羅秦 王艷波

摘要：隨著我國國民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，越來越多人將民航飛行作為出行首選，航班流量管理也越來越受到業(yè)界重視，而航跡預(yù)測是流量管理工作開展的根本。該文研究和分析了雷達(dá)數(shù)據(jù)處理和航跡預(yù)測算法，使用基于角平分線垂直交叉的方法實現(xiàn)雷達(dá)航跡判斷，使用歷史數(shù)據(jù)挖掘航班航段經(jīng)驗飛行時間。歷史數(shù)據(jù)挖掘算法分三個步驟，第一步是采樣，第二步是使用防脈沖干擾平均濾波算法進(jìn)行除噪，第三步對剩余樣本求平均值。目前該方法已應(yīng)用到中南地區(qū)航班協(xié)同放行系統(tǒng)中，取得了較好的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)數(shù)據(jù)處理；航跡預(yù)測；數(shù)據(jù)挖掘

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）21-0175-03

近年來，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，航班量逐步增長，流量管理也越來越受到民航系統(tǒng)重視。航跡預(yù)測是航班流量管理的基礎(chǔ)，航跡預(yù)測不準(zhǔn)確，無法實現(xiàn)有效的流量管理。

中南地區(qū)航班協(xié)同放行系統(tǒng)在建設(shè)過程中，遇到的第一個難題就是如何實現(xiàn)起飛前準(zhǔn)確的預(yù)測航班飛行軌跡。本文將詳細(xì)介紹中南地區(qū)航班協(xié)同放行系統(tǒng)中航跡預(yù)算方法的實現(xiàn)，并介紹在算法實現(xiàn)過程中遇到的問題及解決方法。

中南地區(qū)航班協(xié)同放行系統(tǒng)采用的航跡預(yù)測算法分以下幾個步驟：1）基于角平分線的綜合雷達(dá)航跡處理；2）雷達(dá)歷史數(shù)據(jù)挖掘；3）航跡預(yù)測計算。

1 綜合雷達(dá)航跡處理算法介紹

空管自動化系統(tǒng)中多雷達(dá)數(shù)據(jù)融合處理后的航跡信息包括航班號、高度、二次代碼、速度和位置信息等。航跡過點事件判斷是航路相關(guān)監(jiān)視（Route Adherence Monitor， RAM）的一種，是對航班實際飛行過程中的飛行軌跡進(jìn)行計算和判斷，當(dāng)接近或飛越航路固定點時，觸發(fā)相應(yīng)事件的過程。此類事件可用于落地時間預(yù)測、進(jìn)出管制區(qū)域預(yù)測、統(tǒng)計空中交通流量統(tǒng)計、航路航線偏離告警等。事件判斷的實時型、準(zhǔn)確性和效率至關(guān)重要。

本文采用一種分角平分線的算法，對航跡過點事件進(jìn)行設(shè)計和建模，并根據(jù)是否與飛行計劃建立關(guān)聯(lián)，對算法的效率、誤差進(jìn)行分析。提出并實現(xiàn)一種可配置的、高效的航跡過點事件判斷算法。

綜合雷達(dá)航跡的數(shù)據(jù)包按照一定的數(shù)據(jù)協(xié)議進(jìn)行封裝，以字節(jié)數(shù)組的方式在網(wǎng)絡(luò)上傳輸。使用信息需先進(jìn)行監(jiān)視數(shù)據(jù)包的解析，提取與航班相關(guān)的四維狀態(tài)信息，包含經(jīng)緯度、氣壓高度（或地理高度）、飛行高度層、速度、爬升率、加速度等；相關(guān)航跡還需提取飛行計劃信息，包括航班號、機(jī)型、尾流等級、起降機(jī)場、相關(guān)時間等。不同航班的航跡信息通過航跡號和應(yīng)答機(jī)編碼區(qū)分，以一定的頻率（4秒）向外輸出。以上信息組成一個航跡信息（Track Information Object）對象。

空域態(tài)勢（Area Snapshot）是某監(jiān)視區(qū)域上空所有航班飛行態(tài)勢的一個快照。監(jiān)視區(qū)可定義為一個由若干邊界點圍成的二維平面多邊形，監(jiān)視區(qū)包含多個固定點（Fixed Point）組成的列表，航班實際飛越這些固定點時，系統(tǒng)將觸發(fā)相應(yīng)的過點事件。以應(yīng)答機(jī)和航跡號為關(guān)鍵字，每一個實際航班對應(yīng)一個航班航跡（Flight Track Object）對象，航班航跡對象包含一個航班狀態(tài)（Track Status Object）對象的數(shù)組，記錄最近若干次的四維狀態(tài)信息。

航路走廊寬度（Route Corridor Width）和航路點半徑（Route Point Radius）是在進(jìn)行航路相關(guān)監(jiān)視時的兩個重要參數(shù)。航路走廊以航段兩端固定點連線為中心線，向外擴(kuò)展指定寬度，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)指定航路走廊寬為20海里（左右兩側(cè)各10海里），航路點半徑經(jīng)驗值為20海里。上述參數(shù)可根據(jù)需求調(diào)整。

1.1 常規(guī)算法及應(yīng)用

目前的管制綜合信息系統(tǒng)中，對航跡過點的判斷采用的方法是：當(dāng)航班航跡更新時，根據(jù)監(jiān)視區(qū)范圍。對范圍內(nèi)的固定點的經(jīng)緯度和航班經(jīng)緯度進(jìn)行遍歷匹配，當(dāng)二者距離小于等于設(shè)定閾值，即航跡出現(xiàn)在航路點半徑區(qū)域內(nèi)時，觸發(fā)過點事件。

改算法普遍運(yùn)用在中南各地FIPS系統(tǒng)雷達(dá)相關(guān)程序、區(qū)管前置系統(tǒng)雷達(dá)相關(guān)程序、協(xié)同放行系統(tǒng)雷達(dá)相關(guān)程序等。程序存在以下缺點：1）過點事件判斷算法準(zhǔn)確度不高；2）雷達(dá)數(shù)據(jù)解析、事件判斷、應(yīng)用邏輯耦合在一起，擴(kuò)展性不強(qiáng)；3）數(shù)據(jù)庫訪問頻繁，容易造成數(shù)據(jù)庫死鎖；4）配置文件基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)繁瑣。

1.2 基于角平分線的綜合雷達(dá)航跡處理算法

航班的最新歷史經(jīng)過點（Last Pass Point）、當(dāng)前經(jīng)過固定點（Current Pass Point）、下一經(jīng)過固定點（Next Pass Point）組成一個夾角。航班飛過固定點區(qū)域時，航跡曲線將與此夾角的角平分線相交，且交點在航路點半徑區(qū)域內(nèi)。

綜合雷達(dá)航跡按指定頻率輸出航班的位置信息，是航跡曲線的定時抽樣。當(dāng)相鄰的航跡位置點構(gòu)成的直線與角平分線相交，且交點在事件判斷有效區(qū)域內(nèi)時，表示航班飛過當(dāng)前固定點。

如上左圖，紅色曲線表示某航班航跡（方向由左向右），P0、P1、P2、P3為綜合雷達(dá)航跡輸出的連續(xù)位置點。航線段AO、OB、OC交匯于固定點O，L0、L1所在直線分別為∠AOB和∠AOC的平分線，航班軌跡與L0、L1相交點為O0、O1。圓O內(nèi)陰影區(qū)域為航班過點事件判斷有效區(qū)域。如果航班的航路是從A經(jīng)過點O到達(dá)B，則O0點為事件觸發(fā)點；如果航路是從A經(jīng)過O到達(dá)C，這O1點為事件觸發(fā)點。

過點時間準(zhǔn)確性方面。在老算法中，紅色曲線與圓弧左側(cè)的交點即觸發(fā)過點事件。而利用本算法，在O0或O1才真正出發(fā)過點事件，準(zhǔn)確性明顯提升。

針對本算法（如上右圖），當(dāng)飛行軌跡垂直穿過圓心時（T1），即AO進(jìn)，OB出，在原點處判斷出過O點，準(zhǔn)確度最高；當(dāng)飛行軌跡與圓相切時（T2），即從AO進(jìn)，OA出，在切點A處判斷出過點事件，與老算法一致。

T1航跡判斷過點事件時間最晚，精度最準(zhǔn)確；T2航跡判斷過點事件時間最早，精準(zhǔn)度最差。如果假設(shè)飛行的巡航速度為V千米/小時，圓區(qū)域的半徑為R千米。兩者時間差為：R / V * 3600 秒。假設(shè)圓的半徑為20公里，飛機(jī)巡航速度為800KM/h，時間差為90秒。

初始化階段，根據(jù)航跡編號、應(yīng)答機(jī)（、航班號）信息建立航班航跡字典（或者Hash Table）相應(yīng)記錄，鍵值對通過應(yīng)答機(jī)等信息的組合形成唯一鍵。

下圖紫色虛線框所示區(qū)域內(nèi)，包括A1～A3，B1～B3等12個固定點，包括AW1、AW2、AW3等三條航線。

初始LPT點確定。根據(jù)航班歷史航跡（History Flight Track），若指定（VSP參數(shù)）連續(xù)歷史航跡在同一航線段內(nèi)，表示該航班正飛越此航線段。并根據(jù)航向確定其最新歷史經(jīng)過點（LPT），航向偏差根據(jù)VSP參數(shù)設(shè)定（正負(fù)10度）。如下圖航跡FlightTrack01在通過AW2S1航線段時，若方位角在區(qū)間[90 – VSP， 90 + VSP]，其LPT點為A0。

在算法實現(xiàn)上，根據(jù)綜合雷達(dá)航跡是否與數(shù)據(jù)庫中的航班計劃進(jìn)行匹配，算法又分為兩種方式實現(xiàn)：不進(jìn)行航班匹配方式和進(jìn)行航班匹配方式。

1.3不進(jìn)行航班匹配

不進(jìn)行航班匹配則不知道航班的FPL航路，則NPT可能有多個備選，需要計算多個過角平分線時間，事件的觸發(fā)時間推遲到下一個航段確認(rèn)時。此時需要對所有可能CPT點進(jìn)行遍歷：與CPT點連接的航線段的毗鄰端點為可能NPT點，當(dāng)航跡進(jìn)入這些CPT點的事件判斷區(qū)域時，用角平分線算法進(jìn)行過點事件判斷。如下圖，若航跡在由IDUMA飛往SHL的航線段上，LPT為IDUMA，CPT為SHL，NPT可能的集合為（YIN、POU、LMN、CON、NUSLA、K）。一旦航跡進(jìn)入RPR區(qū)域，則進(jìn)行過點判斷。分別判斷出所有過角平分線時間，當(dāng)航跡進(jìn)入下一個航段時，可確定下一個CPT時，選擇一個正確的角平分線時間，并觸發(fā)過點事件。

此種情況的優(yōu)勢是：1）不許與數(shù)據(jù)庫交互；2）事件計算相對準(zhǔn)確。劣勢在于：1）事件觸發(fā)事件有延遲，延遲的大小參考第4節(jié)的內(nèi)容；2）計算量相對較大；3）對偏航的情況無法正確處理。

1.4進(jìn)行航班匹配

進(jìn)行航班匹配的目的是為了分析出航班的計劃航路信息，作為算法判斷的依據(jù)。管制綜合信息系統(tǒng)的航班計劃存儲在中心數(shù)據(jù)庫中。進(jìn)行過點事件判斷前，先確認(rèn)航班的計劃航路，以此為依據(jù)確認(rèn)NPT點，過角平分線計算出過點時間即觸發(fā)過點事件。此種應(yīng)用模式既提高了時間判斷的準(zhǔn)確性，又提高了事件響應(yīng)的及時性；對偏航的處理更加靈活。但需要與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行實時交互，可通過將數(shù)據(jù)庫信息取回本地或緩存的方式改善。

2 經(jīng)驗飛行數(shù)據(jù)挖掘算法

在中南地區(qū)航班協(xié)同放行系統(tǒng)中，系統(tǒng)自動采集最近15天之內(nèi)的所有雷達(dá)采樣數(shù)據(jù)，并按機(jī)型進(jìn)行分類整理。經(jīng)驗飛行數(shù)據(jù)挖掘以歷史雷達(dá)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，但由于存在管制指揮盤旋、直飛等因素，歷史雷達(dá)數(shù)據(jù)記錄的航班過關(guān)鍵點數(shù)據(jù)與實際正常飛行數(shù)據(jù)往往存在誤差，因此在對雷達(dá)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘前需對記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行除噪。

常見的雷達(dá)歷史數(shù)據(jù)除噪算法有：限幅濾波法、中位值濾波發(fā)、算術(shù)平均濾波法、防脈沖干擾平均濾波法等。

本文采用的除噪算法是防脈沖干擾平均濾波法，它具有運(yùn)算簡單，在濾波除噪的同時，可以很好地保護(hù)信號的細(xì)節(jié)信息。

A機(jī)型航班，從P1點飛往P2點的經(jīng)驗飛行數(shù)據(jù)挖掘方法如下：

1） 連續(xù)采樣最近7天內(nèi)A機(jī)型從P1點飛P2點的經(jīng)驗飛行時間，樣本總數(shù)為N；

2） 將樣本值按從小到大的順序排列；

3） 去掉列頭的N*0.2個最小樣本；

4） 去掉列尾的N*0.2個最大樣本；

5） 將剩余的樣本求平均值，即是A機(jī)型航班，從P1點飛往P2點的經(jīng)驗飛行時間。

3 航跡預(yù)測算法

航跡預(yù)測算法以經(jīng)驗飛行數(shù)據(jù)挖掘算法的結(jié)果為基礎(chǔ)，對A機(jī)型從機(jī)場A1飛往機(jī)場A2，途中經(jīng)過P1、P2……PN的預(yù)測過程就是一個經(jīng)驗時間不斷累加的過程，在此不做詳述。

4 常見問題及解決方法

4.1起飛地到走廊口經(jīng)驗時間難以挖掘

從起飛機(jī)場到走廊口的經(jīng)驗飛行時間挖掘存在以下兩個困難，會導(dǎo)致挖掘數(shù)據(jù)與實際偏差較大：

1） 跑道方向不同，飛行時長不同；

2） 起飛場到走廊口可能會直飛，導(dǎo)致樣本差別較大。

針對該問題，有兩種解決方法：

1） 由管制員人工指定從起飛場到走廊口的經(jīng)驗飛行時間，指定的時間中需考慮跑道方向、直飛等因素；

2） 系統(tǒng)在歷史數(shù)據(jù)記錄和挖掘時，考慮跑道方向和直飛等因素。

4.2 風(fēng)向突變會導(dǎo)致系統(tǒng)數(shù)據(jù)挖掘不準(zhǔn)確

如果風(fēng)向突然發(fā)生改變，如昨天刮東風(fēng)，今天刮西風(fēng)，會導(dǎo)致系統(tǒng)挖掘的經(jīng)驗時間無法滿足現(xiàn)場管制需求。據(jù)中南空管局運(yùn)行管制中心的跟蹤數(shù)據(jù)，在風(fēng)向突變的情況下，從西往東橫穿中南空域的時間差異最長可達(dá)20分鐘。由此可見，風(fēng)向突變對系統(tǒng)預(yù)測的效果影響很大。

針對該問題，可采用當(dāng)前空中實時飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，以彌補(bǔ)采用歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計和挖掘帶來的缺陷。

4.3高度速度的挖掘

高度和速度往往具有不確定性，建議直接采用該航班前一架次的歷史高度和速度數(shù)據(jù)。如CCA1303航班，7.2日過某些重要報告點的高度、速度，可直接取7.1日同架次航班的飛行高度、速度歷史數(shù)據(jù)。

5 應(yīng)用和總結(jié)

以該算法為基礎(chǔ)的中南地區(qū)航班協(xié)同放行系統(tǒng)于2012年在中南空管局全局投入使用，取得了較好的應(yīng)用效果。

中南地區(qū)通過ATM聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)了河南空管分局、湖北空管分局、湖南空管分局等所轄十多個空管分局站主用ATC系統(tǒng)的綜合雷達(dá)航跡引接。引接的雷達(dá)航跡通過拼接的方式，與區(qū)管萊斯自動化系統(tǒng)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，再引入中南地區(qū)航班協(xié)同放行系統(tǒng)。

協(xié)同放行系統(tǒng)的數(shù)據(jù)挖掘算法通過先采集綜合雷達(dá)航跡數(shù)據(jù)，再進(jìn)行除噪，最后對剩余的數(shù)據(jù)樣本求平均值，執(zhí)行一次數(shù)據(jù)挖掘的時長不超過30秒。

據(jù)統(tǒng)計，采用該算法預(yù)測的起飛前軌跡，與航班實際執(zhí)行偏差在5分鐘以內(nèi)為94.8%，能完全滿足中南地區(qū)對航班起飛前流量管理的需要。

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