一种针对低空中长距离转场飞行的航迹规划方法与流程

本发明涉及航迹规划技术领域，具体涉及一种针对低空中长距离转场飞行的航迹规划方法。

背景技术：

随着我国低空空域管理改革进入实质性操作阶段，通用航空产业面临战略性发展机遇。与之相配套的传统空中交通管制系统中，存在以下三个问题：一是需要人工查找航线周边最高障碍物，计算最低飞行安全高度；二是需要人工收集航线途经的飞行空域、导航台、位置报告点和备降场等空域环境情况；三是未能实现多飞行器、多航迹的协同任务规划工作。为解决以上制约通用航空发展的现实问题，需要突破“低空中长距离转场飞行的航迹规划”关键技术，辅助通用航空飞行计划制定人员，实现快速、高效的规划中长距离转场飞行航线。提高通用航空飞机在低空飞行中的运行效率，从技术层面促进通用航空的发展，为低空空域管理改革奠定坚实基础。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种针对低空中长距离转场飞行的航迹规划方法，能够为飞行器规划出飞行代价最小的飞行航迹；而且能实现多飞行器、多航迹的协同任务规划工作。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种针对低空中长距离转场飞行的航迹规划方法，包括：

第一步：基础航迹规划：

将航迹分为进入航线路径P1、航线飞行路径P2和出航线路径P3；进入航线路径P1的起点为整个航迹的起点，终点为进入航线飞行路径P2的点I；出航线路径P3的起点为飞出航线飞行路径P2的点O，终点为整个航迹的终点；进入航线路径P1和出航线路径P3选用避开静态威胁、到达航线飞行路径P2的最短距离；航线飞行路径P2的飞行是从已规划的民航航线下方飞行；利用DijKstra算法寻找出最短飞行路径；然后，根据规划的基础航迹和飞行器参数计算飞行器飞行过程中的飞行指标；

第二步：多飞行器多航迹仿真：

多飞行器沿规划好的基础航迹，在数字地图上模拟飞行；根据飞行器的当前飞行状态，以及数字地图上预设的环境信息，进行安全检测和告警，输出告警信息；

第三步：根据告警信息进行航迹优化。

优选地，第一步所述的基础航迹规划包括如下步骤：

步骤101、设D0为起飞点；A为从D0向航线飞行路径P2做垂线，与航线飞行路径P2相交的点；将D0加入集合W1，并令S＝D0，I＝A；其中，点I为进入航线飞行路径的点；

步骤102、飞行器如果能够从点S直线飞到点I，中间不遇到任何静态威胁，则将点I加入到集合W1，进入航线路径P1规划完毕，跳到步骤104；如果从点S出发到点I遇到静态威胁，则在数据库中查找该静态威胁附近的地标点D1；从D1向航线飞行路径P2做垂线，与航线飞行路径P2相交的点记为点B；

其中，找到的地标点D1满足从点S到点D1、从点D1到点B的路径之和最短，并且该路径不经过静态威胁，且能够从点S直线飞到该地标点D1；

步骤103、令S＝D1，I＝B，将点D1加入集合W1，返回到步骤102；

步骤104、将终点作为步骤102中的D0，将出航线路径P3的点O作为步骤102的点I；按照步骤102～103的方式规划飞行器从航线上离开到终点的路径，得到集合W0，将集合W0倒序排列即为要规划的出航线路径P3的路径点集合W3；

步骤105、将进入航线的点I和出航线的点O加入航线飞行路径P2中航线点组成的无向连通图中；在无向连通图中利用DijKstra算法计算出点I到点O的最短路径W2；W1、W2和W3构成了基础航迹。

优选地，第二步在进行多飞行器多航迹的仿真过程中进行如下安全检测和告警：

(1)冲突告警

根据飞行器的当前飞行状态，计算出任意飞行器对之间的水平距离和垂直距离，当该水平距离和垂直距离都小于用户规定的水平和垂直距离标准时，产生冲突告警；

在有冲突告警发生时，记录冲突告警事件的详细信息，记录内容包括：告警、告警发生时间，飞行器标识对、位置对、高度对、飞行方向交角；

(2)最低安全高度告警

根据设置的最低安全高度告警标准对飞行器飞行高度进行跟踪，当发现飞行器飞行的有效高度低于飞行地点的最低安全高度时，产生最低安全高度告警；

在有最低安全高度告警发生时，记录最低安全高度告警的详细信息，记录内容包括：告警类型、告警发生时间，飞行器标识、位置、高度、飞行方向与正北夹角；

(3)侵入告警

将禁区、限制区和危险区作为告警区域；当发现飞行器侵入或与告警区域的距离小于规定的安全距离时，产生侵入告警；

在有侵入告警发生时，记录侵入告警的详细信息，记录内容包括：告警类型、告警发生时间、被侵入空域名，飞行器标识、位置、高度、飞行方向与正北夹角；

(4)出/入界告警

当飞行器与所属责任区边界的距离小于设定参数条件时，产生飞行器出界告警；当飞行器与下一责任区边界的距离小于设定参数条件时，产生飞行器入界告警；

(5)燃油耗尽、飞行超时的告警

当飞行器在飞行过程中燃油耗尽时，产生燃油耗尽告警；当飞行器在预先设置的到达时间内没有达到目的地时，产生飞行超时告警。

有益效果：

(1)为实现快速、高效地规划中长距离转场飞行航线，提高通用航空飞机在低空飞行中运行效率的目的，本“低空中长距离转场飞行的航迹规划”方案主要目标就是根据地形和任务等信息，考虑飞行器自身机动性能以及航程等约束，实现地形跟随、地形回避和威胁回避，计算飞行路线途经的军民航飞行空域、导航台、位置报告点情况，为飞行器规划出飞行代价最小的飞行航迹；

而且航线周边最高障碍物、飞行空域、导航台等空域环境情况都预设在数据库中，因此不需要人为查找和收集，可以自动应用在航迹规划和仿真模拟过程中。

(2)本发明令飞行器从已规划的民航航线下方飞行，并优化设计进入和飞出民航航线的进入段和飞出段，可以有效避开多数威胁，减小了航迹规划的难度，保证航迹规划的效果。

(3)在模拟仿真过程中，能够通过数字地图叠加飞行路线，仿真通航飞机的低空飞行过程，实现检验评估低空飞行高度、燃油油耗等飞行指标的可行性，提供飞越静态威胁的警示信息，以及多航空器、多航迹飞行冲突的预警提示，进而指导任务决策者调整规划出更优的飞行航迹。

(4)本发明在模拟仿真过程中，同时仿真多飞行器和多轨迹，从而实现多飞行器、多航迹的协同任务规划。

附图说明

图1为针对低空中长距离转场飞行的航迹规划方法流程图。

图2为飞行器进入航线示意图。

图3为冲突告警示意图。

图4为最低安全高度告警示意图。

图5为侵入告警示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

低空中长距离转场飞行距离长，限制多，不仅要考虑飞行器自身特点，还要考虑外部各种环境限制，本发明令飞行器从已规划的民航航线下方飞行，并优化设计进入和飞出民航航线的进入段和飞出段，可以有效避开多数威胁，另外通过仿真评估修改完善规划的航迹方案，为飞行器高效完成任务提供了可靠的规划方案。

本发明的方案分三大部分：

第一步：基础航迹规划：

将航迹分为进入航线路径P1、航线飞行路径P2和出航线路径P3；进入航线路径P1的起点为整个航迹的起点，终点为进入航线飞行路径P2的点I；出航线路径P3的起点为飞出航线飞行路径P2的点O，终点为整个航迹的终点；进入航线路径P1和出航线路径P3根据数据库对静态威胁的记载，规划避开静态威胁、到达航线飞行路径P2的最短距离；航线飞行路径P2的飞行从已规划的民航航线下方飞行；利用DijKstra算法寻找出最短飞行路径；

然后，根据规划的基础航迹和飞行器参数计算飞行器飞行过程中的飞行指标。

第二步：多飞行器多航迹仿真：

多飞行器沿规划好的基础航迹，在数字地图上模拟飞行；根据飞行器的当前飞行状态，以及数字地图上预设的环境信息，进行安全检测和告警，输出告警信息；

第三步：根据告警信息进行航迹优化。

图1为本实施例的流程图。如图1所示，包括如下步骤：

步骤1、新建航线规划任务。

新建一条航线规划任务，需要提供航线名称、适用机型、实际载油量、预计起飞降落时间等信息，保存新建的任务信息。

步骤2、人机交互、地图取点。

从可视化地图上选取飞行器航迹的起点start和终点end位置。

步骤3、基础航迹规划。

将航迹分为进入航线路径P1、航线飞行路径P2和出航线路径P3。其中，航线飞行路径P2的飞行是从已规划的民航航线下方飞行，即航线中的航线点采用民航航线中的航线点，只是高度在民航航线的下方。航线飞行路径P2是由多个航段组成，航段有起始点坐标，飞行器进出航线可以根据需要从航段上任意一点进出，假设进入航线的点为I，飞出航线的点设为O。那么，

进入航线路径P1的起点为整个航迹的起点Start，终点为进入航线飞行路径P2的点I；出航线路径P3的起点为飞出航线飞行路径P2的点O，终点整个航迹的终点end。进、出航线路径的规划，主要考虑飞行过程中的静态威胁。静态威胁即为静止的威胁，主要指障碍物、禁区、危险区、限制区等。

本实施例中，民航航线能够避开多数静态威胁，因此进入航线之前的路径规划希望飞行器尽早飞到航线上，从航线上下来后能够尽快飞到终点。因此航迹规划的步骤具体为：

步骤101、设进入航线路径P1上的点用W1表示，航线飞行路径P2上的点用W2表示，出航线路径P3上的点用W3表示；进入航线的点为I，飞出航线的点设为O。那么设D0为起飞点，将D0加入集合W1，设点S＝D0，A为从D0向航线飞行路径P2做垂线，与航线飞行路径P2相交的点，即航线上距离S最近的一点，令I＝A。从起飞点到进入航线之前的空域示意图如图2所示。

步骤102、飞行器如果能够从S直线飞到I，中间不遇到任何静态威胁，将点I加入到集合W1，进入航线路径P1规划完毕，W1就是P1路径规划结果，跳到步骤104；如果从S出发到I遇到静态威胁(例如禁区002)，就在数据库中查找禁区002附近的地标点D1；从D1向航线飞行路径P2做垂线，与航线飞行路径P2相交的点，即为地标点D1距离航线上最近的点为B。

其中，找到的地标点D1满足如下条件：

●从S到D1、从D1到点B的路径之和最短；

●该路径不经过禁区002；

●能够从点S直线飞到该地标点D1。

步骤103、令S＝D1，I＝B，将点D1加入集合W1，返回到步骤102，以此类推，直到找到一条能飞到航线上的路径W1。

步骤104、飞行器从航线上离开到终点路径W3的规划也按照进入航线的方式。将终点作为步骤102中的D0，将出航线路径P3的点O作为步骤102的点I；按照步骤102～103的方式规划飞行器从航线上离开到终点的路径，得到集合W0，将集合W0倒序排列即为要规划的出航线路径P3的路径点集合W3。

步骤105、将进入航线的点I和出航线的点O加入航线点(民航航线中的点)组成的无向连通图中，它们分别到最近的两个航线点的距离为连接航线点的边的权值。

步骤106、在无向连通图中利用DijKstra算法计算出点I到点O的最短路径W2。其中，组成航线的航段互相连接构成无向连通图，图中边的权值可以设为航段距离。在无向连通图中采用DijKstra算法从I点开始计算到每个点的最短路径，直到找到到达O点最短路径为止。

步骤107、形成基础航迹flyWay：{W1、W2、W3}

形成从起点start到进入航线的I点，再经过I点到飞出航线的O点在航线构成的无向连通图中的最短路径，最后到达终点end即为规划的基础航迹flyWay。

步骤108、根据规划的基础航迹和飞行器参数计算飞行器飞行过程中的飞行指标。

本步骤中，得到基础航迹后，还需要计算飞行器的飞行高度、飞行速度、航向角，还有经过的每个航段的距离、航段耗时、航段耗油、航段剩余油量、每个航线点时的转弯方式，以及终点的到达时间等飞行指标。

飞行器的飞行高度由飞行器的机型决定，另外还要参考国家政策(低空飞行一般规定在1000米以下)；根据步骤107中生成的flyWay计算每段航路的航段距离、航向角，以及经过每个航线点时的转弯方式；根据飞行器的机型、航迹flyWay以及预计起降时间计算航段耗时、飞行速度、航段耗油、剩余油量以及到达终点的时间。

步骤4、制定航线规划预案。

根据步骤3形成的航迹flyWay以及计算得到的飞行器各项飞行指标形成航线规划预案。

步骤5、多飞行器多航迹仿真。

多飞行器沿规划好的基础航迹，在数字地图上模拟飞行；根据飞行器的当前飞行状态，以及数字地图上预设的环境信息，进行安全检测和告警，输出告警信息。通过该仿真过程可以判断是否有飞越障碍物、禁区、危险区、限制区的情况，以及燃油耗尽、飞行超时、多个航空器是否有飞行冲突的情况，有则生成警示信息。

其中，本实施例中，利用系统仿真原理，按照“时钟推进，事件调度”的仿真机制，逼真模拟空中交通的外部环境条件，建立航空器对象，对航空器飞行性能和飞行计划进行仿真，对空中交通进行高逼真度的仿真推演、对任务的冲突情况进行仿真、调整后的任务规划再进行仿真。在进行多飞行器多航迹的仿真过程中进行如下安全检测和告警：

(1)冲突告警

冲突告警对所有规划航迹之间当前状态和在未来某个时间内是否存在危险接近标准进行探测。根据飞行器的当前飞行状态，计算出任意飞行器对之间的水平距离、垂直距离信息，当该水平距离和垂直距离都小于用户规定的水平和垂直距离标准时，产生冲突告警；

在有冲突告警发生时，记录冲突告警事件的详细信息，记录内容包括：告警、告警发生时间，飞行器标识对、位置对、高度对、飞行方向交角；冲突告警示意图如图3所示。

(2)最低安全高度告警

本发明涉及的方法对有有效高度的航迹进行最低安全高度告警。根据设置的最低安全高度告警标准对飞行器飞行高度进行跟踪，当发现航迹的有效高度低于规定的相应位置点或地面障碍物(如高压线、高山等)的最低安全高度时，产生最低安全高度告警；

在有最低安全高度告警发生时，记录最低安全高度告警的详细信息，记录内容包括：告警类型、告警发生时间，飞行器标识、位置、高度、飞行方向与正北夹角；最低安全高度告警示意图如图4所示。

(3)侵入告警

本发明设计了飞行器航迹侵入禁区、限制区和危险区时产生告警的方法。将禁区、限制区和危险区作为告警区域；当发现飞行器侵入或与告警区域的距离小于规定的安全距离时(侵入区域的参数包括垂直间隔、水平间隔、空间位置)，产生侵入告警。

在有侵入告警发生时，记录侵入告警的详细信息，记录内容包括：告警类型、告警发生时间、被侵入空域名，飞行器标识、位置、高度、飞行方向与正北夹角；侵入告警示意图如图5所示。

(4)出/入界告警

当飞行器与所属责任区边界的距离小于设定参数条件时，产生飞行器出界告警；当飞行器与下一责任区边界的距离小于设定参数条件时，产生飞行器入界告警。

(5)燃油耗尽、飞行超时的告警

飞行器的油耗和飞行速度由飞行器机型决定，当飞行器在飞行过程中燃油耗尽时，产生燃油耗尽告警；当飞行器在预先设置的到达时间内没有达到目的地时，产生飞行超时告警。

步骤6、方案评估、调整和实施。

结合警示信息并参考任务管理者、任务专家的意见给出评估结果。任务管理者根据评估结果对任务规划方案进行调整，定夺后实施。

其中，任务规划方案记录了飞行任务的飞行路径规划情况，把涉及到的路径进行处理，保存到任务规划方案文件中，便于系统直接加载显示。任务管理者可以根据汇总的告警信息，并参考任务专家的意见修改任务规划方案，生成方案报告。

至此，本流程结束。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。