基于注意力Seq2Seq模型的终端区航空器航迹预测

为充分挖掘机场终端区航空器航迹时间依赖性,解决中长期、多步长航迹预测精度不稳定的问题,引入注意力机制(Attention Mechanism)和教师监督(Teacher Forcing)中的指数衰减(Exponential Decay)采样方法,提出了一种基于序列到序列框架的机场终端区航迹预测模型(Seq2Seq-Attention Mechanism-Exponential Decay, SAE)。序列到序列框架实现了多步长预测,注意力机制提高解码器预测精度,指数衰减采样方法加速了训练阶段模型收敛,在一定程度上提高了模型的泛化性。最后,为了验证提出方法的有效性,利用天津终端区28架次、90天ADS-B航迹数据构建原始数据集,以平均绝对误差(Mean Squared Error, MAE)和均方根误差(Root Mean Squared Error, RMSE)作为模型性能评价指标,进行了航迹预测实验,实验结果表明：高度、经度和纬度在序列到序列框架中的循环神经网络分别采用LSTM、GRU和LSTM可以获得最好预测性能;以四种预测长度1分钟、3分钟、5分钟和10分钟进行建模,与基线模型中预测性能最好的结果比较,所提出方法在验证集上的高度、经度和纬度指标表现最优,10分钟预测窗口下的平均绝对误差分别降低了66.30%, 54.62%和36.59%,均方根误差分别降低了65.45%, 38.16%和20.57%,同时,上述四种预测时长下所提出方法预测结果的均值和方差最小,表明随着预测时长的增加,模型预测结果的稳定性最好。此外,引入的注意力机制与指数衰减采样方法对有效捕捉航迹时间依赖性、提高模型泛化性均具有积极的贡献.