一种基于四维航迹运行的冲突探测及消解方法技术

本发明专利技术涉及一种基于四维航迹运行的冲突探测及消解方法，属于民航技术领域。该方法首先求解飞机四维航迹运行的冲突概率：在进行飞机冲突概率求解时，本发明专利技术在基于意图的计划航迹上加入与时间相关的不确定位置偏移得到概率型航迹，通过飞机之间的相对概率位置和安全间隔计算冲突概率。而后，确定飞机四维航迹运行的冲突区域：在进行飞机冲突区域确定时，尽可能大的保障飞行安全，则采取宁愿出现“冲突误报”情况也不要出现“冲突漏报”情况的原则，本发明专利技术依据冲突概率来确定冲突区域。最后，消解飞机四维航迹冲突,采用基于航迹消解模式的航迹冲突消解遗传算法从一系列预先定义的机动模式中选择和消解机动，根据不同的消解模式给出不同的但都能被飞行员和空管接受的消解路径。

【技术实现步骤摘要】
一种基于四维航迹运行的冲突探测及消解方法
本专利技术涉及一种基于四维航迹运行的冲突探测及消解方法，属于民航

技术介绍
随着航空运输业和民航业的快速发展，航空公司的规模不断扩大，空中交通网络逐渐复杂，空中交通也衍生出越来越多的问题，如航路拥挤、航路冲突等等，同时，空中飞机碰撞也日益频发，大大地阻碍了航空运输业和民航业的发展，严重威胁到飞行员和乘客的生命财产安全。为此，八十年代，美国联邦航空管理局提出了全国空域系统的概念，在其中提出了把时间加入到飞机航迹运行中的想法，即四维航迹，意图把加入时间的航迹运行管理作为解决复杂空中交通环境下各种问题的有效措施。基于四维航迹运行的核心内容就是面向四维航迹运行的冲突消解技术，而冲突消解的前提是冲突探测。冲突探测就是基于飞机的预测航迹，判断飞机间是否会发生飞行冲突，即飞机间隔是否小于间隔标准，如果有冲突则冲突告警。在发现冲突时，还需要根据冲突具体情况为空域中的飞机设计冲突消解的方法，保证空域的安全与效率。同时，由于四维航迹运行引入了时间，因而可以根据飞行计划和飞行状态预测出发生冲突的概率本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于四维航迹运行的冲突探测及消解方法，其特征在于，步骤如下：/n步骤1：载入飞机飞行计划，得到当前飞机任意航段AB和空域内其他飞机任意航段CD的四维航迹运行信息；/n步骤2：根据步骤1解析得到的飞机任意航段四维航迹运行信息，每隔时间δ

【技术特征摘要】
1.一种基于四维航迹运行的冲突探测及消解方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1：载入飞机飞行计划，得到当前飞机任意航段AB和空域内其他飞机任意航段CD的四维航迹运行信息；
步骤2：根据步骤1解析得到的飞机任意航段四维航迹运行信息，每隔时间δt判断航段AB和航段CD对应航路点之间的水平距离是否小于水平安全间隔d，垂直距离是否小于垂直安全间隔h，如果满足其中之一，则认为航段AB和航段CD存在冲突，进入步骤3，否则，按照飞行计划中要求的各航段路径特征，如：直线航段、圆弧航段等飞行，并重新进入步骤2；
步骤3：依据通过飞机之间的相对概率位置和安全间隔求解冲突概率，具体为：
步骤3.1：在航段AB和航段CD上加入与时间相关的航迹位置预测误差，该预测误差服从零均值的正态分布；
步骤3.2：将两架飞机的位置预测误差转变为随机飞机S相对于基准飞机R的位置误差的协方差的方法为：以当前飞机飞行方向水平分量所在直线为x轴，垂直当前飞机飞行方向向左的直线为y轴，竖直方向向上的直线为z轴，建立坐标系为Θ1，则坐标系Θ1的x轴和地理坐标系(东北天)的x轴的夹角为α，规定逆时针为负，顺时针为正；在坐标系Θ1下，为飞机的真实位置，为飞机的预测位置，为位置预测误差，则σx,σy,σz为飞机在坐标系Θ1下的三轴位置预测误差均方差，位置预测误差服从零均值的正态分布，则相应的协方差矩阵为坐标系Θ1到地理坐标系的旋转矩阵为：



则在地面坐标系下，飞机预测位置为飞机预测位置误差为相应的协方差矩阵为在地面坐标系中，基准飞机R以相对速度飞行，而随机飞机S存在位置预测偏差，其位置预测误差概率分布为两个随机变量之间相对位置的分布；地面坐标系下，两架飞机的相对位置为Δpg＝pgs-pgr，相对预测位置为相对预测位置误差为因此，合并的协方差矩阵为其中，Ssg和Srg为随机飞机和基准飞机在地面坐标系下的位置误差协方差矩阵；
步骤3.3：将随机飞机S相对于基准飞机R的位置误差的协方差转换为单位球体的标准形式的方法为：令p和ρ分别代表地面坐标系下位置矢量和转换后坐标系Θ2下的位置矢量；则有线性变换形式ρ＝Tp,p＝T-1ρ，其中，T是坐标系变换矩阵，因此，可得到：
Δρ＝ρs-ρr






经过线性变换后，位置预测误差仍然服从零均值的正态分布，此时的合并协方差矩阵为由cholesky分解定理知，正定矩阵可以分解得到ΔSg＝LLT，其中L为下三角矩阵，取线性变换T＝RL-1，其中矩阵R是任意旋转矩阵，则有因此，取线性变换T＝RL-1可以将组合误差椭球化为单位球体的标准形式；线性变换T是沿z向的垂直拉伸变换和绕z轴的旋转拉伸变换，记线性变换T的第三行第三列元素为t33，则表示将z轴拉长原来的t33倍，则柱体保护区的高度变化为hΘ2＝t33h，其中，h为地理坐标系下圆柱体保护区的高度，为转换后坐标系Θ2下椭圆柱保护区的高度；
步骤3.4：经过步骤3.3，在坐标系Θ2下，冲突保护区转化为一个椭圆柱，底面平行于z轴，底面椭圆在xoy面上的投影的长轴与坐标系y轴的夹角为β，进一步进行旋转坐标变换Rz成为为新坐标系Θ3，将椭圆柱保护区在xoy面的投影的主轴与新坐标系Θ3的y轴同向，并将旋转后的椭圆保护区用一个外切矩形扩展保护区近似简化替代；
步骤3.5：求解冲突概率最大值的解析解的方法为：地面坐标系经过线性变换T转换为坐标系Θ2，令T1＝RzT，由于线性变换Rz、T都是绕z轴的旋转线性变换，其中：



将线性变换阵T1的第一行第一列、第一行第二列、第二行第一列、第二行第二列共计四个元素取出，组成矩阵T1c，则可有如下定义：



规定地面坐标系经过Tc、Rz转换为坐标系Θ3，在坐标系Θ3中的冲突保护区为平行于z轴的柱体，底面与xoy面平行，形状为椭圆，椭圆方程为：



其中，Δρ1c为坐标系Θ3中xoy面下和基准飞行器R相关的冲突保护区的点，令可改写椭圆方程为：



近似矩形保护区在x轴和y轴上的投影，等于椭圆在x轴和y轴方向上两个极值之差；求出y的最大值为：



求出x的最大值为：



则两机的冲突概率，在z轴的积分区间为在x轴的积分区间为(-Δx-xmax,-Δx+xmax)，在y轴的积分区间为(-Δy-ymax,-Δy+ymax)，其中Δx,Δy,Δz分别是两飞行器相对位置经过线性变化T1、Rz的位置，即坐标系Θ3中两飞行器的相对位置，则两飞行器的冲突概率可以表示为：



步骤4：依据冲突概率最大值的解析解，在地理坐标系下，本机A的地速为Vs，冲突检测对象飞机B的地速为Vr，本机A保护区沿相对速度的延伸与冲突检测对象飞机B保护区交于以点F1L1区分的弓形区域内；此弓形相交区域便是本机A沿相对速度方向扫过的区域；此相交区域沿着冲突检测对象飞机B速度方向的延伸和本机A沿其飞行方向的延伸相交于四边形F1'F1”L1'L1”，便是水平面的两机的冲突区域；因此以此四边形为底面的柱体便为三维空间中的本机A飞行航迹上的冲突区域；
步骤5：构建的基于水平偏置模式下的消解路径，其具体方法为：
步骤5.1：定义水平偏置模式下的优化参数为：
lm：飞机开始进行消解...

【专利技术属性】
技术研发人员：李广文，翟少博，马力，黄天宇，李振华，雷蕾，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61