焦衛(wèi)東, 程穎, 柯然
1.中國民航大學 天津市智能信號與圖像處理重點實驗室, 天津 300300 2.中國農(nóng)業(yè)銀行 科技部, 上海 200000
基于SAS算法的起飛一發(fā)失效應急路徑規(guī)劃方法
焦衛(wèi)東1,*, 程穎1, 柯然2
1.中國民航大學 天津市智能信號與圖像處理重點實驗室, 天津 300300 2.中國農(nóng)業(yè)銀行 科技部, 上海 200000
為解決起飛一發(fā)失效應急程序(EOSID)手動設(shè)計的不足,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。首先采用航天飛機雷達地形測繪使命(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區(qū)限制確定可行搜索空間;然后基于可行搜索空間運用稀疏A*搜索算法搜索應急離場路徑,在傳統(tǒng)A*算法尋找擴展節(jié)點時加入起飛性能約束條件,同時利用地形高程數(shù)據(jù)進行地形和威脅回避,生成一條三維應急離場航跡;最后利用三次樣條曲線對規(guī)劃的應急離場航跡進行平滑處理。實驗結(jié)果表明該方法能自動搜索出有效的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
隨著航空運輸業(yè)不斷發(fā)展,自然條件復雜機場增加,起飛性能的安全性和經(jīng)濟性矛盾日漸突出。為保障起飛安全基礎(chǔ)上的經(jīng)濟性,民航局規(guī)定航空承運人必須制定相應機型的起飛一發(fā)失效應急(Engine out Standard Instrument Departure, EOSID)程序。
目前EOSID由性能工程師和程序設(shè)計人員手動設(shè)計完成,設(shè)計工作量大,技術(shù)難度高,需要在全動模擬機上反復迭代,結(jié)果并非最優(yōu)。近幾年國外對EOSID的航跡規(guī)劃研究初步展開,將無人機(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)航跡規(guī)劃的先進技術(shù)運用到EOSID航跡自動規(guī)劃中。2010年9月第十屆AIAA ATIO(Aviation Technology,Integration,and Operations)會議上,Talgorn等[1]設(shè)計了一個自動優(yōu)化EOSID水平航跡的軟件。軟件通過混合遺傳算法對一發(fā)失效的航跡進行全局優(yōu)化,利用最小梯度對地形進行優(yōu)化處理,最終得到由一系列導航指令集組成的EOSID路徑,該路徑以離散的航跡指令序列作為有效航跡,僅提供有效幾個操作類別及導航設(shè)備數(shù)量,并未得到連續(xù)航跡。2011年8月AIAA導航與技術(shù)會議上,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],但未考慮實際飛機航向限制。以上航跡規(guī)劃算法均基于二維平面搜索,無法有效進行地形和威脅回避。中國現(xiàn)階段主要側(cè)重于EOSID設(shè)計制作及性能分析[5-7],設(shè)計主要基于手動完成,對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*算法尋找擴展節(jié)點基礎(chǔ)上考慮航向角、爬升/下滑角等約束條件,同時將地形威脅引入代價函數(shù),使規(guī)劃航跡滿足實際飛行性能和越障要求;對規(guī)劃航跡進行平滑處理并在MATLAB及三維地理信息系統(tǒng)中對規(guī)劃路徑進行驗證,實現(xiàn)在真實地形環(huán)境中自動生成可行的EOSID三維連續(xù)航跡。
起飛標準儀表離場(Standard Instrument Departure,SID)程序是按照飛機全發(fā)工作而設(shè)計的飛機起飛水平航跡,選取的障礙物范圍(保護區(qū))較大。起飛重量按飛機起飛一發(fā)失效情況計算,若考慮同樣大保護區(qū)和爬升梯度,則允許的起飛重量太小,嚴重影響經(jīng)濟效益。EOSID是有別于SID的飛行航跡路線,考慮的障礙物范圍較SID小得多,制作該程序可增大飛機的最大起飛重量,從而增大飛機商載能力,提高營運效益。
根據(jù)飛機起飛一發(fā)失效應急程序制作規(guī)范,飛機起飛限制和規(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))。凈飛行航跡必須滿足最小爬升梯度限制,如表1所示。
2)超障余度
飛機起飛凈飛行航跡須以35英尺的余度(對于轉(zhuǎn)彎坡度大于15°的為50英尺)越過保護區(qū)內(nèi)所有障礙物,如圖1所示。
3)起飛保護區(qū)
CCAR121.189規(guī)定起飛航跡徑區(qū)的半寬,為提供一個較大安全余量,離場時保護區(qū)半寬為:從跑道末端90 m開始,以12.5%的擴張率擴張至900 m寬,然后保持標稱航跡兩側(cè)900 m等距直至起飛航跡的結(jié)束點,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為保護區(qū)寬度,E0為保護區(qū)起始寬度,D為起飛跑道末端DEK至離場航跡的水平距離。
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
最大起飛重量須滿足起飛保護區(qū)內(nèi)最小爬升梯度、超障余度要求。綜上對于起飛的規(guī)章限制,設(shè)計EOSID應考慮:避開關(guān)鍵地形障礙物、安全越障、滿足規(guī)定爬升梯度和安全余量(保護區(qū))等。
圖2 離場保護區(qū)Fig.2 Departure splay
理論上,對于規(guī)劃空間內(nèi)每一個位置,航跡可從任意方向經(jīng)過,采用傳統(tǒng)A*算法進行航跡搜索在擴展節(jié)點時,需要考慮鄰域中所有網(wǎng)格單元,且生成的航跡無法滿足飛機起飛性能約束條件[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開始擴展直到目標點從而得到一條路徑。算法擴展過程的節(jié)點可分為3類:①已被擴展的節(jié)點;②已經(jīng)產(chǎn)生但未擴展的節(jié)點;③尚未產(chǎn)生的節(jié)點。其中,第1類節(jié)點可稱之為封閉節(jié)點,算法進行搜索時將該類節(jié)點存放在CLOSED表內(nèi);第2類節(jié)點是已產(chǎn)生,同時等待擴展的節(jié)點,因而稱之為開放節(jié)點,搜索時存于OPEN表內(nèi)。與傳統(tǒng)A*算法不同,在擴展節(jié)點時SAS算法并不遍歷當前節(jié)點鄰域內(nèi)每個網(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間[13-14]。
2.1 SAS算法航跡規(guī)劃過程
采用SAS算法進行EOSID路徑規(guī)劃,數(shù)據(jù)源為航天飛機雷達地形測繪使命(Shuttle Radar Topography Mission, SRTM)提供的地形高程數(shù)據(jù),算法實現(xiàn)過程如圖3所示。
首先根據(jù)一發(fā)失效梯度限制對地形數(shù)據(jù)進行處理,構(gòu)造三維搜索空間,同時將一發(fā)失效的規(guī)章限制與搜索空間相結(jié)合,使規(guī)劃航跡滿足一發(fā)失效垂直越障要求;其次在A*算法尋找當前點的擴展節(jié)點時考慮航向和爬升/下滑等約束條件,并在計算各擴展節(jié)點代價函數(shù)時引入地形威脅,評價各節(jié)點代價,找出代價最小的節(jié)點直至到達目標點;然后對規(guī)劃航跡數(shù)據(jù)進行平滑處理得到可行的三維路徑;最后與官方離場程序進行可視化對比驗證。由于離場路徑要考慮導航臺,將規(guī)劃航跡分割成從跑道末端到導航臺、從導航臺到終點的多段航跡,每段航跡都采用上述方法進行航跡規(guī)劃。
圖3 基于稀疏A*(SAS)算法的EOSID航跡規(guī)劃過程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,對規(guī)劃空間的約束可考慮制作規(guī)范中的兩個因素:一發(fā)失效最小爬升梯度能力、起飛航跡保護區(qū)。起飛一發(fā)失效離場路徑應滿足最小爬升梯度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,對于離場區(qū)域的地形高程,若穿過圓錐面則被認為不可通過,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,對于地形復雜機場,須考慮EOSID航跡保護區(qū)。為確保規(guī)劃航跡的橫向安全間隔,選擇對地形數(shù)據(jù)進行腐蝕算法處理,將與障礙物相鄰的區(qū)域進行裁剪處理,縮小搜索空間,保證規(guī)劃航跡與離場障礙物的安全間隔,得到裁剪后的搜索空間。
然后,對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*算法進行路徑規(guī)劃時要考慮角度約束、航跡段長度約束等[15-17];同時,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不能超過最大限制,即
(1)
航跡段長度li應滿足的條件為
(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由飛行器機動能力和導航要求決定,在SAS搜索過程中擴展步長表示最小航跡段長度;Lmax由飛行器攜帶燃料及允許飛行時間確定,在SAS算法中表現(xiàn)為所有航跡段長度之和小于或等于一個預先設(shè)定的最大距離。
2.4 航跡點代價函數(shù)
SAS算法航跡點代價函數(shù)為
f(x)=g(x)+h(x)
(3)
式中:g(x)為起始點到當前節(jié)點x的真實代價;啟發(fā)代價h(x)為當前節(jié)點到目標點代價的估計值,以當前點到目標點的距離來表示。在SAS進行航跡搜索時,將規(guī)劃空間網(wǎng)格化,通過代價函數(shù)式(3)評估各擴展節(jié)點代價值,選擇代價最小點加以擴展,直至找到目標點,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分別為航跡長度和威脅指數(shù)對g(x)的影響權(quán)重;li為第i段航跡的長度,通過約束航跡總長度,減少飛機飛行時間;fi,threat為第i段航跡的威脅指數(shù),限制飛機盡量避免威脅區(qū)域飛行,具體計算方法為
(5)
式中:m為已知威脅個數(shù),fi,j為第j個威脅對第i段航跡的威脅指數(shù),其中航跡的任意位置點y受到第j個威脅影響的威脅指數(shù)計算方法為[19]
fi,j(y)=
(6)
式中:Kj為第j個威脅的強度;Rj(y)為飛機與第j個威脅的距離。
威脅確定為規(guī)劃離場路徑時應考慮的關(guān)鍵地形障礙。計算fi,j時,沿第i段航跡進行積分。為減少計算量,取第i段航跡中點的威脅指數(shù)作為該段航跡所有點的平均威脅指數(shù)。
2.5 航跡節(jié)點擴展方式
SAS算法擴展節(jié)點時,結(jié)合2.3節(jié)的約束條件,考慮飛機的物理性能,對飛行航跡的每一步航向限制為φmax;同時,考慮飛機起飛的機動性能限制,對航跡在垂直平面內(nèi)上升和下滑的最大角度限制為θmax;給定單步擴展步長lmin?;诖耍琒AS算法在擴展當前節(jié)點x時,并不遍歷鄰域內(nèi)每一個網(wǎng)格單元,只考慮其中若干個扇面,擴展節(jié)點確定的扇面搜索空間如圖5所示。
圖5 當前節(jié)點的可行搜索空間Fig.5 The feasible searching space of current node
P(i)為規(guī)劃節(jié)點當前位置,首先由起始點和目標點的方位關(guān)系確定扇面方向,在航向角限制內(nèi)均勻選取M個扇面,由爬升和下滑角確定每個扇面的邊界,將每個扇面分成N個扇區(qū),可表示爬升、平飛、下滑的三維搜索方向,這樣擴展節(jié)點共得到M×N個扇區(qū),SAS搜索擴展節(jié)點共得到M×N個子節(jié)點。傳統(tǒng)A*算法考慮當前節(jié)點每一個可能到達的鄰域網(wǎng)格單元,共26個節(jié)點。當M=N=3,SAS只需計算9個子節(jié)點,有效修剪搜索空間的無用節(jié)點,從而減少內(nèi)存需求,縮短收斂時間。
得到M×N個擴展節(jié)點后,計算每個子節(jié)點的真實代價g(x)和啟發(fā)代價h(x),將生成的子節(jié)點存于OPEN表內(nèi)。每次擴展節(jié)點時,從OPEN表中找出代價最小節(jié)點,以此作為當前節(jié)點進行擴展。將當前節(jié)點存于CLOSED表內(nèi),同時將生成的子節(jié)點存于OPEN表內(nèi),一直持續(xù)這一過程直至找到目標,規(guī)劃航跡通過回溯路徑獲得。
2.6 SAS算法搜索步驟
SAS進行三維航跡規(guī)劃步驟如下。
步驟1將起始節(jié)點插入OPEN表中,并將其作為當前節(jié)點,將CLOSED表置空。
步驟2在OPEN表中移出代價最小元素,把它作為當前節(jié)點,同時將其存進CLOSED表內(nèi)。
步驟3如果目標節(jié)點加入CLOSED表中,航跡搜索過程結(jié)束。從目標節(jié)點開始回溯直至到達起始節(jié)點,得到一條從起始節(jié)點到目標節(jié)點代價最小的路徑。
步驟4擴展當前節(jié)點
1) 對當前節(jié)點待擴展區(qū)進行構(gòu)造。將進入當前節(jié)點的航線在水平面上的投影方向作為對稱軸,此時待擴展區(qū)水平剖面是最大拐彎角φmax的2倍。
2) 分割待擴展區(qū)。待擴展區(qū)的垂直剖面關(guān)于水平方向?qū)ΨQ,大小為最大爬升/下滑角θmax的2倍。
3) 對擴展節(jié)點中的每一個子節(jié)點,根據(jù)式(3)計算每一個子節(jié)點代價f(x),找出代價最小的節(jié)點。
步驟5對于步驟4計算得到的每個最小代價節(jié)點,與OPEN表中每個節(jié)點g值對比判斷是否可得到更小的g,如果能就更新該節(jié)點的g,h值,如果該節(jié)點在CLOSED表中或者是障礙物(不可達)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,根據(jù)DEM數(shù)據(jù)和經(jīng)緯高的一一對應關(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),當前航跡點的下一航向僅限于有限個方向,規(guī)劃路徑在某些航跡點出現(xiàn)較大航向變化,因此采用3次B樣條曲線擬合的方法對航跡進行平滑處理,得到一條平滑后的離場路徑。關(guān)于三次B樣條曲線擬合的詳細表述參考文獻[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程序在三維地理信息系統(tǒng)軟件中進行三維可視化顯示,在三維圖中對比兩者,確保規(guī)劃路徑與離場路徑一樣避開關(guān)鍵地形障礙滿足水平越障要求;同時以精確數(shù)據(jù)進行垂直越障驗證,在MATLAB中提取規(guī)劃航跡保護區(qū)內(nèi)地形高,與規(guī)劃航跡高對比,驗證規(guī)劃航跡滿足在相應保護區(qū)內(nèi)的最低超障要求,以此驗證航跡合理性。
林芝機場被公認為國內(nèi)民航凈空環(huán)境、氣象條件及飛行程序制定最為復雜的機場,離場程序是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。以林芝機場23號跑道離場程序為例,采用SAS算法進行仿真,仿真數(shù)據(jù)源為SRTM提供的90×90數(shù)字地形高程圖;離場航跡規(guī)劃起始點位置為RWY23末端,經(jīng)緯高坐標(94.335 0, 29.303 6, 2 948.9),終點為離場程序上距DME導航臺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lmin=90;扇面?zhèn)€數(shù)M=3,每個扇面扇區(qū)個數(shù)N=3,離場航跡超障余度為35 ft,根據(jù)已知數(shù)據(jù)利用第2節(jié)算法規(guī)劃從機場跑道末端到離場程序指定點的路徑。
圖6顯示了航跡規(guī)劃結(jié)果。其中:圖6(a)是以林芝機場為中心90×90的DEM數(shù)據(jù)地形;圖6(b)是以機場為中心11 NM地形圖,即參考離場航跡規(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)劃出的林芝機場EOSID的二維路徑,包括從跑道末端到導航臺及從導航臺到終點兩段航跡;圖6(e)為規(guī)劃的三維路徑。由圖6可知規(guī)劃路徑有效避開了關(guān)鍵地形障礙物,三維路徑結(jié)果也說明算法有效地規(guī)劃出符合起飛離場剖面的三維路徑。
圖6 林芝機場航跡規(guī)劃結(jié)果Fig.6 Path planning result of Nyingchi Airport
圖7為林芝機場的規(guī)劃EOSID離場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,可通過曲線擬合處理解決該問題,平滑后的航跡符合飛機爬升的機動性能。
圖8為規(guī)劃路徑與林芝機場離場程序(該程序考慮了一發(fā)失效的性能要求)的三維可視化對比圖,下方細亮綠色航線表示林芝機場RNP離場程序,上方粗暗紅色航線表示規(guī)劃路徑。由圖8 可知規(guī)劃路徑與官方離場程序基本一致。方法實現(xiàn)了從跑道末端到指定位置的一發(fā)失效應急離場路徑規(guī)劃,同時達到對關(guān)鍵地形的規(guī)避,實現(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 林芝機場離場程序與規(guī)劃路徑三維可視化對比Fig.8 Visualization comparison between the planned path and takeoff procedure of Nyingchi Airport
圖9為規(guī)劃航跡垂直越障驗證結(jié)果。由于飛機起飛段的主要任務(wù)是安全起飛,即從起飛至改平段應滿足超障要求,因此規(guī)劃路徑應高于最小超障高,即高于保護區(qū)內(nèi)最高障礙物35 ft,由圖9可知規(guī)劃路徑在飛機起飛至改平段航跡滿足超障基本要求。
此外通過MATLAB編程對SAS算法和A*算法規(guī)劃路徑進行對比。圖10為兩種算法規(guī)劃航跡對比圖。由圖可知,A*算法雖實現(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)劃航跡對比Fig.10 Planned path comparison of SAS and A* algorithm
1) 實現(xiàn)了從跑道末端到指定點的EOSID路徑自動規(guī)劃,滿足EOSID的規(guī)章要求。
2) 在傳統(tǒng)A*算法規(guī)劃路徑的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了三維航跡規(guī)劃。
3) 考慮了約束條件及地形威脅,滿足實際飛機性能和越障要求。
4) 與官方公布的離場程序?qū)Ρ闰炞C了規(guī)劃應急離場路徑的合理性,與A*算法規(guī)劃路徑對比驗證了該方法的優(yōu)越性。
綜上,本文方法為EOSID路徑的自動規(guī)劃提供了一個可行方案。
[1] TALGORN B, LAPORTE S, BES C, et al. One engine out trajectory optimization: AIAA-2010-9013[R]. Reston: AIAA, 2010.
[2] MASSON B, BAIN M, PAGE J. Engine-Out takeoff path optimization out of terrain challenging airports: AIAA-2011-6313[R]. Reston: AIAA, 2011.
[3] MALAEK S M, ABASSI A. Near-Optimal terrain collision avoidance trajectories using elevation maps[C]//IEEE Aerospace Conference.Piscataway, NJ: IEEE Press, 2006.
[4] BARRAQUAND J, LANGLOIS B, LATOMBE J C. Numerical potential field techniques for robot path planning[J]. IEEE Journals & Magazines, 1992, 22(2): 224-241.
[5] 王治國. 飛機起飛一發(fā)失效應急程序設(shè)計研究[D]. 大連: 大連理工大學, 2008: 1-22.
WANG Z G. A study on engine out standard instrument departures design[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2008: 1-22 (in Chinese).
[6] 駱昕. 起飛一發(fā)失效應急程序設(shè)計難點的研究分析[J]. 四川: 中國民航飛行學院學報, 2014, 25(1): 57-63.
LUO X. Research and analysis on key problems of engine out standard instrument departures design[J]. Beijing: Journal of Civil Aviation Flight University of China, 2014, 25(1): 57-63 (in Chinese).
[7] 楊新涅, 丁松濱, 趙磊, 等. 寧波櫟社機場進離場程序的優(yōu)化[J]. 中國民航大學學報, 2007, 25(3): 8-12.
YANG X S, DING S B, ZHAO L, et al. Optimization of departure and arrival procedures of Ningbo Lishe aerodrome[J]. Journal of Civil Aviation University of China, 2007, 25(3): 8-12 (in Chinese).
[8] Australian Government Civil Aviation Safety Authority. Civil aviation order 20.7.1B[S]. Canberra: Civil Aviation Safety Authority, 2005.
[9] Australian Government Civil Aviation Safety Authority. Civil guidelines for the consideration and design of engine out SID (EOSID) and engine out missed approach procedures[S]. Canberra:Civil Aviation Safety Authority, 2006.
[10] ICAO. Annex 6, International standards and recommended practices[S]. Montreal: ICAO, 1990.
[11] NILSSON N. Problem-solving methods in artificial intelligence[M]. New York: McGraw-Hill, 1971.
[12] 鄭昌文, 嚴平, 丁明躍, 等. 飛行器航跡規(guī)劃[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2008: 3-49.
ZHENG C W, YAN P, DING M Y, et al. Route planning for air vehicles[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2008: 3-49 (in Chinese).
[13] SZCZERBA R J, GALKOWSKI P, GLICKTEIN I S, et al.Robust algorithm for real-time route planning[J]. Aerospace and Electronic Systems, 2000, 36(3): 869-878.
[14] 劉希, 朱凡, 蔡滿意, 等. 一種改進的快速航路規(guī)劃方法[J]. 飛行力學, 2011, 29(1): 89-92.
LIU X, ZHU F, CAI M Y, et al. Improved method for fast path planning[J]. Flight Dynamics, 2011, 29(1): 89-92 (in Chinese).
[15] 王奎民. 基于SAS算法的三維多UAV協(xié)同航跡規(guī)劃方法[J]. 電子科技, 2013, 26(11): 14-16.
WANG K M. Three-dimensional multi-UAV cooperative path planning based on improved SAS algorithm[J]. Electronic Science & Technology 2013, 26(11): 14-16 (in Chinese).
[16] 馬培軍, 毛云云, 張洪濤, 等. 基于3DSAS的多約束航跡協(xié)同規(guī)劃與搜索方法[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù), 2011, 33(7): 1527-1533.
MA P J, MAO Y Y, ZHANG H T, et al. Cooperative planning for multiple trajectories with multiple constraints based on 3DSAS[J]. Systems Engineering and Electronics, 2011, 33(7): 1527-1533 (in Chinese).
[17] 孟中杰, 黃攀峰, 閆杰. 基于改進稀疏A*算法的高超聲速飛行器航跡規(guī)劃技術(shù)[J]. 西北工業(yè)大學學報, 2010, 28(2): 182-186.
MENG Z J, HUANG P F, YAN J. Exploring trajectory planning for hypersonic vehicle using improved sparse A* algorithm[J]. Journal of Northwestern Polytechnical University, 2010, 28(2): 182-186 (in Chinese).
[18] 黃文剛, 張怡, 姜文毅, 等. 變步長稀疏A*算法的無人機航路規(guī)劃[J]. 計算機工程與應用, 2012, 48(29): 206-209.
HUANG W G, ZHANG Y, JIANG W Y, et al. SAS algorithm with changeable steps for route planning of UAVs[J]. Computer Engineering and Applications, 2012, 48(29): 206-209 (in Chinese).
[19] 王金敏, 崔奇, 初楠. 運用三次樣條曲線擬合機器人運動路徑[J]. 機械設(shè)計, 2005, 22(7): 44-46.
WANG J M, CUI Q, CHU N. Fitting robot motion path based on cubic spline curve[J]. Journal of Machine Design, 2005, 22(7): 44-46 (in Chinese).
[20] 張玲. 基于三次樣條曲線擬合公路平面線形方法研究[D]. 武漢: 武漢理工大學, 2007: 24-31.
ZHANG L. Analysis of fitting method on plan curve based on cubic spline[D]. Wuhan:Wuhan University of Technology, 2007: 24-31 (in Chinese).
焦衛(wèi)東男, 博士, 副教授, 碩士生導師。主要研究方向: 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在民航中的應用及圖像/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
s:CivilAviationJointFundsoftheNationalNaturalScienceFoundationofChinaandCivilAviationAdministrationofChina(U1533115);TianjinResearchProgramofApplicationFoundationandAdvancedTechnology(14JCYBJC16000);TheFundamentalResearchFundsfortheCentralUniversities(3122013C016,3122013Z001)
.Tel.:022-24092444E-mailnxjiaowd@sina.com
2015-11-13;退修日期2015-12-17;錄用日期2016-02-22; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時間
時間:2016-04-131535
www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20160413.1535.002.html
國家自然科學基金委員會-中國民航局民航聯(lián)合研究基金 (U1533115); 天津市應用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計劃 (14JCYBJC16000); 中央高?;究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金 (3122013C016,3122013Z001)。
.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)失效應急路徑規(guī)劃方法J.航空學報,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