基于4D航迹运行的空中交通管制系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于4D航迹运行的空中交通管制系统。本发明专利技术的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。本发明专利技术还公开了一种使用上述系统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
本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种基于4D航迹运行的空中交通管制系统及方法，可有效防止飞行冲突，提高空中交通的安全性。本专利技术的基于4D航迹运行的空中交通管制系统，包括数据通信模块、机载终端模块、管制终端模块，该空中交通管制系统还包括监视数据融合模块，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，利用航空器运动学模型，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；当系统有可能出现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，在保证使得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，采用最优控制理论方法，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。本专利技术的基于4D航迹运行的空中交通管制方法，利用上述空中交通管制系统进行空中交通管制，具体包括以下步骤步骤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(ADS-B)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推测未来一定时间窗内的航空器4D轨迹；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；当系统有可能出现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使得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，采用最优控制理论方法，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。所述航空器无冲突4D航迹按照以下方法生成步骤Al、进行航空器状态转移建模，根据飞行计划中航空器的飞行高度剖面，建立单个航空器在不同航段转移的Petri网模型 N=(P,ZPm,Post,m)为航空器阶段转移模型，其中”表示飞行航段，Γ表示垂直剖面中飞行状态参数的转换点，Pre和Post分别表示航段和航路点的前后向连接关系， 表示航空器所处的飞行阶段； 步骤A2、建立航空器全飞行剖面混杂系统模型如下，权利要求1.一种基于4D航迹运行的空中交通管制系统，包括数据通信模块、机载终端模块、管制终端模块，其特征在于，该空中交通管制系统还包括监视数据融合模块，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，利用航空器运动学模型，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；当系统有可能出现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，在保证使得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，采用最优控制理论方法，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。2.一种基于4D航迹运行的空中交通管制方法，其特征在于，利用权利要求1所述空中交通管制系统进行空中交通管制，具体包括以下步骤步骤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推测未来一定时间窗内的航空器4D轨迹；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；当系统有可能出现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使得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，采用最优控制理论方法，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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：汤新民，韩云祥，韩松臣，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：