面向自由飞行条件下冲突解脱的高性能动态优化方法研究

The contradiction between the rapid increase in air traffic flow and the finite airspace resource has become more and more prominent in the current air traffic control mode. To solve the problem of air traffic congestions and increase the utilization of airspace, the FAA proposed the concept of free flight. The resolution of flight conflicts under the free flight environment will be one of the key technologies for the future implementation of free flight. This project aims to study the resolution of flight conflicts from the perspective of dynamic optimization and optimize the flight safety and energy consumption as far as possible. Towards the feature born in resolution of traffic conflicts that safety boundary condition should be highly satisfied during the flight, the project will study the adaptive moving finite element interior point dynamic optimization method to solve this type of dynamic optimization problems with high accuracy. Furthermore, to meet the need for real-time optimal operation strategy for resolution of flight conflicts when the aircraft is under high-speed condition in airspace, the project will study the convergence depth control method and parameter auto-tuning method combined with interior point dynamic optimization method to improve the computation efficiency of dynamic optimization. The project plans to develop a simulation software of resolution of flight conflicts under free flight. This study will form a high-accuracy, high real-time dynamic optimization method to offer new solutions for the issue of flight conflicts.

在目前的空管模式下，空中交通流量的激增和有限的空域资源之间的矛盾日益突出，为解决航线拥挤并提高空域的利用率，美国联邦航空局提出了自由飞行的概念。在自由飞行条件下的冲突解脱问题是未来实施自由飞行的关键技术之一。本项目从动态优化的角度来研究飞行冲突解脱问题，对飞行安全和飞行能耗进行最大程度的优化。针对飞行冲突解脱问题要求在飞行过程中确保安全边界条件的高精度满足这一特性，将研究自适应移动有限元内点动态优化方法，实现对这类动态优化问题的高精度求解。针对航天器在空域中高速运行的状态，要求在短时间内给出实现飞行冲突解脱的最优操作策略这一实时性需求，将研究收敛深度控制方法和参数自动整定方法与内点动态优化方法的结合，从而提高动态优化求解的计算效率。拟开发出一套自由飞行条件下冲突解脱的模拟软件。本研究将形成高精度、高实时性的动态优化方法，从而为飞行冲突解脱问题提供新的解决方案。

在目前的空中交通管制模式下，空中交通流量的激增和有限空域资源之间的矛盾日益突出，成为民航业进一步发展的瓶颈。为解决航线拥挤并提高空域的利用率，美国联邦航空局开启了自由飞行计划。自由飞行将带来空域高容量的优势，但同时，也会导致飞行冲突的可能性大幅度增加。为了保证飞行的绝对安全，当预测到将要发生飞行冲突的时候，需要设计出避免飞行冲突的最优操作策略。.课题研究内容总共包括六个部分，提出了内点动态优化方法，将动态优化问题中的路径转化成障碍项加入目标函数中从而避免了路径约束的切换结构的确定，并结合收敛深度控制策略改进了内点动态优化方法的计算效率；提出了基于简化模型和分治思想的初始化策略，为冲突解脱问题提供良好的初值；提出了基于析取关系直接变换和基于光滑函数的冲突解脱方法，改进了冲突解脱问题的优化计算效率；提出了基于非配置点误差剖分和非配置点部分误差控制的冲突解脱方法，改进了冲突解脱问题的优化计算精度；最后基于以上理论分析和算法设计开发了飞行冲突解脱模拟平台。.数值实验结果表明本课题研究形成的一整套理论方法在求解8架飞机的冲突解脱时可以在10秒以内这个数量级完成优化计算，而之前Raghunathan等人却要在700秒以内这个数量级来完成优化计算，相比较而言求解飞行解脱冲突问题的计算效率得到了很大的提升，为进一步的在线应用奠定了良好的基础。