CN104183159A - 一种基于有向元胞自动机空中导航及冲突解脱方法 - Google Patents

Abstract

一种基于有向元胞自动机空中导航及冲突解脱方法，包括空域数据库模块、信号自动广播模块、接收模块、数据处理模块和显示交互模块，具体包括以下步骤：根据ADS-B系统确定空域分割大小；空域模型的建立；以导航飞机自身为中心，模拟空域建立坐标系。该发明利用现有的机载设备，在ADS-B技术上，即飞机自动广播由机载星基导航和定位系统生成精确的定位信息，建立有向元胞自动机运动规则，通过有向元胞机来模拟空域，根据元胞的运行更新，给出了飞机的导航及冲突解脱的路径，该方法简单、有效，能够大幅度提高航空器的飞行安全性能。

Description

一种基于有向元胞自动机空中导航及冲突解脱方法

技术领域

本发明属于低空导航和空中冲突解脱领域，主要涉及一种基于有向元胞自动机空中导航及冲突解脱方法。

背景技术

随着空中交通运输的迅速发展，现在的空中交通管理系统已经难以满足日益增长的空中交通流量的需要，随着国家通用航空快速发展和低空空域开放带来的大发展机遇，通用航空飞行安全问题越来越凸现出来。部分航空公司和私人飞机存在着规模小、底子薄、安全基础差等客观因素，特别是一些边远和海洋地区，地面导航设备缺乏，需要一种精度高，使用方便的导航设备和导航系统。

目前现有的针对飞机空中冲突解脱的方法，主要是在一系列的假设基础上，对空中冲突问题建立数学模型，利用现代优化算法给出问题解决答案，而没有将问题进行工程化处理，建立切实可行的处理方法；此外，现在的研究大多也没有考虑飞机的性能，以及算法的计算难度，针对现有存在的问题，需要一种计算简单，能结合现有机型的设备，对该问题进行处理的方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种基于有向元胞自动机空中导航及冲突解脱方法，该方法解决了现有技术中存在的技术问题，通过有向元胞自动机对空域模拟演化，提出了飞机空中导航和空域冲突解脱的方法。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下方式来实现：

一种基于有向元胞自动机空中导航及冲突解脱方法，包括空域数据库模块、信号自动广播模块、接收模块、数据处理模块和显示交互模块。

空域数据库模块，包括国家规定的可飞空域和该空域范围内的障碍物的特性参数；

信号自动广播模块，用于自动广播由机载星基导航和定位系统生成的自身精确的定位信息；

接收模块，用于接收邻近飞机的精确定位信息；

数据处理模块，用于处理空域数据库模块和接收模块接收的邻近飞机的定位信息，利用有向元胞自动机模拟空域，计算出飞机飞行路径及冲突时的解脱路径；

显示交互模块，用于显示飞机的导航路径及邻近空域内其它飞机与障碍物的信息。

本发明所提供的一种基于有向元胞自动机空中导航及冲突解脱方法，包括以下步骤：

1)在数据处理模块中输入相关空域的数据信息，将飞行区域进行适当的分割，分割的大小根据ADS-B(Automatic Dependent Surveillance Broadcast，广播式自动相关监视)系统信号的接受和发射能力确定；

2)空域模型的建立，利用有向元胞自动机在航空器飞行空域建立模型；

21)考虑二维空域进行网格划分，每个网格代表一个元胞，网格的大小为飞机盘旋半径r的2倍，根据飞行原理，航空器盘旋半径r为：

$r=\frac{v^2}{g\tan \mathrm{\γ}}$

其中，v表示飞行速度，g表示重力加速度，γ表示盘旋坡度；

22)利用二维的Moore型元胞自动机来定义其邻居，一个元胞的上、下、左、右、左上、左下、右上、右下相邻的8个元胞为该元胞的邻居，其邻居定义如下：

N_moore＝{c_i＝(x_ix,y_iy)||x_ix-x_ox|≤1and|y_iy-y_oy|≤1}(x_ix,y_iy)∈Z²，Z为整数集合；

23)每一个元胞状态均用布尔代数来表示，当该元胞被占用或系统中的限制区以及恶劣天气占用元胞位置时，该元胞状态为1，没有被占用时，元胞状态为0；

24)将时间t离散化处理，每过t₀时长，元胞的状态自动更新一次，飞机将根据运算结果，判定向临近邻居的移动方向，给出飞机是保持现有航向，还是调整飞行方向的提示；

3)以导航飞机自身为中心，模拟空域建立坐标系：

31)对进入空域的航空器从小到大依次分配编号，对离开飞行区域的飞机的编号，从小到大依次分配给新进入的飞机，当遇到冲突时，编号最小的飞机最先调整方向；

32)水平轴X：x_o表示飞机所处的水平状态，x_d表示飞机将前行的水平邻居状态，

垂直轴Y：y_o表示飞机所处的垂直状态，y_d表示飞机将前行的垂直邻居状态，

其中，当所处的元胞状态为1时，x_o、x_d、y_o和y_d的值为1，元胞状态为0时，其值为0；

33)判断元胞的移动方向，出发点指向终点的连线方向，是元胞的移动方向，根据以下条件确定元胞下一离散时间点上的移动方向：

x_d-x_o＞0，元胞向右移动；

y_d-y_o＞0，元胞向上移动；

x_d-x_o＜0，元胞向左移动；

y_d-y_o＜0，元胞向下移动；

x_d-x_o＝0，元胞无水平移动；

y_d-y_o＝0，元胞无垂直移动。

4)将导航结果在显示交互模块中进行显示。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：本发明利用现有的机载设备，在ADS-B技术上，即飞机自动广播由机载星基导航和定位系统生成精确的定位信息，建立有向元胞自动机运动规则，通过有向元胞机来模拟空域，根据元胞的运行更新，给出了飞机的导航及冲突解脱的路径，该方法简单、有效，能够大幅度提高航空器的飞行安全性能。

附图说明

图1为本发明的飞机避开限制区域的飞行示意图；

图2为三架飞机冲突解脱飞行的仿真轨迹的一种示意图；

图3为图2在冲突点的具体冲突解脱示意图；

图4为本发明在冲突点的具体冲突解脱另一种示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

如图1所示，一种基于有向元胞自动机空中导航及冲突解脱方法，包括空域数据库模块、信号自动广播模块、接收模块、数据处理模块和显示交互模块，

空域数据库模块，包括国家规定的可飞空域和该空域范围内的障碍物的特性参数；

信号自动广播模块，用于自动广播由机载星基导航和定位系统生成的自身精确的定位信息；

接收模块，用于接收邻近飞机的精确定位信息；

数据处理模块，用于处理空域数据库模块和接收模块接收的邻近飞机的定位信息，利用有向元胞自动机模拟空域，计算出飞机飞行路径及冲突时的解脱路径；

显示交互模块，用于显示飞机的导航路径及邻近空域内其它飞机与障碍物的信息。

以导航飞机为中心，正东方向为X轴，正北方向为Y轴建立直角坐标系，飞机的盘旋半径r为：

$r=\frac{v^2}{g\tan \mathrm{\γ}}$

其中，v表示飞行速度，g表示重力加速度，γ表示盘旋坡度。本实例v＝80m/s，g＝9.8m/s²，γ＝25°，经计算r＝1400m。

分别以2r为边长将空域进行网格化处理，其中每一个网格定义为一个元胞；每一个元胞状态用布尔代数来表示，当该元胞被占用或系统中的限制区以及恶劣天气占用元胞位置时，该元胞状态为1，没有被占用时，元胞状态为0。每过t₀＝17.5秒的时长，元胞的状态被更新一次，飞机将根据运算结果，判定向临近邻居的移动方向，给出飞机是保持现有航向，还是调整飞行方向的提示。

如图1所示，飞机欲从cell(1,1)飞到cell(5,5)，其中阴影部分为限制飞行区域。按照本发明所提供的冲突解脱方法，当飞行出发从cell(1,1)经过一个时间段，飞到cell(2,2)后，依次进行经过6个时间段，飞机将飞到cell(5,5)。此时飞机的飞行路径就是cell(1,1)→cell(2,2)→cell(2,3)→cell(2,4)→cell(3,5)→cell4,5)→cell(5,5)。

如图2所示，三架飞机将在空域内发生冲突，Flight1欲从cell(15,8)飞到cell(1,8)，Flight2欲从cell(1,15)飞到cell(15,1)，Flight3欲从cell(1,1)飞到cell(15,15)。刚开始时，每架飞机按照各自最佳的飞行路径进行飞行，当飞行到第7个飞行时间段时，三架飞机将在cell(8,8)发生冲突。当将要发生冲突时候，保持其中一架飞机路径不变，如Flight1最先进行选择是否调整方向，Flight1选择保持其原有的飞行路径；Flight2在t₇时段，选择向正右方向飞行，Flight3在t₇时选择正上方向飞行，具体的冲突解脱细节如图3所示，这样三架飞机在t₈的时段内就避免了飞行冲突。

如图4所示，是三架飞机在空域内发生冲突的另一中解脱冲突的方法，Flight2在t₇时段，选择了正下方向飞行，Flight3在t₇时选择正右方向飞行，该方法依然能够给出三架飞机的最终飞行轨迹。

以上所述仅是本发明的实施方式，再次声明，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进，这些改进也列入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于有向元胞自动机空中导航及冲突解脱方法，其特征在于：包括空域数据库模块、信号自动广播模块、接收模块、数据处理模块和显示交互模块，

空域数据库模块，包括国家规定的可飞空域和该空域范围内的障碍物的特性参数；

信号自动广播模块，用于自动广播由机载星基导航和定位系统生成的自身精确的定位信息；

接收模块，用于接收邻近飞机的精确定位信息；

数据处理模块，用于处理空域数据库模块和接收模块接收的邻近飞机的定位信息，利用有向元胞自动机模拟空域，计算出飞机飞行路径及冲突时的解脱路径；

显示交互模块，用于显示飞机的导航路径及邻近空域内其它飞机与障碍物的信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于有向元胞自动机空中导航及冲突解脱方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

1)在数据处理模块中输入相关空域的数据信息，将飞行区域进行适当的分割，分割的大小根据ADS-B系统信号的接受和发射能力确定；

2)空域模型的建立，利用有向元胞自动机在航空器飞行空域建立模型；

21)考虑二维空域进行网格划分，每个网格代表一个元胞，网格的大小为飞机盘旋半径r的2倍，根据飞行原理，航空器盘旋半径r为：

$r=\frac{v^2}{g\tan \mathrm{\γ}}$

其中，v表示飞行速度，g表示重力加速度，γ表示盘旋坡度；

22)利用二维的Moore型元胞自动机来定义其邻居，一个元胞的上、下、左、右、左上、左下、右上、右下相邻的8个元胞为该元胞的邻居，其邻居定义如下：

N_moore＝{c_i＝(x_ix,y_iy)||x_ix-x_ox|≤1and|y_iy-y_oy|≤1}，(x_ix,y_iy)∈Z²，Z为整数集合；

23)每一个元胞状态均用布尔代数来表示，当该元胞被占用或系统中的限制区以及恶劣天气占用元胞位置时，该元胞状态为1，没有被占用时，元胞状态为0；

24)将时间t离散化处理，每过t₀时长，元胞的状态自动更新一次，飞机将根据运算结果，判定向临近邻居的移动方向，给出飞机是保持现有航向，还是调整飞行方向的提示；

3)以导航飞机自身为中心，模拟空域建立坐标系：

31)对进入空域的航空器从小到大依次分配编号，对离开飞行区域的飞机的编号，从小到大依次分配给新进入的飞机，当遇到冲突时，编号最小的飞机最先调整方向；

32)水平轴X：x_o表示飞机所处的水平状态，x_d表示飞机将前行的水平邻居状态，

垂直轴Y：y_o表示飞机所处的垂直状态，y_d表示飞机将前行的垂直邻居状态，

其中，当所处的元胞状态为1时，x_o、x_d、y_o和y_d的值为1，元胞状态为0时，其值为0；

33)判断元胞的移动方向，出发点指向终点的连线方向，是元胞的移动方向，根据以下条件确定元胞下一离散时间点上的移动方向：

x_d-x_o＞0，元胞向右移动；

y_d-y_o＞0，元胞向上移动；

x_d-x_o＜0，元胞向左移动；

y_d-y_o＜0，元胞向下移动；

x_d-x_o＝0，元胞无水平移动；

y_d-y_o＝0，元胞无垂直移动。

4)将导航结果在显示交互模块中进行显示。