基于航空噪声限制区域拟合的消噪飞行程序设计方法

摘要

本发明公开了一种基于航空噪声限制区域拟合的消噪飞行程序设计方法，首先采集目标机场预测交通流的流量、流向和机型数据，然后将机场周边学校、医院等相应敏感点的噪声等级要求，转化为三维空间内的航空噪声限制区域，采用最小二乘法拟合建立限制区域边界的空间曲面方程，最后通过求解起始航路点到曲面的切线，获得距离最优的消噪飞行程序。本发明避免了以往只有在设计飞行程序后才可以计算地面航空噪音的问题，提升设计工作效率，并且通过建立噪音限制问题解析模型，提高消噪飞行程序设计精确性。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种民航机场飞行程序的设计方法，尤其涉及一种基于航空噪声限制区 域拟合的消噪飞行程序设计方法。

背景技术：

近年来随着机场的航班量不断增加，航空器噪声扰民问题已经成为社会的热点问 题，消减航空器噪声影响受到越来越多的重视。现有的消噪飞行程序设计主要有两种 方法：一种是通过噪声声源控制来达到减噪的效果，另一种是绕飞噪声限制区域从而 减少敏感点噪声影响。

噪声声源控制方法，是依据国际民航组织(ICAO,International Civil Aviation  Organization)提出的消噪程序框架，航空器起飞减噪操作程序用于起飞爬升阶段，在航 空器起飞性能允许、保证安全超障和飞行程序最低爬升梯度的条件下，尽可能减推力 起飞和减功率爬升来达到减噪的效果。该方法设计的飞行程序不仅增加了飞行员和管 制员的工作负荷，而且容易受到天气影响、机场场地条件限制等无法执行，限制了该 消噪程序的适用范围。

绕飞噪声限制区域方法，是程序设计人员对已经设计完成的飞行程序利用综合噪 声模型(INM,Integrated Noise Model)等相关噪声预测软件绘制地面噪声等值线并以此 为基础确定地面噪声影响区域，若影响区域包含噪声敏感点则需对飞行程序进行调 整，之后进行再次噪声评估直至敏感点噪声影响满足相应的限制要求。该方法需要进 行大量的绘图和数据分析工作，评估任务繁重，周期太长，更为不足的是，该方法通 过不断调整飞行程序仅能粗略确定噪声限制区域，缺乏对该区域的精确描述，无法有 效地利用有限的空域资源。

发明内容：

本发明要解决的问题是，针对消噪飞行程序设计的不足，提出通过采集预测的机场 交通流流量、流向和机型数据，将机场周边敏感点的噪声等级要求，转化为三维空间内 的航空噪声限制区域，采用最小二乘法拟合建立限制区域边界的空间曲面方程，最后通 过求解起始航路点到曲面的切线，获得距离最优的消噪飞行程序。

本发明采用如下技术方案：一种基于航空噪声限制区域拟合的消噪飞行程序设计方 法，其特征在于：包括如下步骤

第一步：采集信息和处理数据

1.1.通过航行情报汇编(AIP,Aeronautical Information Publication)获取相应机场及 航路点的相关信息，通过管制中心信息系统、机场航班运行控制系统采集所研究空域内 典型高峰日的航班运行数据，通过相关城市建设控制性规划及地理信息系统数据库获取 相应的噪声敏感点的相关地理信息数据；

1.2.对采集的原始信息进行处理获得所需的数据，对航班信息进行分类统计处理， 得到机型分类、各个进离走廊口航班的流量比例、昼间及夜间单位小时内航班的平均架 次，对噪声敏感点、机场及航路点关键点信息进行经纬度与空间直角坐标的转换，获得 上述关键点之间的相对方位和距离数据；

第二步：建立航空噪声限制区域解析模型

基于噪声传播的物理特性、地面的噪声衰减效应及航空器速度修正，结合第一步确 定的对应敏感点规定的噪声限值要求，建立精确描述航空噪声限制区域的解析模型，航 空噪声限制区域是具有空间对称性，且相对于Z轴对称的空间蛋圆球体，其边界形成的 蛋圆曲面可以表示为：

$C:\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{a^2}+\frac{{(z-c)}^2}{{(k(z-c)+b)}^2}=1,\left|x\right|,\left|y\right|\le a$

式中：a表示由于噪声传播衰减形成的空间半球面的半径，c表示蛋圆球体对应在 XOY平面投影边界点集的高度值，k、b表示由于噪声地面衰减的传播修正系数；

第三步：求解航空噪声限制区域边界曲面方程

3.1.基于第二步确定的航空噪声限制区域边界形成的空间蛋圆曲面方程，通过分析 空间蛋圆曲面的特征，可知参数a表示蛋圆曲面在XOY平面上投影形成圆的最大半径， 参数c表示对应在XOY平面上投影出最大圆的点集的z值，已知声暴露级计算公式， 结合噪声－功率－距离曲线(NPD,Noise Power Distance)及第一步中采集的交通流数 据可以获得航空噪声的最大影响半径和高度，从而求解参数a、c；

3.2.基于步骤3.1求解的蛋圆曲面方程参数a、c，将上述第二步建立的航空噪声限 制区域边界形成的蛋圆曲面方程移项变换化简表示为：

$k(z-c)+b=\sqrt{\frac{a^2{(z-c)}^2}{a^2-x^2-y^2}}$

通过获取边界曲面数据点集C:(x,y,z)，将z-c视为自变量，视为因变量，利 用最小二乘法进行上述一元一次方程的拟合即可确定系数k、b，从而可以确定噪声限 制区域边界的曲面方程；

第四步：设计距离最优消噪飞行程序

依据上述步骤确定的噪声限制区域，求解起始航路点到该噪声限制区域边界曲面的 切线，即可获得距离最优的消噪飞行程序。

2.如权利要求1所述的基于航空噪声限制区域拟合的消噪飞行程序设计方法，其特 征在于：步骤3.1中运用GB9660《机场周围航空器噪声环境标准》中定义的声暴露级 计算公式，通过航空器性能数据库(BADA,Base of Aircraft Data)确定推力和真空速， 结合NPD曲线及第一步中采集的交通流数据进行昼夜等效声级的计算，具体计算公式 表示为：

L_AE＝L_AE(T,D)+Δv-Λ(β,l)+ΔL+Δφ

$\left(\begin{array}{c}{L}_{\mathrm{dn}}=10\lg \left(\frac{1}{86400}(\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{10}^{0.1L_{{\mathrm{AE}}_{\mathrm{ij}}}}{N}_{d_{\mathrm{ij}}}+10\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{10}^{0.1L_{{\mathrm{AE}}_{\mathrm{ij}}}}{N}_{n_{\mathrm{ij}}})\right)\\ =10\lg \left(\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}(N_{d_{\mathrm{ij}}}+10N_{n_{\mathrm{ij}}}){10}^{0.1L_{{\mathrm{AE}}_{\mathrm{ij}}}}\right)-49.4\end{array}\right)$

式中：L_AE(T,D)表示已知发动机的推力T和预测点与飞行航迹的最短距离D基础上 利用NPD曲线进行插值计算获得的标准条件下的SEL；Δv表示速度修正因子；Λ(β,l)表 示侧向衰减因子；ΔL表示考虑预测点与跑道延长线夹角施加的修正因子；Δφ表示转弯 时的持续时间修正因子；表示第i种机型执行第j条程序时单次飞行事件的声暴露 级；表示第i种机型执行第j条程序的昼间飞行架次；表示第i种机型执行第j条 程序的夜间飞行架次。

本发明具有如下有益效果：

(1).通过在航空噪声限制区域基础上设计消噪程序，避免了以往只有在设计飞行 程序后才可以计算地面航空噪音的问题，减少了设计任务及工作周期，提升了飞行程序 设计工作效率；

(2).通过建立噪音限制问题解析模型，精确地描述了航空噪声限制区域，提高消 噪飞行程序设计精确性，有利于有限空域资源的合理利用。

附图说明：

图1为本发明基于航空噪声限制区域拟合的消噪飞行程序设计方法的流程图。

具体实施方式：

请参照图1所示，本发明基于航空噪声限制区域拟合的消噪飞行程序设计方法包括 如下步骤：

第一步：采集信息与处理数据

采集信息与处理数据是整个发明的基础性部分。在本发明中，需要采集的信息具体 包括：(1)空管中心信息系统及机场航班运行控制系统中保存的典型高峰日航班信息数 据(包括航班时刻表和航班运行数据)；(2)相关城市建设控制性规划及地理信息系统 数据库获取相应的噪声敏感点(学校、医院、居民区)的相关地理信息数据(经度、纬 度、高程信息)；(3)航行情报汇编(AIP,Aeronautical Information Publication)获取相 应机场及航路点的相关信息(经度、纬度、高程信息)。

接下来，需要对采集的原始信息进行处理获得所需的数据。对航班信息(包括航班 时刻表和航班运行数据)进行分类统计处理，得到机型分类、各个进离走廊口航班的流 量比例、昼间(每日6:00至22:00)及夜间(每日22:00至次日6:00)单位小时内航班 的平均架次。对噪声敏感点(学校、医院、居民区)及机场及航路点等关键点信息进行 经纬度与空间直角坐标的转换，获得上述关键点之间的相对方位和距离数据。

第二步：建立航空噪声限制区域解析模型

航空噪声受限区域范围的确定是依据GB9660中规定的机场周围区域土地利用类型 限值标准，该标准中以机场噪声烦恼度与敏感性差异给出相应类型土地的噪声等级要 求。GB9660中关于敏感点应满足的相应噪声限制标准如表所示。

表1敏感点噪声限制要求

首先，在第一步中获得的航班运行数据基础上，依据声暴露级计算方法，得到按噪 声标准限制值确定的三维空间范围即为相应敏感点附近航空噪声限制区域的水平和垂 直范围。即敏感点噪声限制区域模型可以表示为：

L_dn(D,N)＝L_dn(x,y,z,N)＞SLL_i,i＝1,2,3

式中：N表示通过交通流数据统计或预测得到的平均航班架次量；SLL_i表示第i种类型 土地规定的噪声限值标准。对于飞行程序设计而言，需要确定的是上述噪声限制区域的 边界，从而保证程序设计时飞行航径与该限制区域无交集。因此噪声限制区域的边界构 成的空间曲面可进一步表示为：

C(x,y,z)＝L_dn(x,y,z,N)-SLL_i＝0,i＝1,2,3

接着，以敏感点为原点，水平面正东方向为X轴正方向，正北方向为Y轴正方向， 垂直于水平面向上为Z轴正方向建立空间直角坐标系。从噪声传播的物理特性出发，理 想情况下不考虑噪声地面衰减等不确定因素，噪声限制区域应是以敏感点为球心，噪声 限制标准及噪声传播衰减确定的半径形成的空间半球体，其边界构成的空间曲面即为空 间半球面，其相应的空间曲面方程可表示为：

C:x²+y²+z²＝a²,|x|,|y|≤a

式中：a表示由于噪声传播衰减形成的空间半球面的半径。

最后，考虑地面的噪声衰减效应及航空器速度修正，由于噪声空间传播的全向性， 在同一高度上航空器距敏感点相同距离处产生的噪声值均相同。因此该空间曲面具有空 间对称性，且相对于Z轴对称，对半球体曲面方程进行修正得到的空间曲面方程表示为：

$C:\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{a^2}+\frac{z^2}{{\left(f\left(z\right)\right)}^2}=1,\left|x\right|,\left|y\right|\le a$

f(z)的表达式中变量次数直接决定该曲面方程的次数，为了简化曲面方程的求解，可将 该空间曲面方程进一步表示为：

$C:\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{a^2}+\frac{{(z-c)}^2}{{(k(z-c)+b)}^2}=1,\left|x\right|,\left|y\right|\le a$

因此，考虑区域内n个噪声敏感点相应的噪声限制要求，飞行程序设计所研究的空 域范围内的一系列噪声限制区域，即航空噪声限制区域解析模型可表示为：

$C_1:\frac{x^2}{{a_1}^2}+\frac{y^2}{{a_1}^2}+\frac{{(z-c_1)}^2}{{(k_1(z-c_1)+b_1)}^2}=1,\left|x\right|,\left|y\right|\le a_1$

$C_2:\frac{x^2}{{a_2}^2}+\frac{y^2}{{a_2}^2}+\frac{{(z-c_2)}^2}{{(k_2(z-c_2)+b_2)}^2}=1,\left|x\right|,\left|y\right|\le a_2$

…

$C_n:\frac{x^2}{{a_n}^2}+\frac{y^2}{{a_n}^2}+\frac{{(z-c_n)}^2}{{(k_n(z-c_n)+b_n)}^2}=1,\left|x\right|,\left|y\right|\le a_n$

第三步：求解航空噪声限制区域边界曲面方程

首先，运用GB9660《机场周围航空器噪声环境标准》中定义的声暴露级计算公式， 通过航空器性能数据库(BADA,Base of Aircraft Data)确定推力和真空速，结合NPD 曲线及第一步中采集的交通流数据进行昼夜等效声级的计算，具体计算公式表示为：

L_AE＝L_AE(T,D)+Δv-Λ(β,l)+ΔL+Δφ

$\left(\begin{array}{c}{L}_{\mathrm{dn}}=10\lg \left(\frac{1}{86400}(\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{10}^{0.1L_{{\mathrm{AE}}_{\mathrm{ij}}}}{N}_{d_{\mathrm{ij}}}+10\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{10}^{0.1L_{{\mathrm{AE}}_{\mathrm{ij}}}}{N}_{n_{\mathrm{ij}}})\right)\\ =10\lg \left(\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}(N_{d_{\mathrm{ij}}}+10N_{n_{\mathrm{ij}}}){10}^{0.1L_{{\mathrm{AE}}_{\mathrm{ij}}}}\right)-49.4\end{array}\right)$

式中：L_AE(T,D)表示已知发动机的推力T和预测点与飞行航迹的最短距离D基础上利用 NPD曲线进行插值计算获得的标准条件下的SEL；Δv表示速度修正因子；Λ(β,l)表示侧 向衰减因子；ΔL表示考虑预测点与跑道延长线夹角施加的修正因子，由于其值较小一 般可忽略不计；Δφ表示转弯时的持续时间修正因子，此修正因子仅在转弯半径较小才 有效；表示第i种机型执行第j条程序时单次飞行事件的声暴露级；表示第i种机 型执行第j条程序的昼间飞行架次；表示第i种机型执行第j条程序的夜间飞行架次。

接着，结合空间蛋球曲面的物理特性，可知参数a表示蛋球曲面在XOY平面上投 影形成圆的最大半径，相应的圆的直径即为该蛋球曲面的横径，参数c表示对应在XOY 平面上投影出最大圆的点集的z值，特征参数a、c可以通过下式求解。

a＝argmax(lcosβ),L_AE'(l)-Λ(β,l)＝SSL(L_dn)

c＝a·tanβ

最后，当特征参数a、c确定后，上述空间曲面方程可移项变换化简表示为：

$k(z-c)+b=\sqrt{\frac{a^2{(z-c)}^2}{a^2-x^2-y^2}}$

通过获取边界曲面数据点集C:(x,y,z)，将z-c视为自变量，视为因变量，利 用最小二乘法进行上述一元一次方程的拟合即可确定系数k、b，从而可以确定噪声限 制区域边界的曲面方程。

第四步：设计距离最优消噪飞行程序。

依据上述步骤确定的噪声限制区域，求解起始航路点到该噪声限制区域边界曲面的 切线，即可获得距离最优的消噪飞行程序。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的 保护范围。