CN108446497A - 一种舰载机集群运动建模仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种舰载机集群运动建模仿真方法，包括以下步骤：构建运动求解空间，建立舰载机集群的运动求解空间；运动建模，建立舰载机集群的运动控制模型；运动仿真，基于所述运动求解空间和所述运动控制模型，输入仿真所述舰载机集群运动所需的参数，进行舰载机集群运动仿真。通过本申请的舰载机集群运动建模仿真方法，能够为舰载机集群的运动仿真提供有效的运动求解空间和运动控制模型，由此可以在多种仿真条件下研究舰载机集群运动的规律。此外该方法还可以较好地模拟舰载机集群在各种环境下的起降以及巡航行为，实现对舰载机运行数据的实时观测，为真实的大规模舰载机集群飞行试验提供了全面的仿真数据。

Description

一种舰载机集群运动建模仿真方法

技术领域

本发明属于计算机仿真技术领域，特别是涉及一种舰载机集群运动建模仿真方法。

背景技术

航空母舰，简称“航母”，是以舰载机为主要武器的世界上最庞大、最复杂、威力最强大的大型水面舰艇，也是一个国家综合实力的象征，将海上作战范围从近海推向远海，对现代战争的作战模式产生深远影响。航母拥有巨大的飞行甲板和舰岛。可以供舰载机起飞和降落。其主要任务是运用舰载机夺取海域及近海陆缘的制空权和制海权。采用虚拟现实技术。在虚拟空间中对舰载机集群的起飞、爬升、巡航和降落等运动过程进行模拟计算和可视化仿真，能突破时间和空间的限制,，以任意尺度对航母的构造设计、舰载机物资保障调度、作战方案制订等各方面的可行性、科学性和方案优化，进行准确、直观的推演和验证，为实际战斗力的生成发挥着不可替代的重要作用。但是，航母舰载机集群的运动过程同时涉及甲板面上二维空间和空中三维空间中的复杂运动约束。其中，二维空间的甲板面将受海面复杂扰动而发生运动，同时舰面障碍物也将对舰载机的起飞和降落产生复杂的运动约束。并且，三维空间中各舰载机的运动空域也相互制约影响。这将使航母舰载机集群运动仿真成为一项很具挑战性的研究难题。

目前国内外公开的针对航母舰载机运动建模的研究工作主要集中在单架舰载机的运动学和动力学分析上，很少有涉及其集群运动的模拟，不能从集群的角度反映舰载机的飞行效果。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种舰载机集群运动建模仿真方法，解决现有技术中缺乏对舰载机集群运动建模仿真，特别是对舰载机在起降和巡航运动过程中不能进行群体模拟仿真的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种舰载机集群运动建模方法，包括以下步骤：构建运动求解空间，建立舰载机集群的运动求解空间；运动建模，建立舰载机集群的运动控制模型；运动仿真，基于所述运动求解空间和所述运动控制模型，输入仿真所述舰载机集群运动所需的参数，进行舰载机集群运动仿真。

在本发明舰载机集群运动建模方法另一实施例中，在所述构建运动求解空间中，首先基于航线轨迹构建Frenet移动标架空间，然后沿上述Frenet移动标架空间进行三维元胞剖分。

在本发明舰载机集群运动建模方法另一实施例中，所述基于航线轨迹构建Frenet移动标架空间包括基于航线轨迹曲线任意点构建Frenet移动标架空间，其中所述Frenet移动标架的X轴方向为沿航线轨迹方向，Y轴方向为所述航线轨迹曲线的主法线方向，Z轴方向向量为X轴方向向量和Y轴方向向量的外积；或者若所述航线轨迹曲线的主法线方向不确定，则Y轴平行于所述航线轨迹曲线过该点的法平面，Y轴方向向量和所述航线轨迹曲线上前一位置处的Y轴方向向量夹角相差小于90度，Z轴方向向量为X轴方向向量和Y轴方向向量的外积。

在本发明舰载机集群运动建模方法另一实施例中，所述三维元胞剖分包括沿所述Frenet移动标架空间中的所述X、Y、Z轴进行网格剖分，得到表示每个网格的元胞，所述元胞的长度、宽度和高度分别为Δx、Δy和Δz，所述元胞的位置表示为(i,j,k)，即(i,j,k)为所述Frenet移动标架空间中沿所述X、Y、Z轴方向的第i，j，k个网格。

在本发明舰载机集群运动建模方法另一实施例中，所述元胞包括使用状态κ，κ在有限集合S中取值，S＝{0,1}，其中，0表示所述元胞处于闲置状态，1表示所述元胞处于被占据状态。

在本发明舰载机集群运动建模方法另一实施例中，在所述运动建模中，包括建立运动方向规则模型，所述运动方向规则模型中包括舰载机沿航线轨迹飞行时，仅通过在所述Frenet移动标架空间中的Z轴方向上的偏移来实现避障，即舰载机有三种运动方向可选：向Z轴负方向偏转、沿航线轨迹方向不偏转或向Z轴正方向偏转运动。

在本发明舰载机集群运动建模方法另一实施例中，所述向Z轴负方向偏转、沿航线轨迹方向不偏转或向Z轴正方向偏转运动的概率分别表示为：

其中，P_L，P_F，P_R表示舰载机下一时刻分别向Z轴负方向偏转、沿航线轨迹方向不偏转和向Z轴正方向偏转运动的概率，λ_L为当前时刻是否允许向Z轴负方向运动的标识符，λ_L＝0或1，λ_R为当前时刻是否允许向Z轴正方向运动的标识符，λ_R＝0或1，f_L、f_F和f_R分别表示舰载机向Z轴负方向偏转、沿航线轨迹方向不偏转和向Z轴正方向偏转运动趋势，d_L，d_F和d_R分别表示舰载机和前方偏Z轴负方向元胞、前方元胞、前方偏Z轴正方向元胞内的障碍物在X方向上的距离。

在本发明舰载机集群运动建模方法另一实施例中，所述f_L、f_F和f_R分别为：

其中，z表示当前舰载机所在位置在Z轴方向上的坐标值，ε为大于0的常数。

在本发明舰载机集群运动建模方法另一实施例中，在所述运动建模中，还包括建立运动速度规则模型，所述运动速度规则模型包括舰载机在当前航线轨迹上畅行时的期望速度和加速度分别为v₀和a₀，当前时刻舰载机速度为v(t)，所述舰载机在沿行驶方向前方与另一舰载机的水平距离为d(t)，则在所述舰载机行驶方向上，所述舰载机的速度更新规则包括：

加速：v(t+1)＝min(v(t)+a₀,v₀)，如果当前时刻所述舰载机和沿行驶方向前方与另一所述舰载机的水平距离大于v(t)+a₀；

减速:v(t+1)＝min(v(t),d(t))，如果当前时刻所述舰载机和沿行驶方向前方与另一所述舰载机的水平距离小于v(t)+a₀；

随机变化：以固定概率p进行v(t+1)＝max(v(t)-a₀,0)，如果运动航线出现突发异常下舰载机做出减速。

在本发明舰载机集群运动建模方法另一实施例中，在所述运动仿真中，包括舰载机在甲板上起飞和降落仿真、空中巡航仿真和/或在多跑道上起飞和降落仿真，所述仿真中的元胞的长度Δx、宽度Δy和高度Δz的取值应满足Δx＝Δy＝Δz＝max{舰载机长度，舰载机宽度，舰载机高度}，并且在所述Frenet移动标架空间中在Z轴方向上所述元胞个数为5个，在Y轴方向上的所述元胞个数为5个。

本发明的有益效果是：发明公开了一种舰载机集群运动建模仿真方法，包括以下步骤：构建运动求解空间，建立舰载机集群的运动求解空间；运动建模，建立舰载机集群的运动控制模型；运动仿真，基于所述运动求解空间和所述运动控制模型，输入仿真所述舰载机集群运动所需的参数，进行舰载机集群运动仿真。通过本申请的舰载机集群运动建模仿真方法，能够为舰载机集群的运动仿真提供有效的运动求解空间和运动控制模型，由此可以在多种仿真条件下研究舰载机集群运动的规律。此外该方法还可以较好地模拟舰载机集群在各种环境下的起降以及巡航行为，实现对舰载机运行数据的实时观测，为真实的大规模舰载机集群飞行试验提供了全面的仿真数据。

附图说明

图1是本发明舰载机集群运动建模仿真方法一实施例的流程图；

图2是本发明舰载机集群运动建模仿真方法另一实施例中应用于舰载机航线轨迹的局部坐标系的一实施例的示意图；

图3是本发明舰载机集群运动建模仿真方法另一实施例中三维元胞空间一实施例的示意图；

图4是本发明舰载机集群运动建模仿真方法另一实施例中舰载机避障而可选择的运动方向一实施例的示意图；

图5是本发明舰载机集群运动建模仿真方法另一实施例中计算效率和航线长度之间关系的一实施例的示意图；

图6是本发明舰载机集群运动建模仿真方法另一实施例中计算效率和舰载机数量之间关系的一实施例的示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。

舰载机集群的运动过程同时涉及甲板面上二维空间和空中三维空间中的复杂运动约束。其中，二维空间的甲板面将受海面复杂扰动而发生运动，同时舰面障碍物也将对舰载机的起飞和降落产生复杂的运动约束。并且，三维空间中各舰载机的运动空域也相互制约影响。这将使航母舰载机集群运动仿真成为一项很具挑战性的研究难题。因此如何快速高效地模拟甲板面上舰载机集群的运动以及舰载机集群在空中的运动都是本发明需要解决的难点。

图1公开了本发明的一种舰载机集群运动建模仿真方法的一实施例的流程图，该方法具体包括以下步骤：

步骤S1，构建运动求解空间，建立舰载机集群的运动求解空间。在该步骤中，基于舰载机的航线轨迹建立可以反应所述航线轨迹局部性质的局部坐标系，分别以Δx，Δy和Δz的长度为单位在所述局部坐标系的X、Y、Z三个方向上进行网格剖分，进而形成用于进行舰载机集群运动仿真的三维元胞空间。

步骤S2，运动建模，建立舰载机集群的运动控制模型。在该步骤中，具体包括对舰载机运动方向的建模和运动速度的建模：确定舰载机为躲避前方障碍物可能飞行的多个方向，为舰载机下一时刻的飞行方向打下基础；舰载机在当前航行轨迹上遵守指定的飞行速度更新规则，其计算舰载机和前方障碍物的距离，基于确定的速度更新规则进行速度变更。

步骤S3，运动仿真，基于所述运动求解空间和所述运动控制模型，输入仿真所述舰载机集群运动所需的参数，进行舰载机集群运动仿真。

在该步骤中，其中输入的参数包括当前时刻是否允许左转或右转的标识符、舰载机的总数量、跑道数、各跑道上的舰载机数以及仿真的航行距离参数。优选地，这些参数中的部分可以是预先设定好的。优选地，可以只输入舰载机的总数量以进行舰载机集群的运动仿真，此时其他参数均为默认的参数值。

通过本申请的舰载机集群运动建模仿真方法，可以较好地模拟舰载机在各种环境下的起降以及巡航行为，实现对舰载机运行数据的实时观测，为真实的大规模舰载机集群飞行试验提供了全面的仿真数据。

图2公开了本发明应用于舰载机航线轨迹的局部坐标系的一实施例的示意图。在构建舰载机集群的运动求解空间时，首先要对航线轨迹进行建模，然后沿所述航线轨迹建立三维元胞空间。

舰载机集群的运动大致可以分为甲板起飞和降落、巡航、以及多跑道上起降等运动类型。由于舰载机一般是沿预定航线运动的，因此，对于包括甲板跑道等舰载机的整个航线轨迹，如果将该航线轨迹曲线作为参考，舰载机的运动可分解为沿曲线切线方向上的运动，沿曲线主法线方向上的运动以及沿曲线次法线方向上的运动。在上述运动分析的基础上，我们通过使用局部坐标系来描述舰载机运动的局部性质。具体地，所述局部坐标系可以是Frenet标架，Frenet标架是用于研究曲线的局部性质而建立在参数曲线上的局部坐标系，是用来描述空间曲线理论的一种重要的局部坐标系。优选地，本发明基于航线轨迹构建Frenet移动标架空间，然后沿该Frenet移动标架空间进行三维元胞剖分。其中，基于航线轨迹构建Frenet移动标架空间包括基于航线轨迹曲线任意点构建Frenet移动标架空间，所述Frenet移动标架的X轴方向为沿航向轨迹方向，Y轴方向为所述航线轨迹曲线的主法线方向，Z轴方向向量为X轴方向向量和Y轴方向向量的外积；或者，若所述航线轨迹曲线的主法线方向不确定，则Y轴平行于所述航线轨迹曲线过该点的法平面，Y轴方向向量和所述航线轨迹曲线上前一位置处的Y轴方向向量夹角相差小于90度，Z轴方向向量为X轴方向向量和Y轴方向向量的外积。

图2中，点O是航线轨迹21上的任意一点，X、Y、Z三个轴是以O点的基础而建立的Frenet移动标架空间中的三个不同正交坐标轴。

进一步，在所述Frenet移动标架空间中的X、Y、Z轴进行网格剖分，网格的长宽高分别为Δx，Δy和Δz，考虑到舰载机飞行过程中存在滚转、俯仰以及偏航等姿态，为了避免舰载机在如上姿态下跨越多个元胞，并考虑到最小安全飞行间距的问题，令Δx＝Δy＝Δz＝max{舰载机长度，舰载机宽度，舰载机高度}，其中每个网格作为一个元胞，至此基于Frenet移动标架的舰载机集群运动三维元胞空间形成。图3显示了本发明中三维元胞空间一实施例的示意图。在图3中，该三维元胞空间31由多个长宽高分别为Δx，Δy和Δz的元胞依次相邻叠加而成，具体地，图3中的三维元胞空间31，在X轴方向有2个元胞，在Y轴方向有1个元胞，在Z轴方向有3个元胞，即该三维元胞空间31共包括了6个元胞。

进一步，在图3所示的三维元胞空间31中，每个元胞具有自身的状态，元胞的状态用κ表示，κ在有限集合S中取值，

S＝{0,1}

其中0表示该元胞处于闲置状态，1表示该元胞处于被占据状态。

图4显示了本发明中舰载机避障而可选择的运动方向的一实施例。为了实现舰载机集群运动的模拟仿真，需要进行运动建模，以建立舰载机集群的运动控制模型。在所述运动建模中，其包括建立运动方向规则模型和运动速度规则模型。

舰载机集群在运动时，需要考虑的因素包括跑道前方障碍物、舰载机飞行方向等。在本发明中，当存在障碍物时，三维元胞空间表现为元胞被占据。假设障碍物所在的元胞位置为(i,j,k)，则当前元胞的状态为1，即κ＝1，此处(i,j,k)为Frenet移动标架下沿X，Y，Z轴方向的第i，j，k个网格。

具体地，在本发明中，当舰载机沿航线轨迹飞行时，设定仅通过在所述Frenet标架空间中Z方向上的偏移来实现避障，此时，舰载机有三种运动方向可选，即向Z轴负方向偏转、沿航线轨迹方向不偏转或向Z轴正方向偏转运动。本发明采用概率来求解舰载机的运行方向，其中舰载机向各个方向运行的概率为：

P_L，P_F，P_R分别表示舰载机下一时刻向Z轴负方向偏转(即向左运行)、沿航线轨迹方向不偏转和向Z轴正方向偏转运动(即向右运行)的概率。λ_L为当前时刻是否允许向Z轴负方向运动的标识符，允许取值为1，不允许取值为0。同理，λ_R为当前时刻是否允许向Z轴正方向运动的标识符，允许取值为1，不允许取值为0。λ_L和λ_R主要用于舰载机在地面行驶时并行跑道的标识上。f_L用来表示舰载机不期望偏离预定航线轨迹方向的趋势，用来表示不同飞行员在相同环境下，期望直行的趋势，

其中z表示当前舰载机所在位置在Z方向上的坐标值，ε为大于0的常数。f_F和f_R含义类似f_L，即f_L、f_F和f_R分别表示舰载机向Z轴负方向偏转、沿航线轨迹方向不偏转。向Z轴正方向偏转的运动趋势：

d_L，d_F和d_R表示舰载机分别和前方偏Z轴负方向元胞、前方元胞、前方偏Z轴正方向元胞内的障碍物在X方向上的距离。

在图4中，三维元胞空间41包括6个元胞，在每个元胞中，舰载机为了避障存在三种不同的方向：向Z轴负方向偏转、沿航线轨迹方向不偏转、向Z轴正方向偏转运动。图4中的三个箭头分别为表示舰载机向Z轴负方向运动的指示箭头L1、沿所述航线轨迹方向不偏转运动的指示箭头F2、向Z轴正方向运动的指示箭头R3。

由于舰载机外形的特殊性，为了避免舰载机避障绕行过远，本发明对前方障碍物进行多方向约束，即前方元胞内的障碍物既会限制舰载机直行，也有可能限制舰载机左行或右行。具体计算采用如下方法：设舰载机质心所在位置的坐标为(x₁,y₁,z₁)，其所在元胞为(i₁,j₁,k₁)，障碍物质心所在位置的坐标值为(x₂,y₂,z₂)，其所在元胞为(i₂,j₂,k₂)，若j₁≡j₂&k₁＝k₂，即障碍物位于舰载机前方的元胞内，则，

a)若|z₂|＞|z₁|，则d_L＝d_F＝|x₂-x₁|；

b)若|z₂|≡|z₁|，则d_F＝|x₂-x₁|；

c)若|z₂|＜|z₁|，则d_R＝d_F＝|x₂-x₁|。

至此，三维元胞空间模型中运动方向规则模型建立完成，该运动方向规则模型用于确定各个舰载机下一时刻的运动方向，而具体朝哪个方向运动，是由各个方向上的运行概率决定的。

优选地，当舰载机前方遇到障碍物时，首先计算舰载机下一时刻向Z轴负方向偏转、沿航线轨迹方向不偏转或向Z轴正方向偏转运动的概率P_L，P_F，P_R，然后在P_L，P_F，P_R之间取最大值作为舰载机下一时刻的运行方向。当舰载机的左前方元胞、前方元胞或右前方元胞中没有障碍物时，则认为所述的d_L、d_F、d_R均等于无穷大。优选地，当存在两种方法来确定d_L、d_R的值时，根据防止舰载机之间碰撞的原则，d_L或d_R取两种方法中的最小值，例如当前方元胞以及左前方元胞中均有障碍物时，d_L可根据左前方元胞内障碍物计算得到距离1，d_L根据前方元胞中的障碍物可计算得到距离2，则d_L最终取距离1和距离2中的最小值；进一步，在计算舰载机下一时刻的飞行方向时，可以假设ε等于1，其中的λ_L和λ_R根据实际情况进行设定。当计算得到有两个方向的概率都是最大时，按照向前行驶优于向左行驶优于向右行驶的原则来选择最终的飞行方向。

通过建立上述运动方向规则模型，较好的确定了舰载机为了躲避障碍物而确定的飞行方向，避免了舰载机集群中各个舰载机个体之间可能存在的碰撞和影响，进而对整个舰载机集群的飞行进行了良好的控制。

通常情况下，当不存在任何障碍物时，舰载机从滑行道等进入跑道，通过加速滑行最终离开地面升空。所以，畅行时，舰载机在地面上的运动并不全是匀速运动的。设舰载机在当前路段上畅行时的期望速度和加速度分别为v₀和a₀，即舰载机在当前航线轨迹上畅行时的期望速度和加速度分别为v₀和a₀。当前时刻舰载机速度为v(t)，舰载机和沿行驶方向上前方舰载机的水平距离为d(t)，沿舰载机行驶方向上，舰载机速度更新规则如下：

a)如果当前舰载机和沿行驶方向上前方舰载机的距离大于v(t)+a₀，则加速：v(t+1)＝min(v(t)+a₀,v₀)；

b)如果当前舰载机和沿行驶方向上的前方舰载机距离小于v(t)+a₀，则减速：v(t+1)＝min(v(t),d(t))；

c)随机变化：以固定概率p进行v(t+1)＝max(v(t)-a₀,0)，如果运动航线出现突发异常下舰载机做出减速。

具体地，所述的固定概率p是根据驾驶人员的经验而得到，该固定概率p具体和驾驶员以及航行环境相关，例如取0.7-0.8之间的常数。

至此，舰载机的速度模型建立完成，其中该速度模型用于计算各个舰载机在行驶方向上下一刻的速度，完成了对舰载机集群中的各个舰载机速度的实时控制。本申请的该实施例中，通过对舰载机集群中的各舰载机之间的方向、速度等进行监控，进而实现了对整个空间域内的所有舰载机飞行运动的模拟。

进一步，对舰载机在甲板上的起降、巡航、或者多跑道上起降等过程进行模拟仿真。在模拟中，首先需要输入仿真所述舰载机集群运动所需的参数，以进行舰载机集群运动仿真。其中输入的参数包括当前时刻是否允许左转或右转的标识符、舰载机的总数量、跑道数、各跑道上的舰载机数以及仿真的航行距离参数。优选地，这些参数中的部分可以是预先设定好的。优选地，可以只输入舰载机的总数量以进行舰载机集群的运动仿真，此时其他参数均为默认的参数值。

在该模拟仿真过程中，设置元胞大小为60m*60m*60m，即长度Δx、宽度Δy和高度Δz均等于60m，Frenet移动标架下Z方向元胞个数为5个，Y方向上的元胞个数为5个。输入航线内舰载机或舰载机数量，此时为1000架。随着航线里程(Frenet移动标架下X方向)的增加，本发明所需计算时间如图5所示。图5中，其中横向坐标的单位为1000km，表示飞行的航线长度，纵坐标的单位为毫秒ms，表示本发明舰载机集群运动建模仿真方法在相应航线长度下的计算时间。从图5可以看出，其显示了舰载机集群运动建模仿真方法计算效率和航线长度之间的关系，本发明可以对将近8000公里内航线实现实时计算。

其次本发明还测试了计算效率和舰载机数量之间的关系。实验参数如下：元胞大小为60m*60m*60m，即长度Δx、宽度Δy和高度Δz均等于60m，Frenet标架下Z方向元胞个数为5个，Y方向上的元胞个数为5个，X航线里程(Frenet移动标架下x方向)为5000km。不断调整输入的航线内舰载机的总数量，随着航线内舰载机总数量的增加，本发明所需计算时间如图6所示。图6中，其中横向坐标的单位为千架，表示舰载机或舰载机数量，纵坐标的单位为毫秒ms，表示本发明舰载机集群运动建模仿真方法在不同舰载机或舰载机数量下的计算时间。可以看出，本发明可以对航线内将近8万架次舰载机实现实时计算。

综上可知，本发明提供了一种舰载机集群运动建模仿真方法，该方法包括构建运动求解空间，构建舰载机的运动方向模型和运动速度更新模型，然后在所述运动求解空间的基础上，结合运动方向模型、运动速度更新模型以及和前方障碍物之间的距离等因素，来对舰载机集群中的各个舰载机进行独立控制，进而有效地实现了对整个舰载机集群的飞行控制，弥补了国内对于舰载机集群飞行控制技术的空白，为实际的舰载机集群运动提供了有效、真实、全面的仿真数据。

以上该仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种舰载机集群运动建模仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

构建运动求解空间，建立舰载机集群的运动求解空间；

运动建模，建立舰载机集群的运动控制模型；

运动仿真，基于所述运动求解空间和所述运动控制模型，输入仿真所述舰载机集群运动所需的参数，进行舰载机集群运动仿真。

2.根据权利要求1所述的舰载机集群运动建模仿真方法，其特征在于，在所述构建运动求解空间中，首先基于航线轨迹构建Frenet移动标架空间，然后沿上述Frenet移动标架空间进行三维元胞剖分。

3.根据权利要求2所述的舰载机集群运动建模仿真方法，其特征在于，所述基于航线轨迹构建Frenet移动标架空间包括基于航线轨迹曲线任意点构建Frenet移动标架空间，其中所述Frenet移动标架的X轴方向为沿航线轨迹方向，Y轴方向为所述航线轨迹曲线的主法线方向，Z轴方向向量为X轴方向向量和Y轴方向向量的外积；或者若所述航线轨迹曲线的主法线方向不确定，则Y轴平行于所述航线轨迹曲线过该点的法平面，Y轴方向向量和所述航线轨迹曲线上前一位置处的Y轴方向向量夹角相差小于90度，Z轴方向向量为X轴方向向量和Y轴方向向量的外积。

4.根据权利要求2所述的舰载机集群运动建模仿真方法，其特征在于，所述三维元胞剖分包括沿所述Frenet移动标架空间中的所述X、Y、Z轴进行网格剖分，得到表示每个网格的元胞，所述元胞的长度、宽度和高度分别为Δx、Δy和Δz，所述元胞的位置表示为(i,j,k)，即(i,j,k)为所述Frenet移动标架空间中沿所述X、Y、Z轴方向的第i，j，k个网格。

5.根据权利要求4所述的舰载机集群运动建模仿真方法，其特征在于，所述元胞包括使用状态κ，κ在有限集合S中取值，

S＝{0,1}

其中，0表示所述元胞处于闲置状态，1表示所述元胞处于被占据状态。

6.根据权利要求1所述的舰载机集群运动建模仿真方法，其特征在于，在所述运动建模中，包括建立运动方向规则模型，所述运动方向规则模型中包括舰载机沿航线轨迹飞行时，仅通过在所述Frenet移动标架空间中的Z轴方向上的偏移来实现避障，即舰载机有三种运动方向可选：向Z轴负方向偏转、沿航线轨迹方向不偏转或向Z轴正方向偏转运动。

7.根据权利要求6所述的舰载机集群运动建模仿真方法，其特征在于，所述向Z轴负方向偏转、沿航线轨迹方向不偏转或向Z轴正方向偏转运动的概率分别表示为：

其中，P_L，P_F，P_R表示舰载机下一时刻分别向Z轴负方向偏转、沿航线轨迹方向不偏转和向Z轴正方向偏转运动的概率，λ_L为当前时刻是否允许向Z轴负方向运动的标识符，λ_L＝0或1，λ_R为当前时刻是否允许向Z轴正方向运动的标识符，λ_R＝0或1，f_L、f_F和f_R分别表示舰载机向Z轴负方向偏转、沿航线轨迹方向不偏转和向Z轴正方向偏转运动趋势，d_L，d_F和d_R分别表示舰载机和前方偏Z轴负方向元胞、前方元胞、前方偏Z轴正方向元胞内的障碍物在X方向上的距离。

8.根据权利要求7所述的舰载机集群运动建模仿真方法，其特征在于，所述f_L、f_F和f_R分别为：

其中，z表示当前舰载机所在位置在Z轴方向上的坐标值，ε为大于0的常数。

9.根据权利要求6所述的舰载机集群运动建模仿真方法，其特征在于，在所述运动建模中，还包括建立运动速度规则模型，所述运动速度规则模型包括舰载机在当前航线轨迹上畅行时的期望速度和加速度分别为v₀和a₀，当前时刻舰载机速度为v(t)，所述舰载机在沿行驶方向前方与另一舰载机的水平距离为d(t)，则在所述舰载机行驶方向上，所述舰载机的速度更新规则包括：

加速：v(t+1)＝min(v(t)+a₀,v₀)，如果当前时刻所述舰载机和沿行驶方向前方与另一所述舰载机的水平距离大于v(t)+a₀；

减速:v(t+1)＝min(v(t),d(t))，如果当前时刻所述舰载机和沿行驶方向前方与另一所述舰载机的水平距离小于v(t)+a₀；

随机变化：以固定概率p进行v(t+1)＝max(v(t)-a₀,0)，如果运动航线出现突发异常下舰载机做出减速。

10.根据权利要求9所述的舰载机集群运动建模仿真方法，其特征在于，在所述运动仿真中，包括舰载机在甲板上起飞和降落仿真、空中巡航仿真和/或在多跑道上起飞和降落仿真，所述仿真中的元胞的长度Δx、宽度Δy和高度Δz的取值应满足Δx＝Δy＝Δz＝max{舰载机长度，舰载机宽度，舰载机高度}，并且在所述Frenet移动标架空间中在Z轴方向上所述元胞个数为5个，在Y轴方向上的所述元胞个数为5个。