[发明专利]基于航迹的无人机融合空域运行方法

说明书

本发明公开了一种在未来基于航迹的运行规则下使无人机融入空域与其它飞行器共同飞行的方法，尤其是指一种基于航迹的运行规则下战略4D航迹规划的方法，该方法包括：对于无人机的离散化状态方程的建立，对于位置约束，速度约束，加速度约束，障碍约束，以及对于4D航迹规划中的关键因素：航路点约束的建立，通过选取与能量有关的目标函数，建立混合整数规划模型。该方法建模思想明确，且便于实际运用，在实际运用中可采用多种商业求解器进行求解。

技术领域

本发明提供一种在未来基于航迹的运行规则下，使无人机能够融入空域与其它飞行器共同运行的方法，该方法针对未来基于航迹的运行规则下，考虑无人机飞行状态约束、空域中障碍物约束、以及航路点约束的改进混合整数规划的战略4D航迹规划，若无人机能够遵循该4D航迹进行飞行，那么可以判断该无人机可以融入空域，本发明属于系统科学领域。

背景技术

在未来的空中交通管理(ATM)将依赖基于航迹的运行（TBO）模式进行运作，将通过减少管制员的工作量来增加空中交通容量。这通过将更多的战术冲突探测与解脱任务转移到战略规划阶段来实现。TBO的实现需要机载飞行管理系统（FMS）和地面航迹规划系统交互协作，以确保航空器能安全准时地到达指定航路点，因此进行合适的4D航迹规划是TBO成功运行的基础，未来无人机进入空域飞行，必须满足TBO的飞行规则，即未来只有满足4D航迹运行要求的无人机可以融入空域。4D航迹规划需要通过综合考虑航空器运动学模型、性能模型、气象模型、飞行计划、可飞水平路径、计划到达时间等要素来规划最优飞行航迹。4D航迹上位置、时间和航向等属性发生显著变化的点称之为航路点，而航路点信息是构建4D航迹的基础。通过综合考虑航空器运动学模型、性能模型、气象无人机的飞行任务示意图如图1-3所示。未来无人机融入空域需要能够跟随两种不同情况飞行任务的4D航迹对无人机的飞行性能有了更高的要求。

发明内容

我们采用了一种混合整数规划的方法，用来规划TBO规则下的4D航迹。该方法通过限定无人机的4D航路点信息、飞行状态模型、空域中的禁飞区以及能量消耗，给出了能够融入空域进行飞行的无人机的4D飞行航迹，能够跟随此4D航迹的无人机即为未来可以进入空域进行飞行的无人机。

附图说明

图1为无人机在TBO下执行飞行任务示意图(垂直方向)。

图2为无人机在TBO下执行起点与终点不一样的飞行任务水平示意图。

图3为无人机在TBO下执行起点与终点一样的飞行任务水平示意图。

图4为 H取值为4和6时的速度近似多边形。

图5为速度三角进行3D速度约束示意图。

图6为速度约束的3D表示。

具体实施方式

对于本文航迹规划问题的无人机，我们可以表示其状态方程如下：

上式可以改写为：

其中

该式子可以将其离散化为下列形式：

其中是初始状态，是控制输入，且

循环使用离散化之后的式子，我们可以得到：

假设我们解决一个有N个时间步的问题，则我们可以得到一组目标约束：

在没有其他约束的情况下，上式的解是一组N个分段常数控制在N个时间步内将该系统引导到最终状态。