CN101427288B - 在碰撞情况下识别交通工具机动操作的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在碰撞情况下识别交通工具的机动操作的系统和方法。对于交通工具和物体的条件，计算多个避免碰撞点，在这些点处，所述交通工具将以一组避免碰撞距离来避免与所述至少一个其他物体的碰撞。显示所述避免碰撞点，使得所述交通工具将以表示给定碰撞程度的给定避免碰撞距离而避免碰撞的多个避免碰撞点以视觉可见方式与所述交通工具将以表示较小碰撞程度的较大避免碰撞距离而避免碰撞的其他避免碰撞点区分开。由此所显示的方式表示不同的潜在碰撞程度，从而根据不同的碰撞程度以方向性视图显示的方式示出相应于所述交通工具的一组可用机动操作。

Description

在碰撞情况下识别交通工具机动操作的系统和方法

技术领域

本发明的目的是提供一种在碰撞情况下识别交通工具机动操作的系统和方法。本发明尤其但不排他地应用至飞行器显示系统，从而避免飞行器之间发生空中碰撞，或者相反地，拦截空中威胁。此外，应该理解的是，本发明也可使用在用于类似目的的海运船只中。

如这里所使用的，短语“交通工具”并不局限于传统交通工具，诸如飞机、轮船、汽车等，也可包括无人驾驶的交通工具。

如这里所使用的，短语“碰撞情况”具有宽泛的含义，指代交通工具与另一物体撞击的情况，表示交通工具与其他物体之间产生碰撞或者近距离或擦边而过。这一短语包括但不局限于由交通工具产生的碰撞、擦肩而过以及威胁拦截。

如这里所使用的，短语“条件”指代与交通工具或物体相关的各种参数。这些参数包括但不局限于位置(包括高度)、方向、方位、速度、加速度等。

背景技术

交通工具中使用抗撞击系统是公知的。目前使用的这些系统采用车辆自身区域的显示器，并且可视地显示另一交通工具是否存在，这些显示器是基于惯性、雷达和声纳传感器的系统的派生物。这种系统提供关于如何优化地躲过任何潜在碰撞的有限信息。

目前在飞行器中使用的系统的一项实例是交通报警与碰撞避免系统(TCASII)。当所谓的入侵者的第二个飞行器在第一个飞行器的机载系统中被检测到时，警告信号被传送至驾驶室的机组人员。这被称为是交通报告信号。然后，该系统向飞行员发出可听和可视指令从而升高或下降。这公知为解决方案报告信号。

在如此装备的情况下，类似的交通报告信号由第二个飞行器的机组人员接收到。但是，在第二个飞行器(如果装配该设备的话)处接收到的解决方案报告信号与第一个飞行器所接收到的相反。因此，该系统为两个飞行器提供建议性的操作方案(上升或者下降)以避免碰撞。虽然该系统设置有驾驶室显示器，但是该显示器相当的隐蔽，可能不会可视地识别碰撞区域中的第二个飞行器。

如上所述TCASII提供给飞行员的仅仅是上升或下降的选择方案来避免碰撞。飞行员没有接收转弯或变速的指令。此外，TCASII系统无法正确地处理潜在碰撞区域中的多个飞行器。

用于识别碰撞的另一现有技术系统是空对空雷达显示器。这种显示器通常使用在战斗机中，并不应用于民用交通工具。图1示出在空对空战斗中主要用于瞄准敌人飞行器的显示器的主要特征(附图参考文件：Shaw，R.L.，(1988)Fighter Combat：The Art and Science of Air-to-Air Combat，PatrickStephens Limited)。当目标在范围之外时，该显示器仅在与目标的碰撞期间指引飞行器，或者己方的飞行器/自己的飞行器。飞行员可通过操作点100，将其放置在显示器的中心，从而实现所需的方向。

图1的显示器基本上是由诸如雷达的自身传感器扫描的前直角方向的投影图。因此，3D中的方向在显示器上变为2D中的点。该目标的视线(LOS)102变为一个点，在该实例中，其由一个方形表示，从而与显示给飞行员的其他信号区分开。允许转向误差(ASE)圆104表示可能起动方向的范围。即，当转向点100处于圆104内部时，可以成功地起动。该显示器也可包含其他信息类似于到达拦截点(未示出)的时间和距离。应该理解，这种显示器也可作为碰撞避免系统，其中飞行员完全可以操作自身飞行器转向离开目标。

其他现有技术系统公开在Knecht和Smith的美国专利No.6,970,104中。这里，飞行信息用于计算自身飞行器可到达区域中的碰撞区域。该显示器为飞行员提供碰撞区域的模拟三维图示(方向、速度和高度)。该显示器没有示出相对于自身飞行器的三维位置，仅显示相对于碰撞区域的机动操作空间。即，飞行员必须识别与该碰撞区域具有一定距离的区域，根据显示信息计算所需的方向、速度和高度，然后根据这些计算结果操作自身飞行器。

Knecht和Smith的碰撞区域的计算假设是基于两个飞行器如何转向、上升、下降、加速或减速的。因此，它们的碰撞区域需要不确定的假设和大量的数据处理，而不是确定的信息和直接有意义数据的显示。

此外，飞行员无法得知与选定方向、速度和高度相关联的危险级别。如果碰撞区域正好超过选定的时间范围(前视时间)并因此没有显示出来，那么飞行员可能会使自己的飞行器进入未来碰撞的情况。

因此，需要提供一种用于交通工具的显示器，能够立即告知飞行员关于该飞行器的潜在碰撞情况，并且提供有关指示，表明该飞行器的潜在机动操作的内在危险水平。

发明内容

本发明的目的是提供一种在碰撞情况下识别所需交通工具机动操作的公知系统和方法的备选方案。

一般地，在一个方面，本发明涉及一种在该交通工具和至少一个其他物体的碰撞情况下识别该交通工具的机动操作的系统和方法。对于给定交通工具和物体条件，计算多个避免碰撞点，在这些点处，所述交通工具将以避免碰撞距离来避免与所述至少一个其他物体的碰撞；

显示所述避免碰撞点，使得所述交通工具将以表示给定碰撞程度的给定避免碰撞距离而避免碰撞的多个避免碰撞点以视觉可见方式与所述交通工具将以表示较小碰撞程度的较大避免碰撞距离而避免碰撞的其他避免碰撞点区分开。所得到的显示方式表示不同的潜在碰撞程度，从而根据不同的碰撞程度以方向性视图显示的方式示出所述交通工具的一组可用机动操作。

可视觉区分的多个避免碰撞点的一项实施例的特征在于等轴映射，优选地采用彩色的带形。根据本发明的另一实施例，方向性视图的显示方式是单色显示方式，或者优选地彩色显示方式。

一般地，本发明的另一方面在于计算其他交通工具和物体的条件，由此根据交通工具和其他物体的条件的变化更新所显示范围的可用机动操作。在另一优选实施例中，计算对于给定交通工具和物体条件下交通工具将碰撞其他物体的至少一个碰撞点的位置。然后，该至少一个碰撞点显示以方向性视图显示方式进行显示。

一般地，本发明的另一方面涉及避免两个飞行器之间的空中碰撞的方法和系统。

在本发明的另一实施例中，记载用于船只的导航系统。

一般地，在另一方面中，本发明涉及用于拦截移动物体的方法。

在另一实施例中，本发明涉及嵌入计算机可读取介质中以实现上述系统和方法的逻辑。

附图说明

图1是主要用于空对空战斗的现有技术显示系统。

图2a和2b描述关于两个飞行器的潜在碰撞情况。

图2c和2d示出根据本发明的图2a和2b的潜在碰撞情况的显示信息。

图3a至3b描述在已经经过特定时间量以及两个飞行器之间的潜在碰撞情况更可能发生之后的图2a至2d的碰撞情况。

图3c和3d示出根据本发明的图3a和3b的潜在碰撞情况的显示信息。

图4是图3a和3b描述的潜在碰撞情况的另一显示信息。

图5a至5c描述根据本发明一项实施例的单色显示信息。

图6是根据本发明一项实施例的备选显示信息。

图7a和7b示出根据本发明的避免碰撞距离的几何矢量。

图8a和8b示出根据本发明的碰撞几何矢量。

图9示出根据本发明的碰撞边界投影(collision projections of contour)和碰撞点。

图10a至10d示出根据本发明计算的另一边界投影和碰撞点。

具体实施方式

现在详细地说明本发明，图2a和2b示出接近潜在碰撞情况的两个飞行器(己方飞行器200，入侵飞行器202)。图2c示出参照图2中示出的情况的根据本发明的优选驾驶室显示信息。

图2a和2b示出的实例情况具有下述参数：

●己方飞行器的速度是400ft/s；以及

●入侵飞行器的速度是780ft/s。

两个飞行器200、202处于飞行状态，己方飞行器200比入侵飞行器202高200英尺。下方还有其他飞行器(未示出)，所以哪个飞行器都不能下降。

图2a的俯视平面图示出透视场景。虚线204和206分别示出己方飞行器200和入侵飞行器202的当前速度矢量的方向。从己方飞行器发出的实线208和210示出将导引至碰撞情况的方向。计算这些线的基础是这两个飞行器都没有改变速度，并且入侵飞行器202继续保持其当前速度矢量206。

由于入侵飞行器202速度更快并且两个飞行器正在接近，所以存在两个碰撞点。因为飞行器位置和速度矢量随着时间而改变，所以方向也动态地改变。如果入侵飞行器202比己方飞行器200慢，那么至多存在一个碰撞方向。

图2b复制了上述相同情况，该图为从侧面进行的观察。

图2c示出根据本发明的优选显示方式的实例。左圆盘212是围绕己方飞行器的前半球方向的方位投影(zenithal projection)，其中，顶点是直接向前的。右圆盘214是后半球，在由于己方飞行器之后的入侵飞行器速度更快而产生碰撞情况时，需要使用该后半球。

十字线与己方飞行器身轴线对齐。即，前投影的中心对应于己方飞行器的纵向机身轴线，或者飞行员直视前方的视角。后投影的中心是直接相反的，朝向己方飞行器的后部。

3D的相对于中心方向的相同径向角表示为距离投影中心的相同径向距离。圆的外周处于距离中心的90°处(90°from the centre)，两个圆都表示在与纵向轴线成直角的平面中以飞行员为中心的环。

LOS给出从己方飞行器200看到的入侵飞行器202的方向，优选地示出为方形216。该方形的尺寸表示与飞行器的距离，但是其最小尺寸优选为固定的。碰撞点218和220优选地表示为叉形。对于入侵飞行器也类似，碰撞点218、220的尺寸表示与潜在碰撞处的距离。围绕碰撞点的带形区域限定碰撞区域222。对于所有的假设己方飞行器方向来说，碰撞区域中阴影的变化表示己方飞行器与入侵飞行器之间的避免碰撞距离或者未来最小间隔。即，阴影的变化限定碰撞程度。优选地，阴影是颜色的程度，使得飞行员能够立即将避免碰撞距离与危险程度关联起来。

为了进一步解释不同的碰撞程度是如何计算出来的，选择用于己方飞行器的假定方向。即，在现有速度下，十字线名义上朝向所需方向定位。这称为避免相撞点。参照图2c，如果入侵飞行器继续以当前速度矢量前进，那么可参照该避免相撞点计算假定的避免碰撞距离(如下所述)。

优选地，从图标224选择适应于该避免碰撞距离的颜色，在该避免相撞点相应地对屏幕的像素着色。如果显示器不是彩色的，那么可使用适当的阴影来表示碰撞程度。如果避免碰撞距离计算为超过图标224的范围-在图2c中为5kft-那么像素，或者避免相撞点形成黑色。继续采用该算法，可相对于连续的假设己方飞行器方向计算避免碰撞距离，得到屏幕显示出的碰撞程度。

碰撞区域内部的不同碰撞程度允许飞行员立刻评估与可能采取的任何措施相关的危险水平。因此，如果想要避开碰撞点，那么飞行员必须操纵飞行器以确保适当的避免碰撞距离(立刻通过与该避免相撞点颜色/阴影关联而获取)。如果想要拦截该入侵飞行器，那么飞行员可以操纵飞行器朝向碰撞点，评估碰撞程度以辅助判断拦截方向。

优选地，该显示器包括辅助飞行员的数据信息226。如图2c所示的本发明的优选实施例还包括但不局限于入侵飞行器以及其标记的当前距离，以及到达碰撞点的距离和时间。碰撞程度的即刻表示也优选地示出在间隔表示228中。到达最近地点230的时间和距离也可示出。

虽然未示出，但是其他数据信息优选地包括可视的指示，诸如箭头，表示当经过入侵飞行器时己方飞行器的交叉位置(例如，上方、下方、左或右)。另外，当叉形的位置位于入侵飞行器上方或下方时，优选地包括表示避免碰撞距离的垂直分量的数字值H_M。同样，当叉形的位置位于入侵飞行器的左或右时，可以包括避免碰撞距离的水平分量的数字值W_M。因此，箭头的方向以及避免碰撞距离值表示己方飞行器应该如何操作以根据碰撞是否将被避免或者入侵飞行器是否将被拦截来改变碰撞的程度。

图2d示出显示方式的另一实施例并且描述整个球体的墨卡托(Mercator)投影。这里所示的飞行情况与图2c所示的情况相同。与图2c类似，显示器的轴线是己方飞行器的轴线。相同的方位角表示为相同的水平距离。相同的仰角表示为相同的垂直距离。相对于其轴线正在己方飞行器上方的点映射至上边缘上，因此在其附近的方向被极大地放大和扭曲。类似地，正在己方飞行器下方的点映射至下边缘上。这一投影的优势在于连续的前后投影，除了在己方飞行器后方被垂直地切断。

图2d的这一显示方式结合有水平投影，在这一实例中，该投影是扁平的(flat)并且是水平的(level)。水平投影上方的点优选地以不同颜色/阴影示出以辅助飞行员。随着己方飞行器上仰(pitch up)，水平投影似乎在中心附近下降并且在左和右边缘附近上升(如图3d所示)。随着己方飞行器转向(banks in a turn)，飞行器倾斜并且采用正弦形状。如果需要的话，一水平投影(horizon)(未示出)可加入至图2c的双半球投影。

图2d的内窗口232接近飞行员的典型视野。即，分别相对于飞行器的侧向和纵向轴线为水平地-90°至+90°，垂直地-20°至+20°。

图3a是关于图2的上述情况的进一步俯视图，已经经过特定的时间量，己方飞行器300与入侵飞行器302之间的潜在碰撞更可能发生。类似于图2a和2b，虚线301和303分别示出己方飞行器300和入侵飞行器302的当前速度矢量的方向。从己方飞行器发出的线305和307示出会导致碰撞的方向。如图3b所示，己方飞行器300已经采用躲闪的机动操作上升。

在图3c中显示信息上的碰撞区域304的尺寸相比于图2c来说已经增加，由此能够适当地更大地看到危险。这也传递了下述信息，即，己方飞行器的安全操作方向是更极端的并且需要紧急动作。

备选的显示方式示出在图3d中，描述整个球形的墨卡托投影。在该实施例中，在显示器的底部示出数据信息306，为飞行器的飞行员提供关于潜在碰撞点的精确信息。

随着情况继续发展，己方飞行器持续攀升来避免碰撞点。本领域技术人员可知，图3c的方位投射的十字线以及图3d所示的墨卡托投射同样地移动到碰撞区域中由表示可接受碰撞程度的彩色或阴影表示的比较安全的区域。

因此，为了总结图2a-d以及图3a-d的情况，己方飞行器200识别几乎正前方的主碰撞点218。这通过己方飞行器的当前方向以及数据信息箱228的亮彩色/阴影而示出。

方向的较小偏移会造成碰撞。因此，己方飞行器可转向右方，该显示器根据可接受的碰撞程度也显示如此信息。如果入侵飞行器202保持其策略，那么从第二碰撞点220到己方飞行器的右70°(from the second collision point220 to own-aircraft’s right at 70°)存在危险。

己方飞行器决定通过启动攀升而增加所预测的垂直间隔，如图3a-3c所示。在10秒的时间段内，己方飞行器300向上转动至5°的攀升角，然后保持该角度。己方飞行器300允许以每秒0.15°小小地转动至右边。入侵飞行器302没有改变方向，因为在这种情况下其没有发觉己方飞行器300的存在。显示器上的主碰撞点318按照需要向下偏移并且至左边。所计划的间隔措施现在将如数据信息盒306中所示的那样增加。碰撞的程度由己方飞行器的当前方向(图3c中的十字线320，图3d中的十字线324)和数据信息箱328的彩色/阴影进行表示。

应该理解，在一些情况下，诸如使入侵飞行器后退，则不存在碰撞点。但是，碰撞区域和碰撞程度可以仍然存在，略去一些内部的阴影/色彩。

本发明的系统可显示超过一个入侵飞行器的多个碰撞区域。其他碰撞区域可能会由于天气或地势的原因而出现。所需的信息如下所述进行计算，采用它们的标记(例如，十字和方形)叠置在显示器上，碰撞区域和相关的碰撞程度。在显示器像素对两个入侵飞行器采用不同的颜色或阴影时(即，碰撞程度对于碰撞区域的相同位置进行变化)，优选地为较小的避免碰撞距离分配颜色/阴影。

图4示出根据图3a-3d示出上述飞行情况的另一显示方式实施例。这是围绕己方飞行器的整个球形方向的方位投影。内圆盘400与图3c中的前半球方位投影相同，使得相同的径向角表示为相同的径向距离。但是，在该投影中，径向角持续向外至180°(continued out to 180°)。正位于己方飞行器下方的点映射至外圆周402，其附近的方向被极大地放大和扭曲。

在该图示中的水平线(未示出)将形成可能难于解释的封闭曲线。但是，其确实具有前后半球连续的优点。优选地，本发明的显示方式可按照需要由交通工具的操作者进行互相更换。

优选地，任何投影中的角度范围可受到限制从而示出小的角度变化。另外，碰撞程度可根据飞行员的要求或者根据算法而进行变化。当飞行器靠近而出现危险时，这会有利地允许更精细的间隔分辨度，并且需要更精确地操作。

本领域技术人员应该理解，可使用单色显示方式代替彩色图像或者变化阴影的图像来表示碰撞程度。优选地，单色显示器，诸如图5a、5b和5c所示的变化将包含一个或多个边界线500来提供碰撞程度的即刻显示。拓扑类型(topographic-type)显示方式上的每个边界(contour)对应于不变的避免碰撞距离，也就是不变的碰撞程度。这些显示方式的派生显示方式尤其可包括在平视显示器(head-up display)(HUD)中。

图6示出根据本发明一项实施例的另一设计，用于船桥的仪表板上的显示器。该显示器用于即刻表示碰撞程度。即，与其他船只或者其他障碍诸如地面发生碰撞的危险水平。

该显示方式是二维平面图。十字线与己方船只的轴对齐，使得直接相对于船只的前方是显示器上的12点。在该实施例中最大概11点处示出的内部指针600是入侵船只的当前LOS。入侵船只当前处于与己方船只的前部交叉的轨道上。

在显示器上外部盘中示出的彩色或阴影带602表示对于己方船只的每个假定速度来说，与避免碰撞距离关联的不同碰撞程度。

根据船只的即刻环境，可选择对应于碰撞程度的相关比例。例如，相对于在海港巡逻的船只来说，开阔海域中的船只可采用较大的比例。相关的图标604优选地示出关于每个碰撞程度的避免碰撞距离的数字值。避免碰撞距离可从每个船只的中心点进行测量，或者可考虑船只的尺寸和方向。

图6的显示器示出，在其当前的取向上，己方船只将以大约300单位避免碰撞入侵船只。己方船只的危险方向是1点处，由此造成碰撞点。

如果碰撞点是固定物体(例如，地面)，那么碰撞程度仍然将以根据本发明的方式示出。本领域技术人员可以理解，在该实例下，不需要内部指针表示相应于固定潜在碰撞点的LOS。

该显示方式可优选地以数字值(未示出)进行放大，表示到达碰撞点的时间和距离。其他入侵船只将通过其他LOS指针和另一套彩色/阴影带示出。LOS指针可由符号或者圆周上的其他明显变量代替。

本领域技术人员应该理解，借助本发明实施例的实例如上所述的这种显示器并不局限于经历潜在碰撞的交通工具。例如，本发明的系统和方法可应用在飞行交通控制系统中。

现在说明计算碰撞程度的优选方法。下列术语将在下述整个计算过程中使用。

V_F＝己方飞行器的速度矢量

V_F＝己方飞行器的速度

V_T＝入侵飞行器的速度矢量

V_T＝入侵飞行器的速度

V_R＝己方飞行器相对于入侵飞行器的速度矢量

U_R＝与V_R平行的单位矢量

U_LOS＝从己方飞行器至入侵飞行器的单位矢量

R₀＝己方飞行器与入侵飞行器之间的当前3D距离

R_MD＝己方飞行器与入侵飞行器之间的3D避免碰撞距离

x＝与U_LOS平行的坐标

y＝垂直于U_LOS和V_T平面中U_LOS的坐标

z＝垂直于x和y的坐标

V_Rx＝V_R的x分量；V_Ry和V_Rz类似

V_Tx＝V_T的x分量；V_Ty和V_Tz类似

V_F＝己方飞行器的假定速度矢量

X＝V_F的x分量；Y和Z类似

θ＝圆锥的半角

β＝tanθ

h＝沿x方向距离圆锥顶点的点的距离

h₊(φ)＝等式(12)的解；h_-(φ)是另一解

φ＝围绕圆锥轴线的点的极角

CDTI＝交通信息的驾驶室显示方式

LOS＝视线

下述计算的值可以通过公知的方法获取，诸如无线电数据连接传送。优选地，这些值通过全球定位系统(GPS)接收到的高分辨率坐标精准且精确地计算得到。

参照图7a中的碰撞几何尺寸，己方飞行器具有3D速度矢量V_F，入侵飞行器具有3D速度矢量V_T，它们的当前3D距离是R₀，入侵飞行器的LOS由单位矢量U_LOS给出。

这里F相应于第一个人(First person)，T相应于入侵飞行器(inTruder)或威胁(Threat)或交通(Traffic)。从这一观点或者入侵飞行器的参考系，己方飞行器似乎以速度V_R＝V_F-V_T沿着单位矢量U_R＝V_R/|V_R|的方向移动，此时V_F≠V_T。

图7b示出避免碰撞距离是从入侵飞行器至沿U_R的方向穿过己方飞行器的线的最短路径。该最短路径垂直于该线。相对位置矢量R₀U_LOS沿着U_R的分量是C＝R_oU_LOS·U_R，其中，点表示标量积。如果V_F＝V_T，那么C＝0。因此，从入侵飞行器至己方飞行器的最近路径的矢量为：

R_M＝CU_R-R_oU_LOS　　     (1)

Pythagoras定理给出避免碰撞距离为

$R_{\mathrm{MD}}=\left|R_M\right|=\sqrt{R_0^2-C^2}---\left(2\right)$

该公式用于计算相应于所有假设己方飞行器方向的避免碰撞距离(避免碰撞点)，得到图2至6中的彩色或阴影区域所示的碰撞程度。对于己方飞行器的当前方向，R_M沿着己方飞行器向上轴线的分量H_M以及沿着其右翼的分量W_M也被计算得到。它们示出己方飞行器将以最近的路径经过入侵飞行器的上方的距离并且到达己方飞行器右边的入侵飞行器(how far own-aircraftwill pass above and to own-aircraft’s right of the intruder at closest approach)，并且它们的值优选地以信息数据显示的方式给出。

当如(2)示出U_R＝U_LOS时，碰撞点对应于R_MD＝0，使得U_LOS、V_F和V_T共面。使用正交坐标系(x，y，z)，x轴线沿着U_LOS设置，y轴线沿着U_LOS和V_T的平面，使得V_T具有正y分量V_Ty。z轴线由右手规则限定。图8a中示出的碰撞三角示出V_F>V_T的情况。如果V_F<V_Ty，那么将不存在碰撞点。否则，Pythagoras定理给出标准公式：

$\left|V_R\right|=-V_{\mathrm{Tx}}+\sqrt{V_F^2-V_{\mathrm{Ty}}^2}---\left(3\right)$

己方飞行器的速度矢量将为

V_F1＝V_T+|V_R|U_LOS　　　　　　(4)

该矢量的方向投影在显示器上形成十字形。图8b示出V_F<V_T并且存在两个碰撞方向的情况。对于第二个，(3)中的平方根之前的加号变为减号。这给出第二己方飞行器速度矢量V_F2，其方向投影在显示器上作为第二个十字。其参数优选地相对于显示器的信息数据部分中的较低十字而给出。对于己方飞行器的当前速度矢量和碰撞方向，数据盒中示出到达最小间隔的次数C/|V_R|。

返回参照图5a，示出方位显示器的画线版本，其中，封闭曲线的碰撞区域对应于2000英尺的避免碰撞距离。该碰撞点现在由点示出，而非十字。LOS示出为实线方形，十字线被减小。为了说明方便，两个飞行器都处于飞行状态，己方飞行器的速度为500ft/s。入侵飞行器的速度为400ft/s，距离为6000英尺，左侧30°(30°to the left)，比己方飞行器低7°。入侵飞行器以相对于己方飞行器路径90°在己方飞行器前方交叉经过。可在10.7秒内到达碰撞点。但是，图5a示出它们将以大约1200英尺的距离避免碰撞。

计算机程序可获得2000英尺等值线，以像素计(pixel by pixel)，但是这在计算方面是昂贵的并且不会产生光滑曲线。代替地，该等值线的方程通过参照图8a中的碰撞几何尺寸而获得。方程(2)可写成下述形式

${(R_0{U}_{\mathrm{LOS}}\&CenterDot;V_R)}^2=(R_0^2-R_{\mathrm{MD}}^2){\left|V_R\right|}^2---\left(5\right)$

以分量表示可以为

$R_0^2{V}_{\mathrm{Rx}}^2=(R_0^2-R_{\mathrm{MD}}^2)(V_{\mathrm{Rx}}^2+V_{\mathrm{Ry}}^2+V_{\mathrm{Rz}}^2)---\left(6\right)$

假定己方飞行器速度是V_F＝(X，Y，Z)，其中分量X，Y，Z是限定边界的变量。因此

V_Rx＝X-V_Tx

V_Ry＝Y-V_Ty                     (7)

V_Rz＝Z

因为V_T不具有z分量。现在(6)简化为

β²(X-V_Tx)²＝(Y-V_Ty)²+Z²         (8)

其中

$\mathrm{\&beta;}=\sqrt{\frac{R_{\mathrm{MD}}^2}{R_0^2-R_{\mathrm{MD}}^2}}---\left(9\right)$

方程(8)限定具有定点V_T的圆锥，沿着x轴线的轴线，半角θ＝arctanβ。图9示出一项实例。回想，己方飞行器的实际当前速度V_F＝|V_F|是相对于所有的假定己方飞行器方向假定的，那么

$X^2+Y^2+Z^2=V_F^2---\left(10\right)$

这限定了以原点为圆心、半径为V_F的球的表面，如图9所示。联立方程(8)和(10)限定两个封闭曲线，其中圆锥与球面相交。然后，假定的己方飞行器速度V_F＝(X，Y，Z)然后处于图9的曲线上。同样，碰撞点处于圆锥轴线与球体表面的相交处，因为当R_MD＝0时β＝0。V_F’s具有由单位矢量Ｕ_F＝V_f/V_F给出的方向。为了在图9中绘制Ｕ_F’s的投影，将(8)写为参数形式

X-V_Tx＝h

Y-V_Ty＝hβcosφ　　　　　　　　　　(11)

Z＝hβsinφ

其中，h是圆锥顶点上方的垂直距离，φ是图9中围绕圆锥轴线的极角。将其代入(10)中，给出h的二次方程

$h^2(1+{\mathrm{\&beta;}}^2)+2h(V_{\mathrm{Tx}}+V_{\mathrm{Ty}}\mathrm{\&beta;}\cos \mathrm{\&phi;})+(V_T^2-V_F^2)=0---\left(12\right)$

这两个方程表示h₊(φ)和h_-(φ)。当h₊(φ)代入(11)中时，图9中的上曲线的等式以单参数φ表示。然后，通过逐步算过(step through)范围(0，2π)中具有小差值的φ值而从(11)产生该曲线。方向U_F然后向上(zenithally)投影从而产生图5a中的显示信息。

图9中下部曲线可采用类似的方式从h_-(φ)获得。但是，圆锥的下半对应于过去产生的最小间隔，因此其并非是物理上相关的。

但是，考虑到图10a中描述的情况，两个曲线处于上半圆锥，并且将在未来出现。所得的投影产生如图5c所示的两个边界。

可能的情况如下所述。如果己方飞行器更快(V_F≥V_T)，那么就恰有一个碰撞点。正是这样，因为圆锥顶点处于图9中的球形的内部。如果己方飞行器更慢(V_F<V_T)，那么顶点处于球形外部，存在两种主要情况：

(i).如果V_Tx>0，将不存在碰撞点，因为锥形的顶点位于球形上方(参见图10c)。如果V_Tx<0并且V_Ty>V_F，将不存在碰撞点，因为圆锥的顶点处于球形的侧面(参见图10d)。在两种情况下，如果V_T足够大，那么也不存在碰撞区域(边界)。

(ii).如果V_Tx<0并且V_Ty<V_F，那么存在两个碰撞点，圆锥的顶点位于球形下方(参见图10a和10b)。总是至少存在一个边界。可以形成哑铃形状的单边界可包围两个碰撞点(参见图10b)，形成一个碰撞区域。可选择地，两个分离的边界都可包含一个碰撞点(参见图10a)。除非V_F<<V_T，否则一个碰撞点更近并且具有更大的边界。不同类型边界的数理状况可从这些图推断出。

例如，图5b示出图2的边界，而图5c示出图3或4的边界。图5c是类似于图10b的实例。这些由线绘制的显示信息可用于解决上述碰撞问题，虽然可视的信息不太完整。优选地，可计算许多避免碰撞距离以有益地示出碰撞程度。

应该理解，飞行器的垂直尺寸是相对较小的并且需要对飞行器进行垂直机动操作。因此，使用沿垂直方向更细小的比例可以更加方便。这可能形成垂直的彩色图标以及水平的彩色图标。水平方向的避免碰撞距离a例如出现在与垂直避免碰撞距离b相同的边界上(相同的颜色/阴影)，例如，比例b/a是小于1的固定数，基于飞行器的尺寸和机动操作。相对于立体线中的水平方向的角φ，避免碰撞距离的适当值是

$\sqrt{a^2{\cos }^2\mathrm{\&phi;}+b^2{\sin }^2\mathrm{\&phi;}}---\left(13\right)$

该避免碰撞距离可作为显示器上的一个点，沿着半径，角度为φ，通过该点抽出的边界(a contour drawn throughthat point)，或者以相关的颜色/阴影对像素着色/上阴影。然后，得到的显示信息可更精细地分辨垂直方向的避免碰撞距离，允许更精确地测量碰撞程度。

本领域技术人员应该理解，上述计算并不局限于单平面交通工具状况(即，不变的方向)。进一步派生的坐标点可导致对入侵交通工具转弯(转向)或者变化速度的假定计算，以及这种操作机动将导致己方飞行器发生碰撞的可能程度。例如，可在最少时间内计算假定碰撞，从而在入侵飞行器以危险的方式转向时告知飞行员己方飞行器可能迫在眉睫发生的碰撞。

当然，可知虽然上述内容已经通过本发明的示例性实例给出，但是本领域技术人员可知，所有的这种和其他改进和变化都被认为是落入由随后的权利要求限定的本发明的宽泛范围和精髓中。

Claims (31)

1.一种在碰撞情况下识别交通工具的机动操作的方法，该碰撞情况包括所述交通工具和至少一个其他物体，该方法包括：

对于给定交通工具和物体条件，计算多个避免碰撞点，在这些点处，所述交通工具将以一组避免碰撞距离(miss distance)来避免与所述至少一个其他物体的碰撞；

显示所述避免碰撞点，使得所述交通工具将以表示给定碰撞程度的给定避免碰撞距离而避免碰撞的多个避免碰撞点以视觉可见方式与所述交通工具将以表示较小碰撞程度的较大避免碰撞距离而避免碰撞的其他避免碰撞点区分开；

由此，所述显示情况表示不同的潜在碰撞程度，从而根据不同的碰撞程度以方向性视图显示的方式示出相应于所述交通工具的一组可用机动操作。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，可视地区分的所述多个避免碰撞点的特征在于等轴映射。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，可视地区分的所述多个避免碰撞点的特征在于形成彩色的带。

4.根据前述任一权利要求所述的方法，其中，所述多个避免碰撞点通过高分辨度坐标进行计算。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括：

重复权利要求1中限定的步骤用于其他交通工具和物体条件，由此，根据所述交通工具和其他物体条件的变化更新可用机动操作的显示范围。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，方向性视图显示方式是单色显示方式。

7.根据权利要求5所述的方法，其中，方向性视图显示方式是彩色显示方式。

8.根据权利要求1所述的方法，还包括：

对于给定的交通工具和物体条件，计算所述交通工具将碰撞其他物体的至少一个碰撞点的位置，以及

以方向性视图显示方式显示至少一个碰撞点。

9.一种在碰撞情况下识别交通工具的机动操作的系统，该碰撞情况包括所述交通工具和至少一个其他物体，该系统包括：

对于给定车辆和物体条件，用于计算多个避免碰撞点的装置，在这些点处，所述交通工具将以一组避免碰撞距离来避免与所述至少一个其他物体的碰撞；

显示所述避免碰撞点的装置，使得所述交通工具将以表示给定碰撞程度的给定避免碰撞距离而避免碰撞的多个避免碰撞点以视觉可见方式与所述交通工具将以表示较小碰撞程度的较大避免碰撞距离而避免碰撞的其他避免碰撞点区分开；

由此，所述显示所述避免碰撞点的装置表示不同的潜在碰撞程度，从而根据不同的碰撞程度以方向性视图显示的方式示出所述交通工具的一组可用机动操作。

10.根据权利要求9所述的系统，其中，可视地区分的所述多个避免碰撞点的特征在于等轴映射。

11.根据权利要求10所述的系统，其中，可视地区分的所述多个避免碰撞点的特征在于形成彩色的带。

12.根据前述任一权利要求所述的方法，其中，所述多个避免碰撞点通过高分辨度坐标进行计算。

13.根据权利要求9所述的系统，还包括：

重复权利要求9中限定的步骤用于其他交通工具和物体条件，由此，根据交通工具和其他物体条件的变化更新可用机动操作的显示范围。

14.根据权利要求13所述的系统，其中，方向性视图显示方式是单色显示方式。

15.根据权利要求13所述的系统，其中，方向性视图显示方式是彩色显示方式。

16.根据权利要求9所述的系统，还包括：

对于给定的交通工具和物体条件，用于计算所述交通工具将碰撞其他物体的至少一个碰撞点的位置的装置，以及

用于以方向性视图显示方式显示至少一个碰撞点的装置。

17.根据权利要求16所述的系统，还包括计算和显示从至少一个碰撞点到交通工具的时间和距离的数值指示的装置。

18.一种避免第一飞行器与第二飞行器之间的空中碰撞的方法，该方法包括：

对于第一和第二飞行器的给定条件，计算多个避免碰撞点，在这些点处，第一飞行器将以一组避免碰撞距离来避免与第二飞行器的碰撞；

显示所述避免碰撞点，使得所述第一飞行器将以表示给定碰撞程度的给定避免碰撞距离而避免碰撞第二飞行器的多个避免碰撞点以视觉可见方式与第一飞行器将以表示较小碰撞程度的较大避免碰撞距离而避免碰撞第二飞行器的其他避免碰撞点区分开；

由此，所述显示方式表示不同的潜在碰撞程度，从而根据不同的碰撞程度以方向性视图显示的方式示出第一或第二飞行的一组可用机动操作。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，可视地区分的所述多个避免碰撞点的特征在于等轴映射。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，可视地区分的所述多个避免碰撞点的特征在于形成彩色的带。

21.根据前述任一权利要求所述的方法，其中，所述多个避免碰撞点通过高分辨度坐标进行计算。

22.根据权利要求18所述的方法，还包括：

重复权利要求18中限定的步骤用于其他交通工具和物体条件，由此，根据交通工具和其他物体条件的变化更新可用机动操作的显示范围。

23.根据权利要求22所述的方法，其中，方向性视图显示方式是单色显示方式。

24.根据权利要求22所述的方法，其中，方向性视图显示方式是彩色显示方式。

25.一种用于船只的导航系统，包括：

根据给定船只和至少一个其他物体的条件，计算多个避免碰撞点的装置，在这些点处，所述船只将以一组避免碰撞距离来避免与所述至少一个其他物体的碰撞；

显示所述避免碰撞点的装置，使得所述船只将以表示给定碰撞程度的给定避免碰撞距离而避免碰撞的多个避免碰撞点以视觉可见方式与所述船只将以表示较小碰撞程度的较大避免碰撞距离而避免碰撞的其他避免碰撞点区分开；

由此，所述显示情况表示不同的潜在碰撞程度，从而根据不同的碰撞程度以方向性视图显示的方式示出所述船只的一组可用机动操作。

26.根据权利要求25所述的系统，其中，所述可视地区分的多个避免碰撞点的特征在于形成彩色的带。

27.根据权利要求25所述的系统，还包括：

重复权利要求25中限定的步骤用于其他船只和至少一个其他物体条件，由此，根据船只和至少一个其他物体条件的变化更新可用机动操作的显示范围。

28.根据权利要求27所述的系统，其中，方向性视图显示方式是单色显示方式。

29.根据权利要求27所述的系统，其中，方向性视图显示方式是彩色显示方式。

30.根据权利要求25所述的系统，还包括计算和显示从至少一个碰撞点到船只的时间和距离的数值指示的装置。

31.一种拦截物体的方法，包括，

设置用于拦截所述物体的交通工具；

对于给定交通工具和物体条件，计算多个避免碰撞点，在这些点处，所述交通工具将以一组避免碰撞距离来避免与所述物体的碰撞；

显示所述避免碰撞点，使得所述交通工具将以表示给定碰撞程度的给定避免碰撞距离而避免碰撞的多个避免碰撞点以视觉可见方式与所述交通工具将以表示较小碰撞程度的较大避免碰撞距离而避免碰撞的其他避免碰撞点区分开；

由此，所述显示方式表示不同的潜在碰撞程度，从而根据不同的碰撞程度以方向性视图显示的方式示出所述交通工具拦截所述物体所采用的一组可用机动操作。

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