一种基于空域网格的航迹运行冲突解耦控制方法与流程

1.本发明属于航迹冲突检测与解脱领域，具体是一种基于空域网格的航迹运行冲突解耦控制方法。


背景技术：

2.航班冲突检测与解脱技术是保障我国空域安全运行、有序进行的关键组成。
3.目前，对于航班冲突探测与解脱方法的研究成果已有不少，国内外很多学者提出了多种相关模型和算法，比较常见的是基于智能算法的冲突解耦方法，如蚁群算法、神经网络算法等，但这些算法都属于黑盒算法，地面管制人员无法判断得到的冲突解耦建议是否可靠；同时该算法不同时刻输出不同的结果，导致航班冲突解脱过程中其他航班的安全性不能保证；
4.此外，现有的冲突解耦算法较少涉及时间量，如果再加入时间变量，无形中又大大提升了整个算法的复杂性。


技术实现要素：

5.结合实际的管制需求，本发明提出了一种基于空域网格的航迹运行冲突解耦控制方法，快速实现大规模航班无冲突航迹规划。
6.所述基于空域网格的航迹运行冲突解耦控制方法，步骤如下：
7.步骤一、对目标空域a进行网格单元划分，得到空域a的网格单元集合xa；
8.步骤二、根据航空器a的位置状态，利用交通航迹观测模型，将该航空器对应航迹的球面位置投影填充到空域网格，形成对航迹的空域网格xa；
9.步骤三、将时间段[t1,tn]按照航空器a进入不同网格单元的时间进行划分，得到时间节点集合t，建立时间节点集合t与航迹网格单元集合xa之间的一一映射。
[0010]
步骤四、对航空器a的每个航迹空域网格，计算所有导致该空域网格被占用的累积总概率：
[0011]
步骤五、根据当前任务目标设定累积总概率风险大/小门限，将每个航迹空域网格划分为低风险冲突空域网格、中风险冲突空域网格和高风险冲突空域网格；
[0012]
风险大/小门限分别记为p
max
和p
min
；
[0013]
针对空域网格k被占用的累积总概率当满足则空域网格k为低风险冲突空域网格，则暂时不做冲突解脱处理；
[0014]
若则空域网格k为中风险冲突空域网格，判断导致冲突的因素是不是航空器，如果是，则进一步判断是不是过点时间有冲突，如果两者都满足，则需要进行冲突解脱；否则，认为空域网格内航迹无冲突；
[0015]
若则空域网格k为高风险冲突区域，则需进行航迹冲突解脱。
[0016]
步骤六、基于随机冲突网格算法，对航空器a的每个航迹空域网格均进行冲突探
测，对处于中风险冲突空域的各网格进行进一步确认，为需要解脱的空域冲突网格和高风险冲突区域的网格设定冲突解脱策略；
[0017]
所述冲突解脱为以下两种：
[0018]
(1)调整航向：只改变航空器a的飞行航向角，保持飞行速度大小、航迹倾角和飞行高度不变。
[0019]
(2)改变高度：只改变航空器a飞行速度矢量的航迹倾角，保持飞行速度的大小和航向角不变；
[0020]
步骤七、构建冲突解脱的约束条件，并根据约束条件建立各空域网格被占用的成本函数；
[0021]
针对空域网格k，约束条件分为：
[0022]
①
航空器本身性能f1(x)：f1(x)＝w
tc
(x)+w
cc
(x)
[0023]
其中w
tc
(x)为最小转弯半径的转弯成本，w
cc
(x)为最大爬升角的转弯成本：
[0024]
②
路径/空域限制f2(x)：实际选择的映射节点p'
n+1
与计划的映射节点p
n+1
的直线距离：
[0025]
f2(x)＝d(p'
n+1
,p
n+1
)
[0026]
③
静态气象因素f3(x)：气象因素对航行飞行的影响，飞行器保持飞行能力的成本。
[0027]
④
管制员负荷f4(x)：从高度调配、航向调配以及综合调配方式来评估管制员工作负荷。可用下式表示，f4(x)＝w
bc
(x)+w
ac
(x)+w
ic
(x)
[0028]
其中w
bc
(x)为航向调配的负荷，w
ac
(x)为高度调配的负荷，w
ic
(x)为航向和高度都进行调配的负荷；
[0029]
最终，航空器a的航迹空域网格k被占用的成本函数为：
[0030]
g(x)＝αf1(x)+βf2(x)+γf3(x)+δf4(x)
[0031]
α、β、γ和δ均为权重系数，取值在0到1之间，具体值由实际情况确定。
[0032]
步骤八、利用所有航迹空域网格的成本函数构建目标函数，并利用差分进化算法求解，得到冲突解脱后的航空器a的各航迹空域网格；
[0033]
目标函数如下：
[0034][0035]
k为冲突解脱后更改的时间节点的数目，1≤k＜m-2；
[0036]
步骤九、判断该空域内是否依然存在航迹冲突，若不存在，则冲突解脱成果；否则，重复上述步骤四，直至目标空域网格集合内无风险冲突空域网格。
[0037]
本发明的优点在于：
[0038]
本发明一种基于空域网格的航迹运行冲突解耦控制方法，通过判断空域网格内置属性参数，快速高效地检测大量网格航迹冲突范围和冲突时间，并配合解脱算法，快速实现大规模航班无冲突航迹规划。
附图说明
[0039]
图1是本发明一种基于空域网格的航迹运行冲突解耦控制方法流程图；
[0040]
图2是本发明中风险冲突空域网格航迹冲突探测流程图；
[0041]
图3是本发明同高度层冲突解脱示意图；
[0042]
图4是本发明跨高度层冲突解脱示意图。
具体实施方式
[0043]
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明部分实施例，而不是全部的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0044]
本发明提供一种基于空域网格的航迹运行冲突解耦控制方法，如图1所示，具体步骤如下：
[0045]
步骤一、在空域网格单元剖分与编码的基础上，对目标空域a进行层级为r的网格单元划分，得到空域a的域网格单元集合xa：
[0046]
集合xa＝{x1,x2,...,xi,...,xs}，其中，xi(i＝1,2,...,s)为第i个空域网格单元；
[0047]
步骤二、根据航空器a的位置状态，利用交通航迹观测模型，将该航空器对应航迹的球面位置投影填充到空域网格，形成对航迹的空域网格；
[0048]
根据航空器的位置状态的六元参数(l,b,h,v,φ,t)，即地理坐标经度、纬度、高度、速度、航向和时间，利用相应的交通航迹观测模型，将航迹的球面位置投影对空域网格进行填充，形成对航迹位置的标识与表达，实现其空域离散化。
[0049]
其中，交通航迹包括历史交通航迹、实时交通航迹和预测交通航迹，历史交通航迹由雷达监视手段的探测跟踪确定，预测航迹为已有方法可以实现。依次将所有空域网格进行航迹占用统计计算，统计所有空域网格包含的预测航迹条数，航迹条数取值取决于收集的航迹信息。
[0050]
根据飞行预测得到航空器a的交通航迹网格单元集合为并且航空器a在空域a的时间范围为[t1,tn]；
[0051]
步骤三、将时间段[t1,tn]按照航空器a进入不同网格单元的时间进行划分，得到时间节点集合t，建立时间节点集合t与交通航迹网格单元集合xa之间的一一映射。
[0052]
所述映射节点为t＝{p1,p2,...pi,...pm}；m为映射节点的总数；
[0053]
定义如下：f1:t
→
xa，且存在f2:xa→
t，满足f2＝f
1-1
，即xi＝f1(pi)，反之亦然，即若pi≠pj，其中i≠j，则航空器a处于不同的空域网格单元，航迹与空域网格节点的关联映射。
[0054]
步骤四、对航空器a的每个航迹空域网格，计算所有导致该空域网格被占用的累积总概率：
[0055]
具体为：
[0056]
步骤401、针对当前空域网格k，计算被随机因素ci占用的概率：
[0057]
pi＝p(ci)
[0058]ci
表示第i个导致该空域网格k被占用的随机因素，是一个随机变量；空域占用的因素包括：空域网格内有航空器、极端天气、特殊用空计划或者过点时间冲突。
[0059]
其中设定空域网格被航空器占用的概率用p1表示；环境变化以圆形表示，且概率
是以圆心为中心对称分布的，圆心处环境最为恶劣，其占用概率最高设置为p2，以圆心为起点沿着半径真比例减小；空域网格被特殊用空计划占用的概率用0和1表示，0表示空域网格为非特殊用空，1表示空域网格被特殊用空计划占用；过点时间冲突概率与航空器因素联合使用，用0和1表示，0表示过点时间不冲突，1表示过点时间冲突。
[0060]
步骤402、计算该空域网格k至少被一个因素占用的概率：
[0061]
用联合概率分布来表示，具体如下式所示：
[0062][0063]
n表示该空域网格k被占用的因素个数，π表示连乘符号。
[0064]
步骤403、计算包括因素ci在内的所有导致该空域网格k被占用的累积总概率：
[0065][0066]
式子中表示因素ci在内的所有导致该空域网格k被占用的累积总概率，表示包括该空域网格k被因素ci占用前，所有导致该空域网格k被占用的累积总概率。
[0067]
步骤五、根据当前任务目标设定累积总概率风险大/小门限，将每个航迹空域网格划分为低风险冲突空域网格、中风险冲突空域网格和高风险冲突空域网格；
[0068]
风险大/小门限分别记为p
max
和p
min
；
[0069]
针对空域网格k被占用的累积总概率当满足则空域网格k为低风险冲突空域网格，则暂时不做冲突解脱处理；
[0070]
若则空域网格k为中风险冲突空域网格，判断导致冲突的因素是不是航空器，如果是，则进一步判断是不是过点时间有冲突，如果两者都满足，则需要进行冲突解脱；否则，认为空域网格内航迹无冲突；具体如图2所示。
[0071]
若则空域网格k为高风险冲突区域，则需进行航迹冲突解脱。
[0072]
步骤六、基于随机冲突网格算法，对航空器a的每个航迹空域网格均进行冲突探测，对处于中风险冲突空域的各网格进行进一步确认，为需要解脱的空域冲突网格和高风险冲突区域的网格设定冲突解脱策略；
[0073]
(1)调整航向：只改变航空器a的飞行航向角，保持飞行速度大小、航迹倾角和飞行高度不变。在巡航阶段正常飞行时，一般没有大角度转弯或转向飞行，并且固定的航向改变能减少飞行员的反应时间，使之更好地执行冲突解决方案。在此，假设飞机在飞行中只选择3个飞行方向，即保持原有航向，左转30
°
，右转30
°
；
[0074]
(2)改变高度：只改变航空器a飞行速度矢量的航迹倾角，保持飞行速度的大小和航向角不变；
[0075]
改变高度包括同高度层解脱和跨高度层解脱；
[0076]
同高度层解脱为：针对航空器a在时刻tn处于映射节点pn时，该节点pn对应的空域网格单元为xi，当计划的下一个映射节点p
n+1
存在飞行冲突或是其他不可通行原因，则调整航空器a的飞行航向角，选择飞行航向角能到达的映射节点作为下一个映射节点p
n+1
。
[0077]
根据节点p
n-1
的位置，可分为如图3所示的三类情形：灰色斜线区域为计划节点p
n+1
的位置，深蓝色区域为节点p
n+1
同高度层可选择区域。
[0078]
跨高度层解脱为：当航空器a处于映射节点pn时，同高度层无法通行时，选择跨高度层进行解脱，分为如图4所示的三类情形，阴影区域为计划节点p
n-1
的位置，为p
n+1
跨高度层可选择区域。爬升飞行状态比平飞状态消耗更多的燃油和时间，所以在爬升/下降阶段增加额外的成本w(n)，其值由爬升距离以及航空器平飞速度、平飞油消耗、爬升油消耗等性能参数决定。
[0079]
步骤七、构建冲突解脱的约束条件，并根据约束条件建立各空域网格被占用的成本函数；
[0080]
针对空域网格k，约束条件分为：
[0081]
①
航空器本身性能f1(x)：f1(x)＝w
tc
(x)+w
cc
(x)
[0082]
其中w
tc
(x)为最小转弯半径的转弯成本，w
cc
(x)为最大爬升角的转弯成本：
[0083][0084][0085]
②
路径/空域限制f2(x)：实际选择的映射节点p'
n+1
与计划的映射节点p
n+1
的直线距离：
[0086]
f2(x)＝d(p'
n+1
,p
n+1
)
[0087]
③
静态气象因素f3(x)：气象因素对航行飞行的影响，飞行器保持飞行能力的成本。
[0088]
④
管制员负荷f4(x)：从高度调配、航向调配以及综合调配方式来评估管制员工作负荷。可用下式表示，f4(x)＝w
bc
(x)+w
ac
(x)+w
ic
(x)
[0089]
其中w
bc
(x)为航向调配的负荷，w
ac
(x)为高度调配的负荷，w
ic
(x)为航向和高度都进行调配的负荷；
[0090]
最终，航空器a的航迹空域网格k被占用的成本函数为：
[0091]
g(x)＝αf1(x)+βf2(x)+γf3(x)+δf4(x)
[0092]
α、β、γ和δ均为权重系数，取值在0到1之间，具体值由实际情况确定。
[0093]
步骤八、利用所有航迹空域网格的成本函数构建目标函数，并利用差分进化算法求解，得到冲突解脱后的航空器a的各航迹空域网格；
[0094]
目标函数如下：
[0095][0096]
k为冲突解脱后更改的时间节点的数目，1≤k＜m-2；
[0097]
步骤九、判断该空域内是否依然存在航迹冲突，若不存在，则冲突解脱成果；否则，重复上述步骤四，直至目标空域网格集合内无风险冲突空域网格。

技术特征：
1.一种基于空域网格的航迹运行冲突解耦控制方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤一、对目标空域a进行网格单元划分，得到空域a的网格单元集合x
a
；并根据航空器a的位置状态，利用交通航迹观测模型，将该航空器对应航迹的球面位置投影填充到空域网格，形成对航迹的空域网格x
a
；步骤二、将时间段[t1,t
n
]按照航空器a进入不同网格单元的时间进行划分，得到时间节点集合t，建立时间节点集合t与航迹网格单元集合x
a
之间的一一映射；步骤三、对航空器a的每个航迹空域网格，计算所有导致该空域网格被占用的累积总概率，并根据当前任务目标设定累积总概率风险大/小门限，将每个航迹空域网格划分为低风险冲突空域网格、中风险冲突空域网格和高风险冲突空域网格；步骤四、基于随机冲突网格算法，对航空器a的每个航迹空域网格均进行冲突探测，对处于中风险冲突空域的各网格进行进一步确认，为需要解脱的空域冲突网格和高风险冲突区域的网格设定冲突解脱策略；步骤五、构建冲突解脱的约束条件，并根据约束条件建立各空域网格被占用的成本函数；针对空域网格k，约束条件分为：
①
航空器本身性能f1(x)：f1(x)＝w
tc
(x)+w
cc
(x)其中w
tc
(x)为最小转弯半径的转弯成本，w
cc
(x)为最大爬升角的转弯成本；
②
路径/空域限制f2(x)：实际选择的映射节点p'
n+1
与计划的映射节点p
n+1
的直线距离：f2(x)＝d(p'
n+1
,p
n+1
)
③
静态气象因素f3(x)：气象因素对航行飞行的影响，飞行器保持飞行能力的成本；
④
管制员负荷f4(x)：从高度调配、航向调配以及综合调配方式来评估管制员工作负荷。可用下式表示，f4(x)＝w
bc
(x)+w
ac
(x)+w
ic
(x)；其中w
bc
(x)为航向调配的负荷，w
ac
(x)为高度调配的负荷，w
ic
(x)为航向和高度都进行调配的负荷；最终，航空器a的航迹空域网格k被占用的成本函数为：g(x)＝αf1(x)+βf2(x)+γf3(x)+δf4(x)α、β、γ和δ均为权重系数，取值在0到1之间，具体值由实际情况确定；步骤六、利用所有航迹空域网格的成本函数构建目标函数，并利用差分进化算法求解，得到冲突解脱后的航空器a的各航迹空域网格；目标函数如下：k为冲突解脱后更改的时间节点的数目，1≤k＜m-2；步骤七、判断该空域内是否依然存在航迹冲突，若不存在，则冲突解脱成果；否则，重复上述步骤三，直至目标空域网格集合内无风险冲突空域网格。2.如权利要求1所述的一种基于空域网格的航迹运行冲突解耦控制方法，其特征在于，所述目标空域a的网格单元集合x
a
为：x
a
＝{x1,x2,...,x
i
,...,x
s
}，其中，x
i
(i＝1,2,...,s)为第i个空域网格单元。3.如权利要求1所述的一种基于空域网格的航迹运行冲突解耦控制方法，其特征在于，
所述航空器a的航迹网格单元集合为并且航空器a在空域a的时间范围为[t1,t
n
]。4.如权利要求1所述的一种基于空域网格的航迹运行冲突解耦控制方法，其特征在于，所述时间节点集合t与航迹网格单元集合x
a
之间的一一映射，具体为：所述映射节点为t＝{p1,p2,...p
i
,...p
m
}；m为映射节点的总数；定义如下：f1:t
→
x
a
，且存在f2:x
a
→
t，满足f2＝f
1-1
，即x
i
＝f1(p
i
)，反之亦然，即若p
i
≠p
j
，其中i≠j，则航空器a处于不同的空域网格单元。5.如权利要求1所述的一种基于空域网格的航迹运行冲突解耦控制方法，其特征在于，所述空域网格被占用的累积总概率，具体过程为：步骤401、针对当前空域网格k，计算被随机因素c
i
占用的概率：p
i
＝p(c
i
)c
i
表示第i个导致该空域网格k被占用的随机因素；步骤402、计算该空域网格k至少被一个因素占用的概率：n表示该空域网格k被占用的因素个数，π表示连乘符号。步骤403、计算包括因素c
i
在内的所有导致该空域网格k被占用的累积总概率：式子中表示因素c
i
在内的所有导致该空域网格k被占用的累积总概率，表示包括该空域网格k被因素c
i
占用前，所有导致该空域网格k被占用的累积总概率。6.如权利要求1所述的一种基于空域网格的航迹运行冲突解耦控制方法，其特征在于，所述根据当前任务目标设定累积总概率风险大/小门限，将每个航迹空域网格划分为低风险冲突空域网格、中风险冲突空域网格和高风险冲突空域网格；具体为：风险大/小门限分别记为p
max
和p
min
；针对空域网格k被占用的累积总概率当满足则空域网格k为低风险冲突空域网格，则暂时不做冲突解脱处理；若则空域网格k为中风险冲突空域网格，判断导致冲突的因素是不是航空器，如果是，则进一步判断是不是过点时间有冲突，如果两者都满足，则需要进行冲突解脱；否则，认为空域网格内航迹无冲突；若则空域网格k为高风险冲突区域，则需进行航迹冲突解脱。7.如权利要求1所述的一种基于空域网格的航迹运行冲突解耦控制方法，其特征在于，所述冲突解脱策略为以下两种：(1)调整航向：只改变航空器a的飞行航向角，保持飞行速度大小、航迹倾角和飞行高度不变。(2)改变高度：只改变航空器a飞行速度矢量的航迹倾角，保持飞行速度的大小和航向角不变。

技术总结
本发明公开了一种基于空域网格的航迹运行冲突解耦控制方法，属于航迹冲突检测与解脱领域；具体为：首先，在空域网格单元剖分与编码的基础上对目标空域进行划分，得到目标空域的网格单元集合，以及交通航迹的空域网格描述。然后，将时间段按照航空器进入不同网格单元的时间进行划分，得到时间节点集合，并建立时间节点与交通航迹网格单元之间的映射。接着，基于随机冲突网格算法实现空域网格节点的航迹冲突探测，并设定对应的冲突解脱策略；接着，构建空域网格被占用所需的成本函数，并利用差分进化算法求解得到冲突解脱后的航迹分布；重复直至目标空域网格集合内无风险冲突空域网格。本发明快速实现了大规模航班无冲突航迹规划。本发明快速实现了大规模航班无冲突航迹规划。本发明快速实现了大规模航班无冲突航迹规划。


技术研发人员：朱永文 刘杨 蒲钒 唐治理 王长春 周忠华
受保护的技术使用者：中国人民解放军93209部队
技术研发日：2023.03.21
技术公布日：2023/6/27