CN112817323A - 面向陆基巡航过程的动态飞行模式控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种面向陆基巡航过程的动态飞行模式控制方法，通过空域规划、灵活空域能力组织和实时动态航路规划后，进行自由飞行航路组织和运行规划、自主飞行间隔定义与保持、空域飞行扇区动态的自由飞行航路组织，最后通过选择穿越飞行排序调整模式和穿越过程飞行间隔控制实现授权飞行穿越管理。本发明充分利用当前空域动态变化形成的间隙和能力，形成空域飞机动态飞行航路和飞行约束的重构，避免由于空域环境变化带来的交通拥挤和阻塞，从而消除飞行航迹冲突，提升飞行能力和效率。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种飞行器控制领域的技术，具体是一种面向陆基巡航过程的动态飞行模式控制方法。
背景技术
目前世界范围内的大多数地区，空中交通服务(ATS)是采用静态空域航路组织模式，即在飞行前，飞机基于飞行计划提出飞行航路请求，空管系统根据飞机提出的飞行航路请求，考虑当前空域的飞行交通状态，通过与飞行员协同，最终建立飞行员与空管系统双方接受的飞行航路组织。通常情况下，飞机在飞行过程中，特别是长航时陆基飞行中，除了出现飞行偏离、交通威胁和气象危害等特殊情况，飞机的飞行航路是不变的，飞行员按照空管系统许可的确定的飞行航路，完成整个飞行过程。
但是空域环境是不断变化的，特别是在长航时飞行过程中，空域交通状况会因为运行飞机的飞行偏离或速度偏差(过快或过慢)发生改变，空域气象状态也经常随着环境条件变化而变化，此外，空域中特别使用区域(SUA)的约束条件也在不断发生变化。因此，在陆基巡航长航时飞行过程中，飞行前规划的飞行航路往往不适应当前空域的能力和状态，经常出现空域主干飞行航段拥挤和阻塞的情况，甚至可能受到空域气象条件的制约。对于特别使用区域(SUA)，由于飞行前无法确定飞机运行接近和进入时的空域状态和约束，通常只能采取绕飞的航路实现飞越过程。由此可见，静态空域航路组织模式常常因为飞行环境变化而引起等待、延迟和绕飞，未能充分发挥空域的能力和飞机飞行效率。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种面向陆基巡航过程的动态飞行模式控制方法，通过实时构建和调整相关飞机的航路组织和约束，充分利用当前空域动态变化形成的间隙和能力，形成空域飞机动态飞行航路和飞行约束的重构，避免由于空域环境变化带来的交通拥挤和阻塞，从而消除飞行航迹冲突，提升飞行能力和效率。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种面向陆基巡航过程的动态飞行模式控制方法，通过空域规划、灵活空域能力组织和实时动态航路规划后，进行自由飞行航路组织和运行规划、自主飞行间隔定义与保持、空域飞行扇区动态的自由飞行航路组织，最后通过选择穿越飞行排序调整模式(水平/垂直)和穿越过程飞行间隔控制实现授权飞行穿越管理。
技术效果
本发明整体解决了面向陆基巡航过程的动态飞行模式的控制问题；
与现有技术相比，本发明通过构建动态空域飞行航路组织，实现航路优化组织，提升空域空间和能力利用率；通过建立自由飞行模式，完成自由飞行航路组织，有效提升了空域飞机运行响应速度和实时性，同时也有效地降低了空管系统管制员工作压力和载荷；通过空域运行管理委托授权模式，完成了动态空域下高效的授权飞行穿越管理。
附图说明
图1为本发明示意图；
图2为陆基巡航过程动态空域飞行航路组织图；
图3为陆基巡航过程自由飞行航路组织图；
图4为授权水平穿越过程俯视图；
图5为授权爬升穿越过程侧视图。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及一种面向陆基巡航过程的动态飞行模式控制方法，包括以下步骤：
步骤1：构建动态空域飞行航路组织：空域规划、灵活空域能力组织和实时动态航路规划。
步骤2：完成自由飞行航路组织：自由飞行航路组织和运行规划、自主飞行间隔定义与保持、空域飞行扇区动态。
步骤3：完成授权飞行穿越管理：选择穿越飞行排序调整模式(水平/垂直)和穿越过程飞行间隔控制。
本实施例针对当前静态空域环境航路规划模式的一些弊端，构建动态空域飞行航路组织。面向复杂的动态变化的空域环境，空管系统和空域运行飞机支持飞行员与空管系统管制实时协同，提供面向飞行员意向的自由飞行模式，完成自由飞行航路组织。在自由飞行模式下，空域飞机运行密度越来越高，飞行间隔越来越窄，空域潜在的冲突越来越大，留给空管系统处理相应的时间越来越短，空管系统管制员的压力也越来越大。最后，运用空域运行管理委托授权模式完成动态空域下高效的授权飞行穿越管理。
所述的动态空域飞行航路组织是指在陆基航路飞行过程中，根据当前飞行空域交通状态情况，依据当前飞行航路气象条件，灵活地进行空域航路组织，能够有效利用空域能力，提升飞行流量。
如图1所示，所述的动态空域飞行航路组织针对的典型情况包括：空域交通环境变化，空域气象条件变化和空域特种区域(SUA)。具体表现在：针对空域交通环境变化，飞行员与空管系统协同决策，完成动态飞行航路的实时规划和调整，减少飞行主干航路的潜在拥挤；针对空域气象条件变化，飞行员与空管系统协同决策，完成动态飞行航路约束条件的实时规划和调整，减轻飞行航路交汇点的穿越约束要求；针对空域特种区域(SUA)状态，飞行员与空管系统(空管系统获取空域特种区域的运行信息)协同决策，提供面向动态空域特种区域(SUA)的航路规划和约束要求，优化原飞行航路组织。
所述的动态空域飞行航路组织包括：空域规划、灵活空域能力组织和实时动态航路规划。
所述的空域规划是指：空域飞行航路动态实时规划、协调和组织的过程。动态空域航路组织是基于性能导航(PBN)支持，建立飞行航迹精度需求，降低飞行航路占用的空间，构建面向新的飞行环境的航路计划与组织；基于区域导航(RNAV)航路的精确性和连续性，确定飞机的导航路径和容限；针对当前空域密度和交通状态，构建当前飞行航路组织，建立空域飞机的交通同步和管理模式，确定基于规划航路的排序和飞行间隔，提供飞行航路的飞行误差和约束要求，保证飞机航路规划组织无冲突。
所述的灵活空域能力组织描述空域运行状态和约束条件的监视、确定和调整的过程。空管系统针对空域飞机运行状态，依据飞机计划需求，根据空域特种区域(SUA)的运行管理状态，通过对空域交通环境和气象条件的分析，确定空域当前的能力构成，建立面向空域飞机的运行需求，优化空域飞行航路和交通管理，并通过与飞行员协同决策，构建满足飞行计划需求并与空域当前运行状态动态匹配的飞机航路组织和飞行过程约束，减少干线和繁忙过境点的潜在拥堵，完成基于空域运行环境变化过程的空域交通运行状态实时监视、组织、调整和管理。
所述的实时动态航路规划是指：针对空域环境变化的实时短程航路规划，用于应对空域交通环境和气象条件的变化。在飞行计划许可的基础上，基于原规划的飞行航路，依据当前空域环境的变化，针对当前空域密度和交通状态，实时构建短期(一个短的时间片)的飞行航路动态组织，如当前飞行航段(至少一段航路，或至少包含一个航路点)，实现飞行航路规划与空域环境变化同步，使飞机运行与空域环境变化相匹配。实时动态航路组织实际上是在原飞行航路的基础上，通过对空域环境的实时监视和飞行状态的不断调整，实时优化空域飞机的飞行航路和约束条件。
所述的自由飞行模式是指：在飞行过程中，飞机在空管系统许可的条件下，根据空域交通环境和气象条件自主构建或调整一段原本没在空域许可的飞行航路中的飞行航段。即飞机在某部分空域中可以依照飞行员自己定义的航路飞行，不受空管系统的控制和约束。
如图2所示，所述的自由飞行航路组织是根据空域环境变化的实时感知(ADS-B)，依据飞机飞行管理系统(FMS)、基于性能导航系统(PBN)和当前飞行状态的监视，确定飞行扇区构成、飞行航路组织、飞行航迹预计、飞行路径引导、飞机间隔定义，自主建立自由飞行航路组织请求。此时，空管系统根据空域组织和交通管理，依据自由飞行航路组织请求飞机所在空域当前交通状态，针对空域飞机的交互监视和通信能力(ADS-B和话音链路)，定义自由飞行航路组织运行空域空间，确定自由飞行航路组织运行时间范围，明确最小安全隔离要求，发送飞行员自由飞行航路组织请求许可。
所述的自由飞行航路组织完成：自由飞行航路组织和运行、自主飞行间隔定义和保持，空域飞行扇区动态。
所述的自由飞行航路组织和运行是通过ADS-B建立空域交通环境的感知，确定自主飞行航路组织需求，例如飞机感知到基于空域航路排序的前端飞机限制了飞机的最佳经济巡航速度，通过ADS-B，确定当前各自位置；通过机间话音通信，协同飞机侧向穿越(PassBy)意向；通过飞行间隔定义，确定自主穿越过程间隔保持；通过飞行状态协同模式，确定穿越过程运行管理。
所述的自主飞行间隔定义和保持是根据飞机飞行管理系统(FMS)，确定自主飞行航路构成，形成飞行间隔组织；依据基于性能的导航系统(PBN)，确定飞机自身位置和空域其他飞机位置，形成飞行间隔组织的引导；根据飞机监视系统构成，确定飞机自身运行状态、空域交通飞机运行状态和航路气象条件，形成时间间隔和距离间隔；依据飞机类型和重量，确定飞机尾流、间距和最小安全隔离，形成飞行最小间隔组织。例如在飞机侧向穿越过程中，确定面向穿越飞机且基于穿越规划的安全间隔。
所述的空域飞行扇区动态构成是空管系统根据飞行员自由飞行航路组织请求，确定空域自由飞行航路运行区域，构建自由飞行航路运行空间和范围；根据空域请求飞机和关联飞机的位置和运行状态，依据相关飞机的导航和监视性能，构建自由飞行航路和自主运行模式；基于空域扇区的组织架构和构成，空域自由飞行航路运行区域，确定空域关联扇区构成；根据空域自由飞行航路运行过程，基于空域扇区飞越需求，实时构建和调整自由飞行航路扇区的组织。
所述的空域运行管理委托授权模式是指：陆基巡航过程中，飞行员针对空管系统的空域排序模式，根据自身的飞行状态，依据飞机周围空域的交通环境和气象条件，请求空管系统将当前负责的部分空域交通管理的责任和功能移交给飞行员来负责和管理的模式。
所述的授权飞行穿越管理是指：在陆基飞行过程中，当飞机具有先进的监视设备和能力，如自动相关监视广播(ADS-B)和增强飞机视景系统(EFVS)，飞行员具有周围交通感知能力和低能见度条件下目视飞行能力，空管系统可以将当前巡航过程飞行间隔管理权力和责任移交给该飞行员。在飞行间隔管理授权后，飞行员将负责飞行间隔运行管理，包括飞行间隔定义、组织、监视和报告。空管系统则不再管理该飞机的飞行间隔，但继续负责空域其它飞机的飞行间隔管理。当空域环境出现紧急状况时，如空域中其它飞机因飞行偏离威胁到指定授权飞机，或因气象条件超出视景增强的范围时，授权飞机请求返还授权模式，空管系统则接受授权模式返还，并采用空管系统的飞机间隔标准和程序实施后续的飞行过程间隔管理。
所述的授权飞行穿越管理的飞行员运行操作模式如下：飞行员针对空管系统授权的区域和范围，根据ADS-B建立的交通环境态势感知，建立与前端被穿越飞机的协同运行模式，即协同建立飞行排序调整和穿越模式，报告各自飞机识别号和类型，提供各自飞机的飞行状态，包括位置、高度和速度，建立穿越过程的最小飞行间隔，确定穿越规划的启动时间和终止时间，协同确定穿越模式，最终将协同结果报告给空管系统。
所述的授权飞行穿越管理有水平穿越飞行排序模式、垂直穿越飞行排序模式和穿越过程飞行间隔管理。
如图3所示，所述的水平穿越飞行排序调整模式是根据当前周围交通和气象环境，确定飞机水平空间所满足的基于空域许可的约束，构建水平穿越的方向(即左边还是右边)，确定水平穿越的起点、最大侧向偏移和终点，建立水平穿越过程的航路(航路点和航段)，明确水平穿越过程速度。基于导航系统的最大误差，给定水平穿越过程飞机之间的侧向最小间隔，计算水平穿越过程的航迹，提供基于航迹的位置、时间和高度约束。
如图4所示，所述的垂直穿越飞行排序调整模式是根据当前高度空间的交通和气象条件，识别飞机当前垂直空间所满足的基于空域许可的约束，构建垂直穿越的方向(即上边还是下边)，确定垂直穿越的起点、最高或最低顶点和终点，建立垂直穿越过程的爬升、平飞和下降梯度，确定垂直爬升/降落速率，依据飞机气压系统的最大误差，确定垂直穿越过程飞机之间的最小高度间隔，计算垂直穿越过程的航迹，提供基于航迹的位置、时间和高度约束。
所述的穿越过程飞行间隔管理描述水平或垂直穿越过程中穿越飞机与被穿越飞机的间隔保持与管理。已知在授权穿越之前，穿越飞机与被穿越飞机通过协同交互，已经掌握对方的飞行位置、高度、速度和意向以及飞行航路等信息。在穿越授权后，穿越飞机通知被穿越飞机穿越的模式(水平或垂直穿越模式)、起点、偏离点(或最高/低点)和终点。在穿越启动后，被穿越飞机保持原飞行状态不变(航向和速度)，穿越飞机根据协同穿越飞行航路，依据航路点的误差约束，采用自主定义的飞行间隔，建立穿越过程运行航迹，通过ADS-B建立穿越过程飞机之间的位置、航向和速度监视，并依据基于视景增强飞行系统(EFVS)建立基于目视的监视过程。在穿越过程中，如果穿越飞机与被穿越飞机的间隔不能满足约束条件时，穿越飞机驾驶舱产生告警，并支持飞机机动调整。当穿越过程完成后，穿越飞机恢复原飞行计划定义的飞行航路和约束，并报告空管系统。
本实施例针对当前静态空域环境航路规划模式的一些弊端，构建动态空域飞行航路组织。面向复杂的动态变化的空域环境，空管系统和空域运行飞机支持飞行员与空管系统管制实时协同，提供面向飞行员意向的自由飞行模式，完成自由飞行航路组织。在自由飞行模式下，空域飞机运行密度越来越高，飞行间隔越来越窄，空域潜在的冲突越来越大，留给空管系统处理相应的时间越来越短，空管系统管制员的压力也越来越大。最后，运用空域运行管理委托授权模式完成动态空域下高效的授权飞行穿越管理。
与现有技术相比，本方法通过构建动态空域飞行航路组织，实现航路优化组织，提升空域空间和能力利用率；通过建立自由飞行模式，完成自由飞行航路组织，有效提升了空域飞机运行响应速度和实时性，同时也有效地降低了空管系统管制员工作压力和载荷；通过空域运行管理委托授权模式，完成了动态空域下高效的授权飞行穿越管理。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (4)
1.一种面向陆基巡航过程的动态飞行模式控制方法，其特征在于，通过空域规划、灵活空域能力组织和实时动态航路规划后，进行自由飞行航路组织和运行规划、自主飞行间隔定义与保持、空域飞行扇区动态的自由飞行航路组织，最后通过选择穿越飞行排序调整模式和穿越过程飞行间隔控制实现授权飞行穿越管理。
2.根据权利要求1所述的动态飞行模式控制方法，其特征是，所述的空域规划是指：空域飞行航路动态实时规划、协调和组织的过程，动态空域航路组织是基于性能导航(PBN)支持，建立飞行航迹精度需求，降低飞行航路占用的空间，构建面向新的飞行环境的航路计划与组织；基于区域导航航路的精确性和连续性，确定飞机的导航路径和容限；针对当前空域密度和交通状态，构建当前飞行航路组织，建立空域飞机的交通同步和管理模式，确定基于规划航路的排序和飞行间隔，提供飞行航路的飞行误差和约束要求，保证飞机航路规划组织无冲突；
所述的灵活空域能力组织描述空域运行状态和约束条件的监视、确定和调整的过程；
所述的实时动态航路规划是指：针对空域环境变化的实时短程航路规划，用于应对空域交通环境和气象条件的变化。
3.根据权利要求1所述的动态飞行模式控制方法，其特征是，所述的自由飞行航路组织，根据空域环境变化的实时感知，依据飞机飞行管理系统、基于性能导航系统和当前飞行状态的监视，确定飞行扇区构成、飞行航路组织、飞行航迹预计、飞行路径引导、飞机间隔定义，自主建立自由飞行航路组织请求；空管系统根据空域组织和交通管理，依据自由飞行航路组织请求飞机所在空域当前交通状态，针对空域飞机的交互监视和通信能力定义自由飞行航路组织运行空域空间，确定自由飞行航路组织运行时间范围，明确最小安全隔离要求，发送飞行员自由飞行航路组织请求许可，从而实现：自由飞行航路组织和运行、自主飞行间隔定义和保持，空域飞行扇区动态。
4.根据权利要求1所述的动态飞行模式控制方法，其特征是，所述的授权飞行穿越管理是指：在陆基飞行过程中，当飞机具有先进的监视设备和能力且飞行员具有周围交通感知能力和低能见度条件下目视飞行能力时，空管系统将当前巡航过程飞行间隔管理权力和责任移交给该飞行员；飞行员将负责飞行间隔定义、组织、监视和报告且空管系统则不再管理该飞机的飞行间隔，但继续负责空域其它飞机的飞行间隔管理；
当空域环境出现紧急状况时，空管系统则接受授权模式返还，并采用空管系统的飞机间隔标准和程序实施后续的飞行过程间隔管理。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210518 |