本發(fā)明涉及空中交通航路的設計技術，尤其涉及一種基于風場分布的空中交通航路設計方法。

背景技術：

在空中交通管理(Air Traffic Management，簡稱ATM)系統(tǒng)中，空中交通航路扮演著非常重要的角色，而航路選擇的優(yōu)劣將直接影響空域中各飛行器的油耗運輸成本。

目前，最優(yōu)空中交通航路選擇的依據(jù)是起點至終點之間所有航路段的空間距離之和最短的航路，但是由于受風場分布因素的影響，該空間距離最短的航路并不是油耗運輸成本最低的航路。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種基于風場分布的空中交通航路設計方法，使得在考慮風場分布因素的影響下，通過該方法選擇的航路為油耗運輸成本最低的航路。

本發(fā)明提供一種基于風場分布的空中交通航路設計方法，包括：

獲取并統(tǒng)計風場屬性數(shù)據(jù)，根據(jù)所述風場屬性數(shù)據(jù)，建立起點至終點之間各航路段的風場時空特性模型；

根據(jù)所述各航路段的風場時空特性模型，建立飛行器空氣動力學模型；

根據(jù)所述飛行器空氣動力學模型，計算得到所述起點至終點之間各航路段的油耗模型；

根據(jù)所述各航路段上飛行器的數(shù)量，以及所述各航路段的油耗模型，計算得到各航路段的油耗評價函數(shù)；

根據(jù)所述各航路段的油耗評價函數(shù)，計算得到各航路段的油耗代價；

基于所述各航路段的油耗代價，確定從起點至終點的油耗代價最小的航路路線。

可選的，所述獲取并統(tǒng)計風場屬性數(shù)據(jù)，根據(jù)所述風場屬性數(shù)據(jù)，建立起點至終點之間各航路段的風場時空特性模型之前，還包括：

獲取航路的起點、終點，對所述起點、終點之間的航路點進行分級處理，得到各級航路點；

對所述各級航路點進行離散化處理，確定每個分級內(nèi)的至少一個航路點；

所述各航路段為每個相鄰分級間任意兩個航路點之間的路線。

可選的，所述獲取并統(tǒng)計風場屬性數(shù)據(jù)，根據(jù)所述風場屬性數(shù)據(jù)，建立起點至終點之間各航路段的風場時空特性模型，包括：

所述風場屬性數(shù)據(jù)包括：南北風場觀測數(shù)據(jù)；

對所述南北風場觀測數(shù)據(jù)進行數(shù)值模擬，得到起點至終點之間各航路段的風場分布參數(shù)；

根據(jù)所述風場分布參數(shù)，建立所述風場時空特性模型。

可選的，所述根據(jù)所述各航路段的風場時空特性模型，建立飛行器空氣動力學模型，包括：

基于所述各航路段的風場時空特性模型中的風場分布參數(shù)，以及飛行器的質(zhì)量、飛行器在飛行過程的推力和阻力系數(shù)、垂向負載因子以及傾斜角，建立所述飛行器空氣動力學模型，其中所述飛行器空氣動力學模型包括：飛行器在飛行過程中的速度、航向角、飛行路徑角、水平位置、高度。

可選的，所述根據(jù)所述飛行器空氣動力學模型，計算得到所述起點至終點之間各航路段的油耗模型，包括：

根據(jù)所述飛行器空氣動力學模型中的飛行器在飛行過程中的速度、航向角、飛行路徑角、水平位置、高度，以及垂向負載因子以及傾斜角、航路段的起始時間和終止時間，計算得到所述各航路段的油耗模型。

可選的，所述根據(jù)所述各航路段上飛行器的數(shù)量，以及所述各航路段的油耗模型，計算得到各航路段的油耗評價函數(shù)，包括：

根據(jù)所述各航路段上飛行器的數(shù)量，將所述各航路段上的每個飛行器的油耗模型相加，計算得到所述各航路段的油耗評價函數(shù)。

可選的，所述根據(jù)所述各航路段的油耗評價函數(shù)，計算得到各航路段的油耗代價，包括：

式中，i，j為相鄰分級間任意兩個航路點，G_i,j為相鄰分級間任意航路段的油耗代價；d_ij為相鄰分級間任意航路段的距離；P_ij為相鄰分級間任意航路段的油耗評價函數(shù)。

可選的，所述基于所述各航路段的油耗代價，確定從起點至終點的油耗代價最小的航路路線，包括：

基于所述各航路段的油耗代價，采用迪杰斯特拉Dijkstra算法，確定從起點至終點的油耗代價最小的航路路線。

可選的，所述對所述南北風場觀測數(shù)據(jù)進行數(shù)值模擬，得到起點至終點之間各航路段的風場分布參數(shù)包括：

根據(jù)預設劃分條件，對所述南北風場觀測數(shù)據(jù)進行分類，得到分類后的南北風場觀測數(shù)據(jù)；

對所述分類后的南北風場觀測數(shù)據(jù)分別進行數(shù)值模擬，得到每個類別的所述起點至終點之間各航路段的風場分布參數(shù)。

可選的，所述預設劃分條件至少為以下一種：季節(jié)、氣候。

從本發(fā)明的實施例可知，根據(jù)所述風場屬性數(shù)據(jù)建立各航路段的風場時空特性模型，根據(jù)所述各航路段的風場時空特性模型，建立飛行器空氣動力學模型，根據(jù)所述飛行器空氣動力學模型，計算得到所述起點至終點之間各航路段的油耗模型，根據(jù)所述各航路段的油耗模型計算得到各航路段的油耗評價函數(shù)，據(jù)所述各航路段的油耗評價函數(shù)，計算得到各航路段的油耗代價，基于所述所述各航路段的油耗代價，確定從起點至終點的油耗代價最小的航路路線，由于考慮了風場分布因素的影響，得到的所述起點至終點的油耗代價最小的航路路線即為油耗運輸成本最低的航路。

附圖說明

圖1為一示例性實施例示出的基于風場分布的空中交通航路設計方法的流程圖；

圖2為另一示例性實施例示出的基于風場分布的空中交通航路設計方法的流程圖；

圖3為圖2中起點至終點的相鄰分級間任意兩個航路點之間的路線示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

圖1為一示例性實施例示出的基于風場分布的空中交通航路設計方法的流程圖，該方法包括：

步驟101、獲取并統(tǒng)計風場屬性數(shù)據(jù)，根據(jù)風場屬性數(shù)據(jù)，建立起點至終點之間各航路段的風場時空特性模型。

其中，風場屬性數(shù)據(jù)包括：南北風場觀測數(shù)據(jù)；其中，南北風場觀測數(shù)據(jù)為風場的坐標位置，以及坐標位置對應的風速、風向；其中坐標位置為經(jīng)度、維度；

其中，在根據(jù)風場屬性數(shù)據(jù)，建立起點至終點之間各航路段的風場時空特性模型之前，還可以包括：對包含風速、風向風場屬性數(shù)據(jù)中的明顯不符合標準的壞點進行刪除預處理；

其中，風場時空特性模型包括風場分布參數(shù)，如北風參數(shù)、東風參數(shù)。

步驟102、根據(jù)各航路段的風場時空特性模型，建立飛行器空氣動力學模型。

其中，根據(jù)風場時空特性模型包含的風場分布參數(shù)(如，北風參數(shù)、東風參數(shù))，建立飛行器空氣動力學模型。

步驟103、根據(jù)飛行器空氣動力學模型，計算得到起點至終點之間各航路段的油耗模型。

步驟104、根據(jù)各航路段上飛行器的數(shù)量，以及各航路段的油耗模型，計算得到各航路段的油耗評價函數(shù)。

其中，根據(jù)各航路段上飛行器的數(shù)量代表了該航路段的繁忙程度，各航路段上飛行器的數(shù)量越多，繁忙程度越高，其油耗評價函數(shù)越高；反之，其油耗評價函數(shù)越低。

步驟105、根據(jù)各航路段的油耗評價函數(shù)，計算得到各航路段的油耗代價。

步驟106、基于所述各航路段的油耗代價，確定從起點至終點的油耗代價最小的航路路線。

從上述實施例可知，根據(jù)風場屬性數(shù)據(jù)建立各航路段的風場時空特性模型，根據(jù)各航路段的風場時空特性模型，建立飛行器空氣動力學模型，根據(jù)飛行器空氣動力學模型，計算得到起點至終點之間各航路段的油耗模型，根據(jù)各航路段的油耗模型計算得到各航路段的油耗評價函數(shù)，據(jù)各航路段的油耗評價函數(shù)，計算得到各航路段的油耗代價，基于各航路段的油耗代價，確定從起點至終點的油耗代價最小的航路路線，由于考慮了風場分布因素的影響，得到的起點至終點的油耗代價最小的航路路線即為油耗運輸成本最低的航路。

圖2為另一示例性實施例示出的基于風場分布的空中交通航路設計方法的流程圖，在上述實施例的基礎上，該方法包括：

步驟201、獲取航路的起點、終點，對起點、終點之間的航路點進行分級處理，得到各級航路點。

如圖3所示，起點記為A，終點記為B，航路點記為C，將靠近起點A的航路點劃分為第一級航路點，靠近第一級航路點的的航路點劃分為第二級航路點，以此類推，得到不同級別的航路點。

步驟202、對各級航路點進行離散化處理，確定每個分級內(nèi)的至少一個航路點，各航路段為每個相鄰分級間任意兩個航路點之間的路線。

如圖3所示，起點A至終點B之間的為由步驟201得到各級的航路點，將起點A至終點B的每相鄰分級間的航路點依次連接，其連接的原則本級的航路點之間不連接，各級航路點之間兩兩連接，如此得到起點A至終點B之間的航路點的離散的網(wǎng)格圖，網(wǎng)格圖中的各航路段為每個相鄰分級間任意兩個航路點之間的路線。

如圖3所示，將第一級航路點與第二級航路點之間的每兩個航路點進行連接得到了將第一級航路點與第二級航路點之間的各航路段。

步驟203、獲取并統(tǒng)計風場屬性數(shù)據(jù)，根據(jù)風場屬性數(shù)據(jù)，建立起點至終點之間各航路段的風場時空特性模型。

其中，風場屬性數(shù)據(jù)包括：南北風場觀測數(shù)據(jù)；其中，南北風場觀測數(shù)據(jù)為風場的坐標位置，以及坐標位置對應的風速、風向；其中坐標位置為經(jīng)度、維度；

其中，在根據(jù)風場屬性數(shù)據(jù)，建立起點至終點之間各航路段的風場時空特性模型之前，還可以包括：對包含風速、風向風場屬性數(shù)據(jù)中的明顯不符合標準的壞點進行刪除預處理。

各航路段的不同季節(jié)的風場分布參數(shù)，包括北風參數(shù)v_w,North和東風參數(shù)v_w,East，數(shù)值模擬公式為：

式中，v_W為風速的大小，χ_W為風向。

步驟204、根據(jù)各航路段的風場時空特性模型，建立飛行器空氣動力學模型。

具體地，基于各航路段的風場時空特性模型中的風場分布參數(shù)，以及飛行器的質(zhì)量、飛行器在飛行過程的推力和阻力系數(shù)、垂向負載因子以及傾斜角，建立飛行器空氣動力學模型，其中飛行器空氣動力學模型包括：飛行器在飛行過程中的速度、航向角、飛行路徑角、水平位置、高度。

其中，飛行器空氣動力學模型主要由六維度的微分方程構成，每一維度分別代表飛行器在飛行過程中的速度v、航向角χ、飛行路徑角γ、水平位置(經(jīng)度e，維度n)和高度h。

其中，飛行器在飛行過程中的速度v近似取值為真空速度v_TAS，當飛行器以常馬赫數(shù)飛行時，定義真空速度式中，Ma為馬赫數(shù)；κ為絕熱指數(shù)，取值1.4，R為空氣氣體常數(shù)為287.05；T為當前時刻的溫度。

將上述風場時空特性模型中的風場分布參數(shù)的北風v_w,North和東風v_w,East，代入飛行器空氣動力學模型，得到如下公式：

式中，m為表飛行器的質(zhì)量，T和D分別為飛行器在飛行過程中所受到的推力和阻力，n_z為垂向負載因子，μ為傾斜角，v_w,North,v_w,East為風場分布參數(shù)的北風和東風。

具體地，上述飛行器可以為民用飛機。

步驟205、根據(jù)飛行器空氣動力學模型，計算得到起點至終點之間各航路段的油耗模型。

具體地，根據(jù)飛行器空氣動力學模型中的飛行器在飛行過程中的速度、航向角、飛行路徑角、水平位置、高度，以及垂向負載因子以及傾斜角、航路段的起始時間和終止時間，計算得到各航路段的油耗模型。

其中，油耗模型主要是由航路長度所制約的目標函數(shù)，其公式如下：

式中，x(t)＝[v(t)χ(t)γ(t)e(t)n(t)h(t)]^T,u(t)＝[n_Z(t)μ(t)]^T，t_f和t₀為任意航路段的起始時間和終止時間。

步驟206、根據(jù)各航路段上飛行器的數(shù)量，以及各航路段的油耗模型，計算得到各航路段的油耗評價函數(shù)。

具體地，根據(jù)航路段上各飛行器的升力和阻力系數(shù)，計算得到各航路段段上各飛行器的油耗模型；將各航路段上各飛行器的油耗模型相加，計算得到各航路段的油耗評價函數(shù)。

BADA數(shù)據(jù)庫預先保存了不同飛行器的型號，以及不同型號飛行器的升力和阻力系數(shù)；

從BADA數(shù)據(jù)庫中獲取航路段個飛行器的升力和阻力系數(shù)，代入上述油耗模型，得到個航路段上各飛行器的油耗模型，將各航路段上各飛行器的油耗模型相加，計算得到各航路段的油耗評價函數(shù)，油耗評價函數(shù)公式如下：

式中，P_ij為油耗評價函數(shù)，M為航路段上飛行器的數(shù)量。

步驟207、根據(jù)各航路段的油耗評價函數(shù)，計算得到各航路段的油耗代價。

具體地，根據(jù)各航路段的油耗評價函數(shù)，計算得到各航路段的油耗代價，包括：

式中，i，j為相鄰分級間任意兩個航路點，G_i,j為相鄰分級間任意航路段的油耗代價；d_ij為相鄰分級間任意航路段的距離；P_ij為相鄰分級間任意航路段的油耗評價函數(shù)。

從上式可以看出，當d_ij的最小值為0時，G_i,j無意義，表示該航路段不可飛。各航路段的油耗評價函數(shù)P_ij越大，油耗代價G_i,j也就越大。

步驟208、基于所述各航路段的油耗代價，確定從起點至終點的油耗代價最小的航路路線。

具體地，基于各航路段的油耗代價，采用迪杰斯特拉Dijkstra算法，確定從起點至終點的油耗代價最小的航路路線。

從上述實施例可知，根據(jù)風場屬性數(shù)據(jù)建立各航路段的風場時空特性模型，根據(jù)各航路段的風場時空特性模型，建立飛行器空氣動力學模型，根據(jù)飛行器空氣動力學模型，計算得到起點至終點之間各航路段的油耗模型，根據(jù)各航路段的油耗模型計算得到各航路段的油耗評價函數(shù)，據(jù)各航路段的油耗評價函數(shù)，計算得到各航路段的油耗代價，基于各航路段的油耗代價，確定從起點至終點的油耗代價最小的航路路線，由于考慮了風場分布因素的影響，得到的起點至終點的油耗代價最小的航路路線即為油耗運輸成本最低的航路。

在上述實施例的基礎上，

可選的，對南北風場觀測數(shù)據(jù)進行數(shù)值模擬，得到起點至終點之間各航路段的風場分布參數(shù)包括：

根據(jù)預設劃分條件，對南北風場觀測數(shù)據(jù)進行分類，得到分類后的南北風場觀測數(shù)據(jù)；對分類后的南北風場觀測數(shù)據(jù)分別進行數(shù)值模擬，得到每個類別的起點至終點之間各航路段的風場分布參數(shù)。

可選的，預設劃分條件至少為以下一種：季節(jié)、氣候。

本領域普通技術人員可以理解：實現(xiàn)上述各方法實施例的全部或部分步驟可以通過程序指令相關的硬件來完成。前述的程序可以存儲于一計算機可讀取存儲介質(zhì)中。該程序在執(zhí)行時，執(zhí)行包括上述各方法實施例的步驟；而前述的存儲介質(zhì)包括：ROM、RAM、磁碟或者光盤等各種可以存儲程序代碼的介質(zhì)。

最后應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術方案的范圍。