本發(fā)明涉及空域管理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于飛行器航跡預(yù)測的空域沖突檢測方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著民航運輸業(yè)的日益發(fā)展，對空域使用量越來越大，同時運載火箭、火炮、低空飛行器等各類空域使用用戶越來越多，我國空中交通系統(tǒng)面臨著越來越嚴重的空域擁擠局面。如何有效利用空域資源成為空域管理部門日益面臨的緊迫問題。通常情況下，空域管理部門會利用一些技術(shù)輔助手段對空域資源進行規(guī)劃和管理，保障空域運行的安全穩(wěn)定。其中空域資源使用沖突檢測是空域資源規(guī)劃的重要內(nèi)容，主要是指根據(jù)空域用戶提出的飛行需求，組織空域管理部門將空域劃分為若干個區(qū)域，針對劃分的若干區(qū)域進行空域使用沖突檢測，以避免各用戶使用的空域存在重疊問題，以保障空域用戶飛行安全和通暢。

目前，世界范圍的空域規(guī)劃和管理工作都是參照國際民航組織的相關(guān)文件8168-ops/6111、9689-an/9532和9426-an/9243等進行的。這些文件是各個成員國空域規(guī)劃經(jīng)驗的總結(jié)，雖然取得一定的成果，但其原則和方法多采用定性分析，缺乏建立在嚴格數(shù)學模型基礎(chǔ)上的定量分析。其中空域劃設(shè)的方法主要以空域使用方飛行器全運行航跡為邊界確定空域使用空間范圍，以飛行器全飛行時間確定空域使用時間范圍。該劃設(shè)方法給各用戶的空域資源過大，劃分出來的空域資源在時間、空間上極易出現(xiàn)重疊、沖突等問題，極大的限制了空域使用效率。實際上，飛行器在某一時刻需要的空域僅僅是飛行器所處位置的安全間隔空間，其他空域在此時刻都是閑置的。在這種相對粗糙的空域資源規(guī)劃方法指導下，雖然能夠保障空域運行的安全性，但在空域用戶較多的狀態(tài)下,劃設(shè)空域過多,極易檢測出飛行器之間存在空域使用沖突，導致各飛行器更改計劃過多,難以協(xié)調(diào),這種以犧牲空域規(guī)劃的科學性和合理性為前提的方法已經(jīng)成為加大飛行流量、提高空域利用率的瓶頸，難以滿足現(xiàn)今大飛行流量、多空域用戶對空域資源的需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，解決現(xiàn)有空域資源劃設(shè)方法存在的浪費空域資源、利用率不高的問題，本申請?zhí)峁┮环N基于4d航跡預(yù)測空域資源劃設(shè)方法。本發(fā)明根據(jù)各空域用戶飛行器使用計劃，預(yù)測各飛行器在未來各個時刻所處的經(jīng)度、緯度以及高度的航跡信息，結(jié)合劃設(shè)分配空域資源的大小，提出盡量滿足各空域用戶需求的空域資源分配方案，避免各空域用戶在使用空域范圍、時間上的妥協(xié)，實現(xiàn)空域利用率最大化。

作為本發(fā)明的第一方面，提供一種基于飛行器航跡預(yù)測的空域沖突檢測方法，包括以下步驟：

s1，將待分配空域資源離散劃分為若干“立體小方塊”，“立體小方塊”體積大小等于飛行器安全間隔空間大小，構(gòu)建空域資源模型；具體為將待離散劃分的空域資源定義為q，空余資源邊界面集合定義為l：l＝{l1,l2,...,li}，利用空域資源邊界l對空域資源q進行分割，得到q＝{q1,q2,...,qi}，其中qi表示“立方體空域小方塊”，即為飛行器安全間隔空間大小。

s2，利用petri網(wǎng)理論知識對飛行器在空域資源模型中的運行過程進行建模，構(gòu)建空域資源運行模型；

1)定義空域資源運行模型

空域資源運行模型petri網(wǎng)模型定義為其中，p為庫所集合，p＝{p1,p2,...,pi}；t為變遷集合，t＝{t1,t2,...,ti}；pre表示為t×p的流關(guān)系，其權(quán)重為wpre；post表示為p×t的流關(guān)系，其權(quán)重為wpost；m為狀態(tài)標識，反映飛行器在空域資源中的分布姿態(tài)，m(pi)表示空域資源是否占用的標識；為庫所每次被標識應(yīng)持續(xù)的時間函數(shù)，其中h＝(h1,h2,...,hi)為持續(xù)時間集合，反應(yīng)飛行器占用空域時間；

2)定義庫所映射

空域資源q到庫所集合p的映射為δ:映射規(guī)則為：空域資源qi經(jīng)映射對應(yīng)的庫所為pi；

3)定義變遷映射

飛行器經(jīng)過空域資源邊界時間集合c到變遷集合t的映射為：λ:映射規(guī)則為：飛行器經(jīng)過空域邊界li經(jīng)映射對應(yīng)的變遷為ti。

s3，根據(jù)飛行器飛行計劃、歷史飛行航跡、氣象條件以及飛行器性能，對各飛行器在空域資源運行模型中的飛行航跡進行預(yù)測，預(yù)測出各飛行器所占用的“立體小方塊”以及占用時間；

具體為：根據(jù)飛行器飛行計劃，獲取飛行器類型、飛行起始時間、終止時間、飛行起始地點等信息，結(jié)合空域資源劃分信息，確定飛行器初始占用空域資源qk，結(jié)合歷史飛行航跡、氣象條件以及飛行器性能，確定飛行器初始飛行速度vk以及在初始占用空域qk中的飛行路徑lk，進而預(yù)測出飛行器經(jīng)過的空域資源航跡為qx＝{qkx,qmx,...,qnx}，飛行路徑為lx＝{lkx,lmx,...,lnx}，各空域資源飛行速度vx＝{vkx,vmx,...,vnx}以及占用這些空域資源的時間為hx＝{hkx,hmx…h(huán)nx}。

s4，根據(jù)空域沖突判定規(guī)則和檢測算法，推導出存在空域資源使用沖突的飛行器，以及空域資源沖突區(qū)域。

所述空域沖突判斷規(guī)則為：針對某一空域資源qk，飛行器a進入該空域資源的時刻為τa，在該空域資源中飛行時間為hka，則飛行器a在空域資源qk中得時間窗口為[τa,τa+hka]；當且僅當下列條件同時滿足，飛行器a,b在空域資源上存在使用沖突：

本發(fā)明另一方面提供一種基于飛行器航跡預(yù)測的空域沖突檢測系統(tǒng)，包括以下模塊：

空域資源劃分模塊，將待分配空域資源離散劃分為飛行器安全間隔大小的若干“立方體空域小方塊”；

飛行器航跡預(yù)測模塊，利用飛行器飛行計劃，結(jié)合歷史飛行航跡、氣象等信息，預(yù)測出飛行器航跡，以及飛行器經(jīng)過的“立方體空域小方塊”；

空域資源運行模型建立模塊，通過petri網(wǎng)對飛行器在空域資源中的飛行過程進行建模，建立空域資源運行模型；

空域資源沖突檢測模塊，將飛行器航跡融合到空域資源運行模型，依據(jù)空域資源使用沖突檢測算法，檢測出飛行器之間的空域資源使用沖突。

作為優(yōu)選，

所述的空域資源劃分模塊中將待分配空域資源離散劃分為飛行器安全間隔大小的若干“立方體空域小方塊”，所述“立方體空域小方塊”是由縱向間隔、側(cè)向間隔以及垂直間隔構(gòu)建的立方體。

所述的空域資源劃分模塊中將待分配空域資源定義為q，空域資源邊界面集合定義為l，l＝{l1,l2,...,li}，利用空域資源邊界面l對空域資源q進行劃分，q＝{q1,q2…qi}，分割距離分別為縱向間隔、側(cè)向間隔以及垂直間隔，其中qi表示“立方體空域小方塊”。

所述的空域資源運行模型建立模塊中空域資源運行模型如下：其中，p為庫所集合，p＝{p1,p2,...,pi}；t為變遷集合，t＝{t1,t2,...,ti}；pre表示為t×p的流關(guān)系，其權(quán)重為wpre；post表示為p×t的流關(guān)系，其權(quán)重為wpost；m為狀態(tài)標識，反映飛行器在空域資源中的分布姿態(tài)，m(pi)表示空域資源是否占用的標識；為庫所每次被標識應(yīng)持續(xù)的時間函數(shù)，其中h＝(h1,h2,...,hi)為持續(xù)時間集合，反映應(yīng)飛行器占用空域時間。

所述的空域資源沖突檢測模塊包括：

規(guī)則設(shè)置單元，用于設(shè)置空域使用沖突、空域資源使用沖突判定規(guī)則；

其中空域使用沖突集合z＝{z1,z2,...,zi}，表示飛行器ai和飛行器bi之間的空域沖突，表示飛行器ai和飛行器bi之間存在的空域沖突資源。

空域資源使用沖突判定規(guī)則為：任意飛行器a,b飛行經(jīng)過的空域資源為qa＝{qka,qma,…,qna}，qb＝{qkb,qmb,…,qnb}，針對某一空域資源qk，飛行器a進入該空域資源的時刻為τa，在該空域資源中飛行時間為hka，則飛行器a在空域資源qk中得時間窗口為[τa,τa+hka]。當且僅當下列條件同時滿足，飛行器a,b在空域資源上存在使用沖突：

飛行器航跡預(yù)測單元，用于預(yù)測出飛行器經(jīng)過的空域資源航跡qx＝{qkx,qmx,...,qnx}和飛行路徑lx＝{lkx,lmx,...,lnx}，以及占用這些空域資源的時間hx＝{hkx,hmx,…,hnx}；

空域資源沖突獲取單元，用于根據(jù)空域資源使用沖突判定規(guī)則，確定存在沖突的飛行器，以及沖突的空域資源；

空域沖突信息單元，根據(jù)空域資源沖突獲取單元給出的沖突信息，綜合生成空域沖突集合z，并重復(fù)依次啟動飛行器航跡預(yù)測單元、空域資源沖突獲取單元、空域沖突信息單元的功能。

本發(fā)明的有益效果如下：

1、改變了以飛行器全運行航跡為邊界確定空域使用空間范圍，以飛行器全飛行時間確定空域使用時間范圍的空域資源劃分方法，提出了以飛行器安全間隔為依據(jù)的空域資源劃分方法，提升了空域使用效率。

2、改變了以往粗放式的空域資源使用沖突判斷方法，提出了精細化的空域資源使用沖突判斷方法，減少了空域資源使用沖突的虛警率，避免了多余的飛行計劃調(diào)整，提升管制工作效率。

附圖說明

圖1本發(fā)明實施的基于飛行器航跡預(yù)測的空域沖突檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為空域資源劃分圖；

圖3為空域資源運行模型；

圖4是圖1中空域資源沖突檢測模塊的結(jié)構(gòu)框圖；

圖5為空域沖突檢測過程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明。

1.本發(fā)明的原理

首先將待分配空域資源離散劃分為若干“立體小方塊”，“立體小方塊”體積大小等于飛行器安全間隔空間大小，構(gòu)建空域資源模型。然后利用petri網(wǎng)理論知識對飛行器在空域資源模型中的運行過程進行建模，構(gòu)建空域資源運行模型；并根據(jù)飛行器飛行計劃、歷史飛行航跡、氣象條件以及飛行器性能，對各飛行器在空域資源運行模型中的飛行航跡進行預(yù)測，預(yù)測出各飛行器所占用的“立體小方塊”以及占用時間，最后根據(jù)空域沖突判定規(guī)則和檢測算法，推導出存在空域資源使用沖突的飛行器，以及空域資源沖突區(qū)域。

2.空域資源劃分

待分配空域資源離散劃分為若干“立方體空域小方塊”，“立方體空域小方塊”體積大小等于飛行器安全間隔空間大小，其中飛行器安全間隔空間是由縱向間隔、側(cè)向間隔以及垂直間隔構(gòu)建的立方體。將離散劃分的空域資源定義為q，空域資源邊界面集合定義為l，l＝{l1,l2,…li}，利用空域資源邊界面l對空域資源q進行分，q＝{q1,q2…qi}，分割距離分別為縱向間隔、側(cè)向間隔以及垂直間隔，其中qi表示“立方體空域小方塊”。

如圖2所示為具備待分配空域資源劃分為若干“立方體空域小方塊”示意圖，圖中局部待分配空域資源q劃分為q1,q2,q3,q4,q5,q6,q7,q8,q9九個“立方體空域小方塊”。

3.空域資源運行建模

定義1空域資源運行模型

空域資源運行petri網(wǎng)模型定義為其中：p為庫所集合，p＝{p1,p2,...,pi}；t為變遷集合，t＝{t1,t2…ti}；pre表示為p×t的流關(guān)系，其權(quán)重為wpre；post表示為t×p的流關(guān)系，其權(quán)重為wpost；m為狀態(tài)標識，可反映飛行器在空域資源中的分布態(tài)勢，m(pi)表示空域資源是否占用的標識；為庫所每次被標識應(yīng)持續(xù)的時間函數(shù)，其中h＝{h1,h1…h(huán)i}為持續(xù)時間集合，可反映飛行器占用空域時間。

映射1庫所映射

空域資源q到庫所集合p的映射為δ：其映射規(guī)則為：空域資源qi經(jīng)映射對應(yīng)的庫所為pi。

定義飛行器經(jīng)過空域資源邊界線事件集合為c，可定義變遷映射。

映射2變遷映射

飛行器經(jīng)過空域資源邊界線事件集合c到變遷集合t的映射為λ:其映射規(guī)則為：飛行器經(jīng)過空域邊界面li經(jīng)映射對應(yīng)的變遷為ti。

如圖3所示為圖2對應(yīng)的空域資源運行模型，圖中pi表示對應(yīng)的空域資源“立方體空域小方塊”qi。

4.飛行器航跡預(yù)測

根據(jù)飛行器飛行計劃，可獲取飛行器類型、飛行起始時間、終止時間、飛行起始地點等信息，結(jié)合空域資源劃分信息，可確定飛行器初始占用空域資源qk，結(jié)合歷史飛行航跡、氣象條件以及飛行器性能，可確定飛行器初始飛行速度vk以及在初始占用空域qk中的飛行路徑lk，進而可預(yù)測出飛行器經(jīng)過的空域資源航跡為qx＝{qkx,qmx,...,qnx}，飛行路徑為lx＝{lkx,lmx,...,lnx}，各空域資源飛行速度vx＝{vkx,vmx,...,vnx}以及占用這些空域資源的時間為hx＝{hkx,hmx…h(huán)nx}；

針對飛行器在空域中飛行經(jīng)過空域資源qa＝{qk,qm,...,qn}的過程，可假定其對應(yīng)的子模型為在庫所pm∈p'對應(yīng)的空域資源單元qm內(nèi)的飛行器飛行路徑長度記為lm。由航空器滑行速度vm，并利用映射可確定該庫所對應(yīng)單元的航空器滑行時間hm。

5.空域資源使用沖突預(yù)測

定義空域使用沖突為z＝{z1,z2...zi}，表示飛行器ai和飛行器bi之間的空域沖突，q'aibi＝{q'k,q'm...q'n}表示飛行器ai和飛行器bi之間存在的沖突空域。

空域資源使用沖突預(yù)測，就是針對各飛行器飛行過程和空域資源運行模型演變過程，判斷空域資源運行模型是否存在多個庫所同時被標識。

沖突判斷方法假定任意飛行器a,b飛行經(jīng)過的空域資源為qa＝{qka,qma…qna}，qb＝{qkb,qmb…qnb}，針對某一空域資源qk，飛行器a進入該空域資源的時刻為τa，在該空域資源中飛行時間為hka，則飛行器a在空域資源qk中得時間窗口為[τa,τa+hka]。當且僅當下列條件同時滿足，飛行器a,b在空域資源上存在使用沖突：

空域資源使用沖突算法如下：

步驟1：根據(jù)飛行器飛行計劃，結(jié)合歷史飛行航跡、氣象條件以及飛行器性能，預(yù)測出各飛行器飛行經(jīng)過的空域資源航跡qx＝{qkx,qmx…qnx}以及經(jīng)過這些空域的時間hx＝{hkx,hmx…h(huán)nx}；

步驟2：依據(jù)沖突判定方法，判定兩飛行器使用空域是否沖突；

步驟3：若存在沖突，則確定空域資源使用沖突飛行器對(a,b,q'ab)，并將其加入沖突集合z；若不存在沖突則返回步驟2，對下一空域資源進行沖突判定；

步驟4：對其他飛行器，繼續(xù)步驟2-3，最終輸出空域資源使用沖突集合z；

說明書中未闡述的部分均為現(xiàn)有技術(shù)或公知常識。本實施例僅用于說明該發(fā)明，而不用于限制本發(fā)明的范圍，本領(lǐng)域技術(shù)人員對于本發(fā)明所做的等價置換等修改均認為是落入該發(fā)明權(quán)利要求書所保護范圍內(nèi)。