一种基于通航救援的低空实时飞行冲突探测与解脱方法

本发明涉及基于救援优先级的多航空器救援运行的冲突避险方法，属于协作式飞行冲突解脱领域。

背景技术：

1、目前，国内外先后有多位学者进行了航空器冲突探测研究，归纳起来：依据研究方法的不同，可以将冲突探测算法分为两类：一类是几何确定型算法，另一类是分析概率型算法。几何确定型算法将航空器未来的航迹当做明确的来处理，通过比较航空器之间的相互距离与安全间隔的大小来判定是否存在飞行冲突。该算法的本质是依据航空器的性能、实时的飞行状态、提前制定的飞行计划和获取的气象信息来对确定的航迹进行分段建模，基于以上信息对航空器未来时间内的航迹进行预测，然后再基于时间维度来判定两航空器是否会发生飞行冲突。分析概率型冲突探测算法主要考虑到航空器未来的航迹存在不确定性，通过对航空器之间冲突概率的计算来判定飞行冲突。它需要考虑导航性能误差、气象等因素对航迹的影响，根据航迹预估的期望值和误差分布(概率性的航迹)，计算航空器对的冲突概率。这个算法要分两步：第一步，为了减少要计算量(冲突概率的航空器对)，结合几何确定型算法，利用航迹预测，过滤明显不会有飞行冲突的航空器对；第二步，计算可能发生飞行冲突的航空器对的飞行冲突概率值，根据计算结果与一个固定的阀值比较来判定是会发生飞行冲突；p.g.reich针对平行航路系统的碰撞风险提出了相邻航线飞机之间的reich模型，是国际上公认的碰撞风险分析研究领域最早的研究成果；matt r.jardin以空中交通密度为变量，给出空中交通碰撞期望数的半经验模型；韩松臣等运用reich模型对区域导航平行航路的安全性进行分析，并提出了管制员干预模型；张兆宁等分析了侧向碰撞影响因素，建立了非洋区vor导航下平行航路的侧向碰撞概率模型；peter brooke]提出event模型，给出了北大西洋地区空中交通管制系统飞机纵向间隔的碰撞风险模型；徐肖豪等鉴于event模型评估所得碰撞概率过于保守，将其长方体的碰撞模板改为圆柱体，建立了基于event模型的侧向碰撞风险改进模型；李丹等提出了基于brownian运动的概率型空中交通冲突探测算法；王世锦等建立了同高度对头飞行冲突和交叉飞行冲突的低空空域冲突风险模型；张明、曲玉玲等结合上海终端空域规划实际，对于终端区低空空域航空器变间隔下的碰撞风险模型进行了研究。以上的两种冲突探测算法研究在实际应用中的问题是：几何确定型冲突探测算法需要逐对比较航空器，计算量比较大。可能无法满足冲突探测算法的实时性要求。其计算复杂性属于o(n2)级，而且还会扩大航空器的保护区，进而增加虚假报警率。同样，分析概率型飞行冲突探测算法也会出现许多难以克服的难题。通常情况下，其预估的冲突时间要大于相同条件下的几何确定型冲突探测算法的预估冲突时间，而且算法还需要一个报警阀值。目前多数报警系统都是根据飞行和管制经验来确定的报警阀值。在低空飞行环境中，由于航空器类型不同以及缺少相应的飞行和管制经验，因而很难确定一个合理的报警阀值。

2、众所周知，低空救援飞行不仅存在同高度的对头、交叉和汇聚飞行，还有不同高度下的机动飞行。现有的模型在假设条件下对问题进行了简化，大多仅讨论同高度的碰撞风险分析，缺乏对于两航空器低空机动飞行的碰撞风险分析，与通用航空应急救援实际存在差距。因此，如何在复杂多变的低空运行环境中，在航空器运行状态时变的安全态势下，根据航空器时空参量和性能指标，揭示两航空器机动飞行的冲突探测机理问题，成了影响低空救援航空器航迹规划研究的一个关键性技术问题。

3、依据国内外研究现状，可以将飞行冲突解脱算法划分为离散型和连续型，离散型通过调整飞行计划航路点的顺序序列，使航空器能够按预定的顺序序列飞行，从而规避飞行冲突；而连续型通过改变航空器的航迹不让其飞入其它航空器的保护区。离散型解脱算法相关研究有：ghosh等采用的势能法将单个航空器假定为一个带正电粒子，目标机场可以假定为一个带负电粒子，两航空器间间隔被简化为假设的航空器具有的电荷间的排斥力，以解决二维平面内冲突避险问题。menon等基于离散的航迹点的多机冲突避险方法，并提供两种方法来进行冲突避险，第一种方法的目标函数是总的飞行时间和耗油量最小，使用序列二次规划法和目标获得法完成冲突解脱，第二种方法再运用闭环导航法进行多机冲突避险。连续型解脱算法相关研究有：carreno提出基于三维几何算法的解脱选择算法，通过评估所有解脱确定执行的方案，并采用模拟器评估解脱选择算法的合理性。程丽媛等采用内点约束条件和最优控制的庞特里亚金极小值原理，研究了自由飞行中飞机的控制向量受约束时的二维平面冲突避险问题。archibald引入博弈论思想，提出了采用多agent方法解决多机分布控制下的冲突解脱问题。相关的冲突避险研究成果还有很多。这些成果为研究低空救援空中交通辅助决策系统的冲突自主避险问题提供了可以借鉴的思路和数学模型。然而，两种冲突解脱算法实际应用中存在诸多问题：离散型解脱方法在计算时，离散化程度的选取非常关键：如果离散化程度大，可以大大降低计算难度，但是，就会增大各个航段之间的飞行冲突概率；如果离散化程度小，就会导致冲突解脱算法的计算量和计算难度成倍增加。连续解脱方法需要对各个机动飞行进行运动学建模，其计算量较大，可能无法满足实时性要求。

4、低空救援飞行中，要做好冲突解脱，涉及和研究的问题很多：如通航飞机的飞行规则、飞行计划信息、救援飞行环境、规划的时效性与可靠性等等，是一件比较繁重的工作。低空空域由于地形的复杂、监控设备的稀少及性能上的盲区等原因，地面雷达无法实现有效的监控。因此，确保航空器之间安全间隔将从地面的集中控制转移到飞行员和机载设备上来，需要飞行员自主规避飞行冲突，更多地采用分布式的控制方式。而上面提到的两种冲突解脱算法更多的依赖管制中心的管制员的操作，因此其实用性不强。为了减轻飞行员的工作负荷，保障安全飞行，就需要更多的分布式决策支持技术来辅助飞行员，最终实现航空器自主避让冲突。

技术实现思路

1、本发明以航空器三维方向上的安全间隔和冲突预警时间为依据建立时空冲突保护区，结合对空域内其他航空器的预测飞行轨迹，进行实时飞行冲突探测。当满足飞行冲突的条件时，判断航空器面临的冲突态势，并进入相应的冲突解脱程序，使发生飞行冲突的航空器自主规避冲突，从而保证救援航空器的飞行安全。

2、本发明采用的技术方案为一种基于通航救援的低空实时飞行冲突探测与解脱方法，该方法的整体实现步骤如下：

3、步骤1，进行飞行冲突检测。

4、将航空器的计划飞行轨迹与目标航空器的预测轨迹在空间维度上进行冲突检测，若航空器的计划飞行轨迹与目标航空器的预测轨迹存在冲突，则针对计划飞行轨迹与目标航空器的预测轨迹的潜在冲突点进行时间维度的冲突检测。若两架航空器到达潜在冲突点的时间窗也存在重叠，则判定两航空器将在该冲突点产生飞行冲突。

5、步骤2，冲突模式划分。

6、利用步骤1中基于保护区的冲突探测模型进行探测，若发现航空器存在冲突，之后根据航空器在一定时间域内遭遇冲突的次数，将航空器冲突分为两机冲突、多机冲突模式；根据冲突涉及对象是否有航空器编队，将两机冲突模式分为两机冲突与机队冲突。

7、步骤3，基于mulit-agent系统的实时飞行冲突解脱。

8、基于步骤2中的冲突模式划分，运用multi-agent系统进行实时飞行冲突解脱，该系统它将单个航空器视为一个智能体agent，在一个特定空域内，多个航空器就组成了multi-agent系统。各航空器agent在探测到飞行冲突后，基于各自的飞行目标节点、解脱策略以及各机的解脱优先级，联合确定出各机的解脱轨迹。

9、其中步骤1包括：

10、步骤1.1，基于预测飞行轨迹的冲突探测模型。

11、参考目视飞行间隔标准，建立适用于低空救援环境的基于预测飞行轨迹的冲突探测模型。假设空域中有两架存在冲突的航空器，一架航空器处于爬升状态，另一架航空器处于平飞状态，记录下两架存在冲突的航空器分别的预测飞行轨迹与飞行航迹，之后计算冲突点坐标确定航空器通过潜在冲突点的时间窗。根据冲突的潜在位置以及飞过该冲突点的时间窗，确定航空器产生飞行冲突的条件。

12、步骤1.2，基于保护区的冲突探测模型。

13、基于步骤1.1中的预测飞行轨迹的冲突探测模型，当两架航空器的预测飞行轨迹平行时，基于航迹的冲突探测模型判断两机不会产生飞行冲突，如果飞行轨迹过于接近，有可能导致两架航空器之间的距离小于安全间隔，发生小角度的同航迹交叉冲突时，为避免预测航迹无冲突的情况下两机在飞行中过于接近，对航空器设置了保护区，并在飞行过程中进行三维方向的实时距离计算。参考目视飞行间隔标准，设置航空器的保护区为半径250米、高300米的圆柱体，航空器位于保护区中心，建立基于保护区的冲突探测模型。

14、其中步骤2包括：

15、步骤2.1，基于预警时间的冲突模式判定。

16、根据步骤1进行冲突预测，若预测结果为会产生冲突，为了更好的解决冲突需要对冲突类型进行划分，首先基于预警时间来进行冲突模式的判定。随着预测轨迹距离的增加，产生多机冲突的概率也在增加，由此带来了两机与多机冲突界定的问题，依据广泛装备于民航客机的空中防撞系统在低空空域为解决飞行冲突留出的预警与决策时间，设定两次冲突时间间隔小于40秒为连环冲突，得到判定构成多机冲突的标准。

17、步骤2.2，两机冲突模式。

18、除了步骤2.1中的多机冲突，我们定义两机冲突模式包含两架航空器之间的冲突和机队飞行冲突两种。由于机队在飞行过程中保持编队的形状和大小不变，可将一个航空器编队视为一个整体，因此可以把两个机队的冲突当做两机冲突来处理。根据航迹间的几何关系以及航空器的相对运动关系，把航空器的冲突态势分为对头冲突、追及冲突、交叉冲突和穿越高度冲突。同时定义机队飞行冲突。

19、步骤2.3，多机冲突模式。

20、基于步骤2.1与步骤2.2，设立三机冲突与四机冲突场景，考虑到航空器的不同属性，将三机冲突与四机冲突划分为不同的冲突组合。

21、其中步骤3包括：

22、步骤3.1，基于步骤2进行冲突模式的划分，运用multi-agent系统进行实时飞行冲突解脱，该系统它将单个航空器视为一个智能体agent，在一个特定空域内，多个航空器就组成了multi-agent系统。各航空器agent在探测到飞行冲突后，基于各自的飞行目标节点、解脱策略以及各机的解脱优先级，联合确定出各机的解脱轨迹。

23、步骤3.2，认为每架航空器的优先级由其执行的救援任务、去回程阶段决定，且规定单机的优先级低于航空器编队的优先级，机队之间优先级首先考虑机队规模，在规模相同时根据担负的任务和去回程情况判断优先级。确定优先级的总体规则为：救援任务紧迫的优先级高，去程飞行航空器高于回程航空器，机动性能差的航空器高于机动性好的航空器，根据该规则确定各航空器的优先级顺序。在执行冲突解脱时，优先级低的编队进行机动避让。并且结合相对运动态势选择调高、偏航或调速解脱策略，生成无冲突飞行轨迹，从而实现协作式飞行冲突解脱。

24、本发明的有益效果如下：

25、(1)在航空器飞行冲突探测领域，以往的研究没有考虑多种类型的冲突探测，因为这些会使冲突探测问题复杂化，本发明提出了基于预测飞行轨迹的冲突探测模型，并引入基于目视飞行间隔标准的保护区模型来弥补基于预测轨迹冲突探测模型在特殊情形下的不足。

26、(2)在航空器飞行冲突模式划分领域，以往的研究多没有冲突模式的划分标准。本发明以解脱预警时间为基准，将冲突划分为两机(含机队)、多机模式。在每种冲突模式中，根据冲突航空器的飞行过程以及执行的任务划分不同冲突场景。

27、(3)在航空器飞行冲突解脱领域，以往的研究没有考虑多方面协作实现冲突解决，本发明引入multi-agent系统，将每架航空器视为一个包含四个模块的独立的agent，各agent依据优先级规则确定各机的冲突解脱顺序，结合相对运动态势选择调高、偏航或调速解脱策略，生成无冲突飞行轨迹，从而实现协作式飞行冲突解脱。本发明提高了实际通航救援的安全性与准确性，具有现实意义。