窗内的航空器4D轨迹的具体实施过程如下：步骤B6、对航空器轨迹数据预处理，依据所获取的航空器原始离散二维位置序列x＝[x1,x2,...,xn]和y＝[y1,y2,...,yn]，采用一阶差分方法对其进行处理获取新的航空器离散位置序列△x＝[△x1,△x2,…,△xn‑1]和△y＝[△y1,△y2,...,△yn‑1],其中△xb＝xb+1‑xb,△yb＝yb+1‑yb，b＝1,2,...,n‑1”；步骤B7、对航空器轨迹数据聚类，对处理后新的航空器离散二维位置序列△x和△y，通过设定聚类个数M'，采用遗传聚类算法分别对其进行聚类；步骤B8、对聚类后的航空器轨迹数据利用隐马尔科夫模型进行参数训练，通过将处理后的航空器运行轨迹数据△x和△y视为隐马尔科夫过程的显观测值，通过设定隐状态数目N'和参数更新时段ζ'，依据最近的T'个位置观测值并采用B‑W算法滚动获取最新隐马尔科夫模型参数λ'；步骤B9、依据隐马尔科夫模型参数，采用Viterbi算法获取当前时刻观测值所对应的隐状态q；步骤B10、通过设定预测时域h'，基于航空器当前时刻的隐状态q，获取未来时段航空器的位置预测值O；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，将空中交通系统的连续动态映射为离散观测值表达的冲突状态；当系统有可能违反空中交通管制规则时，对空中交通混杂系统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系统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，采用模型预测控制理论方法，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；所述步骤D的具体实施过程如下：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t时刻需实施冲突解脱航空器k的变量约束可描述为：ak(t)≤aM、ωk(t)≤ωM、γk(t)≤γM，aM、ωM、γM分别为最大的加速度、转弯率和爬升或下降率；步骤D3、设定航空器避撞规划的终止参考点位置P、避撞规划控制时域Θ、轨迹预测时域γ；步骤D4、在每一采样时刻t，基于航空器当前的运行状态和历史位置观察序列，获取空域风场变量的数值；步骤D5、设定在给定优化指标函数的前提下，基于合作式避撞轨迹规划思想，通过给各个航空器赋予不同的权重以及融入实时风场变量滤波数值，得到各个航空器的避撞轨迹和避撞控制策略且各航空器在滚动规划间隔内仅实施其第一个优化控制策略；步骤D6、在下一采样时刻，重复步骤D4至D5直至各航空器均到达其解脱终点。...

【技术特征摘要】
1.一种基于4D航迹运行的空中交通管制方法由空中交通管制系统实施，所述空中交通管制系统包括机载终端模块、数据通信模块、监视数据融合模块以及管制终端模块；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；其特征在于：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系统的预报数据，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，利用隐马尔科夫模型，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，将空中交通系统的连续动态映射为离散观测值表达的冲突状态；当系统有可能违反空中交通管制规则时，对空中交通混杂系统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，在保证系统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，采用模型预测控制理论方法，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；所述基于4D航迹运行的空中交通管制方法包括如下几个步骤：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系统的预报数据，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和历史航迹信息推测未来一定时间窗内的航空器4D轨迹；所述依据航空器实时航迹信息和历史航迹信息推测未来一定时间窗内的航空器4D轨迹的具体实施过程如下：步骤B6、对航空器轨迹数据预处理，依据所获取的航空器原始离散二维位置序列x＝[x1,x2,...,xn]和y＝[y1,y2,...,yn]，采用一阶差分方法对其进行处理获取新的航空器离散位置序列△x＝[△x1,△x2,…,△xn-1]和△y＝[△y1,△y2,...,△yn-1],其中△xb＝xb+1-xb,△yb＝yb+1-yb，b＝1,2,...,n-1”；步骤B7、对航空器轨迹数据聚类，对处理后新的航空器离散二维位置序列△x和△y，通过设定聚类个数M'，采用遗传聚类算法分别对其进行聚类；步骤B8、对聚类后的航空器轨迹数据利用隐马尔科夫模型进行参数训练，通过将处理后的航空器运行轨迹数据△x和△y视为隐马尔科夫过程的显观测值，通过设定隐状态数目N'和参数更新时段ζ'，依据最近的T'个位置观测值并采用B-W算法滚动获取最新隐马尔科夫模型参数λ'；步骤B9、依据隐马尔科夫模型参数，采用Viterbi算法获取当前时刻观测值所对应的隐状态q；步骤B10、通过设定预测时域h'，基于航空器当前时刻的隐状态q，获取未来时段航空器的位置预测值O；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，将空中交通系统的连续动态映射为离散观测值表达的冲突状态；当系统有可能违反空中交通管制规则时，对空中交通混杂系统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系统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，采用模型预测控制理论方法，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；所述步骤D的具体实施过程如下：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t时刻需实施冲突解脱航空器k的变量约束可描述为：ak(t)≤aM、ωk(t)≤ωM、γk(t)≤γM，aM、ωM、γM分别为最大的加速度、转弯率和爬升或下降率；步骤D3、设定航空器避撞规划的终止参考点位置P、避撞规划控制时域Θ、轨迹预测时域γ；步骤D4、在每一采样时刻t，基于航空器当前的运行状态和历史位置观察序列，获取空域风场变量的数值；步骤D5、设定在给定优化指标函数的前提下，基于合作式避撞轨迹规划思想，通过给各个航空器赋予不同的权重以及融入实时风场变量滤波数值，得到各个航空器的避撞轨迹和避撞控制策略且各航空器在滚动规划间隔内仅实施其第一个优化控制策略；步骤D6、在下一采样时刻，重复步骤D4至D5直至各航空器均到达其解脱终点。2.根据权利要求1所述的基于4D航迹运行的空中交通管制方法，其特征在于：步骤D3中：终止参考点位置P即为航空器的下一个航路点，避撞规划控制时域Θ为300秒，轨迹预测时域γ为300秒；步骤D4的具体过程如下：D4.1)设定航空器的停靠位置为轨迹参考坐标原点；D4.2)在航空器处于直线运行状态和匀速转弯运行状态时，构建空域风场线性滤波模型x(t+△t)＝F(t)x(t)+w(t)和z(t)＝H(t)x(t)+v(t)获取风场变量数值，其中△t表示采样间隔，x(t)表示t时刻的状态向量，z(t)表示t时刻的观测向量，F(t)和H(t)分别表示状态转移矩阵和输出测量矩阵，w(t)和v(t)分别表示系统噪声向量和测量噪声向量；在航空器处于变速转弯运行状态时，构建空域风场非线性滤波模型x(t+△t)＝Ψ(t,x(t),u(t))+w(t)、z(t)＝Ω(t,x(t))+v(t)和u(t)＝[ωa(t),γa(t)]T，其中Ψ(·)和Ω(·)分别表示状态转移矩阵和输出测量矩阵，ωa(t)和γa(t)分别表示转弯率和加速率；D4.3)根据所构建的滤波模型获取风场变量的数值；步骤D5的具体过程如下：令 d i t 2 = | | P i ( t ) - P i f | | 2 2 = ( x i t - x i f ) 2 + ( y i t - y i f ) 2 , ]]>其中表示t时刻航空器i当前所在位置Pi(t)和下一航路点Pif间的距离的平方，Pi(t)＝(xit,yit)，那么t时刻航空器i的优先级指数可设定为： L i t = 100 d i t - 2 Σ i = 1 n t d i t - 2 , ]]>其中nt表示t时刻空域内存在冲突的航空器数目，由优先级指数的含义可知，航空器距离其下一航路点越近，其优先级越高；设定优化指标 J * ...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩云祥，赵景波，李广军，
申请(专利权)人：江苏理工学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32