一種基于三維空域網(wǎng)格的低空救援航空器航跡規(guī)劃方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明涉及一種航空救援的飛行調(diào)度技術(shù)，尤其涉及一種基于三維空域網(wǎng)格的低 空救援航空器航跡規(guī)劃方法，其適用于低空救援下對于航空器優(yōu)化調(diào)度和飛行計劃編排， 保證空中交通運行的安全高效。
【背景技術(shù)】：
[0002] 在抗災(zāi)救援及處置突發(fā)事件的各項措施中，航空救援具有快速、高效、受地理空間 限制少等優(yōu)勢，是世界上許多國家普遍采用的最有效手段。然而，在航空應(yīng)急救援體系中， 施救的航空器在低空運行環(huán)境中，由于受到地形環(huán)境、惡劣天氣、密集飛行等不確定因素的 干擾，往往存在安全風(fēng)險大、施救效率低和實施不合理等問題。因此合理的規(guī)劃飛行航跡， 對于低空應(yīng)急救援飛行安全和高效尤為重要。
[0003] 目前，相關(guān)研究集中在無人機(jī)路徑規(guī)劃等方面。該問題主要涉及到環(huán)境表達(dá)、規(guī)劃 方法、以及路徑執(zhí)行這幾方面。在一定的環(huán)境表達(dá)和規(guī)劃方法的基礎(chǔ)上，僅從路徑搜索策略 上來分析，可將搜索策略區(qū)分為三大類。第一類是局部優(yōu)化算法，它的做法是犧牲解的搜索 空間來獲取解的搜索時間，典型的方法有：最速下降法、部分貪婪算法（Verscheure，2009) 等，但存在搜索時間長、收斂速度慢、易陷入局部最優(yōu)解等問題；第二類是全局優(yōu)化算法，它 以獲取全局最優(yōu)解為目的，主要的算法有：單源最短路徑的Dijkstra算法（Chiba，2010)、 任意兩點間最短路徑的Floyed動態(tài)規(guī)劃算法（孫大偉，2006)等，但會出現(xiàn)計算時間較 長、維數(shù)爆炸的現(xiàn)象；最后一類是計算機(jī)智能方法，包括：遺傳算法、禁忌搜索、模擬退火和 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及與模糊邏輯相結(jié)合快速高效地追求計算結(jié)果的思想（Lingxia 〇,2011 ; Anjan,2010 ;Tang,2011 ;Duygu,2014)。但已有的研究運用到航空救援的航跡規(guī)劃方面存 在一些問題：①多數(shù)方法解決的僅是二維平面內(nèi)的路徑規(guī)劃問題；②無人機(jī)飛行中三維的 航跡規(guī)劃主要使用的是高度修正方法，很少考慮安全飛行規(guī)則，救援規(guī)則和航空器的性能 約束；③解決的多數(shù)是單個航空器航跡規(guī)劃問題，并沒有考慮多航空器之間的飛行沖突問 題。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種基于三維空域網(wǎng)格的低空救援航空器航跡規(guī)劃方法，有 效解決低空救援航空器在復(fù)雜地形、天氣和密集飛行條件下運行的有序高效，有效提高救 援空域的空中交通安全性。
[0005] 本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種基于三維空域網(wǎng)格的低空救援航空器航跡規(guī)劃方 法，其包括如下步驟
[0006] 步驟1，建立空域網(wǎng)格劃分，確定空域航空器飛行環(huán)境；
[0007] 步驟2,確定改進(jìn)的A*算法的單個航空器航跡規(guī)劃；
[0008] 步驟3,多航空器無沖突的戰(zhàn)略航跡規(guī)劃。
[0009] 進(jìn)一步地，所述步驟1中空域航空器采用目視飛行規(guī)則。
[0010] 進(jìn)一步地，所述步驟1中：空域網(wǎng)格劃分包括如下：將低空空域劃分為大小相同的 長方體網(wǎng)格；以網(wǎng)格中心點表示該網(wǎng)格區(qū)域，生成規(guī)則的航跡節(jié)點；網(wǎng)格大小設(shè)定依據(jù)目 視飛行管制間隔以及航空器的性能參數(shù)來確定。
[0011] 進(jìn)一步地，所述步驟2中包括：
[0012] 步驟21，讀取航空器信息，為其創(chuàng)建openlist表，初始化使其只包含初 始節(jié)點即出救點在空域網(wǎng)格中的節(jié)點；創(chuàng)建closelist表，初始化為空；令g(1) =〇,其中，g(n)為從起點即節(jié)點1到當(dāng)前節(jié)點即節(jié)點n的成本，w m(n)為權(quán)重 函數(shù)：咖)=咖-1) + -+ ，兩相鄰節(jié)點之間的距離為：
.........，h(n)為啟發(fā)式距離成本，即從當(dāng)前節(jié)點到目標(biāo)節(jié)點 的最小歐式距離
：1，f (n) = g(n)+h(n)，算法每 次尋求每個節(jié)點最小總成本f(n);
[0013] 步驟22,對于當(dāng)前航空器，在相鄰可到達(dá)的連通的節(jié)點中，從openlist表中選擇 評價函數(shù)值f最小并且滿足約束條件的一個節(jié)點n，作為待擴(kuò)展節(jié)點；將節(jié)點n從openlist 表中刪除并加載到closelist表中；
[0014] 步驟23,如果節(jié)點n是目標(biāo)節(jié)點，停止搜索，轉(zhuǎn)向步驟26 ;否則，轉(zhuǎn)向步驟24;
[0015] 步驟24,對節(jié)點n相鄰節(jié)點并且能夠到達(dá)的節(jié)點中，選擇一個節(jié)點m :
[0016] ①如果m在closelist中并且g(m)更小，更新節(jié)點m的g值，將其父節(jié)點指向n ;
[0017] ②如果m在openlist中并且目前的g(m)較小，更新節(jié)點m的值，將其父節(jié)點指向 n ；
[0018] ③如果m不在openlist和closelist中，將m加入openlist中，計算其g值，將 其父節(jié)點指針指向n ;
[0019] 步驟25,返回執(zhí)行步驟22,繼續(xù)搜索；
[0020] 步驟26,從目標(biāo)節(jié)點向上回溯到起點，記下經(jīng)過的網(wǎng)格節(jié)點，得到從初始節(jié)點到目 標(biāo)節(jié)點，即問題的最優(yōu)航跡，算法終止。
[0021] 進(jìn)一步地，所述步驟3包括：
[0022] 步驟31，基于時間窗原理的以時間換空間多航空器航跡規(guī)劃；
[0023] 步驟32,基于A*算法的以空間換時間多航空器航跡規(guī)劃；
[0024] 步驟33,以步驟31和步驟32計算結(jié)果的時間最小為優(yōu)化準(zhǔn)則，確定航跡規(guī)劃路 徑。
[0025] 進(jìn)一步地，所述步驟31包括：
[0026] 步驟311，在一個確定的[I\~T 2]時間范圍內(nèi)，依據(jù)改進(jìn)的A#算法，分別搜索出n 架航空器的最優(yōu)初始飛行航跡；
[0027] 步驟312,選取任務(wù)等級最高的航空器i的最優(yōu)初始飛行航跡，在時間[Ti-Tj 內(nèi)，任意確定一個起飛時刻根據(jù)飛行航跡計算出各個節(jié)點的保留時間窗；
[0028] 步驟313,選取任務(wù)等級次高的航空器j的最優(yōu)初始飛行航跡，判斷與航空器i是 否有交點，如果沒有，依據(jù)步驟312,確定航空器j的各個航跡節(jié)點的保留時間窗；
[0029] 步驟314,如果有交點，在時間[I\~T2]范圍內(nèi)，確定航空器i交點的空閑時間窗， 依據(jù)最優(yōu)航跡節(jié)點之間的飛行時間，計算出航空器j的起始節(jié)點的空閑時間窗，航空器j的 起飛時刻就是起始節(jié)點空閑時間窗內(nèi)的任意時刻；
[0030] 步驟315,同理，確定了航空器j的起飛時刻，計算出航空器j的各個節(jié)點的保留時 間窗，在航空器i和航空器j的保留時間窗基礎(chǔ)上，依次規(guī)劃其它航空器的起飛時刻，最終 得到最優(yōu)初始飛行航跡不變，起飛時刻受限的多航空器無沖突最優(yōu)飛行航跡。
[0031] 進(jìn)一步地，所述步驟32包括：
[0032] 步驟321，在一個確定的[I\~T 2]時間范圍內(nèi)，依據(jù)改進(jìn)的A#算法，分別搜索出n 架航空器的最優(yōu)初始飛行航跡；
[0033] 步驟322,假定各個航空器起飛時刻<(* = 1，2，...《)已知，選取任務(wù)等級最高的航空器 i的最優(yōu)初始航跡，給定了起飛時刻C根據(jù)飛行航跡計算出各個節(jié)點的保留時間窗；
[0034] 步驟323,選取任務(wù)等級次高的航空器j的最優(yōu)初始航跡，判斷與航空器i最優(yōu)初 始航跡是否有交點，如果沒有，依據(jù)步驟322,確定航空器j的各個航跡節(jié)點的保留時間窗；
[0035] 步驟324,如果有交點，依次判斷兩航空器在交點的保留時間窗是否有重合，如果 沒有重合，航空器按照原計劃飛行，如果有重合，表示當(dāng)前節(jié)點對于航空器j就不可用，