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随着全球航空运输业快速发展与空域资源有限矛盾的日益突出，在空中交通流密集的复杂空域，实现空中交通管制自动化系统，高精度4D航迹预测成为我国新一代空管自动化系统中最为核心的一项技术。为进一步提高航空器航迹预测的精度，本文针对航空器的航迹规划及三维空域环境建模进行了一定的研究。本文首先通过分析已有的4D航迹预测模型的缺点，提出一种完全基于历史飞行数据的模型，通过比较一系列高度剖面间最小矩形间的距离即可度量航空轨迹间的相似性，然后将聚类后的航迹基于动态时间弯曲距离对航空器飞行高度剖面进行拟合。其次提出一种通过地速状态的变化识别空速状态变化的隐马尔科夫模型，并通过对速度状态的隐马尔科夫模型分析，得出了空速状态识别的模型。进而针对气象环境因素的影响可以进一步提高航空器航迹推测的精度，本文利用世界区域预报系统的数字格点数据，首先对高度层进行垂直插值以获取某一剖面的气象信息，采用二次拉格朗日插值确定航段上某一点的温度场和风场的预报值，用来讨论温度场和风场预报值对飞行的影响，修正航空器真空速及地速，利用递推仿真方式求解航空器4D航迹。最后，通过Google Earth结合Google的建模工具SketchUp搭建3D空中管制环境，与Google Earth中的三维地形数据整合，实现虚拟环境的构建，并基于KML语言描述地标与三维模型对实际航迹进行仿真。