陈晓 杜双 张彦娥

摘 要 四维航迹也称4D航迹，指航空器在空间内三维位置坐标及每个位置点对应过点时间组成的点集合，借助四维航迹预测分析，地面指挥中心可以对民航飞机的飞行轨迹进行指挥，提升空中交通管制的有效性。本文就民航飞机四维航迹的研究进展及启示进行了分析，希望能够为我国民航事业的发展提供参考。

关键词 民航飞机;四维航迹;研究进展;启示

前言

新的经济环境下，民航事业飞速发展，航空公司的经营规模也在不断拓展，在为人们日常出行提供便利的同时，也导致了空中交通流量的迅速增长，航路拥挤乃至航路冲突问题频繁出现，给飞机的飞行安全造成了威胁[1]。借助四维航迹预测，航空公司能够对飞机的起降顺序及航路选择进行合理安排，促进航空运输效率的提高。

1四维航迹的研究进展

1.1 产生

早在20世纪80年代，美国联邦航空管理局就提出了全国空域系统的相关概念，希望借此对空中交通流量迅速增长带来的各种问题进行解决，其中就包含了飞机四维导航和指导的思想，强调基于时间实现航空器航迹的监控。四维航迹的相关概念就是在这样的背景下得以产生，通过相应的航迹预测，可以减少飞机飞行过程中的冲突，降低航路及终端区空域的拥挤程度[2]。

1.2 发展

面对不断发展的民航运输业，欧洲原本琐碎的空域划分严重制约着航空业的发展，对此，2004年，欧盟发起了SESAR计划，强调就未来的空中交通管理落实基于四维航迹的管理，以提高空域容量，保障飞机的稳定安全运行。2012年2月，空客公司使用一架A320飞机，成功完成了首次使四维航迹空中交通管理技术的试飞，相应的项目被称为初始4D航迹[3]。在美国，为了能够适应民航运输业的发展需求，提出了NGATS计划，基于四维航迹的运行是计划中的一个基本要求，希望能够在实现对航迹的精准预测的同时，于飞机飞行过程中就其飞行航迹进行实时监测调整[4]。

1.3 趋势

新的发展环境下，四维航迹预测模式可以将气象环境、飞行员意图以及管制员意图等因素的干扰考虑在内，融合了极大代数理论和混杂系统理论等，促进了航迹预测准确性的提高。

2四维航迹预测方法及性能模型

2.1 预测方法

四维航迹预测方法大致可以分为三种，一是基于卡尔曼滤波等的估计方法，二是基于等角或者大圆航迹的推测方法，三是基于飞机性能模型的预测方法。

2.2 性能模型

飞机的性能包含了气动特性、飞机重量、发动机特性等，在对基于四维航迹的性能模型进行构建时，需要在垂直面和水平面内，对飞机三维航迹进行分解，以简化航迹的计算和生成。实际操作中，主要是将航迹分解为垂直、水平航迹剖面以及速度剖面，然后结合飞机性能数据，如燃油消耗率、起飞重量、发动机可用推力等，得到预测飞行航迹[5]。计算环节，必须考虑外部环境因素的影响，如温度、气压、天气状况等。在性能模型构建中，应该关注三个方面的内容[6-7]：一是垂直航迹剖面。飞机在飞行过程中，垂直飞行剖面包括了五个阶段，依次为起飞、爬升、平飞、下降和着陆，对应的参数可以在相应的性能数据库中查询得到，再结合能量守恒原理和牛顿第二定律，就能够得到准确结果;二是水平航迹剖面。依照航路点信息，可以将水平航迹分解为直线航段和转弯航段，相应的航路点信息可以从领航计划报中得到，在实践中，可以将转弯航段细分为约束转弯、内切转弯、末端转弯三种，一般情况下，飞机在飞行过程中都是以内切转弯为主;三是速度剖面。对速度剖面进行分解，包括了正常速度剖面、最短到达时间剖面和最长到达时间剖面，其都是由一系列剖面段连接在一起得到，每一个剖面段都可以看作是直线飞行及转弯飞行的水平航迹地速剖面。

3四维航迹研究的启示

最近几年，我国民航事业发展迅速，同时也出现了不少问题，如航路拥挤、空域紧张以及飞机起降晚点等，对于空域管理工作提出了更加严格的要求。四维航迹预测是新一代空中交通管理中的核心技术，能够为上述问题的解决提供思路和方法，对其进行合理应用，能够促进民航事业的稳定健康发展，也可以保持飞机飞行的平稳，减少燃油消耗和碳排放，有效降低航空公司运营成本。

4结束语

总而言之，四维航迹预测在民航空中交通管理中发挥着重要作用，能够帮助航空公司和空管部门对飞机的起降顺序及航路选择进行合理安排，提高航空运输效率，减少飞机在飞行過程中的冲突，切实保证飞行安全。

参考文献

[1] 樊垚，邵兴悦，李清东，等.民机四维航迹/姿态一体化自适应控制[J].航空学报，2019，40（2）：161-170.

[2] 刘莉雯.四维航迹规划综述[J].计算机产品与流通，2018，（3）： 278，280.

[3] 马勇.基于数据挖掘的四维航迹精密预测方法研究[D].南京：南京航空航天大学，2016.

[4] 刘海军.民航飞行大学生人文素质现状分析及对策研究[J].产业与科技论坛，2018，17（13）：123-125.

[5] 杨尚文.基于四维航迹的空域灵活使用研究思路初探[J].中国民航飞行学院学报，2015，（6）：31-35.

[6] 靳宇波，王鑫.飞机尾流探测技术研究进展与应用趋势探析[J].科技创新与应用，2015，（27）：51-52.

[7] 李黎.下一代空管系统的核心理念：基于四维航迹的运行[J].中国民用航空，2015，（8）：18-20.