儀表飛行程序設(shè)計障礙物自動篩選方法研究

周澤友

（中國民用航空飛行學(xué)院，廣漢 618300）

儀表飛行程序設(shè)計障礙物自動篩選方法研究

周澤友

（中國民用航空飛行學(xué)院，廣漢 618300）

利用VB.NET語言進行飛行程序設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的參數(shù)化建模，在滿足要求的情況下，對ICAO規(guī)定的保護區(qū)大小進行適當(dāng)放大得到保護區(qū)散點邊界。然后利用凸包法，得到多邊形表示的保護區(qū)邊界，將障礙物人工篩選問題變成了，判斷點是否在多邊形內(nèi)部的數(shù)學(xué)問題。這便實現(xiàn)障礙物篩選的程序化、自動化，從而大大降低障礙物篩選的工作量和難度。

障礙物篩選；自動化；凸包法

0 引言

儀表飛行程序是航空器根據(jù)飛行儀表和對障礙物保持規(guī)定的超障余度所進行的一系列預(yù)定的機動飛行。對超障余度進行分析（以下簡稱超障分析）的第一步就是對已有的障礙物進行篩選。

目前的程序設(shè)計方法中障礙物的篩選大多是通過人工判斷完成的。因為儀表飛行程序設(shè)計保護區(qū)類型很多，大致分為：航路保護區(qū)、進場保護區(qū)、等待保護區(qū)、基線轉(zhuǎn)彎保護區(qū)、進近復(fù)飛保護區(qū)、離場保護區(qū)，而且根據(jù)ICAO的規(guī)定，這些保護區(qū)的繪制方法各不相同，影響保護區(qū)的因素也有很多。尤其在凈空復(fù)雜的地區(qū)，障礙物人工篩選工作變得極為困難。另外，飛行程序方案并不是一成不變的，跑道的延長、新修建筑等一系列原因會導(dǎo)致飛行程序保護區(qū)發(fā)生變化，保護區(qū)所覆蓋的障礙物也隨之變化。這些不確定性給障礙物的篩選增加極大的工作量，也給飛行程序設(shè)計人員進行下一步的超障分析帶來困難，所以如何實現(xiàn)障礙物的自動篩選顯得格外重要。

本文提出將障礙物坐標數(shù)字化，將保護區(qū)范圍參數(shù)化，進而采用基于Graham掃描法實現(xiàn)的最小凸包算法進行障礙物的自動篩選，自動剔除不在保護區(qū)的障礙物，從而大大減小了程序設(shè)計中障礙物篩選的工作量，也降低了程序計算出錯的概率。

結(jié)果表明，按照文中所述的障礙物自動篩選方法可以最大程度的減小工作量，也能避免障礙物篩選中容易出現(xiàn)的遺漏，尤其在程序方案頻繁改動的預(yù)可研/可研階段，優(yōu)勢明顯。

1 設(shè)計思路

保護區(qū)邊界離散處理的方法如下。

根據(jù)目前的ICAO規(guī)定的保護區(qū)繪制辦法，可以將保護區(qū)的邊界線總結(jié)為以下三種類型：

（a）線段

（b）圓弧

（c）風(fēng)螺旋線（樣條曲線）

如果邊界線為線段的集合，那么保護區(qū)邊界的范圍可以用多邊形描述。而這個多邊形的獲取可以通過求取平面內(nèi)散點的最小凸包來實現(xiàn)。

如果邊界線包含曲邊，例如是圓弧或者樣條曲線，保護區(qū)邊界的范圍則應(yīng)該是曲邊多邊形，但是這個曲邊多邊形目前尚未有很好的算法進行精確求解。以下介紹一種方法進行近似求解。

如果邊界線包含圓弧，可以將圓弧離散成若干散點，離散方法是獲取該圓弧的外接正多邊形的頂點，然后將這些頂點納入平面散點點集當(dāng)中。因為外接正多邊形的范圍必定是大于內(nèi)切圓的，所以這樣的離散方法增加了保護區(qū)大小，能夠滿足障礙物評估的相關(guān)要求。

圖1 總體設(shè)計思路

圖2 平面點集凸包

圖3 圓的外切正多邊形

如果邊界線包含樣條曲線，同樣將樣條曲線離散成若干散點，離散方法是首先獲取該樣條曲線的控制點，然后將這些控制點納入平面散點點集當(dāng)中。因為樣條曲線具備保凸性，所以控制點的最小凸包勢必比樣條曲線本身覆蓋的范圍大，雖增加了保護區(qū)大小，但滿足需求。

圖4 風(fēng)螺旋樣條曲線的控制點

以上兩種曲邊的近似處理，精度可以人為控制，比如通過增加圓弧的外接正多邊形的邊數(shù)，以及增加樣條曲線的控制點的個數(shù)，均可以在滿足規(guī)定的情況下盡可能減小保護區(qū)大小。

通過以上處理，保護區(qū)邊界最終變成一個封閉的平面多邊形。而障礙物的自動篩選就變成自動判斷平面內(nèi)一個點是否落在一個封閉的平面多邊形中。而點是否在多邊形中目前已經(jīng)有成熟的算法，稍作修改便可移植使用。

2 實例分析

針對上圖障礙物眾多的情況，利用本文提出的方法編制程序進行批量判斷，大大降低了障礙物篩選難度。

圖5 某機場09跑道VOR/DME進近復(fù)飛保護區(qū)

3 結(jié)語

根據(jù)ICAO保護區(qū)繪制規(guī)范中曲邊邊界的特點以及基于保護區(qū)邊界更大更保守的考慮，結(jié)合曲邊邊界保凸的特性，將曲邊邊界離散為散點邊界，最終將障礙物篩選問題變成了判斷點在多邊形內(nèi)的數(shù)學(xué)問題，這便實現(xiàn)了障礙物篩選的程序化、自動化，從而大大降低了障礙物篩選的工作量和難度。

[1]ICAO DOC8168 Aircraft Operations Volume II Construction of Visual and Instrument Flight Procedures.

Research on the Method of Automatic Screening Obstacles in the Instrument Flight Procedures Design

ZHOU Ze-you
（Civil Aviation Flight University of China，Guanghan 618300）

Carries out the parametric modeling of the basic data of flight procedures design by using vb.net language.Under the condition of meeting the requirement,the size of the protected area of ICAO is enlarged appropriately,and the scattered boundary of the protected area is ob?tained.Then uses the convex hull method,the boundary of the protected area is obtained,and the problem of artificial screening of obsta?cles becomes a mathematical problem of whether the points are in the polygon.This realizes the procedure and automation of obstacle screening,thus greatly reduces the workload and difficulty of obstacle screening.

1007-1423（2017）23-0041-03

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.23.009

周澤友（1989-），男，四川遂寧人，助教，從事領(lǐng)域為飛行程序、飛行性能、結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面的研究詞

2017-05-06

2017-07-30

Automatic Screening Obstacles;Automatic;Convex Hull Method