一种对轨迹中圆形盘旋的特征识别方法技术

本发明专利技术公开了一种对轨迹中圆形盘旋的特征识别方法。该方法根据空管二次雷达记录的民航飞机空中交通轨迹数据，依次分析各个航迹的航向信息，提出自动化识别轨迹中圆形盘旋特征的方法。识别的圆形盘旋特征包括：盘旋开始航迹、盘旋结束航迹、盘旋等待时间和盘旋圈数。本发明专利技术与现有方法相比具有两个优点：第一，通过调节四个自定义参数，方法适用于轨迹中存在噪声航迹和记录误差等低质量数据的情况，健壮性强；第二，该方法实现了对轨迹数据中圆形盘旋特征的自动化识别，避免了传统方式下的人工记录，有效降低了空中交通管制员的工作负荷，提高了运行效率。

【技术实现步骤摘要】
一种对轨迹中圆形盘旋的特征识别方法
本专利技术涉及民航空中交通管理中的数据挖掘，具体涉及一种对轨迹中圆形盘旋的特征识别方法。
技术介绍
在空中交通管制工作中，为了保障前后民航飞机之间具备足够的间隔，管制员经常指挥跟随飞机实施盘旋等待。盘旋等待的具体原因一般包括流量控制、机场、放油、天气、空域、军方活动和特情等。其中一种常见的盘旋等待是圆形盘旋。在海量的民航飞机监视轨迹数据中，盘旋等待轨迹数量很少，而且与通常由直线与转弯组合而成的一般轨迹相比，特征差异显著，属于异常轨迹。但民航轨迹数据挖掘领域对异常轨迹的研究，通常局限在飞机飞行过程中发生航路、航线的偏离，速度突然增加、减少，高度变化过快，出现在未经允许的区域(如危险区、限制区、禁区等)。目前，国内尚没有自动化识别轨迹中所包含的圆形盘旋特征的方法。盘旋等待程序保障了飞行安全，但同时也延缓了空中交通进程，影响了飞行效率和航班正常性。各地区空管单位都开展了盘旋等待事件的记录工作，增加了空中交通管制员的工作负荷。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术的目的是根据空管二次雷达记录的民航飞机空中交通轨迹数据，依次分析各个航迹的航向信息，提出自动化识别轨迹中圆形盘旋特征的方法。识别的圆形盘旋特征包括：盘旋开始航迹、盘旋结束航迹、盘旋等待时间和盘旋圈数。本专利技术采取的技术方案是：一种对轨迹中圆形盘旋的特征识别方法，其特征在于，首先定义所述方法中所采用的两个概念：航迹和轨迹，其中航迹定义为一个六维向量：P＝(x,y,z,v,h,t)式中：x、y、z、v、h、t分别表示航迹P的经度、纬度、高度、速度、航向和记录时刻；轨迹定义为航迹的集合：T＝{P1,P2,…,Pi,…,Pn}式中：Pi表示轨迹T中第i个航迹，n为航迹总数。所述方法有如下步骤：一、输入轨迹输入已知一条包含圆形盘旋的轨迹。二、设定参数设定进入转弯阈值、窗口长度、持续转弯阈值和圆形盘旋阈值四个参数。三、计算全部航向差如果飞机向右转弯，计算方法如式(1)所示：式中，hi+1表示后一个航迹的航向，单位：度；hi表示前一个航迹的航向，单位：度；Δhi表示两个相邻航迹的航向差，单位：度。如果飞机向左转弯，计算方法如式(2)所示：式中，hi+1表示后一个航迹的航向，单位：度；hi表示前一个航迹的航向，单位：度；Δhi表示两个相邻航迹的航向差，单位：度。四、分析第一个航向差从第1个航向差Δh1开始分析。五、判断进入转弯假如第i个航向差Δhi小于所设定的进入转弯阈值，则继续分析第i+1个航向差Δhi+1……依次类推，直到满足步骤六条件，进入步骤六。六、识别转弯开始航迹假如编号为b的航向差Δhb大于所设定的进入转弯阈值，则标记该编号b的航迹Pb为转弯开始航迹。七、计算窗口转弯航向窗口转弯航向的计算方法如式(3)所示：式中，Wb表示转弯开始航迹Pb的窗口转弯航向，单位：度；b表示转弯开始航迹Pb的编号；w表示窗口长度；Δhi表示两个相邻航迹的航向差，单位：度。八、判断持续转弯假如编号为b的窗口转弯航向Wb大于所设定的持续转弯阈值，则识别该编号b的航迹Pb在持续转弯，继续分析编号b+1的航迹Pb+1，计算编号b+1的航迹Pb+1的窗口转弯航向Wb+1……依次类推，直到满足步骤九条件，进入步骤九。九、识别转弯结束航迹假如编号为e的窗口转弯航向We小于所设定的持续转弯阈值，则标记该编号e的航迹Pe为转弯结束航迹。十、计算总转弯航向总转弯航向计算方法如式(4)所示：式中，H表示总转弯航向，单位：度；b表示转弯开始航迹Pb的编号；e表示转弯结束航迹Pe的编号；Δhi表示两个相邻航迹的航向差，单位：度。十一、判断形成圆形盘旋如果总转弯航向小于所设定的圆形盘旋阈值，则继续分析下一个即编号e的航向差Δhe，返回步骤五；如果总转弯航向大于所设定的圆形盘旋阈值，则判断该次转弯形成了圆形盘旋；十二、标记盘旋起止航迹标记转弯开始航迹Pb为盘旋开始航迹，标记转弯结束航迹Pe为盘旋结束航迹；十三、计算盘旋等待时间盘旋等待时间计算方法如式(5)所示：Δt＝te-tb(5)式中，Δt表示盘旋等待时间，te表示盘旋结束时刻，tb表示盘旋开始时刻。十四、计算盘旋圈数盘旋圈数计算方法如式(6)所示：式中，N表示盘旋圈数，H表示总转弯航向，单位：度。十五、输出圆形盘旋特征输出盘旋开始航迹、盘旋结束航迹、盘旋等待时间、盘旋圈数。本专利技术与现有方法相比具有两个优点：第一，通过调节四个自定义参数，方法适用于轨迹中存在噪声航迹和记录误差等低质量数据的情况，健壮性强；第二，该方法实现了对轨迹数据中圆形盘旋特征的自动化识别，避免了传统方式下的人工记录，有效降低了空中交通管制员的工作负荷，提高了运行效率。附图说明图1为本专利技术方法步骤流程图；图2为本专利技术实施例中包含圆形盘旋的轨迹示意图。具体实施方式以下结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。具体步骤如下：一、输入轨迹输入2019年8月17日某国内航班进场真实轨迹数据。该轨迹从东北向西南方向进场，包含直线飞行、左转弯、右转弯和一个圆形盘旋，兼有各类飞行特征，具有一般性，如图2所示(图2中横坐标表示经度，纵坐标表示纬度)。该轨迹数据如表1所示：表1轨迹数据注：记录时刻的格式为年yyyy月mm日dd时hh分mm秒ss，一般8～10秒记录一次。二、设定参数1.进入转弯阈值：由表1可知，飞机在直线段飞行时，航向会在该直线方向两侧产生小幅度的偏差。所以定义该参数，表示相邻航迹记录时刻的时间间隔内，只有飞机航向变化的绝对值大于该值，才被本方法识别为飞机进入转弯。该参数取值越小，本方法对航向变化越敏感，越能对更多的疑似盘旋进行分析，但会增大方法计算量。本次实验设定进入转弯阈值为8(度)。2.窗口长度：由表1可知，飞机在持续转弯过程中，由于空管二次雷达记录设备误差或者飞行技术原因，航向变化率(即转弯率，度/秒)并不稳定，甚至存在反向变化的情况。此外，存在单位时间内航向变化很小的缓慢转弯。所以定义该参数，利用窗口长度数量的连续航向差之和，作为判断飞机是否持续转弯的标准。该参数取值越大，对航向变化的容错率越高，对缓慢转弯漏判的可能性越小。本次实验设定窗口长度为3(个)。3.持续转弯阈值：只有窗口转弯航向的绝对值大于该值，才被本方法识别为飞机在持续转弯。该参数取值越小，本方法对航向变化越敏感，越能对更多的疑似盘旋进行分析，但会增大方法计算量。该参数的最大值一般不超过进入转弯阈值×窗口长度。本次实验设定持续本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种对轨迹中圆形盘旋的特征识别方法，其特征在于，首先定义所述方法中所采用的两个概念：航迹和轨迹，其中航迹定义为一个六维向量：/nP＝(x,y,z,v,h,t)/n式中：x、y、z、v、h、t分别表示航迹P的经度、纬度、高度、速度、航向和记录时刻；/n轨迹定义为航迹的集合：/nT＝{P

【技术特征摘要】
1.一种对轨迹中圆形盘旋的特征识别方法，其特征在于，首先定义所述方法中所采用的两个概念：航迹和轨迹，其中航迹定义为一个六维向量：
P＝(x,y,z,v,h,t)
式中：x、y、z、v、h、t分别表示航迹P的经度、纬度、高度、速度、航向和记录时刻；
轨迹定义为航迹的集合：
T＝{P1,P2,…,Pi,…,Pn}
式中：Pi表示轨迹T中第i个航迹，n为航迹总数；
所述方法有如下步骤：
一、输入轨迹
输入已知一条包含圆形盘旋的轨迹；
二、设定参数
设定进入转弯阈值、窗口长度、持续转弯阈值和圆形盘旋阈值四个参数；
三、计算全部航向差
如果飞机向右转弯，计算方法如式(1)所示：



式中，hi+1表示后一个航迹的航向，单位：度；hi表示前一个航迹的航向，单位：度；Δhi表示两个相邻航迹的航向差，单位：度；
如果飞机向左转弯，计算方法如式(2)所示：



式中，hi+1表示后一个航迹的航向，单位：度；hi表示前一个航迹的航向，单位：度；Δhi表示两个相邻航迹的航向差，单位：度；
四、分析第一个航向差
从第1个航向差Δh1开始分析；
五、判断进入转弯
假如第i个航向差Δhi小于所设定的进入转弯阈值，则继续分析第i+1个航向差Δhi+1……依次类推，直到满足步骤六条件，进入步骤六；
六、识别转弯开始航迹
假如编号为b的航向差Δhb大于所设定的进入转弯阈值，则标记该编号b的航迹Pb为转弯开始航迹；
七、计算窗口转弯航向
窗口转弯航向的计算方法如式(3)所示：



式中，Wb表示转...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙石磊，王超，
申请(专利权)人：中国民航大学，
类型：发明
国别省市：天津;12