基于新航行技术降低碳排放的算法研究

刘志恒

（中国民航机场建设集团公司西南分公司 四川成都 610202）

基于新航行技术降低碳排放的算法研究

刘志恒

（中国民航机场建设集团公司西南分公司 四川成都 610202）

目前ICAO规定的碳排放标准体系以飞机的着陆起飞循环（Landing Take Off，LTO）为基础，但是飞机高空巡航进场的排放还没有相应的标准体系。因此本文在研究新航行技术的运行特点基础之上，提出了基于新航行技术的能够减少航空器碳排放量的进场模型，并在该模型的基础之上设计出航空器碳排放量最小的进场程序路径冲突解脱算法。

新航行技术；飞行程序；碳排放

前言

目前ICAO规定的排放标准体系以飞机的着陆起飞循环（Landing Take Off，LTO）为基础，只对航空器在机场附近的排放做出了规定，对于飞机高空巡航进场的排放还没有相应的标准体系。由于高空排放对环境破坏的严重性，高空排放的控制也将被ICAO纳入到新的适航体系之中。因此本文在对新航行技术主要是PBN技术的特点和应用这些技术如何实现减少航空器高空巡航进场阶段碳排放进行分析的基础上，提出了基于新航行技术的能够减少航空器碳排放量的进场模型，并设计出基于新航行技术的进场程序模型和基于航空器碳排放量最小的进场程序路径冲突解脱算法[1]。

1 基于新航行技术的最优化进场程序模型

为了改进当前运行的PBN程序的航空器选择进场程序的被动形式，本文设计的基于新航行技术的进场程序将采用动态的，基于航路点的程序形式，在航空器机载计算机中只储存一系列有规律设计的航路点，而没有储存进场航线，当航空器进场时，航空器能够根据当前空域内其他航空器的运行情况，依据储存在机载计算机中一系列有规律设计的航路点计算出一条进场航线，进而主动的，动态的运行进场程序，更大限度的合理利用终端区空域，减少航空器在空中的等待时间，减少航空器碳排放量。

将终端区空域以融合点（即最后进近定位点（FAF）或中间进近定位点（IF））为圆心分别以r海里为半径规划N个同心圆柱，其中30/N海里间隔为水平安全间隔。同时以h间隔将3000m高的空域划分为N层，每层的高度3000/N，其中h的间隔要能够满足给定低推力设置条件下提供给航空器足够的垂直高度来机动飞行。

在N个圆柱与N层水平面相交的N个圆环上建立航路点，最外面半径为30nm的环上的航路点为航线飞行到进场程序的过渡点，其环上的航路点为航线与环的交点，环上航路点的个数取决于到该机场的航线条数。其余环上航路点之间的间隔为d，具体如图1～2所示。

图1 基于新航行技术进场程序平面图

2 基于新航行技术的进场程序碳排放最小冲突解脱模型

上一节本文提出了基于新航行技术的最优化进场模型，在该模型中航空器进场是基于航路点进行的，进场程序不是固定的，基于当前的空管指挥模型，不能很好的确定航空器如何来根据航路点选择相应的进场航线，同时避免航空器之间发生冲突，很难发挥基于新航行技术进场程序的优势来减少航空器的碳排放量，因此本节提出了针对该模型的冲突解脱模型。

图2 基于新航行技术进场程序剖面图

2.1 航空器碳排放量计算

在提出基于新航行技术进场程序碳排放最小冲突解脱模型前，有必要对如何对航空器基于新航行技术进场程序的碳排放量计算方法进行研究。

本文为简化运算过程，将飞行阶段分为四段：起飞、爬升、巡航、下降进近阶段，与之相对应的各阶段的发动机状态分别为最大起飞状态（MTO）、最大爬升状态（MCL）、最大巡航状态（MCR）、空闲状态（Idle）。欧洲航行安全组织（EUROCONTROL）采集了全球航空器性能数据，并发布的航空器基础数据文件（BADA）。

由于在基于新航行技术进场程序模型中航空器始终处于下降阶段，因此航空器处于空闲状态（Idle），当航空器的发动机处于空闲状态时，BADA提供了相应的燃油消耗率（Fuelrate）的计算模型，该模型的计算公式如下：

2.2 有效路径的选择方法模型

由于航空器的性能要求限制，并不是基于新航行技术进程程序中规划的每条进场航线都能满足相关规范要求，因此有必要对有效的进场程序选择方法进行研究。在飞行程序设计过程中，对进场航线的选择限制主要有在每个航路点的转弯角度限制和下降梯度限制。本文主要针对这两种限制进行有效进场程序的选择。

2.2.1 转弯角度的限制的确定

在航空器运行目视仪表与飞行程序设计（8168）规范中规定PBN飞行程序设计中航空器在航路点的转弯角度最大为110°，当大于这个角度时将采用反向程序，因此本文将中航空器在航路点的转弯角度限制定为110°。

2.2.2 下降梯度限制

在航空器运行目视仪表与飞行程序设计（8168）规范中，对于PBN飞行程序设计起始进近航段的下降梯度有如下规定：

最佳下降梯度为4%（H类，6.5%）。如果为了避开障碍物需要采用更大的梯度，最大允许下降梯度为8%（H类，10%）。下降梯度是根据最快航空器类型的最短可能航迹距离（TRD）得到的，而不是根据航段长度。[4]

因此本文将航空器在各航段的最大下降梯度限制定为8%。

2.2.3 有效路径选择方法

对于每一个航路点确定一个编号Gij，其中i表示第i个圆环，j表示第j个航路点，但由于航空器的性能要求，有些航路径不能满足航空器的性能要求，要将这些路径排除，本模型算法就是要解决这个问题。模型算法如下：

其中α（Gi+1j，Gik）表示航路点Gi+1j到Gik的航段的航线角度，和h（Gi+1j）表示在航路点Gi+1j的高度，d（Gi+1j，Gik）表示航路点Gi+1j到Gik的航段的距离。

2 .3冲突解脱方法模型

本模型利用4D航迹技术，航空器能够准确预测航空器到达各航路点的时间。设同时进场的航空器有N架A=[A1，A1…AN]，进场的航空器独立的计划，各自的进场路径，不考虑彼此间的相互影响。

先进入基于新航行技术进场程序的航空器在有效的进场程序中根据航空器碳排放量最小这一目标，选择进场的航路点。

对于每架航空器选择的碳排放量最小且有效的进场程序都定义如下的矩阵：

其中H为最小垂直间隔，D为最小水平间隔，d是两个航路点之间的大圆航线距离，r为地球半径，△ψ为经度改变量，△λ为纬度改变量。

若CD（i，j，tp，tq）=0，表示两架航空器没有冲突，若CD（i，j，tp，tq）=1，表示两架航空器存在冲突。

当CD（i，j，tp，tq）=1，两架航空器存在冲突时，则后进场的航空器对这条进场程序进行删除，再在剩余的有效进场航线中选择碳排放量最小的进场程序，直至CD（i，j，tp，tq）=0，不存在冲突为止。

3 总结

本文分别对基于新航行技术的最优化进场程序模型、基于新航行技术的进场程序碳排放最小冲突解脱模型进行了研究，同时对航空器进场过程中的航空器碳排放量计算模型和有效路径选择模型进行了研究，通过以上模型选出飞机机场过程中基于碳排放量最少的路径，为以后进一步对减少碳排放量的研究奠定了基础。

[1]刘志恒.运用新航行技术降低航空器碳排放方法研究[D].广汉：中国民用航空飞行学院，2014.

[2]陆志伟.航空器无冲突4D航迹推测与生成.南京：南京航空航天大学，2012.

[3]Yi Cao，Dengfeng Sun，Joseph Post.Evaluation of Continuous Descent Approach as a Standard Terminal Airspace Operation[J].Ninth USA/Europe Air Traffic Management Research and Development Seminar（ATM2011）.

[4]ICAO.Aircraft Operations-Construction of Visual and Instrument Flight Procedures（Doc8168）[R].2006.

X738

A

1004-7344（2016）24-0307-02

2016-8-7

刘志恒（1987-），研究方向为空域规划、飞行程序设计、飞机性能分析。