一种基于飞行器航迹预测的空域冲突检测方法及系统与流程

本发明涉及空域管理技术领域，具体涉及一种基于飞行器航迹预测的空域冲突检测方法及系统。

背景技术：

随着民航运输业的日益发展，对空域使用量越来越大，同时运载火箭、火炮、低空飞行器等各类空域使用用户越来越多，我国空中交通系统面临着越来越严重的空域拥挤局面。如何有效利用空域资源成为空域管理部门日益面临的紧迫问题。通常情况下，空域管理部门会利用一些技术辅助手段对空域资源进行规划和管理，保障空域运行的安全稳定。其中空域资源使用冲突检测是空域资源规划的重要内容，主要是指根据空域用户提出的飞行需求，组织空域管理部门将空域划分为若干个区域，针对划分的若干区域进行空域使用冲突检测，以避免各用户使用的空域存在重叠问题，以保障空域用户飞行安全和通畅。

目前，世界范围的空域规划和管理工作都是参照国际民航组织的相关文件8168-ops/6111、9689-an/9532和9426-an/9243等进行的。这些文件是各个成员国空域规划经验的总结，虽然取得一定的成果，但其原则和方法多采用定性分析，缺乏建立在严格数学模型基础上的定量分析。其中空域划设的方法主要以空域使用方飞行器全运行航迹为边界确定空域使用空间范围，以飞行器全飞行时间确定空域使用时间范围。该划设方法给各用户的空域资源过大，划分出来的空域资源在时间、空间上极易出现重叠、冲突等问题，极大的限制了空域使用效率。实际上，飞行器在某一时刻需要的空域仅仅是飞行器所处位置的安全间隔空间，其他空域在此时刻都是闲置的。在这种相对粗糙的空域资源规划方法指导下，虽然能够保障空域运行的安全性，但在空域用户较多的状态下,划设空域过多,极易检测出飞行器之间存在空域使用冲突，导致各飞行器更改计划过多,难以协调,这种以牺牲空域规划的科学性和合理性为前提的方法已经成为加大飞行流量、提高空域利用率的瓶颈，难以满足现今大飞行流量、多空域用户对空域资源的需求。

技术实现要素：

针对现有技术存在的缺陷，解决现有空域资源划设方法存在的浪费空域资源、利用率不高的问题，本申请提供一种基于4d航迹预测空域资源划设方法。本发明根据各空域用户飞行器使用计划，预测各飞行器在未来各个时刻所处的经度、纬度以及高度的航迹信息，结合划设分配空域资源的大小，提出尽量满足各空域用户需求的空域资源分配方案，避免各空域用户在使用空域范围、时间上的妥协，实现空域利用率最大化。

作为本发明的第一方面，提供一种基于飞行器航迹预测的空域冲突检测方法，包括以下步骤：

s1，将待分配空域资源离散划分为若干“立体小方块”，“立体小方块”体积大小等于飞行器安全间隔空间大小，构建空域资源模型；具体为将待离散划分的空域资源定义为q，空余资源边界面集合定义为l：l＝{l1,l2,...,li}，利用空域资源边界l对空域资源q进行分割，得到q＝{q1,q2,...,qi}，其中qi表示“立方体空域小方块”，即为飞行器安全间隔空间大小。

s2，利用petri网理论知识对飞行器在空域资源模型中的运行过程进行建模，构建空域资源运行模型；

1)定义空域资源运行模型

空域资源运行模型petri网模型定义为其中，p为库所集合，p＝{p1,p2,...,pi}；t为变迁集合，t＝{t1,t2,...,ti}；pre表示为t×p的流关系，其权重为wpre；post表示为p×t的流关系，其权重为wpost；m为状态标识，反映飞行器在空域资源中的分布姿态，m(pi)表示空域资源是否占用的标识；为库所每次被标识应持续的时间函数，其中h＝(h1,h2,...,hi)为持续时间集合，反应飞行器占用空域时间；

2)定义库所映射

空域资源q到库所集合p的映射为δ:映射规则为：空域资源qi经映射对应的库所为pi；

3)定义变迁映射

飞行器经过空域资源边界时间集合c到变迁集合t的映射为：λ:映射规则为：飞行器经过空域边界li经映射对应的变迁为ti。

s3，根据飞行器飞行计划、历史飞行航迹、气象条件以及飞行器性能，对各飞行器在空域资源运行模型中的飞行航迹进行预测，预测出各飞行器所占用的“立体小方块”以及占用时间；

具体为：根据飞行器飞行计划，获取飞行器类型、飞行起始时间、终止时间、飞行起始地点等信息，结合空域资源划分信息，确定飞行器初始占用空域资源qk，结合历史飞行航迹、气象条件以及飞行器性能，确定飞行器初始飞行速度vk以及在初始占用空域qk中的飞行路径lk，进而预测出飞行器经过的空域资源航迹为qx＝{qkx,qmx,...,qnx}，飞行路径为lx＝{lkx,lmx,...,lnx}，各空域资源飞行速度vx＝{vkx,vmx,...,vnx}以及占用这些空域资源的时间为hx＝{hkx,hmx…hnx}。

s4，根据空域冲突判定规则和检测算法，推导出存在空域资源使用冲突的飞行器，以及空域资源冲突区域。

所述空域冲突判断规则为：针对某一空域资源qk，飞行器a进入该空域资源的时刻为τa，在该空域资源中飞行时间为hka，则飞行器a在空域资源qk中得时间窗口为[τa,τa+hka]；当且仅当下列条件同时满足，飞行器a,b在空域资源上存在使用冲突：

本发明另一方面提供一种基于飞行器航迹预测的空域冲突检测系统，包括以下模块：

空域资源划分模块，将待分配空域资源离散划分为飞行器安全间隔大小的若干“立方体空域小方块”；

飞行器航迹预测模块，利用飞行器飞行计划，结合历史飞行航迹、气象等信息，预测出飞行器航迹，以及飞行器经过的“立方体空域小方块”；

空域资源运行模型建立模块，通过petri网对飞行器在空域资源中的飞行过程进行建模，建立空域资源运行模型；

空域资源冲突检测模块，将飞行器航迹融合到空域资源运行模型，依据空域资源使用冲突检测算法，检测出飞行器之间的空域资源使用冲突。

作为优选，

所述的空域资源划分模块中将待分配空域资源离散划分为飞行器安全间隔大小的若干“立方体空域小方块”，所述“立方体空域小方块”是由纵向间隔、侧向间隔以及垂直间隔构建的立方体。

所述的空域资源划分模块中将待分配空域资源定义为q，空域资源边界面集合定义为l，l＝{l1,l2,...,li}，利用空域资源边界面l对空域资源q进行划分，q＝{q1,q2…qi}，分割距离分别为纵向间隔、侧向间隔以及垂直间隔，其中qi表示“立方体空域小方块”。

所述的空域资源运行模型建立模块中空域资源运行模型如下：其中，p为库所集合，p＝{p1,p2,...,pi}；t为变迁集合，t＝{t1,t2,...,ti}；pre表示为t×p的流关系，其权重为wpre；post表示为p×t的流关系，其权重为wpost；m为状态标识，反映飞行器在空域资源中的分布姿态，m(pi)表示空域资源是否占用的标识；为库所每次被标识应持续的时间函数，其中h＝(h1,h2,...,hi)为持续时间集合，反映应飞行器占用空域时间。

所述的空域资源冲突检测模块包括：

规则设置单元，用于设置空域使用冲突、空域资源使用冲突判定规则；

其中空域使用冲突集合z＝{z1,z2,...,zi}，表示飞行器ai和飞行器bi之间的空域冲突，表示飞行器ai和飞行器bi之间存在的空域冲突资源。

空域资源使用冲突判定规则为：任意飞行器a,b飞行经过的空域资源为qa＝{qka,qma,…,qna}，qb＝{qkb,qmb,…,qnb}，针对某一空域资源qk，飞行器a进入该空域资源的时刻为τa，在该空域资源中飞行时间为hka，则飞行器a在空域资源qk中得时间窗口为[τa,τa+hka]。当且仅当下列条件同时满足，飞行器a,b在空域资源上存在使用冲突：

飞行器航迹预测单元，用于预测出飞行器经过的空域资源航迹qx＝{qkx,qmx,...,qnx}和飞行路径lx＝{lkx,lmx,...,lnx}，以及占用这些空域资源的时间hx＝{hkx,hmx,…,hnx}；

空域资源冲突获取单元，用于根据空域资源使用冲突判定规则，确定存在冲突的飞行器，以及冲突的空域资源；

空域冲突信息单元，根据空域资源冲突获取单元给出的冲突信息，综合生成空域冲突集合z，并重复依次启动飞行器航迹预测单元、空域资源冲突获取单元、空域冲突信息单元的功能。

本发明的有益效果如下：

1、改变了以飞行器全运行航迹为边界确定空域使用空间范围，以飞行器全飞行时间确定空域使用时间范围的空域资源划分方法，提出了以飞行器安全间隔为依据的空域资源划分方法，提升了空域使用效率。

2、改变了以往粗放式的空域资源使用冲突判断方法，提出了精细化的空域资源使用冲突判断方法，减少了空域资源使用冲突的虚警率，避免了多余的飞行计划调整，提升管制工作效率。

附图说明

图1本发明实施的基于飞行器航迹预测的空域冲突检测系统结构框图；

图2为空域资源划分图；

图3为空域资源运行模型；

图4是图1中空域资源冲突检测模块的结构框图；

图5为空域冲突检测过程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

1.本发明的原理

首先将待分配空域资源离散划分为若干“立体小方块”，“立体小方块”体积大小等于飞行器安全间隔空间大小，构建空域资源模型。然后利用petri网理论知识对飞行器在空域资源模型中的运行过程进行建模，构建空域资源运行模型；并根据飞行器飞行计划、历史飞行航迹、气象条件以及飞行器性能，对各飞行器在空域资源运行模型中的飞行航迹进行预测，预测出各飞行器所占用的“立体小方块”以及占用时间，最后根据空域冲突判定规则和检测算法，推导出存在空域资源使用冲突的飞行器，以及空域资源冲突区域。

2.空域资源划分

待分配空域资源离散划分为若干“立方体空域小方块”，“立方体空域小方块”体积大小等于飞行器安全间隔空间大小，其中飞行器安全间隔空间是由纵向间隔、侧向间隔以及垂直间隔构建的立方体。将离散划分的空域资源定义为q，空域资源边界面集合定义为l，l＝{l1,l2,…li}，利用空域资源边界面l对空域资源q进行分，q＝{q1,q2…qi}，分割距离分别为纵向间隔、侧向间隔以及垂直间隔，其中qi表示“立方体空域小方块”。

如图2所示为具备待分配空域资源划分为若干“立方体空域小方块”示意图，图中局部待分配空域资源q划分为q1,q2,q3,q4,q5,q6,q7,q8,q9九个“立方体空域小方块”。

3.空域资源运行建模

定义1空域资源运行模型

空域资源运行petri网模型定义为其中：p为库所集合，p＝{p1,p2,...,pi}；t为变迁集合，t＝{t1,t2…ti}；pre表示为p×t的流关系，其权重为wpre；post表示为t×p的流关系，其权重为wpost；m为状态标识，可反映飞行器在空域资源中的分布态势，m(pi)表示空域资源是否占用的标识；为库所每次被标识应持续的时间函数，其中h＝{h1,h1…hi}为持续时间集合，可反映飞行器占用空域时间。

映射1库所映射

空域资源q到库所集合p的映射为δ：其映射规则为：空域资源qi经映射对应的库所为pi。

定义飞行器经过空域资源边界线事件集合为c，可定义变迁映射。

映射2变迁映射

飞行器经过空域资源边界线事件集合c到变迁集合t的映射为λ:其映射规则为：飞行器经过空域边界面li经映射对应的变迁为ti。

如图3所示为图2对应的空域资源运行模型，图中pi表示对应的空域资源“立方体空域小方块”qi。

4.飞行器航迹预测

根据飞行器飞行计划，可获取飞行器类型、飞行起始时间、终止时间、飞行起始地点等信息，结合空域资源划分信息，可确定飞行器初始占用空域资源qk，结合历史飞行航迹、气象条件以及飞行器性能，可确定飞行器初始飞行速度vk以及在初始占用空域qk中的飞行路径lk，进而可预测出飞行器经过的空域资源航迹为qx＝{qkx,qmx,...,qnx}，飞行路径为lx＝{lkx,lmx,...,lnx}，各空域资源飞行速度vx＝{vkx,vmx,...,vnx}以及占用这些空域资源的时间为hx＝{hkx,hmx…hnx}；

针对飞行器在空域中飞行经过空域资源qa＝{qk,qm,...,qn}的过程，可假定其对应的子模型为在库所pm∈p'对应的空域资源单元qm内的飞行器飞行路径长度记为lm。由航空器滑行速度vm，并利用映射可确定该库所对应单元的航空器滑行时间hm。

5.空域资源使用冲突预测

定义空域使用冲突为z＝{z1,z2...zi}，表示飞行器ai和飞行器bi之间的空域冲突，q'aibi＝{q'k,q'm...q'n}表示飞行器ai和飞行器bi之间存在的冲突空域。

空域资源使用冲突预测，就是针对各飞行器飞行过程和空域资源运行模型演变过程，判断空域资源运行模型是否存在多个库所同时被标识。

冲突判断方法假定任意飞行器a,b飞行经过的空域资源为qa＝{qka,qma…qna}，qb＝{qkb,qmb…qnb}，针对某一空域资源qk，飞行器a进入该空域资源的时刻为τa，在该空域资源中飞行时间为hka，则飞行器a在空域资源qk中得时间窗口为[τa,τa+hka]。当且仅当下列条件同时满足，飞行器a,b在空域资源上存在使用冲突：

空域资源使用冲突算法如下：

步骤1：根据飞行器飞行计划，结合历史飞行航迹、气象条件以及飞行器性能，预测出各飞行器飞行经过的空域资源航迹qx＝{qkx,qmx…qnx}以及经过这些空域的时间hx＝{hkx,hmx…hnx}；

步骤2：依据冲突判定方法，判定两飞行器使用空域是否冲突；

步骤3：若存在冲突，则确定空域资源使用冲突飞行器对(a,b,q'ab)，并将其加入冲突集合z；若不存在冲突则返回步骤2，对下一空域资源进行冲突判定；

步骤4：对其他飞行器，继续步骤2-3，最终输出空域资源使用冲突集合z；

说明书中未阐述的部分均为现有技术或公知常识。本实施例仅用于说明该发明，而不用于限制本发明的范围，本领域技术人员对于本发明所做的等价置换等修改均认为是落入该发明权利要求书所保护范围内。