速度剖面

飛行速度剖面是指航空器在飛行過程中飛行速度與航程的二維圖像軌跡。不考慮航空器在各個航路點的轉彎動作，僅考慮在不同航路點之間速度的變化，且假設轉彎過程為勻速飛行，因此整個飛行階段可以等效為不同航路點之間速度變化的直線飛行。飛行速度剖面反映了空速大小隨航程的變化情況。

基本介紹

• 中文名：速度剖面
• 外文名：velocity profile
• 一級學科：航空航天
• 二級學科：航空原理
• 類型：飛行術語
• 定義：飛行速度與航程的二維圖像軌跡

背景

中國民航業高速發展，空中交通愈加繁榮，隨著大型樞紐機場的飛機起降架次迅速增長，空中交通管理和機場管理面臨著越來越大的壓力。然而，以飛行計畫為中心的空管自動化系統對飛行剖面推算能力較差，不能為航空器配備精確的空管間隔，因此容易造成空中交通擁擠。為此，美國和歐洲分別計畫實施採用4D航跡運行的新一代空中管理系統更好地實現空中交通安全和效率。4D航跡是以航空器的經度、緯度、高度與時間坐標對航空器全部飛行路徑的關鍵點和時間加以精確描述的軌跡。中國也於2007年開始規劃發展民航新一代空中交通管理系統，據預計2025年完成，屆時將實現飛行任務的4D航跡管理，從而提高空中交通效率並減少排放和污染。

由於飛行剖面識別是航空器四維(Foul-dimensional，4D)航跡預測研究的熱點問題，提出一種基於航空器氣象資料下傳(Aircraft meteorological data relay, AMDAR)數據的全飛行過程剖面生成方法，包括由高度航程構成的標稱高度剖面和空速淘亢程構成的標稱速度剖面。邢健等首次將動態空間規整算法(Dynamic space warping,DSW)套用到飛行高度剖面的相似距離計算中，計算出標稱飛行高度剖面;為解決在地速未知情況下標稱速度剖面的計算問題，結合大橢圓距離算法與航空器基本性能資料庫(Base of aircraft data, RADA)，給出一種標稱飛行速度剖面的計算方法，該方法保留了AMDAR實測歷史數據中所隱含的飛行意圖與氣象因素。實際算例表明，邢健等提出的方法能夠有效地得到真實反映航空器飛行狀態的全飛行剖面。

簡介

飛行速度剖面是指航空器在飛行過程中飛行速度與航程的二維圖像軌跡，不考慮航空器在各個航路點的轉彎動作，僅考慮在不同航路點之間速度的變化，且假設轉彎過程為勻速飛行，因此整個飛行階段可以等效為不同航路點之間速度變化的直線飛行。飛行速度剖面反映了空速大小隨航程的變化情況。典型的飛行速度剖面也是由一系列剖面段連線而成，如圖1所示：a階段為起飛加速階段；b階段為等校正空速爬升階段；c階段為加速到巡航速度階段；d階段為等錶速或等馬赫數巡航階段；e階段為減速階段；f階段為等校正空速下降階段；g階段為減速著陸階段。

圖1

基於速度剖面擬合的4D軌跡頂測

我國經濟的高速發展，使得航空運輸業處於高速發展中。隨著機場交通流量的增長、布局的日益複雜化，滑行路徑不能合理規劃，機場資源不能充分利用，機場場面運動主要依靠人工安排滑行路徑並目視引導的方式越來越不能滿足機場場面管理的要求。在低能見度的情況下，機場運行將更加困難。精確合理的4D軌跡預測可以計畫航空器到達交叉口的預計到達時間及預計離開時間，有效減少高密度機場的阻塞與衝突，減少航空器的等待時間以及在滑行道上的滑行時間，從而大大提高機場的整體運行效率和綜合保障能力。

目前對軌跡預測常用的方法可以分為兩種:一種是基於空氣動力學或牛頓力學的預測模型，如顧宏斌建立6自由度的飛機地面運動數學模型，不引入任何人為的運動學假設，通過給定操縱信號，求出前輪和飛機的運動及其相互作用。Wu Di等提出比較了場面軌跡規劃和預測的不同數學模型，並研究了目標在場面運行過程中的各組成部分，提出航空器動力學模型、動作意圖的數學表達式，討論了飛行員作業系統等影響場面軌跡的因素。但在實際運行過程中航空器的諸多動力學參數並不易獲得，因此，建立的目標動力學模型並不精確，同時，動力學模型中未體現航空器在地面滑行過程中受到的地面管制以及駕駛員操作意圖的影響。另一種是基於卡爾曼濾波等的無參數估計方法，如Wang W基於當前統計模型的自適應濾波算法(Current Statistical Model，CSM)，採用前後速率估計的偏差來表達加速度的擾動，提出加速度擾動統計方程來自適應地調整目標加速度。宮淑麗研究了將互動式多模型(Interacting Multiple Model，IMM)濾波算法套用到機場場面監視雷達對運動目標的跟蹤中，利用無跡卡爾曼濾波( Unscented Kalman Filter ，UKF)與IMM相結合的UKF-IMM算法對場面雷達監視的飛機的運動進行跟蹤建模。但濾波算法計算複雜，所建立的目標運動模型與目標實際運動方式並不一定匹配，且預測時間短。

周龍等建立完全基於速度剖面的4D軌跡預測模型，運用數據挖掘的方法對歷史滑行速度數據進行擬合分析，建立一條標準的滑行速度剖面實現對場面航空器的軌跡預測。該模型不依賴於空氣動力學和牛頓力學模型，不需要辨識動力學參數，適用於預測時間較長的情況，且從實際出發，能夠達到提高和保證預測精度的目的。