飛行管理系統(tǒng)水平引導(dǎo)過渡路徑構(gòu)建算法

龐 寅，章衛(wèi)國，李廣文

（西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，西安 710027）

飛行水平引導(dǎo)是飛行管理系統(tǒng)的重要功能之一。為了實(shí)現(xiàn)飛行引導(dǎo)功能，必須要有完整的引導(dǎo)路徑。然而，對ARINC424編碼解析得到的航段可能存在折線過渡、航向突變、航段不連續(xù)等問題，各航段間必須建立平滑的過渡路徑，才能生成合理的引導(dǎo)路徑。因此過渡路徑的建立是實(shí)現(xiàn)水平引導(dǎo)的關(guān)鍵技術(shù)之一。同時(shí)，并非所有航段間都可以平滑過渡，在某些情況下，就會(huì)出現(xiàn)非常特殊的“fish-bird”類型。若無法解決“fish-bird”類型的過渡問題，也無法得到平滑的引導(dǎo)路徑。針對上述問題，首先給出建立過渡路徑的方法，并在此基礎(chǔ)上給出“fish-bird”類型的過渡問題解決方案，最后提出了航段間建立過渡路徑的完整流程。

1 飛行計(jì)劃中的航段類型及其過渡路徑

1.1 航段類型簡介

在ARINC424中，按照起點(diǎn)和終點(diǎn)的不同劃分了23種不同類型的航段，常用的航段類型如表1所示。

1.2 航段間的不同過渡類型

ARINC424編碼逐行進(jìn)行解析，航段的過渡也逐航段進(jìn)行分析，這樣有利于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)解析。在ARINC424中，共有6種不同情況的過渡類型。

1）切線過渡，如圖 1 所示。要求已知 Pi、Pm、Pn3 個(gè)航路點(diǎn)，一般為2航段以直線相交于Pm點(diǎn)，這時(shí)就需要一段圓弧進(jìn)行平滑過渡。

表1 ARINC424中常用的航段類型Tab.1 Common leg types in ARINC424

圖1 切線過渡Fig.1 Tangent transition

圖2 方位截獲Fig.2 Position interception

2）方位截獲，如圖2所示。當(dāng)前航段要求已知航向角Xf。

圖 3 45°截獲Fig.3 45°interception

3）45°截獲，如圖3所示。當(dāng)前航段要求已知航路點(diǎn)Pn、航向角Xf。飛機(jī)先以方位截獲到與Xf夾角45°的航線上，再以切線過渡到下一航段。

4）直飛過渡，如圖4所示。當(dāng)前航段要求已知航路點(diǎn) Pn。

圖4 直飛過渡Fig.4 Direct transition

5）圓弧過渡，如圖5所示，已知航段終止時(shí)飛機(jī)的航向角Xi、航段終止點(diǎn)Pi的坐標(biāo)、當(dāng)前航段航路點(diǎn)Pm、Pn、過渡圓弧圓心 O1、過渡半徑 R，當(dāng)前航段為一段圓弧。

圖5 圓弧過渡Fig.5 Arc interception

6）等待，如圖6所示，已知航段終止時(shí)飛機(jī)的航向角Xi、航段終止點(diǎn)Pi的坐標(biāo)、當(dāng)前航段航路點(diǎn)Pn。當(dāng)前航段為等待程序。

其中，航段終止時(shí)飛機(jī)的航向角、航段終止點(diǎn)由解析過的航段給出，當(dāng)前航段信息都由飛行計(jì)劃給出，直接從ARINC424編碼解析的結(jié)果提取所需信息。過渡半徑r已知。

圖6 等待Fig.6 Holding

根據(jù)過渡路徑給出的已知條件，可通過幾何解析得到過渡路徑空間幾何信息，包括過渡圓弧半徑，圓心以及過渡起始點(diǎn)和終止點(diǎn)。

在圓弧過渡和進(jìn)入等待程序時(shí)，要求飛機(jī)直飛向當(dāng)前航段要求航路點(diǎn)。因此在前一航點(diǎn)終止后，需要通過直飛過渡直飛向當(dāng)前航段要求航路點(diǎn)，再進(jìn)入圓弧過渡或等待。

2 特殊過渡路徑

2.1 fish-bird類型介紹

當(dāng)航段都足夠長時(shí)，生成的引導(dǎo)路徑中連續(xù)、平滑過渡路徑可以實(shí)現(xiàn)，過渡路徑之間不會(huì)沖突。但當(dāng)支路比較短或夾角大于90°時(shí)，易出現(xiàn)非連續(xù)路徑，如圖7、圖8所示。這就要求將這些特殊路徑處理得到合理的可飛路徑，以實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)路徑的自動(dòng)生成。圖7中過渡路徑AB超過了支路L2的終點(diǎn)，這種情況稱為“fish”。在這種情況下正常方法無法計(jì)算L2到L3的過渡路徑。圖8中過渡路徑AB終止點(diǎn)B超過了過渡路徑CD的起始點(diǎn)C，這種情況稱為“bird”。在這種情況下飛機(jī)需要從B點(diǎn)倒飛到C點(diǎn)才能完成過渡，這是不合理的。這2種特殊路徑合稱為“fish-bird”。

圖7 “fish”類型Fig.7 Type of“fish”

圖8 “bird”類型Fig.8 Type of“bird”

2.2 fish-bird類型的判斷

如 L1、L2、L3為 3 個(gè)連續(xù)航段，L1航段過渡到 L2航段時(shí)，根據(jù)已知的P1、P2、P3點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)，轉(zhuǎn)彎半徑可解出過渡圓弧的起始點(diǎn)A、終止點(diǎn)B的經(jīng)緯度坐標(biāo)，如圖9所示。

圖9 特殊路徑判斷Fig.9 Judgemeng of special transition

1）判斷過渡終止點(diǎn)B與L2航段終止點(diǎn)P3之間的相對位置。首先根據(jù)B、P2、P3點(diǎn)經(jīng)緯度計(jì)算出B點(diǎn)到 P2點(diǎn)的距離｜BP2｜、B 點(diǎn)到 P3點(diǎn)的距離｜BP3｜、P2點(diǎn)到P3點(diǎn)的距離｜P2P3｜。若｜BP2｜< ｜P2P3｜且｜BP3｜< ｜P2P3｜，則說明過渡路徑未超過了航段終點(diǎn)，否則出現(xiàn)“fish”類。

2）若過渡路徑未超過航段終點(diǎn)，繼續(xù)解析L2航段到L3航段的過渡路徑，根據(jù)已知的P2、P3、P4點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)，轉(zhuǎn)彎半徑可解出過渡圓弧的起始點(diǎn)C、終止點(diǎn)D的經(jīng)緯度坐標(biāo)，這時(shí)，判斷L1、L2航段過渡終止點(diǎn)B與L2、L3航段過渡起始點(diǎn)C之間的相對位置。首先根據(jù)B、C、P3點(diǎn)經(jīng)緯度計(jì)算出 B 點(diǎn)到 C 點(diǎn)的距離｜BC｜、B點(diǎn)到 P3點(diǎn)的距離｜BP3｜、C 點(diǎn)到 P3點(diǎn)的距離｜CP3｜。若｜BC｜< ｜BP3｜且｜CP3｜< ｜BP3｜，則不出現(xiàn)特殊過渡路徑，可以正常過渡；否則出現(xiàn)“bird”類型。

2.3 fish-bird類型的過渡處理

由fish-bird類型的判斷過程可知，2種特殊路徑的出現(xiàn)都是由于L2太短造成的，這時(shí)可舍棄L2航段，由L1航段直接過渡到L3航段。2種特殊路徑的不同在于“fish”類型特殊路徑在L1過渡到L2時(shí)出現(xiàn)的，這是舍棄L2航段，相當(dāng)于舍棄了當(dāng)前航段。而“bird”類型特殊路徑在L2過渡到L3時(shí)出現(xiàn)的，這是舍棄L2航段，相當(dāng)于舍棄了前一航段。

3 航段過渡解析流程

3.1 過渡類型的選擇

根據(jù)當(dāng)前航段的要求不同，結(jié)合前文中介紹的不同過渡類型的要求已知條件不同，可以把過渡類型的選擇歸納如下：

1）當(dāng)前航段給定航向角時(shí)，采用方位截獲；

2）當(dāng)前航段給定航路點(diǎn)時(shí)，采用直飛過渡；

3）當(dāng)前航段給定航路點(diǎn)和航向角時(shí)，由于45°截獲當(dāng)前航段要求已知航路點(diǎn)、航向角，因此可采用45°截獲；

4）過渡時(shí)兩條直線支路相交，采用切線過渡；

5）當(dāng)前航段為一段圓弧時(shí)，先直飛向當(dāng)前航段要求航路點(diǎn)，然后采用圓弧過渡；

6）當(dāng)前航段為HA航段、HF航段或HM航段時(shí)，先直飛向當(dāng)前航段要求航路點(diǎn)，然后進(jìn)入等待程序。

3.2 過渡解析流程

航段間過渡路徑解析流程如圖10所示。

圖10 航段過渡解析流程Fig.10 Analyzing process of flight plan

圖中，i表示當(dāng)前航段序號(hào)；P是指前一未舍棄航段的序號(hào)；i0表示起始航段；n指連續(xù)跳過航段的個(gè)數(shù)。

解析流程如下：

初始化 i=i0，P=i-1；

For i=1：n

If P航段能正常過渡到i航段

建立P航段到i航段的過渡路徑（過渡類型選擇由上文 3.1給出）P=i，i+1

Else

If出現(xiàn)“fish”類型特殊路徑

舍棄i航段，i+1

Else出現(xiàn)“bird”類型特殊路徑

舍棄P航段，P=i-n-1

End

End

4 仿真驗(yàn)證

對如表2中所列飛行計(jì)劃進(jìn)行解析，飛機(jī)初始位置為[36，110]，起始航向角為340°。將和航段解析最關(guān)鍵的飛行計(jì)劃信息列出，如表2所示。

表2 飛行計(jì)劃航段關(guān)鍵信息提取Tab.2 Key information of flight plan

1）從CA航段開始解析，起始航向與CA航段要求航向不同，因此應(yīng)采用方位截獲過渡到CA航段的要求航向角20°，爬升到指定高度CA航段結(jié)束。

2）第2段航段為CF航段，要求航向角合航路點(diǎn)坐標(biāo)，根據(jù)前文中給出的方式判斷可采用切線過渡，到達(dá)CF航段指定定位點(diǎn)[36.27，109.8]，CF航段結(jié)束。

3）在從CF航段過渡到TF航段時(shí)，為兩直線支路相交，采用切線過渡，但經(jīng)判斷出現(xiàn)“bird”類型路徑，因此舍棄第2段航段CF航段，再從CA航段直接過渡到TF航段，采用切線過渡，到達(dá)TF航段航路點(diǎn)[36.17，109.85]，TF 航段結(jié)束。

4）TF航段過渡到DF航段時(shí)，采用直飛過渡，經(jīng)判斷出現(xiàn)“bird”類型路徑，因此舍棄第3段航段TF航段；再從CA航段直接過渡到DF航段，采用直飛過渡，到達(dá)DF航段指定航路點(diǎn)[35.9，109.5]，DF航段結(jié)束。

5）DF航段過渡到CF航段時(shí)，經(jīng)判斷可以采用切線過渡，采用切線過渡過渡到CF航段，到達(dá)CF航段指定定位點(diǎn)[36.05，109.35]，CF航段結(jié)束。

6）CF航段過渡到DF航段時(shí)，過渡類型選擇直飛過渡，經(jīng)判斷出現(xiàn)“fish”類型路徑，舍棄第6段航段DF航段。

7）從第5段航段CF航段過渡到第7段航段CF航段時(shí)，經(jīng)判斷無法使用切線過渡，因此采用45°截獲過渡，到達(dá)CF航段指定定位點(diǎn)[35.9，108.5]，CF航段結(jié)束。至此解析完畢。

圖11 解析前飛行計(jì)劃路徑Fig.11 Flight plan path before analyzing process

圖12 路徑過渡解析結(jié)果Fig.12 Simulation of analyzing process

圖11是解析前飛行計(jì)劃路徑。路徑過渡解析仿真結(jié)果如圖12所示。仿真結(jié)果說明解析流程可解決航段過渡問題，證明了解析流程的可行性，同時(shí)算例中出現(xiàn)了連續(xù)fish-bird類型路徑，該流程也可有效解決。

5 結(jié)語

針對水平引導(dǎo)航段間平滑過渡的問題，首先介紹了航段間的不同過渡類型，然后重點(diǎn)分析了“fishbird”路徑的問題。先介紹問題的出現(xiàn)，接著進(jìn)行分析判斷，并給出解決方案。最后將特殊路徑的問題與航段正常過渡的問題進(jìn)行總結(jié)歸納為過渡類型的選擇問題，并給出完整的解析流程。應(yīng)用所研究理論，可在所有航段間建立平滑可飛的過渡路徑，為水平引導(dǎo)功能的實(shí)現(xiàn)提供了理論支持。

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