一种考虑多约束和多优化目标的民航客机航迹优化方法技术

本发明专利技术涉及一种考虑多约束和多优化目标的民航客机航迹优化方法，包括以下步骤：

【技术实现步骤摘要】
一种考虑多约束和多优化目标的民航客机航迹优化方法


[0001]本专利技术涉及民航客机航迹优化领域，尤其是涉及一种考虑多约束和多优化目标的民航客机航迹优化方法
。

技术介绍

[0002]由于人口爆炸和过度工业化，温室效应的影响正在加剧
。
为减少污染物排放，应对日益严峻的能源压力，各方都致力于寻找更高效
、
更环保的空中运营模式
。
许多研究人员努力探索适合飞机使用的新能源，包括太阳能
、
氢气和电力
。
然而，新能源还处于探索阶段
。
一方面，新能源技术的发展历史还比较短，不同能源的炼制加工技术还不够成熟，使得其质量和数量供不应求
。
同时，航空运输的安全要求极为严格，这阻碍了这些新能源的采用，因此，使用清洁能源的航空器的研发和普及还需要很长的周期
。
[0003]为在中短期内减少废气排放，政府当局
、
空中交通管理服务机构及其他持份者致力寻找更有效率
、
更环保的空中交通运作模式
。
在候选方案中，机地系统能力匹配与协调要求的高精度轨迹操作
(TBO)
模式具有很大的发展潜力
。
具体而言，采用
ATM
航电系统和自动化程度较高的空管系统的飞机，可以考虑多优化目标和多约束条件，通过规划和协商
4D
轨迹协同管理轨迹，降低能耗和排放
。
但是，当前缺少一种考虑减少飞机飞行过程中所需的时间和燃油消耗的航迹规划方法
。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为了提供一种考虑多约束和多优化目标的民航客机航迹优化方法，面向从飞机起飞到着陆的全过程航迹优化问题，综合考虑油耗
、
时间指标，建立考虑飞机性能限制
、
大气环境
、
飞行计划约束和管制指令约束的基于
Hybrid
‑
A*
的航迹优化算法
。
[0005]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0006]一种考虑多约束和多优化目标的民航客机航迹优化方法，包括以下步骤：
[0007]S1、
初始化优化目标和飞行航线，所述优化目标为飞机一次完整的飞行阶段的飞行时间和飞行油耗；
[0008]S2、
节点扩展以及选取：在约束模型下，根据飞行航线进行从起始点到目标点的节点扩展，并根据优化目标选取节点；
[0009]S3、
连接曲线生成：基于选取的节点进行节点连接，生成满足动力学约束的曲线，得到从出发点到目标点的航线；
[0010]S4、
建立飞机的动力学模型
、
飞行构型模型
、
推力模型
、
阻力模型和油耗模型；
[0011]S5、
根据
S3
确定的航线和
S4
构建的模型计算飞机单次飞行的飞行时间和飞行油耗；
[0012]S6、
路径进一步优化：返回步骤
S2
，在已生成航线的基础上进行航线进一步优化，直至确定满足最小飞行时间和最低油耗的最优航线
。
[0013]所述完整的飞行阶段包括起飞
、
爬升
、
巡航
、
下降
、
进近
、
着陆
。
[0014]所述约束模型包括飞机性能限制
、
大气环境约束
、
飞行计划约束和管制指令约束
。
[0015]所述
S2
包括以下步骤：
[0016]S21、
初始化
openlist
和
closelist
，将起始点加入
openlist
，将目标点加入
closelist
；
[0017]S22、
选取
openlist
中的头节点作为当前处理节点，基于
Hybrid
‑
A*
的节点扩展方法，以特定的扩展步长和离散扩展角度不断以优化目标为寻优条件向目标点扩展子节点，得到扩展节点列表；
[0018]S23、
遍历扩展节点列表，若节点不满足约束模型或不满足避障要求或已在
closelist
中，则跳过该节点，否则，判断节点是否已在
openlist
中，若节点已在
openlist
中则根据路径代价判断是否需要更新节点，若节点不在
openlist
中则将节点加入
openlist
中；
[0019]S24、
按照路径代价对
openlist
中的节点进行排序；
[0020]S25、
当节点到达目标点或与目标点间的距离小于等于扩展步长时，结束寻路，从终点开始依次回溯父节点生成完整规划路径，否则，返回步骤
S22。
[0021]所述
S3
包括以下步骤：
[0022]S31、
基于选择的节点进行二维路径的连接；
[0023]考虑动力学约束确定最小转弯半径，采用
MCT
的连接方式连接父节点和子节点，该连接方式下，飞机以最小转弯半径转向直到飞机的速度方向指向目标点；
[0024]S32、
基于转换矩阵将二维路径转换为三维路径，其中，所述转换矩阵
T
ag
的求解方法为：
[0025]假设
o
点为子节点
、A
点为父节点，以子节点作为坐标原点；
[0026]令机动平面所在的坐标系为
oxy
′
z
′
，求取
oxy
′
z
′
的基向量其中其中其中求取方法如下：
[0027][0028][0029]则二维路径点转换为三维路径点的转换矩阵
T
ag
为：
[0030][0031]其中，
mod
表示向量的模，表示向量
X
的分量，
[0032]所述飞行构型模型用于解算飞机的飞行构型，基于飞行高度和速度划分的飞机构型有5种，分别是起飞构型
、
初始爬升构型
、
巡航构型
、
进近构型和着陆构型，不同的飞行构型对应推力模型和阻力模型不同的计算方式
。
[0033]所述飞机推力模型包括三种最大推力的计算：最大起飞和爬升的推力
、
最大巡航推力和最大下降推力，其中，
[0034]所述最大起飞和爬升的推力为：
[0035][0036]所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种考虑多约束和多优化目标的民航客机航迹优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、
初始化优化目标和飞行航线，所述优化目标为飞机一次完整的飞行阶段的飞行时间和飞行油耗；
S2、
节点扩展以及选取：在约束模型下，根据飞行航线进行从起始点到目标点的节点扩展，并根据优化目标选取节点；
S3、
连接曲线生成：基于选取的节点进行节点连接，生成满足动力学约束的曲线，得到从出发点到目标点的航线；
S4、
建立飞机的动力学模型
、
飞行构型模型
、
推力模型
、
阻力模型和油耗模型；
S5、
根据
S3
确定的航线和
S4
构建的模型计算飞机单次飞行的飞行时间和飞行油耗；
S6、
路径进一步优化：返回步骤
S2
，在已生成航线的基础上进行航线进一步优化，直至确定满足最小飞行时间和最低油耗的最优航线
。2.
根据权利要求1所述的一种考虑多约束和多优化目标的民航客机航迹优化方法，其特征在于，所述完整的飞行阶段包括起飞
、
爬升
、
巡航
、
下降
、
进近
、
着陆
。3.
根据权利要求1所述的一种考虑多约束和多优化目标的民航客机航迹优化方法，其特征在于，所述约束模型包括飞机性能限制
、
大气环境约束
、
飞行计划约束和管制指令约束
。4.
根据权利要求1所述的一种考虑多约束和多优化目标的民航客机航迹优化方法，其特征在于，所述
S2
包括以下步骤：
S21、
初始化
openlist
和
closelist
，将起始点加入
openlist
，将目标点加入
closelist
；
S22、
选取
openlist
中的头节点作为当前处理节点，基于
Hybrid
‑
A*
的节点扩展方法，以特定的扩展步长和离散扩展角度不断以优化目标为寻优条件向目标点扩展子节点，得到扩展节点列表；
S23、
遍历扩展节点列表，若节点不满足约束模型或不满足避障要求或已在
closelist
中，则跳过该节点，否则，判断节点是否已在
openlist
中，若节点已在
openlist
中则根据路径代价判断是否需要更新节点，若节点不在
openlist
中则将节点加入
openlist
中；
S24、
按照路径代价对
openlist
中的节点进行排序；
S25、
当节点到达目标点或与目标点间的距离小于等于扩展步长时，结束寻路，从终点开始依次回溯父节点生成完整规划路径，否则，返回步骤
S22。5.
根据权利要求1所述的一种考虑多约束和多优化目标的民航客机航迹优化方法，其特征在于，所述
S3
包括以下步骤：
S31、
基于选择的节点进行二维路径的连接；考虑动力学约束确定最小转弯半径，采用
MCT
的连接方式连接父节点和子节点，该连接方式下，飞机以最小转弯半径转向直到飞机的速度方向指向目标点；
S32、
基于转换矩阵将二维路径转换为三维路径，其中，所述转换矩阵
T
ag
的求解方法为：假设
o
点为子节点
、A
点为父节点，以子节点作为坐标原点；令机动平面所在的坐标系为
oxy
′′
z
′
，求取
oxy
′
z
′
的基向量其中其中其中求取方法如下：
则二维路径点转换为三维路径点的转换矩阵
T
ag
为：其中，
mod
表示向量的模，表示向量
X
的分量，
6.
根据权利要求1所述的一种考虑多约束和多优化目标的民航客机航迹优化方法，其特征在于，所述飞行构型模型用于解算飞机的飞行构型，基于飞行高度和速度划分的飞机构型有5种，分别是起飞构型
、
初始爬升构型
、
巡航构型
、
进近构型和着陆构型，不同的飞行构型对应推力模型和阻力模型不同的计算方式
。7.
根据权利要求1所述的一种考虑多约束和多优化目标的民航客机航迹优化方法，其特征在于，所述飞机推力模型包括三种最大推力的计算：最大起飞和爬升的推力
、
最大巡航推力和最大下降推力，其中，所述最大起飞和爬升的推力为：所述最大巡航推力为：
(T
cruise
)
MAX
＝
C
Tcr
×
T
max climb
所述最大下降推力
T
des
为最大起飞和爬升的推力的比值：当
H
p
＞...

【专利技术属性】
技术研发人员：董一群，薛涛，曹玥瑶，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：