一種基于有向元胞自動機(jī)空中導(dǎo)航及沖突解脫方法
【專利摘要】一種基于有向元胞自動機(jī)空中導(dǎo)航及沖突解脫方法，包括空域數(shù)據(jù)庫模塊、信號自動廣播模塊、接收模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和顯示交互模塊，具體包括以下步驟：根據(jù)ADS-B系統(tǒng)確定空域分割大??；空域模型的建立；以導(dǎo)航飛機(jī)自身為中心，模擬空域建立坐標(biāo)系。該發(fā)明利用現(xiàn)有的機(jī)載設(shè)備，在ADS-B技術(shù)上，即飛機(jī)自動廣播由機(jī)載星基導(dǎo)航和定位系統(tǒng)生成精確的定位信息，建立有向元胞自動機(jī)運(yùn)動規(guī)則，通過有向元胞機(jī)來模擬空域，根據(jù)元胞的運(yùn)行更新，給出了飛機(jī)的導(dǎo)航及沖突解脫的路徑，該方法簡單、有效，能夠大幅度提高航空器的飛行安全性能。
【專利說明】—種基于有向元胞自動機(jī)空中導(dǎo)航及沖突解脫方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于低空導(dǎo)航和空中沖突解脫領(lǐng)域，主要涉及一種基于有向元胞自動機(jī)空中導(dǎo)航及沖突解脫方法。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著空中交通運(yùn)輸?shù)难杆侔l(fā)展，現(xiàn)在的空中交通管理系統(tǒng)已經(jīng)難以滿足日益增長的空中交通流量的需要，隨著國家通用航空快速發(fā)展和低空空域開放帶來的大發(fā)展機(jī)遇，通用航空飛行安全問題越來越凸現(xiàn)出來。部分航空公司和私人飛機(jī)存在著規(guī)模小、底子薄、安全基礎(chǔ)差等客觀因素，特別是一些邊遠(yuǎn)和海洋地區(qū)，地面導(dǎo)航設(shè)備缺乏，需要一種精度高，使用方便的導(dǎo)航設(shè)備和導(dǎo)航系統(tǒng)。
[0003]目前現(xiàn)有的針對飛機(jī)空中沖突解脫的方法，主要是在一系列的假設(shè)基礎(chǔ)上，對空中沖突問題建立數(shù)學(xué)模型，利用現(xiàn)代優(yōu)化算法給出問題解決答案，而沒有將問題進(jìn)行工程化處理，建立切實可行的處理方法；此外，現(xiàn)在的研究大多也沒有考慮飛機(jī)的性能，以及算法的計算難度，針對現(xiàn)有存在的問題，需要一種計算簡單，能結(jié)合現(xiàn)有機(jī)型的設(shè)備，對該問題進(jìn)行處理的方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提供一種基于有向元胞自動機(jī)空中導(dǎo)航及沖突解脫方法，該方法解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，通過有向元胞自動機(jī)對空域模擬演化，提出了飛機(jī)空中導(dǎo)航和空域沖突解脫的方法。
[0005]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明通過以下方式來實現(xiàn):
[0006]一種基于有向元胞自動機(jī)空中導(dǎo)航及沖突解脫方法，包括空域數(shù)據(jù)庫模塊、信號自動廣播模塊、接收模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和顯示交互模塊。
[0007]空域數(shù)據(jù)庫模塊，包括國家規(guī)定的可飛空域和該空域范圍內(nèi)的障礙物的特性參數(shù)；
[0008]信號自動廣播模塊，用于自動廣播由機(jī)載星基導(dǎo)航和定位系統(tǒng)生成的自身精確的定位信息；
[0009]接收模塊，用于接收鄰近飛機(jī)的精確定位信息；
[0010]數(shù)據(jù)處理模塊，用于處理空域數(shù)據(jù)庫模塊和接收模塊接收的鄰近飛機(jī)的定位信息，利用有向元胞自動機(jī)模擬空域，計算出飛機(jī)飛行路徑及沖突時的解脫路徑；
[0011]顯示交互模塊，用于顯示飛機(jī)的導(dǎo)航路徑及鄰近空域內(nèi)其它飛機(jī)與障礙物的信肩、O
[0012]本發(fā)明所提供的一種基于有向元胞自動機(jī)空中導(dǎo)航及沖突解脫方法，包括以下步驟:
[0013]I)在數(shù)據(jù)處理模塊中輸入相關(guān)空域的數(shù)據(jù)信息，將飛行區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆指?，分割的大小根?jù) ADS-B (Automatic Dependent Surveillance Broadcast,廣播式自動相關(guān)監(jiān)視)系統(tǒng)信號的接受和發(fā)射能力確定；
[0014]2)空域模型的建立，利用有向元胞自動機(jī)在航空器飛行空域建立模型；
[0015]21)考慮二維空域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，每個網(wǎng)格代表一個元胞，網(wǎng)格的大小為飛機(jī)盤旋半徑r的2倍，根據(jù)飛行原理，航空器盤旋半徑r為:

V2
[0016]r =-

gtan;/
[0017]其中，V表示飛行速度，g表示重力加速度，Y表示盤旋坡度；
[0018]22)利用二維的Moore型元胞自動機(jī)來定義其鄰居，一個元胞的上、下、左、右、左上、左下、右上、右下相鄰的8個元胞為該元胞的鄰居，其鄰居定義如下:
[0019]Nmoore = Ici = (xix, yiy) I Xix-Xox ( land|yiy-yoy ( 1} (xix, yiy) e Z2，Z 為整數(shù)集合；
[0020]23)每一個元胞狀態(tài)均用布爾代數(shù)來表示，當(dāng)該元胞被占用或系統(tǒng)中的限制區(qū)以及惡劣天氣占用元胞位置時，該元胞狀態(tài)為I，沒有被占用時，元胞狀態(tài)為O ;
[0021]24)將時間t離散化處理，每過h時長，元胞的狀態(tài)自動更新一次，飛機(jī)將根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，判定向臨近鄰居的移動方向，給出飛機(jī)是保持現(xiàn)有航向，還是調(diào)整飛行方向的提示；
[0022]3)以導(dǎo)航飛機(jī)自身為中心，模擬空域建立坐標(biāo)系:
[0023]31)對進(jìn)入空域的航空器從小到大依次分配編號，對離開飛行區(qū)域的飛機(jī)的編號，從小到大依次分配給新進(jìn)入的飛機(jī)，當(dāng)遇到?jīng)_突時，編號最小的飛機(jī)最先調(diào)整方向；
[0024]32)水平軸X:x0表示飛機(jī)所處的水平狀態(tài)，Xd表示飛機(jī)將前行的水平鄰居狀態(tài)，
[0025]垂直軸Y:y0表示飛機(jī)所處的垂直狀態(tài)，yd表示飛機(jī)將前行的垂直鄰居狀態(tài)，
[0026]其中，當(dāng)所處的元胞狀態(tài)為I和yd的值為1，元胞狀態(tài)為O時,其值為
O；
[0027]33)判斷元胞的移動方向，出發(fā)點(diǎn)指向終點(diǎn)的連線方向，是元胞的移動方向，根據(jù)以下條件確定元胞下一離散時間點(diǎn)上的移動方向:
[0028]Xd-X0 > O,元胞向右移動；
[0029]γΑ-γ0 > O,元胞向上移動；
[0030]Xd-X0 < O，元胞向左移動；
[0031 ] yd-y0 < O，元胞向下移動；
[0032]Xd-X0 = O,元胞無水平移動；
[0033]yd_y。= O,元胞無垂直移動。
[0034]4)將導(dǎo)航結(jié)果在顯示交互模塊中進(jìn)行顯示。
[0035]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果:本發(fā)明利用現(xiàn)有的機(jī)載設(shè)備，在ADS-B技術(shù)上，即飛機(jī)自動廣播由機(jī)載星基導(dǎo)航和定位系統(tǒng)生成精確的定位信息，建立有向元胞自動機(jī)運(yùn)動規(guī)則，通過有向元胞機(jī)來模擬空域，根據(jù)元胞的運(yùn)行更新，給出了飛機(jī)的導(dǎo)航及沖突解脫的路徑，該方法簡單、有效，能夠大幅度提高航空器的飛行安全性能。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]圖1為本發(fā)明的飛機(jī)避開限制區(qū)域的飛行示意圖；
[0037]圖2為三架飛機(jī)沖突解脫飛行的仿真軌跡的一種示意圖；
[0038]圖3為圖2在沖突點(diǎn)的具體沖突解脫示意圖；
[0039]圖4為本發(fā)明在沖突點(diǎn)的具體沖突解脫另一種示意圖。

【具體實施方式】
[0040]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明的【具體實施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0041]如圖1所示，一種基于有向元胞自動機(jī)空中導(dǎo)航及沖突解脫方法，包括空域數(shù)據(jù)庫模塊、信號自動廣播模塊、接收模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和顯示交互模塊，
[0042]空域數(shù)據(jù)庫模塊，包括國家規(guī)定的可飛空域和該空域范圍內(nèi)的障礙物的特性參數(shù)；
[0043]信號自動廣播模塊，用于自動廣播由機(jī)載星基導(dǎo)航和定位系統(tǒng)生成的自身精確的定位信息；
[0044]接收模塊，用于接收鄰近飛機(jī)的精確定位信息；
[0045]數(shù)據(jù)處理模塊，用于處理空域數(shù)據(jù)庫模塊和接收模塊接收的鄰近飛機(jī)的定位信息，利用有向元胞自動機(jī)模擬空域，計算出飛機(jī)飛行路徑及沖突時的解脫路徑；
[0046]顯示交互模塊 ，用于顯示飛機(jī)的導(dǎo)航路徑及鄰近空域內(nèi)其它飛機(jī)與障礙物的信肩、O
[0047]以導(dǎo)航飛機(jī)為中心，正東方向為X軸，正北方向為Y軸建立直角坐標(biāo)系，飛機(jī)的盤旋半徑r為:

【權(quán)利要求】
1.一種基于有向元胞自動機(jī)空中導(dǎo)航及沖突解脫方法，其特征在于:包括空域數(shù)據(jù)庫模塊、信號自動廣播模塊、接收模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和顯示交互模塊， 空域數(shù)據(jù)庫模塊，包括國家規(guī)定的可飛空域和該空域范圍內(nèi)的障礙物的特性參數(shù)；信號自動廣播模塊，用于自動廣播由機(jī)載星基導(dǎo)航和定位系統(tǒng)生成的自身精確的定位信息； 接收模塊，用于接收鄰近飛機(jī)的精確定位信息； 數(shù)據(jù)處理模塊，用于處理空域數(shù)據(jù)庫模塊和接收模塊接收的鄰近飛機(jī)的定位信息，利用有向元胞自動機(jī)模擬空域，計算出飛機(jī)飛行路徑及沖突時的解脫路徑； 顯示交互模塊，用于顯示飛機(jī)的導(dǎo)航路徑及鄰近空域內(nèi)其它飛機(jī)與障礙物的信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于有向元胞自動機(jī)空中導(dǎo)航及沖突解脫方法，其特征在于:該方法包括以下步驟: 1)在數(shù)據(jù)處理模塊中輸入相關(guān)空域的數(shù)據(jù)信息，將飛行區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆指?，分割的大小根?jù)ADS-B系統(tǒng)信號的接受和發(fā)射能力確定； 2)空域模型的建立，利用有向元胞自動機(jī)在航空器飛行空域建立模型； 21)考慮二維空域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，每個網(wǎng)格代表一個元胞，網(wǎng)格的大小為飛機(jī)盤旋半徑r的2倍，根據(jù)飛行原理，航空器盤旋半徑r為:
其中，V表示飛行速度，g表示重力加速度，Y表示盤旋坡度； 22)利用二維的Moore型元胞自動機(jī)來定義其鄰居，一個元胞的上、下、左、右、左上、左下、右上、右下相鄰的8個元胞為該元胞的鄰居，其鄰居定義如下:
Nmoore = Ici = (xix, yiy) I Xix-Xox ( land|yiy-yoy ( I}, (xix, yiy) e Z2，Z 為整數(shù)集合； 23)每一個元胞狀態(tài)均用布爾代數(shù)來表示，當(dāng)該元胞被占用或系統(tǒng)中的限制區(qū)以及惡劣天氣占用元胞位置時，該元胞狀態(tài)為I，沒有被占用時，元胞狀態(tài)為O ; 24)將時間t離散化處理，每過&時長，元胞的狀態(tài)自動更新一次，飛機(jī)將根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，判定向臨近鄰居的移動方向，給出飛機(jī)是保持現(xiàn)有航向，還是調(diào)整飛行方向的提示； 3)以導(dǎo)航飛機(jī)自身為中心，模擬空域建立坐標(biāo)系: 31)對進(jìn)入空域的航空器從小到大依次分配編號，對離開飛行區(qū)域的飛機(jī)的編號，從小到大依次分配給新進(jìn)入的飛機(jī)，當(dāng)遇到?jīng)_突時，編號最小的飛機(jī)最先調(diào)整方向； 32)水平軸X:x0表示飛機(jī)所處的水平狀態(tài)，Xd表示飛機(jī)將前行的水平鄰居狀態(tài)， 垂直軸Y:y0表示飛機(jī)所處的垂直狀態(tài)，yd表示飛機(jī)將前行的垂直鄰居狀態(tài)， 其中，當(dāng)所處的元胞狀態(tài)為I時，x^xpy。和yd的值為I，元胞狀態(tài)為O時,其值為O ; 33)判斷元胞的移動方向，出發(fā)點(diǎn)指向終點(diǎn)的連線方向，是元胞的移動方向，根據(jù)以下條件確定元胞下一離散時間點(diǎn)上的移動方向: xd-x0 > O,元胞向右移動； yd-y0 > O,元胞向上移動； xd-x0 < O,元胞向左移動； yd-y。< O,元胞向下移動；xd-x0 = O，元胞無水平移動；yd-y0 = O，元胞無垂直移動。4)將導(dǎo)航結(jié)果在顯示交互模塊中進(jìn)行顯示。
【文檔編號】G08G5/00GK104183159SQ201410427250
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月27日
【發(fā)明者】董兵, 劉曉明 申請人:中國民用航空飛行學(xué)院