5D计算机飞行计划的实现方法研究

摘要：随着我国航空技术深度发展，飞行计划的效率性、精确性、安全性等尤为重要。经度、纬度、高度、时间是传统飞行计划主要依赖的四维数据，但是在现代航空运输中，已经难以满足日益变化的需求。本文基于此，结合传统的四维数据提出5D计算机飞行计划实现方法，通过增加第五维度数据展开计算，旨在提高飞行效率和安全性，为航空运输行业提供更为精准的飞行计划。

关键词：5D计算机飞行计划；实现方法；优化计算；数据分类；校验管理

传统四维飞行计划已经难以与现代航空技术发展需求相匹配，导致飞行器无法满足复杂多变的飞行环境要求。传统的运行控制系统使用性能等学科计算公式来计算飞机油耗和飞行时间，计算精度低，工作流程需要优化。在既有的科学技术支持下，为了更加精准地对飞行路径展开合理规划，减少燃油消耗的同时提高飞行安全，5D计算机飞行计划应运而生。该方案是以四维数据作为基础而展开的，将飞机性能、天气状况等因素融入其中，维系飞行计划始终保持全面、动态。

加载四维数据

近年来，随着四川、海南、湖南、江西、安徽等低空空域管理改革试点建设工作相继取得突破性成效，全国范围内各类通航飞行需求不断增加。根据《2022年民航行业发展统计公报》显示，2022年获得通用航空经营许可证的传统通用航空企业同比净增62家，无人机通用航空企业同比净增2467家，通用航空在册航空器总数达到3186架，全国通用航空共完成飞行小时数同比增长3.5%。基于经度、维度、高度和时间四个维度精准控制，是四维航迹技术的核心，可最大化地保证飞行运行处于安装稳定状态。通过精细化控制航班起飞、爬升、巡航、近进、着陆等全阶段，可保证飞行运行定点定时推进，控制时间精准度从分钟级到10分钟级，再到10秒容差之内。对于市场体量快速发展的民航企业而言，提高飞行时间控制能力，保证飞行稳定安全具有极为重要的意义。在最近几年，民航连续五年的运输总周转量、旅客周转量、货邮周转量呈上升趋势，尤其是运输增速不低于10%。基于此，为规避大面积航班延误、降低成本支出，提高自动化水平是最为有效的路径。以四维航迹为基础的运行，是当前民航局、空管局高度关注的重点技术应用，同时也是智慧空管建设、智慧民航建设的具体应用场景，如图1。

基于传统的四维飞行计划，将第五维度数据引入，为飞行计划提供更多的细节和深度。在获取第五维度数据的时候，其是一个多维度过程，涵盖天气状况到飞机性能参数，再到航线交通状况等多个方面。其中，将气象服务提供的数据引入其中，可动态性地获取飞行线路上的风速、风向、气温、气压、云高、能见度等关键信息。飞机不同，其性hDubb1f7hFnKde8ewRsLCzjWTg7f9y/IwolY2gMfSFQ=能特点也存在差异，具体包括最大起飞重量、最大降落重量、爬升率、下降率等。利用空中交通管理系统获取实时的航线交通信息，包括其他航班的飞行计划、空中交通管制指令等。在本次研究中，收集某机场4月第五维度数据，如表1。

执行第五维度优化操作

在客户侧应用端，基于收集的多维度数据执行第五维度优化操作。应用Dijkstra算法等成本函数或优化算法优化飞行路线，可找到最短、最快、最安全的飞行路径，即：

在关系式中，Cost为飞行成本；Distance为飞行距离；Fuel Consumption Rate为燃油消耗率；Risk Factor为风险因素。

根据气温、气阻力、风速等因素调整飞行高度，考虑飞机升阻比对飞行高度展开优化，即：

在关系式中，hopt为给定高度范围内的最优高度；L（h）为飞机的升力；D（h）为飞机的阻力。

控制飞机飞行速度，多以飞行经济性和安全性作为依据展开。成本指数速度是较为常见的经济速度计算方法，可将燃油和时间作出平衡，即

在关系式中，VE为经济速度；Fuel Cost为单位燃油成本；Distance为剩余航程；Time Cost为单位时间成本。

输出优化结果

以第五维度的数据作为基础，采用Dijkstra算法等优化算法重新规划飞行路线。综合考虑了飞行成本、飞行距离、燃油消耗率和风险因素，规避不利的气象区域和空中交通的堵塞节点，找到一条既安全又高效的飞行通道。

其中，a，b，c代表系数。

将函数最小化处理，得到新的飞行路线，飞行距离与原始路线相比较而言缩短了8%。由此可见，其能够直接降低燃油消耗量，为航空公司带来良好的经济效益。不仅如此，也为乘客提供更加便捷的出行，新路线风险系数显著降低了15%，极大地提升了飞行安全。

在优化飞行高度的过程中，综合气温、气阻力、风速等多维度数据展开精准分析和模拟实验，确定最佳飞行高度为10000米。在此高度上，飞机的升阻比（升力与阻力之比）达到了相对最优状态。升阻比的计算公式可以表示为：

在公式中，L为飞机升力，D为飞机阻力。

在10000米的高度上，升阻比的最大化表示飞机能够以最小的阻力获得最大的升力，从而显著减少燃油消耗。相比较原先常用的飞行高度，新选定的飞行高度还能降低飞行过程中的阻力约10%。

在对飞行速度展开控制的时候，基于飞行经济性和安全性展开合理优化。引进成本指数速度计算法找到能够平衡燃油和时间成本的经济速度。详细而言，最经济的飞行速度为850公里/小时成本指数速度的计算可以基于以下公式：

公式中，V经济为经济速度，C燃油为单位燃油成本，D剩余为剩余航程，C时间为单位时间成本。

在这个速度下，整体飞行成本（包括燃油成本和时间成本等）达到了相对较低的状态，新的飞行速度在保持航班准时到达的同时，还能减少约8%的燃油消耗。

结语

在现代航空技术发展的背景下，传统四维飞行计划已无法满足其需求，故引入5D计算机飞行计划，为航空公司管理提供技术支持。该计划在设计与实施时，以四维数据为基础，并将飞机性能和天气状况等因素融入，实现全面、动态的飞行规划。加载四维数据、获取第五维度数据、执行优化操作及输出优化结果等步骤的落实，可成功规避不利气象区域与交通堵塞节点，缩短飞行距离，降低燃油消耗，提高飞行安全。根据本文分析得知，新航线的飞行距离缩短8%，风险系数降低15%，确定最佳飞行高度为10000米，最经济飞行速度为850公里/小时，从而实现经济效益和环保的双赢，为航空公司带来好处，也为乘客提供更快捷、更安全的飞行体验，推动航空技术持续发展与创新。