專利名稱：空中交通管理的快速垂直軌跡預測方法及相關atm系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及空中交通管理(ATM)的快速垂直軌跡預測方法，及相關的ATM系統(tǒng)。更詳細地，本發(fā)明涉及一種能夠計算飛行器垂直軌跡的方法，通過采用合適的方法以快速和計算性有效的方式集成一些飛行階段的數(shù)值解法和分析解法。本發(fā)明進一步涉及實現(xiàn)本發(fā)明方法的ATM系統(tǒng)。
背景技術：
目前ATM系統(tǒng)支持飛行。然而，相關的國際交通正在快速[4，5]增長，需要一種比任何一個當前的操作系統(tǒng)更大的，支持多個飛行的ATM系統(tǒng)。因此，必須增加ATM過程的自動化水平來實現(xiàn)這一需求。計劃在下一代航空區(qū)飛行的飛行器數(shù)量將需要非現(xiàn)實數(shù)量的人類控制器[6]。因此，在主要功能如沖突消除上，軟件控制器將會取代人類控制器。正在開發(fā)一些工具來支持安全軟件控制器的實施。事實上，一些功能要求運行具有大運算量的復雜算法，此外，因為需要實時解決方案，這些算法足夠在短時間內確保解決方案的輸出。特別地，必須要避免不可控循環(huán)，因為這將防礙系統(tǒng)完成時間決定論的需求?？罩泄芾硇枰囊恢匾悇e的工具是沖突解決系統(tǒng)[4，5]。它們需要精確軌跡預測算法的支持為所探測到的空中擁堵生成實際解決方案。在過去的幾年中，已經(jīng)開發(fā)了一些工具來提供有效的軌跡預測[7-11]。關于準確軌跡預測工具的實現(xiàn)主要有以下問題i.工具必須能夠支持實時沖突解決，也就是在短短幾秒必須運行數(shù)以千次。ii.工具必須基于飛行器數(shù)據(jù)庫中包括的參數(shù)知識，該數(shù)據(jù)庫覆蓋所有受管理交通且當市場引入不可忽略數(shù)量的新飛行器模型時就進行更新。為確保滿足條件i)，必須簡化軌跡預測計算引擎，使其運行最少次所需計算來生成解決方案。關于條件ii)，在過去幾年中開發(fā)出來的大多數(shù)ATM工具中選擇世界標準數(shù)據(jù)庫作為參考的是由B0eingTMEur0pe為EUROCONTROL 所開發(fā)的B0ADA 。3. 6版本包括集成截止2006年歐洲所有運營飛行器中99%的飛行器(海拔)高度和速度，以及在世界其他地區(qū)運營的大多數(shù)飛行器類型所需要的所有參數(shù)11。以下報紙文章是關于ATM系統(tǒng)自動化的相同領域的-Slattery. R. and Zhao, Y. . “Trajectory Synthesis for Air TrafficAutomation.，，AIAA Journal of Guidance, Control, and Dynamics，Vol. 20，Issue 2，March. April 1997，pages 232-238 ；-Swenson, H. N. , Hoang. T. , Engelland. S. , Vincent. D. 。 Sanders，T. Sanford. B.， Heere. K.，“Design and Operational Evaluation of theTraffic Management Advisor at the Fort Worth Air Route TrafficControl Center. T st USA/Europe Air Traffic Management Researchand Development Seminar，Saclay, France June 1997 ；-Glover, W. and Lygeros，J.，“A Stochastic Hybrid model for AirTrafficControl Simulation” in Hybrid Systems Computation andContrOl. ser. LNCS, R. Alur and G Pappas，Eds.，Springer Verlag. 2004，pages 372-386 ；-Marco Porretta，Marie. Dominique Dupuy. Wolfgang Schuster，Arnab Majumdar and Washington Ochieng，iiPerformanceEvaluation of a Novel 4D Trajectory Prediction Model for CivilAircraft，，，The Journal of Navigation. Vol. 61,2008. pages 393420.值得關注的是上述文章沒有一篇報導關于空中交通管理系統(tǒng)現(xiàn)有形式自動化的軌跡預測的實時解決方案。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目標是為空中交通管理提供一種垂直軌跡預測方法，解決問題并克服現(xiàn)有技術中的困難。本發(fā)明的特定目標是實現(xiàn)本發(fā)明方法目標的空中交通管理系統(tǒng)。本發(fā)明的主題是一種飛行器垂直軌跡的預測方法，尤其用于空中交通管理，包括以下與相關飛行階段對應的飛行計算模塊起飛；上升；巡航；降落；以及著陸，其特征在于-利用計算機通過采用以下總能量模型(TEM)方程實現(xiàn)預測飛行器軌跡的計算。
權利要求
1.一種用于預測飛行器垂直軌跡的計算機實現(xiàn)的方法，尤其用于空中交通管理，包括以下對應相關的飛行階段的飛行計算模塊起飛；爬升；巡航；下降；和著陸，其特征在于 -預測飛行軌跡的計算通過計算機處理器使用以下總能量模塊(TEM)方程來實現(xiàn)
2.如權利要求I所述的方法，其特征在于，對于分為地面滑行，過渡階段和初始爬升階段的起飛階段，預測飛行器軌跡的計算采用以下對所述TEM方程的分析解法進行運算
3.如權利要求I或2所述的方法，特征在于對于著陸階段，預測飛行器軌跡的運算采用以下分析解法來實現(xiàn)滑翔進場:
4.如權利要求I到3所述的方法，其特征在于用于計算預測軌跡的TEM方程的整合是通過使用速度和高度的一對最大整合間距來完成的，從而在可接受的準確程度找出最小計算負載，最大整合間距對通過以下步驟來確定-對范圍從最小值對到最大值對的，速度和高度間距對的均勻分布的集合，根據(jù)所述 TEM方程進行爬行、降落以及巡航階段的仿真-假設最小值對為最精確值對；-對于包括爬行、降落以及巡航階段的每次仿真，都執(zhí)行等值線繪制，報告每個速度和高度間距對相對于所述最小值對的RMS誤差百分比；-選擇最優(yōu)間距對，該對代表著具有小于預定閾值的誤差，并且離所述最小值對距離最遠的點。
5.如權利要求I到4任一項所述的方法，其特征在于對于除巡航階段外的所有飛行階段，對TEM方程進行整合，i是正整數(shù)值，任何第i個整合步驟為-檢查所計算的運行狀態(tài)在包括基于預定飛行包線計算的目標CAS和目標高度h的預定目標PS中；-如果所計算運行狀態(tài)在飛行包線范圍外，運行以下步驟-用離飛行包線邊界最近，并加上了距邊界的安全邊際距離的經(jīng)校正運行狀態(tài)代替所述計算的運行狀態(tài)，從而避免在接下來的計算在飛行包線之外。-從所述經(jīng)校正運行狀態(tài)，也就是校正后的CAS和海拔h開始，進入整合的第i+Ι步驟。
6.如權利要求I到5任一項所述的方法，其特征在于通過在所述TEM方程中增加以下方程來考慮風的影響
7.如權利要求I到6任一項所述的方法，其特征在于，在下面情況下求解TEM方程-每次需要或者改變飛行計劃時，尤其是在飛行器起飛階段之前；-在固定的飛行計劃中，每次雷達探測到的飛行器實際位置與預測位置的差值大于預先設定閾值時。
8.空中交通管理系統(tǒng)，包括計算預測軌跡的電子精制單元，以及將飛行器必須遵從的軌跡的自然語言命令提供給所述電子精制單元的飛行控制器，其特征在于所述電子精制單元執(zhí)行將自然語言命令到輸入數(shù)值的轉換，并且所述電子精制單元執(zhí)行根據(jù)權利要求1-7 所述方法的計算。
9.電子精制單元，其特征在于包括代碼裝置，運行時執(zhí)行根據(jù)權利要求1-7所述方法。
10.計算機程序，其特征在于包括適于執(zhí)行的代碼裝置，當在電子精制單元運行編碼時，執(zhí)行根據(jù)權利要求1-7方法的計算。
11.可由計算機讀取的有形存儲介質，其存儲計算機程序，其特征在于該程序是根據(jù)權利要求10的計算機程序。
全文摘要
本發(fā)明公開空中交通管理的快速垂直軌跡預測方法及相關ATM系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的一種用于預測飛行器垂直軌跡的方法，尤其用于空中交通管理，包括對應相關的飛行階段的以下飛行計算模塊起飛；爬升；巡航；下降；和著陸，其特征在于-預測飛行器軌跡的計算通過使用以下TEM方程來完成求解VRCD，TAS，以及m，其中VRCD是上升或者下降的垂直速度；TAS是實際空速，ESF是能量共享因子，T是推力，D是阻力，m是模型化為點質量的飛行器質量，{M}是取決于TAS、溫度和高度的馬赫數(shù)，g是重力加速度，f是燃油流量，γ是飛行航跡角。
文檔編號G08G5/00GK102610126SQ201110463288
公開日2012年7月25日 申請日期2011年12月15日 優(yōu)先權日2010年12月20日
發(fā)明者A·利爾迪, A·莫恰, D·阿卡爾多, G·馬雷斯卡, L·卡米尼蒂, L·菲奧里洛, M·格拉西, U·坦克雷迪 申請人:塞萊斯系統(tǒng)集成公司