仪表飞行程序设计障碍物自动筛选方法研究

周泽友

（中国民用航空飞行学院，广汉 618300）

仪表飞行程序设计障碍物自动筛选方法研究

周泽友

（中国民用航空飞行学院，广汉 618300）

利用VB.NET语言进行飞行程序设计基础数据的参数化建模，在满足要求的情况下，对ICAO规定的保护区大小进行适当放大得到保护区散点边界。然后利用凸包法，得到多边形表示的保护区边界，将障碍物人工筛选问题变成了，判断点是否在多边形内部的数学问题。这便实现障碍物筛选的程序化、自动化，从而大大降低障碍物筛选的工作量和难度。

障碍物筛选；自动化；凸包法

0 引言

仪表飞行程序是航空器根据飞行仪表和对障碍物保持规定的超障余度所进行的一系列预定的机动飞行。对超障余度进行分析（以下简称超障分析）的第一步就是对已有的障碍物进行筛选。

目前的程序设计方法中障碍物的筛选大多是通过人工判断完成的。因为仪表飞行程序设计保护区类型很多，大致分为：航路保护区、进场保护区、等待保护区、基线转弯保护区、进近复飞保护区、离场保护区，而且根据ICAO的规定，这些保护区的绘制方法各不相同，影响保护区的因素也有很多。尤其在净空复杂的地区，障碍物人工筛选工作变得极为困难。另外，飞行程序方案并不是一成不变的，跑道的延长、新修建筑等一系列原因会导致飞行程序保护区发生变化，保护区所覆盖的障碍物也随之变化。这些不确定性给障碍物的筛选增加极大的工作量，也给飞行程序设计人员进行下一步的超障分析带来困难，所以如何实现障碍物的自动筛选显得格外重要。

本文提出将障碍物坐标数字化，将保护区范围参数化，进而采用基于Graham扫描法实现的最小凸包算法进行障碍物的自动筛选，自动剔除不在保护区的障碍物，从而大大减小了程序设计中障碍物筛选的工作量，也降低了程序计算出错的概率。

结果表明，按照文中所述的障碍物自动筛选方法可以最大程度的减小工作量，也能避免障碍物筛选中容易出现的遗漏，尤其在程序方案频繁改动的预可研/可研阶段，优势明显。

1 设计思路

保护区边界离散处理的方法如下。

根据目前的ICAO规定的保护区绘制办法，可以将保护区的边界线总结为以下三种类型：

（a）线段

（b）圆弧

（c）风螺旋线（样条曲线）

如果边界线为线段的集合，那么保护区边界的范围可以用多边形描述。而这个多边形的获取可以通过求取平面内散点的最小凸包来实现。

如果边界线包含曲边，例如是圆弧或者样条曲线，保护区边界的范围则应该是曲边多边形，但是这个曲边多边形目前尚未有很好的算法进行精确求解。以下介绍一种方法进行近似求解。

如果边界线包含圆弧，可以将圆弧离散成若干散点，离散方法是获取该圆弧的外接正多边形的顶点，然后将这些顶点纳入平面散点点集当中。因为外接正多边形的范围必定是大于内切圆的，所以这样的离散方法增加了保护区大小，能够满足障碍物评估的相关要求。

图1 总体设计思路

图2 平面点集凸包

图3 圆的外切正多边形

如果边界线包含样条曲线，同样将样条曲线离散成若干散点，离散方法是首先获取该样条曲线的控制点，然后将这些控制点纳入平面散点点集当中。因为样条曲线具备保凸性，所以控制点的最小凸包势必比样条曲线本身覆盖的范围大，虽增加了保护区大小，但满足需求。

图4 风螺旋样条曲线的控制点

以上两种曲边的近似处理，精度可以人为控制，比如通过增加圆弧的外接正多边形的边数，以及增加样条曲线的控制点的个数，均可以在满足规定的情况下尽可能减小保护区大小。

通过以上处理，保护区边界最终变成一个封闭的平面多边形。而障碍物的自动筛选就变成自动判断平面内一个点是否落在一个封闭的平面多边形中。而点是否在多边形中目前已经有成熟的算法，稍作修改便可移植使用。

2 实例分析

针对上图障碍物众多的情况，利用本文提出的方法编制程序进行批量判断，大大降低了障碍物筛选难度。

图5 某机场09跑道VOR/DME进近复飞保护区

3 结语

根据ICAO保护区绘制规范中曲边边界的特点以及基于保护区边界更大更保守的考虑，结合曲边边界保凸的特性，将曲边边界离散为散点边界，最终将障碍物筛选问题变成了判断点在多边形内的数学问题，这便实现了障碍物筛选的程序化、自动化，从而大大降低了障碍物筛选的工作量和难度。

[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

周泽友（1989-），男，四川遂宁人，助教，从事领域为飞行程序、飞行性能、结构优化方面的研究词

2017-05-06

2017-07-30

Automatic Screening Obstacles;Automatic;Convex Hull Method