4.3　四维航迹规划中的约束条件和影响因素

4.3.1　性能限制

飞机四维航迹规划过程中的性能限制体现在各个飞行阶段。在四维航迹规划中主要考虑以下4个方面的性能限制。

（1）在爬升段的性能限制主要是指爬升率和爬升梯度的限制，爬升率和爬升梯度的限制会影响飞机爬升剖面的构建。

（2）在巡航段的性能限制主要体现在飞行包线方面，飞行包线决定飞机在某一高度下的最大/最小飞行速度，进而决定飞机到达任一航路点的最早/最晚到达时间，即ETA窗口。ETA窗口与RTA的关系决定了在性能层面四维航迹的规划是否可实现。

（3）在下降段的性能限制主要是指下滑角和下降率的限制，下滑角和下降率的限制会影响飞机下降剖面的构建。

（4）各个飞行阶段的燃油消耗率的限制。在机载燃油质量一定的情况下，不同飞行方式和飞行状态下的燃油消耗率直接影响飞机的续航能力。

4.3.2　空管要求

四维航迹规划过程中的空管要求主要体现在以下两个方面。

1.飞行计划的制订

根据用户输入的性能数据和导航数据，生成完整的从起飞机场到目的机场的包括各个航路点、航段以及离/进场程序的完整飞行计划和备用飞行计划。该计划给出的有关航路资料包括航路点的位置、经度和纬度、导航/助航设备的电台频率、各个航路点的代号、各个航段间的航向角或轨迹角、航路点之间的距离、飞行速度和高度的限制、RTA的设置等相关数据。例如，空管部门给定的高度约束应包含“At”（准确按照要求高度）、“At or Above”（不低于要求高度）、“At or Below”（不高于要求高度）等；空管部门给定的时间约束应包含“At”（准确按照要求时间到达）、“At or After”（不早于要求时间到达）、“At or Before”（不晚于要求时间到达）等。

2.飞行计划的编辑与管理

在飞行计划制订和飞行过程中，飞行员可根据空管指令，通过以下方式实现对飞行计划的编辑与管理：

（1）插入、删除和修改航路点。

（2）修改到达某一个航路点的RTA或飞行计划终点的RTA等。

（3）修改其他约束条件。

4.3.3　气象条件的影响

在四维航迹规划过程中，主要考虑的气象条件为风场数据和温度场数据。在动力学模型中，通过方向余弦矩阵将风速、温度投影到机体坐标系中，体现外界环境（风速、温度）变化所引起的力、力矩和飞机状态变化。这些预测条件用来帮助飞行管理系统（FMS）细化所预测的航迹，弥补单纯动力学数学模型在此方面的缺失，进而提供更准确的估计到达时间、燃油消耗率、爬升/下降速率及过渡路径的构建等。

4.3.4　性能优化指标的选择

在外界约束条件较少的情况下，可以按照某种或几种性能指标组合的要求优化垂直基准航迹。这些指标包括成本最小、燃油消耗量最小和续航时间最大。

1）成本最小

一个航班的总运营成本涉及燃油的成本和航班相关的使用时间成本，即

式中， C 为总运营成本； C _f 为燃油成本系数，即每千克燃油成本（元/千克）； Q _f 为完成一次航班任务所需的燃油总消耗量； C _t 为时间成本系数，即每小时使用时间成本（元/时，不包含燃油成本）， T 为完成一次航班任务的总时间（小时）。

定义成本指数CI（Cost Index）如下：

式（4-6）可变化为

由式（4-7）可知，当每小时使用时间成本 C _t 保持不变时，如果 C _f 增大，即CI减小，意味着燃油成本比例增大，省油更为重要；同理，如果 C _f 保持不变， C _t 增大，即CI增大，则意味着使用时间成本比例增大，节省时间更为重要。因此，根据CI的变化及飞机状态信息（包括飞机质量、高度、速度等信息），综合考虑飞行过程中所花费时间和燃油消耗量的关系才能获得最低成本的飞行计划。

2）燃油消耗量最小

在不考虑时间成本的情况下，飞行过程中燃油消耗量最小的飞行计划即最优飞行计划。在飞行总航程不变的情况下，选择合适的飞行高度和速度，令单位里程消耗的燃油量最小，即可满足最省油的要求。

3）续航时间最大

在飞机载油量不变的情况下，选择合适的飞行高度和速度，令单位时间消耗的燃油量最小（燃油消耗率最小），即可满足续航时间最大的要求。

在实际情况中，成本最小往往是飞机飞行中优先考虑的优化指标，燃油消耗量最小和续航时间最大一般是基于某种特定需求时会选择的优化指标。 Er6szqb7/pNnRPhYHZ2+inlNXl8YqExHhROjTg5AOacAS4Eucl9UiuqBd/30yW7A