本發(fā)明屬于繁忙終端區(qū)進場航跡優(yōu)化技術領域，特別是涉及一種基于Point Merge航路結構的繁忙終端區(qū)內進場航跡動態(tài)優(yōu)化方法。

背景技術：

在機場終端區(qū)內，進離場航空器的運行都比較復雜，因此一直以來航空器4D航跡優(yōu)化研究都是重點。傳統(tǒng)的終端區(qū)航跡優(yōu)化方法主要基于傳統(tǒng)的樹狀進場航路結構，該方法是不同航路的航空器以兩兩多次匯聚方式將多股交通流匯聚為一股交通流，最后通過進近管制員雷達引導方式匯聚到最后進近定位點(FAF)。這種方法的缺點是：1)需要管制員根據管制經驗和對航向的敏感程度，通常通過不少于3次指令方式來調整進場航空器的航跡，因此工作負荷大。2)樹狀匯聚結構調整航空器的位置有限，面對大于2的位置調整，其所需的機動空間較大。3)基于樹狀結構的進場航跡調整，管制員采用的機動策略會產生大量的工作負荷，使得終端區(qū)的容量增加幅度非常有限。4)樹狀結構對于平行跑道運行的適用性非常有限，不靈活。

因此，從90年代開始，航空工業(yè)領域內的研究人員一直都在研究進港航班優(yōu)化系統(tǒng)AMAN(Arrival manager)來輔助管制員對進港航班排序進行日常的有效管理，尤其是在惡劣天氣和高強度運行環(huán)境下。目前，歐洲主要樞紐機場在用的AMAN系統(tǒng)有：MAESTRO，OSYRIS,4D-Planner,IBP and future SARA extension,OPTAMOS,SELEX AMAN。

AMAN系統(tǒng)能記錄距離機場約200海里以內的所有正在飛行中的飛機，基于航跡預測、天氣情況、航空器性能、飛行計劃的數(shù)據對進港航班進行排序，將航空器的預計到達時間(STA)進行修正，然后將新計算獲得的到達時間(CTA)以及航空器排序情況顯示給管制員，從而輔助管制員對進場航班進行排序。通過該系統(tǒng)可以減少管制員(特別是在繁忙機場工作的管制員)的工作負荷，提高航班運行的安全和效率，減少盤旋和等候降落的飛機數(shù)量，非常有利于減少飛機廢氣排放、飛行噪音和空氣污染。此外，借助AMAN系統(tǒng)，塔臺、進場和航路管制部門的工作人員都可以掌握最新的飛行計劃信息，大大便利了各個扇區(qū)之間的協(xié)作。在國內，我國深圳航管站也于2011年自主開發(fā)了國產AMAN系統(tǒng)，可提高航班正常率10％。

根據AMAN系統(tǒng)的功能可總結出目前終端區(qū)航跡運行優(yōu)化的主要技術，其包括：一、排序優(yōu)化(Optimised sequence)；二、進場航空器到達時刻分配(Metering of traffic)優(yōu)化。排序優(yōu)化技術是指通過調整進場航空器的著陸順序，從而達到在有限的時間內盡量增加航空器的進場數(shù)量的目的。其依據因素主要包括：航空器之間的公平性、尾流類型、跑道容量和其他運行限制(例如每個航空器只能與臨近的航空器進行位置的改變)。進場航空器到達時刻分配優(yōu)化技術是指：為進場航空器分配其計算達到時刻，保證跑道的穩(wěn)定、有序和有效使用，從而提高運行效率。航空器的計算到達時刻在初始規(guī)劃階段可進行動態(tài)變化，以輔助管制員掌握進場航空器的整體動態(tài)，有效采取相應的機動手段來實現(xiàn)航空器預計到達時刻與計算到達時刻的有效匹配；而當航空器進入最后規(guī)劃階段時，其計算到達時刻將維持固定不變。

但在現(xiàn)行的排序優(yōu)化技術中，航空器的位置變化非常有限，僅可以和左右相鄰的航空器進行變化，而且其位置的變化要求管制員采取一些機動手段來達到，例如雷達引導、航向改變、速度改變等，這些機動手段的選擇與運用會給管制員帶來較大的腦力工作負荷，在航班量較大的終端區(qū)一般很難實現(xiàn)對航空器位置的調整大于1，從而在一定程度上限制了排序優(yōu)化技術的運用。

Point Merge(PM)系統(tǒng)是由Eurocontrol在2006年設計的一個新型航路結構，用于對進場交通流進行有效的排序和匯聚。該技術被認為是有效過渡到終端區(qū)4D航跡管理和自由飛行階段的重要技術。傳統(tǒng)的PM系統(tǒng)包括兩條排序弧和一個匯聚定位點。其中排序弧由多個定位點鏈接而成，屬于RNAV航路，兩條排序弧彼此水平間隔3海里以上，垂直間隔最少300米，排序弧長度和設置位置需根據機場和空域的運行環(huán)境進行設計。航空器在兩條排序弧上的飛行方向相反，保持在同一個高度，保持經濟速度，但航空器之間需要保持不同的尾流間隔，例如前機尾流類型為重型，后機尾流類型為中型，或前機尾流類型為中型，后機尾流類型為重型。隨后管制員會在恰當時候給航空器“直飛”指令，使其朝匯聚定位點直飛，航空器在直飛過程中會自動執(zhí)行最佳的下降剖面，管制員只通過速度控制來保持航空器之間的橫側間隔。PM系統(tǒng)的優(yōu)點是可使終端區(qū)內進場航跡更加規(guī)范，可預測程度更高，管制員工作方法得到了巨大的改善，能夠面對大流量運行環(huán)境，但缺點是航空器彼此之間的間隔不一樣，因此要求管制員必須持續(xù)觀察其運行的動態(tài)，因此監(jiān)視負荷仍較大。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于Point Merge航路結構的繁忙終端區(qū)內進場航跡動態(tài)優(yōu)化方法。

為了達到上述目的，本發(fā)明提供的基于Point Merge航路結構的繁忙終端區(qū)內進場航跡動態(tài)優(yōu)化方法包括按順序進行的下列步驟：

(1)在終端區(qū)內設定兩條內側排序弧R_內和兩條外側排序弧R_外，內側排序弧R_內和外側排序弧R_外之間的水平投影間隔至少2海里，將進入兩條內側排序弧R_內或兩條外側排序弧R_外內的所有航空器按不同尾流類型進行垂直分類，每種類型的航空器分別占用一個高度，每兩個高度層之間垂直間隔300米，并且在水平面的投影重合；

(2)將內側排序弧R_內和外側排序弧R_外內的航空器經過匯聚定位點M后在兩條臨近且處于平行狀態(tài)的跑道R上著陸；

(3)設定一個具有固定時間長度和移動間隔的滑動窗，并根據終端區(qū)內航空器的飛行時間來確定滑動窗的時間長度和移動間隔，之后對進場航空器進行狀態(tài)劃分,然后采用智能算法對部分或全部航跡處于滑動窗內的航空器的進入終端區(qū)的時間、航空器在排序弧上的轉彎時刻和航空器的飛行速度這三個運行參數(shù)進行優(yōu)化，由此獲得經過航跡動態(tài)優(yōu)化后的各進場航空器運行策略。

在步驟3)中，所述的滑動窗的時間長度設定為1小時，移動間隔為30分鐘。

在步驟3)中，所述的對進場航空器進行狀態(tài)劃分的方法是：將所有進場航空器劃分為四類不同的狀態(tài)：完成、待完成、全激活、預備；“完成”狀態(tài)指航空器的航跡已被全部優(yōu)化，航空器已經著陸；“待完成”指航空器的航跡還有部分沒有優(yōu)化，其還有部分航跡在滑動窗內；“全激活”指航空器的所有航跡都在滑動窗內；“預備”狀態(tài)指航空器還沒有進入時間窗內。

在步驟3)中，所述的采用智能算法對部分或全部航跡處于滑動窗內的航空器的進入終端區(qū)的時間、航空器在排序弧上的轉彎時刻和航空器的飛行速度這三個運行參數(shù)進行優(yōu)化，由此獲得經過航跡動態(tài)優(yōu)化后的各進場航空器運行策略的方法是：使用模擬退火算法作為智能算法來優(yōu)化進場航空器航跡，首先設定優(yōu)化目標為航空器之間的沖突總數(shù)為零；根據設定的優(yōu)化目標建立目標函數(shù)，目標函數(shù)值的大小由上述三個運行參數(shù)變量共同確定，再根據進場航空器的運行要求建立含有各控制參數(shù)變量的約束條件，之后采用模擬退火算法進行處理，自動搜尋目標函數(shù)最優(yōu)值，由此獲得經過航跡動態(tài)優(yōu)化后的各進場航空器運行策略。

本發(fā)明提供的基于Point Merge航路結構的繁忙終端區(qū)內進場航跡動態(tài)優(yōu)化方法具有如下有益效果：

1、能夠使進場航空器的位置調整更為靈活，從而實現(xiàn)更優(yōu)排序策略；

2、在增加航空器位置調整靈活性的同時，盡量不大幅度增加管制員機動調整航空器進場航跡的工作負荷，使得終端空域的容量可以進一步提升，以獲得更佳的排隊序列，加快航空器進場效率，同時以最少的管制機動調整為代價；

3、設計適用于平行跑道的進場航路，使得進場航空器可以根據空域和機場運行環(huán)境的變化而靈活地調整著陸跑道策略。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的基于Point-Merge的多層運行概念圖；

圖2是本發(fā)明的基于Point-Merge的平行跑道儀表獨立進近運行環(huán)境下的水平拓撲圖；

圖3是本發(fā)明的基于滾動優(yōu)化策略和智能算法的優(yōu)化技術整體概念圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明提供的基于Point Merge航路結構的繁忙終端區(qū)內進場航跡動態(tài)優(yōu)化方法進行說明。

本發(fā)明提供的基于Point Merge航路結構的繁忙終端區(qū)內進場航跡動態(tài)優(yōu)化方法包括按順序進行的下列步驟：

(1)如圖1所示，在終端區(qū)內設定兩條內側排序弧R_內和兩條外側排序弧R_外，內側排序弧R_內和外側排序弧R_外之間的水平投影間隔至少2海里，將進入兩條內側排序弧R_內或兩條外側排序弧R_外內的所有航空器按不同尾流類型進行垂直分類，每種類型的航空器分別占用一個高度，即重型、中型、輕型分別占用不同的高度，每兩個高度層之間垂直間隔300米，并且在水平面的投影重合；通常內側排序弧R_內的高度要高于外側排序弧R_外的高度。例如可將兩條內側排序弧R_內分成2100米和2400米兩個高度層，將兩條外側排序弧R_外分成1500米和1800米兩個高度層；或在實際高度層數(shù)量受限的情況下將兩類數(shù)量較小的航空器合并后劃分到一個高度，例如，超重型航空器A380在運行中占有的比例通常很小，因此為了減少不必要的高度層浪費，可將重型和超重型的航空器劃分到一個高度上。輕型航空器一般情況下在繁忙樞紐機場運行的比例也很低，同樣的道理，可將其劃入到比例較小的航空器類型所占的高度層上。

本步驟將不同尾流類型的進入排序弧的航空器劃分到不同高度層上，可以減少管制員對排序弧上航空器間隔的監(jiān)視負荷，只需通過一次控制航空器進入排序弧的時間即可持續(xù)保持航空器在排序弧上的間隔。在高度層受限的情況下，將運行比重較大的航空器和比重較小的航空器劃分在不同高度層上，這樣管制員僅需關注比重較小的航空器之間的間隔，對于比重較大的航空器主要控制其進入排序弧的時間即可，由此可以大幅度減少管制員的監(jiān)視負荷。

(2)將內側排序弧R_內和外側排序弧R_外內的航空器經過匯聚定位點M后在兩條臨近且處于平行狀態(tài)的跑道R上著陸；

針對目前國內機場基本上都是平行跑道運行模式，如圖2所示，本步驟采用平行跑道獨立儀表進近模式，即航空器可以在兩條跑道R上獨立地進近，只需考慮在同一條跑道R上前后著陸的航空器之間的前后縱向間隔，不需要考慮臨近跑道上著陸的航空器之間的相關間隔。另外，如果初始跑道R著陸條件不適合，那么待著陸的航空器能夠很靈活地轉移到另一條跑道R著陸。

(3)如圖3所示，設定一個具有固定時間長度和移動間隔的滑動窗，并根據終端區(qū)內航空器的飛行時間來確定滑動窗的時間長度和移動間隔，之后對進場航空器進行狀態(tài)劃分,然后采用智能算法對部分或全部航跡處于滑動窗內的航空器的進入終端區(qū)的時間、航空器在排序弧上的轉彎時刻和航空器的飛行速度這三個運行參數(shù)進行優(yōu)化。具體實現(xiàn)方法如下：

1)確定滑動窗的時間長度和移動間隔

航空器在終端區(qū)的飛行時間通常為30分鐘左右，進近管制員通常會提前30分鐘預先了解將要進入終端區(qū)的航空器的飛行信息。滑動窗的時間長度主要根據航空器在終端區(qū)內飛行的時間來確定，終端區(qū)內典型的航空器飛行時間為30分鐘，考慮到需要對進入終端區(qū)內的航空器運行狀態(tài)進行預判，因此可將滑動窗的時間長度設定為1小時，移動間隔為30分鐘。

由于終端區(qū)的空域范圍有限，航空器運行動態(tài)變化較大，并且需要進行高度和航向的持續(xù)改變，因此從實際運行角度看，采用滾動優(yōu)化策略可以較好地適應終端區(qū)航空器動態(tài)變化的特點。具體而言，即將對長期的、靜態(tài)的優(yōu)化拆分成短期的、動態(tài)的優(yōu)化?；瑒哟按_定之后，在滑動窗內部采用智能算法來實現(xiàn)對航空器進場航跡的控制和優(yōu)化。優(yōu)化后的航空器航跡能夠實現(xiàn)無沖突自動匯聚，并且匯聚航跡規(guī)范、清晰，采用的優(yōu)化策略簡單、可靠，操作性強，便于管制員進行監(jiān)視。

2)對進場航空器進行狀態(tài)劃分

根據航空器進入終端區(qū)的預計時間和不確定性，可將所有進場航空器劃分為四類不同的狀態(tài)：完成、待完成、全激活、預備。“完成”狀態(tài)指航空器的航跡已被全部優(yōu)化，航空器已經著陸；“待完成”指航空器的航跡還有部分沒有優(yōu)化，其還有部分航跡在滑動窗內；“全激活”指航空器的所有航跡都在滑動窗內；“預備”狀態(tài)指航空器還沒有進入時間窗內。

3)使用模擬退火算法優(yōu)化進場航空器航跡

本發(fā)明中設定的優(yōu)化目標為：航空器之間的沖突總數(shù)為零，即在航空器間保持一定時間間隔。

以各滑動窗內處于“待完成”和“全激活”狀態(tài)的進場航空器為對象，對航跡進行優(yōu)化。進場航空器的運行策略可由三個參數(shù)變量表示，分別為：航空器進入終端區(qū)的時間、航空器在排序弧上的轉彎時刻以及航空器的飛行速度。

對于參數(shù)“進入終端區(qū)的時間”，5秒為其變化的最小尺度，可變化的范圍為[－3分鐘，+10分鐘]。對于參數(shù)“航空器的飛行速度”，在不同飛行段使用不同的控制方法，首先調整航空器進入終端區(qū)的飛行速度，其變化最小尺度為1％，可變化的范圍為[－20％，5％]；其次當航空器進入排序弧之后，根據其尾流類型分別調整到一個恒定速度，本發(fā)明中設計的重型、中型航空器的保持速度分別為230節(jié)和220節(jié)；最后當航空器通過定位匯聚點之后，重型、中型航空器的速度分別減為180節(jié)和150節(jié)，保持該速度至著陸。對參數(shù)“航空器在排序弧上的轉彎時刻”的控制通過百分比控制方法，整個弧線長度為100％，最小變化量為1％。

根據設定的優(yōu)化目標建立目標函數(shù)，目標函數(shù)值的大小由上述三個參數(shù)變量共同確定，再根據進場航空器的運行要求建立含有各控制參數(shù)變量的約束條件。針對此優(yōu)化問題，本發(fā)明中采用模擬退火算法進行處理，自動搜尋目標函數(shù)最優(yōu)值，獲得經過航跡動態(tài)優(yōu)化后的各進場航空器運行策略。