低空自由飞行短期冲突探测算法

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1、2017年9月第43卷第9期北京航空航天大学学报JournalofBcijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsSeptember2017V01．43NO．9http：?}bhxb。buaa．edu．cnjbuaa@buaa。edu。enDOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2016．0687低空自由飞行短期冲突探测算法刘洋，向锦武4，罗漳平，金万增(北京航空航天大学航空科学与T程学院，北京100083)摘要：针对低空自由飞行航线自主的特点，提出了一种概率型的短期冲突探测算法。算法考虑导航误差、控制误差及风扰动引起的飞行器位置预测

2、误差，建立了合理的误差模型，以计算短期内飞行器之间的瞬时冲突概率；采用坐标变换以及扩展冲突区域，提出了三维空间内机动飞行情况下，计算冲突概率的近似解析算法。通过与Paielli和Erzberger(P&E)提出的近似算法及MonteCarlo仿真算法的比较，表明本文算法提高了计算冲突概率的准确性，且计算复杂性远远低于MonteCaF

3、O算法，满足低空自由飞行的实时性要求，可实现复杂环境下的冲突探测。关键词：自由飞行；航迹预测；冲突探测；冲突概率；布朗运动中图分类号：V328．5文献标识码：A文章编号：1001．5965(2017)09—1873-09飞行冲突是指飞行过程中飞机之间的距离小于规

4、定的最小间隔，一般分为水平间隔和垂直间隔，相当于在飞机外面形成了一个圆柱形保护区，如果有其他的毪机进入了这个保护区，则形成飞行冲突。低空飞行环境中的空域形态复杂，飞行器密度高，监视系统难以有效覆盖该空域，再加上低空空域内活动的飞行器航线自由度大，导致低空飞行冲突发生的可能性大大增加，飞行安全受到极大威胁。为此要有更加高效的冲突探测和避免手段，以保证低空Is行的安全性。飞行冲突探测是在航迹预测基础上，建立2架或多架飞行器航迹误差模型和飞行碰撞危险模型，计算飞行冲突概率。冲突概率的计算精度决定了预警的准确程度，精度越高准确度越大，飞行冲突探测目前主要采用概率的方法⋯。概率冲突探测方法考虑了飞行器

5、行为的不确定性，采用不确定性模型描述潜在的航迹位置偏差，建立飞行安全卒问模型，计算冲突发生的概率。该方法冲突探测准确率较高，漏警率和虚警率较低，因此应用较为广泛。通常航迹预估是在预定航迹上加一个扰动项，对扰动的建模精度决定了航迹预估的精度，因此航迹预估的难点主要在于对飞行器飞行的干扰因素进行建模。对于低空自由飞行而言，飞行器速度相对较低，且没有航路历史飞行统计数据，因此需要对预测误差进行精细建模，本文把低空白南飞行的误差来源具体地分为3项：导航误差、控制误差、风扰动，对每一项误差来源进行单独建模和分析。经典的冲突探测概率算法如Paielli和Erzberger(P&E)‘2。1的近似算法，假

6、设了飞行速度大小和方向均不改变，只适用于育线飞行，不适用于机动飞行的情况。存P&E近似算法的基础上，很多人做了一些扩展性的研究¨⋯。Prandini等‘”o提出的基于布朗运动的算法，把风等不确收稿日期：2016-08—25；录用13期：2016-11一l8；网络出版时间：2017-01-0611：03网络出版地址：WWWcnki．net／kems／detail／11．2625，V20170106．1103．001．html基金项目：国家“973”计划(2011CB707002)$通讯作者：E—mail：xiangjw@buaaedu．ell引用格式：刘洋，向锦武，罗漳平，等低空自由飞行短期冲

7、荚探捌算法Ⅳ，．北京航宅航天大学学报，2017，43(9)：1873—1881．LIUY，XIANGJW，LUOZP，etalShort—ten3"lconflictdetectionalgorithmforfrceflightinfow—altitudeairspace[JJ．．fournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2017，43(9j：1873—1881(inChinese)．1874北京航空航天大学学报定因素对飞行的影响计人动力学方程，来计算中短期的冲突概率。文献[9—11]针对不同的情况下改进了基于布朗运动的算法

8、。Jilkov等。”o在文献[13]的基础上从航迹预测方面采用多模型来提高预测精度，从而提高了冲突概率的估算精度。Jacquemart和Morio”4。采用IPS(InteractingParticleSystem)算法来提高冲突概率的估算精度，改进了算法的收敛速度。对于机动飞行情况下的冲突探测，MontoCarlo¨5’”。算法虽然能得到较好的结果，但计算量大，计算过程复杂，无法满足实时性要求。本文基于概率