内容简介
在大规模计算系统内对物理飞行空间进行离散化建模与数字化编码,构建由数字空域网格单元有序衔接而成的数字化模型,是开展空域赋值计算的基础,为动态管理空中交通运行与测度用空安全线等提供了一种全新的时空框架。《空域建模计算与控制》提出了一套现代空域管理关键技术框架与空域网格单元数字化建模方法,阐述其基础概念、研究进展及赋值计算思路,并重点展开交通空域描述测度法则、交通航迹运行控制及飞行安全风险模型等研究,创新发展了数字化空域建模与数值计算方法,为构建现代数字化空域系统理论体系提供参考。《空域建模计算与控制》内容新颖,体系完整,深入浅出,理论性强,注重实际应用,充分反映了近年来国际国内空域管理领域的基础理论研究成果。
目录
目录
前言
第1章概述1
1.1研究背景与需求1
1.1.1研究背景1
1.1.2科学需求4
1.2数字化空域理念7
1.2.1基本内涵7
1.2.2关键技术9
1.3国内外研究进展13
1.3.1进展综述14
1.3.2发展趋势45
1.4本书的主要内容48
参考文献48
第2章空域网格单元建模51
2.1基本概念定义51
2.2网格划分编码52
2.2.1相关研究概述53
2.2.2球面划分模型55
2.2.3高度划分模型73
2.3编码转换关系76
2.3.1全局与局部转换76
2.3.2编码与矩阵转换77
参考文献80
第3章空域描述测度方法82
3.1空域描述方法82
3.1.1空域结构对象82
3.1.2空域航迹对象87
3.1.3空域数据对象97
3.2空间代数法则100
3.2.1代数法则定义101
3.2.2空间关系判断102
3.2.3计算方法应用108
3.3空域赋值计算113
3.3.1赋值计算法则113
3.3.2空域网格赋值117
3.3.3计算方法应用121
参考文献126
第4章交通航迹运行控制127
4.1交通航迹预测模型127
4.1.1飞机性能模型构建129
4.1.2航迹预测具体方法133
4.1.3基于大气模型修正142
4.1.4基于机载数据修正148
4.2战术阶段航迹规划149
4.2.1航迹规划理论模型149
4.2.2规划机器学习算法154
4.3战术阶段间隔控制182
4.3.1冲突识别消减模型183
4.3.2冲突决策机器学习191
参考文献200
第5章安全风险评估模型203
5.1安全风险测量203
5.1.1危险因素识别203
5.1.2风险指标体系206
5.1.3无量纲化处理208
5.1.4确立指标权重210
5.2安全风险识别212
5.2.1风险瓶颈识别212
5.2.2航迹数据处理217
5.3安全间隔评估225
5.3.1危险碰撞概率225
5.3.2间隔评估算例228
5.4紧密包络模型232
5.4.1紧密包络概念232
5.4.2建模计算方法233
参考文献239
试读
第1章 概述
随着电子信息技术进一步发展,普适计算(Ubiquitous Computing)将计算和信息服务以适合人们使用的方式,嵌入大众生活的物理空间,以往相互隔离的信息空间和物理空间已相互融合在一起。融合空间内人们可随时随地透明获取计算与信息服务,支持不同尺度的信息物理融合应用与计算控制,形成具有智能行为的智能空间(Smart Space),智能空间是一种由嵌入计算、信息设备和多模态传感装置等综合集成技术体系构成的物理或数字环境,具有自然便捷的交互接口,可支持更沉浸式、更交互式、更自动化的计算系统服务获取。智能空间的概念及其技术体系的发展,拓展了人们对物理时空的传统认知,即时空本质是连续一体的,并同信息空间存在交叠与相互映射关系,两者的融合管理控制,可进一步增强信息技术对现有物理空间活动的管理控制能力。据此我们根据当前国际国内空中交通管理技术发展,针对空域管理面临的问题及新技术需求,提出了数字化空域系统(Digital Airspace System)概念,通过开展全新的空域数字化建模,形成空中交通管理的信息物理融合空间,并在该空间内利用信息技术进行空域重构,目的是利用当前快速发展的大规模计算技术等,对空域管理结构和运行控制模式进行研究分析、计算决策和使用配置,*终建立新型空中交通管理四维时空框架,形成一套较为完善的数字空域管理控制理论方法,从而为空中交通管理实现空域与空中交通流量、交通管制自适应协同运行奠定理论基础。
1.1 研究背景与需求
1.1.1 研究背景
进入21世纪以来,新一轮科技革命和产业革命正在孕育,全球科技发展呈现新的发展态势和特征。主要表现为:传统学科持续发展,学科交叉融合加速;新兴学科不断涌现,前沿领域不断延伸。由此,以绿色和智能为特征的群体性技术革命,以及不同技术领域跨域融合再创新的常态化,为空中交通管理和战场空域管制领域发展带来更多可能;航空武器装备信息化水平阶段性提升及智能战争的到来,促使交通空域管理和战场空域管制的组织形态必须适应新技术发展,为创建新型管理理论方法和系统技术提供了无限可能;网络联接、协同决策、多维时空综合等技术应用,及建立大联接、大数据、大协同模式的空域管理创新范式悄然兴起,必将克服传统空中交通管理模式存在的空域静态分割管理、固定使用、容量受限、效率不高、脆弱性大的弊端,提升交通空域管理和战场空域管制能力,拓展形成空天地一体化的时空动态高效管理新模式,支撑今后空中智能交通和智能空战管控新时代的到来。
根据国际民航组织(International Civil Aviation Organization,ICAO)[1]定义,空中交通管理是确保飞机在所有飞行阶段安全和高效的空基和地基功能系统的综合,包括空中交通服务、空域管理和交通流量管理及航空通信、导航、监视等,它们支撑着空中交通管理所需的基本要求,即防止航空器地面或空中相撞,加速空中交通流,维护空中交通秩序。
空中交通管理技术发展目前已经历了如下阶段:**阶段,航空起始阶段,通信、监视主要依靠目视,导航需要依靠信号灯与信号旗,飞行过程中完全依靠地标飞行;从1934年开始进入第二阶段,无线电通信开始得到广泛应用,无线电技术承担着飞机通信、导航以及监视的功能,飞行过程中建立了程序管制模式;第三阶段1945年到1988年,雷达以及二次雷达开始应用于航空领域,对于飞机的监视和管制开始依靠雷达实施,飞机的飞行开始依靠仪表飞行规则,这种模式一直持续沿用至今;1989年到2012年,全球飞行和跨洲际飞行开始兴起,卫星导航开始在航空领域应用,对飞机开始实行基于数据链的数字化管制及基于卫星建立的自动相关监视,空管系统功能开始趋向综合化,在采用雷达管制的同时,不断加快基于卫星的新技术应用;从2012年至今,随着全球飞行量的剧增,航空通信技术开始由窄带通信逐渐向宽带通信网过渡,导航技术从卫星导航和惯性导航逐渐向多元综合导航融合增强发展,监视技术也由单一雷达监视向多体制的综合监视过渡(二次雷达、自动相关监视与多点定位等),空中交通管理技术向着协同、精细和智慧迈进,空域系统及其容量、可靠性、完好性、可用性得到进一步提高。
随着空中交通管理的规模和复杂性日益增加,国际民航组织在其第11次航行会议上,提出空管总系统性能概念,认为空中交通管理是一个服务于社会的复杂系统,所有的利益相关方对于空中交通管理该如何提供服务都有着各自的期待,各方面的期待共同构成了空域用户表达需求的基础,并在较高层面上与空中交通管理应该达到的性能要求相对应。由于各方对空中交通管理的性能要求不同,所以要从所需性能出发,制定航空通信、导航、监视相应规则,而不再强调采用的具体设备种类等,这样就为各国及各方研究升级相应功能设备或系统提供了遵循的原则。目前基于性能的导航(Performance Based Navigation,PBN)[2]是国际民航组织在整合各国需求和区域导航系统(Area Navigation ,RNAV) 、所需导航性能(Required Navigation Performance,RNP)[3]运行实践和技术标准的基础上,提出的一种新型运行概念,它将航空器的机载设备能力与卫星导航及其他先进技术结合起来,涵盖了从航路、终端区到进近着陆的所有飞行阶段,综合提出性能要求,从而建立更精确和安全的飞ommunication and Surveillance,PBCS)作为国际民航组织提升航空通信和监视性能的运行概念,建立了一套从地面设备、传输网络、机载设备性能、管制员和机组通信交互与响应等,各环节应用所需的通信性能(Required Communication Performance,RCP)和所需监视性能(Required Surveillance Performance,RSP)规范,来确保航空通信和监视能力达到相应的要求。
综合上述特点情况,空中交通管理技术有如下发展趋势:①在航空通信方面,今后发展方向主要是由语音通信向数字通信、窄带通信向宽带通信、数据链通信向通信网络过渡,涉及的主要技术有卫星通信、宽带通信、网络通信、数字语音等,典型场景是空中交通服务设备间高速数据通信、机场场面数据链服务等。②在航空导航方面,今后发展方向主要由机载导航、地面导航、卫星导航过渡到多频率多星座卫星导航及多元导航的融合增强,涉及的主要技术有全球卫星导统、多模式组合导航及基于性能的融合导航,典型场景是实现基于航迹运行及连续上升下降等。③在航空监视方面,今后发展方向主要由单一数据源监视过渡到多数据源融合综合监视,涉及的技术有广域多点定位、自动相关监视、机载情景意识、机载间隔管理、综合监视应用等,典型场景是全球地空监视、自主间隔保持、四维航迹运行等。④在运行网络方面,今后发展方向主要由点对点的空中交通服务机构间数据通信,过渡到以网络为中心的运行,涉及的技术主要是全系统信息管理,典型场景是空中交通信息共享、虚拟空中交通服务设施等。⑤在机载系统方面,今后发展方向主要从机载航电系统相互*立过渡到综合一体化、支持基于航迹运行的集成化系统,实现机载空管航电与空管体系综合集成与飞行联网等,涉及的技术主要是机载全系统信息管理、支持四维航迹运行的航电系统及综合监视、相关监视、感知与告警、交通防撞与告警、视景增强与合成等,典型场景是空地一体化的四维航迹运行。
空中交通管理技术发展,逐渐将物理飞行空间同空中交通管理信息空间融合,实现一体化运行管理控制,构成全新的空天地一体化、综合化、可视化的数字化空域系统,从而为更加安全、更加密集、更加灵活的空中交通运行提供全面支撑。在数字化空域系统内,航空装备将走向协同化、精细化和智慧化。协同化实质是互联共享、协同决策,重点是全系统信息共享并实现以网络为中心的基础设施服务。信息交换模式将从点对点传输逐步过渡到网络传输,大幅降低成本。同时统一处理各种类型、结构和协议的信息,支持各类综合应用,让航空器、空中交通服务提供商、航空单位、机场、军方等部门即查即用地获得所需信息。精细化实质是性能驱动、多元精准,重点是基于四维航迹运行,涉及面向定时到达的机载四维飞行引导、飞机航迹运行的全生命周期管理、航迹运行数字化管制、基于异构网络的空中交通环境监视与态势共享等。智慧化实质是局部自治、系统可控,重点是实现有人/无人飞机空域混合运行及航空器飞行智能化。今后空域运行将从现在无人机受到严格政策限制,逐步过渡到无人机完全融入空域系统,包括中高空的运输航空器飞行空域及低空的通用航空器飞行空域、全空域的军事航空器飞行空域等,涉及航空通信与控制链路、感知-避撞等。同时,大数据时代对智能空中交通管理技术发展提出新要求,需要解决如何从多源异构的实时海量信息中挖掘出面向空中交通运行改善的信息要素和知识资源等重要问题,实现空中交通运行态势的精确感知和智能化调控,综合通过航空电子、机载通信单元、智能一体化终端、人机功效协同融合等实现数字化空域系统。
1.1.2 科学需求
1.空域管理传统方法面临的困境
通过总结归纳在一定的时空性能体系之下,组织实施空中交通管理和战场空域管制,即平时空域管理和战时空域管理,并在平战一体与军民融合需求前提下,我们得出如下三方面传统的空域系统理论方法面临的困境与难题。
(1)空域固定划分管理困境。传统空域管理主要采用空间分割的固定划分管理模式,对空域分类主要根据航空器飞行空管准入要求,提出对机载设备、运行管理和管制的遵守规则,细分不同种类空域进行有针对性的运行管理与控制,包括空域划设调整程序、运行保障设施建设、使用审批及对社会公众开放条件等,形成一套基于需求和规则的规范化空域管理业务模式。这种管理模式,适合飞行量少的空域管理,它能很好地保证各类空域使用的安全性,但随着空中交通量和飞行种类的增加,其运行效率快速下降,尤其随着航空器和地面运行保障系统自动化程度的进一步提升,其弊端开始显现,出现了因设备性能不一致或难以达到高性能要求,就被隔离或不准进入特定空域,从而出现特定空域飞行的高密度与周边附近空域的低密度,带来空域使用和飞行分布的不均衡性。由此当空中交通时空位置控制越来越精确,继续分割管理空域,一方面不能更大效能地发挥出航空自动化技术优势,另一方面限制了空中交通飞行的灵活自由度。此时必须将固定划分管理的空域重新整合为一体化的连续空间,围绕飞行需求和*佳路径动态供给空域使用,解决固定划分空域使用低效率的问题。必须转变固定划分使用空域的模式,实现按照交通流与飞行需求,构建动态的空域结构组织形态,实现按需灵活飞行。
(2)高密度飞行复杂管制难题。随着航空普及化时代的到来空中交通密度呈快速增长态势。大城市周边空域逐渐形成了空中交通高密集区,传统以管制员为中心的调配控制策略难以满足高密度管制需求,因此提高交通管制自动化程度,实现计算机辅助开展空中交通调配控制策略生成等成为研究热点。当前面临着如何精细确定交通管制扇区结构,精准测算空域容量及扇区容量,精密供给空中交通空域使用,以及需要围绕空中交通流的分合关系及疏密程度等,动态调整优化空域使用边界,实现空域容量与空中交通需求相匹配,并满足规定的空中交通安全等级要求;面临着探测识别空中交通运行冲突,尤其从战略层面、预战术和战术层面,解脱飞行冲突,有效化解高密度飞行冲突解脱涉及的级联效应问题,需综合考虑空域与交通流量协同一体化控制问题;面临着战略层面空域灵活结构设计,实现空中交通运行尽量沿着预先规划或飞行员意图实施,避开大范围气象扰动,并减小对交通运行干扰,从而*大限度地实现空中交通高效运行控制,提高节能环保效应。对此我们必须发展新型的空域管理控制原理方法,针对传统空中交通管理技术架构不能适应高密度飞行复杂管制需求,修正技术架构,重构技术原理,发展新技术方法。
(3)联合作战空域管理难题。平时空中交通管理主要是受控的航空器对象,联合作战空域管理对象,不仅包括受控航空器对象,还包括航天发射及再入飞