摘 要：4D航跡預測是空管自動化系統及流量管理系統的一項核心技術，能夠提高空域的利用率和安全性。本文提出了一種4D航跡預測方法，結合多數據源雷達、氣象、航班計劃、航空器性能等數據，利用飛行經驗樣本推測各時間點的航空器位置，從而得出航空器的飛行軌跡與時間的精準預測。通過在華東空管流量管理系統及空管自動化系統中的應用效果，說明該方法的實用性和有效性。

　　關鍵詞：雷達數據融合;航跡預測;空管流量;空管自動化

　　《軟件和集成電路》(月刊)創刊于1984年，郵發代碼：82-469。由中國電子信息產業發展研究院、北京中電報發展有限公司主辦的計算機科學技術刊物。

　　1 引言(Introduction)

　　隨著全球航空業的高速發展，空域資源緊張和交通流堵塞現象日趨明顯。為能有效地實施對高密度、小間隔、大流量條件下地空域管理，精確預測飛行器軌跡與飛行時間成為解決問題地關鍵一環。

　　本文提出了一種基于雷達數據融合的航班4D軌跡預測方法。首先采集海量雷達數據，結合航班計劃，通過時空統一、校正系統誤差、雷達航跡跟蹤和關聯等方法，獲取準確的航班實時位置信息為航跡預測做數據準備。其次，結合航班計劃中的預計航路信息與空管飛行環境數據庫中的航路、航線基礎數據得出航路軌跡的2D預測。最后，根據航班性能指標和預計航路信息計算出預測軌跡的高度信息，結合樣本飛行經驗值得出飛行軌跡的高度和時間，最終獲得較為精準的4D航跡預測數據[1，2]。

　　2 雷達數據處理(Radar data processing)

　　雷達數據處理流程如圖1所示。

　　(1)數據預處理

　　數據預處理包括格式轉換、飛點處理、坐標變換。

　　在雷達數據處理前，需將各路雷達信號接入，并將不同格式的雷達數據轉換為同一格式，定義統一的數據結構，包括每批目標的二次代碼、航跡號、位置、高度、速度和航跡特性等，通過飛點處理將明顯錯誤的數據剔除。

　　典型的雷達數據監測項目有正北/扇區連續性、雷達目標報告必備項丟失和格式正確性檢查、測試目標和模擬應答機目標的準確性檢查等。

　　坐標變換即數據的空間校準，就是把各傳感器在不同坐標系下的觀測數據變換到融合中心統一的參考坐標系下。由于在雷達信號中以極坐標的方式來標示飛機的飛行位置，需要進行地圖投影和坐標變換[3]。

　　(2)初始化航跡

　　利用點跡屬性及空間位置對航跡進行初始化，即收到三個(可配置)以上點跡，并且上述點并未與其他航跡關聯，其空間位置關系與根據其速度推算出來的位置的偏差在預設的范圍內，則新起一批航跡。

　　(3)點跡關聯

　　如果接收到點跡數據，利用點跡屬性及空間位置進行關聯形成航跡。

　　一次雷達：若無法獲得航空器的標識信息，數據關聯利用位置信息進行閾值相關。二次雷達：利用SSR代碼進行配對計算，再利用空間閾值相關進一步確認。ADS-B：利用ADS-B數據中包含的24位代碼進行數據關聯，再利用空間閾值相關進一步確認[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，避免航空器在機場附近起飛、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使用同一測量基準，即平均海平面。因此，在機場地區應使用修正海平面氣壓(QNH)作為航空器的高度表撥正值。

　　修正海壓高度的計算：

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

　　我國民用機場高度表撥正程序和過渡高度層改革示意圖如圖2所示。

　　在下列狀態時，雷達航跡顯示修正海壓高度：

　　(1)處于下降狀態的雷達航跡的mode C高度小于或等于過渡高度層時。

　　(2)處于上升狀態的雷達航跡的修正海壓高度小于或等于過渡高度時。

　　(3)處于平飛狀態的雷達航跡的修正海壓高度小于或等于過渡高度時。

　　(5)時空對齊

　　根據信號源延遲、信號間隔記錄、速度信息、航向信息等，對監視信息進行時間外插值計算，對齊為同一時刻下空間位置。

　　(6)多路融合

　　判斷航班號，相同即為同一個目標，如果航班號不同，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目標，不同則不是一個目標。

　　3 監視信息與計劃綜合相關(Surveillance information is integrated with planning)

　　監視信息與計劃綜合相關服務，從飛行計劃應用預處理模塊和監視信息處理服務接收分別接收飛行計劃數據和監視信息，并通過標識相關、空間相關、時間相關后，進行綜合研判，實現監視信息與飛行計劃相關。

　　計劃與監視信息的關聯原則有如下幾點：

　　(1)標識相關

　　飛行計劃中標識飛機的屬性項與監視數據中的相應項一致則將該監視信息與計劃綜合相關。

　　二次代碼：飛行計劃包含的二次代碼與航跡中的二次代碼一致。

　　航班號/批號/呼號：飛行計劃中的航班號與監視信息中的二次代碼一致。

　　傳感器標識：飛行計劃中的ICAO-24位編碼、數據鏈標識等與監視信息中的對應項一致。

　　(2)空間相關

　　空間相關用于對已通過標識相關的計劃與監視信息進行驗證或者作為標識相關存在二義性時進行綜合研判的依據之一?？臻g相關即監視數據中的目標運動空間屬性與計劃飛行路徑、速度等運動特征一致。

　　空間距離：航跡的實時位置與計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(可配置)擬合直線與當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)，其速度與飛行計劃的巡航速度的差值小于100千米/小時(可配置)。

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

　　(3)時間相關

　　時間相關也是對已關聯計劃存在二義性時進行綜合研判的依據之一。

　　時差因子：當前時刻與航跡當前點計劃預達時刻的差值小于20分鐘(可配置)。

　　綜合研判對接收到的計劃、航跡進行遍歷，調用標識相關原則、空間相關原則、時間相關原則，綜合考慮計劃與計劃、航跡與航跡、計劃與航跡之間的關系，生成計劃與航跡之間的關聯關系。綜合研判的步驟如下：

　　利用計劃與航跡的屬性(二次代碼、傳感器標識、航班號/批號)等建立初步的關聯關系。

　　一個計劃對應一個航跡。利用空間距離原則對關聯關系進行驗證，若不符則去掉關聯關系。

　　一個計劃對應多個航跡、一個航跡對應多個計劃。利用空間距離、航向、速度、高度進行研判。選擇通過每項驗證的航跡與該計劃關聯;若未全部通過驗證，則按照“空間距離>航向>速度>高度”的原則進行優先選擇。若全未通過驗證，則取消關聯關系。

　　人工多義性處理。對于一個航跡對應多個計劃的情況，采用醒目的顏色將關聯度最高的飛行計劃為監視信息掛上臨時標牌，等待管制員的人工確認。對于一個計劃對應多個航跡的情況，采用醒目的顏色將兩個航跡均掛上臨時標牌，等待管制員人工確認。

　　已相關的軍航綜合航跡。對于接收到的已相關的綜合航跡可保留其相關信息或者重新相關。系統提供配置項在兩者之間切換。

　　帶航班號的民航航跡。對于接收到的帶航班號的航跡，以航班號為最高優先級判據，結合時間屬性對其進行相關。

　　去相關即刪除某批次航跡與飛行計劃的關聯關系。某批次航跡的實時屬性、空間、時間與飛行計劃的關系不滿足相關原則時，自動去相關，并更新數據。

　　4 飛行數據處理及4D航跡預測(Flight data processing and 4D trajectory prediction)

　　根據FPL報文編組15的航路信息、當前位置信息、實際飛行高度和許可飛行高度信息計算飛行計劃軌跡。

　　在進行飛行計劃軌跡計算時，利用真空速和高空風數據，計算經過的所有航路點的預計飛越時間。

　　根據飛行計劃和氣象GRIB信息，進行飛行計劃四維計算和預測(位置、高度、時間)，形成飛行航跡。

　　4.1 航跡估計功能計算

　　(1)預計結束時間和高度;

　　(2)爬升的頂點和下降的頂點;

　　(3)預計到達時間。

　　爬升的頂點和下降的頂點需要根據BADA飛機性能特征、風和空氣溫度數據進行計算。但是，航跡估計功能在計算航線中飛行高度變化程序時會忽視BADA飛機性能。爬升的頂點在爬升和巡航階段之間的轉折點標記，下降的頂點在巡航和下降階段之間的轉折點標記，見圖3。

　　航跡估計考慮相關標準儀表離場程序(SID)、標準進場程序(STAR)和在用跑道，如果已知，在起飛和到達機場估計飛行航跡。

　　4.2 4D航跡計算過程

　　航跡計算的基礎是樣本搜索，下一個樣本的計算考慮由戰略的高度限制與先前輸入的戰術約束和先前的航跡樣本狀態計算出的航線2D路徑(例如高度、速度矢量、2D位置等)。

　　航跡計算的詳細步驟如下：①航段;②段子區間;③航跡樣本計算;④飛行階段;⑤扇區的劃定。

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