一种基于四维航迹运行的航班计划安全性判断预警方法技术

一种基于四维航迹运行的航班计划安全性判断预警方法，涉及空中交通技术领域。本发明专利技术为了解决目前还没有一种面向基于四维航迹运行的航班计划安全性的量化方法。本发明专利技术为每个航空器计算出在计划的每两个航路点之间的时空可达域，通过识别航空器潜在时空冲突区确定冲突发生的位置和时间，将各种不确定因素影响下的航空器运动视作无规则的布朗运动，计算出该航班计划下航空器的冲突概率，作为评估航班计划安全性的量化依据。通过对航班计划进行优化，可有效提高空中交通安全性、平衡高速增长的空中交通需求与有限的空域资源之间的矛盾。本发明专利技术用于航班计划安全性的判断预警。

A Flight Plan Safety Judgment and Early Warning Method Based on Four-Dimensional Track Operation

A flight plan security judgment and early warning method based on four-dimensional track operation relates to the field of air traffic technology. The invention aims to solve the problem that there is no quantitative method for flight plan security based on four-dimensional track operation at present. The invention calculates the space-time reachable area between each two planned route points for each aircraft, determines the location and time of the conflict by identifying the potential space-time conflict area of the aircraft, regards the aircraft motion under the influence of various uncertain factors as irregular Brownian motion, and calculates the aircraft under the flight plan. Conflict probability is used as a quantitative basis for evaluating the safety of flight plans. By optimizing flight plans, it can effectively improve air traffic safety, balance the contradiction between the rapid growth of air traffic demand and limited airspace resources. The invention is used for judging and early warning of flight plan safety.

【技术实现步骤摘要】
一种基于四维航迹运行的航班计划安全性判断预警方法
本专利技术涉及空中交通
，具体涉及一种航班计划安全性判断方法。
技术介绍
航班计划是航空公司产品的核心，是公司各项经营活动的基础，但它同时也是提供空中交通服务的重要依据。合理的航班计划对降低航空器潜在冲突风险，保障空中交通安全，平衡空域利用率具有重要意义。尤其在我国民用空域资源有限的条件下，随着空中交通需求的不断增长，空域资源愈发紧张，航空器之间对空域资源的争夺势必产生矛盾，带来冲突，严重影响了空中运输的服务质量，隐藏着巨大的安全隐患。现行的空中交通管理系统下，航班计划的制定由航空公司完成，航空公司首要考虑的是航班计划的经济性和竞争力，关系到航班计划对空中交通安全性的并没有得到全面的、科学的评估。但随着空中交通需求的不断增长，对空域资源的需求增加，尤其是在基于四维航迹运行的背景下，允许航空器驾驶员在满足经过的航路点和各航路点到达时间的限制下自由地选择航迹，航迹选择自由度的增加给实时的航空器冲突探测与解脱工作带来了更大的挑战。因此，空中交通管理部门在对航班计划进行审核、批准的过程中，应该更加重视评估航班计划对空中交通安全性的影响，通过在航班起飞前对航班计划进行调整，尽量减小冲突概率，以期在战略阶段将潜在冲突风险降至最低，最大程度地确保空中交通安全。但是现有的方法还没有一种能够在空间得到最大限度利用的基础上的航班计划安全性判断或评估方法，从而导致了空中交通安全水平较低，管制员与飞行员工作负荷加重，有限的空域无法得到有效利用的问题。
技术实现思路
本专利技术为了解决目前还没有一种面向基于四维航迹运行的航班计划安全性量化方法。一种基于四维航迹运行的航班计划安全性判断预警方法，包括下述步骤：步骤一：在飞行前M个小时，提取航班A的航班计划FA中的航空器型号、航路点、途经各航路点的计划时间、空域允许的航空器最大飞行速度限制信息；将每两个航路点形成的航路段编号为航路段r，r＝1，2，3，……，k；步骤二：提取航班计划FA涉及的空域配置信息，确定空域是否包含特殊空域；根据特殊空域的边界、位置和开放时间，生成时空特殊空域集L；提取航班计划FA涉及的空域气象信息，确定是否存在影响航空器开展飞行活动的恶劣天气区域；根据恶劣天气类型、预计的波及范围、发生时段、移动轨迹，生成时空恶劣天气影响区域集W；步骤三：生成执行航班A的航空器在航路段r上的时空可达域RAr，r＝1，2，3，……，k，所有航路段上的时空可达域RAr的集合定义为该航空器执行航班计划FA时的时空可达域，记作RA；步骤四：为有飞行任务的每个航空器A、B、…、N确定时空可达域RA、RB、…、RN；步骤五：判断航空器的时空可达域与各自对应的时空特殊空域集L、时空恶劣天气影响区域集W、其他航空器的时空可达域是否存在交集；若交集为空集，无需进一步对该航班计划进行调整；若存在交集，交集定义为潜在时空冲突区STPCS，识别潜在时空冲突区，确定出潜在冲突的位置和发生冲突的时间；计算出冲突概率；并根据冲突概率进行预警。进一步地，步骤二中所述生成时空特殊空域集L的过程如下：首先，以航路段r所在平面作为x-y平面，以时间作为z轴，建立三维坐标系，代表时空空域；其次，选取离散化参数将时空空域离散化为若干个离散化单元；根据特殊空域的位置、边界、开放时间信息，将普通空域对应的离散化单元标记为0，特殊空域对应的离散化单元标记为1，生成时空特殊空域集L。进一步地，步骤二中所述生成时空恶劣天气影响区域集W的过程如下：将恶劣天气移动的中心视作其移动的质心，根据预计的移动轨迹，生成恶劣天气的时空路径；并以预计的波及范围为半径，确定时空恶劣天气的影响范围；在所述的时空空域离散化的基础上，将普通空域对应的离散化单元标记为0，时空恶劣天气影响区域内对应的离散化单元标记为1，从而生成时空恶劣天气影响区域集L。进一步地，步骤三中所述确定航空器在两两航路点之间的时空可达域的过程如下：根据航班计划中航空器型号确定航空器巡航阶段最大飞行速度Vm；根据经过的第一个航路点s的坐标(xs,ys)和到达航路点s的时间ts计算出在某时刻t航空器从第一个航路点s出发能够到达的所有点对应的离散化单元的集合Rs(t)：根据经过的第二个航路点e的坐标(xe,ye)计算出在某时刻t航空器能够于计划的时间te到达第二个航路点e的所有点对应的离散化单元的集合Re(t)：其中，(x,y)为离散化单元的坐标；根据Rs(t)与Re(t)计算航空器在某时刻t的可达域Res(t)：Res(t)＝{Rs(t)∩Re(t)}.(3)可达域Res(t)表示航空器在起点为航路点s，终点为航路点e对应的航路段r上的时空可达域；当可达域Res(t)针对于航班A的航空器在航路段r上时记为时空可达域RAr。进一步地，步骤五中所述的计算出冲突概率的过程如下：用布朗桥方法建立航空器的运动模型，得到某时刻t航空器的预期位置满足如下分布：其中，用截断分布描述航空器的位置分布：其中，T(x(t))表示x方向的位置分布概率，T(y(t)|x(t))表示在x(t)的条件下y方向的位置分布概率，φ(·)表示上述正态分布的累积密度函数；UX(t)和LX(t)代表时空可达域在t时刻位于x方向的上下界，UY(t)和LY(t)代表时空可达域在t时刻位于y方向的上下界；可以得到航空器在t时刻位于(x,y)对应位置的概率：航空器A与时空特殊空域集L、恶劣天气的影响范围区域集W的冲突概率PCPA通过计算为航空器的概率分布在潜在时空冲突区内的积分获得：其中，ProbA(·)为航空器A对应的Prob(·)；STPCSAL表示航空器A与时空特殊空域集L形成的潜在时空冲突区，STPCSAW表示航空器A与时空恶劣天气影响区域集W形成的潜在时空冲突区；航空器A和航空器B对应航空器对之间的冲突概率ACPAB通过计算为两航空器同时进入潜在时空冲突区内间距小于安全间隔D的概率获得：其中，STPCSAB表示航空器A的时空可达域与航空器B的时空可达域形成的潜在时空冲突区；i和j分别代表离散化后潜在时空冲突区内的任意两个离散化单元；xi,yi,ti代表离散化单元i的在x轴、y轴和z轴上的坐标。进一步地，在所述的步骤五中，根据冲突概率CP进行预警的过程如下：判断冲突概率CP与预警阈值Threshold之间的关系，对冲突概率小于阈值的航班计划，输出“有冲突风险”、“建议调整航班计划”，并触发二级预警；对于冲突概率大于阈值的航班计划，输出“高冲突风险”、“请调整航班计划”，并触发一级预警。本专利技术的有益效果是：本专利技术以航班计划为输入，在飞行任务开始前，为每个航空器计算出在每两个航路点之间的时空可达域，通过识别两两航空器时空可达域的交集判断潜在冲突的位置及冲突发生时间。将考虑各种不确定因素的航空器运动视作无规则的布朗运动，计算出航空器的冲突概率，并对冲突风险等级进行划分。在此基础上，以最小化冲突概率为目标，使航空器的冲突概率在战略阶段就得到有效控制。本专利技术基于四维航迹运行上量化了冲突概率，能够有效提高判断的准确率，进而提高航空器飞行安全水平。本专利技术可解决战术阶段的冲突探测与解脱给航班计划带来扰乱的问题。本专利技术可以作为检验航班计划安全性的依据，也可以作为进一步航班计划调整的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于四维航迹运行的航班计划安全性判断预警方法，其特征在于，包括下述步骤：步骤一：在飞行前M个小时，提取航班A的航班计划FA中的航空器型号、航路点、途经各航路点的计划时间、空域允许的航空器最大飞行速度限制信息；将每两个航路点形成的航路段编号为航路段r，r＝1，2，3，……，k；步骤二：提取航班计划FA涉及的空域配置信息，确定空域是否包含特殊空域；根据特殊空域的边界、位置和开放时间，生成时空特殊空域集L；提取航班计划FA涉及的空域气象信息，确定是否存在影响航空器开展飞行活动的恶劣天气区域；根据恶劣天气类型、预计的波及范围、发生时段、移动轨迹，生成时空恶劣天气影响区域集W；步骤三：生成执行航班A的航空器在航路段r上的时空可达域RAr，r＝1，2，3，……，k，所有航路段上的时空可达域RAr的集合定义为该航空器执行航班计划FA时的时空可达域，记作RA；步骤四：为有飞行任务的每个航空器A、B、…、N确定时空可达域RA、RB、…、RN；步骤五：判断航空器的时空可达域与各自对应的时空特殊空域集L、时空恶劣天气影响区域集W、其他航空器的时空可达域是否存在交集；若交集为空集，无需进一步对该航班计划进行调整；若存在交集，交集定义为潜在时空冲突区STPCS，识别潜在时空冲突区，确定出潜在冲突的位置和发生冲突的时间；计算出冲突概率；并根据冲突概率进行预警。...

【技术特征摘要】
1.一种基于四维航迹运行的航班计划安全性判断预警方法，其特征在于，包括下述步骤：步骤一：在飞行前M个小时，提取航班A的航班计划FA中的航空器型号、航路点、途经各航路点的计划时间、空域允许的航空器最大飞行速度限制信息；将每两个航路点形成的航路段编号为航路段r，r＝1，2，3，……，k；步骤二：提取航班计划FA涉及的空域配置信息，确定空域是否包含特殊空域；根据特殊空域的边界、位置和开放时间，生成时空特殊空域集L；提取航班计划FA涉及的空域气象信息，确定是否存在影响航空器开展飞行活动的恶劣天气区域；根据恶劣天气类型、预计的波及范围、发生时段、移动轨迹，生成时空恶劣天气影响区域集W；步骤三：生成执行航班A的航空器在航路段r上的时空可达域RAr，r＝1，2，3，……，k，所有航路段上的时空可达域RAr的集合定义为该航空器执行航班计划FA时的时空可达域，记作RA；步骤四：为有飞行任务的每个航空器A、B、…、N确定时空可达域RA、RB、…、RN；步骤五：判断航空器的时空可达域与各自对应的时空特殊空域集L、时空恶劣天气影响区域集W、其他航空器的时空可达域是否存在交集；若交集为空集，无需进一步对该航班计划进行调整；若存在交集，交集定义为潜在时空冲突区STPCS，识别潜在时空冲突区，确定出潜在冲突的位置和发生冲突的时间；计算出冲突概率；并根据冲突概率进行预警。2.根据权利要求1所述的一种基于四维航迹运行的航班计划安全性判断预警方法，其特征在于，步骤二中所述生成时空特殊空域集L的过程如下：首先，以航路段r所在平面作为x-y平面，以时间作为z轴，建立三维坐标系，代表时空空域；其次，选取离散化参数将时空空域离散化为若干个离散化单元；根据特殊空域的位置、边界、开放时间信息，将普通空域对应的离散化单元标记为0，特殊空域对应的离散化单元标记为1，生成时空特殊空域集L。3.根据权利要求2所述的一种基于四维航迹运行的航班计划安全性判断预警方法，其特征在于，步骤二中所述生成时空恶劣天气影响区域集W的过程如下：将恶劣天气移动的中心视作其移动的质心，根据预计的移动轨迹，生成恶劣天气的时空路径；并以预计的波及范围为半径，确定时空恶劣天气的影响范围；在所述的时空空域离散化的基础上，将普通空域对应的离散化单元标记为0，时空恶劣天气影响区域内对应的离散化单元标记为1，从而生成时空恶劣天气影响区域集L。4.根据权利要求1、2或3所述的一种基于四维航迹运行的航班计划安全性判断预警方法，其特征在于，步骤三中所述确定航空器在两两航路点之间的时空可达域的过程如下：根据航班计划中航空器型号确定航空器巡航阶段最大飞行速度Vm；根据经过的第...

【专利技术属性】
技术研发人员：程绍武，张亚平，郝斯琪，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23