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航行通告管理系统中窄航路查询算法地研究pdf

发布时间:2019-07-16 18:13 来源:未知 编辑:admin

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  航行通告管理系统中窄航路查询算法的研究 湛洪惠 张林昌 陈峰 谢邵辰 北〔京航空航天大学空中交通管制研究中心 北京 100083) 摘要 研究了一种用于航行通告管理系统中窄航路查询的算法.窄航路查询是航行通告管理系统 提供的查询功能中的一个重要组成部分.本文介绍了窄航路和窄航路查询的定义,叙述了窄航路实现中所 用到的数学解算公式和计算方法。给出了窄航路查询算法的实现方案,并对一些具体实现中的问题进行了 探讨和分析. 关钮 词 航行通告,窄航路查询,地球坐标系,坐标转换 1.前言 近年来,随着我国民航事业的迅速发展,新机场、新航线和导航点增多,航行情报的 量也越来越多。为了保障飞行安全,航行情报的管理也必须实现标准化、自动化和实时化。 根据资料提供方式的不同,航行情报又可分为两大类型:一类是资料部分。包括机场的使 用细则和各种航图,二是航行通告 (NoticetoAirman,简称NOTAM)部分,包括临时性 的、短期变更的和未及时编入航行资料的部分。飞行人员在飞行前准备和飞行过程中需要 查阅复杂的情报资料,尤其是担任国际远程航线的飞行员,每天都会收到大量的航行情报, 要搞清这些航行情报对本次飞行的影响,牵涉的精力很大。负担很重。航行情报没有控制 的发布也会直接影响到飞行的安全和正常。因此。航行通告系统必须提供方便灵活的查询 方式,允许飞行员根据自己对该航线的熟悉情况提取通告,从而真正做到为飞行员减负。 窄航路查询就是一种典型的为飞行员减负的查询方式。 2.目前航行通告系统中常用的查询方式 目前大多数投入使用的航行通告系统.可以根据时间、航线、报文的有效性、发报地 点、通告类别、所经过的飞行情报区等方式查询。这些查询方式可以允许飞行员或其他工 作人员根据所关心的部分查找相应的航行通告。但是由此查询出的航行通告也有一个不足 之处,就是其数量是很大的。因此还需要设计一种其他的查询方式来满足实际运用的需求。 3.窄航路查询算法 3.1窄航路查询的定义 窄航路((NarrowRoute)是指沿航线左右航路选定宽度范围的特定区域(一般选定的窄 航路宽度范围为10-30海里左右)。窄航路查询是系统提供的查询功能中的一个重要部分, 它是根据提取飞行前资料公告 (PIB)用户预设的窄航路宽度((NarrowPathWidths以下简 称NM)来确定航行通告的范围。 通常的查询方式是飞行员根据航线和所经过的飞行情报区来确定航行通告的范围,由 此查询出的航行通告范围大,数量多,并且很多可能对此次飞行没有什么影响。而利用窄 航路查询,就可以只查找出该航线所在航路一定宽度范围内的航行通告,大大减少了查询 出的航行通告量,从而减轻飞行员的飞行负担。 3.2窄航路查询算法 32.1窄航路查询算法的定义 进入窄航路飞行前资料公告 (PIB)的航行通告有两类: 覆盖航班路线,且影响范围为航路的航行通告 有关指定机场.即起降机场和备降机场的航行通告 从上面的分类可以看出,窄航路查询分为航路和机场区域两个部分。航路部分可以按 3.1的窄航路定义来确定,而机场部分应满足以下约定:若第一个导航台距起飞机场或最 后一个导航台距降落机场的距离(称为最近飞越点)超过20海里,则机场区域为一个半径为 20海里的圆形区域,否则机场区域的半径为加上航路宽度的圆形区域。分别如图1,图2 所示。 起飞机场 区城 飞越 点 机场 飞鹅点 图1.最近飞越点与机场的距离小于20海里 第一个飞 鹅点 20海 里 飞越点 图2.最近飞越点与机场的距离大于20海里 3.2.2问题的抽象 窄航路查询的实现所需的算法涉及到立体几何、投影、坐标转换等数学知识。在这里 我们采用地球坐标系来分析和设计。如图3所示。 一一一,钳 图3.地球坐标系 该坐标系与地球固联,坐标原点在地心,Z轴沿地轴指向北极,X.Y轴在赤道平面内, X轴指向零子午线度方向。运动物体在该坐标系内的定位采用纬度a. 经度刀和距地心的距离R来标定。其中有如下约定:北纬为正,南纬为负,东经为正。西 经为负。即a〔(-900,900),刀 〔(-1800,1800). 航线是个不规则的折线,每一个航段对应着球面上的一段弧。为了计算直观和简便, 我们假定地球为一个规则的球体,并把导航台抽象为球面上的点,把航段抽象成点 (导航 台)之间的球面连线,每个对应着某个大圈面上的一段弧线。因此采用分段计算的方法, 取其一段来研究,而其他的与此类似。如上图,己知弧AB,其中a,八,气几分别为A.B 的纬度和经度坐标。因此只要求出弧AB所夹的大圆角度 。,可以很容易地求出弧AB的 大圆距离s=R*0, 以弧A云为中心,画一宽度为2h(h为预设的窄航路宽度)的带状区域,即弧A云在 球面上向左 (右)平移h所形成的区域,如图四所示。这个区域就是所定义的窄航路。 本Z 一 卜Y 图4.窄航路区域 (图中阴影部分) 首先求弧AB所在的大圆的数学表达式: 由A、B.0三点可以确定一个平面,且这三点的坐标满足行列式 x y 2 n 勺 为 勺 ︸ 一 ︸ (1) x a y a 与 由式 (3.1)可以得到方程 x(YAZ,一YBZA)一Y(XAZ:一XBZA)+z(XAY,一xsYA)=0 (2) 其中球面上的点满足: 队 一 一 Rcosacos刀 丫 匕 - - Rcosasin刀 (3) 卜 - 一 Rsina 、 联立((3.2)(3.3)就可以得到所求的表达式: 令一奋Y(AZB,一卜一inf,sin二-cosa,sinf,sina, b=奋(···一·,=cosa:一“sina,-cosa,cos6,,sina, (XAY,一xBy,,)=cosa,cosa2sin(62一A) c=R2 则弧AB所在的大圆的数学表达式可以表示为: a-x一b.y+c.z=0 =acosacos刀一bcosasin刀+csina=0 (4) ,使得弧 漏飞,嘿篡赢糯戴xyz,转一定的角度得到新坐标。.、.:, A且所在的大圆在新坐标中为赤道平面,那么窄航路在新坐标中即为纬度圈a=土立与过 因此只需对变换后的经纬度进行比较就可以判断出 。因此只需对变换后的Y4L}1l-i2tffCG- 问题转化为求新旧坐标的变换矩阵。 A擎MA--t薰肇首先由公式((3.4)和赤道平面的公式a=O可以求出 两个大圆面的交线Oc和x轴所夹的角B B= (5) arctanb 然后分两步旋转:先x,y轴绕z轴旋转B角到x.,YI,然后y,z轴绕Xi轴旋转p角到 Y`1,z1轴。其中:轴·为弧AB所在大圆的垂线,它和:轴的夹角为v,且易知: c (6) , - - 一 - , p=盯ccos as+b+c2 i 矛y 图5.坐标转换(oxyz-ox犷IzI) 由上述推导可以求出坐标变换的矩阵表示: 0 0 cos口 sinB 啊 sm少 一sin0 cos夕 咖 咽 cos尹 0 0 cos夕 sin0 0侧 洲 一sinocosrp cos口cos尹 (7) 一cososinV sinpi sinosinp cosrp︷ 求出新旧坐标的变换矩阵之后,就可以求出旧坐标下的点 x〔,y,z)变换到新坐标后 对应的点的坐标 (x1,y,z)。然后可以解出对应的纬度和经度值a.,尸a 3.2.4判断区域是否落在该窄航路中 接下来给出一个判断区域(如炮射区)是否落在该窄航路的方法。判断一个区域是否落 在该窄航路区域,可以由其边界点是否落在该窄航路来判定。如果所有的边界点都不在该 带状区域,则整个区域都不在,若有一点落在该带状区域,则这个区域就在该带状区域内 (即只要有相交部分就算落在带状区域内)。因此问题归结为如何判断一个点是否落在该窄 航路。 由上面的坐标转换的推导可以知道,判断一个点在不在该窄航路内,可以把它转到新 _.___二_ _ ‘_ h h., 』‘__ 坐标下来。然后判断它的经纬度坐标是否满足:(I)纬度在 卜于,匀 内 (2)经度在 一 ·,-· ·,、一·,,·’一 -一 一 、RR (min(A,6,z),max(A,,62))内,其中戏’,几’为A,B点在新坐标下的经度值·如果同 时满足条件(1)(2).则这该点在窄航路内,反之则不在。 4.结束语 窄航路查询算法给出了一种按提取PIB用户预设的窄航路宽度来确定航行通告的范围 的查询方法,它能够允许飞行员只提取该航线给定宽度范围内的航行通告,从而真正实现 为飞行员减负。随着航行情报量的激增,窄航路查询越来越体现其优势,因此应用前景是 很广阔的。 参考文献 飞.中国民航学院航行系 ·航行情报讲义 ·天津:中国民航学院·1988 2.航行通告自动化处理系统 (公元2000年符合性认证工作报告) ·内部资料1996 3.阿诺撼.菲尔德编著 ·李春锦等译 ·国际空中交通管制世界空域管理 ·北京:北京航空航天大学出 版社 ·1990 4.樊映川等编著.高等数学讲义 (上、下册) ·北京:高等教育出版社.1983 5.邓正隆编著 ·惯性导航原理 ·黑龙江:哈尔滨工业大学出版社.1994

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