本發(fā)明涉及航跡規(guī)劃技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種針對低空中長距離轉(zhuǎn)場飛行的航跡規(guī)劃方法。

背景技術(shù)：

隨著我國低空空域管理改革進入實質(zhì)性操作階段，通用航空產(chǎn)業(yè)面臨戰(zhàn)略性發(fā)展機遇。與之相配套的傳統(tǒng)空中交通管制系統(tǒng)中，存在以下三個問題：一是需要人工查找航線周邊最高障礙物，計算最低飛行安全高度；二是需要人工收集航線途經(jīng)的飛行空域、導(dǎo)航臺、位置報告點和備降場等空域環(huán)境情況；三是未能實現(xiàn)多飛行器、多航跡的協(xié)同任務(wù)規(guī)劃工作。為解決以上制約通用航空發(fā)展的現(xiàn)實問題，需要突破“低空中長距離轉(zhuǎn)場飛行的航跡規(guī)劃”關(guān)鍵技術(shù)，輔助通用航空飛行計劃制定人員，實現(xiàn)快速、高效的規(guī)劃中長距離轉(zhuǎn)場飛行航線。提高通用航空飛機在低空飛行中的運行效率，從技術(shù)層面促進通用航空的發(fā)展，為低空空域管理改革奠定堅實基礎(chǔ)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種針對低空中長距離轉(zhuǎn)場飛行的航跡規(guī)劃方法，能夠為飛行器規(guī)劃出飛行代價最小的飛行航跡；而且能實現(xiàn)多飛行器、多航跡的協(xié)同任務(wù)規(guī)劃工作。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的：

一種針對低空中長距離轉(zhuǎn)場飛行的航跡規(guī)劃方法，包括：

第一步：基礎(chǔ)航跡規(guī)劃：

將航跡分為進入航線路徑P1、航線飛行路徑P2和出航線路徑P3；進入航線路徑P1的起點為整個航跡的起點，終點為進入航線飛行路徑P2的點I；出航線路徑P3的起點為飛出航線飛行路徑P2的點O，終點為整個航跡的終點；進入航線路徑P1和出航線路徑P3選用避開靜態(tài)威脅、到達航線飛行路徑P2的最短距離；航線飛行路徑P2的飛行是從已規(guī)劃的民航航線下方飛行；利用DijKstra算法尋找出最短飛行路徑；然后，根據(jù)規(guī)劃的基礎(chǔ)航跡和飛行器參數(shù)計算飛行器飛行過程中的飛行指標(biāo)；

第二步：多飛行器多航跡仿真：

多飛行器沿規(guī)劃好的基礎(chǔ)航跡，在數(shù)字地圖上模擬飛行；根據(jù)飛行器的當(dāng)前飛行狀態(tài)，以及數(shù)字地圖上預(yù)設(shè)的環(huán)境信息，進行安全檢測和告警，輸出告警信息；

第三步：根據(jù)告警信息進行航跡優(yōu)化。

優(yōu)選地，第一步所述的基礎(chǔ)航跡規(guī)劃包括如下步驟：

步驟101、設(shè)D0為起飛點；A為從D0向航線飛行路徑P2做垂線，與航線飛行路徑P2相交的點；將D0加入集合W1，并令S＝D0，I＝A；其中，點I為進入航線飛行路徑的點；

步驟102、飛行器如果能夠從點S直線飛到點I，中間不遇到任何靜態(tài)威脅，則將點I加入到集合W1，進入航線路徑P1規(guī)劃完畢，跳到步驟104；如果從點S出發(fā)到點I遇到靜態(tài)威脅，則在數(shù)據(jù)庫中查找該靜態(tài)威脅附近的地標(biāo)點D1；從D1向航線飛行路徑P2做垂線，與航線飛行路徑P2相交的點記為點B；

其中，找到的地標(biāo)點D1滿足從點S到點D1、從點D1到點B的路徑之和最短，并且該路徑不經(jīng)過靜態(tài)威脅，且能夠從點S直線飛到該地標(biāo)點D1；

步驟103、令S＝D1，I＝B，將點D1加入集合W1，返回到步驟102；

步驟104、將終點作為步驟102中的D0，將出航線路徑P3的點O作為步驟102的點I；按照步驟102～103的方式規(guī)劃飛行器從航線上離開到終點的路徑，得到集合W0，將集合W0倒序排列即為要規(guī)劃的出航線路徑P3的路徑點集合W3；

步驟105、將進入航線的點I和出航線的點O加入航線飛行路徑P2中航線點組成的無向連通圖中；在無向連通圖中利用DijKstra算法計算出點I到點O的最短路徑W2；W1、W2和W3構(gòu)成了基礎(chǔ)航跡。

優(yōu)選地，第二步在進行多飛行器多航跡的仿真過程中進行如下安全檢測和告警：

(1)沖突告警

根據(jù)飛行器的當(dāng)前飛行狀態(tài)，計算出任意飛行器對之間的水平距離和垂直距離，當(dāng)該水平距離和垂直距離都小于用戶規(guī)定的水平和垂直距離標(biāo)準(zhǔn)時，產(chǎn)生沖突告警；

在有沖突告警發(fā)生時，記錄沖突告警事件的詳細信息，記錄內(nèi)容包括：告警、告警發(fā)生時間，飛行器標(biāo)識對、位置對、高度對、飛行方向交角；

(2)最低安全高度告警

根據(jù)設(shè)置的最低安全高度告警標(biāo)準(zhǔn)對飛行器飛行高度進行跟蹤，當(dāng)發(fā)現(xiàn)飛行器飛行的有效高度低于飛行地點的最低安全高度時，產(chǎn)生最低安全高度告警；

在有最低安全高度告警發(fā)生時，記錄最低安全高度告警的詳細信息，記錄內(nèi)容包括：告警類型、告警發(fā)生時間，飛行器標(biāo)識、位置、高度、飛行方向與正北夾角；

(3)侵入告警

將禁區(qū)、限制區(qū)和危險區(qū)作為告警區(qū)域；當(dāng)發(fā)現(xiàn)飛行器侵入或與告警區(qū)域的距離小于規(guī)定的安全距離時，產(chǎn)生侵入告警；

在有侵入告警發(fā)生時，記錄侵入告警的詳細信息，記錄內(nèi)容包括：告警類型、告警發(fā)生時間、被侵入空域名，飛行器標(biāo)識、位置、高度、飛行方向與正北夾角；

(4)出/入界告警

當(dāng)飛行器與所屬責(zé)任區(qū)邊界的距離小于設(shè)定參數(shù)條件時，產(chǎn)生飛行器出界告警；當(dāng)飛行器與下一責(zé)任區(qū)邊界的距離小于設(shè)定參數(shù)條件時，產(chǎn)生飛行器入界告警；

(5)燃油耗盡、飛行超時的告警

當(dāng)飛行器在飛行過程中燃油耗盡時，產(chǎn)生燃油耗盡告警；當(dāng)飛行器在預(yù)先設(shè)置的到達時間內(nèi)沒有達到目的地時，產(chǎn)生飛行超時告警。

有益效果：

(1)為實現(xiàn)快速、高效地規(guī)劃中長距離轉(zhuǎn)場飛行航線，提高通用航空飛機在低空飛行中運行效率的目的，本“低空中長距離轉(zhuǎn)場飛行的航跡規(guī)劃”方案主要目標(biāo)就是根據(jù)地形和任務(wù)等信息，考慮飛行器自身機動性能以及航程等約束，實現(xiàn)地形跟隨、地形回避和威脅回避，計算飛行路線途經(jīng)的軍民航飛行空域、導(dǎo)航臺、位置報告點情況，為飛行器規(guī)劃出飛行代價最小的飛行航跡；

而且航線周邊最高障礙物、飛行空域、導(dǎo)航臺等空域環(huán)境情況都預(yù)設(shè)在數(shù)據(jù)庫中，因此不需要人為查找和收集，可以自動應(yīng)用在航跡規(guī)劃和仿真模擬過程中。

(2)本發(fā)明令飛行器從已規(guī)劃的民航航線下方飛行，并優(yōu)化設(shè)計進入和飛出民航航線的進入段和飛出段，可以有效避開多數(shù)威脅，減小了航跡規(guī)劃的難度，保證航跡規(guī)劃的效果。

(3)在模擬仿真過程中，能夠通過數(shù)字地圖疊加飛行路線，仿真通航飛機的低空飛行過程，實現(xiàn)檢驗評估低空飛行高度、燃油油耗等飛行指標(biāo)的可行性，提供飛越靜態(tài)威脅的警示信息，以及多航空器、多航跡飛行沖突的預(yù)警提示，進而指導(dǎo)任務(wù)決策者調(diào)整規(guī)劃出更優(yōu)的飛行航跡。

(4)本發(fā)明在模擬仿真過程中，同時仿真多飛行器和多軌跡，從而實現(xiàn)多飛行器、多航跡的協(xié)同任務(wù)規(guī)劃。

附圖說明

圖1為針對低空中長距離轉(zhuǎn)場飛行的航跡規(guī)劃方法流程圖。

圖2為飛行器進入航線示意圖。

圖3為沖突告警示意圖。

圖4為最低安全高度告警示意圖。

圖5為侵入告警示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進行詳細描述。

低空中長距離轉(zhuǎn)場飛行距離長，限制多，不僅要考慮飛行器自身特點，還要考慮外部各種環(huán)境限制，本發(fā)明令飛行器從已規(guī)劃的民航航線下方飛行，并優(yōu)化設(shè)計進入和飛出民航航線的進入段和飛出段，可以有效避開多數(shù)威脅，另外通過仿真評估修改完善規(guī)劃的航跡方案，為飛行器高效完成任務(wù)提供了可靠的規(guī)劃方案。

本發(fā)明的方案分三大部分：

第一步：基礎(chǔ)航跡規(guī)劃：

將航跡分為進入航線路徑P1、航線飛行路徑P2和出航線路徑P3；進入航線路徑P1的起點為整個航跡的起點，終點為進入航線飛行路徑P2的點I；出航線路徑P3的起點為飛出航線飛行路徑P2的點O，終點為整個航跡的終點；進入航線路徑P1和出航線路徑P3根據(jù)數(shù)據(jù)庫對靜態(tài)威脅的記載，規(guī)劃避開靜態(tài)威脅、到達航線飛行路徑P2的最短距離；航線飛行路徑P2的飛行從已規(guī)劃的民航航線下方飛行；利用DijKstra算法尋找出最短飛行路徑；

然后，根據(jù)規(guī)劃的基礎(chǔ)航跡和飛行器參數(shù)計算飛行器飛行過程中的飛行指標(biāo)。

第二步：多飛行器多航跡仿真：

多飛行器沿規(guī)劃好的基礎(chǔ)航跡，在數(shù)字地圖上模擬飛行；根據(jù)飛行器的當(dāng)前飛行狀態(tài)，以及數(shù)字地圖上預(yù)設(shè)的環(huán)境信息，進行安全檢測和告警，輸出告警信息；

第三步：根據(jù)告警信息進行航跡優(yōu)化。

圖1為本實施例的流程圖。如圖1所示，包括如下步驟：

步驟1、新建航線規(guī)劃任務(wù)。

新建一條航線規(guī)劃任務(wù)，需要提供航線名稱、適用機型、實際載油量、預(yù)計起飛降落時間等信息，保存新建的任務(wù)信息。

步驟2、人機交互、地圖取點。

從可視化地圖上選取飛行器航跡的起點start和終點end位置。

步驟3、基礎(chǔ)航跡規(guī)劃。

將航跡分為進入航線路徑P1、航線飛行路徑P2和出航線路徑P3。其中，航線飛行路徑P2的飛行是從已規(guī)劃的民航航線下方飛行，即航線中的航線點采用民航航線中的航線點，只是高度在民航航線的下方。航線飛行路徑P2是由多個航段組成，航段有起始點坐標(biāo)，飛行器進出航線可以根據(jù)需要從航段上任意一點進出，假設(shè)進入航線的點為I，飛出航線的點設(shè)為O。那么，

進入航線路徑P1的起點為整個航跡的起點Start，終點為進入航線飛行路徑P2的點I；出航線路徑P3的起點為飛出航線飛行路徑P2的點O，終點整個航跡的終點end。進、出航線路徑的規(guī)劃，主要考慮飛行過程中的靜態(tài)威脅。靜態(tài)威脅即為靜止的威脅，主要指障礙物、禁區(qū)、危險區(qū)、限制區(qū)等。

本實施例中，民航航線能夠避開多數(shù)靜態(tài)威脅，因此進入航線之前的路徑規(guī)劃希望飛行器盡早飛到航線上，從航線上下來后能夠盡快飛到終點。因此航跡規(guī)劃的步驟具體為：

步驟101、設(shè)進入航線路徑P1上的點用W1表示，航線飛行路徑P2上的點用W2表示，出航線路徑P3上的點用W3表示；進入航線的點為I，飛出航線的點設(shè)為O。那么設(shè)D0為起飛點，將D0加入集合W1，設(shè)點S＝D0，A為從D0向航線飛行路徑P2做垂線，與航線飛行路徑P2相交的點，即航線上距離S最近的一點，令I(lǐng)＝A。從起飛點到進入航線之前的空域示意圖如圖2所示。

步驟102、飛行器如果能夠從S直線飛到I，中間不遇到任何靜態(tài)威脅，將點I加入到集合W1，進入航線路徑P1規(guī)劃完畢，W1就是P1路徑規(guī)劃結(jié)果，跳到步驟104；如果從S出發(fā)到I遇到靜態(tài)威脅(例如禁區(qū)002)，就在數(shù)據(jù)庫中查找禁區(qū)002附近的地標(biāo)點D1；從D1向航線飛行路徑P2做垂線，與航線飛行路徑P2相交的點，即為地標(biāo)點D1距離航線上最近的點為B。

其中，找到的地標(biāo)點D1滿足如下條件：

●從S到D1、從D1到點B的路徑之和最短；

●該路徑不經(jīng)過禁區(qū)002；

●能夠從點S直線飛到該地標(biāo)點D1。

步驟103、令S＝D1，I＝B，將點D1加入集合W1，返回到步驟102，以此類推，直到找到一條能飛到航線上的路徑W1。

步驟104、飛行器從航線上離開到終點路徑W3的規(guī)劃也按照進入航線的方式。將終點作為步驟102中的D0，將出航線路徑P3的點O作為步驟102的點I；按照步驟102～103的方式規(guī)劃飛行器從航線上離開到終點的路徑，得到集合W0，將集合W0倒序排列即為要規(guī)劃的出航線路徑P3的路徑點集合W3。

步驟105、將進入航線的點I和出航線的點O加入航線點(民航航線中的點)組成的無向連通圖中，它們分別到最近的兩個航線點的距離為連接航線點的邊的權(quán)值。

步驟106、在無向連通圖中利用DijKstra算法計算出點I到點O的最短路徑W2。其中，組成航線的航段互相連接構(gòu)成無向連通圖，圖中邊的權(quán)值可以設(shè)為航段距離。在無向連通圖中采用DijKstra算法從I點開始計算到每個點的最短路徑，直到找到到達O點最短路徑為止。

步驟107、形成基礎(chǔ)航跡flyWay：{W1、W2、W3}

形成從起點start到進入航線的I點，再經(jīng)過I點到飛出航線的O點在航線構(gòu)成的無向連通圖中的最短路徑，最后到達終點end即為規(guī)劃的基礎(chǔ)航跡flyWay。

步驟108、根據(jù)規(guī)劃的基礎(chǔ)航跡和飛行器參數(shù)計算飛行器飛行過程中的飛行指標(biāo)。

本步驟中，得到基礎(chǔ)航跡后，還需要計算飛行器的飛行高度、飛行速度、航向角，還有經(jīng)過的每個航段的距離、航段耗時、航段耗油、航段剩余油量、每個航線點時的轉(zhuǎn)彎方式，以及終點的到達時間等飛行指標(biāo)。

飛行器的飛行高度由飛行器的機型決定，另外還要參考國家政策(低空飛行一般規(guī)定在1000米以下)；根據(jù)步驟107中生成的flyWay計算每段航路的航段距離、航向角，以及經(jīng)過每個航線點時的轉(zhuǎn)彎方式；根據(jù)飛行器的機型、航跡flyWay以及預(yù)計起降時間計算航段耗時、飛行速度、航段耗油、剩余油量以及到達終點的時間。

步驟4、制定航線規(guī)劃預(yù)案。

根據(jù)步驟3形成的航跡flyWay以及計算得到的飛行器各項飛行指標(biāo)形成航線規(guī)劃預(yù)案。

步驟5、多飛行器多航跡仿真。

多飛行器沿規(guī)劃好的基礎(chǔ)航跡，在數(shù)字地圖上模擬飛行；根據(jù)飛行器的當(dāng)前飛行狀態(tài)，以及數(shù)字地圖上預(yù)設(shè)的環(huán)境信息，進行安全檢測和告警，輸出告警信息。通過該仿真過程可以判斷是否有飛越障礙物、禁區(qū)、危險區(qū)、限制區(qū)的情況，以及燃油耗盡、飛行超時、多個航空器是否有飛行沖突的情況，有則生成警示信息。

其中，本實施例中，利用系統(tǒng)仿真原理，按照“時鐘推進，事件調(diào)度”的仿真機制，逼真模擬空中交通的外部環(huán)境條件，建立航空器對象，對航空器飛行性能和飛行計劃進行仿真，對空中交通進行高逼真度的仿真推演、對任務(wù)的沖突情況進行仿真、調(diào)整后的任務(wù)規(guī)劃再進行仿真。在進行多飛行器多航跡的仿真過程中進行如下安全檢測和告警：

(1)沖突告警

沖突告警對所有規(guī)劃航跡之間當(dāng)前狀態(tài)和在未來某個時間內(nèi)是否存在危險接近標(biāo)準(zhǔn)進行探測。根據(jù)飛行器的當(dāng)前飛行狀態(tài)，計算出任意飛行器對之間的水平距離、垂直距離信息，當(dāng)該水平距離和垂直距離都小于用戶規(guī)定的水平和垂直距離標(biāo)準(zhǔn)時，產(chǎn)生沖突告警；

在有沖突告警發(fā)生時，記錄沖突告警事件的詳細信息，記錄內(nèi)容包括：告警、告警發(fā)生時間，飛行器標(biāo)識對、位置對、高度對、飛行方向交角；沖突告警示意圖如圖3所示。

(2)最低安全高度告警

本發(fā)明涉及的方法對有有效高度的航跡進行最低安全高度告警。根據(jù)設(shè)置的最低安全高度告警標(biāo)準(zhǔn)對飛行器飛行高度進行跟蹤，當(dāng)發(fā)現(xiàn)航跡的有效高度低于規(guī)定的相應(yīng)位置點或地面障礙物(如高壓線、高山等)的最低安全高度時，產(chǎn)生最低安全高度告警；

在有最低安全高度告警發(fā)生時，記錄最低安全高度告警的詳細信息，記錄內(nèi)容包括：告警類型、告警發(fā)生時間，飛行器標(biāo)識、位置、高度、飛行方向與正北夾角；最低安全高度告警示意圖如圖4所示。

(3)侵入告警

本發(fā)明設(shè)計了飛行器航跡侵入禁區(qū)、限制區(qū)和危險區(qū)時產(chǎn)生告警的方法。將禁區(qū)、限制區(qū)和危險區(qū)作為告警區(qū)域；當(dāng)發(fā)現(xiàn)飛行器侵入或與告警區(qū)域的距離小于規(guī)定的安全距離時(侵入?yún)^(qū)域的參數(shù)包括垂直間隔、水平間隔、空間位置)，產(chǎn)生侵入告警。

在有侵入告警發(fā)生時，記錄侵入告警的詳細信息，記錄內(nèi)容包括：告警類型、告警發(fā)生時間、被侵入空域名，飛行器標(biāo)識、位置、高度、飛行方向與正北夾角；侵入告警示意圖如圖5所示。

(4)出/入界告警

當(dāng)飛行器與所屬責(zé)任區(qū)邊界的距離小于設(shè)定參數(shù)條件時，產(chǎn)生飛行器出界告警；當(dāng)飛行器與下一責(zé)任區(qū)邊界的距離小于設(shè)定參數(shù)條件時，產(chǎn)生飛行器入界告警。

(5)燃油耗盡、飛行超時的告警

飛行器的油耗和飛行速度由飛行器機型決定，當(dāng)飛行器在飛行過程中燃油耗盡時，產(chǎn)生燃油耗盡告警；當(dāng)飛行器在預(yù)先設(shè)置的到達時間內(nèi)沒有達到目的地時，產(chǎn)生飛行超時告警。

步驟6、方案評估、調(diào)整和實施。

結(jié)合警示信息并參考任務(wù)管理者、任務(wù)專家的意見給出評估結(jié)果。任務(wù)管理者根據(jù)評估結(jié)果對任務(wù)規(guī)劃方案進行調(diào)整，定奪后實施。

其中，任務(wù)規(guī)劃方案記錄了飛行任務(wù)的飛行路徑規(guī)劃情況，把涉及到的路徑進行處理，保存到任務(wù)規(guī)劃方案文件中，便于系統(tǒng)直接加載顯示。任務(wù)管理者可以根據(jù)匯總的告警信息，并參考任務(wù)專家的意見修改任務(wù)規(guī)劃方案，生成方案報告。

至此，本流程結(jié)束。

綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。