GRIB数据及其在航迹预测中的应用

四维航迹预测的准确性是轨迹运行与空管决策支持的基础,而高空风数据支持下的气象建模是提高航迹预测准确性的关键。通过解析GRIB格式的风数据,获取各高度层的风速和风向,同时依据风对地速、航向的影响进行四维航迹预测建模,利用浦东机场的进场航班实现仿真验证,将预测结果与实际雷达轨迹对比,验证了风影响下四维航迹预测的准确性。     

具有时间约束的无人机遗传算法航迹规划

为无人机进行航迹规划不仅要满足路径的有效性,还需要考虑无人机的到达时间约束.将遗传算法应用于动态环境中无人机的航迹规划,通过编码生成初始航迹,确定合理的适应度函数和进化操作,同时根据要求到达时间约束为每个航迹加入过点速度和到达时间信息,最终搜索规划出可飞且满足时间约束的航迹.在仿真实验中实现了针对移动目标的规划和突然出现威胁的局部重规划.     

民用航空器四维航迹预测技术综述

民用航空器四维航迹预测是保障飞行安全、提升运行效率、缓解航班延误、倡导绿色飞行的有效支撑和重要保证.四维航迹预测的研究集中于如下领域:预测结构与流程、预测模型与方法、误差分析与精度提升,其中航迹预测模型与方法是核心,主要包括混合估计模型、质点运动模型与机器学习方法.最后,总结与提炼开展民用航空器四维航迹预测研究的思路和热点,并相应指出了未来的研究方向.     

飞行管理系统中飞行计划模块的功能设计与仿真实现

飞行计划模块包括飞行计划管理、航迹优化计算、飞行中实时执行等子功能模块。首先研究了飞行计划的人工创建、自动创建、状态管理等功能模块的实现方式;然后研究了水平航迹(水平计划)合成、三维航迹(垂直轨迹)优化和四维航迹生成模块的实现方式;对于飞行计划的实时执行功能模块,研究了由于危险天气、空管限制、飞机构形等因素限制而进行计划偏离、直飞、等待、激活备用计划、航路备降、盘旋等待等功能模块的实现方式;最后以波音737-800飞机的相关数据为例进行了仿真计算,研究结果可为飞行管理系统的研究提供参考。     

TBO模式下终端区进场交通流优化模型与仿真分析

持续增长的交通需求量和日趋饱和的可用空域资源促使未来空中交通管理向基于航迹运行（TBO）的精细化管理模式转变。在TBO概念的基础上，依据目前繁忙机场终端区常见进场航线结构，提出了对应TBO模式下的截点直飞方式与融合点方式进场交通流优化模型，并以法国戴高乐机场终端区为例，构建了仿真运行环境。基于实际飞行计划与雷达记录轨迹模拟生成了航空器四维航迹，而后运用上述2种模型对进场交通流进行了优化，根据仿真结果对特定交通流参数展开了对比分析。研究结果表明，模型可通过航迹选择、时隙分配、顺序交换及动态间隔等方式有效化解终端区内潜在的航空器冲突并保持交通流安全高效运行，同时在一定程度上揭示了TBO模式下交通流的部分运行特性，为以四维航迹为核心的未来空中交通管理策略提供了理论支持。     

基于高空风修正的四维航迹优化算法

航迹预测是基于航空器航迹运行的核心技术,也是空中交通流量管理的基础技术。结合航空器飞行速度数据与航段飞行时间数据,分析高空风对航空器飞行时间的影响。基于GRIB2格式风数据,建立高空风修正模型,提出一种四维航迹优化算法进行航迹预测。利用中南区域实际航班飞行数据进行算例仿真,并与实际雷达飞行数据进行对比。对比结果表明,预测飞行时间总误差分别减少了7%和16.4%,从而验证了模型的有效性与正确性。     

受限航路空域自主航迹规划与冲突管理技术

为了解决在基于航迹运行的空中交通管理自动化系统中人机意识同步的问题，以航路运行为对象，开展了面向受限空域的自主四维航迹（4DT）冲突探测与解脱（CD&R）技术研究。基于自由航线空域（FRA）环境，提出基于栅格的空域离散化处理与计算方法；在此基础上，提出受限空域自主航迹运行两阶段方法：阶段1运用可视图（VG）法和Dijkstra算法，实现了满足限制区约束的航空器期望航迹快速规划；阶段2提出航迹可达时空域模型及其图形化表达方法，并基于连续飞行动力学推导出了不同情况下的航空器位置更新模型，并采用局部冲突探测与解脱方法，以飞行距离最短为目标，实现航空器自主路径与速度联动规划，从而支撑空地、人机认知同步的无冲突四维航迹生成；最后，以中国西部典型空域为运行场景开展仿真实验，验证了所提方法的计算高效性和模型有效性，并对栅格尺寸和探测距离这2个关键参数进行了灵敏度分析。结果表明，所提方法能够支撑复杂空域高密度运行环境自主航迹运行，为推动自主空中交通系统发展提供了新思路和新方法。     

固定翼无人机编队集结控制算法研究

针对固定翼无人机协同作战时的编队集结问题，提出了一种新的路径规划和位置分配方法，并设计了包括航迹跟踪、高度保持和速度控制在内的自动驾驶仪。该路径规划算法通过矩阵迭代得到一组较优的目标点分配方案，满足总航程较小和同时到达约束。根据得到的各无人机飞向目标点的航迹，算出无人机编队集结的代价矩阵。在每架无人机确定了应飞航路后，开始沿航路飞向目标点，在此过程中，纵向采用高度保持自动驾驶仪，横向采用航迹跟踪自动驾驶仪，控制无人机按规定航迹飞行。速度调节自动驾驶仪可根据速度指令调节油门大小加减速，跟踪上目标速度，进而实现编队集结。仿真结果验证了所提出的编队集结控制方法的有效性和可行性。     

柔性空域结构下连续下降航迹多目标优化

连续下降运行（CDO）是基于航迹运行（TBO）概念的重要组成,对于减少机场终端区燃油消耗和环境影响具有显著效果。简洁、高效和灵活的进场空域,以及高度自动的无冲突节能轨迹规划,是实现高密度终端区连续下降运行的核心要素。设计了一种融合Point Merge理念的新型倒皇冠形进场空域（ICSAA）,规范了新型空域内航空器运行程序,建立了以燃油消耗和飞行时间最小为目标的连续下降进近无冲突四维轨迹优化模型,并选用基于精英保留策略的非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）进行高效求解。论证了新型柔性空域下连续下降运行轨迹优化具备复杂高密度场景预战术和战术运行性能,对于飞行效率、经济性和空域容量提升具有显著效果,为促进繁忙机场全时段连续下降运行的推广应用提供新视角和新方法。     

战斗机航迹可飞性过载检验算法

生成满足战斗机过载约束条件的三维航迹以及对航迹进行可飞性过载检验是战斗机航迹规划的重要内容。利用B样条曲线拟合战斗机航迹并计算航迹曲率,给出了航迹可飞性过载判断准则以及相应的保证措施,即降低速度与调整导航点。通过对某型战斗机按拟合航迹飞行的需用过载进行仿真并对航迹可飞性进行过载约束检验,有效地验证了调整导航点位置的两条可用原则:防撞优先与规避优先。该算法对于实现战斗机三维航迹规划生成以及航迹可飞性过载检验具有一定的实用价值。     

基于Radau伪谱法的无人作战飞机四维轨迹规划

针对无人作战飞机(UCAV)打击时敏目标和多机协同攻击问题,提出一种基于Radau伪谱法(RPM)的无人作战飞机四维攻击轨迹规划方法。在综合考虑UCAV气动力特性、大气环境特性基础上建立了高精度UCAV(3-DOF)质点模型,并设计了约束条件和目标函数;基于动态RCS建立威胁模型,构建了最优控制理论框架的UCAV四维攻击轨迹规划模型;通过RPM将动态RCS威胁下的四维攻击轨迹规划问题转换为非线性优化问题,然后利用SNOPT软件包进行求解。仿真结果表明,该方法能够以较快的速度和较高的精度生成满足多种复杂约束条件的四维攻击轨迹。     

终端区域理想速度剖面的生成

本文着重探讨了飞机进入终端区域后理想速度剖面的生成问题,目的是通过执行理想剖面生成算法,达到对飞机进行精确的时间控制,消除等待时间,提高机场利用率,达到节省燃料减少延误的目的。     

多飞行器再入段时间协同弹道规划方法

提出了一种多飞行器再入段时间协同弹道规划方法。首先,在纵向平面内规划满足航程与终端约束的纵向标称轨迹。随后,在采用轨迹跟踪律跟踪纵向标称轨迹的同时,运用考虑初始横侧向状态的多边界航向偏差角走廊策略控制飞行器的横侧向机动,以满足到达时间约束与终端约束,进而实现单枚飞行器到达时间约束下的轨迹规划。在此基础上,完成了飞行器的到达时间分布与飞行能力分析,给出了最小与最大到达时间的分析计算方法,并根据多飞行器协同再入的任务需求完成了协同飞行时间决策。最后,多飞行器协同再入与扰动条件下的仿真结果表明,该方法能够规划出满足到达时间与终端约束的协同再入轨迹,具备良好的计算精度与鲁棒性。     

基于改进ARA*算法的无人机在线航迹规划

针对无人机三维在线航迹规划对算法速率、航迹最优性的需求,提出了基于改进ARA^*算法的无人机在线航迹规划方法。首先,建立无人机三维航迹规划的数学模型;然后,提出了节点空间约简策略、局部启发项策略以提高算法收敛速率,并针对复杂规划环境提出了启发因子自适应递减策略。仿真结果表明,所提算法能够快速、稳定地生成首条可行航迹,并在剩余时间内不断提高航迹质量,可应用于不同类型的在线规划任务,动态地适应规划时间与航迹最优性的要求。     

多飞行器动态目标追踪协同控制研究

多飞行器追踪动态目标是一个协同控制问题,需要根据目标飞行状态,协同各个追踪飞行器的飞行状态,最终能够在某动态的最佳点实现同时到达。考虑到目标具有较强的机动性,轨迹通常为非线性的,设计了一种基于非线性轨迹预测的、以剩余时间为控制变量的一致性控制方案。仿真结果表明,提出的控制方案能够实现空间位置相距较远的多飞行器动态追踪,具有较好的灵活性和收敛性,目标轨迹的预测结果与实际轨迹误差较小,恰当的轨迹估计有助于缩短追踪时间,提高追踪效率。     

多滑翔飞行器时间协同轨迹快速规划

从高超声速飞行器集群"探测-打击-评估"一体化任务需求出发,针对多滑翔飞行器时间协同再入轨迹规划问题进行研究,提出集群再入的协同形式及轨迹规划方案,基于改进序列凸化算法解决了再入总飞行时间的精确控制问题,从而实现滑翔段时间协同。首先,给出了滑翔飞行器集群的协同策略,将求解模型转化为协同时间的确定、协同时间约束下的轨迹规划子问题。将模型中的时间项误差等加入罚函数,提高了协同轨迹求解可行性。引入飞行路径角预设剖面作为软约束,并通过罚函数与信赖域自适应调整,以避免轨迹求解时的振荡问题,提高了序列凸化算法的收敛性。以CAV-H飞行器模型为例验证了算法的有效性,仿真结果表明,所提算法对初值的敏感性低,求解得到的再入总时间可调范围与伪谱法一致,轨迹规划结果的平滑性及计算时间均优于伪谱法。     

基于三维空域网格的低空飞行航迹战略规划方法

针对复杂低空环境下航空应急救援飞行安全问题,提出了一种基于三维空域网格的飞行航迹战略规划方法。将空域网格化分成多个飞行航迹节点,同时考虑地形、气象、飞行规则以及航空器性能等多种约束,使用改进的A*算法搜索单个航空器的最优飞行航迹。在单个航空器初始飞行航迹基础上,结合时间窗原理,提出两种方法解决了多机无冲突航迹战略规划问题。最后,通过案例仿真验证了方法的有效性。     

基于数字地图预处理的低空突防航迹规划

为保证飞行器能够实现所规划的航迹,研究了将地形及飞行器性能等信息融合构造虚拟地形表面的数字地图预处理方法,包括数据插值具体步骤和地形平滑处理方法。通过设计综合地形跟随、地形回避、威胁回避(TF/TA2)的目标函数,对最小威胁曲面进行转化,提高了实时航迹规划的速度,采用微分进化(DE)优化算法,实现了三维TF/TA2最优实时航迹规划。仿真结果表明,此地图预处理和实时航迹规划算法是有效可行的。