连续下降运行中的飞行冲突预测与解脱算法

针对连续下降运行（Continuous descent operation,CDO）中的航空器冲突预测与解脱策略问题,构建了四维航迹（Four-dimensional trajectory,4DT）预测模型,实现飞行冲突的准确预测;以燃油消耗量、冲突时长为优化目标,以航空器在连续下降运行时的飞机速度、下降轨迹角（Descent path angle,DPA）为优化变量,基于多目标遗传算法NSGA-Ⅱ实现飞行冲突解脱。最后以某终端区内多机CDO飞行为例进行冲突预测和解脱,分析了优化目标权重系数对空域内平均耗油量和优化变量影响。结果表明,给出的解脱算法可以实现终端空域内的多机无冲突连续下降运行。与优化前相比,20架飞机的平均耗油节约了11 kg/架,空域内飞机之间的飞行冲突累积时间从984 s减少到0,即消除了飞行冲突。研究结果有助于实现空域内多机无冲突连续下降运行,提高CDO在繁忙机场的实施率和运行效果。     

基于混杂系统模型的航空器4D航迹推测

为实现对未来大流量、高密度、小间隔条件下空域实施管理,4D航迹推测是国内新一代空管自动化系统最为核心的一项技术。首先基于飞行剖面不同飞行阶段的航空器动力学模型,构造了在不同飞行阶段之间转移,而在同一阶段航空器重量、校正空速、高度和距离等状态连续变化的混杂系统模型。通过温度和风速风向修正航空器真空速及地速,利用混杂系统递推法求解航空器4D航迹。实际算例表明,本文提出的混杂系统模型推测得到的水平航迹和垂直剖面能够准确地反映航空器的飞行状态变化,单架航空器4D航迹推测计算时间可以控制在2 s以内。     

TF／TA飞行航迹控制器设计

提高现代武装飞机的生存能力，基于ＴＦ／ＴＡ的超低空突防能力是飞行控制系统首先要求具备的功能，本文研究了在已知理想航迹的基础上飞机航迹跟踪控制器的设计方法，给出了控制器结构和算法。首先根据理想飞行航迹和实际飞行航迹之间的误差，计算航迹控制指充；然后，为了改善飞机的动态性能，使飞机能跟踪航迹控制指令而完成ＴＦ／ＴＡ飞行，用非线性解耦控制理论设计了飞行控制系统，仿真结果表明，该方法具有较好的航迹跟踪性能     

基于滚动时域优化的变后掠角飞机修正控制律设计

为了确保飞机在变后掠角过程中的飞行稳定性,提出了一种基于滚动时域优化(Receding horizon optimal,RHO)的修正控制方法。首先,采用反步方法进行标称控制律设计,提供基本的飞行稳定性和跟踪性能。其次,将指令滤波器表示成状态空间的形式,基于指令滤波器、飞机和积分跟踪误差的状态方程得到一个增广状态方程。然后,采用RHO方法进行修正控制律设计,在有限滚动时域内计算得到修正控制量,对标称控制器输出进行在线补偿,确保快速变后掠角过程中的飞行稳定性。最后,通过变后掠角飞机航迹倾斜角控制系统仿真对算法的有效性进行了验证。     

基于GPS航迹的飞行误差分布规律研究

研究航迹误差分布规律,制定合适的飞行安全间隔标准是提高空域利用率的关键所在。本文针对CESSNA172机载GPS航迹数据对手动飞行条件下的航迹误差分布规律进行了研究。首先通过解析GPS航迹数据,利用Haversine公式对手动飞行条件下的航迹偏差进行统计分析;接下来采用quantile-quantile图检验法对航迹误差数据进行正态分布检验,根据Michael拟合优度检验方法给出正态分布的显著性水平;最后计算得到正态分布总体均值和标准差的置信区间。结果表明,训练飞机下降着陆阶段的实际位置点与跑道中心线的距离偏差符合正态分布规律,为训练飞行中空域规划及飞行安全间隔标准的制定提供了可靠理论依据。     

中性稳定技术在综合火力/飞行控制系统中的应用

火力／飞行综合控制(Integrated fire／flight control，IFFC)系统要求对飞机飞行姿态的控制应具有精确性和快速性，但提高姿态跟踪精度受到自然飞机惯性动力学的限制。本文提出飞机中性稳定技术应用于综合火力／飞行控制系统，给出了中性稳定飞机结构图和动力学模型。利用后缘襟副翼偏转所产生的直接力效果，在一定的控制律制约下，去抵消迎角扰动所产生的气动效果，使飞机不再出现静稳定力矩，达到中性稳定。采用中性稳定技术的综合火力／飞行控制系统有效地加速了飞机在攻击区的姿态跟踪过程，并实现了姿态控制过程中航迹基本不变的机身瞄准模态控制要求，提高了火控精度和命中概率。仿真结果表明，中性稳定综合火力／飞行控制系统具有良好的控制效果和应用前景。     

高效四维航迹数据清洗技术（英文）

随着航空业的快速发展和新兴的众包,如Flightradar24和FlightAware等的涌现,大量空中交通数据,特别是四维(4D)航迹数据已公开于众。为了保证结果的准确性和可靠性,包括识别和减少错误在内的数据清洗,是分析4D航迹数据的第一步。为此对4D航迹数据进行如下清洗:应用反向传播神经网络算法将误差修复;用牛顿插值法对每次航行样本进行等间隔采样来获得均匀分布的4D航迹数据;进而提出一种在保持轨迹固有形状前提下的数据压缩方法,以及基于密度的有噪聚类(Density-based spatial clustering of applications with noise,DBSCAN)对样本点中的离群点进行识别。采用欧洲空域一天的4D航迹数据集进行验证,结果表明所提方法比现有方法更高效、快速。本文的数据预处理研究结果为下一阶段的4D航迹分析奠定了基础。     

基于PEP的起飞一发失效应急程序研究

对航迹计算研究中的常用方法进行了简要叙述,给出了民航飞机起飞一发失效时飞行航迹的组成,并建立了飞机一发失效时的运动受力模型。在净空条件差、地形复杂地区,提出基于PEP的起飞一发失效应急程序设计,并以华南某机场为例,进行了基于PEP的起飞一发失效应急程序设计,得出所设计的一发失效程序准确、可靠,对机场航行服务研究和航空公司性能人员具有一定的指导作用。     

基于改进NSGA-Ⅱ算法的航班战略冲突解脱研究

设计了一种改进的非支配排序遗传算法（Non-dominated sorting genetic algorithm Ⅱ, NSGA-Ⅱ）解决战略阶段轨迹规划大规模优化问题。在经典的NSGA-Ⅱ的框架下,采用一种自适应交叉算子与自适应变异算子加快算法的收敛速度并提高解的质量,同时给出衡量Pareto解集优劣的评价指标。大规模四维航迹的引入不可避免地增加了问题的复杂性,本文提出了一种有效的战略冲突解脱模型,旨在最小化潜在的冲突数量和冲突解脱成本。采用中国航路网络繁忙时段1 472架航班进行实例验证,并所提算法与经典的NSGA-Ⅱ算法及MOEA/D进行对比。实验结果表明,改进的NSGA-Ⅱ算法具有更好的优化效果,能够有效地解决航空器之间的冲突并产生较小的航空器航迹调整量。     

一种基于航空器气象资料下传数据的飞行剖面生成方法

由于飞行剖面识别是航空器四维(Four-dimensional,4D)航迹预测研究的热点问题,提出一种基于航空器气象资料下传(Aircraft meteorological data relay,AMDAR)数据的全飞行过程剖面生成方法,包括由高度-航程构成的标称高度剖面和空速-航程构成的标称速度剖面。首次将动态空间规整算法(Dynamic space warping,DSW)应用到飞行高度剖面的相似距离计算中,计算出标称飞行高度剖面;为解决在地速未知情况下标称速度剖面的计算问题,结合大椭圆距离算法与航空器基本性能数据库(Base of aircraft data,BADA),给出一种标称飞行速度剖面的计算方法,该方法保留了AMDAR实测历史数据中所隐含的飞行意图与气象因素。实际算例表明,本文提出的方法能够有效地得到真实反映航空器飞行状态的全飞行剖面。     

终端区四维飞行航迹的计算

精确的航迹预测能力是空管自动化系统的基础。首先对四维航迹计算所需的数学模型、飞机性能模型和航路模型等进行了总结,然后以北京终端区为例,根据标准仪表进、离场程序并结合常规的飞行操作程序算出了飞机的水平飞行轨迹、高度剖面和速度剖面。     

飞行计划冲突预探测在ATC中的应用

本介绍了在ATC(空中交通管制)系统中，按照飞行安全间隔对飞行计划的所经航线数据自动进行探测，通过计算预测冲突航路点或冲突航线段，以帮助管制员在新建计划或计划修改时及时发现飞行计划之间存在的潜在冲突，在计划准备和预调配阶段将事故隐患消除掉，确保飞行的安全。     

面向签派的飞行燃油消耗估计方法

航班的燃油加载量决定了航空公司运行成本。本文提出了基于飞机性能的燃油消耗估计模型及其动态修正方法。以飞机性能手册参数为依据,根据各飞行阶段的性能特点,建立基于神经网络的燃油消耗原始模型。利用积累的飞行数据(QAR数据)修正模型,消除因飞机性能衰减对燃油消耗的影响,弥补飞机性能手册中飞行气象条件样本量较少的不足。以某次北京—成都航班飞行计划数据为验证数据源,按照签派流程进行了模型的验证测试,对比本次航班实际燃油消耗量,误差为2.38%,达到现阶段国内外航空公司现有商业软件估计精度水平。     

基于多Agent协商机制的冲突解脱方法

冲突解脱技术是自由飞行能否实现的关键技术。采用多Agent系统中协商机制能解决自由飞行的多架飞机之间的冲突解脱问题。将冲突问题中所涉及到的飞机抽象为多Agent系统中的飞机Agent,通过各飞机Agent间相互协商从而得到满意的解脱策略。实例验证了该方法的可行性。     

基于密度聚类与匹配算法的异常飞行行为挖掘

在空中交通愈加拥挤的背景下,航空器的异常飞行行为的有效挖掘可以辅助管制员进行调配决策。现有方法只能辨识飞机空间位置特征异常,存在水平可扩展性的局限。本文考虑位置、速度、高度和航向4个异常特征,采用高度层划分策略、局部异常因子和快速覆盖树对基于密度的有噪声应用中的空间聚类（Density-based spatial clustering of applications with noise, DBSCAN）方法进行改进,提出局部异常因子改进的考虑速度、方向及高度的基于密度聚类方法（Density-based spatial clustering considering speed, direction and high level improved by local outlier factor,LOFDBSC-SDH）密度聚类算法对正常航迹模式进行快速准确提取。然后,基于正常航迹模式设计考虑过点时间和上述异常特征的航迹匹配算法,挖掘异常飞行行为。最后,通过实验仿真验证了本文方法的有效性和应用价值。     

基于概率的编队飞行的告警算法设计

在建立编队飞机并行飞行的模型基础上,提出了一种基于概率的报警逻辑,即只有当两架飞机的冲突危险度超过一定的门限值的时候才发布报警信息.基于这种逻辑,本文运用蒙特卡洛方法仿真出在一定的冲突概率下飞机的碰撞区域并对结果进行了分析,最后验证了算法的有效性.     

编队飞行低油耗优化方法研究（英文）

建立了编队飞行轨迹优化方法。该方法在不改变前机原轨迹的前提下,优化双机编队飞行的燃油消耗。根据该方法,从一天内进出中国的所有国际航班中选取候选航班对。利用飞机性能数据库(Base of Aircraft Da?ta,BADA)进行轨迹油耗计算。通过为后机设定不同的节油百分比,优化编队飞行的飞行前计划轨迹。分析了不同轨迹优化参数影响下的节油效果。结果表明,节油百分比越高,编队飞行的伴飞距离越长;受飞机性能的限制,可以实现的编队组合数量越少。沿近似实际飞行轨迹飞行的后机能够产生节油效果,且最佳节油效率与编队飞行的预期节油效率有关。     

四维航迹同一进场航线碰撞风险模型

鉴于目前碰撞风险模型的建立方法大多局限于三维空间,给出一种建立四维航迹碰撞风险模型的方法.在三维坐标系的基础上加入时间变量,通过飞机在航迹上任意时刻的四维坐标,使得任意时刻两架飞机之间的距离是时间变量的函数,结合飞机到达的随机性,推导出在同一航迹上飞机进场飞行过程中任意时刻的碰撞概率,进而建立任意同一进场飞行航段的碰撞风险模型.结果显示,模型可以研究任意同一进场航段的碰撞情况,体现了飞机速度和高度变化对碰撞风险的影响;建立了碰撞风险性和飞机类型以及机型比例的关系,为终端空域碰撞风险性的研究提供了一定的方法和理论.     

基于航迹聚类的终端区进场程序管制适用性分析

为了定量评估终端空域的空中交通管制服务水平,提出了描述进场飞行程序管制适用性的新概念。在对实际运行航迹数据特征分析的基础上,建立了基于对应雷达轨迹点逆向比对方法的航迹间相似性测度模型。应用层次聚类法对航迹数据集进行了聚类分析,提出了根据航迹聚类集构造平均航迹的方法。通过比较平均航迹和标准进场程序,建立了描述管制适用性的3个量化指标及其算法,包括:纵向偏离度、侧向偏离度和非常规航迹比例等。实例分析表明:以上指标能准确表示进场飞行程序提供空中交通管制服务的水平,并可以根据聚类结果来改进现有进场飞行程序结构。     

飞翼无人机机动飞行航迹优化和自生成方法

虚拟机动指令是飞翼无人机机动飞行的基础,是制导回路和控制回路必要的输入。为了生成合理虚拟机动指令,提出了优化基本航路—建立机动数据库—战场信息匹配输出的机动飞行航路生成方法。由于复杂的机动动作可由基本机动动作组合而成,本文以飞翼无人机基本机动飞行动作为优化研究对象,提出了以飞翼无人机控制量变化率为优化参数、航迹片段建立约束条件的无人机机动航路优化方法。其中,机动飞行控制量变化率体现了无人机控制能力的限制;航迹片段约束体现了航迹准确和操作柔和的要求,并对无人机的筋斗、滚桶、盘旋机动进行了优化计算,介绍了机动数据库建立的方法。最后,以机动目标跟踪和有人机追击为设定进行了仿真,结果显示所提方法有效。