池懌 余磊

摘要：針對(duì)民用飛機(jī)在執(zhí)行航線飛行過(guò)程中遇到飛行員失能等異常情況，傳統(tǒng)的飛行管理系統(tǒng)（FMS）無(wú)法自動(dòng)重新規(guī)劃合理路徑。本文采用與路徑平滑技術(shù)相結(jié)合的動(dòng)態(tài)A*算法作為軌跡規(guī)劃算法?；趯?dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建初始路徑，考慮天氣限制、禁飛區(qū)域、空管指令、機(jī)場(chǎng)條件等約束條件的影響，建立路徑規(guī)劃的代價(jià)函數(shù)，通過(guò)最小化實(shí)際成本和啟發(fā)式成本的總和來(lái)選擇后繼點(diǎn)，減少了不必要節(jié)點(diǎn)的搜索負(fù)擔(dān)。在異常情況下，能夠監(jiān)控檢測(cè)到這些變化并規(guī)劃出最適合降落機(jī)場(chǎng)的航路，在擴(kuò)展民用航空應(yīng)急響應(yīng)措施、提高安全性方面具有重要意義。

關(guān)鍵詞：飛行管理系統(tǒng)；航路規(guī)劃；航路約束；動(dòng)態(tài)A*；導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)

中圖分類號(hào)：V355文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.10.008

民航飛行員通常使用飛行管理系統(tǒng)來(lái)規(guī)劃航路，通過(guò)在機(jī)上選擇預(yù)定航線來(lái)生成飛行計(jì)劃，然而由于受到逐臺(tái)飛行空域體系的制約，當(dāng)遇到飛行員惡意操作等異常情況時(shí)，傳統(tǒng)飛行管理系統(tǒng)無(wú)法越過(guò)飛行員操控權(quán)限，重新規(guī)劃飛行路徑來(lái)保證飛行安全。隨著下一代空管體系架構(gòu)的推進(jìn)，空地協(xié)商機(jī)制的不斷完善[1-3]，航路在線智能規(guī)劃技術(shù)在民航領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越具有重要意義。

目前，航路規(guī)劃算法多用于無(wú)人機(jī)避撞問(wèn)題，有許多例子表明Dijkstra算法或動(dòng)態(tài)規(guī)劃等離散方法在無(wú)人機(jī)航路規(guī)劃中的普及[4-6]，由于飛行管理系統(tǒng)對(duì)航路規(guī)劃計(jì)算時(shí)間的需求在100ms以下，考慮到在空中交通法規(guī)施加在商用飛機(jī)上大量約束的情況，因此，采用動(dòng)態(tài)A*算法，并利用該算法的的高效性，實(shí)現(xiàn)航路智能的軌跡規(guī)劃的研究。

本文主要的研究?jī)?nèi)容包括基于導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)的場(chǎng)景建模、軌跡規(guī)劃算法研究、緊急著陸和航路偏移算法研究，最后通過(guò)仿真軟件來(lái)完成算法的驗(yàn)證。

1基于數(shù)據(jù)庫(kù)的場(chǎng)景建模

1.1數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建

正常的民機(jī)飛行軌跡中，一個(gè)完整的軌跡被分解為一系列的飛行航段。飛機(jī)的水平飛行和使用航路點(diǎn)以一定傾斜角的轉(zhuǎn)向可以定義一個(gè)橫向剖面，一個(gè)橫向剖面通常用一系列的航路點(diǎn)來(lái)描述，航路點(diǎn)的高度限制定義了垂直的剖面。在起飛后，飛機(jī)遵循標(biāo)準(zhǔn)儀表離場(chǎng)程序（SID），SID提供了起飛階段到航路階段的飛行程序。在著陸前，飛機(jī)遵循標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)近程序（STAR），STAR提供了航路過(guò)渡到終端區(qū)的飛行程序[7]。

航路點(diǎn)、SID、STAR、跑道、航線等信息通常存儲(chǔ)在導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)中。航空數(shù)據(jù)供應(yīng)商將航空公司選擇范圍內(nèi)的航空情報(bào)資料（AIP）進(jìn)行ARINC 424格式編碼[8]后提供給飛行管理系統(tǒng)（FMS）制造商。FMS制造商將這些信息匯總后，轉(zhuǎn)換成FMS所能存儲(chǔ)和讀取的機(jī)載導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)格式文件。導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容如圖1所示。

在進(jìn)行民用飛機(jī)軌跡規(guī)劃建模時(shí)，應(yīng)使用標(biāo)識(shí)搜索、嵌套查詢等方法從導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)中選?。汉铰伏c(diǎn)經(jīng)緯度、航路點(diǎn)高度限制、機(jī)場(chǎng)經(jīng)緯度、SID、STAR、航線方向等存到航路點(diǎn)路徑中，并建成有向連通帶權(quán)圖。以供路徑規(guī)劃時(shí)使用。

1.2約束條件

（1）禁飛區(qū)

可以通過(guò)x，y和h坐標(biāo)，使用幾何形狀或形狀的組合來(lái)定義空間中的禁飛區(qū)，連接位于該區(qū)域中的任何兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的線被標(biāo)記為障礙，由軌跡搜索算法進(jìn)行評(píng)估，從而完全避免該指定區(qū)域。

（2）天氣

在實(shí)際環(huán)境中，天氣是制約飛機(jī)飛行能力的一大重要因素。在飛行過(guò)程中飛機(jī)會(huì)收到從地面控制中心發(fā)送的天氣預(yù)報(bào)，每半小時(shí)一次，預(yù)報(bào)的內(nèi)容會(huì)包括發(fā)布天氣預(yù)報(bào)的時(shí)間、天氣的類型、該天氣的中心點(diǎn)緯度、中心點(diǎn)經(jīng)度、起始半徑、結(jié)束半徑以及天氣情況等級(jí)，其中天氣情況等級(jí)共分為0～9的10級(jí)情況，9表示需要繞飛。對(duì)于特殊的天氣（如雷暴、颶風(fēng)）會(huì)提示緊急天氣。在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，將天氣狀況量化到每?jī)蓚€(gè)航路點(diǎn)之中，作為航路選擇的代價(jià)進(jìn)行參考。

（3）地面監(jiān)管和空中交通管理

商業(yè)航班在空中的飛行需要遵循一定的程序。一般來(lái)說(shuō)，飛機(jī)在飛行中需要沿著固定的航路飛行。飛機(jī)飛行過(guò)程中，一些極端天氣的發(fā)生或者空中交通管理的出現(xiàn)，使得飛機(jī)需要就近選擇降落機(jī)場(chǎng)，或者執(zhí)行繞飛操作。

2軌跡規(guī)劃算法研究

Dijkstra算法使用廣度優(yōu)先搜索策略，忽略了很多有用信息，考慮到禁飛區(qū)、天氣、空中交通管理等大量約束的情況，A*算法既能夠像Dijkstra算法那樣搜索到最短路徑，又能像廣度優(yōu)先搜索算法（BFS）一樣使用啟發(fā)式函數(shù)進(jìn)行搜索，是適用于民用飛機(jī)路徑規(guī)劃的一種智能路徑規(guī)劃算法[9]。

航路在線智能規(guī)劃的核心規(guī)劃算法是A*算法。通過(guò)最小化實(shí)際成本加上啟發(fā)式成本的總和來(lái)選擇后繼點(diǎn)，軌跡規(guī)劃先通過(guò)基于圖論的A*算法，求出兩個(gè)航路點(diǎn)之間的低精度最小權(quán)重路徑。在使用基于三維地圖網(wǎng)格化的A*算法，在基于低精度規(guī)劃的路徑基礎(chǔ)上，進(jìn)行迭代細(xì)化生成高精度路徑。

2.1低精度軌跡規(guī)劃

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)的搭建、應(yīng)用場(chǎng)景的建模，此時(shí)已經(jīng)得到了一個(gè)供進(jìn)行規(guī)劃的包括天氣等信息的全局的“地圖”或者“圖形”，在該圖上，根據(jù)起飛機(jī)場(chǎng)、降落機(jī)場(chǎng)以及航路點(diǎn)進(jìn)行分割，點(diǎn)與點(diǎn)之間連線填入成本函數(shù)值，然后在這個(gè)地圖上使用A*智能路徑搜索算法，規(guī)劃出一條最優(yōu)的航跡，該航跡使得總體的成本函數(shù)值最小。機(jī)場(chǎng)、航路點(diǎn)這些點(diǎn)與點(diǎn)之間連線構(gòu)成了低精度下的橫向剖面軌跡，如圖2所示。

航路點(diǎn)的位置以經(jīng)緯度等二維信息表示，根據(jù)相應(yīng)的航空飛行規(guī)定、飛機(jī)的性能和載重以及考慮到天氣等因素，給每個(gè)航路點(diǎn)規(guī)劃出一個(gè)高度，生成低精度下的垂直剖面軌跡。低精度的航路搜索算法在飛行前已經(jīng)開(kāi)啟。飛機(jī)在已知飛行的任務(wù)的情況下，根據(jù)起始機(jī)場(chǎng)以及天氣預(yù)報(bào)等信息，能夠生成一個(gè)低精度的包含航路點(diǎn)序列信息的路徑。低精度規(guī)劃流程圖如圖3所示。

2.2高精度規(guī)劃節(jié)點(diǎn)拓展

低精度下的軌跡的建立側(cè)重在起飛前進(jìn)行整體規(guī)劃，它對(duì)飛行員如何駕駛飛機(jī)完成從出發(fā)機(jī)場(chǎng)到目的地機(jī)場(chǎng)的整段飛行軌跡進(jìn)行了規(guī)劃。但是低精度針對(duì)實(shí)時(shí)威脅效果不佳，因此需要高精度動(dòng)態(tài)航線生成算法進(jìn)行輔助。高精度下的算法側(cè)重于及時(shí)監(jiān)控檢測(cè)動(dòng)態(tài)威脅變化并通過(guò)規(guī)劃的軌跡將飛機(jī)拉回原有航線、回到設(shè)計(jì)的包線中去，以順利達(dá)到下一航路點(diǎn)。高精度規(guī)劃流程圖如圖4所示。

在高精度下，當(dāng)飛機(jī)即將轉(zhuǎn)彎時(shí)，在每個(gè)檢測(cè)到的轉(zhuǎn)彎角度大于一定數(shù)值的地方進(jìn)行一次杜賓斯路徑平滑，最大轉(zhuǎn)彎角和最大爬升、下降角將作為約束加到后繼節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)展中。

在擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)x時(shí)，使用的A*算法并不遍歷該區(qū)域內(nèi)的每一個(gè)位置單元，而是在記錄飛機(jī)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)與父親節(jié)點(diǎn)的情況下，選擇處于飛行方向前進(jìn)的位置的單元，從而使得算法搜索的的時(shí)間復(fù)雜度更低。

2.3代價(jià)函數(shù)的選取

在航線規(guī)劃時(shí)，節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的連線需要設(shè)定一個(gè)代價(jià)函數(shù)的值。代價(jià)函數(shù)的選擇綜合考慮航線的長(zhǎng)度、禁飛區(qū)、天氣等的因素。對(duì)于低精度航路搜索，最主要的考慮是航線的長(zhǎng)度，航線的長(zhǎng)度是影響燃油消耗的最主要的因素，對(duì)于禁飛區(qū)和動(dòng)態(tài)威脅，可以通過(guò)設(shè)置一個(gè)極大的系數(shù)，使得航線避開(kāi)，此外，考慮天氣復(fù)雜度等限制因素：

在執(zhí)行高精度搜索時(shí)，要么是飛機(jī)被嚴(yán)格限制在既定航路，要么是執(zhí)行飛機(jī)包線等緊急情況，此時(shí)非極端天氣不再是考慮的因素。因此只將極端天氣等價(jià)為禁飛區(qū)一樣，成為必須避開(kāi)的區(qū)域，化為約束。

3緊急著陸規(guī)劃和航路偏移算法研究

3.1緊急著陸規(guī)劃

緊急著陸規(guī)劃應(yīng)評(píng)估因飛行員惡意操作可能帶來(lái)的應(yīng)急狀況，自動(dòng)選定合適的著陸備降機(jī)場(chǎng)，最大程度上保障乘客、機(jī)組人員以及地面人員安全，需要考慮以下因素：（1）緊急著陸備選機(jī)場(chǎng)距離當(dāng)前位置的距離，當(dāng)前位置到備選機(jī)場(chǎng)的航線距離、航線的天氣等因素；（2）飛機(jī)估計(jì)可著陸范圍內(nèi)的潛在著陸點(diǎn)，以及這些著陸點(diǎn)的特征，如城市密度、跑道長(zhǎng)度和寬度、天氣條件和應(yīng)急設(shè)施[10]等。

綜合考慮途中、進(jìn)近、跑道和機(jī)場(chǎng)設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)等因素，能夠評(píng)估不同的潛在的緊急著陸計(jì)劃，并作為緊急迫降的機(jī)場(chǎng)選擇的主要參考指標(biāo)。

當(dāng)收到緊急降落信號(hào)時(shí)，飛機(jī)需選擇緊急降落機(jī)場(chǎng)并進(jìn)行路徑規(guī)劃。其做法為：在初始化時(shí)就已經(jīng)對(duì)每段航路的緊急降落機(jī)場(chǎng)進(jìn)行了規(guī)劃。針對(duì)每段航路，都有兩個(gè)列表，一個(gè)列表存儲(chǔ)最近的5個(gè)機(jī)場(chǎng)，另一個(gè)列表存儲(chǔ)綜合代價(jià)最小的5個(gè)機(jī)場(chǎng)。所謂綜合代價(jià)，指的是對(duì)每個(gè)航道而言，給每個(gè)機(jī)場(chǎng)定義一個(gè)權(quán)重，其權(quán)重公式為：

3.2航路偏移修正

航路偏移修正算法將飛機(jī)經(jīng)度、緯度、高度、速度、航向角、航跡角與已規(guī)劃的路徑點(diǎn)進(jìn)行比較，用誤差計(jì)算函數(shù)以設(shè)定好的算法將兩者誤差量化。當(dāng)誤差在可調(diào)整范圍內(nèi)時(shí)，調(diào)整當(dāng)前路徑。當(dāng)誤差超過(guò)調(diào)整上限，重新規(guī)劃路徑。對(duì)應(yīng)的流程圖在飛機(jī)飛行過(guò)程中，定時(shí)往程序中發(fā)送飛機(jī)的位置以及狀態(tài)信息，并判斷是否距離下一目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離在不斷減小。當(dāng)飛機(jī)距離下一目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離增大時(shí)，判斷是否已經(jīng)到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，到達(dá)當(dāng)前目標(biāo)節(jié)點(diǎn)后及時(shí)更新目標(biāo)節(jié)點(diǎn)為規(guī)劃路徑上的下一節(jié)點(diǎn)。當(dāng)未到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，但是此時(shí)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)距離在不斷增大時(shí)，判斷根據(jù)偏差大小分別啟動(dòng)高精度路徑規(guī)劃和低精度路徑規(guī)劃。流程圖如圖5所示。

4仿真試驗(yàn)結(jié)果

仿真試驗(yàn)中使用FlightGear作為仿真激勵(lì)，使用的飛機(jī)模型為Cessna550，通過(guò)UDP與FlightGear通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，使用C語(yǔ)言完成算法軟件實(shí)現(xiàn)。

（1）導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用測(cè)試

以上海虹橋機(jī)場(chǎng)（ZSSS）到廣州白云機(jī)場(chǎng)（ZGGG）的航路搜索為例。算法軟件搜索出的上海虹橋機(jī)場(chǎng)到廣州白云機(jī)場(chǎng)的航路序列為：ZSSS， NXD， KAKIS， TOL， ELNEX， SHR， XUVGI， NF， SAGON， PLT， MABAG， IGONO， ZGGG，長(zhǎng)度為1213.4km。與AIRCN全球航路查詢系統(tǒng)比較，該網(wǎng)站搜索出的航路為：ZSSS， NXD， KAKIS， TOL， ELNEX， SHR， XUVGI， NF， SAGON， PLT， MASGU， MABA， IGONO， ZGGG，長(zhǎng)度為1210.7km。兩個(gè)規(guī)劃結(jié)果基本一致，因此能夠驗(yàn)證規(guī)劃算法可以基于標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)完成從起飛機(jī)場(chǎng)到目的地機(jī)場(chǎng)的規(guī)劃。

（2）軌跡規(guī)劃測(cè)試

將ZSSS-ZGGG作為擬定航線，添加禁飛區(qū)信息，禁飛區(qū)1經(jīng)度為28.416667°，禁飛區(qū)1緯度為118.970000°，禁飛區(qū)1半徑為100km，禁飛區(qū)2經(jīng)度為30.700000°，禁飛區(qū)2緯度為114.800000°，禁飛區(qū)2半徑為300km。規(guī)劃的航路序列為：ZSSS，AND， VEXEX， SHZ， REMIM， PAMVU， DST， RUPOX， LJG， FQG， ENVEN， ATSAB， AMURI， XLN， TEBON， IKATA， SWA， BEBEM， SUMDO， OVGOT， VIPAP， GLN， IDUMA， ZGGG，該條航路可繞過(guò)禁飛區(qū)。

（3）航路偏移測(cè)試

設(shè)計(jì)在水平和垂直方向上兩個(gè)測(cè)試場(chǎng)景，完成航路偏移測(cè)試。（1）當(dāng)飛機(jī)偏離航道中心10km以上；將ZSSS-ZGGG作為擬定航線，在FlightGear的Map中，拖動(dòng)飛機(jī)偏離航線10km以上，規(guī)劃出新路徑能夠到達(dá)ZGGG。（2）當(dāng)飛機(jī)還在航道內(nèi)，但當(dāng)前目標(biāo)點(diǎn)高度過(guò)低時(shí)；測(cè)試通過(guò)加入地形數(shù)據(jù)來(lái)模擬飛行過(guò)低的情況，在普通情況下（即無(wú)任何障礙時(shí)），ELNEX（119.49，29.631667）航路點(diǎn)附近的高度規(guī)劃，如圖6所示。

增加地形障礙：經(jīng)度為29.529972°，緯度為119.362778°，地形半徑為1000m，起點(diǎn)高度為0，終點(diǎn)高度為12000m，ELNEX（119.49，29.631667）航路點(diǎn)附近的水平路徑規(guī)劃路線及其高度規(guī)劃如圖7所示。規(guī)劃出的路徑能夠繞開(kāi)地形障礙，在高度過(guò)低時(shí)重新規(guī)劃路徑。

（4）緊急著陸規(guī)劃測(cè)試

將ZSSS-ZGGG作為擬定航線，當(dāng)實(shí)時(shí)獲得塔臺(tái)的指令后，會(huì)給出5個(gè)適合降落的機(jī)場(chǎng)信息，選擇ZSWX之后，能夠規(guī)劃出到該機(jī)場(chǎng)的軌跡。

5結(jié)束語(yǔ)

本文提出了基于導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)的民用飛機(jī)智能航路規(guī)劃方法，在提高安全性方面具有重要意義。針對(duì)異常情況，在傳統(tǒng)飛行管理系統(tǒng)計(jì)劃能力的基礎(chǔ)上提升了自動(dòng)規(guī)劃合理路徑的能力。通過(guò)仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證基本能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)規(guī)劃、緊急著陸規(guī)劃、航路偏移修正，而在機(jī)載設(shè)備上的算法效率問(wèn)題還有待后續(xù)研究。

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（責(zé)任編輯王為）

作者簡(jiǎn)介

池懌（1991-）女，碩士，工程師。主要研究方向：飛行管理系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

Tel：13601869624

E-mail：chi_yi@careri.com

余磊（1993-）男，碩士，工程師。主要研究方向：飛行管理系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)。

Tel：15618628949E-mail：yu_lei@careri.com

Research on Civil Flight Intelligent Trajectory Planning Technology

Chi Yi*，Yu Lei

AVIC Aeronautical Radio Electronics Research Institute，Shanghai 200241，China

Abstract： In the abnormal situation such as pilot trying to fly off the envelope or hit the ground during the flight， the traditional flight management system （FMS） cannot automatically re-plan a reasonable trajectory. In this paper， the dynamic A * algorithm combined with path smoothing technology is used as the trajectory planning algorithm. Based on the navigation database， the initial trajectory is constructed， and the weather restrictions， no-fly zones， air traffic control instructions， airport conditions are concerned. The search cost on unnecessary nodes is reduced by minimizing the actual cost plus the heuristic cost to select successor point. The cost function of trajectory planning is established， and the route to the airport most suitable for landing is planned. Under abnormal conditions， it is possible to monitor and detect these changes in time and plan the route to the most suitable airport for landing， which improves emergency disposal method and safety of civil aviation.

Key Words： flight management system； trajectory planning； trajectory constraints； dynamic A *； navigation database