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航路飞行冲突探测与解脱方法研究

作　者: 胡光华
导　师: 李彬
学　校: 武汉理工大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 空中交通管制冲突探测冲突解脱最优控制极小值原理
分类号: V355
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 476次
引　用: 2次
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内容摘要

随着民用航空事业的蓬勃发展和军事飞行训练任务的逐步加重,空中交通流量急剧增加,飞行空域日趋拥挤,飞行冲突日益严重。为了保证各种飞行的安全和通畅,飞行中任意两架航空器之间的距离都不能小于规定的安全间隔,因此冲突探测与解脱技术将是保证飞行安全、加速空中交通流量的关键。冲突探测就是通过机载和地面监视设备对航空器的飞行位置、高度和速度等信息进行计算,利用它们的飞行计划与当前时刻的航行诸元来预测它们未来时刻的位置,判断航空器之间的间隔是否小于规定的安全值,从而实现冲突的预测、告警功能。一旦任意两架航空器的预测位置违反安全间隔要求,就宣布存在潜在冲突,立即进入冲突解脱过程。冲突解脱就是在探测到潜在的飞行冲突后,规划出避免飞行冲突的理想轨迹,以便飞行管理系统能够按照该轨迹操纵航空器自主飞行,并摆脱潜在的冲突。作者结合数年航空管制工作的经验,在三维空间的基础上,建立了航空器的质点运动轨迹、安全保护区模型、冲突探测模型,制定出航路飞行冲突的识别方法;阐述了飞行冲突解脱的相对运动方法——调整航向法和调节速度法。采用最优控制理论进行航路飞行冲突解脱,通过相关的控制变量返回到航空器自动控制系统,并最终回归到原航线,不改变其飞行计划。结合实际飞行情况,对追及飞行、交叉航路的飞行冲突具体实例从垂直和水平两个方向分别采取协作方式和非协作方式分析了其冲突解脱策略。在飞行冲突解脱的相对运动方法中,调整航向法在任何时候都能有效地解脱冲突,航空器之间的距离越大、航空器之间的航向差越大,航向的改变量就越小,但是航向的改变将会使航空器原定的飞行计划发生改变。当航空器之间的距离大于6倍的安全水平间隔时,调节速度法可以有效避让飞行冲突,航空器同时可以继续保持原定的飞行航线实施飞行。基于最优控制的航路飞行冲突探测与解脱方法能较好地避免航路飞行冲突,该方法对改进流量管理、防止过度拥塞,提高运行效益、确保飞行安全,有重要的理论研究价值和现实指导意义。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-17
  1.1 课题研究背景  10-11
  1.2 课题研究目的  11-12
  1.3 课题研究现状  12-15
    1.3.1 国外研究现状  12-15
    1.3.2 国内研究现状  15
  1.4 本文的主要工作  15-17
第2章航空器飞行安全间隔与最优控制  17-30
  2.1 飞行管制部门与职能  17-19
    2.1.1 飞行管制  17
    2.1.2 民航空中交通管理  17-19
    2.1.3 管制手段  19
  2.2 安全间隔标准  19-21
    2.2.1 飞行间隔  19-20
    2.2.2 间隔标准  20-21
  2.3 飞行冲突及空中相撞的风险等级  21-22
  2.4 航路飞行间隔及危险接近规定  22-24
    2.4.1 航路  22-23
    2.4.2 航路飞行的垂直间隔  23-24
    2.4.3 航路飞行危险接近  24
  2.5 最优控制理论  24-28
    2.5.1 概述  24-25
    2.5.2 最优化问题  25-27
    2.5.3 泛函的极值  27-28
  2.6 本章小结  28-30
第3章航路飞行冲突的探测方法  30-40
  3.1 坐标系和运动方程  30-32
  3.2 航空器保护区模型  32-35
    3.2.1 立方体保护区模型  32-33
    3.2.2 圆柱保护区模型  33-34
    3.2.3 球形保护区模型  34
    3.2.4 椭球保护区模型  34-35
  3.3 飞行冲突探测方法  35-39
    3.3.1 概率型飞行冲突探测方法  36
    3.3.2 确定型飞行冲突探测方法  36-39
      3.3.2.1 相对运动方法  36-38
      3.3.2.2 保护区边界法  38-39
  3.4 本章小结  39-40
第4章航路飞行冲突的解脱方法  40-51
  4.1 两机飞行冲突解脱的相对运动方法  40-43
    4.1.1 调整航向法  40-41
    4.1.2 调节速度法  41-42
    4.1.3 解脱实例  42-43
  4.2 冲突解脱的最优控制方法  43-45
  4.3 侧向冲突解脱方案  45-48
    4.3.1 [t_0,t_c]时段  46-47
    4.3.2 [t_c,t_f]时段  47-48
  4.4 基于最优控制的飞行冲突解脱流程  48-49
  4.5 本章小结  49-51
第5章飞行冲突的最优控制解脱方法实例分析  51-65
  5.1 追及飞行冲突  51-57
    5.1.1 实例描述  51-52
    5.1.2 调整航向  52-55
      5.1.2.1 非协作调整航向冲突解脱策略  52-54
      5.1.2.2 协作调整航向冲突解脱策略  54-55
    5.1.3 改变飞行高度  55-57
      5.1.3.1 非协作改变高度冲突解脱策略  55-56
      5.1.3.2 协作改变高度冲突解脱策略  56-57
  5.2 交叉航路冲突  57-63
    5.2.1 实例描述  57-58
    5.2.2 调整航向  58-60
      5.2.2.1 非协作调整航向冲突解脱策略  58-59
      5.2.2.2 协作调整航向冲突解决策略  59-60
    5.2.3 改变飞行高度  60-63
      5.2.3.1 非协作改变高度冲突解脱策略  61
      5.2.3.2 协作改变高度冲突解脱策略  61-63
  5.3 算法分析  63-64
  5.4 本章小结  64-65
第6章总结与展望  65-67
  6.1 全文总结  65
  6.2 展望  65-67
参考文献  67-70
作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文  70-71
致谢  71

航路飞行冲突探测与解脱方法研究

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