一种基于指定高度限制的航空器飞行高度剖面计算方法

技术领域

本发明属于空中交通管理领域，特别涉及一种基于指定高度限制的航空器飞行高度剖面计算方法。

背景技术

随着航空运输量的持续增加，空中交通精细化运行与管理的需求愈发迫切。在交通流密集空域内仍然采用基于飞行计划结合基于经验的间隔调配逐渐不能满足空管运行的需要。为此国际民航界提出将基于四维航迹运行作为未来空中交通运行的新理念，它以航空器飞行全生命周期的四维航迹为中心，空管部门、航空公司、航空器、机场之间共享、协商和管理动态航迹，实现飞行与管制之间的协同决策。这也对空管系统的4D航迹预测能力提出了更高的要求。

精确的4D飞行航迹是空中交通管理系统诸多决策支持工具得以高效使用的基础，可用于空中交通流量预测与管理的各个阶段以及进行飞行冲突探测、飞机进港排序、辅助管制指挥等，提高空域资源利用率。4D飞行航迹包括：水平飞行航迹、高度剖面和速度剖面，出于计算方便，通常将这三个剖面独立处理，并最终进行整合。目前系统中常用的4D航迹预测方法是采用基于航班飞行计划和航空器性能模型相结合的方式进行计算的。在该方法中，高度剖面通常相对简单，即航空器爬升到巡航高度，然后平飞到下降顶点，再下降到目的机场。巡航高度使用飞行计划中的高度或者历史经验高度，并考虑空管发布的运行限制、管制移交协议等高度限制，导致预测的高度剖面与实际有较大偏差，进而会影响速度剖面和飞行时间的计算。特别是流量预测过程中，由于高空扇区和低空扇区可能分属于不同的管制单位，高度剖面的偏差将导致扇区流量预测的不准确，影响流量管理策略的制定，导致整体运行效率的降低。目前，尚缺少一种充分考虑空管运行实际和高度限制的高度剖面准确计算方法，以支撑精确4D航迹的预测。

发明内容

发明目的：本发明要解决的技术问题是针对空管系统向以4D航迹为核心的精细化运行发展需求，从准确预测航空器4D飞行航迹的角度出发，研究和发明一种基于指定高度限制的航空器飞行高度剖面计算方法。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于指定高度限制的航空器飞行高度剖面计算方法，包括如下步骤：

步骤1：获取飞行计划、空域扇区结构、进离场程序、航路点的高度限制等基础信息；

步骤2：根据离场程序计算起飞机场到第一个航路点的高度剖面，并更新航迹起始点为第一个航路点；

步骤3：从航迹起始点开始向后找到下一个高度限制点，计算航迹起始点到该高度限制点前一个扇区进入边界的高度剖面，并更新航迹起始点；

步骤4：通过航迹起始点的飞行高度、限制点指定高度和空域扇区结构之间的关系，判断航班是否由高空扇区向低空扇区转换；

步骤5：根据步骤4的判断结果，确定平飞和爬升或下降过程的先后顺序：

步骤5-1：当不存在由高空扇区向低空扇区转换情况时，根据所需爬升或下降距离和扇区边界的关系，确定平飞和爬升或下降过程的先后顺序；

步骤5-2：当存在由高空扇区向低空扇区转换情况时，通过评估高度限制点与目的机场的距离来判断是否需要优先执行下降过程；当两者之间的距离小于等于设定的参数LT时，则先下降到指定高度，再保持平飞；否则，根据所需下降距离和扇区边界的关系，确定平飞和下降过程的先后顺序；通过高度限制点与目的机场的距离来判断是否需要优先执行下降过程，使得高度剖面的计算与运行实际更加贴合。

步骤6：根据步骤5确定的高度剖面变化过程，计算航迹起始点到高度限制点的高度剖面，并更新航迹起始点；

步骤7：判断航迹起始点是否为最后一个航路点，如果是则执行步骤8；如果不是执行步骤3；

步骤8：根据进场程序计算航迹起始点到目的机场的高度剖面。

在一种实现方式中，所述步骤1中，飞行计划中包含了计算高度剖面所需的起飞机场、航路点、降落机场和巡航高度信息，还包含了航空器机型；空域扇区结构用于确定高空扇区和低空扇区，以及航路点不同高度所对应的扇区类型；进离场程序用于计算离场和进场阶段的高度剖面；航路点的高度限制来源于移交协议、流量管理或管制提出的限制；飞行计划中的第一个航路点和最后一个航路点分别对应于离场点和进场点，航路点的高度限制根据空管运行规则，在6000米以下。

在一种实现方式中，所述步骤2中，根据起飞机场的离场程序计算确定航空器从跑道到第一个航路点的飞行距离，爬升过程的计算分为加速爬升、低等表爬升和高等表爬升3个子过程，高度剖面计算公式为

式中：h为高度，t为时间，m为航空器质量，V

在一种实现方式中，所述步骤3中，从航迹起始点开始向后找到下一个高度限制点，航迹起始点到该高度限制点前一个扇区进入边界的高度剖面计算公式和步骤2中相同，处理逻辑如下：当已完成计算的高度剖面未曾达到巡航高度，即航班尚未进入巡航状态时，如果该高度限制点与起飞机场水平距离小于200公里，则先爬升至该限制高度，然后保持平飞；否则先爬升到巡航高度，再保持平飞；如果航班已经进入巡航阶段，则保持平飞状态至该高度限制点前一个扇区的进入边界。考虑航空器是否已经进入巡航阶段这个因素，确保高度剖面计算时使得航空器尽可能利用巡航高度飞行，与运行实际更加符合。

在一种实现方式中，所述步骤4中，当航迹起始点处于高空扇区，并且限制点的指定高度低于航迹起始点的飞行高度时，则根据空域扇区结构判断该指定高度是否处于低空扇区空域内，以此来判定航空器是否将由高空扇区飞向低空扇区。

在一种实现方式中，所述步骤5-1包括：

5-1a：计算当前高度爬升或下降到指定高度所需的最小水平距离L

L

其中L

5-1b：计算高度限制点到其所属扇区进入边界的距离L，即高度限制点到边界线的距离；

5-1c：当L≥L

5-1d：当L＜L

在一种实现方式中，所述步骤5-2中参数LT设置为200公里；当高度限制点与目的机场的水平距离大于200公里时，高度剖面变化过程包括：

5-2a：计算当前高度下降到指定高度所需的最小水平距离L

L

其中L

5-2b：计算高度限制点到其所属扇区进入边界的距离L，即高度限制点到边界线的距离；

5-2c：当L≥L

5-2d：当L＜L

步骤3、步骤4和步骤5中，在飞行状态确定和高度剖面计算过程中，考虑了空域扇区边界这一重要运行因素。在确定平飞、下降或爬升过程先后顺序时，保持在跨扇区边界进行管制移交时的平飞状态，增加高度剖面的合理性和精细化程度。

在一种实现方式中，所述步骤6中根据步骤5确定的高度剖面变化过程，计算航迹起始点到高度限制点的高度剖面计算公式和步骤2中相同。

在一种实现方式中，所述步骤8中进场阶段的高度剖面计算公式和步骤2中相同，计算并确定从当前高度下降到目的机场高度所需的水平距离L

本发明具有如下技术效果：

1、本发明为预战术阶段的航空器高度剖面计算提供一种快速实现方法；在飞行状态确定和高度剖面计算过程中，考虑了空域扇区边界这一重要运行因素。在确定平飞、下降或爬升过程先后顺序时，保持在跨扇区边界进行管制移交时的平飞状态，增加高度剖面的合理性和精细化程度。

2、本发明为四维航迹的精确预测提供了技术支持，当从航迹起始点开始向后找到下一个高度限制点，计算航迹起始点到该高度限制点前一个扇区进入边界的高度剖面时考虑航空器是否已经进入巡航阶段这个因素，确保高度剖面计算时使得航空器尽可能利用巡航高度飞行，与运行实际更加符合；当航班存在由高空扇区向低空扇区转换情况时，通过高度限制点与目的机场的距离来判断是否需要优先执行下降过程，使得高度剖面的计算与运行实际更加贴合。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为本发明的方法流程图；

图2为不存在由高空扇区向低空扇区转换情况的高度剖面；

图3为由高空扇区向低空扇区转换情况的高度剖面。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的实施例进行描述。

如图1所示，本发明公开了一种基于指定高度限制的航空器飞行高度剖面计算方法，包括如下步骤：

步骤1：获取飞行计划、空域扇区结构、进离场程序、航路点的高度限制等基础信息；飞行计划中包含了计算高度剖面所需的起飞机场、航路点、降落机场和巡航高度信息，还包含了航空器机型；空域扇区结构用于确定高空扇区和低空扇区，以及航路点不同高度所对应的扇区类型；进离场程序用于计算离场和进场阶段的高度剖面；航路点的高度限制来源于移交协议、流量管理或管制提出的限制等，飞行计划中的第一个航路点和最后一个航路点分别对应于离场点和进场点，根据空管运行规则会有指定的高度限制，通常在6000米以下；

步骤2：根据离场程序计算起飞机场到第一个航路点的高度剖面，并更新航迹起始点为第一个航路点；根据起飞机场的离场程序计算确定航空器从跑道到第一个航路点的飞行距离，爬升过程的计算分为加速爬升、低等表爬升段和高等表爬升3个子过程，计算公式为

式中：h为高度，t为时间，m为航空器质量；V

步骤3：从航迹起始点开始向后找到下一个高度限制点，并计算航迹起始点到该高度限制点前一个扇区进入边界的高度剖面，并更新航迹起始点。本步骤高度剖面计算过程仍然利用步骤2的计算公式，但处理逻辑如下：1)当已完成计算的高度剖面未曾达到巡航高度，即航班尚未进入巡航状态时，如果该高度限制点与起飞机场水平距离小于200公里，则先爬升至该限制高度，然后保持平飞；否则先爬升到巡航高度，再保持平飞；2)如果航班已经进入巡航阶段，则保持平飞状态至该高度限制点前一个扇区的进入边界。

步骤4：通过航迹起始点的飞行高度、限制点指定高度和空域扇区结构之间的关系，判断航班是否由高空扇区向低空扇区转换。当航迹起始点处于高空扇区，并且限制点的指定高度低于航迹起始点的飞行高度时，则需要根据空域扇区结构判断该指定高度是否处于低空扇区空域内，以此来判定航空器是否将由高空扇区飞向低空扇区；高空扇区和低空扇区之间的边界在每个管制区内是不同的，但通常为7800米或6600米。

步骤5：根据步骤4的判断结果，确定平飞和爬升或下降过程的先后顺序：

步骤5-1：当不存在由高空扇区向低空扇区转换情况时，如图2所示，根据所需爬升或下降距离和扇区边界的关系，确定平飞和爬升或下降过程的先后顺序。具体计算过程如下：

5-1a：计算当前高度爬升或下降到指定高度所需的最小水平距离L

L

其中L

5-1b：计算高度限制点到其所属扇区进入边界的距离L；

5-1c：当L≥L

5-1d：当L＜L

步骤5-2：当存在由高空扇区向低空扇区转换情况时，如图3所示，通过评估高度限制点与目的机场的距离来判断是否需要优先执行下降过程；当高度限制点与目的机场的水平距离小于等于200公里(设定的参数LT)时，航空器的高度剖面变化过程为：先下降到指定高度，然后保持平飞至高度限制点；当高度限制点与目的机场的水平距离大于200公里时，高度剖面变化过程的确定与步骤5-1一致，包括：

5-2a：计算当前高度下降到指定高度所需的最小水平距离L

L

其中L

5-2b：计算高度限制点到其所属扇区进入边界的距离L；

5-2c：当L≥L

5-2d：当L＜L

步骤6：根据步骤5确定的高度剖面变化过程，计算航迹起始点到高度限制点的高度剖面，并更新航迹起始点。计算航迹起始点到高度限制点的高度剖面计算公式和步骤2中相同。

步骤7：判断航迹起始点是否为最后一个航路点，如果是则执行步骤8；如果不是执行步骤3。

步骤8：根据进场程序计算航迹起始点到目的机场的高度剖面。进场阶段的高度剖面与离场高度剖面是基本对称的，仍然采用公式(1)进行计算。首先计算并确定从当前高度下降到目的机场所需的水平距离L

本发明提供了一种基于指定高度限制的航空器飞行高度剖面计算方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。