一種飛行衝突解脫方法與流程
2023-06-04 15:52:36
技術領域
本發明涉及一種空中交通管制系統及方法，尤其涉及一種基於4D航跡運行的飛行衝突解脫方法。
背景技術：
隨著全球航空運輸業快速發展與空域資源有限矛盾的日益突出，在空中交通流密集的複雜空域，仍然採用飛行計劃結合間隔調配的空中交通管理方式逐漸顯示出其落後性，具體表現在：(1)飛行計劃並未為航空器配置精確的空管間隔，容易造成交通流戰術管理中的擁擠，降低空域安全性；(2)以飛行計劃為中心的空管自動化系統對飛行剖面的推算和航跡預測精度差，造成衝突化解能力差；(3)空中交通管制工作仍然側重於保持單個航空器之間的安全間隔，很難上升到對交通流進行戰略性管理。
4D航跡是以空間和時間形式，對某一航空器航跡中的各點空間位置(經度、緯度和高度)和時間的精確描述，基於航跡的運行是指在4D航跡的航路點上使用「控制到達時間」，即控制航空器通過特定航路點的「時間窗」。在高密度空域把基於4D航跡的運行(Trajectory based Operation)作為基本運行機制之一，是未來對大流量、高密度、小間隔條件下空域實施管理的一種有效手段，可以顯著地減少航空器航跡的不確定性，提高空域和機場資源的安全性與利用率。
基於航跡運行的空中交通運行方式需要在戰略層面上對單航空器飛行航跡進行推算和優化，對多航空器構成的交通流實施協同和調整；在預戰術層面上通過修正交通流中個別航空器的航跡以解決擁塞問題，並保證該交通流中所有航空器的運行效率；而在戰術層面上預測衝突和優化解脫方案，將航空器間隔管理從固定的人工方式轉變為考慮航空器性能、管制規則和環境等因素在內的可變的間隔控制方式，因此面向4D航跡的運行對空中交通管制提出了新的要求。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是在於克服現有技術的不足，提供一種基於4D航跡運行的飛行衝突解脫方法，可有效防止飛行衝突，提高空中交通的安全性。
實現本發明目的的技術方案是提供一種飛行衝突解脫方法，由空中交通管制系統實施，所述空中交通管制系統包括機載終端模塊、數據通信模塊以及管制終端模塊；
所述管制終端模塊包括以下子模塊：
實時飛行衝突監控與告警模塊，用於建立從航空器的連續動態到離散衝突邏輯的觀測器，將空中交通系統的連續動態映射為離散觀測值表達的衝突狀態；當系統有可能違反空中交通管制規則時，對空中交通混雜系統的混雜動態行為實施監控，為管制員提供及時的告警信息；
飛行衝突解脫4D航跡優化模塊，在保證系統滿足航空器性能和管制規則約束條件下，通過選擇不同的解脫目標函數，採用模型預測控制理論方法，計算航空器衝突解脫4D航跡；並通過數據通信模塊將航空器衝突解脫4D航跡發送給機載終端模塊執行；
所述飛行衝突解脫方法包括如下幾個步驟：
步驟A、通過空中交通控制中心直接獲得其在每一採樣時刻推測的各航空器在未來時段內的航空器4D軌跡，空中交通控制中心通過空管雷達監視數據與自動相關監視數據的融合推測未來時段內航空器的4D軌跡；
步驟B、實時飛行衝突監控與告警模塊建立從航空器的連續動態到離散衝突邏輯的觀測器，將空中交通系統的連續動態映射為離散觀測值表達的衝突狀態；當系統有可能違反空中交通管制規則時，對空中交通混雜系統的混雜動態行為實施監控，為管制員提供及時的告警信息；
步驟C、飛行衝突解脫4D航跡優化模塊在保證系統滿足航空器性能和管制規則約束條件下，通過選擇不同的解脫目標函數，採用模型預測控制理論方法，計算航空器衝突解脫4D航跡；並通過數據通信模塊將航空器衝突解脫4D航跡發送給機載終端模塊執行；
步驟D、機載終端模塊接收並執行管制終端模塊發布的4D航跡數據。
進一步的，所述步驟C的具體實施過程如下：
步驟C1、對飛行衝突解脫過程建模：將衝突解脫航跡視為連續的三段光滑曲線，給定解脫航跡的起點和終點，依據航跡限制條件，建立包含加速度、爬升或下降率、轉彎率的多變量最優衝突解脫模型；
步驟C2、對不同飛行條件下衝突解脫變量約束建模：其中t時刻需實施衝突解脫航空器k的變量約束可描述為：ak(t)≤aM、ωk(t)≤ωM、γk(t)≤γM，aM、ωM、γM分別為最大的加速度、轉彎率和爬升或下降率；
步驟C3、設定航空器避撞規劃的終止參考點位置P、避撞規劃控制時域Θ、軌跡預測時域
步驟C4、在每一採樣時刻，基於航空器當前的運行狀態和歷史位置觀察序列，獲取空域風場變量的數值；
步驟C5、設定在給定優化指標函數的前提下，基於合作式避撞軌跡規劃思想，通過給各個航空器賦予不同的權重以及融入實時風場變量濾波數值，得到各個航空器的避撞軌跡和避撞控制策略且各航空器在滾動規劃間隔內僅實施其第一個優化控制策略；
步驟C6、在下一採樣時刻，重複步驟C4至C5直至各航空器均到達其解脫終點。
步驟C3中：終止參考點位置P即為航空器的下一個航路點，避撞規劃控制時域Θ為300秒，軌跡預測時域為300秒；
步驟C4的具體過程如下：
C4.1)設定航空器的停靠位置為軌跡參考坐標原點；
C4.2)在航空器處於直線運行狀態和勻速轉彎運行狀態時，構建空域風場線性濾波模型x(t+△t)＝F(t)x(t)+w(t)和z(t)＝H(t)x(t)+v(t)獲取風場變量數值，其中△t表示採樣間隔，x(t)表示t時刻的狀態向量，z(t)表示t時刻的觀測向量，F(t)和H(t)分別表示狀態轉移矩陣和輸出測量矩陣，w(t)和v(t)分別表示系統噪聲向量和測量噪聲向量；在航空器處於變速轉彎運行狀態時，構建空域風場非線性濾波模型
x(t+△t)＝Ψ(t,x(t),u(t))+w(t)、z(t)＝Ω(t,x(t))+v(t)和u(t)＝[ωa(t),γa(t)]T，其中Ψ(·)和Ω(·)分別表示狀態轉移矩陣和輸出測量矩陣，ωa(t)和γa(t)分別表示轉彎率和加速率；
C4.3)根據所構建的濾波模型獲取風場變量的數值；
進一步的，步驟C5的具體過程如下：令
其中表示t時刻航空器i當前所在位置Pi(t)和下一航路點Pif間的距離的平方，Pi(t)＝(xit,yit)，那麼t時刻航空器i的優先級指數可設定為：
其中nt表示t時刻空域內存在衝突的航空器數目，由優先級指數的含義可知，航空器距離其終點越近，其優先級越高；
設定優化指標
，其中i∈I(t)表示航空器代碼且I(t)＝{1,2,...,nt}，Pi(t+s△t)表示航空器在時刻(t+s△t)的位置向量，Pif表示航空器i的下一航路點，ui表示待優化的航空器i的最優控制序列，Qit為正定對角矩陣，其對角元素為航空器i在t時刻的優先級指數Lit，並且
進一步的，所述步驟B的具體實施過程如下：
步驟B1、構造基於管制規則的衝突超曲面函數集：建立超曲面函數集用以反映系統的衝突狀況，其中，衝突超曲面中與單一航空器相關的連續函數hI:為第I型超曲面，與兩架航空器相關的連續函數hII:為第II型超曲面；
步驟B2、建立由航空器連續狀態至離散衝突狀態的觀測器：需要根據管制規範建立觀測器，觀測系統系統穿越超曲面而產生的衝突事件，以便控制器做出相應的控制決策指令；觀測器ξ用於觀測系統中航空器位置的連續變化而產生衝突事件，稱ξ1:為第I型觀測器，ξ2:為第II型觀測器；
步驟B3、設計從衝突到衝突解脫手段的離散監控器，該離散監控器可描述為函數β:其中S是觀測器觀測向量展成的空間，D是所有決策向量d展成的空間；當觀測器的離散觀測向量表明某一非期望的狀態出現時，立刻發出相應的告警。
本發明具有積極的效果：(1)本發明的一種飛行衝突解脫方法在航空器衝突解脫過程中，融入了高空風場的影響，所採用的滾動解脫軌跡規劃方案能夠根據高空內風場的變化及時調整解脫軌跡，提高了航空器衝突解脫的魯棒性。
(2)本發明的一種飛行衝突解脫方法為航空器配置精確的空管間隔，嚴格控制航空器通過航路點的時間窗，降低了交通流無序性，提高了空域安全性。
(3)本發明的一種飛行衝突解脫方法不再局限於保持單個航空器之間的安全間隔，而是從宏觀上對空域內的交通流實施有效控制，管制工作可以更多的轉移到航空器起飛時刻、進場排序、惡劣天氣改航等方面。
(4)本發明的一種飛行衝突解脫方法基於不同性能指標的航空器最優解脫航跡可以顯著地提高航空器運行的經濟性，以及空域的利用率。
附圖說明
圖1為航空器解脫4D航跡優化方法流程示意圖。
具體實施方式
(實施例1)
本實施例的基於4D航跡運行的空中交通管制系統，包括機載終端模塊101、數據通信模塊102以及管制終端模塊104。以下對各部分的具體實施方式分別進行詳細描述。
1.機載終端模塊
機載終端模塊101是飛行員獲取地面管制指令、參考4D航跡，以及輸入飛行意圖的界面，同時還是採集當前航空器位置數據的接口。
其具體實施方案如下：
機載終端模塊101接收如下的信息輸入：(1)ADS-B信息採集單元201通過機載GPS採集的航空器位置向量、速度向量，以及本航空器的呼號，編碼後通過信息及數據傳遞給機載數據通信模塊102；(2)航空器駕駛員需要將與地面管制指令不一致的飛行意圖，通過人機輸入界面，以及約定的地面管制員可以識別的形式通過信息及數據傳遞給機載數據通信模塊102。另外機載終端模塊101實現如下的信息輸出：(1)通過終端顯示屏幕，接收和顯示飛行員可以識別的飛行管制指令；(2)接收和顯示地面管制終端飛行前生成的無衝突4D航跡，以及當地面管制終端探測到衝突後計算的最優解脫4D航跡。
2.數據通信模塊
數據通信模塊102可實現空地雙向數據通信，實現機載實時位置數據和飛行意圖數據單元202的下行傳輸和地面管制指令單元203，以及參考4D航跡單元204的上行傳輸。
其具體實施方案如下：
下行數據通信：機載終端101通過機載二次雷達應答機將航空器識別標誌和4D位置信息，以及其他附加數據，如飛行意圖、飛行速度、氣象等信息傳輸給地面二次雷達(SSR)，二次雷達接收後對數據報文進行解析，並傳輸給中央數據處理組件301解碼，通過指令航跡數據接口傳輸到管制終端104；上行數據通信：地面管制終端104通過指令航跡數據接口，經中央數據處理組件301編碼後，地面二次雷達的詢問機將將地面管制指令或參考4D航跡信息傳遞並顯示在機載終端101。
3.管制終端模塊
管制終端模塊104包括實時飛行衝突監控與告警、飛行衝突解脫4D航跡優化這2個子模塊。
(2)實時飛行衝突監控與告警
先通過空中交通控制中心直接獲得其在每一採樣時刻推測的各航空器在未來時段內的航空器4D軌跡，空中交通控制中心通過空管雷達監視數據與自動相關監視數據的融合推測未來時段內航空器的4D軌跡。
當系統有可能出現違反安全狀態集的狀態時，通過控制器實施狀態監控，對航空器實施有效的管制措施，避免飛行衝突的發生。
其具體實施過程如下：
首先，根據從空中交通控制中心獲得的各航空器在未來時段內的航空器4D軌跡，構造基於管制規則的衝突超曲面函數集。空中交通管制約束的違反都可以視為被控對象(管制空域飛行的多架航空器)構成系統穿越超曲面而產生的事件，建立超曲面函數集用以反映系統的衝突狀況。其中，衝突超曲面中與單一航空器相關的連續函數hI:為第I型超曲面，而將與兩架航空器相關的連續函數hII:為第II型超曲面。
然後，建立由航空器連續狀態至離散衝突狀態的觀測器。需要根據管制規範建立觀測器，觀測系統系統穿越超曲面而產生的衝突事件，以便控制器做出相應的控制決策指令。觀測器ξ用於觀測系統中航空器位置的連續變化而產生衝突事件，稱ξ1:為第I型觀測器，ξ2:為第II型觀測器。
最後，設計從衝突到衝突解脫手段的離散監控器。當觀測器的離散觀測向量表明某一非期望的狀態出現時，立刻發出相應的告警。該離散監控器可描述為函數β:其中S是觀測器觀測向量展成的空間，D是所有決策向量d展成的空間。
(2)飛行衝突解脫4D航跡優化
在保證使得系統滿足控制規範的條件下，通過選擇不同的解脫目標函數，採用最優控制理論方法，使得控制器給出的控制輸入能達到最優。
如圖1所示，其具體實施過程如下：
步驟C1、對飛行衝突解脫過程建模：將衝突解脫航跡視為連續的三段光滑曲線，給定解脫航跡的起點和終點，依據航跡限制條件，建立包含加速度ai(t)、爬升或下降率γi(t)、轉彎率ωi(t)的多變量最優衝突解脫模型。
步驟C2、對不同飛行條件下衝突解脫變量約束建模：其中t時刻需實施衝突解脫航空器k的變量約束可描述為：ak(t)≤aM、ωk(t)≤ωM、γk(t)≤γM，aM、ωM、γM分別為最大的加速度、轉彎率和爬升或下降率。
步驟C3、設定航空器避撞規劃的終止參考點位置P、避撞規劃控制時域Θ、軌跡預測時域終止參考點位置P即為航空器的下一個航路點，避撞規劃控制時域Θ為300秒，軌跡預測時域為300秒。
步驟C4、在每一採樣時刻t，基於航空器當前的運行狀態和歷史位置觀察序列，獲取空域風場變量的數值，其具體過程如下：
C4.1)設定航空器的停靠位置為軌跡參考坐標原點；
C4.2)在航空器處於直線運行狀態和勻速轉彎運行狀態時，構建空域風場線性濾波模型x(t+△t)＝F(t)x(t)+w(t)和z(t)＝H(t)x(t)+v(t)獲取風場變量數值，其中△t表示採樣間隔，x(t)表示t時刻的狀態向量，z(t)表示t時刻的觀測向量，F(t)和H(t)分別表示狀態轉移矩陣和輸出測量矩陣，w(t)和v(t)分別表示系統噪聲向量和測量噪聲向量；在航空器處於變速轉彎運行狀態時，構建空域風場非線性濾波模型
x(t+△t)＝Ψ(t,x(t),u(t))+w(t)、z(t)＝Ω(t,x(t))+v(t)和u(t)＝[ωa(t),γa(t)]T，其中Ψ(·)和Ω(·)分別表示狀態轉移矩陣和輸出測量矩陣，ωa(t)和γa(t)分別表示轉彎率和加速率；
C4.3)根據所構建的濾波模型獲取風場變量的數值。
步驟C5、設定在給定優化指標函數的前提下，基於合作式避撞軌跡規劃思想，通過給各個航空器賦予不同的權重以及融入實時風場變量濾波數值，得到各個航空器的避撞軌跡和避撞控制策略且各航空器在滾動規劃間隔內僅實施其第一個優化控制策略，具體過程如下：令
其中表示t時刻航空器i當前所在位置Pi(t)和下一航路點Pif間的距離的平方，Pi(t)＝(xit,yit)，那麼t時刻航空器i的優先級指數可設定為：
其中nt表示t時刻空域內存在衝突的航空器數目，由優先級指數的含義可知，航空器距離其下一航路點越近，其優先級越高。
設定優化指標
，其中i∈I(t)表示航空器代碼且I(t)＝{1,2,...,nt}，Pi(t+s△t)表示航空器在時刻(t+s△t)的位置向量，Pif表示航空器i的下一航路點，ui表示待優化的航空器i的最優控制序列，Qit為正定對角矩陣，其對角元素為航空器i在t時刻的優先級指數Lit，並且
步驟C6、在下一採樣時刻，重複步驟C4至C5直至各航空器均到達其解脫終點。
機載終端模塊接收並執行管制終端模塊發布的4D航跡數據。
顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而並非是對本發明的實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這裡無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而這些屬於本發明的精神所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處於本發明的保護範圍之中。