CN108154715B - 一种侧向碰撞监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种侧向碰撞监测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤A：采集所需的飞行状态数据；步骤B：计算飞行器转弯的转弯倾角，包括左转弯倾角和右转弯倾角；步骤C：计算飞行器转弯的运动轨迹线，在这里为：左运动轨迹线和右运动轨迹线；步骤D：计算飞行器转弯的运动监测区域，在这里为：左运动监测区域和右运动监测区域；步骤E：读取运动监测区域在水平面投影内的地形和障碍物高程数据；步骤F：判断是否有地形或障碍物侵入所述运动监测区域内部；步骤G：若侵入，置转弯碰撞监测结果为有效；步骤H：若未侵入，置转弯碰撞监测结果为无效。

Description

一种侧向碰撞监测方法
技术领域
本发明涉及航空控制技术领域，尤其是飞行器中广泛应用的近地告警类设备中涉及的一项侧向碰撞监测技术，此类***包括但不限于近地告警***、近地防撞***、地形提示与警告***等具体产品。
背景技术
近地告警类***(Ground Proximity Warning System，简称GPWS)提高飞机飞行安全性，减小可控飞行撞地事故(Controlled Flight Into Terrain，简称CFIT)的航空电子***。其核心是基于内置高精度地形、障碍物数据库的前视预测告警技术，能够为飞行机组提供足够时间的听觉和视觉上的告警信息，广泛应用于民用客机、军用大型飞机等运输型飞机。
在直升机领域，基于运输机领域近地告警技术，国外公司设计开发了适用于直升机领域的地形提示与警告***(Terrain Alert and Warning System，简称TAWS)，其核心功能仍然是前视预测告警技术。
在高性能战术飞机领域，例如战斗机、攻击机、无人机等，将近地告警技术与飞行器的飞行控制***或自动驾驶***关联，衍生出自动型的近地防撞***(Auto GroundCollision Avoidance System，简称A-GCAS)，其相对于GPWS、TAWS等产品，A-GCAS取消了诸如过大下降速率、过大近地速率、起飞后掉高度、非安全离地高度、过大下滑道偏差告警、高度呼叫等基于无线电高度的基本告警模式，保留了核心的前视预测告警技术，并结合高性能战术飞机的自身特性，对告警区域进行裁减修正，尽可能的减少虚警和漏警。
但上述三种***的核心技术——前视预测告警技术，采用的均是飞行器的前向碰撞探测与预警机制，仅监测飞行航线的正前方是否存在碰撞威胁，不提供侧向(例如左侧、右侧)的碰撞威胁预警，为飞行机组提供的预警机制单一且不全面，例如当飞行航线正前方存在碰撞威胁时，飞行机组可以采用左转弯或右转弯的机动方式规避危险。
发明内容
本发明公开了一种侧向碰撞监测方法，在飞行器的飞行过程中，按照一定的间隔时间(如50毫秒)，周期性基于飞行器当前能量状态，预测未来一段时间内的左转弯运动轨迹和右转弯运动轨迹，利用飞行器当前高度、经纬度等信息，生成三维空间内的运动监测区域，结合地形和障碍物数据库，判断飞行器的左向运动监测区域和右向运动监测区域内是否存在碰撞威胁，若存在，置左监测或/且右监测结果为有效，若不存在，置左监测或/且右监测结果为无效。
本发明提供了一种侧向碰撞监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A：采集所需的飞行状态数据；
步骤B：计算飞行器转弯的转弯倾角，包括左转弯倾角和右转弯倾角；
步骤C：计算飞行器转弯的运动轨迹线，在这里为：左运动轨迹线和右运动轨迹线；
步骤D：计算飞行器转弯的运动监测区域，在这里为：左运动监测区域和右运动监测区域；
步骤E：读取运动监测区域在水平面投影内的地形和障碍物高程数据；
步骤F：判断是否有地形或障碍物侵入所述运动监测区域内部；
步骤G：若侵入，置转弯碰撞监测结果为有效；
步骤H：若未侵入，置转弯碰撞监测结果为无效。
进一步的，所述步骤A中飞行状态数据包括由大气数据计算机提供的气压高度类、空速类、温度类数据；惯性导航设备或卫星定位***提供的经度、纬度、地速、航迹倾角、航迹偏角数据；航向姿态设备提供的横滚角、俯仰角数据；装置内部预置的地形、障碍物数据。
进一步的，所述步骤B中的转弯倾角采用固定值的转弯倾角，或基于飞行器当前空速、载重、外部气动构型、静温计算得到的飞行器当前可用转弯倾角，以建立基于飞机当前真实能力状态的转弯运动轨迹，降低预测轨迹与真实轨迹之间的偏差，减少方法的虚警和漏警。
进一步的，所述步骤C中运动轨迹线包括第一轨迹线和第二轨迹线，
第一轨迹线分为两段，包括调整段和转弯段。
第二轨迹线分为三段：包括调整段、反应段和转弯段，其中，
调整段是指飞行器由初始状态调整到水平姿态期间的运动轨迹；反应段是指给定时间内，飞行器按照调整后的水平姿态匀速飞行的运动轨迹；转弯段是指飞行器进行左转弯或右转弯，到航向改变90度期间的运动轨迹。
进一步的，所述反应段距离计算如下
所述反应段距离计算如下
S＝VgTreact
其中，Vg为地速，Treact为反应段给定时间。
进一步的，转弯段距离计算如下：
Figure BDA0001169853900000031
其中，Vg为地速，g为重力加速度，φ为所述转弯倾角。
进一步的，所述步骤D的运动监测区域是运动轨迹线在水平方向上向左右两侧扩展给定第一净空距离Dclear_H；
在垂直方向上向上下两侧扩展给定第二净空距离Dclear_V；
形成的三维空间中的所述运动监测区域。
进一步的，所述步骤F中判断方法为：比较地形或障碍物与与运动监测区域的高程关系。当地形或障碍物高于运动监测区域时，判断结果为侵入；当地形或障碍物低于运动监测区域时，判断结果为未侵入。地形或障碍物的高程数据表示地形或障碍物最高点在地理坐标性中的高度，当地形或障碍物侵入预测的运动监测区域，意味着飞机在未来的飞行过程中会与地形或障碍物碰撞，可能引起潜在的机毁人亡事故。
该结果可在近地告警设备、飞行控制***、飞行管理***，综合环境监测***等航电设备结合其它向监测结果融合输出，实现最优化的包含飞行器与飞行器、飞行器与地面、飞行器与障碍物、飞行器与危险气象之间的监测与预警，全方位保障飞行安全。
该方法可与前视预测告警技术结合，在GPWS、TAWS或A-GCAS等设备中设计实现，为飞行机组提供左向、右向、前方的三向碰撞监测与预警。其输出结果可通过听觉、视觉的方式告知飞行机组，也可激活飞行控制***或自动驾驶设备中预置的机动程序，操控飞行器规避碰撞危险。
本发明涉及的碰撞监测对象是存在于数据库中的，在与飞行器碰撞后可导致飞行器原有结构破坏或飞行性能大幅衰减，间接造成机毁人亡事故的地形、水体、高压线缆、高压线塔、高层建筑等可建立成基于位置的高程数据库形式的对象，均属于本发明所述的碰撞监测对象。本发明将上述对象分为两类：地形和障碍物。
附图说明
以下将结合附图对本发明作进一步的说明。
图1图示了根据本发明的实施例的典型流程。
图2图示了根据本发明的实施例的右转弯轨迹线；
图3图示了根据本发明的实施例的运动监测区域在水平面的投影；
图4图示了根据本发明的实施例的运动监测区域在垂直面的投影。
具体实施方式
以下通过较佳实施例对本发明的技术方案进行说明，但下述实施例并不能限制本发明的保护范围。
本发明所提供的侧向碰撞监测方法可以软件的形式内置于飞行器上的任一具有数据采集、处理，输出和存储功能的任一装置，如近地告警设备、飞行控制***、飞行管理***，综合环境监测***等航电设备。此外，本发明提供的侧向碰撞监测方法不仅可用于固定翼飞机，也可应用于旋翼飞机，例如单旋翼直升机、双旋翼直升机，包括但不限于武装直升机、中大型运输直升机等。
附图1为根据本发明的一个实施例形成的单周期典型流程图。本发明所述方法按照规定的时间间隔计算一次即为一周期，例如50ms。在每周期内，方法按照图1所示顺序执行。
附图2为根据本发明的一个实施例形成的飞行器右转弯轨迹线，附图3、附图4分别为根据本发明的一个实施例形成的监测区域在水平面、垂直面的投影示意。下面结合附图1、附图2、附图3和附图4，说明本发明的方法。
参照图1，在方框101处，装置采集所需飞行数据，该类数据包括由大气数据计算机提供的气压高度类、空速类、温度类数据；惯性导航设备或卫星定位***提供的经度、纬度、地速、航迹倾角、航迹偏角数据；航向姿态设备提供的横滚角、俯仰角数据；装置内部预置的地形与障碍物数据。
在方框103处，计算飞行器左转弯的转弯倾角，该倾角可采用给定的转弯倾角，或基于飞行器当前空速、载重、外部气动构型、静温计算得到的飞行器当前可用转弯倾角。给定转弯倾角适用于不能提供实时空速、载重、外部气动构型、静温飞行数据的飞行器，或部分数据确实，造成不能准确计算得到转弯情况的情形，例如给定的30度。当飞行器当前空速、载重、外部气动构型、静温等完全可用时，通过插值或拟合等方法计算得到飞行器当前实际的转弯能力，例如载重较大时仅能实现25度转弯。
在方框105处，计算飞行器左转弯的运动轨迹线，预测飞行器在未来一段时间内的运动轨迹，按照附图2所示方法进行计算。
在方框105处，附图2图示了了本方法在右转弯情况下的运动轨迹线，包括第一轨迹线和第二轨迹线。第一轨迹线由调整段(对应方框201)和转弯段(对应方框204)组成。第二轨迹线由调整段(对应方框201)、反应段(对应方框202)和转弯段(对应方框203)组成。
调整段是指飞行器由初始状态调整到水平姿态期间的运动轨迹，是飞行器由各种不同的初始状态，如10度滚转-5度俯仰飞行状态调整到0度滚转0度俯仰的状态，以建立进行转弯操作的初始状态；反应段是在给定时间内，飞行器以水平姿态匀速飞行持续的运动轨迹，是为飞行机组预留的反应时间，飞行机组可在该给定时间内的任何时刻采取转弯操作，且均不会引起潜在的碰撞威胁；转弯段是指飞行器由水平姿态，进行左转弯或右转弯，到航向改变90度期间的运动轨迹，该段结合在计算的转弯倾角基础上尽可能预测飞行器未来的转弯轨迹，减少预测轨迹与实际轨迹之间的偏差。
在附图2中，203为在反应段的末端进行转弯的轨迹线，204为在反应段的初端进行转弯的轨迹线。考虑到飞行机组在反应段的任一时刻具有实施转弯操作的权限，因此建立第一和第二两条轨迹线，构成预测轨迹线的两条边界。
调整段距离计算采用基于法向过载的规避机动计算。反应段距离计算如下
S＝VgTreact
其中，Vg为地速，Treact为反应段持续时间，例如0秒或5秒。
转弯段距离计算如下
Figure BDA0001169853900000071
其中，g为重力加速度，φ为转弯倾角。
在方框107处，计算飞行器左转弯的运动监测区域。运动监测区域是在三维运动空间中，基于运动轨迹线和一定的安全净空距离形成的三维区域体。
附图3图示了运动监测区域在水平面的左转弯和右转弯投影。以左转弯为例，302和304为基于附图3所示方法计算得到的左转弯情况下的转弯段轨迹线。302为飞行器在反应段的末端执行转弯后的运动轨迹线，304是飞行器在调整段的末端执行转弯后的运动轨迹线。
飞行器在飞行过程中，应与周边地形或障碍物保持水平向空距离Dclear_H，例如50米，和垂直向上的净空距离Dclear_V，例如50米。
301是在302的基础上，沿着行进方向往右侧外扩水平净空距离Dclear_H，保证转弯飞行时最右侧的净空安全。303是在304的基础上，沿着行进方向往左侧外扩净空距离Dclear_H，保证转弯飞行时最左侧的净空安全。
附图4图示了三种不同初始航迹倾角下运动监测区域在垂直面内的投影。401为飞行器初始航迹倾角大于0度时的运动监测区域，402为飞行器初始航迹倾角约为0度时的运动监测区域，403为飞行器初始航迹倾角小于0度时的运动监测区域。
附图4中，三种不同初始航迹倾角γ0下，S0为航迹倾角从γ0调整到0度期间的运动轨迹。原运动轨迹线404向下侧扩展净空距离Dclear_V后，形成轨迹线405，。由轨迹线303、305、405在三维空间形成的区域即为左转弯的运动监测区域。
在附图3和附图4中，Dclear_H和Dclear_V分别保证了飞行器在运动过程中在水平面和垂直面内相对于地形或障碍物的净空安全。
在方框109处，从数据库中读取监测区域体在水平面投影内的地形和障碍物高程数据；
在方框111处，判断是否有地形或障碍物侵入该区域体内部。比较地形或障碍物与与运动监测区域的高程关系。当地形或障碍物高于运动监测区域时，判断结果为侵入；当地形或障碍物低于运动监测区域时，判断结果为未侵入。
若侵入，流程转入方框115，置左转弯碰撞监测结果置Threaten_L为1，即有效；若未侵入，流程转入方框113，置左转弯碰撞监测结果置Threaten_L为0，即无效。
同理，方框102～114采用如103～115相似的方法进行计算，输出右转弯碰撞监测结果置Threaten_R。
当分别计算得到左转弯监测结果Threaten_L和右转弯监测结果Threaten_R后，流程转入116，单周期处理过程结束。

Claims (6)

1.一种侧向碰撞监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A：采集所需的飞行状态数据；
步骤B：计算飞行器转弯的转弯倾角；
步骤C：计算飞行器转弯的运动轨迹线；
步骤D：计算飞行器转弯的运动监测区域；
步骤E：读取运动监测区域在水平面投影内的地形和障碍物高程数据；
步骤F：判断是否有地形或障碍物侵入所述运动监测区域内部；
步骤G：若侵入，置转弯碰撞监测结果为有效；
步骤H：若未侵入，置转弯碰撞监测结果为无效；
其特征在于，所述步骤C中运动轨迹线包括第一轨迹线和第二轨迹线，第一条轨迹线和第二两条轨迹线构成预测轨迹线的两条边界；
第一轨迹线分为两段，包括调整段和转弯段；
第二轨迹线分为三段：包括调整段、反应段和转弯段，其中，
调整段是指飞行器由初始状态调整到水平姿态期间的运动轨迹，是飞行器由各种不同的初始状态，以建立进行转弯操作的初始状态；
反应段是指给定时间内，飞行器按照调整后的水平姿态匀速飞行的运动轨迹，是为飞行机组预留的反应时间，飞行机组可在该给定时间内的任何时刻采取转弯操作，且均不会引起潜在的碰撞威胁；
转弯段是指飞行器进行左转弯或右转弯，到航向改变90度期间的运动轨迹，该段结合在计算的转弯倾角基础上尽可能预测飞行器未来的转弯轨迹，减少预测轨迹与实际轨迹之间的偏差；
调整段距离计算采用基于法向过载的规避机动计算，反应段距离计算如下
S＝VgTreact
其中，Vg为地速，Treact为反应段持续时间。
2.如权利要求1所述的侧向碰撞监测方法，其特征在于，所述步骤A中飞行状态数据的包括由大气数据计算机提供的气压高度类、空速类、温度类数据；惯性导航设备或卫星定位***提供的经度、纬度、地速、航迹倾角、航迹偏角数据；航向姿态设备提供的横滚角、俯仰角数据；装置内部预置的地形、障碍物数据。
3.如权利要求1所述的侧向碰撞监测方法，其特征在于，所述步骤B中的转弯倾角采用固定值的转弯倾角，或基于飞行器当前空速、载重、外部气动构型、静温计算得到的飞行器当前可用转弯倾角。
4.如权利要求1所述的侧向碰撞监测方法，其特征在于，转弯段距离计算如下：
Figure FDA0003329383190000021
其中，Vg为地速，g为重力加速度，φ为所述转弯倾角。
5.如权利要求1所述的侧向碰撞监测方法，其特征在于，所述步骤D的运动监测区域是运动轨迹线在水平方向上向左右两侧扩展给定第一净空距离Dclear_H；
在垂直方向上向上下两侧扩展给定第二净空距离Dclear_V；
形成的三维空间中的所述运动监测区域。
6.如权利要求1所述的侧向碰撞监测方法，其特征在于，所述步骤F中判断方法为：比较地形或障碍物与运动监测区域的高程关系，当地形或障碍物高于运动监测区域时，判断结果为侵入；当地形或障碍物低于运动监测区域时，判断结果为未侵入。
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