1、项目名称： 复杂低空飞行的自主避险理论与方法研究首席科学家： 张军 北京航空航天大学起止年限： 2011.1至 2015.8依托部门： 中华人民共和国工业和信息化部二、预期目标1.总体目标针对国家中长期科技发展规划中中国卫星导航系统、高分辨率对地观测系统等国家重大战略需求，围绕 复杂低空环境下飞行器安全飞行的基础科学问题，重点研究复杂低空飞行的自主避险理论与方法，建立复杂低空环境要素多源多粒度关联表征与认知模型；揭示多元异质动态环境要素所蕴含安全飞行威胁特征的一般性规律，攻克多尺度空域安全态势场的生成演化与可信度估计难题；建立受限空域多飞行器密集飞行的实时协同控制模型与协同机动方法，构建复杂低
2、空的自主避险基础理论与方法体系。在复杂低空飞行自主避险的多源多粒度观测数据的关联表征与完备认知、动态空域安全态势跨尺度时空映射、受限空域多飞行器密集飞行的协同调控等方面取得原创性成果，使我国复杂低空飞行自主避险研究达到国际先进水平。为国家培养一批从事飞行器安全飞行研究的青年学术带头人和研究骨干。2.五年预期目标探索复杂低空环境下飞行器安全飞行的基础科学问题，包括复杂低空空域环境要素的完备认知模型， 动态空域安全态势跨尺度时空映射模型，空域安全态势场的生成演化理论与可信度估计方法，受限空域多飞行器实时协同控制与安全引导基础理论与方法，开展复杂低空飞行器自主避险机载与地面仿真验证。具体目标是：（1
3、）揭示对环境要素的物理、几何、行为抽象特征的认知机理，建立适 应环境要素数据分布特性的信息加工模型与方法，提出复杂空域环境要素及时完备认知方法。（2）建立面向多威胁目标的飞行器安全包络模型，揭示安全包络间的演化机理及耦合机理，建立动态空域安全态势跨尺度的时空映射关系模型，提出多尺度安全态势场的生成演化理论及可信度估计方法。（3）提出受限空域多飞行器密集飞行的协同调控理论与方法体系，建立飞行器实际飞行性能的可信判定与推演方法，揭示多元误差因素对飞行器导航不确定性的影响机理和时空变化规律；建立空间多飞行器的实时协同控制模型，揭示各种不确定性因素对多机协同的影响机理，提出多机实时协同控制与快速避险策
4、略。预期在国内外重要刊物和一流国际学术会议上发表论文 300 篇以上，出版著作 5 本以上，申请发明专 利 50 项以上。 结合本项 目的实施，培养和建立一支具有一定规模的、以中青年科学家为骨干、多学科交叉融合的高水平人才队伍，其中杰出青年基金获得者、教育部“长江学者”特聘教授入选者 3 人以上，培养博士后和博士研究生 100 名以上。三、研究方案1. 学术思路 本项目针对复杂低空飞行自主避险中的环境要素认知完备性、安全态势构建可信性、飞行器自主避险协 同性的三大关键性挑战，围绕多源多粒度观测数据的关联表征与完备认知、动态 空域安全态势跨尺度时空映射、受限空域多飞行器密集飞行的协同调控等三大基
5、础科学问题，采取联合航空宇航科学、信息科学、控制科学、交通科学和地球科学等多学科交叉融合的研究思路，面向航空应急救援的重大应用，从科学问题 研究、关 键技术攻关、综 合仿真验证三个层次着手开展研究工作，并取得原创性成果。项目组确立了如下 三条学术思路：（1）强调多源多粒度数据关联表征与认知加工的融合研究，建立符合环境要素认知完备性的按需认知框架。 多源信息融合等现有的认知加工理论在数据精准统一表示、信息加工处理机制与方法等研究方面已有 较多进展，以追求数据处理的准确率为首要目的。但 对航空应急救援等应用下的低空空域环境要素的认知，其认 知模型必须追求及 时性与准确性的均衡。与直接借 鉴多源数据
6、融合已有的成果不同，本项目将围绕 复杂低空环境要素认知的完备性目标，强调数据关联与信息加工融合的按需认知方式：一方面，考 虑到应急反应的及时性要求，探索基于关键特征相关性的多源、多粒度数据关联表征模型，支持数据及特征的快速按需优选；另一方面，兼顾 及时性与准确性要求，建立结构认知与统计认知于一体的层次化信息加工模型，支持在较高层次快速完成信息加工处理。从而促进符合环境要素认知完备性的按需认知框架的建立。（2）强调飞行器小尺度安全态势与全空域大尺度安全态势的跨尺度耦合，构建多尺度安全态势场的可信生成理论与方法。考虑到全空域大尺度安全态势与飞行器小尺度安全态势存在关联耦合，且复杂低空空域安全态势具
7、有动态特征，与采用传统安全态势分离构建方法不同，本项目将围绕复杂低空空域安全态势构建的可信性要求，强调动态空域安全态势的跨尺度耦合本质特性，通过建立飞行器安全包络模型，探索多飞行器安全包络间的耦合机理，研究大尺度安全态势的生成演化方法，实现多飞行器小尺度安全态势到全空域大尺度安全态势的推演，保证复杂动态空域环境中多尺度安全态势的一致性和可信性。从而构建多尺度安全态势场的可信生成理论与方法。（3）强调多飞行器飞行航迹调控局部自主性和全局协同性的聚合，突破复杂低空环境中多飞行器协同机动控制的技术瓶颈。考虑到复杂低空空域内多飞行器为保证自主避险、安全飞 行，其航迹调控既有局部自主性又体 现出全局协同
8、性的特点，与只针对垂直、侧向两维静态空间中寻找优 化航迹的传统方法不同， 本项目将围绕飞行器密集飞行自主避险的协同性要求， 强调密集飞行空域内多飞行器的动态协同多维调控，通过构建基于实时航迹信息和动态安全态势场的多重密集飞行碰撞风险分级预测模型与方法，研究多 时空约束下、动态高维空间内多飞行器航迹的快速寻优模型与方法。从而突破复 杂低空环境中多飞行器协同机动的实时控制技术瓶颈，保障复 杂低空飞行的自主避险，实现安全飞行。2.技术途径针对复杂低空飞行的自主避险研究重大需求突出、涉及学科面广、社会效益显著等特点，本项目在研究内容设计、 实验手段建设 、研究 队伍组织等方面进行了深入探讨，以确保预期
9、目 标的顺利实现。在 总的技 术思路上，本 项目研究将采用如下技术路径：1）紧扣国家重大战略需求，坚持学科前沿研究和重大需求应用并重本项目瞄准国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020 年）中突发公共事件防范与快速处置、交通运输安全与应急保障等优先主题，开展多源多粒度观测数据的关联表征与完备认知、动态空域安全态势跨尺度时空映射、受限空域多飞行器密集飞行的协同调控三个科学问题的研究，成果可直接支撑中国卫星导航系统、高分辨率对地观测系统等国家重大专项的应用，对于提升我国航空应急救援能力具有重要作用。2）强调多学科综合交叉，突出原始创新的带动作用本项目研究复杂低空空域环境下飞行自主避险的基
10、础科学问题；多源多粒度观测数据的关联表征与完备认知、动态空域安全态势跨尺度时空映射、受限空域多飞行器密集飞行的协同调控等理论与方法，都是从重大工程中凝练的科学问题，显现 出多学科交叉的特色。本项目将通过航空、信息、控制、交通、地学等多学科的交叉融合，通过解决科学 问题取得原始创新，在此基础上形成关键技术突破，满足航空 应急救援等国家重大 应用需求。3）强化产、学、研、用强强联合，实现优势互补本项目从国家战略需求的重大工程中提炼科学问题，通过整合国内在航空、信息、控制、交通和地学等学科的优势单位，实施产 、学、研、用 强强联合， 汇聚形成多学科交叉、优势互补 的创新团队， 联合开展复 杂低空飞行
11、自主避险的基础科学创新研究，为推动我国 飞行自主避险领域的技术进步奠定理论基础。按照上述技术途径，本项目将研究内容分成三个方面，分别是：复杂低空环境要素认知处理模型、空域安全态势构建理论、多 飞 行器协同机动控制方法。 三个方面相辅相成，互为补充，共同完成复杂低空飞行的自主避险研究。在复杂低空环境要素认知处理模型方面，研究将不同时空数据关联到一个层次化表示框架的关联表征方法，建立兼顾及时性与准确性要求的结构认知与统计认知于一体的层次化认知加工模型。在空域安全态势构建理论方面，探索多飞行器安全包络间的耦合机理，研究大尺度安全态势的生成演化方法。在飞行器密集飞行的协同机动控制方面，通过构建基于实时
12、航迹信息和动态安全态势场的多重密集飞行碰撞风险分级预测模型与方法，重点研究多时空约束下、动态高维空间内多飞行器航迹的快速寻优模型与方法。最后，建立面向航空应急救援重大应用需求的半实物的仿真验证平台，对理论模型与方法进行验证，促进复杂低空飞行自主避险理论和方法的完善。3.创新点与特色 （1）研究思路的创新与特色从复杂低空飞行自主避险蕴含的科学问题出发，围绕环境要素认知的完备性、安全态势构建的可信性、飞行器自主避险的协同性三大关键性挑战， 强调多源多粒度数据关联表征与认知加工的按需融合、强调飞行器小尺度安全态势与全空域大尺度安全态势的跨尺度耦合、强调多飞行器飞行航迹调控局部自主性和全局协同性的聚合
13、。（2）研究方法创新1) 针对低空空域环境的非结构性和多态性等复杂性特征，研究多源多粒度观测数据的关联表征与完备认知机理，建立符合环境要素认知完备性的按需认知框架。2) 针对复杂低空空域安全态势生成与演化的不确定性和跨尺度特性，研究动态空域安全态势的跨尺度时空映射关系，提出资源受限条件下的安全态势信息的按需可靠共享方法，构建多尺度安全态势场的可信生成理论。3) 针对复杂低空飞行环境的快变性和飞行行为的多样性，研究受限空域多飞行器密集飞行的协同调控方法，突破复杂低空环境中多飞行器协同机动的实时控制技术瓶颈。基于上述创新点，本项目将建立复杂低空飞行自主避险的新理论和新模型，为解决复杂低空安全飞行面
14、临的空域环境复杂性、安全态势缺失性以及机动引导不确定性等挑战问题奠定基础。4.可行性分析 开展复杂低空飞行自主避险技术的基础研究，符合国家中长期科学和技术发展规划，研究成果将结合中国卫星导航系统、高分辨率对地观测系统等重大专项的建设与发展，提升我国航空应急救援的核心技术水平，推动我国防灾减灾、通用航空、公共安全等重大应用的发展。因此，本项 目符合国家战略需求。本项目围绕复杂低空安全飞行面临的环境要素认知完备性、安全态势构建可信性、飞行器自主避险协 同性三大科学挑战， 强调 解决复杂低空飞行自主避险蕴含的科学问题，集中开展基 础理论、关 键技术和实现 方法的研究。因此，本 项目科学研究目标明确。
15、在具体实现思路上，本项目按照科学问题解决、关 键技术攻关、 综合仿真验证三个层次，针对多源多粒度 观测数据的关联表征与完备认知、动态空域安全态势跨尺度时空映射、受限空域多飞行器密集飞行的协同调控等关键科学问题，将项目分解为有机联系、相互支持的六个课题，开展复杂低空飞行自主避险理论、模型和方法的研究，构建综 合仿真验证平台，解决 飞 行器安全飞行中的共性基础科学问题。因此，本项目的创新思路可行。项目牵头单位北京航空航天大学长期从事网络化协同式空中交通管理、空地协同空域监视、空天飞行器协作控制、 飞行器设计理论与方法等方面的研究工作，在本领域取得了多项具有国际先进水平的创新性成果，为本项目中飞行器
16、低空飞行避险的研究奠定了坚实基础。参与项目的其他申请单位在航空、信息、控制、交通、地学等相关学科具备雄厚的科研实力和交叉学科优势，在多 传感器联合探测、空地协同网络、飞行器协同控制等相关研究方向上具有雄厚的研究实力和基础。研究队伍由 1 名“千人计划”特聘教授、4 名国家杰出青年基金获得者和4 名教育部长江学者等优秀中青年学术骨干组成，为项目的开展提供了有力的人才保障。项目申请单位拥有 2 个相关的国家实验室（筹）、9 个相关的国家级和国防科技重点实验室与一批省部级重点实验室，为本项目研究提供了高水平的创新研究平台。5.组织方式本项目集中了国内多所一流高校和研究所的优秀中青年科研力量组成的攻坚
17、团队，学科交叉融合，研究课题 分工明确，在 发挥 各自专长的同时将定期组织学术交流，避免分散、孤立和重复研究；各合作单位与国内外同行均具有很好的合作基础和交流能力、建立了密切的学术交流渠道和合作研究机制，可以有效保证研究工作的前沿性和创新性。6.课题设置围绕多源多粒度观测数据的关联表征与完备认知、动态空域安全态势跨尺度时空映射、受限空域多飞 行器密集飞行的协同调控三个关键科学问题，本项目将研究内容划分为紧密联系而各有侧重的 6 个课题，各课题之间的内在联系如图 6.1 所示。 课题 1 是课题 2 的重要基 础，课题 2、3 是课题 4、5 实现飞行器自主避险的基础，课题 4 与课题 5 相互支撑。所有 课题 成果都将通过课题 6 复杂低空飞行自主避险仿真验证平台进行测试验证。图 4.1 各课题间的关系
