CN111402637B - 一种基于可达时空域的无冲突航迹规划方法、装置及系统 - Google Patents

一种基于可达时空域的无冲突航迹规划方法、装置及系统 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种基于可达时空域的无冲突航迹规划方法、装置及系统，涉及空中交通管理与规划技术领域，有助于提高四维航迹运行模式下航空器飞行安全性及减少管制员工作负荷。本发明包括：采集巡航运行阶段的航空器的飞行数据，并在三维时空坐标系内记录巡航运行阶段的航空器实时位置和计划航迹；根据三维时空坐标系内计划航迹和最小安全间隔，确定主航空器的可达时空域和侵入航空器的斜圆柱保护区；将可达时空域和侵入航空器的斜圆柱保护区的交集，向二维平面投影，得到冲突改航点的集合；将冲突改航点的集合从主航空器投影在二维平面的可达时空域中剔除，即可生成无冲突改航点集合和无冲突可行改航航迹。本发明适用于空中交通管理。

Description

一种基于可达时空域的无冲突航迹规划方法、装置及系统
技术领域
本发明涉及空中交通管理与规划技术领域，尤其涉及一种基于可达时空域的无冲突航迹规划方法、装置及系统。
背景技术
随着我国航空运输业的高速发展，对空域利用需求的不断增长与现实空域资源紧张之间的矛盾日益凸显，空域拥堵、航班延误等现象日趋严重，现有的以空域分离和预先确定航路的运行模式已经不能满足未来发展的需求。
为了解决空域资源紧缺的问题，提高现有的空域资源利用率，我国已经开始将目光转向基于航迹的新运行模式，并已进行了成功的试飞。面向未来大规模高密度航迹运行，亟需研究无冲突航迹可行空间的实时、可视化表达方法，支撑自动化和智能化的空中交通运行系统更新换代。
目前在基于航迹运行的理论研究中，航迹预测与航迹不确定性研究成果较为丰富，但现有的成果主要偏向预战术层面，对于解决空域内实际飞行的问题缺乏实时、有效的解决方法。另外，现有的航迹模型存在着建模过程较为复杂、数学求解难度大、可视化程度低等缺陷，难以集成为能为管制员解脱冲突提供辅助决策的系统工具。
这就导致了管制员开展航迹战术调配决策时，依旧主要依靠人工经验进行，对于人员的技能要求高且工作负荷大，尤其容易影响密集航迹运行的安全与效率。
发明内容
本发明的实施例提供一种基于可达时空域的无冲突航迹规划方法、装置及系统，有助于提高四维航迹运行模式下航空器飞行安全性及减少管制员工作负荷。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
一方面，提供一种基于可达时空域的无冲突航迹规划方法，包括：
采集巡航运行阶段的航空器的飞行数据，并在三维时空坐标系内记录巡航运行阶段的航空器实时位置和计划航迹；
根据所述三维时空坐标系内计划航迹和最小安全间隔，确定主航空器的可达时空域和侵入航空器的斜圆柱保护区，其中，所述侵入航空器包括：在所述三维时空坐标系内与所述主航空器存在潜在航迹冲突的航空器；
将所述可达时空域和所述侵入航空器的斜圆柱保护区的交集，向二维平面投影，得到当前时刻冲突改航点的集合；
利用所述主航空器可达时空域在二维平面的投影，和所述冲突改航点的集合，提取无冲突改航点集合和无冲突可行改航航迹。另一方面，提供一种基于可达时空域的无冲突航迹规划装置，包括：
数据采集模块，用于采集巡航运行阶段的航空器的飞行数据，并在三维时空坐标系内记录巡航运行阶段的航空器实时位置和计划航迹；
第一处理模块，用于根据所述三维时空坐标系内记录航迹和最小安全间隔，确定主航空器的可达时空域和侵入航空器的斜圆柱保护区，其中，所述侵入航空器包括：在所述三维时空坐标系内与所述主航空器存在潜在航迹冲突的航空器；
第二处理模块，用于将所述可达时空域和所述侵入航空器的斜圆柱保护区的交集，向二维平面投影，得到冲突改航点的集合；
结果输出模块，用于利用所述主航空器可达时空域在所述二维平面的投影，和所述冲突改航点的集合，获取无冲突可行改航航迹，并将所述无冲突可行改航航迹显示在所述二维平面内。
又一方面，提供一种基于可达时空域的无冲突航迹规划系统，包括：
空管监视子系统，用于实时监控并记录航空器的实时飞行数据和计划航迹；
航迹规划子系统，用于从空管监视子系统采集巡航运行阶段的航空器的飞行数据，并在三维时空坐标系内记录巡航运行阶段的航空器实时位置和计划航迹；根据所述三维时空坐标系内记录航迹和最小安全间隔，确定主航空器的可达时空域和侵入航空器的斜圆柱保护区，其中，所述侵入航空器包括：在所述三维时空坐标系内与所述主航空器存在潜在航迹冲突的航空器；将所述可达时空域和所述侵入航空器的斜圆柱保护区的交集，向二维平面投影，得到冲突改航点集合；将冲突改航点的集合从所述主航空器可达时空域在二维平面的投影中剔除，即可生成无冲突改航点集合和无冲突可行改航航迹；
显示子系统，用于将所述无冲突可行改航航迹显示在所述二维平面内。
综合考虑了航空器速度性能和控制到达时间的约束，构建了三维时空坐标系内的航迹可达时空域模型，以此为基础建立了二维平面主航空器可行改航区域模型，得到了多机冲突下的航空器无冲突的改航区域，并完成了改航后航迹及相关参数的计算。实现了航迹冲突问题的实时、高效、可视化表达，切实为管制员实时探测与解脱多航空器间的冲突提供决策依据，有助于提高四维航迹运行模式下航空器飞行安全性及减少管制员工作负荷。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的主航空器的可达时空域模型图；
图2为本发明实施例提供的侵入航空器的斜圆柱保护区模型图；
图3为本发明实施例提供的三维多机冲突模型图；
图4为本发明实施例提供的二维可行改航区域模型图；
图5为本发明实施例提供的主航空器完成改航操作并规划改航航迹的示意图；
图6为本发明实施例提供的方案逻辑的拓扑示意图；
图7为本发明实施例提供的系统架构示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本发明实施例提供一种基于可达时空域的无冲突航迹规划方法，包括：
S1、采集巡航运行阶段的航空器的飞行数据，并在三维时空坐标系内记录巡航运行阶段的航空器实时位置和计划航迹。
其中，巡航运行阶段的航空器的飞行数据，可以从空管系统、雷达系统等目前已经大量使用的系统设备中获取，飞行数据的传输方式可以基于目前已有的空地信息网络和数据接口。在三维时空坐标系内记录的航迹，可以理解为一种四维航迹，即在原先三维航迹(经度、纬度、高度)概念的基础上强化了第四维度——时间对于描述航迹的重要性。三维航迹可达时空域建模主要包含了主航空器双圆锥模型与多架侵入航空器的斜圆柱保护区模型；二维航空器可行改航区域模型主要包含了CTA约束条件下的椭圆边界、可行改航区域与冲突改航区域。本发明主要以航空器的巡航阶段为研究对象，假定航空器的飞行高度不变。
S2、根据所述三维时空坐标系内计划航迹和最小安全间隔，确定主航空器的可达时空域和侵入航空器的斜圆柱保护区。
其中，所述侵入航空器包括：在所述三维时空坐标系内与所述主航空器存在潜在航迹冲突的航空器。
具体的包括：在所述三维时空坐标系内对航迹可达时空域建模。建立所述主航空器的可达时空域模型和所述侵入航空器的斜圆柱保护区模型，并根据所述主航空器的可达时空域模型和所述侵入航空器的斜圆柱保护区模型确定所述主航空器和所述侵入航空器的交空间。当所述交空间不为空集时，判定所述主航空器与所述侵入航空器之间存在航迹冲突。
S3、将所述可达时空域和所述侵入航空器的斜圆柱保护区的交集，向二维平面投影，得到当前时刻冲突改航点的集合。
S4、利用所述主航空器可达时空域在二维平面的投影，和所述冲突改航点的集合，提取无冲突改航点集合和无冲突可行改航航迹。
需要说明的是，本实施例中的“可达时空域”中的“可达”，指的是在理论计算的范围内能够达到，“不可达”即在理论计算的范围内不能够达到，不应“可”理解为“可以”。这些都是本领域技术人员，比如空管人员的惯常说法，本领域技术人员清楚其含义。
本实施例方案的大致逻辑设计如图6所示，基于可达时空域的航迹规划方法主要分为两个部分：
一：三维时空坐标系内的航迹可达时空域建模。针对巡航运行阶段，在三维时空坐标系内进行建模，其中模型包含了主航空器的可达时空域双圆锥模型与多架侵入航空器的斜圆柱保护区模型；二：二维平面内主航空器可行改航区域建模。在建立多架航空器三维空间航迹可达模型的基础上，采用平面投影、边界提取、采点分析等方法，二维坐标平面内构造了控制到达时间(CTA：Controlled Time of Arrival)约束下，航空器的无冲突改航区域。
本实施例中，主要包含了三维时空坐标系内航迹可达时空域的建模模块与二维平面内可行改航区域的建模模块。其中，建立三维航迹可达时空域模型旨在对航迹可能经过的区域在三维时空坐标系内进行表达，以通过三维模型的相交情况对冲突态势进行评估；在此基础上，投影建立二维航空器当前可行改航区域模型，旨在以多机冲突下主航空器为研究对象，生成主航空器当前的可行改航区域，在控制到达时间约束下，规避主航空器和侵入航空器间的潜在冲突。
在本实施例中，所述在所述三维时空坐标系内对航迹可达时空域建模，包括：
建立三维空间内的时空坐标系(x，y，t)，其中，x轴和y轴表示航空器在水平空间内的横纵坐标，z轴表示航空器的飞行时间t。根据所述航空器的飞行数据，在所述时空坐标系中生成航迹。
例如：(1-2-1)三维时空坐标系内的航迹可达时空域建模。
建立三维空间内的时空坐标系(x，y，t)。其中x、y轴描述了航空器在水平空间内的横纵坐标，而z轴则代表了航空器的飞行时间t。该三维坐标轴描述了航空器航路巡航阶段的水平空间位置随时间的变化关系，为航空器在时间-空间域内进行建模提供基础。
在本实施例中，建立所述主航空器的可达时空域模型，包括：
建立表示主航空器的时空可达域的双圆锥模型。将所述左圆锥和所述右圆锥在所述时空坐标系中的相交区域，作为所述主航空器在tj-ti内的时空可达域。
其中：左圆锥的顶点i0的坐标为(xi，yi，ti)，其中xi、yi为航空器起始点i的横纵坐标，ti为当前时间，所述左圆锥的底面中心点it的坐标为(xi，yi，tj)，底面半径为r＝Vmax*(tj-ti)，Vmax表示最大航行速度。右圆锥的顶点j0的坐标为(xj，yj，tj)，xj、yj为航空器到达点j的横纵坐标，tj为控制到达时间，所述右圆锥的底面中心点jt的坐标为(xj，yj，ti)，底面半径仍为r＝Vmax*(tj-ti)。
例如：(1-2-2)建立主航空器的可达时空域模型。
以航空器的相关参数为基础，包括：当前点横纵坐标(xi,yi)、到达点横纵坐标(xj,yj)、当前时间ti和到达点控制到达时间tj、航空器最大航行速度Vmax等，建立了双圆锥模型来描述主航空器的时空可达域。其中，在建立的三维时空坐标系中，左圆锥的顶点i0的坐标为(xi，yi，ti)，其中xi、yi为航空器起始点i的横纵坐标，ti为当前时间。
左圆锥(倒圆锥)的底面中心点it的坐标为(xi，yi，tj)，底面半径为r＝Vmax*(tj-ti)，代表了航空器在CTA及最大航行速度的约束下可到达的最远距离。相似地，右圆锥(正圆锥)的顶点j0的坐标为(xj，yj，tj)，其中xj、yj为航空器到达点j的横纵坐标，tj为控制到达时间。右圆锥的底面中心点jt的坐标为(xj，yj，ti)，底面半径仍为r＝Vmax*(tj-ti)。
两圆锥在三维空间中的相交区域即为主航空器在tj-ti内的时空可达域，记为Df，即只要主航空器的航迹在该区域内，无论航空器如何选择航迹，都一定能满足控制到达时间CTA的要求。具体建模计算过程如下：
Figure BDA0002364309970000081
Figure BDA0002364309970000082
式(1)、(2)旨在利用几何中相似形原理，对圆锥在某一时间截面截得圆的半径进行表达。其中，t为左、右圆锥内选择的任意中间点时间。ti为航空器当前时间。tj为到达时间。r为圆锥底面圆的半径。Δ1为左圆锥在t时刻的截面圆半径。Δ2为右圆锥在t时刻截面圆的半径。
Figure BDA0002364309970000091
式(3)旨在利用式(1)、(2)已解得的截面圆半径，对圆锥上的任意点(x，y，t)进行表达。
在本实施例中，建立所述侵入航空器的保护区模型，包括：
在所述时空坐标系中，生成所述侵入航空器当前位置和到达点位置点连线段为轴，以保护区为半径的斜圆柱体。例如：
(1-2-3)建立侵入航空器的保护区模型。
在选择航空器中的一架为主航空器后，将其余与主航空器航迹可能产生冲突的航空器视作侵入航空器，该步骤对侵入航空器集合
Figure BDA0002364309970000092
一一建立斜圆柱保护区研究。任意侵入航空器
Figure BDA0002364309970000093
的保护区为以
Figure BDA0002364309970000094
的当前位置和到达点位置点连线段为轴，以保护区r0为半径的斜圆柱体，即斜圆柱体在任意t0∈[ti，tj]时的截面都为半径为r0的正圆。
假定航空器处于同一高度，在航空器飞行的任意时间点t0∈[ti，tj]上，飞行保护区只考虑水平安全间隔，记为r0。那么，飞行保护区则为以(x0，y0，t0)为圆心，在t＝t0平面上半径为r0的圆。因此，在三维时空坐标内，任意侵入航空器
Figure BDA0002364309970000095
的保护区为以
Figure BDA0002364309970000096
的当前位置和到达点位置点连线段为轴，以保护区r0为半径的斜圆柱体，即斜圆柱体在任意t0∈[ti，tj]时的截面都为半径为r0的正圆。
(1-2-4)建立潜在冲突下的主航空器三维可达时空域。
构建主航空器的可达时空域Df与多架侵入航空器的斜圆柱时空保护区
Figure BDA0002364309970000101
的交空间，记为
Figure BDA0002364309970000102
通过对该三维空间模型的研究即可识别多机冲突场景中主航空器在CTA约束下的无冲突可达时空域。显然，当且仅当交空间Sf不为空集时，主航空器与侵入航空器之间存在潜在的航迹冲突。
具体举例来说：附图1为主航空器的三维可达时空域模型的示意图，其组成主要包括两个互为倒置的锥体(三维时空坐标系的单位分别为(km，km，s)，下同)。左侧倒立的圆锥体(Ⅰ)表达了航空器在时间t＝0s时刻由i点出发(本例中设计的坐标为(130,120,0)),在控制到达时间(400s)约束下至j点的过程中，航空器所有可能处于的时空位置集合。因此，该圆锥以i(130,120,0)为顶点，其底面位于t＝400s平面上，底面半径表达了航空器在该时间段内能到达的最远距离，由航空器最大速度(本例中设为0.24km/s)乘以时间400s得到，即底面半径为96km。同理，右侧正立的圆锥体(Ⅱ)表达了航空器在时间t＝400s时刻由j点出发(本例中设计的坐标为(200,170,400)),在可控到达时间约束下至i点的过程中，航空器所有可能处于的时空位置集合。因此，该圆锥以j(200,170,400)为顶点，其底面位于t＝0s平面上，底面半径同圆锥(I)为96km。圆锥(I)与圆锥(Ⅱ)的交集(Ⅲ)定义为航迹可达时空域(RTSF)，其描述了在可控到达时间的约束下，由i点出发到达j点的过程中所有可以到达的位置。
附图2为侵入航空器的斜圆柱保护区模型的示意图，其组成主要包括了多架侵入航空器的斜圆柱保护区(在本研究中以四架为例)。斜圆柱(Ⅰ)表达了侵入航空器
Figure BDA0002364309970000103
由起始点i1(120,120,0)至到达点j1(190,170,400)的航迹及其保护区，侵入航空器的保护区半径定义为6km，因此，该斜圆柱的每一水平截面都为半径r＝6km的正圆，下同。斜圆柱(Ⅱ)表达了侵入航空器
Figure BDA0002364309970000104
由起始点i2(140,110,0)至到达点j2(180,170,400)的航迹及其保护区。斜圆柱(Ⅲ)表达了侵入航空器
Figure BDA0002364309970000111
由起始点i3(130,170,0)至到达点j3(200,120,400)的航迹及其保护区。斜圆柱(Ⅳ)表达了侵入航空器
Figure BDA0002364309970000112
由起始点i4(140,180,0)至到达点j4(190,110,400)的航迹及其保护区。
附图3为三维时空坐标系内的多机冲突模型，其中包含了附图1中主航空器的航迹可达时空域模型与附图2中侵入航空器的斜圆柱保护区模型。通过建立多架侵入航空器的斜圆柱保护区与主航空器可达时空域模型的交空间，即可识别多机冲突下主航空器在CTA约束下的无冲突可达时空域。显然，当且仅当斜圆柱与可达时空域模型间的交空间不为空集时，主航空器与侵入航空器之间存在潜在的航迹冲突。
进一步的，本实施例中还包括：
将所述左圆锥和所述右圆锥在所述时空坐标系中的相交区域投射至二维平面，得到二维平面上的椭圆形。
对所述椭圆形进行坐标转换，将所述椭圆形的长轴作为二维坐标系的x轴的正方向，其中，所述椭圆形的长轴为所述主航空器的当前航迹方向，所述主航空器的当前位置和到达位置分别为所述椭圆形的两个焦点，且关于所述二维坐标系原点对称。
例如：(1-3-1)三维可达时空域模型向二维平面投影。
令当前时间为ti，将上述过程所得到的三维可达时空域模型向t＝ti二维平面投影，得到其在二维平面t＝ti内的图像，具体建模计算过程如下：
Figure BDA0002364309970000113
Figure BDA0002364309970000121
式(4)将式(3)中等号两边各取平方根，并将等式中含有时间参数t的部分统一移至等式左侧。式(5)将式(4)中的参数t消去，得到两圆锥相交部分投射至t＝ti面后的椭圆形Φ(ti)，其长轴为原三维圆锥的底面半径r。该二维椭圆图主要包含了主航空器的当前点和到达点的位置坐标等信息。
(1-3-2)对该投影椭圆进行旋转、平移，进行坐标转换，使得主航空器的当前航迹方向(椭圆长轴)为x轴的正方向，且主航空器的当前位置和到达位置(椭圆的两焦点)关于坐标系原点对称。
本实施例中，所述得到无冲突改航点的集合，包括：
将所述可达时空域和所述侵入航空器的斜圆柱保护区的交集为非空的部分和所述非空的部分的边界，投影至所述二维平面，投影结果作为冲突区域。将所述椭圆形与冲突区域的补集，作为所述无冲突改航点的集合。
例如：(1-3-3)根据(1-2-4)交空间，将三维航迹可达时空域模型中主航空器与侵入航空器保护区模型交集为非空的部分及边界投影至二维平面区域，即可得到非可行改航点集合，记为冲突区域Zf(ti)；Φ(ti)中Zf(ti)的补集为无冲突改航点集合，记为可行改航区域Ωf(ti)。因此，投影得到的二维椭圆区域Φ(ti)由可行改航区域Ωf(ti)与冲突改航区域Zf(ti)共同组成，记为Φ(ti)＝Ωf(ti)∪Zf(ti)。从而，在可行改航区域Ωf(ti)内规划冲突解脱航迹，具体过程如下：
Step1：在可行改航区域Ωf内选择一点p作为主航空器的改航点。
Step2：重新生成主航空器的航迹：由原来的航迹i→j变为i→p→j。记i→p的距离为s1、p→j的距离为s2。
Step3：计算并重新规划主航空器的改航飞行速度：
Figure BDA0002364309970000122
Step4：确定生成主航空器无冲突的三维航迹(平面坐标+时间)，并重复上述S1-S4的过程，为每个航迹段生成新的椭圆边界和可行改航区域。
该二维平面的建模表达方法旨在面向多机冲突情景，综合考虑航空器速度性能和CTA限制，生成可行的改航区域，为管制员进行无冲突航迹规划提供一种实时、高效、可视化的辅助决策，提高四维航迹运行模式下航空器飞行安全性及减少管制员工作负荷。
具体举例来说：
附图4为二维平面可行改航区域模型，其中主要包括了主航空器的当前点与到达点、CTA约束条件下的椭圆边界、主航空器的可行改航区域Ωf与冲突改航区域Zf(二维平面内坐标单位为km)。其中，附图1中主航空器航迹的三维可达时空域模型经过投影和坐标变换，使得椭圆边界的长轴方向与x轴一致，且使得主航空器的当前点与到达点关于原点对称，最终得到附图4中所示的主航空器当前点A坐标(-43.012,0)与到达点B坐标(43.012,0)，以及二维平面内的椭圆边界；将附图3中主航空器可达时空域模型与四架具有潜在冲突的侵入航空器三维保护区的交空间，经过相同的投影和坐标变换，在二维平面内形成四块冲突区域
Figure BDA0002364309970000131
总的冲突改航区域为四块区域的并集，即
Figure BDA0002364309970000132
这样，可行改航区域Ωf即为椭圆空间中Zf的补集。
无冲突改航航迹生成。附图5为主航空器完成改航操作并生成改航航迹的过程示意图。该过程在图4所示的模型基础上生成，具体步骤如下：
Step1：在二维可行改航域Ωf内，任意选择主航空器的可行改航点。如附图5中在可行改航域Ωf内选择了改航点C，坐标为(-10,15)。
Step2：假定改航后的航空器仍保持匀速航行，根据公式
Figure BDA0002364309970000133
重新计算航空器的速度，本例中生成的新速度Vnew经计算为0.228km/s。
Step3：确定生成主航空器无冲突的水平航迹，并重复权利要求1，为每个航迹段生成新的椭圆边界和可行改航区域。
本发明实施例还提供一种基于可达时空域的无冲突航迹规划装置，如图7所示的，包括：
数据采集模块，用于采集巡航运行阶段的航空器的飞行数据，并在三维时空坐标系内记录巡航运行阶段的航空器实时位置和计划航迹；
第一处理模块，用于根据所述三维时空坐标系内记录航迹和最小安全间隔，确定主航空器的可达时空域和侵入航空器的斜圆柱保护区，其中，所述侵入航空器包括：在所述三维时空坐标系内与所述主航空器的航迹冲突的航空器；
第二处理模块，用于将所述可达时空域和所述侵入航空器的斜圆柱保护区的交集，向二维平面投影，得到冲突改航点的集合；
结果输出模块，用于利用所述主航空器可达时空域在二维平面的投影，和所述冲突改航点的集合，提取无冲突改航点集合和无冲突可行改航航迹，并将所述无冲突航迹显示在所述二维平面内。
具体的，所述第一处理模块，具体用于在所述三维时空坐标系内对航迹可达时空域建模，建立所述主航空器的可达时空域模型和所述侵入航空器的斜圆柱保护区模型；
所述第二处理模块，用于根据所述主航空器的可达时空域模型和所述侵入航空器的保护区模型确定所述主航空器和所述侵入航空器的交空间；当所述交空间不为空集时，判定所述主航空器与所述侵入航空器之间存在航迹冲突。
本发明实施例还提供一种基于可达时空域的无冲突航迹规划系统，如图7所示的，包括：
空管监视子系统，用于实时监控并记录航空器的实时飞行数据和计划航迹；
航迹规划子系统，用于从空管监视子系统采集巡航运行阶段的航空器的飞行数据，并在三维时空坐标系内记录巡航运行阶段的航空器实时位置和计划航迹；根据所述三维时空坐标系内记录航迹和最小安全间隔，确定主航空器的可达时空域和侵入航空器的斜圆柱保护区，其中，所述侵入航空器包括：在所述三维时空坐标系内与所述主航空器的航迹冲突的航空器；将所述可达时空域和所述侵入航空器的斜圆柱保护区的交集，向二维平面投影，得到冲突改航点的集合；利用所述主航空器可达时空域在二维平面的投影，和所述冲突改航点的集合，提取无冲突改航点集合和无冲突可行改航航迹；
显示子系统，用于将所述无冲突航迹显示在所述二维平面内。
为了解决目前航迹冲突建模过程复杂、冲突模型求解效率较低、航迹冲突解脱决策不透明等问题，实现航迹冲突问题的高效及可视化表达，为四维航迹下管制员实时探测与解脱冲突提供辅助决策。本发明面向航路巡航阶段运行，具有求解高效、直观可视的特征。
其中，综合考虑了航空器速度性能和控制到达时间的约束，构建了三维时空坐标系内的航迹可达时空域模型，以此为基础建立了二维平面主航空器可行改航区域模型，得到了多机冲突下的航空器无冲突的改航区域，并完成了改航后航迹及相关参数的计算。本发明实现了航迹冲突问题的实时、高效、可视化表达，切实为管制员实时探测与解脱多航空器间的冲突提供决策依据，有助于提高四维航迹运行模式下航空器飞行安全性及减少管制员工作负荷。一方面，能为管制员开展航迹战术调配提供辅助决策，有效降低管制员工作负荷，提高密集航迹运行安全与效率。另一方面，该方法可以支撑复杂冲突态势下的自主航迹运行和全局航迹优化，是实现未来先进运行模式和智能管控技术的方法基础。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于可达时空域的无冲突航迹规划方法，其特征在于，包括：
采集巡航运行阶段的航空器的飞行数据，并在三维时空坐标系内记录巡航运行阶段的航空器实时位置和计划航迹；
根据所述三维时空坐标系内计划航迹和最小安全间隔，确定主航空器的可达时空域和侵入航空器的斜圆柱保护区，其中，所述侵入航空器包括：在所述三维时空坐标系内与所述主航空器存在潜在航迹冲突的航空器；
将所述可达时空域和所述侵入航空器的斜圆柱保护区的交集，向二维平面投影，得到当前时刻冲突改航点的集合；
利用所述主航空器可达时空域在二维平面的投影，和所述冲突改航点的集合，提取无冲突改航点集合和无冲突可行改航航迹；
根据所述三维时空坐标系内记录的计划航迹和最小安全间隔，确定主航空器的可达时空域和侵入航空器的斜圆柱保护区，包括：
在所述三维时空坐标系内对航迹可达时空域建模；
建立所述主航空器的可达时空域模型和所述侵入航空器的斜圆柱保护区模型，并根据所述主航空器的可达时空域模型和所述侵入航空器的斜圆柱保护区模型确定所述主航空器和所述侵入航空器的交空间；
当所述交空间不为空集时，判定所述主航空器与所述侵入航空器之间存在航迹冲突；
建立所述侵入航空器的斜圆柱保护区模型，包括：
在所述时空坐标系中，生成以所述侵入航空器当前位置和到达点位置点连线段为轴，以保护区水平安全间隔为半径的斜圆柱体；
得到所述无冲突改航点的集合，包括：
将所述可达时空域和所述侵入航空器的斜圆柱保护区的交集为非空的部分和所述非空的部分的边界，投影至所述二维平面，投影结果作为冲突区域；
将椭圆形与冲突区域的补集，作为所述无冲突改航点的集合；
还包括：将三维航迹可达时空域模型中主航空器与侵入航空器保护区模型交集为非空的部分及边界投影至二维平面区域，得到非可行改航点集合，记为冲突区域Zf(ti)；Φ(ti)中Zf(ti)的补集为无冲突改航点集合，记为可行改航区域Ωf(ti)；投影得到的二维椭圆区域Φ(ti)由可行改航区域Ωf(ti)与冲突改航区域Zf(ti)共同组成，记为Φ(ti)＝Ωf(ti)∪Zf(ti)，其中，两圆锥相交部分投射至t＝ti面后的椭圆形Φ(ti)，其长轴为原三维圆锥的底面半径r；
在可行改航区域Ωf(ti)内规划冲突解脱航迹，包括：
Step1：在可行改航区域Ωf内选择一点p作为主航空器的改航点；
Step2：重新生成主航空器的航迹：由原来的航迹i→j变为i→p→j，记i→p的距离为s1、p→j的距离为s2；
Step3：计算并重新规划主航空器的改航飞行速度：
Figure FDA0003245084350000021
Step4：确定生成主航空器无冲突的三维航迹，包括了平面坐标和时间，并重复上述Step1-Step4的过程，为每个航迹段生成新的椭圆边界和可行改航区域。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述三维时空坐标系内对主航空器航迹的可达时空域建模，包括：
建立三维空间内的时空坐标系(x，y，t)，其中，x轴和y轴表示航空器在水平空间内的横纵坐标，z轴表示航空器的飞行时间t；
建立表示主航空器的可达时空域的双圆锥模型，其中：
左圆锥的顶点i0的坐标为(xi，yi，ti)，其中xi、yi为航空器起始点i的横纵坐标，ti为当前时间，所述左圆锥的底面中心点it的坐标为(xi，yi，tj)，底面半径为r＝Vmax*(tj-ti)，Vmax表示最大航行速度；
右圆锥的顶点j0的坐标为(xj，yj，tj)，xj、yj为航空器到达点j的横纵坐标，tj为控制到达时间，所述右圆锥的底面中心点jt的坐标为(xj，yj，ti)，底面半径仍为r＝Vmax*(tj-ti)；
将所述左圆锥和所述右圆锥在所述时空坐标系中的相交区域，作为所述主航空器在tj-ti内的可达时空域。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，包括：
将所述左圆锥和所述右圆锥在所述时空坐标系中的相交区域投射至二维平面，得到二维平面上的椭圆形；
对所述椭圆形进行坐标转换，将所述椭圆形的长轴作为二维坐标系的x轴的正方向，其中，所述椭圆形的长轴为所述主航空器的当前航迹方向，所述主航空器的当前位置和到达位置分别为所述椭圆形的两个焦点，且关于所述二维坐标系原点对称。
4.一种基于可达时空域的无冲突航迹规划装置，其特征在于，包括：
数据采集模块，用于采集巡航运行阶段的航空器的飞行数据，并在三维时空坐标系内记录巡航运行阶段的航空器实时位置和计划航迹；
第一处理模块，用于根据所述三维时空坐标系内记录航迹和最小安全间隔，确定主航空器的可达时空域和侵入航空器的斜圆柱保护区，其中，所述侵入航空器包括：在所述三维时空坐标系内与所述主航空器存在潜在航迹冲突的航空器；
第二处理模块，用于将所述可达时空域和所述侵入航空器的斜圆柱保护区的交集，向二维平面投影，得到冲突改航点的集合；
结果输出模块，用于利用所述主航空器可达时空域在所述二维平面的投影，和所述冲突改航点的集合，获取无冲突可行改航航迹，并将所述无冲突可行改航航迹显示在所述二维平面内；
建立所述侵入航空器的斜圆柱保护区模型，包括：在所述时空坐标系中，生成所述侵入航空器当前位置和到达点位置点连线段为轴，以保护区为半径的斜圆柱体；
得到无冲突改航点的集合，包括：将所述可达时空域和所述侵入航空器的斜圆柱保护区的交集为非空的部分和所述非空的部分的边界，投影至所述二维平面，投影结果作为冲突区域；将椭圆形与冲突区域的补集，作为所述无冲突改航点的集合；
还包括：将三维航迹可达时空域模型中主航空器与侵入航空器保护区模型交集为非空的部分及边界投影至二维平面区域，得到非可行改航点集合，记为冲突区域Zf(ti)；Φ(ti)中Zf(ti)的补集为无冲突改航点集合，记为可行改航区域Ωf(ti)；投影得到的二维椭圆区域Φ(ti)由可行改航区域Ωf(ti)与冲突改航区域Zf(ti)共同组成，记为Φ(ti)＝Ωf(ti)∪Zf(ti)，其中，两圆锥相交部分投射至t＝ti面后的椭圆形Φ(ti)，其长轴为原三维圆锥的底面半径r；
在可行改航区域Ωf(ti)内规划冲突解脱航迹，包括：
Step1：在可行改航区域Ωf内选择一点p作为主航空器的改航点；
Step2：重新生成主航空器的航迹：由原来的航迹i→j变为i→p→j，记i→p的距离为s1、p→j的距离为s2；
Step3：计算并重新规划主航空器的改航飞行速度：
Figure FDA0003245084350000041
Step4：确定生成主航空器无冲突的三维航迹，包括了平面坐标和时间，并重复上述Step1-Step4的过程，为每个航迹段生成新的椭圆边界和可行改航区域。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第一处理模块，具体用于在所述三维时空坐标系内对航迹可达时空域建模；
建立所述主航空器的可达时空域模型和所述侵入航空器斜圆柱保护区模型，
所述第二处理模块，具体用于根据所述主航空器的可达时空域模型和所述侵入航空器的保护区模型确定所述主航空器和所述侵入航空器的交空间；当所述交空间不为空集时，判定所述主航空器与所述侵入航空器之间存在航迹冲突。
6.一种基于可达时空域的无冲突航迹规划系统，其特征在于，包括：
空管监视子系统，用于实时监控并记录航空器的实时飞行数据和计划航迹；
航迹规划子系统，用于从空管监视子系统采集巡航运行阶段的航空器的飞行数据，并在三维时空坐标系内记录巡航运行阶段的航空器实时位置和计划航迹；根据所述三维时空坐标系内记录航迹和最小安全间隔，确定主航空器的可达时空域和侵入航空器的斜圆柱保护区，其中，所述侵入航空器包括：在所述三维时空坐标系内与所述主航空器存在潜在航迹冲突的航空器；将所述可达时空域和所述侵入航空器的斜圆柱保护区的交集，向二维平面投影，得到冲突改航点集合；将冲突改航点的集合从所述主航空器可达时空域在二维平面的投影中剔除，即可生成无冲突改航点集合和无冲突可行改航航迹；
显示子系统，用于将所述无冲突可行改航航迹显示在所述二维平面内；
建立所述侵入航空器的斜圆柱保护区模型，包括：在所述时空坐标系中，生成所述侵入航空器当前位置和到达点位置点连线段为轴，以保护区为半径的斜圆柱体；
得到所述无冲突改航点集合，包括：将所述可达时空域和所述侵入航空器的斜圆柱保护区的交集为非空的部分和所述非空的部分的边界，投影至所述二维平面，投影结果作为冲突区域；将椭圆形与冲突区域的补集，作为所述无冲突改航点的集合；
还包括：将三维航迹可达时空域模型中主航空器与侵入航空器保护区模型交集为非空的部分及边界投影至二维平面区域，得到非可行改航点集合，记为冲突区域Zf(ti)；Φ(ti)中Zf(ti)的补集为无冲突改航点集合，记为可行改航区域Ωf(ti)；投影得到的二维椭圆区域Φ(ti)由可行改航区域Ωf(ti)与冲突改航区域Zf(ti)共同组成，记为Φ(ti)＝Ωf(ti)∪Zf(ti)，其中，两圆锥相交部分投射至t＝ti面后的椭圆形Φ(ti)，其长轴为原三维圆锥的底面半径r；
在可行改航区域Ωf(ti)内规划冲突解脱航迹，包括：
Step1：在可行改航区域Ωf内选择一点p作为主航空器的改航点；
Step2：重新生成主航空器的航迹：由原来的航迹i→j变为i→p→j，记i→p的距离为s1、p→j的距离为s2：
Step3：计算并重新规划主航空器的改航飞行速度：
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Step4：确定生成主航空器无冲突的三维航迹，包括了平面坐标和时间，并重复上述Step1-Step4的过程，为每个航迹段生成新的椭圆边界和可行改航区域。
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