CN105931497B - 通航空中冲突检测方法、装置和通用航空器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种通航空中冲突检测方法，首先，获取本机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置，以及获取他机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置；然后，根据本机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置，推算未来一段时间内本机的预测航迹；以及根据他机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置，推算未来一段时间内他机的预测航迹；最后根据所述本机的预测航迹和所述他机的预测航迹，判断在未来所述一段时间内本机与他机是否存在冲突。本发明采用航向角、转弯速率等参数进行航迹预测，提高了通用航空器航迹预测的准确性，进而提高冲突检测的准确性，为通用航空提供了一种准确性较高的空中冲突检测方法。
Description
技术领域
本发明涉及通用航空技术领域，具体涉及一种通航空中冲突检测方法、装置和一种通用航空器。
背景技术
通用航空(GeneralAviation)，简称通航，是指使用民用航空器从事公共航空运输以外的民用航空活动，包括从事工业、农业、林业、渔业和建筑业的作业飞行以及医疗卫生、抢险救灾、气象探测、海洋监测、科学实验、教育训练、文化体育等方面的飞行活动。通用航空的飞行区域为低空空域，我国的低空空域通常是指真高10m以下的空间范围，由于通用航空活动具有飞行高度低、机动灵活性和实效性较强、受天气等因素的影响大、活动空间范围和类型广泛等特点，地面通信、导航和监视***无法有效覆盖该空域，管制员对这些航空器看不到、联不上，不提供管制服务，飞行安全由航空器驾驶员自己负责。所以，该空域飞行的航空器采用看见避让原则进行飞行冲突避让。
传统的看见避让的通航飞行冲突避让方法受天气情况和空中飞行密度的影响较大，在天气情况恶劣、能见度低或空中飞行密度高时，驾驶员的视野受限，可能没有足够长的时间采取避让措施而导致撞机等安全事故，鉴于此，需要提供一种适用于通航飞行的空中冲突检测方法以解决上述问题。
民用航空在空中飞行冲突检测方面的研究要早于通用航空，目前民用航空普遍采用的空中冲突告警方法是TCAS技术，受该技术工作原理限制，TCAS冲突检测范围限于距离本机40海里以内的范围，另外TCAS技术中对航空器航迹预测采用的是匀速率模型，该模型不允许飞行器随意改变航向，所以更适用于航路上的航迹预测。随着TCAS技术的不断发展，现行一种新型TCAS技术被提出，即TCAS与ADS-B相结合的空中冲突检测方法，该技术在原有TCAS冲突检测有效范围内，将TCAS询问信息与ADS-B报文融合，目的是提高冲突检测算法所需数据的准确性，另外在原有TCAS冲突检测失效范围内，利用ADS-B报文进行周围空域无威胁飞机过滤。新型TCAS技术解决了原有TCAS的40海里有效冲突检测范围的问题。
然而，由于通用航空飞行特点与民用航空存在较大差别，TCAS采用的匀速率航迹预测模型在机动性大的通航飞行环境下，其航迹预测准确率大大下降，直接影响通航空中冲突检测结果，现有技术中适用于民用航空的飞行冲突检测技术并不适用于通用航空，所以，研究一套适用于通航飞行的空中冲突检测方法迫在眉睫。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种通航空中冲突检测方法、装置和一种通用航空器，以提供一套适用于通航飞行的空中冲突检测方法，以便于及时对飞行员发出告警，避免发生空中飞行冲突危险。
第一方面，本发明提供的一种通航空中冲突检测方法，包括：
获取本机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置，以及获取他机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置；
根据所述本机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置，推算自当前时刻起未来一段时间内所述本机的预测航迹；以及根据所述他机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置，推算自当前时刻起未来所述一段时间内所述他机的预测航迹；
根据所述本机的预测航迹和所述他机的预测航迹，判断在自当前时刻起未来所述一段时间内所述本机与所述他机是否存在冲突。
可选的，所述根据所述本机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置，推算自当前时刻起未来一段时间内所述本机的预测航迹；以及根据所述他机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置，推算自当前时刻起未来所述一段时间内所述他机的预测航迹，具体包括：
根据所述本机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置，采用趋势外推法依次推算自当前时刻起未来一段时间内多个时间节点对应的所述本机的多个轨迹点，由所述本机的多个轨迹点组成所述本机的预测航迹；以及根据所述他机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置，采用趋势外推法依次推算自当前时刻起未来所述一段时间内所述多个时间节点对应的所述他机的多个轨迹点，由所述他机的多个轨迹点组成所述他机的预测航迹。
可选的，所述趋势外推法的数学算法，包括：
Xk＝Xk-1+v*cos(ψk-1)*dt
Yk＝Yk-1+v*sin(ψk-1)*dt
Zk＝Zk-1+vz*dt
式中，ψ表示航向角；φ表示转弯速率；v表示航行速度的水平分量，vz表示航行速度的垂直分量；X、Y、Z表示轨迹点在本地坐标系的三维坐标值；k的取值为1、2、3……，表示所述轨迹点的序号；dt表示相邻所述时间节点之间的时间间隔。
可选的，所述根据所述本机的预测航迹和所述他机的预测航迹，判断在自当前时刻起未来所述一段时间内所述本机与所述他机是否存在冲突，具体包括：
获取所述他机的保护区域和避撞区域；
根据所述本机的预测航迹和所述他机的预测航迹，判断在自当前时刻起未来所述一段时间内所述本机是否会进入所述他机的保护区域或避撞区域；
若在自当前时刻起未来所述一段时间内所述本机会进入所述他机的保护区域，则判断在自当前时刻起未来所述一段时间内所述本机与所述他机存在PAZ冲突；
若在自当前时刻起未来所述一段时间内所述本机会进入所述他机的避撞区域，则判断在自当前时刻起未来所述一段时间内所述本机与所述他机存在CAZ冲突。
可选的，所述获取所述他机的保护区域，包括：
根据以下通用航空器保护区域计算算法，计算所述他机的保护区域：
RPAZ＝RPAZmin+tauPAZr*crh
HPAZ＝HPAZmin+tauPAZv*crv
式中，RPAZ表示通用航空器在指定时间节点保护区域的区域半径；HPAZ表示通用航空器在指定时间节点保护区域的区域高度；RPAZmin表示通用航空器的最小保护区域半径；HPAZmin表示通用航空器的最小保护区域高度；tauPAZr表示水平避撞预留时间；tauPAZv表示垂直避撞预留时间；crh表示他机和本机在指定时间节点的水平相对速度；crv表示他机和本机在指定时间节点的垂直相对速度。
可选的，所述根据所述本机的预测航迹和所述他机的预测航迹，判断在自当前时刻起未来所述一段时间内所述本机与所述他机是否存在冲突，包括：
获取所述本机的保护区域和避撞区域；
根据所述本机的预测航迹和所述他机的预测航迹，判断在自当前时刻起未来所述一段时间内所述他机是否会进入所述本机的保护区域或避撞区域；
若在自当前时刻起未来所述一段时间内所述他机会进入所述本机的保护区域，则判断在自当前时刻起未来所述一段时间内所述本机与所述他机存在PAZ冲突；
若在自当前时刻起未来所述一段时间内所述他机会进入所述本机的避撞区域，则判断在自当前时刻起未来所述一段时间内所述本机与所述他机存在CAZ冲突。
可选的，所述通航空中冲突检测方法，还包括：
若判断在自当前时刻起未来所述一段时间内所述本机与所述他机存在冲突，则获取发生冲突的时间节点；
计算当前时间距所述发生冲突的时间节点的时间差；
判断所述时间差是否小于预设的冲突告警时间门限；
若小于，则发出空中冲突告警信息。
可选的，所述若小于，则发出空中冲突告警信息，包括：
若小于，则判断当前时间距上次针对所述本机与所述他机发出空中冲突告警信息的时间的时间差是否大于预设的单次告警持续时间阈值；
若大于，则发出空中冲突告警信息。
可选的，所述获取他机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置，包括：
接收他机发送的ADS-B报文；
解析所述ADS-B报文，获得所述ADS-B报文中所述他机的航向角、航行速度和测量位置；
根据所述他机的历史位置信息，推算出所述他机在当前时间的外推位置；
判断所述测量位置与所述外推位置之间的距离差是否小于预设的距离阈值；
若小于，则将所述ADS-B报文中所述他机的航向角、航行速度和测量位置记录为所述他机在当前时间的航向角、航行速度和位置，以及根据所述ADS-B报文中所述他机的航向角和所述他机的历史航向角，计算所述他机在当前时间的转弯速率。
第二方面，本发明提供的一种通航空中冲突检测装置，包括：
基础数据获取模块，用于获取本机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置，以及获取他机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置；
预测航迹推算模块，用于根据所述本机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置，推算自当前时刻起未来一段时间内所述本机的预测航迹；以及根据所述他机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置，推算自当前时刻起未来所述一段时间内所述他机的预测航迹；
冲突检测模块，用于根据所述本机的预测航迹和所述他机的预测航迹，判断在自当前时刻起未来所述一段时间内所述本机与所述他机是否存在冲突。
第三方面，本发明提供的一种通用航空器，所述通用航空器上搭载有本发明提供的所述通航空中冲突检测装置。
由上述技术方案可知，本发明提供的一种通航空中冲突检测方法，首先，获取本机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置，以及获取他机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置；然后，根据所述本机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置，推算自当前时刻起未来一段时间内所述本机的预测航迹；以及根据所述他机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置，推算自当前时刻起未来所述一段时间内所述他机的预测航迹；最后根据所述本机的预测航迹和所述他机的预测航迹，判断在自当前时刻起未来所述一段时间内所述本机与所述他机是否存在冲突。本发明，根据通航飞行机动性强的特点，采用了航向角、转弯速率等参数进行航迹预测，从而提高对通用航空器航迹预测的准确性，进而提高冲突检测的准确性，为通用航空提供了一种具有较高准确性的空中冲突检测方法，以便于及时对飞行员发出告警，避免发生空中飞行冲突危险。
本发明提供的一种通航空中冲突检测装置和一种通用航空器，与上述通航空中冲突检测出于相同的发明构思，具有相同的有益效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1示出了本发明第一实施例所提供的一种通航空中冲突检测方法的流程图；
图2示出了本发明第二实施例所提供的一种通航空中冲突检测装置的示意图；
图3示出了本发明第三实施例所提供的对ADS-B报文进行预处理的流程图；
图4示出了本发明第四实施例所提供的保护区域和避撞区域的示意图；
图5示出了本发明第五实施例所提供的根据预测航迹和安全区域进行冲突检测的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
鉴于适用于民用航空的飞行冲突检测技术并不适用于通用航空，现有技术中缺少适用于通用航空的空中冲突检测方法的问题，本发明提供一种通航空中冲突检测方法、装置和一种通用航空器，以提供一套适用于通航飞行的空中冲突检测方法，以便于及时对飞行员发出告警，避免发生空中飞行冲突事故。
为了便于理解，在此对本发明的发明构思进行说明如下：
本发明应用于通用航空器，鉴于通用航空器机动性强的飞行特点，本发明通过构建匀速率转弯模型进行航迹预测，进而根据预测而得的预测航迹进行冲突检测，具体而言，首先接收其他通用航空器(他机)广播的ADS-B报文，然后根据所述ADS-B报文获取他机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置等信息，并根据上述信息进行趋势外推，获得所述他机在自当前时刻起未来一段时间内的预测航迹，另外，根据本机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置等信息进行趋势外推，获得本机在自当前时刻起未来一段时间内的预测航迹，进而根据所述他机的预测航迹和所述本机的预测航迹判断自当前时刻起未来所述一段时间内是否存在空中冲突。
下面结合附图对本发明的实施例进行说明。
图1示出了本发明第一实施例所提供的一种通航空中冲突检测方法的流程图。如图1所示，本发明第一实施例提供的一种通航空中冲突检测方法包括以下步骤：
步骤S101：获取本机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置，以及获取他机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置。
本步骤中，本机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置等参数可以从飞行状态实时监控***(如全球卫星导航***(GNSS)、惯性导航***(INS)、惯性参考***(IRS)、飞行管理器、等)中获取，也可以直接从相应的传感器中获取，还可以根据从相应传感器中获取的基础数据计算而得，例如，转弯速率即可根据所述航向角的时序变化计算而得；所述他机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置，可以从他机广播的ADS-B报文中获取，例如，在本申请提供的一个实施例中，所述获取他机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置，包括：
接收他机发送的ADS-B报文；
解析所述ADS-B报文，获得所述ADS-B报文中所述他机的航向角、航行速度和测量位置；
根据所述他机的历史位置信息，推算出所述他机在当前时间的外推位置；
判断所述测量位置与所述外推位置之间的距离差是否小于预设的距离阈值；
若小于，则将所述ADS-B报文中所述他机的航向角、航行速度和测量位置记录为所述他机在当前时间的航向角、航行速度和位置，以及根据所述ADS-B报文中所述他机的航向角和所述他机的历史航向角，计算所述他机在当前时间的转弯速率。
ADS-B报文的主要信息是飞机的4维位置信息(经度、纬度、高度和时间)和其它附加信息(航行速度、航向角、航线拐点等信息)以及飞机的识别信息和类别信息。因此，根据他机发送的ADS-B报文，可以获知他机的航向角、转弯速率(可根据他机的航向角变化计算而得，若他机在ADS-B报文中增加此项，也可以直接解析ADS-B报文获得)、航行速度和测量位置等信息。
其中，所述测量位置是所述他机接收到的定位卫星对所述他机定位的位置信息，为了避免定位卫星对所述他机的位置定位错误，导致所述ADS-B报文中所述他机的测量位置出现大的偏差，影响航迹预测的准确性，在本机中设有他机数据库，所述他机数据库中记录有他机的历史信息，如历史位置、历史航向角、历史航行速度等，因此，可以根据所述他机的历史信息推算出所述他机的当前位置(为了区分，命名为外推位置)，并与所述测量位置进行比较，若差异超出预设阈值，则认为所述测量位置可能发生较大偏差、准确性较低，不予采用，若未超出预设阈值，则认为所述测量位置准确性较高，可以采用。
需要说明的是，本实施例中，所述他机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置等信息是根据ADS-B报文获取的，但本发明并不限制所述他机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置等信息的获取途径，通过其他信息传输方式或信息载体获取上述信息，如卫星信号、定制的无线电波、机载雷达获取基础数据后推算等，也在本申请的保护范围之内，此处不再一一赘述。
在本申请提供的一个优选的实施例中，本机中设有他机数据库DB，本机在接收到他机发送的ADS-B报文后，要对所述ADS-B报文进行预处理，预处理的主要功能是维护他机数据库DB，并定期从DB中提取他机最新位置信息，将他机和本机的位置信息外推到当前***时间上，从而保证他机和本机的位置在时间上是对齐的。
请参考图3，其为本发明第三实施例所提供的对ADS-B报文进行预处理的流程图，本机接收到新的他机ADS-B报文后，首先对所述ADS-B解析后获得的新的他机的信息，然后将所述新的他机与DB中所有他机进行关联，目的是判定新接收到的所述新的他机是否已经保存在DB中，如果关联失败则说明DB中尚未保存所述新的他机的信息，则将所述新的他机的信息在DB中新建信息节点。
如果关联成功，则根据DB中保存的该他机的历史位置，将所述他机的位置外推到ADS-B报文的TOA时间点上(time of arrival,报文到达本机的时间)，获得外推位置，然后，计算从所述ADS-B报文中提取出来的所述他机的测量位置与所述外推位置之间的距离差，并判断所述距离差是否大于预设的距离阈值，如果大于，则认为所述测量位置不可靠，即不将本次测量位置更新入DB中，反之则认为测量位置可靠，即将本次测量位置更新入DB中。此方法主要是为了防止将定位卫星对所述他机定位的过失测量误差写入到DB中，从而影响航迹预测的准确性。完成他机在DB中的更新后，根据他机最新信息计算出转弯速率φ。
此外，还可以在本机中设置一个周期为1秒的定时器，它负责定期删除DB中超时未更新的他机信息，并提取DB中所有他机最新位置信息、速度信息等等，将DB中所有他机和本机位置外推到***当前时间，从而使得他机和本机的位置在时间上对齐。
步骤S102：根据所述本机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置，推算自当前时刻起未来一段时间内所述本机的预测航迹；以及根据所述他机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置，推算自当前时刻起未来所述一段时间内所述他机的预测航迹。
准确的航迹预测是冲突检测及时性和正确性的重要前提条件，目前航迹预测研究中出现的算法可以分为两种：基于卡尔曼滤波的无参数方法；基于飞行器模型的航迹预测方法。这两种方法各有优缺点，基于卡尔曼滤波的无参数方法只是单纯利用跟踪滤波算法进行航迹预测，对机动性强的通航飞行航迹预测上，准确率不高。基于飞行器模型的航迹预测方法需要大量的飞行器参数，然而获取这些参数的难度较大，缺失的参数会严重影响航迹预测的准确性。
鉴于通用航空器机动性强的飞行特点，可以采用匀速率转弯模型进行航迹预测，这样，既不需要大量的飞行器参数，而又能跟踪飞行器重要飞行动态参数航向角，从而保证航迹预测能真实反映飞行器飞行轨迹。在本申请提供的一个实施例中，所述根据所述本机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置，推算自当前时刻起未来一段时间内所述本机的预测航迹；以及根据所述他机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置，推算自当前时刻起未来所述一段时间内所述他机的预测航迹，具体包括：
根据所述本机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置，采用趋势外推法依次推算自当前时刻起未来一段时间内多个时间节点对应的所述本机的多个轨迹点，由所述本机的多个轨迹点组成所述本机的预测航迹；以及根据所述他机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置，采用趋势外推法依次推算自当前时刻起未来所述一段时间内所述多个时间节点对应的所述他机的多个轨迹点，由所述他机的多个轨迹点组成所述他机的预测航迹。
在本申请提供的一个实施例中，所述趋势外推法可以选用线性外推法，其数学算法可以是：
ψk＝ψk-1+φ*dt
Xk＝Xk-1+v*cos(ψk-1)*dt
Yk＝Yk-1+v*sin(ψk-1)*dt
Zk＝Zk-1+vz*dt
式中，ψ表示航向角；φ表示转弯速率；v表示航行速度的水平分量，vz表示航行速度的垂直分量；X、Y、Z表示轨迹点在本地坐标系的三维坐标值；k的取值为1、2、3……，表示所述轨迹点的序号；dt表示相邻所述时间节点之间的时间间隔。在本申请提供的一个优选的实施例中，k的取值为1、2、3、……35，即预测本机未来35个轨迹点和他机未来35个轨迹点。
步骤S103：根据所述本机的预测航迹和所述他机的预测航迹，判断在自当前时刻起未来所述一段时间内所述本机与所述他机是否存在冲突。
在获取到所述本机的预测航迹和所述他机的预测航迹后，即可根据所述本机的预测航迹与所述他机的预测航迹是否相交来判断在自当前时刻起未来所述一段时间内所述本机与所述他机是否存在冲突，实现冲突检测。
考虑到预测航迹只是一条线，而通用航空器具有一定的体积，而且即使两个通用航空器不发生碰撞，两者靠近产生的扰动也会引发安全事故，因此，可以为通用航空器设置保护区域和避撞区域，利用所述保护区域和避撞区域进行冲突检测。在本申请提供的一个实施例中，所述根据所述本机的预测航迹和所述他机的预测航迹，判断在自当前时刻起未来所述一段时间内所述本机与所述他机是否存在冲突，具体包括：
获取所述他机的保护区域和避撞区域；
根据所述本机的预测航迹和所述他机的预测航迹，判断在自当前时刻起未来所述一段时间内所述本机是否会进入所述他机的保护区域或避撞区域；
若在自当前时刻起未来所述一段时间内所述本机会进入所述他机的保护区域，则判断在自当前时刻起未来所述一段时间内所述本机与所述他机存在PAZ冲突；
若在自当前时刻起未来所述一段时间内所述本机会进入所述他机的避撞区域，则判断在自当前时刻起未来所述一段时间内所述本机与所述他机存在CAZ冲突。
其中，所述避撞区域(CAZ)是以通用航空器的质心为中心的虚拟圆柱体区域，一般是根据通用航空器的性能、体积等确定的一个恒定区域范围，以防止通用航空器之间发生实际上的机身碰撞；所述保护区域(PAZ)包括以通用航空器质心为中心的虚拟圆柱体区域，可以根据通用航空器的性能、飞行员反应时间、两个通用航空器的接近程度确定，所述保护区域比所述避撞区域要大，用于提醒飞行员有他机靠近，有可能继续靠近，为飞行员采取措施提供缓冲时间。请参考图4，其为本发明第四实施例所提供的保护区域和避撞区域的示意图。
在本申请提供的一个实施例中，所述获取所述他机的保护区域，包括：
根据以下通用航空器保护区域计算算法，计算所述他机的保护区域：
RPAZ＝RPAZmin+tauPAZr*crh
HPAZ＝HPAZmin+tauPAZv*crv
式中，RPAZ表示通用航空器在指定时间节点保护区域的区域半径；HPAZ表示通用航空器在指定时间节点保护区域的区域高度；RPAZmin表示通用航空器的最小保护区域半径；HPAZmin表示通用航空器的最小保护区域高度；tauPAZr表示水平避撞预留时间；tauPAZv表示垂直避撞预留时间；crh表示他机和本机在指定时间节点的水平相对速度；crv表示他机和本机在指定时间节点的垂直相对速度。
请参考图5，其为本发明第五实施例所提供的根据预测航迹和安全区域进行冲突检测的示意图，图中，内部小圆表示避撞区域CAZ，外部大圆表示保护区域PAZ，图中两条虚线分别表示他机的预测航迹和本机的预测航迹，在t＝30s时刻，预测到本机会进入他机的PAZ区域，则判定发生PAZ冲突。
作为上述实施例的变更实施方式，在本申请提供的一个实施例中，所述根据所述本机的预测航迹和所述他机的预测航迹，判断在自当前时刻起未来所述一段时间内所述本机与所述他机是否存在冲突，包括：
获取所述本机的保护区域和避撞区域；
根据所述本机的预测航迹和所述他机的预测航迹，判断在自当前时刻起未来所述一段时间内所述他机是否会进入所述本机的保护区域或避撞区域；
若在自当前时刻起未来所述一段时间内所述他机会进入所述本机的保护区域，则判断在自当前时刻起未来所述一段时间内所述本机与所述他机存在PAZ冲突；
若在自当前时刻起未来所述一段时间内所述他机会进入所述本机的避撞区域，则判断在自当前时刻起未来所述一段时间内所述本机与所述他机存在CAZ冲突。
为了避免出现不当告警，在本申请提供的一个实施例中，在步骤S103后，还包括：
若判断在自当前时刻起未来所述一段时间内所述本机与所述他机存在冲突，则获取发生冲突的时间节点；
计算当前时间距所述发生冲突的时间节点的时间差；
判断所述时间差是否小于预设的冲突告警时间门限；
若小于，则发出空中冲突告警信息。
例如，在步骤S103后，判断在自当前时刻起未来所述一段时间内所述本机与所述他机存在冲突，则获取发生冲突的时间节点：
若发现在某时刻本机进入PAZ区域，则判定发生PAZ冲突，并记录发生时刻为tPAZ；若发现在某时刻本机进入CAZ区域，则判定发生CAZ冲突，并记录发生时刻为tCAZ。
设定一个冲突告警时间门限doubleTrigger，如果tPAZ或tCAZ小于doubleTrigger，则认为他机和本机即将发生冲突，则本次判定的PAZ或CAZ冲突必须立即发布给飞行员。如果tPAZ或tCAZ大于doubleTrigger，则认为还有一段时间他机和本机才会发生冲突，这段时间他机或本机有可能发生某次飞行机动变化而避免冲突，所以暂时不将本次判定的PAZ或CAZ冲突必须立即发布给飞行员。doubleTrigger与冲突检测方法性能需求有关，通过该方法可以减少不当告警。
为了避免出现重复告警，在本申请提供的一个实施例中，所述若小于，则发出空中冲突告警信息，包括：
若小于，则判断当前时间距上次针对所述本机与所述他机发出空中冲突告警信息的时间的时间差是否大于预设的单次告警持续时间阈值；
若大于，则发出空中冲突告警信息。
例如，设定单次告警持续时间阈值reAlertDelay，如果他机和本机当次冲突判定时间与上次冲突判定时间只差小于reAlertDelay，则认为当次冲突告警为重复告警，则不将此冲突发布给飞行员。
至此，通过步骤S101至步骤S103，完成了本发明第一实施例所提供的一种通航空中冲突检测方法的流程。本发明，根据通航飞行机动性强的特点，采用了航向角、转弯速率等参数进行航迹预测，从而提高对通用航空器航迹预测的准确性，进而提高冲突检测的准确性，为通用航空提供了一种具有较高准确性的空中冲突检测方法，以便于及时对飞行员发出告警，避免发生空中飞行冲突危险。
在上述的第一实施例中，提供了一种通航空中冲突检测方法，与之相对应的，本申请还提供一种通航空中冲突检测装置。请参考图2，其为本发明第二实施例提供的一种通航空中冲突检测装置的示意图。由于装置实施例基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。下述描述的装置实施例仅仅是示意性的。
本发明第二实施例提供的一种通航空中冲突检测装置，包括：
基础数据获取模块101，用于获取本机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置，以及获取他机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置；
预测航迹推算模块102，用于根据所述本机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置，推算自当前时刻起未来一段时间内所述本机的预测航迹；以及根据所述他机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置，推算自当前时刻起未来所述一段时间内所述他机的预测航迹；
冲突检测模块103，用于根据所述本机的预测航迹和所述他机的预测航迹，判断在自当前时刻起未来所述一段时间内所述本机与所述他机是否存在冲突。
在本申请提供的一个实施例中，所述预测航迹推算模块102，具体包括：
预测航迹推算单元，用于根据所述本机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置，采用趋势外推法依次推算自当前时刻起未来一段时间内多个时间节点对应的所述本机的多个轨迹点，由所述本机的多个轨迹点组成所述本机的预测航迹；以及根据所述他机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置，采用趋势外推法依次推算自当前时刻起未来所述一段时间内所述多个时间节点对应的所述他机的多个轨迹点，由所述他机的多个轨迹点组成所述他机的预测航迹。
在本申请提供的一个实施例中，所述趋势外推法的数学算法，包括：
Xk＝Xk-1+v*cos(ψk-1)*dt
Yk＝Yk-1+v*sin(ψk-1)*dt
Zk＝Zk-1+vz*dt
式中，ψ表示航向角；φ表示转弯速率；v表示航行速度的水平分量，vz表示航行速度的垂直分量；X、Y、Z表示轨迹点在本地坐标系的三维坐标值；k的取值为1、2、3……，表示所述轨迹点的序号；dt表示相邻所述时间节点之间的时间间隔。
在本申请提供的一个实施例中，所述冲突检测模块103，包括：
他机区域获取单元，用于获取所述他机的保护区域和避撞区域；
他机区域比较单元，用于根据所述本机的预测航迹和所述他机的预测航迹，判断在自当前时刻起未来所述一段时间内所述本机是否会进入所述他机的保护区域或避撞区域；
他机PAZ冲突判定单元，用于若在自当前时刻起未来所述一段时间内所述本机会进入所述他机的保护区域，则判断在自当前时刻起未来所述一段时间内所述本机与所述他机存在PAZ冲突；
他机CAZ冲突判定单元，用于若在自当前时刻起未来所述一段时间内所述本机会进入所述他机的避撞区域，则判断在自当前时刻起未来所述一段时间内所述本机与所述他机存在CAZ冲突。
在本申请提供的一个实施例中，所述他机区域获取单元，包括：
他机区域获取子单元，用于根据以下通用航空器保护区域计算算法，计算所述他机的保护区域：
RPAZ＝RPAZmin+tauPAZr*crh
HPAZ＝HPAZmin+tauPAZv*crv
式中，RPAZ表示通用航空器在指定时间节点保护区域的区域半径；HPAZ表示通用航空器在指定时间节点保护区域的区域高度；RPAZmin表示通用航空器的最小保护区域半径；HPAZmin表示通用航空器的最小保护区域高度；tauPAZr表示水平避撞预留时间；tauPAZv表示垂直避撞预留时间；crh表示他机和本机在指定时间节点的水平相对速度；crv表示他机和本机在指定时间节点的垂直相对速度。
在本申请提供的一个实施例中，所述冲突检测模块103，包括：
本机区域获取单元，用于获取所述本机的保护区域和避撞区域；
本机区域比较单元，用于根据所述本机的预测航迹和所述他机的预测航迹，判断在自当前时刻起未来所述一段时间内所述他机是否会进入所述本机的保护区域或避撞区域；
本机PAZ冲突判定单元，用于若在自当前时刻起未来所述一段时间内所述他机会进入所述本机的保护区域，则判断在自当前时刻起未来所述一段时间内所述本机与所述他机存在PAZ冲突；
本机CAZ冲突判定单元，用于若在自当前时刻起未来所述一段时间内所述他机会进入所述本机的避撞区域，则判断在自当前时刻起未来所述一段时间内所述本机与所述他机存在CAZ冲突。
在本申请提供的一个实施例中，所述通航空中冲突检测装置，还包括：
冲突事件获取模块，用于若判断在自当前时刻起未来所述一段时间内所述本机与所述他机存在冲突，则获取发生冲突的时间节点；
冲突时间差计算模块，用于计算当前时间距所述发生冲突的时间节点的时间差；
冲突时间差比较模块，用于判断所述时间差是否小于预设的冲突告警时间门限；
冲突告警模块，用于若小于，则发出空中冲突告警信息。
在本申请提供的一个实施例中，所述冲突告警模块，包括：
告警时间差比较单元，用于若小于，则判断当前时间距上次针对所述本机与所述他机发出空中冲突告警信息的时间的时间差是否大于预设的单次告警持续时间阈值；
冲突告警单元，用于若大于，则发出空中冲突告警信息。
在本申请提供的一个实施例中，所述基础数据获取模块，包括：
他机报文接收单元，用于接收他机发送的ADS-B报文；
他机报文解析单元，用于解析所述ADS-B报文，获得所述ADS-B报文中所述他机的航向角、航行速度和测量位置；
他机位置外推单元，用于根据所述他机的历史位置信息，推算出所述他机在当前时间的外推位置；
他机位置比较单元，用于判断所述测量位置与所述外推位置之间的距离差是否小于预设的距离阈值；
他机数据获取单元，用于若小于，则将所述ADS-B报文中所述他机的航向角、航行速度和测量位置记录为所述他机在当前时间的航向角、航行速度和位置，以及根据所述ADS-B报文中所述他机的航向角和所述他机的历史航向角，计算所述他机在当前时间的转弯速率。
以上，为本发明第二实施例提供的一种通航空中冲突检测装置说明。
本发明提供的一种通航空中冲突检测装置与上述通航空中冲突检测出于相同的发明构思，具有相同的有益效果，此处不再赘述。
本发明还提供一种通用航空器，所述通用航空器上搭载有本发明提供的任一项所述的通航空中冲突检测装置。
由于所述通用航空器搭载有本发明提供的任一项所述的通航空中冲突检测装置，因此，相关之处不再赘述，请参考上述通航空中冲突检测装置实施例的说明进行理解。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
需要说明的是，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的***、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的***来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
本发明实施例所提供的通航空中冲突检测装置可以是计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的***、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的***、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (10)
1.一种通航空中冲突检测方法，其特征在于，包括：
获取本机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置，以及获取他机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置；
根据所述本机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置，推算自当前时刻起未来一段时间内所述本机的预测航迹；以及根据所述他机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置，推算自当前时刻起未来所述一段时间内所述他机的预测航迹；
根据所述本机的预测航迹和所述他机的预测航迹，判断在自当前时刻起未来所述一段时间内所述本机与所述他机是否存在冲突；其中，
所述根据所述本机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置，推算自当前时刻起未来一段时间内所述本机的预测航迹；以及根据所述他机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置，推算自当前时刻起未来所述一段时间内所述他机的预测航迹，具体包括：
根据所述本机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置，采用趋势外推法依次推算自当前时刻起未来一段时间内多个时间节点对应的所述本机的多个轨迹点，由所述本机的多个轨迹点组成所述本机的预测航迹；以及根据所述他机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置，采用趋势外推法依次推算自当前时刻起未来所述一段时间内所述多个时间节点对应的所述他机的多个轨迹点，由所述他机的多个轨迹点组成所述他机的预测航迹；
本机中设有他机数据库DB，本机在接收到他机发送的ADS-B报文后，要对所述ADS-B报文进行预处理，预处理的主要功能是维护他机数据库DB，并定期从DB中提取他机最新位置信息，将他机和本机的位置信息外推到当前***时间上，从而保证他机和本机的位置在时间上是对齐的；本机接收到新的他机ADS-B报文后，首先对所述ADS-B解析后获得的新的他机的信息，然后将所述新的他机与DB中所有他机进行关联，目的是判定新接收到的所述新的他机是否已经保存在DB中，如果关联失败则说明DB中尚未保存所述新的他机的信息，则将所述新的他机的信息在DB中新建信息节点；
如果关联成功，则根据DB中保存的该他机的历史位置，将所述他机的位置外推到ADS-B报文的TOA时间点上，即报文到达本机的时间，获得外推位置，然后，计算从所述ADS-B报文中提取出来的所述他机的测量位置与所述外推位置之间的距离差，并判断所述距离差是否大于预设的距离阈值，如果大于，则认为所述测量位置不可靠，即不将本次测量位置更新入DB中，反之则认为测量位置可靠，即将本次测量位置更新入DB中。
2.根据权利要求1所述的通航空中冲突检测方法，其特征在于，所述趋势外推法的数学算法，包括：
Xk＝Xk-1+v*cos(ψk-1)*dt
Yk＝Yk-1+v*sin(ψk-1)*dt
Zk＝Zk-1+vz*dt
式中，ψ表示航向角；φ表示转弯速率；v表示航行速度的水平分量，vz表示航行速度的垂直分量；X、Y、Z表示轨迹点在本地坐标系的三维坐标值；k的取值为1、2、3……，表示所述轨迹点的序号；dt表示相邻所述时间节点之间的时间间隔。
3.根据权利要求1所述的通航空中冲突检测方法，其特征在于，所述根据所述本机的预测航迹和所述他机的预测航迹，判断在自当前时刻起未来所述一段时间内所述本机与所述他机是否存在冲突，具体包括：
获取所述他机的保护区域和避撞区域；
根据所述本机的预测航迹和所述他机的预测航迹，判断在自当前时刻起未来所述一段时间内所述本机是否会进入所述他机的保护区域或避撞区域；
若在自当前时刻起未来所述一段时间内所述本机会进入所述他机的保护区域，则判断在自当前时刻起未来所述一段时间内所述本机与所述他机存在PAZ冲突；
若在自当前时刻起未来所述一段时间内所述本机会进入所述他机的避撞区域，则判断在自当前时刻起未来所述一段时间内所述本机与所述他机存在CAZ冲突。
4.根据权利要求3所述的通航空中冲突检测方法，其特征在于，所述获取所述他机的保护区域，包括：
根据以下通用航空器保护区域计算算法，计算所述他机的保护区域：
RPAZ＝RPAZmin+tauPAZr*crh
HPAZ＝HPAZmin+tauPAZv*crv
式中，RPAZ表示通用航空器在指定时间节点保护区域的区域半径；HPAZ表示通用航空器在指定时间节点保护区域的区域高度；RPAZmin表示通用航空器的最小保护区域半径；HPAZmin表示通用航空器的最小保护区域高度；tauPAZr表示水平避撞预留时间；tauPAZv表示垂直避撞预留时间；crh表示他机和本机在指定时间节点的水平相对速度；crv表示他机和本机在指定时间节点的垂直相对速度。
5.根据权利要求1所述的通航空中冲突检测方法，其特征在于，所述根据所述本机的预测航迹和所述他机的预测航迹，判断在自当前时刻起未来所述一段时间内所述本机与所述他机是否存在冲突，包括：
获取所述本机的保护区域和避撞区域；
根据所述本机的预测航迹和所述他机的预测航迹，判断在自当前时刻起未来所述一段时间内所述他机是否会进入所述本机的保护区域或避撞区域；
若在自当前时刻起未来所述一段时间内所述他机会进入所述本机的保护区域，则判断在自当前时刻起未来所述一段时间内所述本机与所述他机存在PAZ冲突；
若在自当前时刻起未来所述一段时间内所述他机会进入所述本机的避撞区域，则判断在自当前时刻起未来所述一段时间内所述本机与所述他机存在CAZ冲突。
6.根据权利要求1所述的通航空中冲突检测方法，其特征在于，还包括：
若判断在自当前时刻起未来所述一段时间内所述本机与所述他机存在冲突，则获取发生冲突的时间节点；
计算当前时间距所述发生冲突的时间节点的时间差；
判断所述时间差是否小于预设的冲突告警时间门限；
若小于，则发出空中冲突告警信息。
7.根据权利要求6所述的通航空中冲突检测方法，其特征在于，所述若小于，则发出空中冲突告警信息，包括：
若小于，则判断当前时间距上次针对所述本机与所述他机发出空中冲突告警信息的时间的时间差是否大于预设的单次告警持续时间阈值；
若大于，则发出空中冲突告警信息。
8.根据权利要求1所述的通航空中冲突检测方法，其特征在于，所述获取他机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置，包括：
接收他机发送的ADS-B报文；
解析所述ADS-B报文，获得所述ADS-B报文中所述他机的航向角、航行速度和测量位置；
根据所述他机的历史位置信息，推算出所述他机在当前时间的外推位置；
判断所述测量位置与所述外推位置之间的距离差是否小于预设的距离阈值；
若小于，则将所述ADS-B报文中所述他机的航向角、航行速度和测量位置记录为所述他机在当前时间的航向角、航行速度和位置，以及根据所述ADS-B报文中所述他机的航向角和所述他机的历史航向角，计算所述他机在当前时间的转弯速率。
9.一种通航空中冲突检测装置，其特征在于，包括：
基础数据获取模块，用于获取本机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置，以及获取他机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置；
预测航迹推算模块，用于根据所述本机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置，推算自当前时刻起未来一段时间内所述本机的预测航迹；以及根据所述他机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置，推算自当前时刻起未来所述一段时间内所述他机的预测航迹，其中：所述预测航迹推算模块，具体包括：
预测航迹推算单元，用于根据所述本机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置，采用趋势外推法依次推算自当前时刻起未来一段时间内多个时间节点对应的所述本机的多个轨迹点，由所述本机的多个轨迹点组成所述本机的预测航迹；以及根据所述他机当前的航向角、转弯速率、航行速度和位置，采用趋势外推法依次推算自当前时刻起未来所述一段时间内所述多个时间节点对应的所述他机的多个轨迹点，由所述他机的多个轨迹点组成所述他机的预测航迹；本机接收到新的他机ADS-B报文后，首先对所述ADS-B解析后获得的新的他机的信息，然后将所述新的他机与DB中所有他机进行关联，目的是判定新接收到的所述新的他机是否已经保存在DB中，如果关联失败则说明DB中尚未保存所述新的他机的信息，则将所述新的他机的信息在DB中新建信息节点；
如果关联成功，则根据DB中保存的该他机的历史位置，将所述他机的位置外推到ADS-B报文的TOA时间点上，即报文到达本机的时间，获得外推位置，然后，计算从所述ADS-B报文中提取出来的所述他机的测量位置与所述外推位置之间的距离差，并判断所述距离差是否大于预设的距离阈值，如果大于，则认为所述测量位置不可靠，即不将本次测量位置更新入DB中，反之则认为测量位置可靠，即将本次测量位置更新入DB中；
冲突检测模块，用于根据所述本机的预测航迹和所述他机的预测航迹，判断在自当前时刻起未来所述一段时间内所述本机与所述他机是否存在冲突。
10.一种通用航空器，其特征在于，所述通用航空器上搭载有权利要求9所述的通航空中冲突检测装置。
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