1.4　基于四维航迹运行的飞行引导技术

飞行引导是基于四维航迹运行的飞行管理系统的核心功能，该飞行管理系统在执行飞行计划时，能够根据飞机的状态、性能限制和优化指标生成最优的四维航迹。同时，在飞行过程中生成飞行引导指令，并通过与自动飞行控制系统（Automatic Flight Control System，AFCS）耦合，实现对四维航迹精确跟随。

精确四维飞行引导是在精确三维飞行引导的基础上引入时间维的引导和控制，应用四维航迹规划和预测技术，可以在飞行过程中周期性地进行估计到达时间（Estimated Time of Arrival，ETA）的计算，并将ETA引入速度的调节。速度指令计算的合理性和准确性直接影响到达时间控制（Time of Arrival Control，TOAC）能力，并会影响后续ETA计算的准确性。

支持4D-TBO的飞行引导与传统的三维飞行引导相比，要考虑的因素更多，控制精度要求更高，计算复杂度更大，既要追求指令的可行性和最优性，又要强调指令的时效性和准确性。所谓可行性，是指在飞行引导指令控制下飞机的飞行满足各种约束条件（飞机性能限制、空管要求、飞行计划等）。所谓最优性，是指要在飞行管理指令控制下飞机的飞行达到所选最优指标（最小成本、最少燃油消耗量、最远航程、最短飞行时间等）。所谓时效性，是指飞行管理系统能够快速地对环境和约束的动态变化做出及时的响应；要做到时效性，就必须对飞机在一段时间内的误差进行统计预测，使飞机及时发出修正指令。所谓准确性，是指四维航迹运行管理系统能控制飞机并实现高精度的飞行，准确性由飞行引导指令生成的算法保证。

1.4.1　基于四维航迹运行的飞行引导关键技术

基于四维航迹运行的飞行引导关键技术可以分为两个方向：四维航迹规划和预测技术、基于四维航迹运行的飞行引导技术。

四维航迹规划和预测技术是保障精确空间引导和定时到达精度的基础，也是应用基于性能模式优化能力的主要环节，其目的是在空间和时间上实现高精度的四维航迹预测，为实现高精度、鲁棒性的四维航迹控制提供基础。为了满足可靠、可预测和可重复的航迹要求，进行四维航迹规划和预测时，需要用基于四维航迹运行的飞行管理系统构建满足RNP运行的参考航迹，优化水平航段过渡路径，并考虑水平引导截获路径的优化。同时，为了满足精确性的要求，还需要考虑气象因素。另外，为了达到经济性等运行目标，需要根据优化模式，兼顾飞行高度限制和速度限制，优化高度剖面和速度剖面，从而生成满足四维航迹运行要求的优化航迹。

基于四维航迹运行的飞行引导技术是保障水平导航（LNAV）、垂直导航（VNAV）、估计到达时间（ETA）和到达时间控制（TOAC）精度最重要的一环，是在空间上实现高精度、鲁棒性的航迹控制，在时间上实现定时可控可达。精确四维飞行引导主要指在四维航迹规划和预测的基础上，由基于四维航迹运行的飞行管理系统进行模式管理、飞行引导指令计算和误差管理等。

因此，基于四维航迹运行的飞行引导关键技术的两个方向又可以细分如下。

1）四维航迹规划和预测技术

（1）构建满足所需导航性能的参考航迹。

（2）构建水平航段过渡路径。

（3）基于性能数据的垂直剖面规划。

（4）处理高度限制和速度限制。

（5）考虑气象因素下的计算性能。

（6）特殊情况下的航迹重规划。

2）基于四维航迹运行的飞行引导技术

（1）引导过程中的模式管理。

（2）基于四维航迹运行的飞行引导指令计算。

（3）四维航迹运行中的误差管理。

（4）飞行管理着陆系统（FLS）进近引导。

1.4.2　基于四维航迹运行的飞行引导系统架构

为实现上述要求，本书提出一种基于四维航迹运行的飞行引导系统架构，如图1-5所示。该飞行引导系统在飞机性能数据库、空中交通管制信息、气象信息处理系统和机载传感器系统的支持下工作，它由四维航迹预测和航迹规划算法、航段解析和区段四维引导三大模块组成。

四维航迹预测和航迹规划算法模块在具有时间约束的情况下，根据各种性能指标要求和飞机当前质量、姿态、高度、空管要求、风速、风向、温度等信息进行四维航迹规划，优化并生成四维航迹。

航段解析模块的功能是，把四维航迹预测和航迹规划算法模块生成的四维航迹分解为水平参考航迹和垂直参考航迹，把航段类型、时间约束条件等转化为四维飞行引导计算所需的空间和时间信息。

区段四维引导模块是整个四维飞行引导系统的核心，根据解析后的航路信息、气象信息和飞机当前状态等，计算水平位置误差、垂直位置误差和时间误差，并计算得到期望的方位角、滚转角、爬升率、期望地速、发动机推力等飞行引导指令，将其发送给飞行控制系统和自动油门系统，进而引导飞机按照四维航迹飞行。同时，根据飞机位置进行航段/模态转换判断，并发出转换指令。区段四维引导模块由ETA计算、区段误差计算、飞行引导指令计算、航段/模态转换判断、误差管理5个小模块组成，各个模块的功能简述如下。

ETA计算模块根据飞机接收到的风速、风向和飞机空速等信息，进行飞机地速和到指定航路点剩余航程的实时计算，进而计算估计到达时间。

区段误差计算模块根据解析后的航路信息、航段/模态转换指令和飞机当前状态等计算水平位置误差（侧偏距、方位角误差、纵向水平误差等）、垂直位置误差（高度差、垂直速率差、航迹倾斜角差等）和时间误差（到指定航路点的RTA与ETA的差），为飞行引导指令的计算奠定基础。

航段/模态转换判断模块主要包括俯仰轴、推力轴的控制要求和模态转换逻辑关系，并根据飞机当前状态（位置、速度、时间、发动机状态等）、误差信息（水平/垂直位置误差、时间误差）和飞行环境信息（风速、风向、温度、气压等），决定是否进行航段/模态转换，以保证飞机的安全性和飞行性能。

误差管理模块对飞机的位置误差和时间误差进行统计和预测，并根据飞行阶段和RNP/RSP要求发出航段/模态转换指令或航迹重规划指令，是空中交通管制部门要求的系统总体性能（RTSP）要求的体现，在RNP运行时，分析在自动驾驶仪接通情况下的四维航迹控制误差（位置误差、时间误差）。

飞行引导指令计算模块是基于4D-TBO的飞行引导系统的核心，根据区段误差计算结果得到期望的航迹角、滚转角、爬升率、期望地速、发动机推力/转速设定值等飞行引导指令，将其发送给飞行控制系统，进而引导飞机按照预定航迹飞行。 sed2gBYg25/+lgzBHbReK80hrF8ABa5dsOlB8jyhQheExuXDHntK6H3GVZDJQk23