CN101228491A - 用于检测飞行器与周围地形的碰撞的危险的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种设备(1)，包括：装置(5)，对地形轮廓进行识别；装置(7)，用于确定特殊飞行参数的有效值；检查装置(9)，用于检验通过所述有效值确定的飞行路线是否与地形轮廓相适应；以及装置(13)，用于在出现不相容性的情况下发射警报信号。所述检查装置(9)包含：至少一个元件(15)，用于计算高度变化，该高度变化由在回避动作时通过减速产生的能量转换和总斜度变化所引起；元件(16)，使用所述高度变化确定回避路线；以及元件(3)，检验如此确定的该回避路线是否与地形轮廓相适应。

Description

用于检测飞行器与周围地形的碰撞的危险的方法和设备

本发明涉及用于检测飞行器，特别是运输飞机与周围地形的碰撞的危险的方法和设备。

已知这种例如TAWS(“地形回避和警报系统”)类型或GPWS(“地面接近警报系统”)类型的设备的用途是检测飞行器与周围地形的碰撞的任何危险，并在这样的危险被检测到时警告机组人员，使得机组人员于是能够实施地形回避操作。这种设备一般包括：

-第一装置，识别位于飞行器前面的地形的轮廓；

-第二装置，用于确定特殊飞行参数的有效值；

-第三装置，用于从所述有效值计算回避路线，该回避路线是实际位置的最佳可能的表示；而且用于检查这个回避路线是否与至少在飞行器前面的预定距离的地形的所述轮廓相适应；以及

-第四装置，如果所述第三装置检测到不相容性，则发送相应的警报信号。

一般地，所述第三装置使用模型来计算相应的路线，该模型用来表示由飞行器实施的回避操作。然而，所使用的模型相当好地仿制由飞行器实施的操作，该模型一般考虑恒定的荷载系数和表示飞行器的稳定状态的固定路线。此外，得到的近似结果使得有必要考虑大的误差容限，以便在回避操作时不过高估计飞行器的实际性能。然而，考虑误差容限可能特别导致错误警报。所述第三装置使用的计算模式和检查模式因此不是完全可靠的。

本发明涉及一种用于检测飞行器与周围地形的碰撞的危险的方法，该方法能够克服这些缺点。

为此，根据本发明，下述一系列连续步骤根据所述方法被自动和重复地实施：

a)计入位于飞行器前面的地形的轮廓；

b)确定特殊飞行参数的有效值；

c)从这些有效值确定回避路线，该回避路线包括至少一个源部分和一个恒定斜度部分，而且该回避路线被投影在飞行器的前面；

d)检查所述回避路线是否与至少在飞行器前面的预定距离的地形的所述轮廓相适应；以及

e)如果在步骤d)中检测到不相容性，则发送相应的警报信号，所述方法的特征在于：

-在步骤c)中：

■使用确定的所述特殊飞行参数中的某些的有效值，计算出飞行器的高度变化，该高度变化由在回避操作时通过减速产生的能量的转换和总斜度变化所引起；和

■如此计算的高度变化被用于确定回避路线，该回避路线是真实性的最佳可能的表示，而且在源部分和恒定斜度的部分之间包括考虑这个高度变化的中间部分；以及

-在步骤d)中，如此确定的回避路线被用来检查该回避路线是否与在飞行器前面的所述预定距离的地形的所述轮廓相适应。

于是，根本发明，计入了飞行器的高度变化，该高度变化由在回避操作时的能量的转换和推力变化所引起，使得能够最优化在步骤c)中使用的模型。在这个步骤c)中使用的处理因此适合于尽可能地接近真实性。因此，与地形的碰撞的危险的检测考虑了回避操作，该回避操作非常接近于必要时由飞行器实际使用的回避操作，这特别能够避免错误警报并能够获得特别可靠的监控。

在第一个实施例中，由减速产生的所述总斜度变化对应于推力变化。

有利地，在这个第一实施例中：

-在步骤b)中：

■估计飞行器的有效质量GW；

■测量飞行器的当前有效速度VO；和

■测量飞行器的当前有效斜度γO；以及

-在步骤c)中，使用下列等式计算出所述高度变化△H：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ΔH}=[K1.({\mathrm{VO}}^2-{\mathrm{VF}}^2)/2.g+(K2.(\mathrm{VO}-\mathrm{VF})+K3)/(\mathrm{GW}-\mathrm{GWO})].f\left(x\right)\\ f\left(x\right)=f(X-\mathrm{XO};\mathrm{VF};\mathrm{GW};\mathrm{\γF}-\mathrm{\γO})\\ f\left(x\right)\∈[0;1]\end{array}\right.$

其中：

■K1、K2和K3是取决于飞行器的预定参数；

■g表示重力加速度；

■GWO表示预定的飞行器的质量的恒定值，该恒定值取决于所述飞行器；

■VF表示速度的恒定值，对应于在回避操作的结尾达到的稳定速度，这个值是预定的而且取决于飞行器；

■γF表示飞行斜度的恒定值，对应于在回避操作的结尾稳定的相对于地面的飞行斜度，这个值是预定的，而且取决于飞行器和状态参数；

■X表示飞行器的当前位置，该位置在飞行器的垂直对称面的水平轴线上；以及

■XO表示在所述回避操作的高度变化阶段开始时的飞行器的位置，该位置在所述垂直面的所述水平轴线上。

此外，在第二个实施例中，在步骤c)中，通过对下列各项求和，逐步地计算所述高度变化：

-第一个高度变化，表示由减速引起的动能向势能的转化；以及

-第二个高度变化，表示所述步骤中的总斜度。

此外，有利地，为了最优化回避操作的初始拉出阶段：

-在步骤c)中：

■使用确定的所述特殊飞行参数中的某些的有效值，计算出表示回避操作的源阶段的荷载系数；和

■如此计算的荷载系数被用于确定回避路线的源部分，该源部分是真实性的最佳可能的表示；以及

-在步骤d)中，如此确定的源部分被用来检查该回避路线是否与在飞行器前面的所述预定距离的地形的所述轮廓相适应。

在该情况下，优选地，

-在步骤b)中：

■估计飞行器的有效质量GW；和

■测量飞行器的当前有效速度VO；以及

-在步骤c)中，使用下列公式计算所述荷载系数Nz：

Nz＝n0+(n1·GW)+(n2·VO)

其中，n0、n1和n2是预定参数。

在一个特殊的实施例中，至少所述预定参数中的某些以及必要时所述恒定值中的一些取决于飞行器的有效飞行形态。这使得与可能由飞行器实际实施的操作相比，能够改进模型化的回避操作的代表性。

本发明也涉及一种用于自动地检测飞行器与周围地形的碰撞的危险的设备，所述设备包括：

-第一装置，识别位于飞行器前面的地形的轮廓；

-第二装置，用于确定特殊飞行参数的有效值；

-第三装置，用于从所述有效值计算回避路线，而且用于检查所述回避路线是否与至少在飞行器前面的预定距离的地形的所述轮廓相适应；以及

-第四装置，如果所述第三装置检测到不相容性，则发送相应的警报信号。

根据本发明，所述设备的特征在于所述第三装置至少包括：

-第一单元，使用预定的所述特殊飞行参数中的某些的有效值，计算飞行器的高度变化，该高度变化由在回避操作时通过减速产生的能量的转换和推力的变化所引起；

-第二单元，使用所述第一单元计算的高度变化以确定回避路线，该回避路线是真实性的最佳可能的表示；以及

-第三单元，使用所述第二单元确定的回避路线以检查这个回避路线是否与在飞行器前面的所述预定距离的地形的所述轮廓相适应。

在一个特殊的实施例中，所述第三装置还包括：

-第四单元，使用确定的所述特殊飞行参数的某些参数的有效值，计算表示回避操作的拉出阶段的荷载系数；

-第五单元(例如对应于所述第二单元)，使用所述第四单元计算的荷载系数以确定回避路线的源部分，该源部分是真实性的最佳可能的表示；以及

-第六装置(例如对应于所述第三单元)，使用所述第五单元确定的这个源部分以检查所述回避路线是否与在飞行器前面的所述预定距离的地形的所述轮廓相适应。

附图的图示将给出本发明可如何被具体实施的很好的理解。在这些图示中，相同的标记指示同样的部件。

图1是根据本发明的设备的方框图；

图2是在本发明中考虑的拉出操作的示意图；以及

图3是能够阐明本发明的基本特征的曲线图。

根据本发明在图1中示意性示出的设备1的用途是自动地检测飞行器A，特别是军事运输机与周围地形2的碰撞的任何危险，并在这样的危险被检测到时警告机组人员，使得机组人员随后能够实施对地形2的回避的操作TE，如图2所示。

这种安装在飞行器A内的例如TAWS(“地形回避和警报系统”)类型或GPWS(“地面接近警报系统”)类型的设备1一般包括：

-装置5，识别至少在飞行器A前面的地形6的轮廓，并为此包括例如含有所述地形轮廓6的数据库和/或例如雷达这种检测地形的装置。所述地形轮廓6例如在地势4上方的预定的净空高度G上；

-在下文描述的装置7，例如形成数据源组件8的一部分，其用途是确定多个特殊飞行参数的有效值，这些有效值也在下文进行描述；

-中央单元9，通过线路11和12相应地连接到所述装置5和7，其用途是从所述装置7确定的特殊飞行参数的所述有效值计算回避路线，把这个回避路线投影在飞行器A的前面，并检查如此向前投影的所述回避路线是否与至少在飞行器A前面的预定距离(例如10000米)的所述地形轮廓6相适应；以及

-装置13，通过线路14连接到所述中央单元9，用于在所述中央单元9检测到碰撞危险的情况下发送警报信号(声音和/或可视的)。

根据本发明，所述中央单元9包括：

-单元15，使用所述特殊飞行参数中的某些参数的有效值(由所述装置7确定)，如下所述，计算飞行器A的高度变化ΔH，该高度变化由在回避操作时通过减速产生的能量的转换和总斜度的变化所引起，该回避操作被实施以避开在飞行器A前面的地形2；以及

-单元16，通过线路17连接到所述单元15，用于使用由该单元15计算的高度变化ΔH以确定回避路线，该回避路线是真实性的最佳可能的表示；以及

-单元3，通过线路10连接到所述单元16，用于使用由该单元16确定的回避路线以检查所述回避路线是否与在飞行器A前面的所述预定距离的所述地形轮廓6相适应。

为此，所述单元3使用由单元16计算的辅助曲线18(或回避曲线)，该辅助曲线示于图3并被设定为仿制回避操作。所述单元3使这个辅助曲线18在飞行器A的前面做直线地移动，并检查该曲线不遇到在飞行器A的当前位置前面的地形轮廓6，至少在所述预定距离上。因此，只要这样移动的辅助曲线18不遇到地形轮廓6，那么飞行器A就能够飞过在该飞行器前面的地形2的凸起4。

然而，在辅助曲线18移动时，所述辅助曲线18遇到地形轮廓6，这就有与该地形轮廓碰撞的危险，使得单元3然后控制装置13发送警报信号，如图2中的符号19所示。此时，驾驶员或自动制导系统使飞行器A跟随回避路线TE而行，该回避路线被用来允许所述飞行器A飞过在该飞行器前面的地形2的地势4，从而避免碰撞。

直到现在，如图3中的虚线所示的通常的辅助曲线18A(用来仿制回避路线)包括：

-第一部分20A(或源部分)，表示回避操作的恢复阶段(源阶段)，用来允许飞行器A恢复高度。通常通过计入飞行器A的恒定荷载系数来绘制这个源部分20A，使得对应于恒定半径的圆弧；以及

-恒定斜度部分21A，其沿切向接在这个源部分20A之后。

这种通常的辅助曲线18A不能准确地仿制在必要时由飞行器A实际实施的回避操作，这可能特别引起错误警报(与碰撞危险有关)。

根据本发明的辅助曲线18能够通过以最佳方式仿制由飞行器A实际实施的回避操作来克服这个缺点。为此，根据本发明，所述辅助曲线18除了在下文描述的特殊的源部分20和通常的恒定斜度部分21之外，还包括计入所述高度变化ΔH的中间部分22。这个辅助曲线18因此考虑了在高度中的动态增大，从所述源部分20的末端开始并一直进行到所述恒定斜度部分21的开始(因此相对于所述通常的部分21A来说，这通过所述高度变化ΔH垂直地向上移位)。

为此，所述装置7包括没有特别按次序示出的单元，以便分别：

-估计飞行器A的有效质量GW；

-测量飞行器A的当前有效速度VO；以及

-测量飞行器A的当前有效斜度γO(相对于地面)。

此外，在第一个实施例中，对该实施例来说，所述总斜度变化对应于推力变化，所述单元15使用先前的有效值和下列公式来确定高度变化ΔH：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ΔH}=[K1.({\mathrm{VO}}^2-{\mathrm{VF}}^2)/2.g+(K2.(\mathrm{VO}-\mathrm{VF})+K3)/(\mathrm{GW}-\mathrm{GWO})].f\left(x\right)\\ f\left(x\right)=f(X-\mathrm{XO};\mathrm{VF};\mathrm{GW};\mathrm{\γF}-\mathrm{\γO})=(X-\mathrm{XO})/[K4.\mathrm{GW}.\mathrm{VF}.(\mathrm{\γF}-K5.\mathrm{\γO})]\\ f\left(x\right)\∈[0;1]\end{array}\right.$

其中：

-K1、K2、K3、K4和K5是取决于飞行器A的预定参数；

-g表示重力加速度；

-GWO表示预定的飞行器A的质量的恒定值，该恒定值取决于所述飞行器A；

-VF表示速度的恒定值，对应于在回避操作的结尾达到的稳定速度，这个值是预定的而且取决于所述飞行器A；

-γF表示飞行斜度的恒定值，对应于在回避操作的结尾稳定的相对于地面的飞行斜度，这个值是预定的，而且取决于飞行器A和状态参数；

-X表示飞行器A的当前位置，该位置在飞行器A的垂直对称面OXZp的水平轴线OX上；以及

-XO表示在所述回避操作的高度变化阶段开始时的飞行器A的位置，该位置在所述垂直面OXZp的所述水平轴线OX上，如图3所示。

先前提及的这个高度变化ΔH由能量转换(引起高度变化ΔH1)和推力变化(引起高度变化ΔH2)所引起：

ΔH＝ΔH1+ΔH2

高度变化ΔH1表示动能向势能的转化：

ΔH1＝K1·(VO²-VF²)/2·g

此外，在这个第一实施例中，高度变化ΔH2由减速产生的推力变化引起。

此外，在第二个实施例中，对该实施例来说，高度变化ΔH是由通过减速产生的能量转换和总斜度变化所引起，所述高度变化ΔH是几何斜度γ：

ΔH≈∫γ·dx

这个几何斜度仍然等于总斜度γTOT与加速度项的和：

γ＝γTOT-(dVSOL/dt)/g

总斜度等于推进佘量，也就是等于在质量之上的推力和阻力之间的差值：

γTOT ≈(P-T)/m·g

这个总斜度γTOT促成高度增大ΔH，因为当速度减小时该总斜度增大。这个与速度成反比的总斜度的增大是由与速度成反比的推力的增大所引起。

实际上，这个物理现象在涡轮螺旋桨飞机中是特别明显的，其中，推力的主项由下式表示：

P≈有效率/V

在这个第二实施例中，高度变化ΔH可因此由单元15逐步地计算，作为以下两个组项的和：

-ΔH3，是由减速引起的动能向势能的转化；以及

-ΔH4，表示所述步骤中的总斜度，

也就是：

ΔH＝ΔH3+ΔH4

同时，对于步骤i

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ΔH}3=({V_{l+1}}^2-{V_l}^2)/2.g\\ \mathrm{\ΔH}4=\mathrm{tg}\left(\mathrm{\γTOT}\right).\mathrm{\Δxi}\end{array}\right.$

此外，根据本发明，所述中央单元9还包括：

-单元23，在由飞行器A实际实施的回避操作的源阶段时，使用飞行器A的质量GW和速度VO的有效值(由所述装置7确定)，计算荷载系数Nz，其表示飞行器A的真实荷载系数；以及

-附加单元，例如单元16，通过线路24连接到所述单元23，用于使用所述荷载系数Nz(代替一直使用到现在的预定的恒定荷载系数)以最优化辅助曲线18的所述源部分20。一般地，这个荷载系数Nz被考虑进来以计算形成这个源部分20的圆弧的半径。

在一个特殊的实施例中，所述单元23使用下列公式来确定所述荷载系数Nz：

Nz＝n0+(n1.GW)+(n2.VO)

其中，n0、n1和n2是预定参数。

这个荷载系数Nz比现有技术中使用的恒定荷载系数更接近真实性，使得能够增大辅助曲线18的源部分20的一致性。

在设备1检测到碰撞危险以及开始回避操作的情况下，由飞行器A实际跟随的回避路线TE就被辅助曲线18如实地仿制出来，根据本发明来确定该辅助曲线，如图3所示。

因此，由设备1使用的与地形2的碰撞的危险的检测考虑了回避操作(以辅助曲线18的形式)，该回避操作非常接近于必要时由飞行器A实际使用的回避操作，这特别能够避免错误警报，从而获得特别可靠的监控。

在一个特殊的实施例中，所述预定参数n0、n1、n2、K1、K2和K3或所述恒定值GWO、VF和γF中的至少某些参数(记录在中央单元9内或数据源的组件8内)取决于飞行器A的有效飞行形态。在该情况下，数据源的组件8包括用来测量参数的装置，使得能够确定飞行器A的当前飞行形态，该飞行形态例如取决于飞行阶段、飞行器A的空气动力外形(缝翼、襟翼)、飞行器的高度等。

Claims (11)

1.一种用于检测飞行器(A)与周围地形(2)的碰撞的危险的方法，根据该方法，下列一系列连续步骤被自动和重复地实施：

a)计入位于飞行器(A)前面的地形(2)的轮廓(6)；

b)确定特殊飞行参数的有效值；

c)从这些有效值确定回避路线，该回避路线包括至少一个源部分和一个恒定斜度部分，而且该回避路线被投影在飞行器(A)的前面；

d)检查所述回避路线是否与至少在飞行器(A)前面的预定距离的地形(2)的所述轮廓(6)相适应；以及

e)如果在步骤d)中检测到不相容性，则发送相应的警报信号(19)，其特征在于：

-在步骤c)中：

■使用确定的所述特殊飞行参数的某些参数的有效值，计算出飞行器(A)的高度变化(ΔH)，该高度变化由在回避操作时通过减速产生的能量的转换和总斜度变化所引起；和

■如此计算的高度变化(ΔH)被用于确定回避路线，该回避路线是真实性的最佳可能的表示，而且包括考虑了这个高度变化(ΔH)的中间部分，该中间部分在源部分和呈恒定斜度的部分之间；以及

-在步骤d)中，如此确定的回避路线被用来检查该回避路线是否与在飞行器(A)前面的所述预定距离的地形(2)的所述轮廓(6)相适应。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：由减速产生的所述总斜度变化对应于推力变化。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

-在步骤b)中：

■估计飞行器(A)的有效质量GW；

■测量飞行器(A)的当前有效速度VO；和

■测量飞行器(A)的当前有效斜度γO；以及

-在步骤c)中，使用下列等式计算出所述高度变化ΔH：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ΔH}=[K1.({\mathrm{VO}}^2-{\mathrm{VF}}^2)/2.g+(K2.(\mathrm{VO}-\mathrm{VF})+K3)/(\mathrm{GW}-\mathrm{GWO})].f\left(x\right)\\ f\left(x\right)=f(X-\mathrm{XO};\mathrm{VF};\mathrm{GW};\mathrm{\γF}-\mathrm{\γO})\\ f\left(x\right)\∈[0;1]\end{array}\right.$

其中：

■K1、K2和K3是取决于飞行器(A)的预定参数；

■g表示重力加速度；

■GWO表示预定的飞行器(A)的质量的恒定值，该恒定值取决于所述飞行器(A)；

■VF表示速度的恒定值，对应于在回避操作的结尾达到的稳定速度，这个值是预定的而且取决于飞行器(A)；

■γF表示飞行斜度的恒定值，对应于在回避操作的结尾稳定的相对于地面的飞行斜度，这个值是预定的，而且取决于飞行器(A)和状态参数；

■X表示飞行器(A)的当前位置，该位置在飞行器(A)的垂直对称面(OXZp)的水平轴线(OX)上；以及

■XO表示在所述回避操作的高度变化阶段开始时的飞行器(A)的位置，该位置在所述垂直面(OXZp)的所述水平轴线(OX)上。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤c)中，通过对下列各项求和，逐步地计算所述高度变化(ΔH)：

-第一个高度变化，表示由减速引起的动能向势能的转化；以及

-第二个高度变化，表示所述步骤中的总斜度。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于：

-在步骤c)中：

■使用确定的所述特殊飞行参数中的某些的有效值，计算出表示回避操作的拉出阶段的荷载系数；和

■如此计算的荷载系数被用于确定回避路线的源部分，该源部分是真实性的最佳可能的表示；以及

-在步骤d)中，如此确定的源部分被用来检查该回避路线是否与在飞行器(A)前面的所述预定距离的地形(2)的所述轮廓(6)相适应。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：

-在步骤b)中：

■估计飞行器(A)的有效质量GW；和

■测量飞行器(A)的当前有效速度VO；以及

-在步骤c)中，使用下列公式计算所述荷载系数Nz：

Nz＝n0+(n1·GW)+(n2·VO)

其中，n0、n1和n2是预定参数。

7.根据权利要求3至6中任一项所述的方法，其特征在于：至少所述预定参数中的某些以及必要时所述恒定值中的一些取决于飞行器(A)的有效飞行形态。

8.一种用于检测飞行器(A)与周围地形(2)的碰撞的危险的设备，所述设备(1)包括：

-第一装置(5)，识别位于飞行器(A)前面的地形(2)的轮廓(6)；

-第二装置(7)，用于确定特殊飞行参数的有效值；

-第三装置(9)，用于从所述有效值计算回避路线，而且用于检查所述回避路线是否与至少在飞行器(A)前面的预定距离的地形(2)的所述轮廓(6)相适应；以及

-第四装置(13)，如果所述第三装置(9)检测到不相容性，则发送相应的警报信号(19)，

其特征在于：所述第三装置(9)包括至少：

-第一单元(15)，使用确定的所述特殊飞行参数的某些参数的有效值，计算飞行器(A)的高度变化(ΔH)，该高度变化由在回避操作时通过减速产生的能量的转换和总斜度的变化所引起；

-第二单元(16)，使用所述第一单元(15)计算的高度变化(ΔH)以确定回避路线，该回避路线是真实性的最佳可能的表示；以及

-第三单元(3)，使用所述第二单元(16)确定的回避路线以检查这个回避路线是否与在飞行器(A)前面的所述预定距离的地形(2)的所述轮廓(6)相适应。

9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于：所述第三装置(9)还包括：

-第四单元(23)，使用确定的所述特殊飞行参数中的某些的有效值，计算表示回避操作的拉出阶段的荷载系数；

-第五单元(16)，使用所述第四单元(23)计算的荷载系数以确定回避路线的源部分，该源部分是真实性的最佳可能的表示；以及

-第六装置(3)，使用所述第五单元(16)确定这个源部分，以检查所述回避路线是否与在飞行器(A)前面的所述预定距离的地形(2)的所述轮廓(6)相适应。

10.一种飞行器，其特征在于：包括能够实施根据权利要求1至7中任一项所述的方法的设备(1)。

11.一种飞行器，其特征在于：包括根据权利要求8和9中任一项所述的设备(1)。

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