一种基于三维空域网格的低空救援航空器航迹规划方法
【技术领域】：
[0001] 本发明涉及一种航空救援的飞行调度技术，尤其涉及一种基于三维空域网格的低 空救援航空器航迹规划方法，其适用于低空救援下对于航空器优化调度和飞行计划编排， 保证空中交通运行的安全高效。
【背景技术】：
[0002] 在抗灾救援及处置突发事件的各项措施中，航空救援具有快速、高效、受地理空间 限制少等优势，是世界上许多国家普遍采用的最有效手段。然而，在航空应急救援体系中， 施救的航空器在低空运行环境中，由于受到地形环境、恶劣天气、密集飞行等不确定因素的 干扰，往往存在安全风险大、施救效率低和实施不合理等问题。因此合理的规划飞行航迹， 对于低空应急救援飞行安全和高效尤为重要。
[0003] 目前，相关研究集中在无人机路径规划等方面。该问题主要涉及到环境表达、规划 方法、以及路径执行这几方面。在一定的环境表达和规划方法的基础上，仅从路径搜索策略 上来分析，可将搜索策略区分为三大类。第一类是局部优化算法，它的做法是牺牲解的搜索 空间来获取解的搜索时间，典型的方法有：最速下降法、部分贪婪算法（Verscheure，2009) 等，但存在搜索时间长、收敛速度慢、易陷入局部最优解等问题；第二类是全局优化算法，它 以获取全局最优解为目的，主要的算法有：单源最短路径的Dijkstra算法（Chiba，2010)、 任意两点间最短路径的Floyed动态规划算法（孙大伟，2006)等，但会出现计算时间较 长、维数爆炸的现象；最后一类是计算机智能方法，包括：遗传算法、禁忌搜索、模拟退火和 人工神经网络以及与模糊逻辑相结合快速高效地追求计算结果的思想（Lingxia 〇,2011 ; Anjan,2010 ;Tang,2011 ;Duygu,2014)。但已有的研究运用到航空救援的航迹规划方面存 在一些问题：①多数方法解决的仅是二维平面内的路径规划问题；②无人机飞行中三维的 航迹规划主要使用的是高度修正方法，很少考虑安全飞行规则，救援规则和航空器的性能 约束；③解决的多数是单个航空器航迹规划问题，并没有考虑多航空器之间的飞行冲突问 题。
【发明内容】
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[0004] 本发明的目的是提供一种基于三维空域网格的低空救援航空器航迹规划方法，有 效解决低空救援航空器在复杂地形、天气和密集飞行条件下运行的有序高效，有效提高救 援空域的空中交通安全性。
[0005] 本发明采用如下技术方案：一种基于三维空域网格的低空救援航空器航迹规划方 法，其包括如下步骤
[0006] 步骤1，建立空域网格划分，确定空域航空器飞行环境；
[0007] 步骤2,确定改进的A*算法的单个航空器航迹规划；
[0008] 步骤3,多航空器无冲突的战略航迹规划。
[0009] 进一步地，所述步骤1中空域航空器采用目视飞行规则。
[0010] 进一步地，所述步骤1中：空域网格划分包括如下：将低空空域划分为大小相同的 长方体网格；以网格中心点表示该网格区域，生成规则的航迹节点；网格大小设定依据目 视飞行管制间隔以及航空器的性能参数来确定。
[0011] 进一步地，所述步骤2中包括：
[0012] 步骤21，读取航空器信息，为其创建openlist表，初始化使其只包含初 始节点即出救点在空域网格中的节点；创建closelist表，初始化为空；令g(1) =〇,其中，g(n)为从起点即节点1到当前节点即节点n的成本，w m(n)为权重 函数：咖)=咖-1) + -+ ，两相邻节点之间的距离为：
.........，h(n)为启发式距离成本，即从当前节点到目标节点 的最小欧式距离
：1，f (n) = g(n)+h(n)，算法每 次寻求每个节点最小总成本f(n);
[0013] 步骤22,对于当前航空器，在相邻可到达的连通的节点中，从openlist表中选择 评价函数值f最小并且满足约束条件的一个节点n，作为待扩展节点；将节点n从openlist 表中删除并加载到closelist表中；
[0014] 步骤23,如果节点n是目标节点，停止搜索，转向步骤26 ;否则，转向步骤24;
[0015] 步骤24,对节点n相邻节点并且能够到达的节点中，选择一个节点m :
[0016] ①如果m在closelist中并且g(m)更小，更新节点m的g值，将其父节点指向n ;
[0017] ②如果m在openlist中并且目前的g(m)较小，更新节点m的值，将其父节点指向 n ；
[0018] ③如果m不在openlist和closelist中，将m加入openlist中，计算其g值，将 其父节点指针指向n ;
[0019] 步骤25,返回执行步骤22,继续搜索；
[0020] 步骤26,从目标节点向上回溯到起点，记下经过的网格节点，得到从初始节点到目 标节点，即问题的最优航迹，算法终止。
[0021] 进一步地，所述步骤3包括：
[0022] 步骤31，基于时间窗原理的以时间换空间多航空器航迹规划；
[0023] 步骤32,基于A*算法的以空间换时间多航空器航迹规划；
[0024] 步骤33,以步骤31和步骤32计算结果的时间最小为优化准则，确定航迹规划路 径。
[0025] 进一步地，所述步骤31包括：
[0026] 步骤311，在一个确定的[I\~T 2]时间范围内，依据改进的A#算法，分别搜索出n 架航空器的最优初始飞行航迹；
[0027] 步骤312,选取任务等级最高的航空器i的最优初始飞行航迹，在时间[Ti-Tj 内，任意确定一个起飞时刻根据飞行航迹计算出各个节点的保留时间窗；
[0028] 步骤313,选取任务等级次高的航空器j的最优初始飞行航迹，判断与航空器i是 否有交点，如果没有，依据步骤312,确定航空器j的各个航迹节点的保留时间窗；
[0029] 步骤314,如果有交点，在时间[I\~T2]范围内，确定航空器i交点的空闲时间窗， 依据最优航迹节点之间的飞行时间，计算出航空器j的起始节点的空闲时间窗，航空器j的 起飞时刻就是起始节点空闲时间窗内的任意时刻；
[0030] 步骤315,同理，确定了航空器j的起飞时刻，计算出航空器j的各个节点的保留时 间窗，在航空器i和航空器j的保留时间窗基础上，依次规划其它航空器的起飞时刻，最终 得到最优初始飞行航迹不变，起飞时刻受限的多航空器无冲突最优飞行航迹。
[0031] 进一步地，所述步骤32包括：
[0032] 步骤321，在一个确定的[I\~T 2]时间范围内，依据改进的A#算法，分别搜索出n 架航空器的最优初始飞行航迹；
[0033] 步骤322,假定各个航空器起飞时刻<(* = 1，2，...《)已知，选取任务等级最高的航空器 i的最优初始航迹，给定了起飞时刻C根据飞行航迹计算出各个节点的保留时间窗；
[0034] 步骤323,选取任务等级次高的航空器j的最优初始航迹，判断与航空器i最优初 始航迹是否有交点，如果没有，依据步骤322,确定航空器j的各个航迹节点的保留时间窗；
[0035] 步骤324,如果有交点，依次判断两航空器在交点的保留时间窗是否有重合，如果 没有重合，航空器按照原计划飞行，如果有重合，表示当前节点对于航空器j就不可用，