机场是航空运输系统的重要组成部分,也是连接空中与地面交通的关键环节。传统场面运行的不确定性大、资源利用率低,难以适应不断增加的航空运输需求。在高级地面运动引导控制系统与机场协同决策机制的推动下,基于精确四维滑行轨迹的场面运行方式开始成为新的发展方向。本文在深入分析现有研究的基础上,对四维滑行轨迹规划与执行阶段的问题进行了系统研究,提出一套完整无冲突四维滑行轨迹生成方法,并构建仿真系统对引导误差进行分析、验证四维轨迹引导的可行性,同时进一步发展和完善了轨迹监视与扰动恢复方法。第一,提出了一种无冲突时限滑行路径搜索方法,为进一步生成完整四维滑行轨迹提供了基础。时限滑行路径在传统路径基础上增加了控制点到达时间限制。为避免节点-路段模型的不确定性,利用虚拟区域划分保留交叉口区域的道路中线结构,并对区域划分模型进一步抽象,提高路径搜索效率。为生成无冲突、高效、流畅的时限滑行路径,通过区域时间窗约束规避滑行冲突,通过最小化滑行时间提高运行效率,并引入最大通行时间约束减少滑行过程中的等待。为确定最优路径,引入控制点到达时间窗与路径支配关系判定规则,并提出一种基于A*原理的路径搜索算法。该算法也为带有时间窗与最大通行时间约束的最短路问题提供了一种通用解法。第二,提出了一种以时限滑行路径为基础的参考速度在线生成方法,确定了完整的无冲突四维滑行轨迹。根据时限滑行路径具有控制点到达时间约束的特点,以滑行道区域包含的路段为基本单元,构建参考速度在线生成问题的非线性优化模型,避免现有离线参考速度生成方法在处理控制点到达时间约束方面的局限性。针对该模型提出一种基于数学启发式框架的实时求解算法,分别利用线性规划算法、元启发式算法和枚举算法确定控制点到达时间、控制点速度和具体的加/减速过程,并利用非线性优化算法进一步提高求解质量,消除初始可行解包含的过冲。基于不同机场与场面交通密度的仿真计算结果证明了该方法的有效性。第三,对基于无冲突四维轨迹的滑行引导进行了仿真研究。基于自动控制原理构建跟随绿灯引导仿真系统,并设计比例-微分-积分控制器自动计算导航绿灯点亮位置。利用典型机场道路布局与进离港数据进行仿真分析,将无冲突时限滑行路径搜索与参考速度在线生成方法集成到次序路由规划框架中,生成引导系统所需的无冲突四维滑行轨迹。考虑不同飞行员的驾驶行为差异,利用蒙特卡洛方法模拟飞行员跟随绿灯驾驶过程中的反应时间。根据仿真结果分析了不同导航绿灯控制方式的引导误差,以及在不同误差水平下的滑行冲突及油耗情况,初步验证了无冲突四维滑行轨迹在引导阶段的可行性,同时为生成更加鲁棒的无冲突四维滑行轨迹提供了有效反馈。第四,提出了一种基于机场场面监控视频的移动目标运动轨迹监视方法,为进一步实现面向四维轨迹的视觉符合性监视提供了必要支持。利用场面监控视频包含的几何特征确定机场平面上的两个消失点,基于此确定垂直方向上的消失点与摄像机焦距,实现摄像机标定。根据场面监控视频的静态背景特点,通过运动区域检测与合并确定移动目标在图像中的位置。根据场面监控视频的低视角特点,利用特征点检测、跟踪与轨迹聚类算法区分不同移动目标的特征点轨迹,基于摄像机标定结果将特征点轨迹映射到三维空间,并根据特征点高度对移动目标运动速度进行估测。利用真实机场场面监控视频验证了该方法能够有效实现运动轨迹监视。第五,提出了一种基于混合整数规划的机场地面运动扰动恢复方法。当干扰事件导致计划滑行轨迹失效时,从全局角度对计划轨迹进行优化调整,使场面交通恢复安全有序状态,避免局部优先次序调整策略对后续运行过程的不利影响。利用混合整数规划的复杂约束和目标函数建模能力,构建干扰事件影响下的路由与滑行冲突规避约束,实现无冲突轨迹调整,并以最小化滑行时间、目标位置到达时间及轨迹变化量为目标,减少干扰事件对地面运动效率及其他场面操作的影响。为满足动态环境下的计算时间要求,提出了基于分组迭代冲突规避策略的快速求解方法。利用仿真算例验证了这一扰动恢复方法的有效性。