一种基于复杂度的空中交通冲突管理方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种基于复杂度的空中交通冲突管理方法和装置，包括：在检测到目标扇区有进入飞机时，根据进入飞机进入目标扇区后目标扇区中原有飞机对应的管制活动量，绘制目标扇区对应的复杂度的计算图；对于复杂度的计算图中的冲突区域，计算冲突最小的最优路径；选择最优路径对应的进入点为进入飞机进入目标扇区的最优进入点；本发明专利技术使进入飞机根据最优进入点进入目标扇区，并根据复杂度计算图找到进入飞机的最优进入点，运用复杂度提供的空中交通如何对进入飞机作出反应方面的详细信息，飞机进入点就能得到修正，能够最大程度减少扇区内的冲突，以确保进入飞机之间的安全间隔，同时最大程度减少扇区管制员的工作负荷。

Air traffic conflict management method and device based on Complexity

The invention provides a complex air traffic conflict management method and device, which is based on a detected target in the sector have entered into the plane, according to the aircraft into the target sector after sector in the corresponding target aircraft control activity, calculation complexity of rendering the target sector corresponding to the conflict area calculation diagram; the complexity of the calculation of the optimal path with minimal conflict; optimal path corresponding to the entry point for the optimal entry into the target aircraft sector entry point; the invention into the aircraft according to the optimal entry point into the target sector, and according to the computational complexity of the map to find the optimal entry point into the plane, how to use complexity the detailed information of air traffic into the aircraft to respond the aircraft into point can be corrected, to minimize the sector Internal conflict to ensure safety intervals between aircraft, while minimizing the workload of sector controllers.

【技术实现步骤摘要】
一种基于复杂度的空中交通冲突管理方法和装置
本专利技术涉及空中交通
，具体而言，涉及一种基于复杂度的空中交通冲突管理方法和装置。
技术介绍
空中交通的需求量不断提高，随之造成了许多问题，包括严重的空中交通拥堵，以及空中交通管制员需要承担繁重的工作负荷。要在飞行密度大、冲突性质相对复杂的环境下正确行使防相撞职能，需首先解决冲突探测、冲突解脱和解脱航迹优化三个问题。冲突探测是指根据监视系统提供的飞机的位置、高度、速度、航向、飞行模式等信息，预测将要违反最小间隔标准的冲突航迹。其中，航路空域中水平间隔的标准距离通常是5海里，垂直间隔是1000英尺。冲突解脱和解脱航迹优化则是根据一般性的管制原理和方法规划处理想的飞行轨迹。飞行冲突解脱指探测到飞行存在潜在的冲突后，规划出无碰撞的飞行方案，指导飞机飞行以避免可能发生的碰撞危险。常用的冲突解脱策略为以下三种：①调整航向。只改变飞机的飞行航向角，保持飞行速度大小、航迹倾角和飞行高度不变；②调节速度。只改变飞行速度矢量的数值大小，保持航向角和航迹倾角不变；③改变高度。只改变飞行速度矢量的航迹倾角，保持飞行速度的大小和航向角不变。世界各国的研究者们做了大量有关自由飞行情况下飞行冲突的探测与解决的研究工作。Reich的飞机碰撞危险模型是本领域较早的研究成果。为了简化数学计算，它将每架航空器假设成尺寸相同的长方体，用参数分别表示飞行器的平均长、宽和高，两机冲突概率即两个长方体之间的碰撞危险在数学上就相当于某一质点与长方体之间的碰撞危险概率。许多学者在Reich模型的基础上进行了类似的研究，他们综合了各种影响飞行安全的不确定因素。J.Hu等人把风等不确定因素对飞行的影响计入动力学方程，飞机运动模型为确定的轨线方程加上一定比例的布朗运动扰动，在这个形式下，冲突的可能性变为布朗运动从一个时变安全区域逃脱的概率，获得了有限无限范围都适用的近似表达。LeeC.Yang则采用了在轨迹模型中包括了飞机意图信息的概率估计方法，主要是用蒙特卡罗仿真根据飞机飞行意图及各种干扰推测未来飞行轨迹，并进行冲突探测和解脱，着重于意图对轨迹的影响。Mondoloni冲突解脱算法也是基于遗传算法的，可以获得在诸如最短时间、最小油耗或总花费条件下的无冲突飞行方案，已经应用于飞行的爬升、转弯、下降阶段未来6-25分钟内冲突预测，能解决含有一定飞行规划约束的冲突(如到达时间固定)，实例证明能使消耗函数达到最优，能简单的和飞行计划最优函数合为一体，但计算比较复杂、耗费时间较多，不能预测短期(5分钟内)的冲突。J.Alliot等人提出基于优先权的最优化算法，给每一架飞机赋予不同的优先权，权值高的飞机在不考虑权值低的飞机的情况下选择出自己认为最优的航线，如此类推，其基本的方法是寻找树的最短路。LuciaPallottino等提出混合整数规划的算法，即在一般几何构造法上建立冲突避免的约束并把它们公式化为线性约束条件，然后用最优化工具CPLEX解决。Tomlin等应用了非合作博弈理论，得出最优控制规则和结果所描述不安全集边界的微分等式，并采用预先设定的冲突解决策略。Menon等将最优控制理论应用于飞行冲突解决，使用了两种不同的方法。第一种方法以总飞行时间和耗油量的线性模型为消耗函数，使用单目标的SQP(SequentialQuadraticProgramming)法和多目标的目标获得法解决。第二种方法运用闭环导航法，以航路偏离为最优函数进行多机冲突解脱。不过此前的大多数研究文章都着重于某一扇区内部的飞机间隔，而较少从多扇区角度出发来重视飞机轨迹。现行的冲突解脱方法把焦点放在仅仅一个扇区内的交通上，这就很可能对飞行安全造成不利影响，而且还可能造成效率低下的问题，因为参与冲突解脱的众多飞机有可能需要重新规划它们在后续扇区中的轨迹。伊丹等人(Idanetal)就指出说，减少重新规划的轨迹数量也就减少了计算工作和飞行员的工作负荷，最终也就提高了安全性。专利技术人在研究中发现，现有技术中的交通冲突控制方法局限于一个扇区中，无法更精确的实现空中交通的控制。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术实施例的目的在于提供一种基于复杂度的空中交通冲突管理方法和装置，以确保进入飞机之间的安全间隔，同时最大程度减少扇区管制员的工作负荷。第一方面，本专利技术实施例提供了一种基于复杂度的空中交通冲突管理方法，方法包括：在检测到目标扇区有进入飞机时，根据进入飞机进入目标扇区后目标扇区中原有飞机对应的管制活动量，绘制目标扇区对应的复杂度的计算图；其中，管制活动量系指为解脱进入飞机带来的任何冲突，目标扇区内的原有飞机做出的航向角改变总量；复杂度的计算图系指目标扇区中包括进入飞机的所有飞机形成的空中交通复杂程度的分布图；对于复杂度的计算图中的冲突区域，计算冲突区域中的冲突最小的最优路径；选择最优路径对应的进入点为进入飞机进入目标扇区的最优进入点，以便进入飞机根据最优进入点进入目标扇区。结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，根据进入飞机进入目标扇区后目标扇区中原有飞机对应的管制活动量，绘制目标扇区对应的复杂度的计算图，包括：按照以下公式计算进入飞机的进入角E和方位角B：其中，二进制变量n1和n2使进入飞机的进入点领域保持为-π≤B≤π且0≤E<2π；E表示进入角；B表示方位角；上标E表示进入飞机；按照以下公式计算进入飞机的航行轨迹变化曲线：其中，表示航行轨迹变化曲线的横坐标，表示航行轨迹变化曲线的纵坐标；V表示进入飞机的飞行速度，且该速度为定值；上标I表示目标扇区内的进入飞机；k表示目标扇区内的任意一架飞机；t表示目标扇区内的任意一时间；根据进入飞机的进入角E、方位角B以及进入飞机的航行轨迹变化曲线，计算绘图函数Φ：其中，Φ表示绘图函数；根据计算的绘图函数，绘制目标扇区对应的复杂度的计算图。结合第一方面的第一种可能的实施方式，本专利技术实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，对于复杂度的计算图中的冲突区域，计算冲突区域中的冲突最小的最优路径，包括：对于复杂度的计算图中的冲突区域，按照混合整数线性规划对应的计算公式计算目标扇区内原有飞机的航向角改变量Δθ：fork＝2,…N；根据原有飞机的航向角改变量Δθ，计算冲突区域中的冲突最小的最优路径。结合第一方面的第二种可能的实施方式，本专利技术实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，根据计算的绘图函数，绘制目标扇区对应的复杂度的计算图，包括：采用方差四叉树绘图算法对绘图函数进行求解，以根据求解结果绘制目标扇区对应的复杂度的计算图。结合第一方面的第三种可能的实施方式，本专利技术实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，采用方差四叉树绘图算法对绘图函数进行求解，以根据求解结果绘制目标扇区对应的复杂度的计算图，包括：第1步：将X-Y坐标系中的表示进入飞机的进入点的圆弧转换为E-B坐标系中的四方形；第2步：按照四方形的网格尺寸δ来划分搜索空间S；第3步：计算每个离散点(E、B)上的管制活动量C，并绘制对应的复杂度；第4步：将复杂度转换成二进制点阵，其中每个点都有两种表达式：C＝0或≠0(即C＝1)；第5步：针对空间S中每一个四方格来计算方差Q；方差Q的计算方法包括：第6步：重本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于复杂度的空中交通冲突管理方法，其特征在于，所述方法包括：在检测到目标扇区有进入飞机时，根据飞机进入所述目标扇区后所述目标扇区中原有飞机对应的管制活动量，绘制所述目标扇区对应的复杂度的计算图；其中，所述管制活动量系指为解脱所述进入飞机带来的任何冲突，所述目标扇区内的原有飞机做出的航向角改变总量；所述复杂度的计算图系指所述目标扇区中包括所述进入飞机的所有飞机形成的空中交通复杂程度的分布图；对于所述复杂度的计算图中的冲突区域，计算所述冲突区域中的冲突最小的最优路径；选择所述最优路径对应的进入点为所述进入飞机进入所述目标扇区的最优进入点，以便所述进入飞机根据所述最优进入点进入所述目标扇区。

【技术特征摘要】
1.一种基于复杂度的空中交通冲突管理方法，其特征在于，所述方法包括：在检测到目标扇区有进入飞机时，根据飞机进入所述目标扇区后所述目标扇区中原有飞机对应的管制活动量，绘制所述目标扇区对应的复杂度的计算图；其中，所述管制活动量系指为解脱所述进入飞机带来的任何冲突，所述目标扇区内的原有飞机做出的航向角改变总量；所述复杂度的计算图系指所述目标扇区中包括所述进入飞机的所有飞机形成的空中交通复杂程度的分布图；对于所述复杂度的计算图中的冲突区域，计算所述冲突区域中的冲突最小的最优路径；选择所述最优路径对应的进入点为所述进入飞机进入所述目标扇区的最优进入点，以便所述进入飞机根据所述最优进入点进入所述目标扇区。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述进入飞机进入所述目标扇区后所述目标扇区中原有飞机对应的管制活动量，绘制所述目标扇区对应的复杂度的计算图，包括：按照以下公式计算所述进入飞机的进入角E和方位角B：其中，二进制变量n1和n2使所述进入飞机的进入点领域保持为-π≤B≤π且0≤E<2π；E表示进入角；B表示方位角；上标E表示进入飞机；按照以下公式计算所述进入飞机的航行轨迹变化曲线：其中，表示航行轨迹变化曲线的横坐标，表示航行轨迹变化曲线的纵坐标；V表示所述进入飞机的飞行速度，且该速度为定值；上标I表示所述目标扇区内的所述进入飞机；k表示所述目标扇区内的任意一架飞机；t表示所述目标扇区内的任意一时间；根据所述进入飞机的进入角E、方位角B以及所述进入飞机的航行轨迹变化曲线，计算绘图函数Φ：其中，Φ表示绘图函数；根据计算的所述绘图函数，绘制所述目标扇区对应的复杂度的计算图。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对于所述复杂度的计算图中的冲突区域，计算所述冲突区域中的冲突最小的最优路径，包括：对于所述复杂度的计算图中的冲突区域，按照混合整数线性规划对应的计算公式计算所述目标扇区内原有飞机的航向角改变量Δθ：fork＝2,…N；根据所述原有飞机的航向角改变量Δθ，计算所述冲突区域中的冲突最小的最优路径。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据计算的所述绘图函数，绘制所述目标扇区对应的复杂度的计算图，包括：采用方差四叉树绘图算法对所述绘图函数进行求解，以根据求解结果绘制所述目标扇区对应的复杂度的计算图。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述采用方差四叉树绘图算法对所述绘图函数进行求解，以根据求解结果绘制所述目标扇区对应的复杂度的计算图，包括：第1步：将X-Y坐标系中的表示进入飞机的进入点的圆弧转换为E-B坐标系中的四方形；第2步：按照所述四方形的网格尺寸δ来划分搜索空间S；第3步：计算每个离散点(E、B)上的管制活动量C，并绘制对应的复杂度；第4步：将复杂度转换成二进制点阵，其中每个点都有两种表达式：C＝0或≠0(即C＝1)；第5步：针对空间S中每一个四方格来计算方差Q；所述方差Q的计算方法包括：第6步：重复第3-5步，直至细分区域中的所有Q都为零，或是直至网格尺寸缩小到被设定为1度的最小网格尺寸为止；第6步对应的绘制的复杂度即为最终的所述目标扇区对应的复杂度的计算图。6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，表示进入飞机的进入点的圆弧通过以下方法得到：获取所述目标扇区边界上，所述进入飞机可以到达...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈志杰，王长春，朱永文，唐治理，付莹，曹珊，李纲，
申请(专利权)人：中国人民解放军空军装备研究院雷达与电子对抗研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11