一种起飞油量最小化的多次放行点定位方法及系统

本发明涉及航空飞行燃油的计算方法，具体的涉及一种起飞油量最小化的多次放行点定位方法及系统。

背景技术：

1、能源是人类赖以生存与经济发展的物质基础，随着世界经济持续、高速发展，能源短缺的问题已经十分突出，能源危机是我国乃至全世界一个长久存在的严峻问题。由于国际油价行情受全球经济复苏、库存紧张和产能不足等多重因素影响，存在较大的不确定性，目前对于航空领域来说，如何节约运营成本、压缩开支，成为各大航空公司考虑的首要问题。

2、燃油成本是航空公司的第一大成本，对于洲际长航线，航司常常会为执飞的航班制定二次放行飞行计划，通过利用不可预期燃油以达到节省起飞前所携带的燃油量的目的。如图1所示，每一架航班起飞时都会携带至少四部分燃油，即从起飞机场到目标机场的巡航油量、从起飞机场到目标机场的不可预期燃油、目标机场到目标机场备降场的改航油量、在备降场上空1500ft盘旋等待30min所需的油量，其中不可预期燃油的数量不小。随着领航技术、天气预报技术的改进、空中管制设备及技术的改进，不可预期燃油被消耗的可能性将大大减小，远程飞行的飞机在到达目标机场后就会剩下大量燃油。利用二次放行的飞行计划，就是通过在航路上增设一个“二次放行点”，实现将起飞时携带的不可预期燃油量减少的目标。如图2所示，在起飞机场o起飞时，先按照起飞机场o飞初始目标机场p备降a的航线，加足燃油；而在实际飞行过程中，当飞到二次放行点r时，由飞行员检查剩余油量是否满足二次放行点r飞目标机场d备降t的油量；如满足，则由二次放行点r继续飞往目标机场d；如不满足，则降落在初始目标机场p，在初始目标p加油后再飞至目标机场d。上述二次放行的飞行计划极大地为航司节省了不可预期燃油的开支。例如，某航司使用777-300er执飞约翰内斯堡-北京航线，若使用二次放行飞行计划，不可预期燃油量将从原来的10206kg缩减至1500kg，极具经济效益。但是，传统的二次放行飞行计划并没有充分利用不可预期燃油，且只是一种依赖于航司签派员工作经验的工程实践方法，无法定量计算航路放行点的位置和节约燃油量的准确值，因此仍存在改进空间。

3、目前针对飞行计划与节油的理论研究偏少，即现有的研究存在以下3个主要问题：

4、1)没有在二次放行飞行计划的基础上，探究制作多次放行飞行计划的可行性(符合局方有关政策规定和安全标准)和经济价值(相较于二次放行飞行计划，进一步节约起飞时所携带的燃油量)；

5、2)对二次放行飞行计划的研究也仅停留在定性分析层面，未能针对放行条件、节油目标建立严谨的数学模型，限制了这一研究领域的深入拓展；

6、3)二次放行飞行计划考虑的影响因素较为单一，不能真实反映航班的真实运行情况，从而可能造成航班备降，导致消耗更多的燃油。

技术实现思路

1、针对二次放行飞行计划考虑的影响因素较为单一，不能反映航班的真实运行情况，从而可能造成航班备降，导致消耗更多的燃油的问题，本发明的目的在于提供一种起飞油量最小化的多次放行点定位方法，能使航线中不可预期燃油量进一步减少，甚至趋近于0。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种起飞油量最小化的多次放行点定位方法，通过如下步骤实现：

4、步骤一、确定多次放行飞行计划的满足条件；

5、步骤二、建立以最小化起飞时所需携带的燃油量为目标函数，以各航路点的放行条件为约束条件，建立航路放行点精确位置的数学模型；

6、步骤三、采用二次序列规划算法对步骤二中的数学模型进行求解，得到起飞油量最小化的多次放行点。

7、优选地，步骤一中，初始目标机场到其备降场的改航距离、改航所需油量均相等；飞机在每个机场执行进近、着陆以及滑入、滑出所消耗的油量均相等，备份油cof为0。

8、优选地，步骤二中，设o(r1)为起飞机场初次放行点，r2，r3，...，ri，...，rn为航路放行点，对应的初始目标机场分别为p2，p3，...，pi，...，pn，记tij为任意点i与点j之间的飞行用时，为任意点i处的燃油流量，设起飞时携带的油量为f；目标函数为：

9、minf

10、式中：

11、f——起飞时携带的油量。

12、飞机满足o(r1)点处的放行条件时：

13、

14、式中：

15、o——起飞机场初次放行点；p2，p3，...，pi，...，pn——初始目标机场；tij——任意点i与点j之间的飞行用时；——为任意点i处的燃油流量。

16、飞机满足r2点处的放行条件时：

17、

18、式中：

19、r2，r3，...，ri，...，rn——航路放行点。

20、飞机满足r3点处的放行条件时：

21、

22、归纳后得，飞机满足任意ri点处的放行条件时：

23、

24、飞机满足rn点处的放行条件时：

25、

26、式中：

27、d——最终目标机场。

28、优选地，步骤二中，设平均巡航速度v为常数，则飞行时间之比≈距离之比；同时，设燃油流量随时间线性减少，t是由o开始的飞行时间，r为自o开始航空器飞过的距离，即：

29、

30、式中：

31、——燃油流量；t——由o开始的飞行时间；r——自o开始航空器飞过的距离；v——平均巡航速度；d——从起飞机场o到最终目标机场d的总距离。

32、优选地，步骤二中，以起飞机场o为坐标轴原点，目的地机场d的坐标为d，设r2，r3，...，ri，...，rn的坐标分别为(x2，x3，...，xn)，初始目标机场p2，p3，...，pi，...，pn的坐标分别为由此可得改航距离：

33、

34、

35、

36、

37、式中：

38、ai——改航距离；(x2，x3，...，xn)——r2，r3，...，ri，...，rn的坐标；——初始目标机场p2，p3，...，pi，...，pn的坐标。

39、设其中k为常数，整理上述式子可得：

40、目标函数：

41、minf

42、o处的放行条件：

43、

44、式中：

45、k——常数，

46、r2点处的放行条件：

47、

48、r3点处的放行条件：

49、

50、任意ri点处的放行条件：

51、

52、rn点处的放行条件：

53、

54、优选地，步骤三中，采用二次序列规划算法对步骤二中确定的数学模型进行求解；

55、minf(x)为飞机起飞油量最小化目标函数，非线性规划问题形式如下：

56、minf(x)

57、s.t.gu(x)≤0(u＝1，2，...，p)

58、hv(x)＝0(v＝1，2，...，m)

59、利用taylor展开将目标函数在迭代点xk处简化为二次函数，将约束条件简化成线性函数后得到如下所示的二次规划问题：

60、

61、

62、

63、优选地，步骤三中，令：

64、s＝x-xk

65、将上述二次规划问题变成关于变量s的问题，即：

66、

67、

68、

69、令：

70、

71、

72、

73、

74、beq＝[h1(xk)，h2(xk)，...，hm(xk)]t

75、b＝[g1(xk)，g2(xk)，...，gp(xk)]t

76、将上式写成二次规划问题的一般形式，即：

77、

78、s.t.as＝-b

79、aeqs＝-beq

80、求解此二次规划问题，将其最优解s*作为原问题的下一个搜索方向sk，并在该方向上进行原约束问题目标函数的约束一维搜索，即可获得原约束问题的一个近似解xk+1，重复这一过程，得到最优解。

81、优选地，将地球上某点的经度纬度和高度投影到直角坐标系当中的xyz面上，大地坐标系和空间直角坐标系通过以下关系式进行转换：

82、

83、式中：

84、g为地球上一点，其经度、纬度、高度分别为d、r、h，在大地坐标系中，g点表示为g(d，r，h)；pt：空间中任意一点g，沿法线与地球(地球是一个椭球)的交点为t、与地轴的交点为p，pt为两点间距离；地球长半轴：a＝6378137；地球短半轴：b＝6356755；wgs84椭球扁率：椭球第一偏心率：wgs84坐标系椭球曲率半径w可用下列公式求得：

85、

86、本发明还涉及一种起飞油量最小化的多次放行点定位系统，包括一计算模块，该模块应用上述一种起飞油量最小化的多次放行点定位方法。

87、与现有技术相比，本发明的优点如下：

88、在传统的二次放行飞行计划的基础上，综合考虑燃油流量、飞行速度等油耗影响因素，建立了以最小化起飞时所需携带的燃油量为目标函数、以各航路点的放行条件为约束条件、确定航路放行点精确位置的数学模型，并使用二次序列规划算法对模型进行求解。

89、对多次放行飞行计划进行创新型研究，将综合考虑燃油流量、飞行速度等影响油耗的因素，给出多次放行飞行计划的数学模型，并结合数学规划理论对模型进行求解，对比论证求解结果，证实本发明方法的有效性、优越性。