动态航迹推测方法

应用大圆航迹和等角航迹原理,融合雷达、电报等动态数据,研究了动态航迹推测算法,以及该算法在航空器飞行轨迹预测、航空器过航路点时间预测和空中交通流量动态统计预测等方面的应用。利用广州机场的实际航班数据,将动态航迹推测算法与经验时间累加法进行了对比研究,发现动态航迹推测算法符合航空器运行规则,其误差在±0 5 min之内,能及时修正航空器的飞行轨迹,反应灵敏。结果表明动态航迹推测方法能更好地预测未来短时期内空域使用情况,是一种为空中交通战术流量管理提供准确数据的有效方法。     

基于BADA及航空器意图的四维航迹预测

为了提高航空器四维轨迹预测的准确性,提出了基于航空器性能数据以及航空器意图的四维航迹预测方法.通过统计分析航空器实际雷达轨迹数据,根据水平轨迹、高度和速度剖面等构建了航空器意图模型.采用航空器意图模型与航空器动力与运动学模型相结合的方法,考虑气象因素,基于性能数据设计了四维航迹预测模型.以国内某机场进场航班ACA025与CES2161为例进行了模拟,将预计到达时刻与实际到达时刻的误差作为评价指标,结果表明:本文提出的算法可以将通过航路点时刻的误差控制在30 s以内.      

离场航空器四维航迹预测及不确定性分析

为了加速基于轨迹运行概念的实施,提出了基于连续动态模型与离散动态模型的航迹预测方法,并将航空器离场分为起飞与爬升两个阶段,实现离场航空器四维轨迹预测.通过深入分析模型构建、航空器意图、初始状态、性能参数以及环境信息等因素,降低了四维航迹预测的不确定性,提高了预测精度.以国内执飞ZSPD-ZUCK的CQH8867航班为实例进行验证,考虑了起飞质量、爬升顶点信息以及风速风向等对航迹预测的影响,以位置误差与时间误差作为评价指标,研究结果表明:本文提出的算法可以将到达离港点时刻的误差控制在1 min以内,满足空中交通管理的需求.      

改进放行策略的两向交通流航迹规划模型

为研究高密度交通的两向交通流航迹交叉结构,讨论了航空器的航迹规划方法.基于自间隔保持概念的分布式决策环境,在横向侧移机动策略模型的基础上,通过航迹分析,建立了改进的放行策略及其航迹规划模型,推导出机动缓冲区长度、宽度与修正放行点位置的关系.仿真结果表明,当交叉角分别为90°和45°时,在改进策略下机动缓冲区的最短长度分别为35.9和48.4 km;与原策略相比,改进策略对空域保护区的宽度要求最大可降低21.1%和39.3%,保护区宽度更接近实际航路宽度,改进策略更易于实施和调整.     

基于航空器自主运行的空中交通复杂性建模

针对航空器自主运行模式的空中交通运行态势评估问题，本文重构了基于分布式空中交通管理系统的空中交通复杂性评价方法，并仿真验证了该方法在航空器冲突探测和自主航迹规划中的应用。首先，基于自由航路空域和航空器自主运行模式定义了空中交通复杂性，在通过三维空域栅格模型量化航空器时空位置的基础上，构建复杂度计算模型以反映航空器位置、航向、 航速对空域各栅格的实时复杂性影响；其次，基于实际管制扇区(ZSSSAR01)及高度层，分别模拟自由航路与固定航路运行模式，对比两者空中交通复杂度时空分布差异；并结合自由航路运行模式，在空中交通复杂性与航空器冲突指标(冲突率、冲突比例)相关性分析的基础上，研究空域复杂度阈值确定方法；最后，初步探究基于空域复杂度阈值进行航空器自主航迹调整的方法，评估其运行效果。仿真实验结果表明：自由航路运行模式相对固定航路运行模式可显著降低空域最大复杂度值(平均降幅119%)；模型计算得到，空中交通复杂度与空域中航空器冲突指标有强相关性 (相关系数大于0.90)；基于复杂度和复杂度阈值的航迹调整策略具备一定可行性。     

桥塔上风传感器安装位置对测量结果的影响

为探讨桥塔上风传感器安装位置对测量结果的影响,以计算流体力学大型商用软件Fluent为平台,采用有限体积法对计算域进行离散,基于k-湍流模型研究了桥塔附近的风场特性.分析了不同来流风速、不同来流风向下桥塔附近风观测点的风速、风向变化规律,给出了相应的风速修正系数和风向角修正值.研究结果表明:桥塔对测量结果的影响较大,桥塔上风传感器的安装位置应经过优化确定.风传感器位于迎风侧时,风速比值在0.45~1.30之间波动;位于背风侧时,风速比值在0.05~1.25之间波动.风传感器较优的安装位置为离塔1.0倍特征尺寸以上,且与来流方向的夹角在(45.0~56.5)范围内.      

考虑航段相关性的航路拥挤态势多模型 融合动态预测方法

研究航路交通拥挤状态动态实时预测问题,可为缓解航路交通拥挤,优化拥挤管控 策略提供科学的依据.首先,采用神经网络理论建立考虑航段相关性的交通流参数预测模型, 预测航段流量和航段密度参数;然后,运用多模型融合预测算法提高预测精度,基于模糊C均 值聚类算法和航段历史及预测交通流参数预测航段交通拥挤态势;最后,采用雷达实测航迹 数据验证模型的有效性.研究结果表明,本文建立的预测模型同时考虑了时间和空间因素,对 航路拥挤状态预测准确率达到82.29%,预测方法符合实际且对航路交通态势的预测具有应用 价值;同时考虑航段相关性影响和采用多模型融合预测算法能够明显提高预测精度.     

基于混杂系统理论的无冲突4D航迹预测

为增大空域容量,在战略航迹规划阶段,设定航空器爬升、下降和平飞3个飞行状态和7组高度和速度参数规划航空器4D航迹.基于不同航段的航空器动力学模型,采用混杂系统理论, 建立了不同航段之间的状态切换模型,以及同一航段内航空器质量、空速、高度和航程连续变化的航空器运行状态演化模型. 通过调整航空器到达时刻和飞行速度,规划了多航空器无冲突4D航迹.算例仿真结果表明,在满足航空器性能约束的前提下,用混杂系统递推法规划的航空器起飞4D航迹计算时间在3 s以内;这两个模型准确反映了航空器在水平剖面和垂直剖面内的飞行状态变化;本文提出的航空器无冲突航迹规划方法是有效的.      

相关航空器的冲突探测与调度研究

为了及时探测潜在冲突,保证调度的实施,在先到先服务(FCFS)及固定航路航迹预测条件下,对相关航空器进行冲突的探测,通过合理调度解脱冲突.文中提出最长公共子序列(LCS)思想的初步探测及基于4D航迹的再次探测方法,提高探测效率,以数据统计方法挖掘解脱路径用以冲突的解脱,以浦东机场进场航班实现仿真,验证冲突探测及调度的有效性.     

基于方位合成的异类传感器航迹数据融合算法

针对纯方位传感器与二维雷达量测空间不一致的航迹数据融合问题,提出了一种基于方位合成的异类传感器航迹数据融合算法.该算法以纯方位传感器承载平台为融合中心,计算雷达和纯方位传感器探测的目标航迹相对于同一坐标系的方位量测,并用一种近似方法计算方位精度;采用基于最优权值分配原则的加权平均法对方位进行合成,用合成的方位对雷达探测的目标航迹进行修正,并将修正后的航迹作为融合航迹.该算法在获得融合航迹的同时,给出了融合航迹的精度.仿真结果表明,与雷达航迹精度相比,融合航迹的精度平均提高25.23%.     

一个鲁棒性冲突解脱轨迹规划模型

针对固定航路飞行条件下高密度运行空域多航空器实时冲突解脱轨迹规划问题,为了获取高空风场数值及增强航空器冲突解脱轨迹的鲁棒性,根据航空器的运行状态构建了高空风场线性和非线性滤波模型.采用模型预测控制理论,通过将预测模型的校正过程转化为高空风场数值的滤波过程,在给各航空器设定解脱优先权重及考虑两类解脱变量物理约束条件的前提下,从航空器的动态协同特性出发,构造能够反映控制输入量优劣的指标函数,提出一种能够适应空域环境变化的冲突解脱航迹在线滚动规划方案.算例分析表明,所提出的在线解脱轨迹规划方案可行有效.     

基于改进UKF的BDS/IMU组合列车定位方法

为提高列车定位的精确性和连续性，采用北斗卫星接收机和惯性测量单元构建车载组合定位系统. 针对多传感器组合定位信息融合估计的非线性和鲁棒性需求，将抗差估计理论的等价权原理应用于标准无迹卡尔曼滤波（unscented Kalman filter，UKF）算法，构造了一种改进的UKF算法，通过对标准UKF算法的噪声协方差进行等价替换，从而起到调节滤波增益的作用，使得滤波算法对传感器观测粗差具有较强的抑制能力. 将改进的UKF算法与标准UKF算法应用于列车组合定位进行仿真比较，结果表明:传感器无观测异常时，改进UKF算法的滤波精度总体上略优于标准UKF算法；当传感器观测值含有随机粗差时，改进UKF算法的滤波精度及稳定性明显优于标准UKF算法，北向、东向位置平均估计误差分别降低了48.5%、48.8%，北向、东向速度平均估计误差分别降低了43.7%、48.9%.      

铁路轨道异物完整性检测与跟踪算法研究

针对野外复杂环境下轨道异物检测不完整问题,提出基于小波变换的像素过滤思想改进GMM,构建背景模型;为解决异物目标实施机动(转弯、加速或突然出现)时跟踪实时性差和准确率低的问题,分析Kalman滤波线性化误差,搭建BP神经网络修正 IMM的跟踪模型,实现轨道异物跟踪预测,并推导出非线性Kalman滤波关系.实验表明,改进GMM在正常天气下平均前景误检率降低了24.94个百分点,针对复杂恶劣天气平均前景误检率降低了33.76个百分点;建立BP神经网络-IMM-Kalman滤波模型不仅可以快速准确地对场景中的机动目标进行跟踪,而且比Kalman滤波和IMM更加平稳,误差更小.     

编队飞行中基于危险区域的后机最优位置研究

编队飞行是实现民航绿色发展的重要措施之一。在前机尾涡危险区域分析的基础上，科学确定后机最优位置是编队飞行的关键。首先，以随机两阶段尾涡消散模型为基础，利用Hallock-Burnham涡模型和诱导滚转力矩系数模型分析后机诱导滚转力矩系数的演变规律。然后，基于设定的安全阈值，给出前机尾涡危险区域，并考虑飞行高度、速度和风对危险区域的影响。最后，基于后机不同位置处的燃油流量减少率，得出编队飞行中后机最优位置。研究结果表明：后机诱导滚转力矩系数随着前、后机之间横向距离的增加，呈先增后减再增的趋势；随纵向距离的增加，呈先缓慢减小后快速减小的趋势；高度越高、速度越小，诱导滚转力矩系数的峰值越高。飞行高度越高、速度越小，前机初始尾涡的危险区域越大；随着纵向距离的增加，危险区域不断减小，并随涡核的下沉不断下降。侧风使危险区域发生偏离，侧风越大，偏离程度越大。顺风会增加危险区域的纵向距离，顶风则与之相反。两架B737-800飞机在12000 m高度以0.78马赫数进行编队飞行时，前、后机纵向距离3000m处，无风情况下后机最优位置为横向距离30 m 或-30 m、垂直距离29 m，此时燃油流量减少率为7.01%。相较于无风，左侧风20 m·s -1 下，燃油流量减少率和垂直距离不变，横向距离增加；顺风20 m·s -1 下，燃油流量减少率增加，横向距离不变，垂直距离减少；顶风20 m·s -1 下，燃油流量减少率减小，横向距离不变，垂直距离增加。     

飞机遭遇尾涡的安全性分析

分析了飞机遭遇尾涡后的响应机理,建立了飞机受扰诱导力矩计算模型;综合考虑飞机阻尼特性、反应时间以及操纵品质等因素,建立了飞机滚转参数计算模型;以抖动失速作为飞机遭遇尾涡后改出过程的坡度角极限,建立了可接受最大坡度角计算模型。采用Delphi7.0计算了给定尾涡流场条件下的飞机受扰后滚转参数和尾涡安全间隔,分析了飞机质量、速度、高度容差以及初始坡度角对飞行安全的影响。分析结果表明:在速度一定时,飞机质量越大,可接受最大坡度角越小;在相同质量情况下,安全间隔随速度增加而缓慢减小,随高度容差的减小而减小,随初始坡度角增大而增大;安全间隔计算结果与国际民用航空组织(ICAO)标准数据之间的最大偏差是1.56%,因此,计算方法正确。     

ADS-B历史飞行轨迹数据清洗方法

为有效解决广播式自动相关监视(ADS-B)历史飞行轨迹数据受地面站分布广度、地形阻挡、电磁干扰等影响而出现的各种字段数据异常情况, 建立了ADS-B数据清洗方法, 并将其分为确定清洗对象、字段去重、异常点清理和时间戳修正这4个步骤; 根据已有样本ADS-B历史数据各字段建立了航迹模型并进行有效性分析, 将时间戳、经度、纬度、气压高度和地速等字段定义为特征字段, 并作为清洗对象; 对ADS-B航迹点序列的时间戳、经度和纬度进行去重, 删除数据重复的相邻航迹点; 为提高清洗效率, 使用有噪声的密度聚类(DBSCAN)方法找出特征字段中的离群点, 并进行异常检测与修正; 为使航迹点状态变化符合质点运动学规律, 使用ADS-B航迹点的经度、纬度、气压高度和地速等字段数据修正时间戳, 并存入已扩展的修正后时间戳字段。研究结果表明: 516个样本航班中有97.58%的异常航迹点被有效识别并清理, 清洗后的航迹点状态更具有渐变性特征; 修正前后的总飞行历时存在10~600 s的差异; 时间戳修正效果主要依赖于地速的准确度, 在实际工程中可根据样本航迹的数据特点有选择地使用时间戳修正值; 建立的ADS-B数据清洗方法可为民用航空工程项目中的飞行轨迹分析、评估与计算等方面提供前期数据处理平台。      

基于密度峰值的终端区航迹聚类与异常识别

为有效解决高流量终端区内标准飞行模式、非标准飞行模式和异常飞行模式难以自动分离的问题，采用广泛记录的广播式自动相关监视(ADS-B)数据，构建了基于稳健深度自编码器(RDAE)和快速搜索并寻找密度峰值的聚类(CFSFDP)算法的航迹聚类模型; 使用RDAE降维提取终端区内航迹集的非线性特征，利用多种正则化手段约束内部低维流形，以重建更紧密的航迹并将其作为CFSFDP算法的输入，利用轮廓系数选取不同密度飞行模式的聚类中心，并调节边缘密度参数识别出异常航迹; 选取主成分分析(PCA)结合有噪声的空间密度聚类(DBSCAN)算法、动态时间规整(DTW)结合DBSCAN的2种常用航迹聚类模型作为对比项，分别在广州白云机场1 d的少量数据和45 d的大量数据上进行试验。分析结果表明:DTW与CFSFDP的结合模型在少量数据集上具有最优的航迹聚类性能，轮廓系数比对比项分别提升了62%和28%，且可以自动识别出遵循区域导航标准飞行模式的航班和特定环境下遵循管制偏好的非标准飞行模式的航班，识别异常航迹的精确度也分别提高了57%和10%;大量数据下，提出的RDAE结合CFSFDP模型的聚类性能比经典的PCA结合DBSCAN算法提升了13%，且具备可接受的时间复杂度。由此可见，建立的终端区飞行模式区分模型可为空域级交通流性能评估和航班级航迹预测与优化提供数据提取平台。