基於四維航跡運行的大型客機飛行引導技術

第1 章 緒論    --- 1
1 1 飛行管理系統   ---- 1
1 2 基於航跡的運行模式    --- 2
1 2 1 概述    ----- 3
1 2 2 研究進展   ---- 5
1 3 基於四維航跡運行的飛行管理系統需求分析    --- 8
1 4 基於四維航跡運行的飛行引導技術   -- 10
1 4 1 基於四維航跡運行的飛行引導關鍵技術    --- 11
1 4 2 基於四維航跡運行的飛行引導系統架構    --- 12

第2 章 地球模型及引導參數計算    --- 14
2 1 概述    --- 14
2 2 導航坐標系的建立和引導參數的計算   ---- 14
2 3 大圓航線及其引導參數的計算    --- 16
2 3 1 大圓航線應飛航向（真航向）    --- 17
2 3 2 大圓航線側偏距計算   ---- 18
2 3 3 大圓航程計算   -- 18
2 3 4 大圓航線的正解  --- 19
2 3 5 大圓航線的反解  --- 19
2 4 等角航線及其引導參數的計算    --- 20
2 4 1 等角航線的正解  --- 21
2 4 2 等角航線的反解  --- 22
2 4 3 等角航線側偏距的計算   ---- 23
2 5 平面直角坐標系及其引導參數的計算   ---- 24
2 5 1 經度和緯度方程  --- 24
2 5 2 平面直角坐標系中某一點的經度和緯度推算    --- 25
2 5 3 平面直角坐標系中的側偏距計算  --- 26
本章小結   ---- 26

第3 章 飛行計劃航段的解析和過渡路徑的構建    --- 27
3 1 概述    --- 27
3 2 ARINC 424 中的飛行計劃簡介   ---- 27
3 3 ARINC 424 中的飛行計劃編碼和存儲方式    ----- 28
3 4 ARINC 424 中的各個航段的定義、所需數據和解析算法  --- 31
3 4 1 AF 航段    --- 31
3 4 2 CA 航段   ---- 32
3 4 3 CD 航段   ---- 33
3 4 4 CF 航段    --- 34
3 4 5 CI 航段   ---- 35
3 4 6 CR 航段    --- 35
3 4 7 DF 航段    --- 36
3 4 8 FA 航段    --- 37
3 4 9 FC 航段    --- 37
3 4 10 FD 航段   -- 38
3 4 11 FM 航段   -- 38
3 4 12 HX 航段   -- 39
3 4 13 IF 航段   ---- 41
3 4 14 PI 航段   ---- 41
3 4 15 RF 航段   -- 43
3 4 16 TF 航段  ---- 43
3 4 17 VA 航段   -- 43
3 4 18 VI 航段   ---- 44
3 4 19 VM 航段  --- 44
3 4 20 VR 航段   -- 44
3 5 ARINC 424 中的各個航段的過渡路徑構建    ----- 45
3 5 1 切線過渡   -- 45
3 5 2 45°截獲過渡    --- 49
3 5 3 方位截獲過渡   -- 51
3 5 4 直飛過渡   -- 52
3 5 5 進入等待過渡   -- 55
3 5 6 圓弧截獲過渡   -- 59
3 6 ARINC 424 中的各個航段過渡時存在的特殊情況   ---- 62
3 7 ARINC 424 中的各個航段的過渡路徑    --- 63
本章小結   ---- 65

第4 章 基於航跡運行的四維航跡規劃  --- 66
4 1 概述    --- 66
4 2 四維航跡的關鍵概念及內容    --- 66
4 3 四維航跡規劃中的約束條件和影響因素   -- 67
4 3 1 性能限制   -- 67
4 3 2 空管要求   -- 68
4 3 3 氣象條件的影響  --- 68
4 3 4 性能優化指標的選擇   ---- 68
4 4 性能數據庫的建立    --- 69
4 4 1 基本飛行性能數據庫的建立  --- 69
4 4 2 運行性能數據庫的建立   ---- 71
4 5 四維航跡參數預測    --- 75
4 5 1 地速    --- 75
4 5 2 估計到達時間   -- 76
4 5 3 燃油餘量   -- 76
4 6 四維航跡規劃和RTA 分配   ---- 76
4 6 1 水平航跡規劃   -- 77
4 6 2 基於性能優化指標的航跡垂直剖面規劃    --- 84
4 6 3 基於航跡運行的四維航跡RTA 分配    --- 86
4 7 模擬算例    ----- 86
本章小結   ---- 90

第5 章 四維航跡各個航路點的RTA 分配   -- 91
5 1 概述    --- 91
5 2 空間氣象網格數據預報和更新修正   -- 91
5 2 1 基於空間氣象網格數據的航路氣象預報    --- 92
5 2 2 基於多元回歸方法和機載氣象雷達數據的氣象數據更新    --- 93
5 2 3 氣象預報值和氣象回歸預測值模擬結果對比    --- 95
5 3 基於偽航路點法的ETA 計算   ---- 97
5 3 1 基於偽航路點法的風場信息細化  --- 97
5 3 2 ETA 計算   -- 98
5 4 四維航跡RTA 序列初始分配    --- 101
5 4 1 四維航跡RTA 序列初始分配流程    ----- 101
5 4 2 四維航跡RTA 序列初始分配模擬算例    --- 103
5 5 基於約束管理和鬆弛的四維航跡RTA 序列重分配  --- 105
5 5 1 四維航跡RTA 序列與飛機ETA 預測的沖突分析  --- 106
5 5 2 四維航跡RTA 序列重分配問題描述和建模    --- 107
5 5 3 基於內點法的四維航跡RTA 序列重分配方法    --- 110
5 5 4 四維航跡RTA 序列重分配模擬算例   ---- 112
5 5 5 四維航跡RTA 序列重分配算法的局限性    --- 113
本章小結    --- 113

第6 章 四維航跡沖突探測與消解   ---- 114
6 1 概述   ---- 114
6 2 四維航跡沖突探測   ---- 114
6 2 1 四維航跡沖突探測的假設條件   ---- 114
6 2 2 改進型PAIELLI 法的流程和算法   ---- 117
6 2 3 四維航跡沖突探測模擬算例   ---- 125
6 2 4 航跡航向變化的沖突探測方法   -- 127
6 2 5 航跡航向變化的沖突探測模擬算例   ---- 128
6 2 6 根據沖突概率確定沖突區   -- 130
6 3 基於機動消解模式的航跡沖突消解路徑遺傳算法   -- 131
6 3 1 機動消解模式和適應度函數的定義   ---- 131
6 3 2 機動消解模式的選擇策略   -- 135
6 3 3 基於遺傳算法的沖突消解   -- 136
6 3 4 沖突消解流程  --- 139
6 3 5 沖突消解模擬算例    --- 141
本章小結   ---- 143

第7 章 四維航跡飛行誤差估計和誤差管理策略研究    --- 144
7 1 概述   -- 144
7 2 四維航跡飛行誤差的定義和RNP/ANP 的定義    --- 144
7 2 1 水平位置誤差  --- 144
7 2 2 垂直位置誤差  --- 145
7 2 3 時間誤差    --- 146
7 2 4 RNP/ANP 的定義   ---- 148
7 3 基於多源信息融合算法的飛行位置誤差估計    --- 149
7 3 1 常用導航傳感器的精度和組合方式   ---- 149
7 3 2 基於擴展卡爾曼濾波器的組合導航性能評估    --- 151
7 3 3 基於擴展卡爾曼濾波器的組合導航誤差估計模擬算例    ----- 154
7 4 航跡跟蹤誤差估計    --- 156
7 4 1 飛機飛行動力學和運動學模型   -- 158
7 4 2 自動飛行控制系統架構及控制律設計   ---- 159
7 4 3 風場模型    --- 162
7 4 4 舵迴路模型   ---- 164
7 4 5 航跡跟蹤誤差估計模擬算例   ---- 165
7 5 ETA 誤差估計    --- 167
7 5 1 飛機性能限制  --- 168
7 5 2 飛行時間誤差估計模擬算例   ---- 169
7 6 誤差管理策略研究    --- 175
7 6 1 虛警率、漏警率和誤差閾值的關系   ---- 175
7 6 2 誤差管理閾值的確定方法   -- 176
7 6 3 誤差閾值設置算例    --- 177
本章小結   ---- 177

第8 章 基於四維航跡運行的推力管理系統需求分析及架構設計   ---- 178
8 1 概述   -- 178
8 2 基於四維航跡運行的推力管理系統需求分析    --- 178
8 2 1 基於四維航跡運行的起飛段推力管理系統需求分析    ---178
8 2 2 基於四維航跡運行的爬升段推力管理需求分析  ---180
8 2 3 基於四維航跡運行的巡航段推力管理系統需求分析    -----181
8 3 基於四維航跡運行的推力管理系統架構設計    --- 183
8 4 基於四維航跡運行的推力管理系統功能實現    --- 187
8 4 1 基於四維航跡運行的飛行剖面規劃   ---- 187
8 4 2 基於四維航跡運行的推力指引值計算   ---- 199
8 4 3 基於四維航跡運行的推力邊界值計算   ---- 202
8 4 4 推力等級設定  --- 204
8 5 基於四維航跡運行的推力管理系統功能轉換邏輯   -- 207
8 5 1 起飛段的推力管理系統功能轉換邏輯   ---- 208
8 5 2 爬升段的推力管理系統功能轉換邏輯   ---- 209
8 5 3 巡航段的推力管理系統功能轉換邏輯    --- 211
8 5 4 下降段的推力管理系統功能轉換邏輯   ---- 213
本章小結   ---- 213

第9 章 基於四維航跡運行的飛行引導指令計算   ---- 214
9 1 概述   -- 214
9 2 優化水平航段過渡路徑    ----- 214
9 3 優化水平引導截獲路徑    ----- 217
9 4 基於性能模式優化垂直剖面    ----- 218
9 5 處理高度限制和速度限制    ----- 221
9 6 考慮氣象因素時的ETA 估算    --- 224
9 7 特殊情況下的航跡重規劃    ----- 225
9 7 1 飛行途中遭遇惡劣天氣   ---- 225
9 7 2 飛行途中遭遇航跡沖突   ---- 226
9 8 飛行引導過程中的模式管理    ----- 227
9 9 飛行引導指令計算    --- 230
9 9 1 直線航段滾轉角指令計算   -- 231
9 9 2 圓弧航段滾轉角指令計算   -- 231
9 9 3 航跡目標高度指令計算   ---- 232
9 9 4 目標垂直速率指令計算   ---- 232
9 9 5 目標速度指令計算    --- 232
本章小結   ---- 233

第10 章 飛行管理著陸系統進近引導技術  --- 234
10 1 概述  --- 234
10 2 FLS 進近引導技術簡介   ---- 234
10 3 FLS 進近引導功能架構設計和關鍵技術    ----- 235
10 3 1 FLS 進近引導功能架構    --- 235
10 3 2 FLS 進近引導過程   ---- 236
10 3 3 FLS 進近引導過程的影響因素及關鍵技術分析  --- 238
10 4 基於導航傳感器完好性的FLS 進近能力判斷   --- 242
10 4 1 FLS 進近能力判斷原理    --- 242
10 4 2 基於卡爾曼濾波器殘差的FLS 進近能力判斷   -- 244
10 4 3 基於故障允許時間和閾值限制的FLS 進近能力判斷   ---- 251
10 5 FLS 進近引導模式判斷及轉換邏輯    --- 254
10 5 1 FLS 進近引導模式   ---- 254
10 5 2 FLS 進近引導模式的預位/截獲/接通/斷開條件  --- 255
10 5 3 不同進近方式下FLS 進近引導模式轉換邏輯   -- 262
10 5 4 不同進近方式下FLS 進近引導模式的顯示   ---- 265
10 5 5 FLS 進近引導過程的信息顯示  --- 268
10 6 基於導航數據庫信息的FLS 虛擬波束生成    ----- 271
10 7 基於空間幾何關系的FLS 波束偏差計算    ----- 278
10 8 FLS 進近引導指令計算   ---- 282
本章小結   ---- 286

第11 章 基於四維航跡運行的大型客機飛行引導技術模擬驗證系統設計    --- 287
11 1 概述  --- 287
11 2 模擬驗證系統功能需求分析   ---- 287
11 3 模擬驗證系統的功能架構   ---- 289
11 4 模擬驗證系統的層次結構   ---- 293
11 5 模擬驗證系統的任務設計   ---- 296
11 5 1 CDU 任務    --- 296
11 5 2 四維航跡規劃和預測任務  --- 296
11 5 3 精確四維飛行引導任務    --- 304
11 5 4 飛行模擬任務  --- 307
11 6 模擬驗證系統的網絡結構   ---- 308
11 7 模擬驗證系統的數據接口   ---- 309
本章小結   ---- 309

第12 章 FLS 進近引導技術模擬驗證系統   ---- 310
12 1 功能需求分析及總體框架設計    --- 310
12 2 建模需求分析   -- 312
12 2 1 所需模型概述  --- 312
12 2 2 自動飛行控制系統模型    --- 314
12 2 3 風場模型   ---- 318
12 2 4 機場環境模型  --- 319
12 3 顯示界面設計   -- 320
12 4 基於蒙特卡洛模型的FLS 進近引導技術模擬驗證   ---- 323
12 4 1 FLS 進近引導效果評估流程    --- 324
12 4 2 FLS 進近引導效果評估指標    --- 324
12 4 3 FLS 進近引導技術模擬場景及參數設置   ---- 326
12 4 4 FLS 進近引導律設計   ---- 326
12 4 5 FLS 進近引導技術綜合模擬驗證    ----- 328
本章小結   ---- 340
參考文獻   -- 341