摘 ?要：4D航跡預(yù)測(cè)是空管自動(dòng)化系統(tǒng)及流量管理系統(tǒng)的一項(xiàng)核心技術(shù)，能夠提高空域的利用率和安全性。本文提出了一種4D航跡預(yù)測(cè)方法，結(jié)合多數(shù)據(jù)源雷達(dá)、氣象、航班計(jì)劃、航空器性能等數(shù)據(jù)，利用飛行經(jīng)驗(yàn)樣本推測(cè)各時(shí)間點(diǎn)的航空器位置，從而得出航空器的飛行軌跡與時(shí)間的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。通過在華東空管流量管理系統(tǒng)及空管自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用效果，說明該方法的實(shí)用性和有效性。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)數(shù)據(jù)融合;航跡預(yù)測(cè);空管流量;空管自動(dòng)化

中圖分類號(hào)：TP399 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：4D trajectory prediction is a core technology of ATC automation system and traffic management system，which can improve the utilization and security of airspace.In this paper，a 4D trajectory prediction method is proposed.Combining the data of multi-data source radar，meteorology，flight plan and aircraft performance，the position of an aircraft at each time point is inferred by flight experience samples，and the precise prediction of flight trajectory and time is obtained.The practicability and effectiveness of the method are illustrated by the application effect in East China ATC Flow Management System and ATC Automation System.

Keywords：radar data fusion;trajectory prediction;ATC flow;ATC automation

1 ? 引言（Introduction）

隨著全球航空業(yè)的高速發(fā)展，空域資源緊張和交通流堵塞現(xiàn)象日趨明顯。為能有效地實(shí)施對(duì)高密度、小間隔、大流量條件下地空域管理，精確預(yù)測(cè)飛行器軌跡與飛行時(shí)間成為解決問題地關(guān)鍵一環(huán)。

本文提出了一種基于雷達(dá)數(shù)據(jù)融合的航班4D軌跡預(yù)測(cè)方法。首先采集海量雷達(dá)數(shù)據(jù)，結(jié)合航班計(jì)劃，通過時(shí)空統(tǒng)一、校正系統(tǒng)誤差、雷達(dá)航跡跟蹤和關(guān)聯(lián)等方法，獲取準(zhǔn)確的航班實(shí)時(shí)位置信息為航跡預(yù)測(cè)做數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。其次，結(jié)合航班計(jì)劃中的預(yù)計(jì)航路信息與空管飛行環(huán)境數(shù)據(jù)庫中的航路、航線基礎(chǔ)數(shù)據(jù)得出航路軌跡的2D預(yù)測(cè)。最后，根據(jù)航班性能指標(biāo)和預(yù)計(jì)航路信息計(jì)算出預(yù)測(cè)軌跡的高度信息，結(jié)合樣本飛行經(jīng)驗(yàn)值得出飛行軌跡的高度和時(shí)間，最終獲得較為精準(zhǔn)的4D航跡預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)[1，2]。

2 ? 雷達(dá)數(shù)據(jù)處理（Radar data processing）

雷達(dá)數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理包括格式轉(zhuǎn)換、飛點(diǎn)處理、坐標(biāo)變換。

在雷達(dá)數(shù)據(jù)處理前，需將各路雷達(dá)信號(hào)接入，并將不同格式的雷達(dá)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為同一格式，定義統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括每批目標(biāo)的二次代碼、航跡號(hào)、位置、高度、速度和航跡特性等，通過飛點(diǎn)處理將明顯錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)剔除。

典型的雷達(dá)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有正北/扇區(qū)連續(xù)性、雷達(dá)目標(biāo)報(bào)告必備項(xiàng)丟失和格式正確性檢查、測(cè)試目標(biāo)和模擬應(yīng)答機(jī)目標(biāo)的準(zhǔn)確性檢查等。

坐標(biāo)變換即數(shù)據(jù)的空間校準(zhǔn)，就是把各傳感器在不同坐標(biāo)系下的觀測(cè)數(shù)據(jù)變換到融合中心統(tǒng)一的參考坐標(biāo)系下。由于在雷達(dá)信號(hào)中以極坐標(biāo)的方式來標(biāo)示飛機(jī)的飛行位置，需要進(jìn)行地圖投影和坐標(biāo)變換[3]。

（2）初始化航跡

利用點(diǎn)跡屬性及空間位置對(duì)航跡進(jìn)行初始化，即收到三個(gè)（可配置）以上點(diǎn)跡，并且上述點(diǎn)并未與其他航跡關(guān)聯(lián)，其空間位置關(guān)系與根據(jù)其速度推算出來的位置的偏差在預(yù)設(shè)的范圍內(nèi)，則新起一批航跡。

（3）點(diǎn)跡關(guān)聯(lián)

如果接收到點(diǎn)跡數(shù)據(jù)，利用點(diǎn)跡屬性及空間位置進(jìn)行關(guān)聯(lián)形成航跡。

一次雷達(dá)：若無法獲得航空器的標(biāo)識(shí)信息，數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)利用位置信息進(jìn)行閾值相關(guān)。二次雷達(dá)：利用SSR代碼進(jìn)行配對(duì)計(jì)算，再利用空間閾值相關(guān)進(jìn)一步確認(rèn)。ADS-B：利用ADS-B數(shù)據(jù)中包含的24位代碼進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，再利用空間閾值相關(guān)進(jìn)一步確認(rèn)[4]。

（4）QNH修正

為了便于管制員和飛行員掌握航空器的超障余度，避免航空器在機(jī)場(chǎng)附近起飛、爬升、下降和著陸過程中與障礙物相撞，航空器和障礙物在垂直方向上應(yīng)使用同一測(cè)量基準(zhǔn)，即平均海平面。因此，在機(jī)場(chǎng)地區(qū)應(yīng)使用修正海平面氣壓（QNH）作為航空器的高度表撥正值。

修正海壓高度的計(jì)算：

QNH altitude=Mode C level+（1013.2） 修正系統(tǒng)

我國(guó)民用機(jī)場(chǎng)高度表撥正程序和過渡高度層改革示意圖如圖2所示。

在下列狀態(tài)時(shí)，雷達(dá)航跡顯示修正海壓高度：

（1）處于下降狀態(tài)的雷達(dá)航跡的mode C高度小于或等于過渡高度層時(shí)。

（2）處于上升狀態(tài)的雷達(dá)航跡的修正海壓高度小于或等于過渡高度時(shí)。

（3）處于平飛狀態(tài)的雷達(dá)航跡的修正海壓高度小于或等于過渡高度時(shí)。

（5）時(shí)空對(duì)齊

根據(jù)信號(hào)源延遲、信號(hào)間隔記錄、速度信息、航向信息等，對(duì)監(jiān)視信息進(jìn)行時(shí)間外插值計(jì)算，對(duì)齊為同一時(shí)刻下空間位置。

（6）多路融合

判斷航班號(hào)，相同即為同一個(gè)目標(biāo)，如果航班號(hào)不同，接著判斷二次代碼，如果一致，則判斷位置和航向是否滿足，如果滿足則為同一個(gè)目標(biāo)，不同則不是一個(gè)目標(biāo)。

3 ?監(jiān)視信息與計(jì)劃綜合相關(guān)（Surveillance information is integrated with planning）

監(jiān)視信息與計(jì)劃綜合相關(guān)服務(wù)，從飛行計(jì)劃應(yīng)用預(yù)處理模塊和監(jiān)視信息處理服務(wù)接收分別接收飛行計(jì)劃數(shù)據(jù)和監(jiān)視信息，并通過標(biāo)識(shí)相關(guān)、空間相關(guān)、時(shí)間相關(guān)后，進(jìn)行綜合研判，實(shí)現(xiàn)監(jiān)視信息與飛行計(jì)劃相關(guān)。

計(jì)劃與監(jiān)視信息的關(guān)聯(lián)原則有如下幾點(diǎn)：

（1）標(biāo)識(shí)相關(guān)

飛行計(jì)劃中標(biāo)識(shí)飛機(jī)的屬性項(xiàng)與監(jiān)視數(shù)據(jù)中的相應(yīng)項(xiàng)一致則將該監(jiān)視信息與計(jì)劃綜合相關(guān)。

二次代碼：飛行計(jì)劃包含的二次代碼與航跡中的二次代碼一致。

航班號(hào)/批號(hào)/呼號(hào)：飛行計(jì)劃中的航班號(hào)與監(jiān)視信息中的二次代碼一致。

傳感器標(biāo)識(shí)：飛行計(jì)劃中的ICAO-24位編碼、數(shù)據(jù)鏈標(biāo)識(shí)等與監(jiān)視信息中的對(duì)應(yīng)項(xiàng)一致。

（2）空間相關(guān)

空間相關(guān)用于對(duì)已通過標(biāo)識(shí)相關(guān)的計(jì)劃與監(jiān)視信息進(jìn)行驗(yàn)證或者作為標(biāo)識(shí)相關(guān)存在二義性時(shí)進(jìn)行綜合研判的依據(jù)之一?？臻g相關(guān)即監(jiān)視數(shù)據(jù)中的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)空間屬性與計(jì)劃飛行路徑、速度等運(yùn)動(dòng)特征一致。

空間距離：航跡的實(shí)時(shí)位置與計(jì)劃航線的垂直距離小于30公里（可配置）。

航向：航跡的最近3點(diǎn)（可配置）擬合直線與當(dāng)前飛行航段的夾角小于30度（可配置）。

飛行速度：處于巡航階段的航跡，高度大于5000米（可配置），其速度與飛行計(jì)劃的巡航速度的差值小于100千米/小時(shí)（可配置）。

高度：處于巡航高度的航跡，高度大于3000米（可配置），其高度與飛行計(jì)劃的巡航高度的差值小于3千米（可配置）。

（3）時(shí)間相關(guān)

時(shí)間相關(guān)也是對(duì)已關(guān)聯(lián)計(jì)劃存在二義性時(shí)進(jìn)行綜合研判的依據(jù)之一。

時(shí)差因子：當(dāng)前時(shí)刻與航跡當(dāng)前點(diǎn)計(jì)劃預(yù)達(dá)時(shí)刻的差值小于20分鐘（可配置）。

綜合研判對(duì)接收到的計(jì)劃、航跡進(jìn)行遍歷，調(diào)用標(biāo)識(shí)相關(guān)原則、空間相關(guān)原則、時(shí)間相關(guān)原則，綜合考慮計(jì)劃與計(jì)劃、航跡與航跡、計(jì)劃與航跡之間的關(guān)系，生成計(jì)劃與航跡之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。綜合研判的步驟如下：

利用計(jì)劃與航跡的屬性（二次代碼、傳感器標(biāo)識(shí)、航班號(hào)/批號(hào)）等建立初步的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

一個(gè)計(jì)劃對(duì)應(yīng)一個(gè)航跡。利用空間距離原則對(duì)關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行驗(yàn)證，若不符則去掉關(guān)聯(lián)關(guān)系。

一個(gè)計(jì)劃對(duì)應(yīng)多個(gè)航跡、一個(gè)航跡對(duì)應(yīng)多個(gè)計(jì)劃。利用空間距離、航向、速度、高度進(jìn)行研判。選擇通過每項(xiàng)驗(yàn)證的航跡與該計(jì)劃關(guān)聯(lián);若未全部通過驗(yàn)證，則按照“空間距離>航向>速度>高度”的原則進(jìn)行優(yōu)先選擇。若全未通過驗(yàn)證，則取消關(guān)聯(lián)關(guān)系。

人工多義性處理。對(duì)于一個(gè)航跡對(duì)應(yīng)多個(gè)計(jì)劃的情況，采用醒目的顏色將關(guān)聯(lián)度最高的飛行計(jì)劃為監(jiān)視信息掛上臨時(shí)標(biāo)牌，等待管制員的人工確認(rèn)。對(duì)于一個(gè)計(jì)劃對(duì)應(yīng)多個(gè)航跡的情況，采用醒目的顏色將兩個(gè)航跡均掛上臨時(shí)標(biāo)牌，等待管制員人工確認(rèn)。

已相關(guān)的軍航綜合航跡。對(duì)于接收到的已相關(guān)的綜合航跡可保留其相關(guān)信息或者重新相關(guān)。系統(tǒng)提供配置項(xiàng)在兩者之間切換。

帶航班號(hào)的民航航跡。對(duì)于接收到的帶航班號(hào)的航跡，以航班號(hào)為最高優(yōu)先級(jí)判據(jù)，結(jié)合時(shí)間屬性對(duì)其進(jìn)行相關(guān)。

去相關(guān)即刪除某批次航跡與飛行計(jì)劃的關(guān)聯(lián)關(guān)系。某批次航跡的實(shí)時(shí)屬性、空間、時(shí)間與飛行計(jì)劃的關(guān)系不滿足相關(guān)原則時(shí)，自動(dòng)去相關(guān)，并更新數(shù)據(jù)。

4 飛行數(shù)據(jù)處理及4D航跡預(yù)測(cè)（Flight data processing and 4D trajectory prediction）

根據(jù)FPL報(bào)文編組15的航路信息、當(dāng)前位置信息、實(shí)際飛行高度和許可飛行高度信息計(jì)算飛行計(jì)劃軌跡。

在進(jìn)行飛行計(jì)劃軌跡計(jì)算時(shí)，利用真空速和高空風(fēng)數(shù)據(jù)，計(jì)算經(jīng)過的所有航路點(diǎn)的預(yù)計(jì)飛越時(shí)間。

根據(jù)飛行計(jì)劃和氣象GRIB信息，進(jìn)行飛行計(jì)劃四維計(jì)算和預(yù)測(cè)（位置、高度、時(shí)間），形成飛行航跡。

4.1 ? 航跡估計(jì)功能計(jì)算

（1）預(yù)計(jì)結(jié)束時(shí)間和高度;

（2）爬升的頂點(diǎn)和下降的頂點(diǎn);

（3）預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間。

爬升的頂點(diǎn)和下降的頂點(diǎn)需要根據(jù)BADA飛機(jī)性能特征、風(fēng)和空氣溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。但是，航跡估計(jì)功能在計(jì)算航線中飛行高度變化程序時(shí)會(huì)忽視BADA飛機(jī)性能。爬升的頂點(diǎn)在爬升和巡航階段之間的轉(zhuǎn)折點(diǎn)標(biāo)記，下降的頂點(diǎn)在巡航和下降階段之間的轉(zhuǎn)折點(diǎn)標(biāo)記，見圖3。

航跡估計(jì)考慮相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)儀表離場(chǎng)程序（SID）、標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)場(chǎng)程序（STAR）和在用跑道，如果已知，在起飛和到達(dá)機(jī)場(chǎng)估計(jì)飛行航跡。

4.2 ? 4D航跡計(jì)算過程

航跡計(jì)算的基礎(chǔ)是樣本搜索，下一個(gè)樣本的計(jì)算考慮由戰(zhàn)略的高度限制與先前輸入的戰(zhàn)術(shù)約束和先前的航跡樣本狀態(tài)計(jì)算出的航線2D路徑（例如高度、速度矢量、2D位置等）。

航跡計(jì)算的詳細(xì)步驟如下：①航段;②段子區(qū)間;③航跡樣本計(jì)算;④飛行階段;⑤扇區(qū)的劃定。

（1）航段：航段由計(jì)算的航路點(diǎn)組成，以連續(xù)對(duì)[，]的形式來處理，是入境或過境的航班或者起飛機(jī)場(chǎng)計(jì)算出的航線上的第一個(gè)點(diǎn)，是出境或過境的航班或者目的機(jī)場(chǎng)計(jì)算出的航線上的最后一個(gè)點(diǎn)。若或是機(jī)場(chǎng)，如果使用的跑道已知，跑道的位置將用于航跡計(jì)算。SID和STAR過程考慮只要從它們的航線擴(kuò)展的導(dǎo)航點(diǎn)屬于計(jì)算的航線作為任何其他ATS航線的航跡估計(jì)。

（2）航段的子區(qū)間：每個(gè)航段都看作由點(diǎn)[，]組成的一些子區(qū)間，航段內(nèi)子區(qū)間的長(zhǎng)度是固定的。它是一個(gè)設(shè)定的參數(shù)（最大為4mile）。每個(gè)子區(qū)間組成了一個(gè)計(jì)算樣本。和航段一樣，子區(qū)間同樣以連續(xù)對(duì)的形式處理，所以根據(jù)先前的范例對(duì)樣本進(jìn)行計(jì)算。

（3）航跡樣本計(jì)算：以第一個(gè)航跡樣本作為初始條件，以高度、時(shí)間和坐標(biāo)作為成功樣本計(jì)算出來。遍歷所有樣本，能夠獲得每個(gè)樣本的4D估計(jì)。只要計(jì)算出航段所有樣本的4D估計(jì)，采用先前一個(gè)航段的最后一個(gè)樣本估計(jì)值作為初始條件，下一個(gè)航段就能以相同的方式處理。計(jì)算航跡樣本的交互過程如圖4所示。

計(jì)算的初始條件是：2D位置、起飛機(jī)場(chǎng)（起飛航班）或起飛跑道（如果可用）、進(jìn)入前的最后一個(gè)外部點(diǎn)（進(jìn)港航班）、最后的航線位置、飛機(jī)經(jīng)過的最后一個(gè)飛行計(jì)劃航路點(diǎn)高度是相應(yīng)的2D位置的高度。

當(dāng)航跡與飛行計(jì)劃相關(guān)時(shí)，當(dāng)前的航跡位置、高度、水平速度數(shù)據(jù)和爬升/下降率作為初始條件用于計(jì)算下一個(gè)航跡采樣狀態(tài)。只要它們屬于相同的BADA高度層，同樣的水平速度數(shù)據(jù)和爬升/下降率用于隨后的航跡樣本。當(dāng)改變高度層或者飛行計(jì)劃與航跡沒有相關(guān)時(shí)，航跡采用BADA參數(shù)對(duì)應(yīng)的高度層、飛行階段和飛機(jī)型號(hào)進(jìn)行計(jì)算[5，6]。

（4）飛行階段：航跡估計(jì)功能確定飛行計(jì)劃在起飛（爬升）、巡航或到達(dá)（下降）各個(gè)子區(qū)間的飛行階段。航跡估計(jì)功能確定航跡的最大爬升率和最大下降率（例如，沒有爬升的頂點(diǎn)或TO下降的頂點(diǎn)的飛機(jī)確定為平穩(wěn)飛越航班）。爬升的頂點(diǎn)標(biāo)志爬升和巡航階段之間的過渡點(diǎn)，下降的頂點(diǎn)標(biāo)志巡航和下降階段的過渡點(diǎn)。

5 ?預(yù)測(cè)方法的實(shí)際應(yīng)用（Practical application of the prediction method）

5.1 ? 空管自動(dòng)化系統(tǒng)中的沖突檢測(cè)

如圖5所示，沖突檢測(cè)的方法是在固定時(shí)間點(diǎn)劃定一個(gè)危險(xiǎn)區(qū)域MSAW，經(jīng)過4D航跡計(jì)算的航班預(yù)計(jì)航跡若在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)上經(jīng)過該區(qū)域則表示該航班與其他航空器存在飛行沖突情況，需要及時(shí)告警，通知航空管制員立即干預(yù)[7，8]。

華東空管中心的空管自動(dòng)化系統(tǒng)自帶的沖突檢測(cè)功能，提前15秒鐘沖入告警。而使用了文中航跡預(yù)測(cè)方法沖突檢測(cè)模塊能夠提前30秒鐘檢測(cè)到?jīng)_突情況。這多出的15秒鐘，使管制人員能夠有更加充分的時(shí)間實(shí)施更格式的沖突解脫方案，極大程度的提高航空安全。

5.2 ? 流量管理中的應(yīng)用

空管流量管理是否精確有效的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是對(duì)每架航班所有預(yù)計(jì)航路點(diǎn)的預(yù)計(jì)過點(diǎn)時(shí)間的精確推測(cè)。如圖6所示，以上海虹橋至北京的CES5111航班為例，應(yīng)用文中方法的華東空管流量管理系統(tǒng)能夠在收到航班FPL領(lǐng)航計(jì)劃報(bào)文，立即預(yù)測(cè)航班的所有過點(diǎn)時(shí)間。經(jīng)常長(zhǎng)期運(yùn)行證明，在航班起飛前90分鐘內(nèi)，系統(tǒng)對(duì)航路點(diǎn)過點(diǎn)時(shí)間的預(yù)測(cè)誤差在30秒內(nèi)，總航線的時(shí)間預(yù)測(cè)誤差在3分鐘內(nèi)。這一指標(biāo)，明顯高出流量管理系統(tǒng)國(guó)標(biāo)中對(duì)于航路預(yù)測(cè)的指標(biāo)要求。

6 ? 結(jié)論（Conclusion）

本文提出的這種基于多雷達(dá)數(shù)據(jù)融合的航班4D航跡預(yù)測(cè)方法，通過對(duì)大量雷達(dá)數(shù)據(jù)的清洗、融合，獲得航班精確的實(shí)時(shí)位置及航班飛行經(jīng)驗(yàn)庫。利用航跡片段采樣算法，能夠在航班預(yù)計(jì)起飛前一段時(shí)間內(nèi)，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)航班的4D航跡，為其他的空管信息系統(tǒng)提供有效的航班飛行數(shù)據(jù)，從而提升空管信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和業(yè)務(wù)功能有效性。

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作者簡(jiǎn)介：

韓劍峰（1980-），男，碩士，軟件工程師.研究領(lǐng)域：空管信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)，軟件開發(fā).