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基于SAS算法的起飛一發(fā)失效應(yīng)急路徑規(guī)劃方法

2016-11-20 02:05:11焦衛(wèi)東程穎柯然
航空學(xué)報(bào) 2016年10期
關(guān)鍵詞:離場(chǎng)航跡代價(jià)

焦衛(wèi)東, 程穎, 柯然

1.中國(guó)民航大學(xué) 天津市智能信號(hào)與圖像處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300300 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)銀行 科技部, 上海 200000

基于SAS算法的起飛一發(fā)失效應(yīng)急路徑規(guī)劃方法

焦衛(wèi)東1,*, 程穎1, 柯然2

1.中國(guó)民航大學(xué) 天津市智能信號(hào)與圖像處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300300 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)銀行 科技部, 上海 200000

為解決起飛一發(fā)失效應(yīng)急程序(EOSID)手動(dòng)設(shè)計(jì)的不足,提出一種基于SRTM數(shù)據(jù)的稀疏A*搜索(SAS)算法的EOSID路徑規(guī)劃方法。首先采用航天飛機(jī)雷達(dá)地形測(cè)繪使命(SRTM)的網(wǎng)格地形數(shù)據(jù),結(jié)合起飛一發(fā)失效相關(guān)規(guī)章,考慮爬升梯度與保護(hù)區(qū)限制確定可行搜索空間;然后基于可行搜索空間運(yùn)用稀疏A*搜索算法搜索應(yīng)急離場(chǎng)路徑,在傳統(tǒng)A*算法尋找擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)時(shí)加入起飛性能約束條件,同時(shí)利用地形高程數(shù)據(jù)進(jìn)行地形和威脅回避,生成一條三維應(yīng)急離場(chǎng)航跡;最后利用三次樣條曲線(xiàn)對(duì)規(guī)劃的應(yīng)急離場(chǎng)航跡進(jìn)行平滑處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法能自動(dòng)搜索出有效的EOSID三維航跡。

EOSID; 航跡規(guī)劃; 稀疏A*算法; 起飛性能; 三次樣條曲線(xiàn)

隨著航空運(yùn)輸業(yè)不斷發(fā)展,自然條件復(fù)雜機(jī)場(chǎng)增加,起飛性能的安全性和經(jīng)濟(jì)性矛盾日漸突出。為保障起飛安全基礎(chǔ)上的經(jīng)濟(jì)性,民航局規(guī)定航空承運(yùn)人必須制定相應(yīng)機(jī)型的起飛一發(fā)失效應(yīng)急(Engine out Standard Instrument Departure, EOSID)程序。

目前EOSID由性能工程師和程序設(shè)計(jì)人員手動(dòng)設(shè)計(jì)完成,設(shè)計(jì)工作量大,技術(shù)難度高,需要在全動(dòng)模擬機(jī)上反復(fù)迭代,結(jié)果并非最優(yōu)。近幾年國(guó)外對(duì)EOSID的航跡規(guī)劃研究初步展開(kāi),將無(wú)人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)航跡規(guī)劃的先進(jìn)技術(shù)運(yùn)用到EOSID航跡自動(dòng)規(guī)劃中。2010年9月第十屆AIAA ATIO(Aviation Technology,Integration,and Operations)會(huì)議上,Talgorn等[1]設(shè)計(jì)了一個(gè)自動(dòng)優(yōu)化EOSID水平航跡的軟件。軟件通過(guò)混合遺傳算法對(duì)一發(fā)失效的航跡進(jìn)行全局優(yōu)化,利用最小梯度對(duì)地形進(jìn)行優(yōu)化處理,最終得到由一系列導(dǎo)航指令集組成的EOSID路徑,該路徑以離散的航跡指令序列作為有效航跡,僅提供有效幾個(gè)操作類(lèi)別及導(dǎo)航設(shè)備數(shù)量,并未得到連續(xù)航跡。2011年8月AIAA導(dǎo)航與技術(shù)會(huì)議上,Masson等[2]提出采用基于A*算法的UAV航跡規(guī)劃技術(shù)規(guī)劃起飛一發(fā)失效路徑[3-4],但未考慮實(shí)際飛機(jī)航向限制。以上航跡規(guī)劃算法均基于二維平面搜索,無(wú)法有效進(jìn)行地形和威脅回避。中國(guó)現(xiàn)階段主要側(cè)重于EOSID設(shè)計(jì)制作及性能分析[5-7],設(shè)計(jì)主要基于手動(dòng)完成,對(duì)EOSID航跡規(guī)劃的相關(guān)研究較少。

本文采用稀疏A*(Sparse A* Search,SAS)算法,將一發(fā)失效的規(guī)章限制與地形數(shù)據(jù)相結(jié)合構(gòu)造三維搜索空間,在傳統(tǒng)A*算法尋找擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)基礎(chǔ)上考慮航向角、爬升/下滑角等約束條件,同時(shí)將地形威脅引入代價(jià)函數(shù),使規(guī)劃航跡滿(mǎn)足實(shí)際飛行性能和越障要求;對(duì)規(guī)劃航跡進(jìn)行平滑處理并在MATLAB及三維地理信息系統(tǒng)中對(duì)規(guī)劃路徑進(jìn)行驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)在真實(shí)地形環(huán)境中自動(dòng)生成可行的EOSID三維連續(xù)航跡。

1 EOSID制作規(guī)范

起飛標(biāo)準(zhǔn)儀表離場(chǎng)(Standard Instrument Departure,SID)程序是按照飛機(jī)全發(fā)工作而設(shè)計(jì)的飛機(jī)起飛水平航跡,選取的障礙物范圍(保護(hù)區(qū))較大。起飛重量按飛機(jī)起飛一發(fā)失效情況計(jì)算,若考慮同樣大保護(hù)區(qū)和爬升梯度,則允許的起飛重量太小,嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)效益。EOSID是有別于SID的飛行航跡路線(xiàn),考慮的障礙物范圍較SID小得多,制作該程序可增大飛機(jī)的最大起飛重量,從而增大飛機(jī)商載能力,提高營(yíng)運(yùn)效益。

根據(jù)飛機(jī)起飛一發(fā)失效應(yīng)急程序制作規(guī)范,飛機(jī)起飛限制和規(guī)定包括最小爬升梯度能力、最小超障高度及起飛保護(hù)區(qū)規(guī)定[8-10]。

1)最小爬升梯度

凈飛行航跡定義為總飛行航跡減去一個(gè)安全余量后的垂直飛行航跡,減去的安全余量為:0.8%(雙發(fā))、1.0%(四發(fā))。凈飛行航跡必須滿(mǎn)足最小爬升梯度限制,如表1所示。

2)超障余度

飛機(jī)起飛凈飛行航跡須以35英尺的余度(對(duì)于轉(zhuǎn)彎坡度大于15°的為50英尺)越過(guò)保護(hù)區(qū)內(nèi)所有障礙物,如圖1所示。

3)起飛保護(hù)區(qū)

CCAR121.189規(guī)定起飛航跡徑區(qū)的半寬,為提供一個(gè)較大安全余量,離場(chǎng)時(shí)保護(hù)區(qū)半寬為:從跑道末端90 m開(kāi)始,以12.5%的擴(kuò)張率擴(kuò)張至900 m寬,然后保持標(biāo)稱(chēng)航跡兩側(cè)900 m等距直至起飛航跡的結(jié)束點(diǎn),如圖2所示。圖2中:TOD為起飛距離,TORA為可用起飛滑跑距離,TODA為可用起飛距離,cwy為凈空道,E為保護(hù)區(qū)寬度,E0為保護(hù)區(qū)起始寬度,D為起飛跑道末端DEK至離場(chǎng)航跡的水平距離。

表1 起飛段最小爬升梯度限制Table 1 Minimum climb gradients at takeoff segment

圖1 超障余度Fig.1 Obstacle clearance redundancy

最大起飛重量須滿(mǎn)足起飛保護(hù)區(qū)內(nèi)最小爬升梯度、超障余度要求。綜上對(duì)于起飛的規(guī)章限制,設(shè)計(jì)EOSID應(yīng)考慮:避開(kāi)關(guān)鍵地形障礙物、安全越障、滿(mǎn)足規(guī)定爬升梯度和安全余量(保護(hù)區(qū))等。

圖2 離場(chǎng)保護(hù)區(qū)Fig.2 Departure splay

2 基于SAS的EOSID路徑規(guī)劃算法

理論上,對(duì)于規(guī)劃空間內(nèi)每一個(gè)位置,航跡可從任意方向經(jīng)過(guò),采用傳統(tǒng)A*算法進(jìn)行航跡搜索在擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)時(shí),需要考慮鄰域中所有網(wǎng)格單元,且生成的航跡無(wú)法滿(mǎn)足飛機(jī)起飛性能約束條件[11-12]。

SAS算法與A*算法路徑規(guī)劃的算法思想皆為從起始點(diǎn)開(kāi)始擴(kuò)展直到目標(biāo)點(diǎn)從而得到一條路徑。算法擴(kuò)展過(guò)程的節(jié)點(diǎn)可分為3類(lèi):①已被擴(kuò)展的節(jié)點(diǎn);②已經(jīng)產(chǎn)生但未擴(kuò)展的節(jié)點(diǎn);③尚未產(chǎn)生的節(jié)點(diǎn)。其中,第1類(lèi)節(jié)點(diǎn)可稱(chēng)之為封閉節(jié)點(diǎn),算法進(jìn)行搜索時(shí)將該類(lèi)節(jié)點(diǎn)存放在CLOSED表內(nèi);第2類(lèi)節(jié)點(diǎn)是已產(chǎn)生,同時(shí)等待擴(kuò)展的節(jié)點(diǎn),因而稱(chēng)之為開(kāi)放節(jié)點(diǎn),搜索時(shí)存于OPEN表內(nèi)。與傳統(tǒng)A*算法不同,在擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)時(shí)SAS算法并不遍歷當(dāng)前節(jié)點(diǎn)鄰域內(nèi)每個(gè)網(wǎng)格單元,只考慮其中若干扇面,有效地剪除搜索空間并縮短收斂時(shí)間[13-14]。

2.1 SAS算法航跡規(guī)劃過(guò)程

采用SAS算法進(jìn)行EOSID路徑規(guī)劃,數(shù)據(jù)源為航天飛機(jī)雷達(dá)地形測(cè)繪使命(Shuttle Radar Topography Mission, SRTM)提供的地形高程數(shù)據(jù),算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖3所示。

首先根據(jù)一發(fā)失效梯度限制對(duì)地形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,構(gòu)造三維搜索空間,同時(shí)將一發(fā)失效的規(guī)章限制與搜索空間相結(jié)合,使規(guī)劃航跡滿(mǎn)足一發(fā)失效垂直越障要求;其次在A*算法尋找當(dāng)前點(diǎn)的擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)時(shí)考慮航向和爬升/下滑等約束條件,并在計(jì)算各擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)代價(jià)函數(shù)時(shí)引入地形威脅,評(píng)價(jià)各節(jié)點(diǎn)代價(jià),找出代價(jià)最小的節(jié)點(diǎn)直至到達(dá)目標(biāo)點(diǎn);然后對(duì)規(guī)劃航跡數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理得到可行的三維路徑;最后與官方離場(chǎng)程序進(jìn)行可視化對(duì)比驗(yàn)證。由于離場(chǎng)路徑要考慮導(dǎo)航臺(tái),將規(guī)劃航跡分割成從跑道末端到導(dǎo)航臺(tái)、從導(dǎo)航臺(tái)到終點(diǎn)的多段航跡,每段航跡都采用上述方法進(jìn)行航跡規(guī)劃。

圖3 基于稀疏A*(SAS)算法的EOSID航跡規(guī)劃過(guò)程Fig.3 EOSID path planning process based on sparse A* search(SAS) algorithm

2.2 規(guī)劃空間的處理

根據(jù)第1節(jié)EOSID規(guī)章,對(duì)規(guī)劃空間的約束可考慮制作規(guī)范中的兩個(gè)因素:一發(fā)失效最小爬升梯度能力、起飛航跡保護(hù)區(qū)。起飛一發(fā)失效離場(chǎng)路徑應(yīng)滿(mǎn)足最小爬升梯度2.4%,因此可將搜索空間確定為梯度為2.4%的“圓錐梯度面”,如圖4所示,對(duì)于離場(chǎng)區(qū)域的地形高程,若穿過(guò)圓錐面則被認(rèn)為不可通過(guò),反之規(guī)劃為可用搜索空間。

圖4 錐面搜索空間Fig.4 Search space cone

同時(shí),對(duì)于地形復(fù)雜機(jī)場(chǎng),須考慮EOSID航跡保護(hù)區(qū)。為確保規(guī)劃航跡的橫向安全間隔,選擇對(duì)地形數(shù)據(jù)進(jìn)行腐蝕算法處理,將與障礙物相鄰的區(qū)域進(jìn)行裁剪處理,縮小搜索空間,保證規(guī)劃航跡與離場(chǎng)障礙物的安全間隔,得到裁剪后的搜索空間。

然后,對(duì)SRTM地形高程數(shù)據(jù)在二維網(wǎng)格單元基礎(chǔ)上,按不同高度等級(jí)劃分第三維度,構(gòu)造三維搜索空間,并根據(jù)圓錐梯度面和裁剪后搜索空間確定每一個(gè)三維網(wǎng)格單元的可行性。

2.3 航跡約束條件

受飛行器性能限制,采用稀疏A*算法進(jìn)行路徑規(guī)劃時(shí)要考慮角度約束、航跡段長(zhǎng)度約束等[15-17];同時(shí),按照EOSID制作規(guī)范要求,需要考慮超障余度要求。因此,在航跡規(guī)劃過(guò)程中,考慮的約束條件主要有:最大拐彎角φmax、最大爬升/下滑角θmax、最大/小航跡段長(zhǎng)度Lmax/lmin及超障余度要求。其中拐彎角φ及爬升角θ不能超過(guò)最大限制,即

(1)

航跡段長(zhǎng)度li應(yīng)滿(mǎn)足的條件為

(2)

其中:飛行器在改變飛行姿態(tài)前必須保持直飛的最短距離lmin由飛行器機(jī)動(dòng)能力和導(dǎo)航要求決定,在SAS搜索過(guò)程中擴(kuò)展步長(zhǎng)表示最小航跡段長(zhǎng)度;Lmax由飛行器攜帶燃料及允許飛行時(shí)間確定,在SAS算法中表現(xiàn)為所有航跡段長(zhǎng)度之和小于或等于一個(gè)預(yù)先設(shè)定的最大距離。

2.4 航跡點(diǎn)代價(jià)函數(shù)

SAS算法航跡點(diǎn)代價(jià)函數(shù)為

f(x)=g(x)+h(x)

(3)

式中:g(x)為起始點(diǎn)到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)x的真實(shí)代價(jià);啟發(fā)代價(jià)h(x)為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)代價(jià)的估計(jì)值,以當(dāng)前點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的距離來(lái)表示。在SAS進(jìn)行航跡搜索時(shí),將規(guī)劃空間網(wǎng)格化,通過(guò)代價(jià)函數(shù)式(3)評(píng)估各擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)代價(jià)值,選擇代價(jià)最小點(diǎn)加以擴(kuò)展,直至找到目標(biāo)點(diǎn),生成規(guī)劃航跡。g(x)由式(4)給出[18]

(4)

式中:n為總航跡段數(shù);w1、w2分別為航跡長(zhǎng)度和威脅指數(shù)對(duì)g(x)的影響權(quán)重;li為第i段航跡的長(zhǎng)度,通過(guò)約束航跡總長(zhǎng)度,減少飛機(jī)飛行時(shí)間;fi,threat為第i段航跡的威脅指數(shù),限制飛機(jī)盡量避免威脅區(qū)域飛行,具體計(jì)算方法為

(5)

式中:m為已知威脅個(gè)數(shù),fi,j為第j個(gè)威脅對(duì)第i段航跡的威脅指數(shù),其中航跡的任意位置點(diǎn)y受到第j個(gè)威脅影響的威脅指數(shù)計(jì)算方法為[19]

fi,j(y)=

(6)

式中:Kj為第j個(gè)威脅的強(qiáng)度;Rj(y)為飛機(jī)與第j個(gè)威脅的距離。

威脅確定為規(guī)劃離場(chǎng)路徑時(shí)應(yīng)考慮的關(guān)鍵地形障礙。計(jì)算fi,j時(shí),沿第i段航跡進(jìn)行積分。為減少計(jì)算量,取第i段航跡中點(diǎn)的威脅指數(shù)作為該段航跡所有點(diǎn)的平均威脅指數(shù)。

2.5 航跡節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展方式

SAS算法擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)時(shí),結(jié)合2.3節(jié)的約束條件,考慮飛機(jī)的物理性能,對(duì)飛行航跡的每一步航向限制為φmax;同時(shí),考慮飛機(jī)起飛的機(jī)動(dòng)性能限制,對(duì)航跡在垂直平面內(nèi)上升和下滑的最大角度限制為θmax;給定單步擴(kuò)展步長(zhǎng)lmin?;诖?,SAS算法在擴(kuò)展當(dāng)前節(jié)點(diǎn)x時(shí),并不遍歷鄰域內(nèi)每一個(gè)網(wǎng)格單元,只考慮其中若干個(gè)扇面,擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)確定的扇面搜索空間如圖5所示。

圖5 當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的可行搜索空間Fig.5 The feasible searching space of current node

P(i)為規(guī)劃節(jié)點(diǎn)當(dāng)前位置,首先由起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)的方位關(guān)系確定扇面方向,在航向角限制內(nèi)均勻選取M個(gè)扇面,由爬升和下滑角確定每個(gè)扇面的邊界,將每個(gè)扇面分成N個(gè)扇區(qū),可表示爬升、平飛、下滑的三維搜索方向,這樣擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)共得到M×N個(gè)扇區(qū),SAS搜索擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)共得到M×N個(gè)子節(jié)點(diǎn)。傳統(tǒng)A*算法考慮當(dāng)前節(jié)點(diǎn)每一個(gè)可能到達(dá)的鄰域網(wǎng)格單元,共26個(gè)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)M=N=3,SAS只需計(jì)算9個(gè)子節(jié)點(diǎn),有效修剪搜索空間的無(wú)用節(jié)點(diǎn),從而減少內(nèi)存需求,縮短收斂時(shí)間。

得到M×N個(gè)擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)后,計(jì)算每個(gè)子節(jié)點(diǎn)的真實(shí)代價(jià)g(x)和啟發(fā)代價(jià)h(x),將生成的子節(jié)點(diǎn)存于OPEN表內(nèi)。每次擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)時(shí),從OPEN表中找出代價(jià)最小節(jié)點(diǎn),以此作為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)展。將當(dāng)前節(jié)點(diǎn)存于CLOSED表內(nèi),同時(shí)將生成的子節(jié)點(diǎn)存于OPEN表內(nèi),一直持續(xù)這一過(guò)程直至找到目標(biāo),規(guī)劃航跡通過(guò)回溯路徑獲得。

2.6 SAS算法搜索步驟

SAS進(jìn)行三維航跡規(guī)劃步驟如下。

步驟1將起始節(jié)點(diǎn)插入OPEN表中,并將其作為當(dāng)前節(jié)點(diǎn),將CLOSED表置空。

步驟2在OPEN表中移出代價(jià)最小元素,把它作為當(dāng)前節(jié)點(diǎn),同時(shí)將其存進(jìn)CLOSED表內(nèi)。

步驟3如果目標(biāo)節(jié)點(diǎn)加入CLOSED表中,航跡搜索過(guò)程結(jié)束。從目標(biāo)節(jié)點(diǎn)開(kāi)始回溯直至到達(dá)起始節(jié)點(diǎn),得到一條從起始節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)代價(jià)最小的路徑。

步驟4擴(kuò)展當(dāng)前節(jié)點(diǎn)

1) 對(duì)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)待擴(kuò)展區(qū)進(jìn)行構(gòu)造。將進(jìn)入當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的航線(xiàn)在水平面上的投影方向作為對(duì)稱(chēng)軸,此時(shí)待擴(kuò)展區(qū)水平剖面是最大拐彎角φmax的2倍。

2) 分割待擴(kuò)展區(qū)。待擴(kuò)展區(qū)的垂直剖面關(guān)于水平方向?qū)ΨQ(chēng),大小為最大爬升/下滑角θmax的2倍。

3) 對(duì)擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)中的每一個(gè)子節(jié)點(diǎn),根據(jù)式(3)計(jì)算每一個(gè)子節(jié)點(diǎn)代價(jià)f(x),找出代價(jià)最小的節(jié)點(diǎn)。

步驟5對(duì)于步驟4計(jì)算得到的每個(gè)最小代價(jià)節(jié)點(diǎn),與OPEN表中每個(gè)節(jié)點(diǎn)g值對(duì)比判斷是否可得到更小的g,如果能就更新該節(jié)點(diǎn)的g,h值,如果該節(jié)點(diǎn)在CLOSED表中或者是障礙物(不可達(dá))則忽略。

步驟6返回步驟 2。

步驟7輸出規(guī)劃結(jié)果。

2.7 航跡數(shù)據(jù)的平滑處理

由2.6節(jié)得到一系列三維網(wǎng)格點(diǎn),根據(jù)DEM數(shù)據(jù)和經(jīng)緯高的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,可獲得規(guī)劃路徑的三維航跡數(shù)據(jù)。由于規(guī)劃空間基于SRTM網(wǎng)格數(shù)據(jù),當(dāng)前航跡點(diǎn)的下一航向僅限于有限個(gè)方向,規(guī)劃路徑在某些航跡點(diǎn)出現(xiàn)較大航向變化,因此采用3次B樣條曲線(xiàn)擬合的方法對(duì)航跡進(jìn)行平滑處理,得到一條平滑后的離場(chǎng)路徑。關(guān)于三次B樣條曲線(xiàn)擬合的詳細(xì)表述參考文獻(xiàn)[19-20]。

2.8 規(guī)劃航跡的合理性

由2.7節(jié)得到平滑處理后的三維航跡,即為最終規(guī)劃EOSID路徑,將其與官方公布的離場(chǎng)程序在三維地理信息系統(tǒng)軟件中進(jìn)行三維可視化顯示,在三維圖中對(duì)比兩者,確保規(guī)劃路徑與離場(chǎng)路徑一樣避開(kāi)關(guān)鍵地形障礙滿(mǎn)足水平越障要求;同時(shí)以精確數(shù)據(jù)進(jìn)行垂直越障驗(yàn)證,在MATLAB中提取規(guī)劃航跡保護(hù)區(qū)內(nèi)地形高,與規(guī)劃航跡高對(duì)比,驗(yàn)證規(guī)劃航跡滿(mǎn)足在相應(yīng)保護(hù)區(qū)內(nèi)的最低超障要求,以此驗(yàn)證航跡合理性。

3 仿真結(jié)果與分析

林芝機(jī)場(chǎng)被公認(rèn)為國(guó)內(nèi)民航凈空環(huán)境、氣象條件及飛行程序制定最為復(fù)雜的機(jī)場(chǎng),離場(chǎng)程序是RNP(Required Navigation Performance)程序,該程序考慮了一發(fā)失效情況下的安全性與性能。以林芝機(jī)場(chǎng)23號(hào)跑道離場(chǎng)程序?yàn)槔捎肧AS算法進(jìn)行仿真,仿真數(shù)據(jù)源為SRTM提供的90×90數(shù)字地形高程圖;離場(chǎng)航跡規(guī)劃起始點(diǎn)位置為RWY23末端,經(jīng)緯高坐標(biāo)(94.335 0, 29.303 6, 2 948.9),終點(diǎn)為離場(chǎng)程序上距DME導(dǎo)航臺(tái)MIL 5 NM處,高度不低于5 500 m,最大拐彎角φmax和最大爬升/下滑角θmax分別為45° 和30°;最小步長(zhǎng)lmin=90;扇面?zhèn)€數(shù)M=3,每個(gè)扇面扇區(qū)個(gè)數(shù)N=3,離場(chǎng)航跡超障余度為35 ft,根據(jù)已知數(shù)據(jù)利用第2節(jié)算法規(guī)劃從機(jī)場(chǎng)跑道末端到離場(chǎng)程序指定點(diǎn)的路徑。

圖6顯示了航跡規(guī)劃結(jié)果。其中:圖6(a)是以林芝機(jī)場(chǎng)為中心90×90的DEM數(shù)據(jù)地形;圖6(b)是以機(jī)場(chǎng)為中心11 NM地形圖,即參考離場(chǎng)航跡規(guī)劃的空域范圍;圖6(c)為考慮EOSID規(guī)章處理后的規(guī)劃空間,由圖可知搜索空間在EOSID爬升梯度和保護(hù)區(qū)限制下縮小,為下一步的航跡搜索確定了可行搜索空間;圖6(d)為規(guī)劃出的林芝機(jī)場(chǎng)EOSID的二維路徑,包括從跑道末端到導(dǎo)航臺(tái)及從導(dǎo)航臺(tái)到終點(diǎn)兩段航跡;圖6(e)為規(guī)劃的三維路徑。由圖6可知規(guī)劃路徑有效避開(kāi)了關(guān)鍵地形障礙物,三維路徑結(jié)果也說(shuō)明算法有效地規(guī)劃出符合起飛離場(chǎng)剖面的三維路徑。

圖6 林芝機(jī)場(chǎng)航跡規(guī)劃結(jié)果Fig.6 Path planning result of Nyingchi Airport

圖7為林芝機(jī)場(chǎng)的規(guī)劃EOSID離場(chǎng)路徑與平滑處理后航跡,其中圖7(a)為平面圖,圖7(b)為三維空間圖。由圖7可知規(guī)劃航跡在水平剖面和垂直剖面出現(xiàn)直線(xiàn)上升或者下降現(xiàn)象,這是由于網(wǎng)格搜索空間所致,可通過(guò)曲線(xiàn)擬合處理解決該問(wèn)題,平滑后的航跡符合飛機(jī)爬升的機(jī)動(dòng)性能。

圖8為規(guī)劃路徑與林芝機(jī)場(chǎng)離場(chǎng)程序(該程序考慮了一發(fā)失效的性能要求)的三維可視化對(duì)比圖,下方細(xì)亮綠色航線(xiàn)表示林芝機(jī)場(chǎng)RNP離場(chǎng)程序,上方粗暗紅色航線(xiàn)表示規(guī)劃路徑。由圖8 可知規(guī)劃路徑與官方離場(chǎng)程序基本一致。方法實(shí)現(xiàn)了從跑道末端到指定位置的一發(fā)失效應(yīng)急離場(chǎng)路徑規(guī)劃,同時(shí)達(dá)到對(duì)關(guān)鍵地形的規(guī)避,實(shí)現(xiàn)了水平越障。

圖7 規(guī)劃路徑與平滑航跡Fig.7 The planned path and its smoothing

圖8 林芝機(jī)場(chǎng)離場(chǎng)程序與規(guī)劃路徑三維可視化對(duì)比Fig.8 Visualization comparison between the planned path and takeoff procedure of Nyingchi Airport

圖9為規(guī)劃航跡垂直越障驗(yàn)證結(jié)果。由于飛機(jī)起飛段的主要任務(wù)是安全起飛,即從起飛至改平段應(yīng)滿(mǎn)足超障要求,因此規(guī)劃路徑應(yīng)高于最小超障高,即高于保護(hù)區(qū)內(nèi)最高障礙物35 ft,由圖9可知規(guī)劃路徑在飛機(jī)起飛至改平段航跡滿(mǎn)足超障基本要求。

此外通過(guò)MATLAB編程對(duì)SAS算法和A*算法規(guī)劃路徑進(jìn)行對(duì)比。圖10為兩種算法規(guī)劃航跡對(duì)比圖。由圖可知,A*算法雖實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃,但規(guī)劃的路徑接近威脅,與A*相比,SAS算法更有效地規(guī)避了威脅。

圖9 規(guī)劃路徑垂直超障結(jié)果Fig.9 Vertical obstacle clearance result of planned path

圖10 SAS算法與A*算法規(guī)劃航跡對(duì)比Fig.10 Planned path comparison of SAS and A* algorithm

4 結(jié) 論

1) 實(shí)現(xiàn)了從跑道末端到指定點(diǎn)的EOSID路徑自動(dòng)規(guī)劃,滿(mǎn)足EOSID的規(guī)章要求。

2) 在傳統(tǒng)A*算法規(guī)劃路徑的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了三維航跡規(guī)劃。

3) 考慮了約束條件及地形威脅,滿(mǎn)足實(shí)際飛機(jī)性能和越障要求。

4) 與官方公布的離場(chǎng)程序?qū)Ρ闰?yàn)證了規(guī)劃應(yīng)急離場(chǎng)路徑的合理性,與A*算法規(guī)劃路徑對(duì)比驗(yàn)證了該方法的優(yōu)越性。

綜上,本文方法為EOSID路徑的自動(dòng)規(guī)劃提供了一個(gè)可行方案。

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焦衛(wèi)東男, 博士, 副教授, 碩士生導(dǎo)師。主要研究方向: 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在民航中的應(yīng)用及圖像/視頻處理與編碼。

Tel: 022-24092444

E-mail: nxjiaowd@sina.com

URL:www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20160413.1535.002.html

ApathplanningmethodforEOSIDbasedonSASalgorithm

JIAOWeidong1,*,CHENGYing1,KERan2

1.TianjinKeyLabforAdvancedSignalProcessing,CivilAviationUniversityofChina,Tianjin300300,China2.Sci-techDepartment,AgriculturalBankofChina,Shanghai200000,China

Toresolvetheproblemthatengineoutstandardinstrumentdeparture(EOSID)isonlydesignedmanuallybyengineers,asparseA*search(SAS)algorithmbasedonshuttleradartopographymission(SRTM)dataisproposedtooptimizethree-dimensionalenginefailuretakeoffpaths.Thepathplanningisdividedintotwostagesplanningspacedeterminationandpathsearch.Inplanningspace,SRTMgridterraindataisused,andrelevantregulationsofEOSIDareconsideredtodealwithsearchspace.Inpathsearch,SASalgorithmisusedtosearchthedeparturepath.ThetakeoffperformanceconstraintsareaddedintotraditionalA*algorithm.Meanwhile,terrainandthreatavoidanceisfinishedbyusingterrainelevationdatatoproduceathree-dimensionalinsteadofatwo-dimensionaltrajectory.TheplanneddeparturetrajectoryisthensmoothedbythecubicB-splinecurve,andobstacleclearanceverificationisbeingconducted.SimulationresultshowsthattheproposedalgorithmcanbeusedtooptimizeaviableEOSIDthree-dimensionaltrackingautomatically.

engineoutstandardinstrumentdeparture(EOSID);pathplanning;sparseA*search(SAS);takeoffperfor-mance;cubicB-splinecurve

2015-11-13;Revised2015-12-17;Accepted2016-02-22;Publishedonline2016-04-131535

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2015-11-13;退修日期2015-12-17;錄用日期2016-02-22; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間

時(shí)間:2016-04-131535

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.Tel.:020-24092444E-mailnxjiaowd@sina.com

焦衛(wèi)東, 程穎, 柯然. 基于SAS算法的起飛一發(fā)失效應(yīng)急路徑規(guī)劃方法J.航空學(xué)報(bào),2016,36(10):3140-3148.JIAOWD,CHENGY,KER.ApathplanningmethodforEOSIDbasedonSASalgorithmJ.ActaAeronauticaetAstronauticaSinica,2016,36(x):3140-3148.

http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn

0.7527/S1000-6893.2016.0051

V328.3

A

1000-6893(2016)10-3140-09

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