基于航迹运行的进港航班时隙自主协商分配系统及方法与流程

1.本发明属于空管自动化系统及进港航班管理技术领域，具体涉及一种基于航迹运行的进港航班时隙自主协商分配系统及方法。


背景技术：

2.基于航迹运行是国际民航组织发布的《全球航行计划》中航行系统组块升级各组成引线集成的总目标，空管自动化系统作为航空运输管理中地面信息系统的一份子，也将基于航迹运行作为发展的核心理念，以对航空器全生命周期的四维航迹为基础，在航空运输相关运营方(空管、航空公司、机场、航空器等)之间实时共享和动态维护航迹信息，实现多方协同决策，实现航班的精细化运行，提高空管系统运行保障能力和空中交通运行效率。
3.现行管制自动化系统未实现基于航迹运行的工作模式，民航局空管局自2015年启动基于航迹运行的概念验证，实施支持机载轨迹剖面(机载四维轨迹，包括飞行途径的航路点、过点高度、过点时间)下行、机载所需到达时间，地面管制到达时间发送等数字化服务研发和航空器试飞验证。
4.现有的管制自动化系统对航班下达进港时刻管制指令的方式，基本通过管制员的经验进行航班进港时刻的分配，以管制语音的方式发送；在支持基于航迹运行的管制自动化系统中，将管制语音的发送方式以地空数据链通信方式实现(管制语音同样保留)，仍然是凭管制经验进行进港时刻分配，未能实现对多航班降落时隙的自动分配，以及和机组的协商仍然是通过语音指令实施，未实现协同和自主。


技术实现要素：

5.针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于航迹运行的进港航班时隙自主协商分配系统及方法，以解决现有的管制自动化系统对航班下达进港时刻管制指令仍凭管制经验进行进港时刻分配的方式，未能实现对多航班降落时隙的自动分配的问题，以及与机组的协商仍然是通过语音指令实施，未实现协同和自主的问题。
6.为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
7.本发明的一种基于航迹运行的进港航班时隙自主协商分配系统，应用于空管自动化系统中，包括：地空数据处理模块、飞行数据处理模块和进港航班管理模块；
8.地空数据处理模块，用于接收管制员和驾驶员数据链通信信息、合同式自动相关监视信息，将合同式自动相关监视信息中机载航迹剖面数据传输至飞行数据处理模块；
9.飞行数据处理模块，根据航班计划、航空器性能参数、实时环境数据对航班进行四维航迹预测，生成四维航迹剖面，并根据航班下行输出至空管自动化系统的机载航迹剖面数据对四维航迹剖面进行修正，将修正后的四维航迹剖面数据发送给进港航班管理模块；
10.进港航班管理模块，用于对交汇点/航路点的航班序列进行时隙分配，若航班到点时刻不满足安全间隔、流量限制约束，需要进行时隙调整，且该航班支持四维航迹管理，则发送航班到指定交汇点/航路点所需到达时间申请请求给地空数据处理模块，获取满足航
空器性能的到点时间用于空管自动化系统对该航班的时隙调整参考；若需调整时隙的航班不支持四维轨迹管理，则通过甚高频话音系统进行协商；
11.地空数据处理模块将接收到的航班到指定交汇点/航路点所需到达时间申请请求发送至航班的机载端，并接收机载端返回的航班到指定交汇点/航路点所需到达时间；地空数据处理模块将航班到指定交汇点/航路点所需到达时间发送给进港航班管理模块；
12.进港航班管理模块根据航班到指定交汇点/航路点所需到达时间和时隙分配，得到符合所需到达时间，并向地空数据处理模块发送所需到达时间给机载端；若在所需到达时间内无可用时隙分配，则给出可用的进港时隙，并告知管制员该进港时隙和机载意图不符合。
13.进一步地，所述时隙分配指基于飞行数据处理模块提供的四维航迹剖面中到点时刻进行航班排序，以先到先服务、两航班间隔不小于雷达间隔、满足流量限制条件、满足跑道分配策略进行航班序列和时隙管理。
14.本发明的一种基于航迹运行的进港航班时隙自主协商分配方法，基于上述系统，步骤如下：
15.1)接收航班的机载端发送的建链请求；
16.2)空管自动化系统同意建链；
17.3)飞行数据处理模块根据航班计划、航空器性能参数、实时环境数据对航班飞行过程进行四维航迹预测，形成四维航迹剖面；根据步骤2)中航班和空管自动化系统成功建立的空链接标识航班计划属性：航班具备四维轨迹能力；解析机载剖面数据进行四维航迹剖面的修正；
18.4)接收航班的机载端发送的机载航迹剖面数据；
19.5)对指定交汇点/航路点经过的航班序列进行到达点排序，并根据过点序列中航班更新的四维航迹同步更新过点序列，包括过点时间；
20.6)进港航班时隙管理模块产生对航班序列中具备四维轨迹能力的航班发送到指定交汇点/航路点所需到达时间申请请求，并发送至航班的机载端；
21.7)接收航班的机载端发送的到达交汇点/航路点的所需到达时间；
22.8)地空数据处理模块将所需到达时间信息进行数据解析(即将标准协议格式转换成系统内部格式)；
23.9)进港航班时隙管理模块对过点航班序列以先到先服务原则进行进港航班时隙分配，对具备四维轨迹能力的航班进行基于航空器性能(到点时间范围)的时隙调整，若该航班的进港航班时隙分配的时间与机载端发送的所需到达时间相交，则取相交时间作为管制到达时间发送给机载端；若无相交，则发送根据飞行计划先到先服务原则分配的到点时间作为管制到达时间给机载端；
24.10)接收机载端发送的是否能够在管制到达时间到达指定点的执行结果；
25.11)进港航班时隙管理模块在具备四维轨迹能力的航班标签上标记过点时刻是否被机载端确认，并进行区分(采用颜色标记进行区分)；
26.12)机载端接受并执行管制到达时间，更新机载航迹剖面并发送剖面数据至地面空管自动化系统；
27.13)飞行计划处理模块根据机载航迹剖面数据修正空管自动化系统中对应航班的
四维航迹。
28.进一步地，所述步骤10)具体包括：
29.若能够在管制到达时间(当满足机载性能或机长同意在管制到达时间)到达指定点时，则机载端发出同意执行结果，并更新机载航迹剖面数据；若不能在管制到达时间到达指定点，则机载端发出拒绝执行结果。
30.所述机载性能表示航空器的性能参数，包括型号、翼展、机长、载客数、商载重量、油箱容量、最大起飞总重、最大载重航程、最大燃油航程、发动机数量、发动机能力(最大推力等)、最高飞行高度、最大巡航速度、各高度层的经济速度、上升下降率等。
31.进一步地，所述步骤3)具体包括：解析机载剖面数据中飞行航线中航路点的到达高度、时刻，将空管自动化系统计算的四维航迹剖面中相同航路点中的高度、时刻修改为机载剖面中高度和时刻数据；空管自动化系统中相同航班飞行剖面中航路点未在机载剖面中，根据该航路点前被机载剖面数据修改的航路点过点高度、速度、航向信息进行轨迹推算或差值计算。
32.本发明的有益效果：
33.本发明对空管自动化系统中进港航班时隙管理实现了基于航迹运行的运行模式，实现了时隙管理的智能化、自主化；本发明实现了基于航迹运行的时隙分配，将传统的语音地空管制指挥方式转变为空地协同下地空系统间自主协商，完成进港航班时隙分配和确定，无需管制员干预。
34.本发明实现了空地信息的共享、地空管制协同，实现了管制效率的提升；通过数字化信息交互避免了语音口音、表述不清造成的错误理解的风险，保障且增强了管制安全。
附图说明
35.图1为本发明系统的结构原理图。
36.图2为本发明方法的原理图。
具体实施方式
37.为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
38.参照图1所示，本发明的一种基于航迹运行的进港航班时隙自主协商分配系统，应用于空管自动化系统中，包括：地空数据处理模块、飞行数据处理模块和进港航班管理模块；
39.地空数据处理模块，用于接收管制员和驾驶员数据链通信(cpdlc)信息、合同式自动相关监视(ads-c)信息，将ads-c信息中机载航迹剖面数据传输至飞行数据处理模块；
40.飞行数据处理模块，根据航班计划、航空器性能参数、实时环境数据对航班进行四维航迹预测，生成四维航迹剖面，并根据航班(航空器)下行输出至空管自动化系统的机载航迹剖面数据对四维航迹剖面进行修正，将修正后的四维航迹剖面数据发送给进港航班管理模块，修正具体表现为：
41.解析机载剖面数据中飞行航线中航路点的到达高度、时刻，将空管自动化系统计算的四维航迹剖面中相同航路点中的高度、时刻以机载剖面中高度和时刻数据替换；空管
自动化系统中相同航班飞行剖面中航路点未在机载剖面中，根据该航路点前被机载剖面数据修改的航路点过点高度、速度、航向信息进行轨迹推算或差值计算，得出此类航路点高度、速度和时间数据。
42.四维航迹预测过程：
43.(1)二维航迹模型：根据航班计划中飞行航路进行飞行航线处理，飞行航路如：a route1b route2 c route3 d(其中a、b、c、d为航路点，route为航路，route1、route2、route3为不同的航路，航路点为前后航路中的点)，起飞机场为depad(departure airport)，降落机场为arrad(arrival airport)；将飞行航路拆分成系列航路点组成，如：
[0044]“a route1 b route2 c route3 d”拆分为如下航路点序列：
[0045]“depad a roue1a roue1b roue1c roue1d b roue2a roue2b roue2c c roue3a roue3b carrad”，其中机场和航路点在航行资料库中有位置坐标数据。
[0046]
(2)三维航迹模型：根据飞行电报中巡航高度和飞行航线中要求过点高度，同时参考民航4444号文件管制移交高度，形成三维(x/y坐标和高度)航迹剖面。
[0047]
(3)四维航迹模型：基于bada(base of aircraft data)航空器性能数据(一组以美国咨询交换标准码组成的资料，包含了超过399种机型航空器有关操作性能参数及航空公司程序参数等数据)，参考航空器气动模型、推力模型、油耗模型和运动学模型，将三维航迹模型中补充离场阶段、进场阶段的起飞、降落台阶高度变化，分别构建水平模型和垂直模型；引入高空风数据(grib2)与航空器航向、地速进行矢量叠加；根据航程、矢量速度、高度、上升下降率计算飞行航线各航路点到达时间，形成四维航迹剖面。
[0048]
(4)四维航迹修正：航空器在飞行过程，根据实际高度、速度、管制指令形成的飞行预判和气象影响对航程、矢量速度、高度、上升下降率等参数影响，触发四维航迹剖面重新计算，形成更新后的四维航迹剖面。
[0049]
进港航班管理模块，用于对交汇点/航路点的航班序列进行时隙分配，若航班(航空器)到点时刻不满足安全间隔、流量限制约束，需要进行时隙调整，且该航班支持四维航迹管理(即航空器支持地空数据链通信、能够下传航迹剖面信息、满足航空器-管制系统的到达时刻协商)，则发送航班到指定交汇点/航路点所需到达时间申请请求给地空数据处理模块，获取满足航空器性能的到点时间用于空管自动化系统对该航班的时隙调整参考；若需调整时隙的航班不支持四维轨迹管理，则通过甚高频话音系统进行协商；
[0050]
地空数据处理模块将接收到的航班到指定交汇点/航路点所需到达时间申请请求发送至航班的机载端，并接收机载端返回的航班到指定交汇点/航路点所需到达时间；地空数据处理模块将航班到指定交汇点/航路点所需到达时间发送给进港航班管理模块；
[0051]
进港航班管理模块根据航班到指定交汇点/航路点所需到达时间和时隙分配，得到符合所需到达时间，并向地空数据处理模块发送所需到达时间给机载端；若在所需到达时间内无可用时隙分配，则给出可用的进港时隙，并告知管制员该进港时隙和机载意图(即航班输出的所需到达时间)不符合；
[0052]
进港航班管理模块根据四维航迹计算结果，能够在某一需排序管理的航路点point上建立一定时间范围内预计经过的航班序列(根据四维航迹计算的航班途径飞行航线中每个航路点的预计到达时间为参考)，此时的序列中各航班之间时间间隔未能满足安全间隔规定、流量限制约束，或者不是最优间隔，需要进行时隙分配。
[0053]
进港航班管理模块根据过航路点point的航班“先到先服务”的策略，将安全间隔、流量限制转成时间约束条件，其中前后机安全间隔要求遵循民航局尾流间隔分类标准(recat-cn)、雷达安全间隔等要求，航班满足流量限制，采用公平分配算法，处理空域流量限制、航线流量限制、航向流量限制等，将流量限制同等计算为间隔时隙要求、等待、备降等策略，和安全间隔同时进行时隙计算，同时考虑时隙资源平衡优化策略，在一定时间范围内航班序列均匀分布，提升空域使用率。
[0054]
进场航班管理(arrival manager,aman)，是一种决策支持工具(decision support tools)，其为进场的飞机实现机器排序，并把排序结果送给各个管制员执行，实现航班的进港管理；同时也是基于航迹运行(tbo,trajectory based operation)的一种工具。
[0055]
进场航班管理通过接收航班飞行计划报与航班的实时雷达数据，利用四维航迹预测算法，推测进港航班的预计过点时间与预计落地时间；利用排序算法得到满足人为约束规则，同时满足一些优化方法的最优航班队列，并将该队列在人机交互界面上显示出来。管制员可以遵照执行或者根据实际需要，对进港队列实现更改，系统将会根据人工干预信息，重新计算航班的预计飞行轨迹与排序队列，再次给出最佳进港方案，以减少飞行冲突，减少人工排序航班带来的随意性，提高跑道与空域的利用率。
[0056]
进场航班管理通过接收航班飞行计划报、航班的实时雷达数据和机载下行的位置数据、状态数据，以当前的飞行航线、飞行高度、飞行速度、上升下降率、航空器重量，应用动力学模型、航空器性能参数项修正四维航迹预测剖面，形成更新的四维剖面数据，其中包括进港航班的预计过点时间与预计落地时间。
[0057]
其中，所述时隙分配指基于飞行数据处理模块提供的四维航迹剖面中到点时刻进行航班排序，以先到先服务、两航班间隔不小于雷达间隔、满足流量限制条件、满足跑道分配策略进行航班序列和时隙管理。
[0058]
参照图2所示，本发明的一种基于航迹运行的进港航班时隙自主协商分配方法，基于上述系统，步骤如下：
[0059]
1)接收航班的机载端发送的建链请求；
[0060]
2)空管自动化系统同意建链；
[0061]
3)飞行数据处理模块根据航班计划、航空器性能参数、实时环境数据对航班飞行过程进行四维航迹预测，形成四维航迹剖面；根据步骤2)中航班和空管自动化系统成功建立的空链接标识航班计划属性：航班具备四维轨迹(4dt)能力；解析机载剖面数据进行四维航迹剖面的修正；
[0062]
其中，解析机载剖面数据中飞行航线中航路点的到达高度、时刻，将空管自动化系统计算的四维航迹剖面中相同航路点中的高度、时刻修改为机载剖面中高度和时刻数据；空管自动化系统中相同航班飞行剖面中航路点未在机载剖面中，根据该航路点前被机载剖面数据修改的航路点过点高度、速度、航向信息进行轨迹推算或差值计算。
[0063]
4)接收航班的机载端发送的机载航迹剖面数据；
[0064]
5)对指定交汇点(进港点)/航路点经过的航班序列进行到达点排序，并根据过点序列中航班更新的四维航迹同步更新过点序列，包括过点时间；
[0065]
6)进港航班时隙管理模块产生对航班序列中具备四维轨迹能力的航班发送到指
定交汇点/航路点所需到达时间申请请求，并发送至航班的机载端；
[0066]
7)接收航班的机载端发送的到达交汇点/航路点的所需到达时间；
[0067]
8)地空数据处理模块将所需到达时间信息进行数据解析(即将标准协议格式转换成系统内部格式)；
[0068]
9)进港航班时隙管理模块对过点航班序列以先到先服务原则进行进港航班时隙分配，对具备四维轨迹能力的航班进行基于航空器性能(到点时间范围)的时隙调整，若该航班的进港航班时隙分配的时间与机载端发送的所需到达时间相交，则取相交时间作为管制到达时间发送给机载端；若无相交，则发送根据飞行计划先到先服务原则分配的到点时间作为管制到达时间给机载端；
[0069]
10)接收机载端发送的是否能够在管制到达时间到达指定点的执行结果；
[0070]
若能够在管制到达时间(当满足机载性能或机长同意在管制到达时间)到达指定点时，则机载端发出同意执行结果，并更新机载航迹剖面数据；若不能在管制到达时间到达指定点，则机载端发出拒绝执行结果。
[0071]
所述机载性能表示航空器的性能参数，包括型号、翼展、机长、载客数、商载重量、油箱容量、最大起飞总重、最大载重航程、最大燃油航程、发动机数量、发动机能力(最大推力等)、最高飞行高度、最大巡航速度、各高度层的经济速度、上升下降率等。
[0072]
11)进港航班时隙管理模块在具备四维轨迹能力的航班标签上标记过点时刻是否被机载端确认，并进行区分(采用颜色标记进行区分)；
[0073]
12)机载端接受并执行管制到达时间，更新机载航迹剖面并发送剖面数据至地面空管自动化系统；
[0074]
13)飞行计划处理模块根据机载航迹剖面数据修正空管自动化系统中对应航班的四维航迹。
[0075]
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于航迹运行的进港航班时隙自主协商分配系统，应用于空管自动化系统中，其特征在于，包括：地空数据处理模块、飞行数据处理模块和进港航班管理模块；地空数据处理模块，用于接收管制员和驾驶员数据链通信信息、合同式自动相关监视信息，将合同式自动相关监视信息中机载航迹剖面数据传输至飞行数据处理模块；飞行数据处理模块，根据航班计划、航空器性能参数、实时环境数据对航班进行四维航迹预测，生成四维航迹剖面，并根据航班下行输出至空管自动化系统的机载航迹剖面数据对四维航迹剖面进行修正，将更新后的四维航迹剖面数据发送给进港航班管理模块；进港航班管理模块，用于对交汇点/航路点的航班序列进行时隙分配，若航班到点时刻不满足安全间隔、流量限制约束，需要进行时隙调整，且该航班支持四维航迹管理，则发送航班到指定交汇点/航路点所需到达时间申请请求给地空数据处理模块，获取满足航空器性能的到点时间用于空管自动化系统对该航班的时隙调整参考；若需调整时隙的航班不支持四维轨迹管理，则通过甚高频话音系统进行协商；地空数据处理模块将接收到的航班到指定交汇点/航路点所需到达时间申请请求发送至航班的机载端，并接收机载端返回的航班到指定交汇点/航路点所需到达时间；地空数据处理模块将航班到指定交汇点/航路点所需到达时间发送给进港航班管理模块；进港航班管理模块根据航班到指定交汇点/航路点所需到达时间和时隙分配，得到符合所需到达时间，并向地空数据处理模块发送所需到达时间给机载端；若在所需到达时间内无可用时隙分配，则给出可用的进港时隙，并告知管制员该进港时隙和机载意图不符合。2.根据权利要求1所述的基于航迹运行的进港航班时隙自主协商分配系统，其特征在于，所述时隙分配指基于飞行数据处理模块提供的四维航迹剖面中到点时刻进行航班排序，以先到先服务、两航班间隔不小于雷达间隔、满足流量限制条件、满足跑道分配策略进行航班序列和时隙管理。3.一种基于航迹运行的进港航班时隙自主协商分配方法，基于权利要求1-2中任意一项所述的系统，其特征在于，步骤如下：1)接收航班的机载端发送的建链请求；2)空管自动化系统同意建链；3)飞行数据处理模块根据航班计划、航空器性能参数、实时环境数据对航班飞行过程进行四维航迹预测，形成四维航迹剖面；根据步骤2)中航班和空管自动化系统成功建立的空链接标识航班计划属性：航班具备四维轨迹能力；解析机载剖面数据进行四维航迹剖面的修正；4)接收航班的机载端发送的机载航迹剖面数据；5)对指定交汇点/航路点经过的航班序列进行到达点排序，并根据过点序列中航班更新的四维航迹同步更新过点序列，包括过点时间；6)进港航班时隙管理模块产生对航班序列中具备四维轨迹能力的航班发送到指定交汇点/航路点所需到达时间申请请求，并发送至航班的机载端；7)接收航班的机载端发送的到达交汇点/航路点的所需到达时间；8)地空数据处理模块将所需到达时间信息进行数据解析；9)进港航班时隙管理模块对过点航班序列以先到先服务原则进行进港航班时隙分配，对具备四维轨迹能力的航班进行基于航空器性能的时隙调整，若该航班的进港航班时隙分
配的时间与机载端发送的所需到达时间相交，则取相交时间作为管制到达时间发送给机载端；若无相交，则发送根据飞行计划先到先服务原则分配的到点时间作为管制到达时间给机载端；10)接收机载端发送的是否能够在管制到达时间到达指定点的执行结果；11)进港航班时隙管理模块在具备四维轨迹能力的航班标签上标记过点时刻是否被机载端确认，并进行区分；11)机载端接受并执行管制到达时间，更新机载航迹剖面并发送剖面数据至地面空管自动化系统；13)飞行计划处理模块根据机载航迹剖面数据修正空管自动化系统中对应航班的四维航迹。4.根据权利要求3所述的基于航迹运行的进港航班时隙自主协商分配方法，其特征在于，所述步骤10)具体包括：若能够在管制到达时间到达指定点时，则机载端发出同意执行结果，并更新机载航迹剖面数据；若不能在管制到达时间到达指定点，则机载端发出拒绝执行结果。5.根据权利要求3所述的基于航迹运行的进港航班时隙自主协商分配方法，其特征在于，所述步骤3)具体包括：解析机载剖面数据中飞行航线中航路点的到达高度、时刻，将空管自动化系统计算的四维航迹剖面中相同航路点中的高度、时刻修改为机载剖面中高度和时刻数据；空管自动化系统中相同航班飞行剖面中航路点未在机载剖面中，根据该航路点前被机载剖面数据修改的航路点过点高度、速度、航向信息进行轨迹推算或差值计算。

技术总结
本发明公开了一种基于航迹运行的进港航班时隙自主协商分配系统及方法，应用于空管自动化系统中，系统包括：地空数据处理模块、飞行数据处理模块和进港航班管理模块；本发明对空管自动化系统中进港航班时隙管理实现了基于航迹运行的运行模式，实现了时隙管理的智能化、自主化；本发明实现了基于航迹运行的时隙分配，将传统的语音地空管制指挥方式转变为空地协同下地空自主协商，完成进港航班时隙分配和确定，无需管制员干预。无需管制员干预。无需管制员干预。


技术研发人员：祁伟 席玉华 靳学梅 叶鑫鑫 雷馥鸣 黄秋华 周小数 刘成杰 孟田华
受保护的技术使用者：南京莱斯信息技术股份有限公司
技术研发日：2022.12.26
技术公布日：2023/5/16