飛行程序運行評估的理論方法及仿真應(yīng)用研究.pdf

1、飛行程序是以保障終端區(qū)內(nèi)的交通安全與提高運行效率為目標(biāo)，對進(jìn)離場航線及其網(wǎng)絡(luò)所進(jìn)行的科學(xué)規(guī)劃和合理設(shè)計工作。飛行程序是重要的空域資源，是空域規(guī)劃、空中交通運行和機場建設(shè)的基本依據(jù)。同時，基于程序的運行也是未來航空運輸系統(tǒng)的重要技術(shù)發(fā)展趨勢。飛行程序運行評估是對飛行程序設(shè)計方案和運行效果進(jìn)行審核、評價與認(rèn)證的工作，是保證飛行程序科學(xué)性、可行性的必要環(huán)節(jié)。但是，目前尚缺乏完整、有效的飛行程序運行評估的理論模型與技術(shù)方法。
　　本論文深

2、入地剖析了飛行程序運行評估問題的概念和內(nèi)涵，總結(jié)了有關(guān)方面的最新研究成果，創(chuàng)新性地提出了由安全風(fēng)險、經(jīng)濟效率、管制適用性和環(huán)境影響4個方面組成的飛行程序運行評估理論體系，構(gòu)建了結(jié)合飛行動力學(xué)和飛行運動學(xué)的動態(tài)航跡運行模型，并以此為基礎(chǔ)研發(fā)了功能較完備的飛行程序運行仿真與評估平臺。
　　首先，從多側(cè)面、多階段和多層次對飛行程序運行安全風(fēng)險展開系統(tǒng)地研究。安全風(fēng)險主要包括飛行過程中的近地風(fēng)險和空中交通沖突風(fēng)險兩個側(cè)面。其中，近地風(fēng)險又

3、包括兩個階段，第一階段針對離場飛行程序以及進(jìn)進(jìn)飛行程序的進(jìn)場、起始和中間進(jìn)近階段，建立了航空器運行過程中穿透超障高度的累積概率模型;第二階段針對儀表著陸系統(tǒng)進(jìn)近過程，分析了航空器與具有不同位置關(guān)系的多個建筑物間的總體碰撞概率。沖突風(fēng)險從宏觀和微觀兩個層次對多航空器運行中因爭搶時空資源而發(fā)生交通沖突的現(xiàn)象展開研究。從預(yù)測飛行程序運行沖突的總體狀態(tài)角度出發(fā)，應(yīng)用隨機過程方法，計算面向交叉/匯聚交通流沖突頻次的數(shù)學(xué)期望及方差，推導(dǎo)出宏觀沖突風(fēng)

4、險模型。從沖突發(fā)展演化過程的角度出發(fā)，提出了面向微觀沖突分析，計算沖突嚴(yán)重度、沖突強度和累積沖突風(fēng)險的三個模型。最后進(jìn)行了算例仿真，并對結(jié)果進(jìn)行了分析。
　　飛行程序運行的經(jīng)濟性分析，在于研究發(fā)現(xiàn)飛行程序經(jīng)濟性提升的潛在空間和優(yōu)化方向。結(jié)合航空器運動模型、飛行成本指數(shù)和燃油消耗模型，創(chuàng)新性地提出了飛行程序運行成本的概念及其計算模型，提出了具體空域條件下的受限運行航跡和基準(zhǔn)運行航跡的概念。在直接運行航跡基礎(chǔ)上，利用連續(xù)下降進(jìn)近/連續(xù)

5、爬升離場運行模式，應(yīng)用四階龍格庫塔方法，以飛行成本最小化為目標(biāo)，對直接運行航跡的垂直剖面進(jìn)行優(yōu)化，并擬合為基準(zhǔn)運行航跡。分別計算了基準(zhǔn)運行成本和受限運行成本，將兩者的偏差作為飛行程序運行的經(jīng)濟效率評估指標(biāo)，并進(jìn)行了算例分析。
　　飛行程序運行的管制適用性，是本論文飛行程序運行評估中的一個創(chuàng)新內(nèi)容。在對航跡數(shù)據(jù)進(jìn)行特征分析的基礎(chǔ)上，建立了基于軌跡點比對與交換的航跡相似性度量方法，使用分層數(shù)據(jù)聚類法對航跡數(shù)據(jù)集進(jìn)行航跡聚類分析，研究了

6、航跡聚類集的平均飛行航跡構(gòu)建方法;提出了飛行程序運行管制適用性的評價指標(biāo)和測度方法，包括:縱向偏離度、側(cè)向偏離度以及非常規(guī)航跡比例的概念及計算等，并進(jìn)行了算例分析。
　　飛行程序運行造成的環(huán)境影響，包括噪聲影響和氣體排放影響。針對噪聲影響評價，分析了幾種常用的噪聲評價量模型及其標(biāo)準(zhǔn)。針對我國機場噪聲評價指標(biāo)體系的不足，提出了適用于飛行程序運行噪聲影響分析的評價量及其限值。建立了符合飛行階段特征的航跡分段模型，提出應(yīng)用狀態(tài)矩陣和控制

7、矩陣準(zhǔn)確表示飛行程序的數(shù)學(xué)方法?；谀：碚摻⒘嗽肼曈绊?、飛行成本和導(dǎo)航約束的滿意度評價函數(shù)，提出了應(yīng)用3種啟發(fā)式搜索規(guī)則和動態(tài)臨域搜索方法的改進(jìn)模擬退火算法，并進(jìn)行了算例分析。根據(jù)具體機型的飛行程序運行仿真數(shù)據(jù)，針對國際民航組織排放指數(shù)模型的不足，提出了一種能較準(zhǔn)確計算碳?xì)浠衔铩⒍趸己偷趸衔锱欧帕康男拚倪M(jìn)模型，并采用類似于經(jīng)濟效率評價的比對法，用排放效率指標(biāo)來分析飛行程序運行的氣體排放效率。
　　最后，研究了飛行程

8、序運行仿真與評估平臺的體系架構(gòu)，重點闡述了飛行程序運行仿真計算引擎和飛行程序運行分析與評價子系統(tǒng);總結(jié)了有關(guān)理論研究成果，建立了飛行程序運行評估的指標(biāo)體系;并以一個實際的終端區(qū)為例，在仿真平臺上進(jìn)行了仿真驗證。
　　本論文對儀表飛行程序運行評估的理論方法進(jìn)行了比較全面、系統(tǒng)與深入的研究，所建立的評價指標(biāo)及其測度模型具有較強的針對性和可操作性，并研發(fā)了相應(yīng)的仿真評估平臺。本論文的研究工作不僅完善了飛行程序運行評估的理論與方法，也彌補