[发明专利]基于低空风预测模型的安全航迹规划方法

说明书

本发明公开一种基于低空风预测模型的安全航迹规划方法，步骤是：将救援环境的三维网格的网格中心点作为航空器的飞行路径节点，以航空器的垂直安全距离和侧向安全距离为准，对飞行路径节点进行筛选，得到可通行矩阵A；引入距离权重，得到带距离权重的邻接矩阵C；采用Dijkstra算法对邻接矩阵C求解最短路径，途经的节点即为最短航迹节点；利用基于地形坡度的低空风场预测方法得到每个最短航迹节点的风速和风向，结合航空器的航速和航向，得到实际航迹；判断实际航迹是否满足航空器飞行的垂直安全距离和侧向安全距离，若满足则不作处理，若不满足则进行航迹修正，最终得到低空救援安全航迹。此种方法能够准确体现地形坡度对风矢量的影响，保证航迹安全。

技术领域

本发明涉及一种基于低空风预测模型的安全航迹规划方法。

背景技术

目前，在发达国家当中，航空应急救援已经形成比较完善的救援体系，而我国的航空救援体系的发展起步较晚，但随着通用航空产业的发展以及目前救援方式弊端的日趋凸显，以直升机、无人机为主的空中救援模式将成为未来抗震救灾的主要方式。由于救援活动通常包括目视搜救、伤员运输和物资投放等行动，通常需要用于空中救援的通用航空器保持较低高度进行大范围飞行，需要实时的飞行冲突解脱[1]，风险系数高；另一方面，发生灾害的地区又通常为地形地貌较为复杂的山地区域或偏远地区，地面通信导航服务难以对救援航空器提供有效支持和保障，甚至无法覆盖低空救援区域。此时，低空风场以及复杂地形将严重威胁救援航空器的飞行安全，救援效率也严重受限。因此，为了降低飞行触地或与障碍物相撞的可能性，提高救援效率，考虑低空风与地形的安全航迹规划对保证救援航空器安全运行有着重要意义。

低空救援航迹规划的研究，主要围绕如下三类方法开展：

(1)基于栅格的航迹规划技术。基于栅格的算法主要包括RRT算法、A*算法、D*算法、Dijkstra算法、动态规划法。该类方法通过对三维空间栅格化基础上，借助上述算法实现三维航迹规划方法，使生成的航迹可以满足包括最低飞行高度、最大拐爬升/下滑角等在内的各种约束条件，实现飞行冲突回避。如Bazhenov[2]提出了一种从当前飞机位置到预定轨迹变化点的无冲突轨迹形成的算法，以解决航空器和地形冲突问题。算法提供了预定轨迹变化点到达时间同步与飞机前方和安全的高空区域的地形，并提出了一种沿这些轨迹计算航空器速度的算法。Yin[3]研究了在跨大西洋飞行中避免形成持续的航迹时，横向和纵向变化对飞行轨迹的影响。利用复杂的地球系统模型(EMAC)，对飞行时间和飞行距离进行航迹优化。但是这种航迹规划方法更适用于民用航空的航班轨迹规划，且运用场景中没有考虑地形阻碍，与低空救援的情景特点有较大区别。Franco[4]研究了受风不确定性影响的飞机轨迹预测问题，提出飞行时间和燃料消耗的概率分析。该方法侧重于对燃油消耗的分析，这在低空救援任务中不是首要考虑因素。Li[5]提出了一种规划无人机在已知室内环境下的通用路径模型。该方法的特点在于得出的航迹规划路径与障碍保持一定距离，但是这样的航迹路径放在低空救援环境中，却不一定是航程距离最短的路径，忽视了救援效率。