KR20040033068A

KR20040033068A - 4차원 항로 플래너

Info

Publication number: KR20040033068A
Application number: KR10-2004-7004147A
Authority: KR
Inventors: 스쿨츠로버트엘.; 프랏스테판쥐.; 사넬도날드에이.
Original assignee: 허니웰 인터내셔널 인코포레이티드
Priority date: 2001-09-20
Filing date: 2002-09-17
Publication date: 2004-04-17
Also published as: WO2003025507A3; NZ532117A; WO2003025507A2; EP1427991A2; NO20041526L; US20030093219A1; CA2461134A1; JP2005504274A; IL160986A0

Abstract

본 발명에 따른 항로플래너(110)는 수평경로를 판단하기 위한 순환 알고리즘과, 수직경로를 판단하기 위한 적응알고리즘을 이용한다. 상기 수직경로는 최고고도 및 최저고도를 갖는 수평 다각형(도3a)으로 표시되는 위험영역(120, 도2, 3a 및 도3b)에 기초하여 조정된다. 상기 항로플래너(110)는 도착요청시간 윈도우에 만족하는 항로를 찾아내고자 한다. 항로는 다수의 시점과 종점으로 분할되며, 원하는 도착시간이 각 종점에 대해 특정될 수 있다.

Description

4차원 항로 플래너{FOUR-DIMENSIONAL ROUTE PLANNER}

안전 및 효율의 문제로 인해, 일반적으로 항공기 항로는 사전에 설정된 항공로 또는 대권항로(great circle route)이다. 미리 설정된 항공로는 육지 기반 항법 보조장치(ground based navigational aids)를 사용하여 조절된다. 일부의 경우에는, 항공로가 지리적인 영역을 우회한다. 반면, 대권 항로(great circle route)는 보다 짧은 비행 거리는 보장한다.

기후는 특정 항공기의 효율 및 안전에 모두 영향을 미친다. 항공기의 효율은 순풍에 의해 향상된다. 순풍이 불 때, 대지 속도는 증가하고 연료 소모는 감소한다. 감소된 연료 소모는 추가적으로 수익을 발생시키는 탑재물이 운송될 수 있게 됨을 의미한다. 대지속도의 증가는 작동 비용의 절감을 가져오는 운항 시간의 감소를 의미한다.

유사하게, 악천후는 항공기 운항에 대한 비용의 광범위한 변동을 가져온다.이와 같은 비용은 하단의 탑승객에 대한 불편한 탑승에서부터 구조상의 피해까지 다양하며 매우 극단적으로는 항공기 및 생명의 망실까지 포함한다. 일반적으로, 항공기 조종사는 악천후를 피해 긴 거리를 운항한다.

게다가, 특정 지리적 영역 또는 정치적 영역은 제한된 공역에 포함된다. 이와 같은 영역 및 악천후는 위험영역(hazard area)이라 한다. 특정 영역에서의 비행은 비행 요금이 부과되어 비용이 상승할 수 있기 때문에 최소화되는 것이 바람직하다.

원하는 도착시간을 실현하는 것이 중요하다. 이로써, 조종사가 보다 정확하게 비행을 계획하고 보다 높은 조종효율을 즐기는 것이 허용될 수 있기 때문이다. 사전에 설정된 항공로 또는 대권 항로에 따른 항공기 조정은 계획요건을 충족시키기 위해 비용이 많이 소모되는 속도로 조절되어야만 한다.

일반적인 항로 라우터(flight path router)는, 경로의 수직부분이 표준 순항 프로파일(profile)에 맞겨진 상태로 위험을 피하고 바람을 이용하는 측방향(lateral direction)으로 항로를 그린다. 더욱이, 항로 라우터는 바람 흐름의 고도를 이용한다. 이와 같은 라우팅은 위험 영역의 수직 특성 및 시간 변동 특성을 고려하지 않음으로써, 바람직하지 않은 경로를 따르게 한다. 상기 문제점을 개선하는 시스템의 필요성이 존재한다.

본 발명은 향로 플래너(route planner)에 관한 것으로 보다 상세하게는 4차원 항로 플래너에 관한 것이다.

도 1은 항로 최적화기의 블록도이다.

도 2는 도 1의 항로 최적화기에 대한 사용자 인터페이스이 컴퓨터 스크린 사진이다.

도 3a는 최고 및 최저 고도를 갖는 다각형에 의해 위험 기후의 3차원 표현을나타내는 도면이다.

도 3b는 도 3a이 다각형의 최고 및 최저 고도를 나타내는 도면이다.

도 4는 진로와 방향을 갖는 기후를 도시한 도면이다.

도 5는 다각형의 경계로 정의되는 위험 지역을 나타내는 NCAR 입도 데이터의 컴퓨터 스크린 사진이다.

도 6a는 위험 영역에서 수평 단계의 길이를 결정하는 방법을 나타내는 3차원 도면이다.

도 6b는 위험 영역에서 수평 단계의 길이를 결정하는 방법을 나타내는 2차원 도면이다.

도 7은 진입지점과 진출지점을 갖는 국경상의 항로를 나타내는 도면이다.

도 8은 대권 항로 상에서 단계 거리의 투사도이다.

도 9a는 궤도 반복에 대한 집중 영역을 도시한 도면이다.

도 9b는 궤도 반복에 대한 집중 영역을 도시한 도면이다.

도 10a는 항로 최적화기에 사용되는 노드의 3차원 격자를 도시한 도면이다.

도 10b는 소정의 노드로부터 탐색되는 측방 단계를 도시한 도면이다.

도 10c는 소정의 노드로부터 탐색되는 수직 단계를 도시한 도면이다.

도 10d는 소정의 노드로부터 탐색되는 결합된 측방 단계 및 수직 단계를 도시한 도면이다.

도 11은 측방 경로를 결정하는데 사용된 순환 프로세스를 도시한 도면이다.

도 12는 기후를 통해 이동하는 다른 형태를 도시한 도면이다.

도 13a은 기후에서 고도로부터의 이동을 도시한 도면이다.

도 13b는 기후에 상관없이 고도로부터의 이동을 도시한 도면이다.

도 14는 위험 영역, 국가 영공통과료 및 바람 필드를 나타내는 항로 계산에 대한 기하학적 형태를 3차원으로 도시한 도면이다.

항로 플래너는 동적 프로그래밍(DP) 순환 알고리듬(recursive algorithm)을사용한다. 연료, 시간, 위험, 비용 및 영공통과료로 구성된 비용 함수(cost function)는 최소화된다. 위험영역은 최고고도(top altitude) 및 최저고도(bottom altitude)를 갖는 다각형에 의해 기술된다. 일실시형태에서, 위험영역은 진로와 속도로 주어지며 시간에 따라 이동한다.

항로 플래너는 출발지와 목적지에 대해 설정된 노드의 격자(grid)에서 노드에서 노드로 이동함으로써 경로를 결정한다. 국부적인 단계 비용이 다음 노드에서 축적된 비용에 더하여 진다. 노드에 대한 가장 낮은 축적 비용을 발생시키는 노드로의 이동 단계가 유지됨으로써 출발지에서 목적지로의 최소비용항로를 찾게 된다. 위험영역이 나타날 때, 위험 영역을 통과하지 않는 최소비용의 이동을 찾는 시도를 통해 다중 수직 경로에서 새로운 노드로의 이동이 탐색된다. 위험영역을 통과하는 경우, 증가하는 위험비용이 축적된 비용에 추가된다. 다른 실시형태에서, 항로 플래너는 도착 표시창에 요구되는 시간을 충족시키는 항로를 발견하려고 한다. 각 종점에 대해 지정된 원하는 도착시간에 따라, 항로는 다중 시점과 종점으로 구분된다.

이하의 설명에서, 본 명세서에 첨부된 도면이 참조되며, 도면에는 본 발명을 실시할 수 있는 특정 실시형태가 도해 형식으로 나타난다. 상기 실시형태는 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 실시할 수 있도록 충분히 상세하게 설명되며, 다른 실시형태가 사용될 수 있고 구조적, 논리적 및 전기적인 변경이 본 발명의 범위 내에서 이루어질 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 이하의 설명은 한정하기 위한 것이 아니며, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해 한정된다.

시스템에 대한 소프트웨어는 컴퓨터로 읽을 수 있는 매체에 저장된다. 일실시형태에서, 소프트웨어는 디스크 드라이브와 같은 보조 저장수단에 저장되며 메인 메모리 또는 컴퓨터의 캐시(cache)에 필요에 따라 로드된다. 소프트웨어는 단일 기능 또는 관련 기능의 부분집합을 일반적으로 제공하는 모듈의 형태로 기록된다. 그러나, 다양한 시시형태에서, 소프트웨어는 단일 모듈 또는 다중 모듈을 포함하며, 기능들이 함께 묶일 필요는 없다. 하드웨어 및/또는 펌웨어(firmware)가 본 발명의 다른 실시형태에서 실행된다. 소프트웨어는 기능을 실행하거나, 단순히 메뉴 구동인터페이스 또는 데이터 베이스에 대한 시스템 정보를 제공하는 다른 수단을 제공함으로써 인간에 의해 기능 수행을 실행한다.

항공기와 같은 교통수단에 대한 경로 최적화는 본 발명에 따른 경로 최적화기에 의해 제공된다. 경로 최적화는 측방 경로 및 수직 경로로 구성된다. 측방 경로는 주로 본 발명과 동일한 출원인에 의해 1998년 12월 31일 제출된 미국 특허 출원 번호 09/223,846호(명칭 : "다차원 경로 최적화기")에 따라 결정되며, 순환 알고리듬을 사용한 측방 경로 최적화의 설명을 위해 참고로서 본 명세서에 의해 통합된다.

수직 경로는 적응성 알고리듬의 사용에 의해 결정된다. 상기 적응성 알고리듬은 3차원 위험 영역을 고려한다. 3차원 위험 영역은 높이를 갖는 다각형으로 표현되며 소고 및 방향 성분을 가질 수 있다.

정의 섹션이 먼저 제공된다. 이어 고수준으로 경로 최적화기의 개관이 설명된다. 이어, 위험 영역 표시가 정의되며, 이어 상기 위험 영역을 고려하여 수직 및 수평 경로를 계산하는 법에 관해 상세하게 설명한다.

정의:

C_L- 상승 계수

C_d- 드래그(drag) 계수

CI - 비용 인덱스(index)

CF - 비용 함수

D - 드래그

D_ge- 비행한 대권(great circle) 거리

FFR - 연료 흐름 비율

h - 고도

h(k₀) - 이전 격자 지점으로부터 거리

h_upper-

h_lower-

L - 상승

M - 마하수

MTOW - 최대 이륙 중량

mf - 연료무게

sos - 음속

V - 대지속도

V_a- 대기속도

V_w- 바람속도

W - 중량

W_f- 연료중량

R - 영공통과에 대한 요금

RTA - 도착요구시간

S_a- 공기역학의 참고영역

s - 이동한 아크길이(arclength) 거리

T - 영공통과료의 단위비

Δs - 이동한 아크길이 거리의 단계

θ - 경도

φ - 위도

π - 스로틀(throttle)

ψ - 영공통과료에 대한 대권거리

도 1의 항로 해석기(110)는, 연료, 시간, 위험 비용 및 영공통과료를 포함하는 합성 비용 함수를 최소화하고, 도착요청시간(RTA)을 충족시키는 4차원(세개의 위치 및 시간) 항로를 계산한다. 일실시형태에서 항로 해석기(110)는 비디오 모니터를 갖는 디지털 컴퓨터에서 관리된다. 프로세서가, 상기 해석기에 바람 어로프트(aloft) 및 기온의 표시를 제공하는 NWS 글로벌 GRIB 데이터와 같은 것으로부터 바람 및 기온 정보(115)를 수신한다. 기후 정보가 120에서 수신되고, 대류 흐름, 난기류, 아이싱 등을 표시한다. 또한, 이러한 정보는 외부 소스(source)로부터 제공되며, 조종사 및/또는 관제사(dispatcher)에 의해 사용되는 인터페이스(125)를 통해 해석기의 사용자에 의해 입력될 수 있다.

처리 구성요소는 조종사 또는 관제사 인터페이스(120); 세계지도 생성기(130); 비용 함수 결정(135); 기후 위험 생성(120); 바람 생성(115); 항공기 순항 수행 - 연료 흐름비, 속도 및 고도(140); 영공통과료(145); 및 4차원 항로 해석기(150)이다.

1.1 조종사 또는 관제사 인터페이스

조작자, 조종사 또는 관제사는 사용자 인터페이스(125)를 통해 항로 해석기와 상호작용할 수 있다. 사용자 인터페이스의 사진이 도 2에 도시된다. 조작자는 출발지, 목적지, 도착 요청시간, 항로를 따른 멈춤 지점, 악천후와 화산재와 공중의 특별 사용과 정치적으로 민감한 영역과 같은 위험, 위험 중량을 입력할 수 있다. 도착시간을 결정하기 이전에, 조작자는 도착시간 표시창의 계산을 요청할 수 있다. 조작자는 바람 필드 및 위험이 표시된 세계지도 상에서 항로 계산 상황을 볼 수 있다. 도 2에는 참조부호 4* 및 5*로 표시된 두개의 위험이 있다.

조작자는 도시쌍, 위험, 위험 중량 및 도착 요청시간을 입력할 수 있다. 계산 후, 수평 경로가 세계지도 상에 표시된다. 표시된 위험을 갖는 수직 경로 또한 표시된다. 연료 시간 평균 속도 및 비용이 수행 결과를 포함하는 창이 선택될 수 있다. 조작자는 위험 중량의 변화에 의해 항로를 변경할 수 있다.

1.2 항로 결정 방법

방로는 동적 프로그래밍(DP) 방법을 사용하여 계산된다. DP에서 비용 함수를최소화시키는 경로를 찾기 위해 격자 상에 탐색(search)이 표시된다. 비용 함수는 연료, 시간, 위험 비용, 및 영공통과료를 포함한다. 총 비용은 다음과 같은 증가하는 비용의 합계이다.

다음은 비용함수의 각 항에 대한 설명이다.

위험비용- 위험은 악천후, 화산재, 공중의 특별사용 및 정치적으로 민감한 영역이다. 모든 위험 비용은 유사한 방법으로 결정된다. 위험 표시는, 위험 표시의 투시도인 도 3a에 도시된 바와 같이 삼차원이다. 도 3b는 최고 높이와 최저 높이를 갖는 위험 표시의 높이를 나타낸다. 소정의 위험 영역은 육지 수준의 최저 높이 및 항공기의 운항 범위 이상인 최고 높이를 갖는다. 도 4에 도시된 바와 같이, 위험 다각형은 고정된 경로 및 소정의 기준 시간에 시작하는 속력으로 이동한다.

기후 비용은 악천후 지역을 운항하는 위험을 나타낸다. 기후 위험은 대류, 난기류 및 아이싱으로 분류된다. 기후 영역은 도 5에 나타난 바와 같이 악천후 영역을 둘러싸는 다각형으로 나타난다. 다각형은 위험 기후의 실제 레이더 응답을 나타내는 백색 사각형을 둘러싼 이중선으로 나타난다. 일실시형태에서, 다각형은 다중 꼭지점을 가지며, 다중 꼭지점은 시스템의 작동에 의해 선택되거나 기후 정보로부터 자동으로 생성된다.

위험 데이터 베이스는 다각형의 꼭지점, 속도, 진로, 및 영역의 최상 및 최저 높이 및 도 2에서 사용자 입력이 가능한 관련 위험 비용으로 구성된다.

위험비용은 특정 셀의 위험 비용 및 단계동안 이동하는 거리에 따른다. 위험 영역에서 수평 단계의 길이를 결정하는 방법이 도 6a 및 도 6b에 나타난다.

거리를 계산하기 위해서, 영역은 시계 방향의 순서로 지정되는 지점을 갖는 볼록한 다각형이다. 단계는 다음과 같다.

각 다각형 세그먼트에 대해 d를 결정한다.

각 다각형 세그먼트에 대해, P_next, P_current에 대해 각각 d_next, d_current를 결정한다.

d_next, d_current＜0이면, 세그먼트는 외부이며 중지된다.

d_next＜0이고 d_current＞0이면, P_next를 클립(clip)

d_next＞0이고 d_current＜0이면, P_current를 클립.

P_next에 대한 클립 함수가

일 때, p_{next clipped}=p_e이다.

일단, 항로 세그먼트가 각 다각형에 대해 진행되면, 다각형의 교차점(Δs₁) 및 원항로 세그먼트는 다음과 같다.

위험 비용은 단계 거리(Δs)에 대한 위험 영역에서의 거리의 비(Δs₁)로 계산된다.

연료 및 시간 비용- 연료 및 시간 비용은 항공기 최적 운항의 수행조건에 의해 결정된다. 운항수행에는 두 가지 형태가 있다. 만약 위험영역이 없다면 운항 고도 및 속도는 상기 운항 비용함수를 최적화하는데 자유롭게 선택되어진다. 만약 위험 지역이 있다면 운항고도는 예를 들어 상기 위험 지역의 상부 또는 하부 고도로 특정될 수 있을 것이다. 따라서, 가능한 운항 해법에는 2가지 형태가 있다: 1) 제한되지 않은 운항 - 운항 고도는 자유롭게 선택된다. 2) 제한된 고도 운항 - 운항 고도는 특정된다.

항해시, 최소화된 비용 정수(C)은,

이다.

여기서, CI는 연료 비용(화폐단위)에 대한 시간 비용(화폐단위)의 비율이다.또한, 상기 비용 지수(CI)를 증가시킴으로써 시간이 더 많이 강조될 수 있다. 작은 호길이 단계 △S에 대한 연료, 시간 및 비용 증가는,

△비용_ft(Cost_ft) = △연료(Fuel) + CI△t 이다.

통상적으로, 연료/시간 비용은 단일 비용 함수(CF)로 통합된다.

따라서,

△비용 = CF△s 이다.

상기 연료/시간 운항 수행 솔루션(solution)은 항공기 제조사에 의해 미리 계산되어 파라메터의 함수로서 테이블로 사용자에게 제공된다. 여기서, 상기 파라메터는 중량, 비용지수, 바람의 속도 및 고도 등이다. 운항 모델에는 두 가지 형태가 있다:

1) 제한되지 않는 고도 운항 - 고도는 특정되지 않음.

△Cost_n= CF(W,CI,V_W)△s

h_cruise= h(W,CI,V_W)

V = CF(W,CI,V_W)

2) 제한된 고도 운항 - 고도는 특정됨

△Cost_n= CF(W,CI,V_W,h)△s

h_cruise= h

V = CF(W,CI,V_W,h)

항공기가 자유 운항을 하고 있는 경우 상기 제한되지 않는 고도 솔루션이 사용된다. 상기 항공기가 자유운항고도보다 위 또는 아래의 고도에서 강제로 항해하는 경우 상기 제한된 고도 솔루션이 사용된다. 위에서 언급한 모델들은 운항 관리 시스템에서 사용되는 당업자에게는 통상적인 것이다.

영공운항 요금- 일반적으로 영공운항요금은 중량, 이동한 거리 및 비율(거리당 비용)에 의해 결정된다. 이러한 영공운항요금은 각 나라별로 다르게 계산된다. 일부 요금 형태는 고정비율, 중량에 대한 함수, 및 중량, 거리 및 비율에 대한 함수로 나타난다. 하기에서는 사용되는 일부 방식들이 기재된다.

제1 방식 (유럽 및 일부 국가들)

여기서,

R은 요금, T는 단위 비율, D_gc는 운항한 대권거리(great circle distance), 그리고 W는 최대 이륙 중량(MTOW)(단위 미터톤)이다.

제2 방식 (아시아 국가들)

R = 단위 비율 x 계수 (하기 표1에 의해 결정됨)

[표1]- 계수표

	거리(Km)
중량 (미터톤)	0-750	750-2000	2000-3500	3500 이상
14-2020-5050-9090-140140-200200-270270-350350-440440-540540-650	11.21.41.61.82.02.152.32.452.6	567891010.7511.512.2513	1214.416.819.221.62425.827.629.431.2	20242832364043.464952

상기 거리는 실제 비행한 거리일 수도 있고, 또는 영토의 진입점과 목적지 공항 또는 출구점간의 대권거리일 수도 있고, 또는 영토의 출발 공항과 국가의 출구점간의 대권거리일 수도 있다. 상기 비행한 거리와 상기 대권거리간의 차이점은 도 7에 도시되어 있다. 상기 영토의 경계선은 정책적인 경계선, ATC 비행정보구역(FIR:Flight Information Region), 또는 위의 두개의 결합이다.

대권거리를 계산하기 위해서는 영토의 진입점 및 출구점에 의해 결정되는 대권의 평면상에서 상기 단계 거리(△S)의 투영법이 사용된다(도 8을 참조). 상기 진입점(Re) 및 출구점(Rd)을 포함하는 평면에 대한 법선은,

이다.

지구중심의 좌표 시스템에서 n의 성분은 지구로부터 x축이 가르키는 현재 위치에서 상기 좌표 시스템에 대하여 회전된다.

n^R= T(φ, θ)n^e

이어, 현재 위치 R에서 국부적 수직선 상에서의 n의 투영()은 R 위치에서의 수직성분을 제로로 설정함으로써 결정된다.

n_x= 0

따라서, △S의 투영은,

이다.

상기 거리 인자가 대권거리인 경우는 영공운항 비용을 계산하기 위해 궤도 반복이 요구된다. 첫 번째 반복에서, 운행중에 호길이가 대권거리 대신 상기 거리용으로 사용된다. 또한 상기 제1 반복에서 영토 진입점 및 출구점은 회항하는 동안에 운항의 끝단에서 계산된다. 두번째 반복에서, 앞선 항로로부터의 영토 진입점 및 출구점은 상기 대권거리의 계산에 사용된다.

상기 반복과정의 수렴을 얻기 위하여, 상기 첫 번째 반복 이후에는, 상기 항로에 대한 검색영역은 도 9a 및 도 9b에 도시된 바와 같이 이전 항로의 주변 영역으로 제한된다.

하기의 식은 상기 위치가 상기 영역 내에 있는지를 결정하는데 적용된다. 지구 좌표에서 진입점 및 출발점간의 거리는,

△R_px= R_dx- R_ex

△R_py= R_dy- R_ey

△R_pz= R_dz- R_ez이다.

상기 국부적인 수직 프레임에서의 상기 상대적인 거리는,

△Rx = cosφcosθ△R_ex+ cosφsinθ△R_ey+ sinφ△R_ez

△Ry = sinθ△R_ex+ cosθ△R_ey

△Rz = -sinφcosθ△R_ex- cosφsinθ△R_ey+ cosφ△R_ez이다.

상기 국부적인 수직 프레임 및 대권을 따라 y축을 갖는 프레임간의 각도는,

이다.

상기 검색영역은 하기와 같이 결정된다.

y_max= cosφ△R_y+ sinψ△R_z+ 2k

z_max= 500nm

k = 100nm

지구 프레임에서 현재의 상대적 위치의 성분은 진입점으로부터 계산되며, 이는 하기와 같다.

△R_px= R_px- R_ex

△R_py= R_py- R_ey

△R_pz= R_pz- R_ez

상기 국부적인 수직 프레임에서 상기 현재의 상대적 위치(△R_p)의 성분은,

△Rpx = cosφcosθ△R_pex+ cosφsinθ△R_pey+ sinφ△R_pez

△Rpy = sinθ△R_pex+ cosθ△R_pey

△Rpz = -sinφcosθ△R_pex- cosφsinθ△R_pey+ cosφ△R_pez이다.

상기 회전된 프레임의 현재의 상대적 위치는,

y = cosψ△R_py+ sinψ△R_pz

z = - sinψ△R_py+ cosψ△R_pz

y에서 상기 z경계점은,

하기의 식은 상기 (y,z)점이 상기 검색영역 내에 있는지를 결정하는데 사용된다.

만약, (z ≤z₁및 z ≥z₂) 이면, 상기 영역 내에 있고,

sf=1.05(△s_p/△s) ; 만약 (sf ≥1) sf=1 ; sf=스칼라 인자

그렇지 않으면, 상기 영역 외에 있고 sf=10 이다.

상기 영공운항 요금계산에 사용되는 거리는 스칼라 인자 곱하기 상기 단계 거리이다.

d = sf△s

따라서, 상기 영역 외에 많이 존재한다.

1.2 4차원(4-D) 동적 프로그래밍 항로 솔루션

하기에서는 4차원(위도, 경도, 고도 및 시간) 항로 솔루션에 대하여 설명한다. 먼저 3차원 동적 프로그래밍 항로 해결수단 즉, 다중점 도착요청시간(RTA) 함수에 대하여 설명한다.

동적 프로그래밍(DP) 방법에서, 비용함수를 최소화하기 위해 3-D 격자 검색이 이루어진다. 상기 DP 해결 방정식은 상기 비용을 최소화하는 일련의 상태 전이 방정식 및 순환 방정식으로 이루어진다. 상기 DP 방정식의 일반적인 형태는 하기와 같다.

상태 전이

θ_k+1= θ_k+ △θ

φ_k+1= φ_k+ △φ

h_k+1= h_k+ △h

순환 비용

고정된 패턴 검색은 수평축에 사용된다. 그러나, 적응적 검색은 계산의 수를 줄이기 위하여 수직축에 사용된다.

상기 계산은 출발점에서 시작하여 도착점에서 끝나고, 이는 위험 지역이 코스 및 속도를 이용하여 적시에 전파되도록 한다. 또한, 출발점에서의 시작은 비행도중 항로의 재계산되도록 한다. 왜냐하면 중량을 포함하여 상태 조건이 알려져 있기 때문이다.

격자점들간의 3차원 격자 및 전이 형태는 도 10a, 10b, 10c 및 10d에 도시되어 있다. 출발점 및 도착점은 도 10a에 도시된 3차원 격자 내에 포함된다. 도 10b에서, 11개의 전위 측면 단계가 도시되어 있다. 일 실시예에서 비록 도착점으로부터 다른 방향일지라도 보다 적거나 보다 많은 이전 단계가 조사될 수 있다. 도시된 바와 같이, 각 단계의 거리는 이동될 격자점에 의해 결정된다. 도 10c에서, 노드로부터 5개의 서로 다른 수직 단계가 도시되어 있다. 보다 적거나 보다 많은 단계가 조사될 수 있다. 도 10d는 수평 또는 측면과 수직 단계의 결합으로 그래프로 표시된다.

상기 DP 과정에 대한 설명이 도 11 및 도 12에 도시된다. 도 11을 참조하면, 수평축에서 상기 과정의 제1단 및 제2단이 도시된다. 상기 예에서, 방향을 인도하는 각 엔트리의 경우, 9개의 출구 방향 인도가 있다. 각 수평 전이의 경우, 도 12에 도시된 바와 같이 많은 수직 전이가 조사된다. 상기 수직 전이는 수평 전이의 경우와 같이 미리 결정되지 않고 위험 셀의 위치 및 개수에 의존한다. 즉, 수직 검색은 검색에 앞서 그 상황에 적응한다. 이러한 적응적 검색 접근은 반드시 수행되어야 할 계산의 수를 줄이게 된다.

오버랩되는 위험의 다른 구조의 경우 상기 수직 전이 고도는 서로 다르다. 상기 고도의 할당은 다중 위험 셀에 관한한 제한되지 않는 운항 고도의 위치에 의존한다. 먼저 상기 제한되지 않는 운항 고도의 위치가 발견되고 이어 그 위치에 의존한다. 다른 전이 고도는 위험 셀의 상부 및 하부에 할당된다. 도 12에 도시된 예에서, 상기 제한되지 않는 운항 고도는 맞바람 셀 사이이다. 이 경우, 상기 운항고도는 h(1) 고도로 할당되고, 셀(1)의 상부는 h(2) 고도로 할당되며, 셀(2)의 하부는 h(3) 고도로 할당된다.

현재 단계에 대한 증가 전이 비용이 계산된다. 상기 전이 비용은 연료비용, 시간비용, 영공운항 요금 및 위험이 상기 단계에서 통과되는 경우의 위험 비용을 포함한다. 상기 수직 전이가 맞바람을 통과하는지를 판단하기 위하여 상기 두 점간의 위험 셀 사이에 홀(hole)이 존재하는지가 판단된다. 두 개의 위험 구성에 대한 홀계산의 일례가 도 13A 및 도 13B에 도시된다. 도 13A는 맞바람 상태에서의 노드로부터 맞바람이 아닌 상태에서의 노드까지의 전이를 도시하고 있다. 도 13B는 맞바람이 아닌 상태에서의 두 점간의 전이를 도시하고 있다. 여기서, 상기 항로는 맞바람을 통과하지 않는다.

하기의 로직은 홀의 존재 및 홀의 크기를 판단한다. 먼저, 이전 고도 주위의 영공에 대한 상부 또는 하부의 고도 경계는 격자점에 저장된다. 또한, 현재 점 주위의 영공에 대한 상기 상부 및 하부 경계가 계산된다. 따라서, 하기와 같이 계산된다.

a) 맞바람 상태에서의 이전 고도 (도 13a를 참조)

i = 전이될 고도 (i=1,j_vlevels)

만약, h(k₀)<h_upper(i) 및 h(k0)>h_lower(i) 이면, 홀이 존재한다.

hole_size= h_upper(i) - h_lower(i)

b) 맞바람 아닌 상태에서의 이전 고도 (도 13b를 참조)

만약, (h_upper0< h_upper(i))이면, hole_high= h_upper0

그렇지 않으면, hole_high= h_upper(i) 이다.

만약, (h_lower0< h_lower(i))이면, hole_low= h_lower0

그렇지 않으면, hole_low= h_lower(i) 이며,

hole_size= h_high- h_low이다.

c) 홀 존재

만약, (hole_size> 1000ft)이면, 홀이 존재한다.

홀이 존재하면, 상기 전이는 상기 맞바람을 통과하지 않는다. 상기 전이 비용은,

결국, 전체 누적 비용은 비용순환방식으로 계산된다.

C(i_p,j_p,k_p) = C(i₀,j₀,k₀) + △C

만약, 상기 위치에 이미 도달되었다면 상기 이전 비용은 현재 비용과 비교된다. 전체 현재 비용은 상기 노드에서 저장되느 전체 비용보다 적으며, 이어 새로운 비용, 진입방향, 고도, 중량, 시간, 상부고도(h_upper) 및 하부고도(h_lower)는 격자 위치 i_p,j_p,k_p에 저장된다. 상기 전이 고도에 대응되는 상기 고도 격자 점 위치(k_p)는 하기와 같다.

k_p= integer()

여기서,

k_v= 수직 전이 숫자 (도 12의 경우 k_v= 1.3)이다.

각 격자점에 저장되는 값들은 하기와 같다.

C(i_p,j_p,k_p) = C(i₀,j₀,k₀) + △C

hor_entry(i_p,j_p,k_p) = entry_direction

vert_entry_direction(i_p,j_p,k_p) = k_p- k₀

weight(i_p,j_p,k_p) = weight(i₀,j₀,k₀) - △w

time(i_p,j_p,k_p) = time(i₀,j₀,k₀) -△t

h(i_p,j_p,k_p) = h(k_v)

비록 고도격자가 다수의 이산된 레벨로 양자화(quantize)되더라도, 실제 고도(예를 들어, 제한되지 않는 운항고도)는 상기 이산된 위치에서 저장되고 다시 회수할 수 있기 때문에 보다 더 정확하게 알려져 있다.

상기 다수의 RTA(도착요청시간) 함수는 궤도를 설계하고, 상기 궤도는 그 궤도를 따라 다수의 점에서의 도착시간과 일치한다. 상기 다수의 RTA의 접근은 순차적인 접근이다. 우선 첫번째 도시에서의 도착시간과 일치하는 궤도가 계산되고, 다음으로 각 후속 도시 또는 지역에서의 도착시간과 일치하는 궤도가 결정된다. 각 점에서의 RTA는 현재 점과 다음 점 간의 궤도 반복에 의해 얻어진다. 첫번째 반복에서 비용 지수가 선택된다. 상기 첫번째 궤도가 계산된 이후에 도착에러시간이 계산되고, 상기 도착에러시간 및 재계산된 궤도로 상기 비용 지수가 부과된다.

CI_j+1= CI_i+ K△T_i

다음 점에서의 원하는 도착시간을 획득한 후에, 각 후속 점에 대하여 상기 과정이 반복된다. 다음 차례의 시작을 위한 중량 및 시간에 대한 초기 조건은 이전 과정의 최종 단계에서의 중량 및 시간이 된다. 연속 데이터가 합해져서 연료 사용 및 평균 속도가 결정된다.

상기 RTA 창 함수는 최초 및 최후의 도착 가능 시간을 결정한다. 도착 궤도의 최초 시간은 CI를 CImax로 설정함으로써 결정된다. 최후의 도착 시간은 CI를 최대 체공값(CImin)으로 설정함으로써 결정된다. 비행은 이러한 설정으로 계산되며 상기 비행에 대한 연장이 남은 연료가 예비 레벨에 도달할 때까지 시뮬레이션된다. 이와 같이 연장된 운항은 패턴 유지 또는 다른 항로 연장 연습에 사용될 수 있는 연료 및 시간을 계산한다.

결론

항로 해결수단의 목적은 항공 관제사 또는 조종사가 항로를 설계하는데 도움을 주고자 하는데 있다. 일반적으로 비행을 준비하는 경우 상기 조종사 또는 관제사는 연료, 시간 및 영공비행비용을 최소화하기를 원하며, 심각한 맞바람(기류, 난기류 및 얼음)과 같은 위험영역을 우회하기를 원한다. 도14에는 항로문제가 예시되어 있다. 최고의 연료 및 시간성능을 위해, 최선의 항로는 바람 프로파일에 따르고 위험영역 위로 또는 아래로 혹은 그 주위로 비행할 수 있다.

아래의 다양한 목적 중 하나이상을 만족하는 항로를 찾는다.

- 연료량의 최소화

- 시간 또는 시간 윈도우의 만족 또는, 비행시간의 최소화

- 기상악화지역에 대한 우회

- 특정용도의 공역, 화산재, 환경적으로 민감한 지역과 같은 다른 위험영역에 대한 우회

- 정치적 민감지역에 대한 우회

- 비정상적인 사건이 발생시 최인접 또는 원하는 공항으로의 비행노선변경

위험범위가 전체 검색영역을 가로질러 있더라도, 비용함수에 위험비용을 산입하여 해결방안을 보장한다. 출발점에서 시작하여 목적점으로 진행함으로써, 위험위치는 보다 좋은 해결책을 제공하기 위해 적시에 프로젝트될 수 있다.

본 발명에 따른 항로 플래너는 동적 프로그래밍(DP) 순환 알고리듬(recursive algorithm)을 사용하여, 연료, 시간, 위험, 비용 및 영공통과료로 구성된 비용 함수(cost function)를 최소화시킬 수 있다.

본 발명은 특허 출원으로서 동일한 출원인에 의해 1998년 12월 31일자로 제출된 미국 특허 출원번호 09/223,846호(명칭 : 다차원 항로 최적화기)에 관련된 것으로, 적어도 순환 알고리듬을 사용하여 측방 항로(lateral route) 최적화에 대해 참고로서 본 명세서에 의해 통합된다.

본 특허 명세서에 개시되는 일부는 저작권에 의해 보호되는 내용을 포함한다. 저작권의 소유자는, 임의의 사람이 미국 특허 상표청의 특허 파일 또는 기록에 나타나는 특허 문서 또는 특허 기재내용의 복사를 금하지는 않으나, 위 경우에 해당하지 않는 모든 것은 저작권에 의해 보호받는다. 다음의 경고가 이하에 설명되는 소프트웨어와 데이터 및 도면에서 적용된다: Copyrightⓒ2001, Honeywell Inc., All Rights Reserved.

Claims

출발점과 목적점 사이의 항로판단방법에 있어서,

상기 출발점에서 시작하여, 그 출발점으로부터 이동가능한 각 세그먼트의 종점에 있는 노드까지의 다수의 이동가능 세그먼트를 판단하는 단계;

위험영역에 대한 3차원 표시의 함수로서 고도를 변경하는 단계;

상기 출발점과 상기 목적점 사이의 다중 세그먼트 항로를 형성하기 위해서, 상기 노드로부터 추가적인 세그먼트를 반복적으로 판단하는 단계;

최소 비용을 갖는 상기 출발점과 상기 목적점 사이의 세그먼트 항로를 판단하는 단계를 포함하는 항로판단방법.
제1항에 있어서,

상기 위험영역은 측면과 소정의 높이에서 정점을 갖는 다각형에 의해 표시되는 것을 특징으로 하는 항로판단방법.
제2항에 있어서,

상기 위험영역은 다른 높이를 갖는 다수의 다각형으로 표시되는 것을 특징으로 하는 항로판단방법.
제2항에 있어서,

상기 위험영역은 속도벡터와 관련된 것을 특징으로 하는 항로판단방법.
제1항에 있어서,

상기 위험영역은 기상위험, 화산재, 특수용도 공역 및 정치적 민감지역으로 구성된 그룹으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 항로판단방법.
제1항에 있어서,

상기 위험영역은 상기 세그먼트 항로를 판단하는 동안에 속도벡터에 따라 이동하는 것을 특징으로 하는 항로판단방법.
출발노드를 수신하는 단계;

상기 출발노드에서 소정의 거리에 위치한 목적노도를 수신하는 단계;

상기 출발노드, 상기 목적노드 및 복수의 중간항로노드를 포함한 격자(grid)를 형성하는 단계;

상기 목적점과 상기 복수의 중간항로노드 각각으로의 이동에 대한 비용을 판단하는 단계;

3차원 위험영역의 함수로서 고도를 변경하는 단계; 및,

상기 복수의 중간항로노드로부터 상기 출발노드에서 상기 목적노드로의 이동에 대한 총비용이 가장 적은 노드의 부분집합을 선택하는 단계를 포함하는 항로판단방법.
제7항에 있어서,

상기 출발노드를 수신하는 단계는, 글로벌 좌표계로 표시된 출발노드를 수신하는 단계를 포함하고, 상기 목적노드를 수신하는 단계는, 글로벌 좌표계로 표시된 목적노드를 수신하는 단계를 포함하며,

상기 출발노드의 글로벌 좌표계를 상기 출발노드가 적도 상에 있는 좌표계로 변환하는 단계와,

상기 목적노드의 글로벌 좌표계를 상기 목적노드가 적도 상에 있는 좌표계로 변환하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 항로판단방법.
제7항에 있어서,

상기 이동에 대한 비용을 판단하는 단계는, 연료와 관련된 인자를 포함한 비용함수를 평가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 항로판단방법.
제7항에 있어서,

상기 이동에 대한 비용을 판단하는 단계는, 시간과 영공통과비 및 위험비용으로 구성된 그룹으로부터 선택된 인자를 포함한 비용함수를 평가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 항로판단방법.
제7항에 있어서,

상기 복수의 중간항로노드로부터 노드의 부분집합을 선택하는 단계는, 각 노드에서 복수의 부분집합 노드 각각으로의 이동에 대한 비용을 반복적으로 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 항로판단방법.
출발노드를 수신하는 단계;

상기 출발노드로부터 이격된 도착노도를 수신하는 단계;

상기 출발노드로부터 시작하여 상기 목적노드로 종료하며 하나의 이상의 중간노드를 통과하는 복수의 경로를 정의하는 단계;

측방향 크기와 수직방향크기로 정의되는 위험영역에 반응하여 고도를 변경할 때에 추가적인 중간노드를 정의하는 단계;

상기 복수의 경로를 통과하는 비용을 판단하는 단계; 및,

미리 설정된 비용함수를 만족하는 경로를 선택하는 단계를 포함하는 항로판단방법.
제12항에 있어서,

상기 복수의 경로를 판단하는 단계는, 복수의 중간노드를 정의하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 항로판단방법.
제12항에 있어서,

상기 미리 설정된 비용함수를 만족하는 경로를 선택하는 단계는, 상기 목적점에 도착하는데 비용이 최소인 경로를 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 항로판단방법.
제12항에 있어서,

상기 미리 설정된 비용함수를 만족하는 경로를 선택하는 단계는, 상기 목적노드에 도착요청시간을 만족하는 경로를 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 항로판단방법.
제12항에 있어서,

상기 미리 설정된 비용함수를 만족하는 경로를 선택하는 단계는, 상기 목적노드에 도착요청시간을 만족하는 경로를 선택하는 단계를 포함하고,

상기 도착요청시간의 만족은 상기 비용함수를 반복적으로 조정하는 단계를 포함하는 특징으로 하는 항로판단방법.
항로이동에 따른 변수를 고려하는 차량을 위한 출발노드와 목적노드 사이의 항로판단방법에 있어서,

상기 출발노드와 목적노드를 포함한 3차원 격자에서 복수의 노드를 정하는 단계;

상기 출발노드에서 시작하여 상기 출발노드에 근접한 다수의 노드로 상기 차량을 이동시키는 비용을 판단하는 단계;

상기 다수의 노드 각각으로부터 상기 변수의 함수로서 다른 다수의 노드로 이동시키는 비용을 판단하는 단계;

3차원의 위험영역에 반응하여 고도를 변경하는 단계; 및,

상기 출발점과 목적점 사이에 다수의 항로를 형성하기 위해서, 상기 노드로부터 추가되는 비용을 반복적으로 판단하는 단계를 포함하는 항로판단방법.
제17항에 있어서,

상기 출발노드로부터, 이전 노드로부터 비용이 판단된 각 노드로의 총비용을 추적하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 항로판단방법.
제18항에 있어서,

노드에 도달하는 총비용이 그 노드에 도달하는 이전 총비용보다 적은 경우에만, 이전에 도달한 노드로부터 다른 노드로 이동하는 비용에 대한 판단을 반복하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 항로판단방법.
출발점과 목적점 사이의 항로 판단시스템에 있어서,

상기 출발점에서 시작하여 이동가능한 세그먼트의 종점에 있는 노드까지 다수의 이동가능 세그먼트를 판단하는 수단;

위험영역에 대한 3차원 표시의 함수로서 고도를 변경하는 수단;

상기 출발점과 상기 목적점 사이의 다중 세그먼트 항로를 형성하기 위해서,상기 노드로부터 추가적인 세그먼트를 반복적으로 판단하는 수단; 및,

최저 비용을 갖는 상기 출발점과 상기 목적점 사이의 세그먼트 항로를 판단하는 수단을 포함하는 항로판단시스템.
제20항에 있어서,

상기 위험영역은 측면과 소정의 높이에서 정점을 갖는 다각형에 의해 표시되는 것을 특징으로 하는 항로판단시스템.
제21항에 있어서,

상기 위험영역은 다른 높이를 갖는 다수의 다각형으로 표시되는 것을 특징으로 하는 항로판단시스템.
제21항에 있어서,

상기 위험영역은 속도벡터와 관련된 것을 특징으로 하는 항로판단시스템.
제20항에 있어서,

상기 위험영역은 기상위험, 화산재, 특수용도 공역 및 정치적 민감지역으로 구성된 그룹으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 항로판단시스템.
제20항에 있어서,

상기 위험영역은 상기 세그먼트 항로를 판단하는 동안에 속도벡터에 따라 이동하는 것을 특징으로 하는 항로판단시스템.
수평경로를 판단하기 위해 순환 알고리즘을 실행하는 모듈과,

최고고도 및 최저고도를 갖는 수평 다각형으로 표시되는 위험영역에 기초하여 조정되는 수직경로를 판단하기 위해 적응 알고리즘을 실행하는 모듈을 포함하는 항로플래너.