CN107765703B - 一种基于惯性/卫星相对导航的机载编队飞行指示*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及相对导航和编队飞行指示领域，具体涉及一种基于惯性/卫星相对导航的便携式编队飞行指示仪。本发明所要解决的问题是研制一种编队飞行指示设备，通过为编队内所有飞机装配该设备，实现飞行编队的组建及通信链路的构建、完成编队信息的初始化和编队队形的灵活变更、提供全天候条件下编队内所有飞机间精确、可视化相对位置和速度信息显示、实现位置超差/碰撞威胁的自动判断及告警，辅助飞行员完成紧编队保持。
Description
技术领域
本发明属于导航和编队飞行指示技术领域，涉及一种基于惯性/卫星相对导航的机载编队飞行指示***。
背景技术
出于民用、军事等不同目的，需要实现特殊用途的编队飞行时(如阅兵编队、飞行特技表演或者军用飞行器编队任务)，往往要求飞机之间保持极近的间距，这种紧编队模式增加了飞机彼此间的干扰甚至是空中碰撞的风险，直接影响飞行安全。因此，有必要为飞行员提供精确、可靠的编队内导航信息，通过可视化方式提供成员间相对位置、速度信息以及位置超差和碰撞威胁预警，辅助飞行员完成编队保持，增强编队飞行的安全性和可靠性。
在现有设备中，座舱显示交通信息(CDTI)和广播式自动相关监视(ADS-B)***能够提供以本机为中心一定范围空域内的交通态势信息和编队内各个飞机的位置信息，但飞行员仅仅能够获知飞行编队的大致位置，对自身安全性评估没有清楚的界定和量化，精度无法满足紧编队要求。目前，飞行员只能在好天气时依靠目视大致了解本机所处位置，通过瞄准预设标志物方式实现队形保持，此方法需要飞行员投入大量训练，保持精神高度集中，导致其高工作负荷；同时飞行员无法获得编队内部各飞机的精确位置状态信息，不易对潜在碰撞威胁和位置超差进行预测、量化和决断，增加了飞行中的安全风险；此外，目视方式造成了编队飞行在夜晚、云中、不良气象条件等环境中的应用局限性。
发明内容
本发明解决的技术问题：提供一种编队飞行指示***，通过为编队内所有飞机装配指示仪，构成以长机为中心的指示***，实现飞行编队的组建及通信链路的构建、完成编队信息的初始化和编队队形的灵活变更、提供全天候条件下编队内所有飞机间精确、可视化相对位置和速度信息显示、实现位置超差/碰撞威胁的自动判断及告警，辅助飞行员完成紧编队保持。
本发明的技术方案：一种基于惯性/卫星相对导航的机载编队飞行指示***，编队中包括长机和僚机，其特征为：所述的长机和僚机中都安装有指示仪，构成以长机为中心的指示***，所述的指示仪包括传感器***、通信***、编队管理模块、相对导航模块、监视防撞模块和人机接口***；
长机飞行员通过长机指示仪人机接口***对编队管理模块进行队形初始化设置，包括成员预设位置和位置超差/碰撞威胁告警门限，并将设置的信息发送至各僚机；
长机指示仪实时采集传感器***接收的惯性和卫星导航数据，并发送至所有僚机指示仪；
各僚机的指示仪接收到长机发送的信息后，通过相对导航模块对长机和本机的导航数据进行平行解算，获得长机和本机的相对位置和速度信息，并将该信息发送至长机指示仪；
长机指示仪汇总后将长机与所有僚机的实时相对位置和速度信息发送至各僚机指示仪；
各僚机指示仪根据上述信息获得自身与其他编队成员的相对位置和速度，并在监视防撞模块中进行位置超差和碰撞威胁的判断，并位置、速度信息和判断结果传输至人机接口***。
进一步，所述的指示仪硬件包括测量型卫星天线、数据链天线、综合处理计算机以及平板电脑，测量型卫星天线和数据链天线通过馈线与综合处理计算机相连；综合处理计算机封装卫星接收机、MEMS惯导、计算机***和数据链电台模块，实现数据传输和相对信息、告警信息解算、判断；平板电脑作为交互接口设备与综合处理计算机通过千兆以太网接口进行数据交互。
进一步，所述的碰撞威胁判断方法为：
计算两架机在当前相对距离和相对速度矢量条件下，一架飞机闯入另一架飞机安全飞行半径区域的时间，如果该时间小于碰撞威胁提前告警时间门限则发出碰撞威胁告警。
本发明的有益效果：本发明可运用在阅兵编队、飞行特技表演、军用飞行器编队任务等紧编队或特殊编队场合，其首先通过编队初始化，确定编队队形、间隔和门限信息，然后通过惯性/卫星相对导航算法求解所有编队成员间精确的相对位置、速度信息，再结合预设门限和实际导航信息进行位置超差和碰撞威胁评估，最后通过人机交互界面为飞行员提供可视化编队导航信息和告警信息。
与现有技术相比，本发明一种基于惯性/卫星相对导航的机载编队飞行指示***由于采用了惯性/卫星差分相对导航技术，能够获得全天候编队内所有成员间亚米级的编队相对定位能力，有效增强了编队指示的应用场合、指示范围和位置估计精度；其可视化、数值化的人机交互界面设计以及基于相对速度的碰撞威胁预测算法有效降低了飞行的安全风险；指示仪的硬件可不依赖于已有机载设备完全独立运行，作为辅助设备的便携性和易移植性使其具有良好的推广价值。本发明在一定程度上减小飞行员的操作负担，保证编队飞行的安全性，其能够作为附加外设装载于不同机型运行在阅兵、云中编队、军事编队任务等特殊场合，拓宽了相对导航技术在航空领域的应用，也为我国进一步发展机间防撞***提供了有力的支持。
附图说明
图1编队飞行指示***示意图
图2为编队飞行指示仪设备结构示意图
图3编队飞行指示***运行流程图
图4编队成员相对定位流程图
图5碰撞威胁预测原理示意图
图6编队指示仪硬件设计示意图
图7僚机交互界面示意图
图8长机交互界面示意图
具体实施方式
以下结合附图，具体说明本发明。
图1是本发明一种基于惯性/卫星相对导航技术的便携式编队飞行指示***的示意图，***中长机和僚机均安装编队飞行指示仪设备，每个僚机指示仪通过双向通信链路与长机指示仪进行信息交互，形成以长机为中心的网络结构，实现编队指示***的组建、编队相对导航信息计算、位置超差及碰撞威胁告警、编队信息可视化及人机交互功能。
图2是本发明一种基于惯性/卫星相对导航技术的便携式编队飞行指示***中编队飞行指示仪设备的结构示意图。
由传感器***1、计算机***2、通信***和人机***组成4。
所述的传感器***包括测量型卫星天线、卫星接收机、MEMS惯导；卫星天线和卫星接收机用于接收本机卫星导航数据，并将数据发送至计算机***；所述的MEMS惯导用以获取本机的惯导数据，并将数据发送至计算机***；
所述的计算机***是本设备的核心组件，依次包括编队管理模块、相对导航模块、监视防撞模块。编队管理模块用于生成初始化编队信息，确定成员预设位置和位置超差/碰撞威胁告警门限；相对导航模块利用卫星载波相位差分技术和惯性/卫星相对导航滤波技术计算编队成员间的相对位置和速度；监视防撞模块用于进行位置超差判断和告警，并通过一种基于相对速度预测的新型碰撞威胁评估方法进行碰撞威胁预测和告警；此外，编队管理模块汇总相对导航信息和告警信息，完成与人机接口***的交互。
所述的通信***包括数据链天线和数据链电台，通信***为编队内成员建立通信链路实现时间同步和导航数据传输。数据链天线完成不同编队成员间的数据收发，通过馈线与数据链电台相连，数据链电台通过机载总线与计算机***进行信息收发。
所述人机接口***为飞行员提供可视化显示和控制指令输入两项功能。可视化显示内容包括本机与所有编队成员的相对位置和速度信息、与预期位置的偏差、编队成员的航向、位置超差告警、碰撞威胁告警。控制指令输入包括：编队初始化信息设置、编队变更指令输入、显示界面交互操作等。
图3是本发明的运行流程，现结合运行流程说明指示***的工作原理。
步骤101根据长机飞行员的交互操作完成编队信息初始化设置。
长机飞行员通过长机指示仪的人机接口对编队信息进行初始化设置，初始化参数存储于编队管理模块中，参数包括编队规模、编队队形(形状及间距)、成员预设位置(与长机相对位置)、位置超差告警门限、碰撞预测最小分离距离门限以及碰撞威胁提前告警时间门限。队形类型已预设在本装置中，编队队形包括但不限于楔形编队、箭形编队、方形编队。
步骤102完成编队组建和通信链路构建。
完成编队信息初始化后，长机指示仪通过通信***向周围飞机发送组建编队的消息，周围飞机接到消息并向长机发送入队申请，随后长机飞行员通过人机接口***进行确认，允许添加申请者成为僚机并分配ID，初始化参数通过通信***发往各僚机的指示仪设备中。各僚机接收初始化参数，存储于本机编队管理模块中，根据ID确定本机预设位置信息。同时，编队内实现时间同步和通信链路构建，此后长-僚机指示仪利用通信***按预定数据格式实现导航数据收发。
步骤103根据长-僚机惯性和卫星数据，利用卫星载波相位差分算法和惯性/卫星相对导航组合滤波算法，通过信息集中-分发模式，获得所有编队成员间高精度的相对位置、速度信息。
图4是本发明相对导航计算部分的运行流程，僚机间无任何直接通信链路连接，长机作为网络中心对相对导航信息进行汇总和分发。
步骤103-1长机指示仪相对导航模块接收本机的卫星和惯性导航数据，并通过通信***将此数据分发至各个僚机指示仪设备。
步骤103-2各僚机指示仪设备中的相对导航模块接收本机卫星和惯性导航数据，同时通过通信***接收长机卫星和惯性导航数据，利用卫星载波相位差分算法和惯性/卫星相对导航组合滤波算法计算本机与长机的相对位置和速度信息，经过通信***将解算信息发送至长机指示仪设备。
步骤103-3长机作为通信网络中心在编队管理模块中将所有僚机与自身的相对导航数据汇总，经过通信***转发给所有僚机。
僚机接收长机转发信息，在相对导航模块中解算出本机与其他所有僚机的相对位置和速度信息，并将该信息发送至监视防撞模块和编队管理模块。
步骤104根据编队内相对导航数据和预设告警门限，进行位置超差和碰撞威胁判断，在满足门限要求时生成对应告警信息。
位置超差和碰撞威胁的判断及告警信息生成在各僚机的监视防撞模块中实现。
僚机监视防撞模块接收相对导航模块发送的本机与长机间的相对导航数据后，计算实际位置与本机预设位置之间的横向、纵向以及垂向偏移，如果偏移距离超出超差告警门限，则生成位置超差告警。横向、纵向、垂向偏移以及超差告警信息会实时发送到编队管理模块中。
对于碰撞威胁告警，现有的告警方式是为本机预设一个安全飞行半径区域，如果其他飞机飞入该区域则产生告警，此方法只考虑距离因素未考虑速度因素，仅在实际产生碰撞威胁后才告警，由于紧编队间距较小，从发生威胁到飞行员对告警作出反应过程可能已发生实际碰撞。若单纯通过增大安全飞行半径阈值应对上述问题，则使告警区域过大，影响正常紧编队飞行。
本发明针对上述问题，提出一种基于碰撞趋势预测的碰撞威胁告警方法，此方法在保证安全区域半径很小的情况下提前进行威胁预测和告警，保证编队飞行的安全。如图5所示根据两架机之间的相对速度矢量和相对距离对未来可能发生碰撞的趋势进行预测。具体方法为：首先，计算两架机在当前相对距离矢量r相对和相对速度矢量V相抵；其次，根据上述两矢量以及安全半径R计算它机与本机安全飞行半径区域的交点A；最后，假设在匀速条件下计算它机到达A点的时间(即它机未来可能与本机发生碰撞的预测时间)，如果该时间小于碰撞威胁提前告警时间门限则产生碰撞威胁告警。
僚机指示仪监视防撞模块接收相对导航模块发送的本机与各机间的相对导航数据后，利用上述方法进行碰撞威胁预测和决断，如果存在碰撞威胁，则将告警信息实时发送至编队管理模块。
步骤105实现编队导航信息可视化显示和交互操作。
编队管理模块将编队相对导航信息和告警信息发往人机接口，人机接口为飞行员提供上述数据的可视化显示服务，具体显示信息包括：本机与其他成员的相对位置和速度，本机与预设位置的横向、纵向和垂直偏差，编队成员的航向信息，位置超差告警和碰撞威胁告警。飞行员对人机接口操作，实现显示界面交互。
步骤106长机飞行员操作人机接口实现编队变更操作。
长机飞行员根据实际飞行任务在人机接口***中输入编队变更命令，对编队信息进行重新初始化，灵活调整编队参数，实现编队队形、编队间隔的动态设置。
为提高设备的安装适用性、操作易用性，现设计一种便携式编队飞行指示仪硬件方案，如图6所示。方案中硬件包括以下四部分：测量型卫星天线、数据链天线、综合处理计算机以及平板电脑。测量型卫星天线和数据链天线通过馈线与综合处理计算机相连；综合处理计算机封装卫星接收机、MEMS惯导、计算机***和数据链电台等模块，实现数据传输和相对信息、告警信息解算、判断；平板电脑作为交互接口设备与综合处理计算机通过千兆以太网接口进行数据交互，实现人机交互和信息可视化功能。
该硬件方案中综合处理计算机无屏显和交互功能，安装位置方便且无过多要求，平板电脑触摸屏便于操作和功能扩展，轻巧易于安装。编队飞行指示仪体积小、重量轻，不依赖于已有机载设备完全独立运行，可作为辅助设备加装于飞机座舱内，且对当前机载环境无影响。
本发明对平板电脑的交互界面进行专门设计，交互界面具有数据丰富，简单易读，操作方便的特点。长机和僚机的界面都分为四个区域：告警消息区、水平面显示区、高度面显示区和功能按键区，整个界面可通过触屏进行交互，水平面显示区、高度面显示区可通过多点触控进行范围缩放，两者区域内具体内容略有差异。
图7是本发明僚机专用的平板电脑显示界面。
在僚机交互界面中，当发生位置超差和碰撞威胁，告警信息文字在告警消息区闪烁，且通过平板电脑产生语音提示，当飞行员将飞机控制回适当区域后，告警消息闪烁和语音提示消失。
水平显示区中，以本机为坐标中心显示整个编队的水平面位置关系，右侧和下侧坐标尺显示本机与预设位置的纵向和横向偏移量，方框中数值表示当前精确偏移量。本机右下数字为本机ID，实线圆为本机位置不确定区间，虚线飞机为根据编队初始化信息确定的本机期望位置，ID为1的飞机为长机，其他ID飞机为各僚机。
高度显示区与水平显示区相似，显示整个编队的垂直面位置关系，左侧标尺显示本机的实际高度，右侧标尺显示本机与预设位置的垂向偏移量，方框中数值分别表示当前精确高度和精确偏移量。
在功能键区，设计四个功能按键：主视角切换、详细信息、视角恢复区以及退出编队按键。通过这四个功能键，完成可视化界面的主要信息显示和交互功能。主视角切换：通过该按键切换以本机为坐标原点的坐标系显示或以长机为坐标原点的标系显示，每按一下改变为另一种状态，并在按键标识上指示当前的设置。详细信息：按下该键弹出所有的编队成员ID，选择一个ID，将在页面上实时显示本机与对应ID飞机的相对距离和相对速度信息，并在按键标识上指示当前选中的ID。视角恢复：通过多点触控可以对水平显示区和高度显示区进行缩放，大小可能会缩放的不适合查看信息，通过该按键可一键恢复到默认显示区域。退出编队：通过该键可退出编队指示***，僚机退出后本机不接受数据链路信息，编队依旧存在，按下该键后需要再次按下确认键此功能方能生效。
图8是本发明长机专用的平板电脑显示界面。
在长机交互界面中，发生碰撞威胁时告警消息区告警信息文字闪烁，并通过平板电脑产生语音提示，当碰撞威胁消除后，告警消息闪烁和语音提示消失。
水平显示区中，以长机为坐标中心显示整个编队的水平面位置关系以及长机的经度和纬度信息，无横向和纵向偏移量显示，。
高度显示区显示整个编队的垂直面位置关系，左侧标尺显示长机的实际高度，方框中数值表示当前精确高度，无垂向偏移量显示。
在功能键区，设计五个功能按键：编队初始化、编队变更、详细信息、视角恢复以及退出编队按键。通过这五个功能键，完成可视化界面的主要信息显示和交互功能。编队初始化：通过该按键实现编队初始化信息的配置。编队变更：通过该按键对编队参数进行调整，动态设置编队形状和间隔。详细信息：按下该键弹出所有的编队成员ID，选择一个ID，将在页面上实时显示长机与对应ID飞机的相对距离和相对速度信息，并在按键标识上指示当前选中的ID。视角恢复：通过多点触控可以对水平显示区和高度显示区进行缩放，大小可能会缩放的不适合查看信息，通过该按键可一键恢复到默认显示区域。退出编队：通过该键可退出编队指示***，长机退出编队后编队直接解散，按下该键后需要再次按下确认键此功能方能生效。
本发明一种基于惯性/卫星相对导航的机载编队飞行指示***，编队内所有飞机装配指示仪设备，构成以长机为中心的指示***，通过完成编队初始化过程，确定编队队形、间隔和门限信息；利用相对导航算法求解所有编队成员间精确的相对位置、速度信息；结合预设门限和实际导航信息进行位置超差和碰撞威胁评估；最后通过人机交互界面为飞行员提供可视化编队导航信息和告警信息。
本发明采用惯性/卫星差分相对导航技术，能够获得全天候编队内所有成员间亚米级的编队相对定位能力，有效增强了编队指示的应用场合、指示范围和位置估计精度；硬件方案不依赖于任何已有机载环境，作为辅助设备可独立加装运行，具备良好的便携性和易移植性；可视化、数值化的人机界面设计便于飞行员查看和操作；基于相对速度的碰撞威胁预测算法有效提前预警时间，降低飞行的安全风险。本发明在一定程度上减小飞行员的操作负担，保证编队飞行的安全性，其能够作为附加外设***装载于不同机型运行在阅兵、云中编队、军事编队任务等特殊场合，拓宽了相对导航技术在航空领域的应用，也为我国进一步发展机间防撞***提供了有力的支持。
Claims (2)
1.一种基于惯性/卫星相对导航的机载编队飞行指示***，编队中包括长机和僚机，其特征为：所述的长机和僚机中都安装有指示仪，所述的指示仪包括传感器***、计算机***、通信***和人机接口***；
所述的传感器***包括测量型卫星天线、卫星接收机、MEMS惯导；卫星天线和卫星接收机用于接收本机卫星导航数据，并将数据发送至计算机***；所述的MEMS惯导用以获取本机的惯导数据，并将数据发送至计算机***；
所述的计算机***是本设备的核心组件，依次包括编队管理模块、相对导航模块、监视防撞模块； 编队管理模块用于生成初始化编队信息，确定成员预设位置和位置超差/碰撞威胁告警门限；相对导航模块利用卫星载波相位差分技术和惯性/卫星相对导航滤波技术计算编队成员间的相对位置和速度；监视防撞模块用于进行位置超差判断和告警，并通过一种基于相对速度预测的新型碰撞威胁评估方法进行碰撞威胁预测和告警；此外，编队管理模块汇总相对导航信息和告警信息，完成与人机接口***的交互；
所述的通信***包括数据链天线和数据链电台，通信***为编队内成员建立通信链路实现时间同步和导航数据传输； 数据链天线完成不同编队成员间的数据收发，通过馈线与数据链电台相连，数据链电台通过机载总线与计算机***进行信息收发；
所述人机接口***为飞行员提供可视化显示和控制指令输入两项功能； 可视化显示内容包括本机与所有编队成员的相对位置和速度信息、与预期位置的偏差、编队成员的航向、位置超差告警、碰撞威胁告警； 控制指令输入包括：编队初始化信息设置、编队变更指令输入、显示界面交互操作；
长机通过人机接口***对编队管理模块进行队形初始化设置，初始化参数存储于编队管理模块中，参数包括编队规模、编队队形、成员预设位置、位置超差告警门限、碰撞预测最小分离距离门限以及碰撞威胁提前告警时间门限；队形类型已预设在本装置中，编队队形包括但不限于楔形编队、箭形编队、方形编队；并将设置的信息发送至各僚机；长机指示仪相对导航模块接收本机的卫星和惯性导航数据，并通过通信***将此数据分发至各个僚机指示仪设备各僚机的指示仪接收到长机发送的信息后，通过相对导航模块对长机和本机的导航数据进行平行解算，获得长机和本机的相对位置和速度信息，并将该信息发送至长机；长机汇总后将长机与所有僚机的实时相对位置和速度信息发送至各僚机；各僚机根据上述信息获得自身与其他编队成员的相对位置和速度，并在监视防撞模块中进行位置超差和碰撞威胁的判断，并将位置、速度信息和判断结果传输至人机接口***；
超差和碰撞威胁采用以下方法判断：计算两架机当前的相对距离矢量r相对和相对速度矢量V相对；根据上述两矢量以及安全半径R计算它机与本机安全飞行半径区域的交点A；假设在匀速条件下计算它机到达A点的时间，也就是它机未来可能与本机发生碰撞的预测时间，如果该时间小于碰撞威胁提前告警时间门限则产生碰撞威胁告警。
2.根据权利要求1所述的一种基于惯性/卫星相对导航的机载编队飞行指示***，其特征在于所述的碰撞威胁判断方法为：
计算两架机在当前相对距离和相对速度矢量条件下，一架飞机闯入另一架飞机安全飞行半径区域的时间，如果该时间小于碰撞威胁提前告警时间门限则发出碰撞威胁告警。
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