基于速度概率分布的空投场空域容量理论模型研究.pdf
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1、第2 4卷 第4期空 军 工 程 大 学 学 报V o l.2 4 N o.42 0 2 3年8月J OURNA L O F A I R F O R C E E NG I N E E R I NG UN I V E R S I T YA u g.2 0 2 3收稿日期:2 0 2 2-1 2-0 9作者简介:余付平(1 9 8 3-),女,河南商丘人,副教授,博士,研究方向为空域规划与管理。E-m a i l:j u n j i n g j 1 6 3.c o m引用格式:余付平,孙樊荣,沈堤,等.基于速度概率分布的空投场空域容量理论模型研究J.空军工程大学学报,2 0 2 3,2 4(4):
2、1 4-1 9.YU F u p i n g,S UN F a n r o n g,S HE N D i,e t a l.A T h e o r e t i c a l M o d e l o f A i r d r o p A i r s p a c e C a p a c i t y B a s e d o n V e l o c i t y P r o b a b i l i t y D i s t r i b u t i o nJ.J o u r n a l o f A i r F o r c e E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y,2
3、0 2 3,2 4(4):1 4-1 9.基于速度概率分布的空投场空域容量理论模型研究余付平1,孙樊荣2,沈 堤1,张仁猛1(1.空军工程大学空管领航学院,西安,7 1 0 0 5 1;2.南京航空航天大学民航学院,南京,2 1 0 0 1 6)摘要 空投作为重要的资源补给手段,相对于传统陆水运输,可以高效安全地实现物资保障,其空域容量对空投计划的制定有着不可或缺的影响。目前对于空投场场景的空域容量理论研究较浅,首先研究分析空投场运行特点,结合空投场场景的运行、结构特征,提出了空投场空域容量定义;其次分析空投场运行中可能出现的航空器追赶情况,建立了空投场空域容量计算模型;最后,以某空投场为例,
4、计算该结构下的空投场理论容量,通过蒙特卡洛仿真验证理论模型的可靠性。同时探究了航空器运行速度及小于最小安全间隔概率变化下空投场空域容量的变化规律。关键词 空投场空域容量;速度概率分布;最小间隔;蒙特卡洛仿真D O I 1 0.3 9 6 9/j.i s s n.2 0 9 7-1 9 1 5.2 0 2 3.0 4.0 0 3中图分类号 V 3 5 5.1 文献标志码 A 文章编号 2 0 9 7-1 9 1 5(2 0 2 3)0 4-0 0 1 4-0 6A T h e o r e t i c a l M o d e l o f A i r d r o p A i r s p a c e
5、C a p a c i t y B a s e d o n V e l o c i t y P r o b a b i l i t y D i s t r i b u t i o nYU F u p i n g1,S UN F a n r o n g2,S HE N D i1,Z HANG R e n m e n g1(1.A i r T r a f f i c C o n t r o l a n d N a v i g a t i o n S c h o o l,A i r F o r c e E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y,X ia n
6、7 1 0 0 5 1,C h i n a;2.C i v i l A v i a t i o n S c h o o l,N a n j i n g U n i v e r s i t y o f A e r o n a u t i c s a n d A s t r o n a u t i c s,N a n j i n g 2 1 0 0 1 6,C h i n a)A b s t r a c t A s r e s o u r c e r e p l e n i s h m e n t,a i r d r o p i s a n i m p o r t a n t m e a n s.
7、C o m p a r e d w i t h t r a d i t i o n a l l a n d a n d w a t e r t r a n s p o r t a t i o n,t h e a i r d r o p c a n g u a r a n t e e s e c u r i t y e f f i c i e n t l y f o r t h e m a t e r i a l,a n d i t s c a p a c i t y h a s a n i n d i s p e n s a b l e i m p a c t o n t h e f o r
8、m u l a t i o n o f a i r d r o p p l a n s.A t p r e s e n t,t h e c a p a c i t y t h e o r y u n d e r s t a n d i n g o f a i r d r o p s i t e s c e n e i s f a i r l y s u p e r f i c i a l.F i r s t l y,t h e o p e r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e a i r d r o p s i t e a r
9、e s t u d i e d a n d a n a l y z e d,a n d t h e d e f i n i t i o n o f t h e c a p a c i t y o f t h e a i r d r o p s i t e i s p r o p o s e d i n c o m b i n a t i o n w i t h t h e o p-e r a t i o n a n d s t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e a i r d r o p s i t e s c e
10、n e,S e c o n d l y,t h e p o s s i b i l i t y o f a i r c r a f t c h a s i n g s i t u a t i o n i n t h e o p e r a t i o n o n a i r d r o p g r o u n d i s a n a l y z e d,a n d a c a p a c i t y c a l c u l a t i o n m o d e l o f t h e a i r d r o p g r o u n d i s e s t a b l i s h e d.F i
11、n a l l y,t a k i n g a c e r t a i n a i r d r o p s i t e a s a n e x a m p l e,t h e t h e o r e t i c a l c a p a c i t y o f t h e a i r d r o p s i t e u n d e r t h i s s t r u c t u r e i s c a l c u l a t e d,a n d t h e r e l i a b i l i t y o f t h e t h e o r e t i c a l m o d e l i s v
12、e r i f i e d b y M o n t e C a r l o s i m u l a t i o n.A t t h e s a m e t i m e,t h e v a r i a t i o n l a w o f a i r d r o p f i e l d c a p a c i t y u n d e r c o n d i t i o n o f t h e p r o b a b i l i t y c h a n g e o f a i r c r a f t a t r u n n i n g s p e e d a n d l e s s t h a n
13、t h e m i n i m u m s a f e t y i n t e r v a l i s e x p l o r e d.T h e r e s e a r c h c o n t e n t o f t h e p a p e r c a n s u p p l y f o r m u l a t i o n o f a i r d r o p p l a n w i t h s c i e n t i f i c a n d r e l i a b l e t h e o r y.K e y w o r d s a i r d r o p a i r s p a c e c
14、a p a c i t y;v e l o c i t y p r o b a b i l i t y d i s t r i b u t i o n;m i n i m u m i n t e r v a l;M o n t e C a r l o s i m-u l a t i o n 在需要大量且快速的物资补给需求场景中,传统的陆地和水上运输方式容易受到环境因素的影响,局限性较大,较难在复杂环境高效安全地完成运输任务。空投作为依赖空域进行物资运输的方式,可以高效投送人力、设备、物资,同时保障后续物资运输传递,是资源补给的重要保障以及提升现代空中运输能力的重要手段。因此,在空域复杂度不断提
15、高的情况下,如何科学合理地评估空投场空域容量,为制定空投计划提供理论依据,实现空投资源的高效顺畅运输,是目前空域管理中亟待解决的重要问题。一方面,目前国内外对空投相关理论有了较深的研究。在空投翼伞模型方面,文献1 考虑地球旋转对空投运动的影响,建立空投翼伞六自由度模型。文献2 在六自由度模型基础上,分析了空投物伞系统的纵向、侧向运动,对六自由度模型进行了改进。文献3 根据不同空投航空器运动状态参数不同,提出了适用于不同空投航空器的六自由度模型。文献4 建立了带伞空投系统的六自由度模型。在空投参数辨识算法方面,文献5 基于六自由度模型,采用遗传算法进行空投翼伞参数识别。文献6 通过改进的遗传算法
16、实现空投翼伞的参数识别。文献7 采用基于C D F的概率论方法构建了空投发现概率模型。文献8 基于六自由度运动模型对空投伞系统进行仿真研究,文献9 采用蒙特卡洛仿真,研究空投高速、速度、投放位置等对空投投放的影响。文献1 0 基于蒙特卡洛仿真对基于时间控制的降落伞开伞控制系统进行研究。另一方面,国内外对民航空域容量评估有较多研究成果。空域容量是针对某个空域单元而言的,是指某个特定的空域单元,在单位时间内对航空器的最大服务架次。总体看,当前空域容量问题大致可以划分为空域结构限制下的空域容量评估和管制员工作负荷限制下的容量评估。在空域结构限制下的空域容量评估方面,主要采用基于飞行的空间间隔建模分析
17、的方法进行研究1 1-1 3。在管制员工作负荷限制下的容量评估方面,主要是通过不同的分类和统计方法,建立工作负荷与航空器架次的关系,基于设定的交通流量分布参数计算管制员平均工作负荷,最终获得空域容量评估结果1 4-1 6。综上所述,关于民航领域容量评估的研究较为完善,关于空投的研究大多是通过模型仿真等方法研究空投下降阶段的稳定性和精确度以及空投最佳起始投放点,但从运输机角度出发研究空投场容量的相关研究甚少,还存在较大研究创新空间。因此本文以民用航空领域的容量理论为基础,结合空投场的实际运行场景,建立空投场的空域容量评估模型并计算,采用蒙特卡洛仿真对模型进行仿真验证。1 空投场空域容量分析1.1
18、 空投场特点分析空投场相对于传统的陆运或水运,空投能够以更快的速度将物资投送到目标区域,节省了时间和成本,具有高效性。空投可以在任何地点和任何时候进行,不受地形、路线、季节和天气等限制,能够适应不同的任务需求和应急情况,具有灵活性。此外,空投场运行方式具有较多不确定性特点,主要体现在5个方面:空投执行周期具有不确定性和阶段性;空投是不同航空器在固定空域持续执行任务,不存在航空器持续接替的情况;空投场系统涉及航管、领航,需要空战指挥引导的支撑;空投需在不同时期使用不同种类机型;空投类型包括兵力、设备和物资等,不同空投类型所需的空投间隔不同。可以看出,空投的不确定因素较多,因此,为了科学准确评估空
19、投场的容量,本文结合空投场空域对于不同的空投任务运行受到的制约因素不同,对空投场空域容量进行分析评估。1.2 空投场空域容量的概念意义分析空投运输可近似看成是在一个特定的空投区域,航空器高空运输通道依次排队以目标点和目标高度进入空投区域,在规定时间内完成空投计划后退出空投区域,如图1所示。图1 空投场场景示意图空投场空域容量的意义在于空投通道满足部队作战的需要。空投的限制因素包括:通道的飞行间隔、高度层数量、空投空域的间隔、高度层数量、不同的机型之间的最低间隔要求等,其中飞行通道的间51第4期 余付平,等:基于速度概率分布的空投场空域容量理论模型研究隔和空投空域的空投间隔不一致会导致2个不同的
20、空域单元(通道和空投空域)的耦合过程中产生飞行冲突或者空域瓶颈,例如:飞行通道的额定流量为2 m i n间隔,而空投空域的间隔为5 m i n间隔,间隔要求不一致会导致通道容量和空投空域容量之间的不一致,高度层数量也可能不一样。因此,空投场空域容量概念研究的意义在于找出空投作战样式中运行瓶颈,指导制定空投作战计划。在容量模型上其主要受3个因素影响:航空器飞行间隔。需要考虑的因素包括不同类型的航空器速度、高度能力和前后机间隔等。空投类型。空投类型可包括兵力、设备和物资等,对于不同类型的空投目标所需要的空投高度,空投间隔,地面疏散能力等均不同。空投场限制。包括空投区域大小(主要是空投区域进入点和退
21、出点之间的距离),高度和速度限制等。空投场主要是编队飞行的航空器,通过划定的飞行通道,以一定的队形飞往空投场,并以规定的动作完成空投任务。因此,运输机完成整个空投任务需综合考虑现有资源、运输飞行通道、空域环境和指挥引导等因素,进而制定空中运输投送计划,根据空中运输投送计划所确定参与空中运输的航空器的机型、架次、飞行通道数量、速度等。结合空域容量定义可知,空投场空域容量具体可表述为在特定的时间段内,特定的空投场可以完成空投的最大航空器架次/批次。2 空投场空域容量评估模型空投场空域容量受到空投场环境因素、航空器特性、空投任务性质等影响。因此本文以上述影响因素为约束条件,建立空投场的容量模型。2.
22、1 模型假设在实际执行空投任务中,考虑空投场区域相对飞行通道较小及空投下降过程对空投场的容量影响较小,为了简洁模型,作如下假设:1)航空器空投场内匀速飞行;2)航空器进入空投场后不进行高度调整;3)空投下降过程中互不影响且与航空器之间无影响;4)单一空投高度层进入空投场,为了保持安全间隔,要求不同机型运输机在空投区域内,前后机的间隔均要满足规定;5)不同的作战周期对应的机型选择不同。2.2 模型构建空投是不同航空器在固定空域持续执行任务,需要考虑航空器对最小的飞行间隔及空投场占用时间对空投场空域容量的影响。空投场空域容量是在一定条件下的最大值,因此航空器间的时间间隔应取最小飞行间隔和空投场占用
23、时间中的最大值,即:Ti j=m a xTC Oi j,Tii j (1)式中:i、j分别为需要进入某空投场的不同机型运输机;Ti j为航空器对的间隔时间;Tii j表示连续相继到达航空器的时间间隔,不违反最小间隔规定;TC Oi j表示连续到达航空器的空投场占用时间。考虑到不同类型航空器对间隔以及航空器占用空投场时间的随机属性,假设均服从正态分布。为了确保不以高于pv的概率违反最小间隔的规定,一般需要在间隔规定之外加入额外的缓冲时间。假设航空器的空投场占用时间和航空器对在空投场入口的实际间隔时间相互独立,则:TOiN(TOi,2R),Ti j(A A)N(TC Oi j,2O)(2)(Ti
24、j(A A)-TOi)N(TC Oi j-TOi,2O+2R)(3)式中:TOi表示航空器i的空投场占用时间;TOi为TOi的期望;R为TOi的标准差;Ti j(A A)为相继到达航空器的实际时间间隔;0为Ti j的标准差。令:Z=Ti j(A B)-TOi -TC Oi j-TOi 20+2R(4)则ZN(0,1)为标准正态分布。相继到达航空器对i,j在空投场入口处的实际间隔时间小于前机i的空投场占用时间的概率为pv,则有:pv=PTi j-TOi -TC Oi j-TOi 20+2R-TC Oi j-TOi 20+2R (5)qv=1-pv=P ZTC Oi j-TOi 20+2R (6)
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- 基于 速度 概率 分布 空投 空域 容量 理论 模型 研究
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