CN102184646B - 一种空中目标的冲突检测方法 - Google Patents

一种空中目标的冲突检测方法 Download PDF

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CN102184646B CN 201110120282 CN201110120282A CN102184646B CN 102184646 B CN102184646 B CN 102184646B CN 201110120282 CN201110120282 CN 201110120282 CN 201110120282 A CN201110120282 A CN 201110120282A CN 102184646 B CN102184646 B CN 102184646B
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Abstract

本发明涉及空中交通安全的冲突检测技术，本发明公开了一种空中目标的冲突检测方法，其具体方法如下：在本机周围设置保护区域，所述保护区域为圆柱体，本机内设置冲突检测模块，所述冲突检测模块检测是否有目标飞机进入或将进入本机保护区域，如果目标飞机进入或将进入本机保护区域，报警模块启动，发出报警信号，其中目标飞机将进入本机保护区域的阀值时间为T。通过使用检测模块检测是否有目标飞机进入或将进入本机保护区域，使得飞行员较早获知飞机发生的冲突和碰撞的可能性，及时调整飞行方案，避免冲突发生。

Description

一种空中目标的冲突检测方法
技术领域
本发明涉及空中交通安全的冲突检测技术，属于空中交通管制领域，尤其涉及一种空中目标的冲突检测方法。 
背景技术
ADS（Automatic Dependent Surveillance自动相关监视）是ICAO（国际民用航空组织）在新航行系统中所推荐的一种新兴的监视技术。所谓自动相关监视系统，是指记载导航系统获得的导航信息，通过卫星数据链或甚高频空－地/空－空数据链，自动实时地发送到空中接收和处理系统，经过接收处理将周边空域交通态势信息提交飞行员感知。ADS-B是以广播的方式对外发送自动相关监视信息。
随着ADS-B技术在民航、通航和军航领域的发展和逐渐应用，极大地提高了空域允许容纳的飞行器数量，提高空域密度和使用效率。但是，随之而来的安全问题也逐渐突出，为了提高安全性能，增强飞行灵活性，以及满足日益增长的航空产业需要的系统运能，需要一种对空中ADS-B目标飞行冲突和碰撞可能性的定量计算方法，从而获知其它飞机目标对本机的威胁程度、冲突时间等信息。
而现有技术中并没有一种有效的对空中目标冲突的检测方法，导致飞行员难以获知飞机发生的冲突和碰撞的可能性。
发明内容
针对现有技术中存在的没有一种有效的对空中目标冲突的检测方法，导致飞行员难以获知飞机发生的冲突和碰撞的可能性，因此有必要提供一种空中目标的冲突监测方法。
本发明公开了一种空中目标的冲突监测方法，其具体方法如下：在本机周围设置保护区域，所述保护区域为圆柱体，本机内设置冲突检测模块，所述冲突检测模块检测是否有目标飞机进入或将进入本机保护区域，如果目标飞机进入或将进入本机保护区域，报警模块启动，发出报警信号，其中目标飞机将进入本机保护区域的阀值时间为T。
上述突检测模块的检测方法具体为：当目标飞机和本机相对垂直速度为0时，冲突产生的条件为目标飞机垂直方向上已处于本机保护区：                                                
Figure 975091DEST_PATH_IMAGE001
，且目标飞机水平方向上将进入本机保护区： 
Figure 663561DEST_PATH_IMAGE002
<T且> 0；
其中：
Figure 279536DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 435711DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 295082DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 966235DEST_PATH_IMAGE007
，， 
Figure 9463DEST_PATH_IMAGE009
，， 
Figure 198185DEST_PATH_IMAGE011
为本机位置，
Figure 972106DEST_PATH_IMAGE012
为本机速度，
Figure 165190DEST_PATH_IMAGE013
为目标飞机位置，为目标飞机速度；
Figure 684213DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 341720DEST_PATH_IMAGE013
、
Figure 389311DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 761386DEST_PATH_IMAGE014
均为三维分量，D为保护区域底面半径，H为保护区域垂直半高，
Figure 628848DEST_PATH_IMAGE015
为本机和目标飞机的垂直高度差。
上述突检测模块的检测方法具体为：当目标飞机和本机相对垂直速度不为0，冲突产生的条件为目标飞机垂直方向及水平方向将进入本机保护区：
Figure 744571DEST_PATH_IMAGE016
< T、
Figure 646668DEST_PATH_IMAGE003
> 0、
Figure 189645DEST_PATH_IMAGE017
<T、 
Figure 809982DEST_PATH_IMAGE018
>0，
Figure 463818DEST_PATH_IMAGE002
<
Figure 423683DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 137561DEST_PATH_IMAGE017
<
Figure 979616DEST_PATH_IMAGE003
；
其中：
Figure 437142DEST_PATH_IMAGE017
为目标飞机垂直方向进入本机保护区的时间，
Figure 313831DEST_PATH_IMAGE018
目标飞机垂直方向离开保护区的时间，
Figure 198610DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 527960DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 789177DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 526232DEST_PATH_IMAGE005
，，
Figure 336242DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 401150DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 986853DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 213435DEST_PATH_IMAGE010
，为本机位置，
Figure 120397DEST_PATH_IMAGE012
为本机速度，
Figure 560605DEST_PATH_IMAGE013
为目标飞机位置，为目标飞机速度，
Figure 749327DEST_PATH_IMAGE021
为本机和目标飞机相对垂直速度；
Figure 156038DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 450753DEST_PATH_IMAGE013
、
Figure 284716DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 235355DEST_PATH_IMAGE014
均为三维分量，D为保护区域底面半径，H为保护区域垂直半高，
Figure 180177DEST_PATH_IMAGE015
为本机和目标飞机的垂直高度差。
优选地，上述圆柱体的保护区域底面半径D为5海里，垂直半高H为500英尺。
优选地，上述冲突检测方法还进一步包括计算产生冲突的时间，当目标飞机在垂直方向位于本机保护区内，且当水平方向进入保护区时，冲突时间等于水平方向进入保护区的时间 ：
Figure 594978DEST_PATH_IMAGE022
=；当目标飞机在水平方向位于本机保护区，且当垂直方向进入保护区时，冲突时间等于垂直方向进入保护区的时间：
Figure 94235DEST_PATH_IMAGE022
=
Figure 842748DEST_PATH_IMAGE017
；当垂直方向和水平方向都进入保护区时，冲突时间等于水平、垂直方向均位于保护区的时间，即
Figure 112056DEST_PATH_IMAGE017
或
Figure 287822DEST_PATH_IMAGE002
的最大值。
优选地，上述冲突检测方法还进一步包括计算产生冲突的位置：根据本机的三维坐标位置（
Figure 275370DEST_PATH_IMAGE023
，
Figure 561995DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure 889071DEST_PATH_IMAGE025
）和x、y、z轴方向的速度（，
Figure 445003DEST_PATH_IMAGE027
，
Figure 535319DEST_PATH_IMAGE028
），可得冲突位置：
Figure 779218DEST_PATH_IMAGE029
。
本发明的有益效果为：通过使用检测模块检测是否有目标飞机进入或将进入本机保护区域，使得飞行员较早获知飞机发生的冲突和碰撞的可能性，及时调整飞行方案，避免冲突发生。
附图说明
图1为本发明的冲突检测方法的流程。
图2为本发明的3级冲突检测方法流程。
具体实施方式
下面结合说明书附图详细描述本发明的具体实施方式。
本发明公开了一种空中目标的冲突检测方法，其具体方法如下：在本机周围设置保护区域，所述保护区域为圆柱体，本机内设置冲突检测模块，所述冲突检测模块检测是否有目标飞机进入或将进入本机保护区域，如果目标飞机进入或将进入本机保护区域，报警模块启动，发出报警信号，其中目标飞机将进入本机保护区域的阀值时间为T。通过使用检测模块检测是否有目标飞机进入或将进入本机保护区域，使得飞行员较早获知飞机发生的冲突和碰撞的可能性，及时调整飞行方案，避免冲突发生。
上述检测模块的具体检测方法为：当目标飞机和本机相对垂直速度为0时，冲突产生的条件为目标飞机垂直方向上已处于本机保护区：
Figure 296787DEST_PATH_IMAGE001
，且目标飞机水平方向上将进入本机保护区： 
Figure 993348DEST_PATH_IMAGE002
<T且
Figure 621775DEST_PATH_IMAGE003
> 0；
其中：
Figure 985760DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 674231DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 858087DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 296065DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 514557DEST_PATH_IMAGE008
， 
Figure 373928DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 45081DEST_PATH_IMAGE010
， 
Figure 952994DEST_PATH_IMAGE011
为本机位置，
Figure 25993DEST_PATH_IMAGE012
为本机速度，为目标飞机位置，为目标飞机速度；
Figure 988635DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 916140DEST_PATH_IMAGE013
、、
Figure 763059DEST_PATH_IMAGE014
均为三维分量，D为保护区域底面半径，H为保护区域垂直半高，为本机和目标飞机的垂直高度差。
冲突检测的建模使用以下概念：本机位置
Figure 122682DEST_PATH_IMAGE011
，本机速度，目标飞机位置
Figure 565482DEST_PATH_IMAGE013
，目标飞机速度
Figure 681206DEST_PATH_IMAGE014
，均为三维分量，如 。利用相对的系统概念，以本机为参考原点，目标飞机和本机两机相对位置为,相对速度为
Figure 764195DEST_PATH_IMAGE010
。目标飞机处于坐标s，并以相对速度v向原点移动。飞行安全保护区域是水平半径D和垂直半高H的圆柱体，告警时间阀值为T。当垂直速度为0时，冲突产生条件为垂直方向上已处于保护区内，即
Figure 418030DEST_PATH_IMAGE001
，且水平方向上将进入保护区，即
Figure 174633DEST_PATH_IMAGE031
  式(1) 
由式（1）可得 
Figure 154091DEST_PATH_IMAGE032
    式（2）
式（2）中是一个关于t 的一元二次方程，其它量都为已知量或可测量。设
解该方程可得
Figure 453671DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 330360DEST_PATH_IMAGE005
 式（3）
Figure 215139DEST_PATH_IMAGE002
为目标飞机水平方向进入本机保护区的时间，单位为秒，表示
Figure 544489DEST_PATH_IMAGE002
秒后目标飞机将进入本机保护区；当该值为负时表示目标飞机已经处于本机的保护区内，且进入时间为
Figure 805707DEST_PATH_IMAGE002
秒（指以当前速度推测︳
Figure 536902DEST_PATH_IMAGE002
︳秒前目标飞机会进入本机保护区。
Figure 530266DEST_PATH_IMAGE003
为目标飞机水平方向离开本机保护区的时间；当该值为负时表示目标飞机已经离开本机保护区，且离开时间为
Figure 346912DEST_PATH_IMAGE003
秒（指以当前速度推测︳︳前目标飞机会离开本机保护区。
检测方法的目的是检测未来T秒内是否存在冲突（即进入对方保护区）。因此冲突条件需满足
Figure 731943DEST_PATH_IMAGE002
< T和
Figure 224104DEST_PATH_IMAGE003
> 0。
Figure 533906DEST_PATH_IMAGE002
> T表示报警时间阀值内飞机未进入对方保护区，
Figure 871346DEST_PATH_IMAGE003
< 0表示飞机已经离开保护区。
上述检测模块的具体检测方法为：目标飞机和本机相对垂直速度不为0，冲突产生的条件为目标飞机垂直方向及水平方向将进入本机保护区：
Figure 577134DEST_PATH_IMAGE016
< T、
Figure 974618DEST_PATH_IMAGE003
> 0、<T、 >0，
Figure 404965DEST_PATH_IMAGE002
<
Figure 238929DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 251884DEST_PATH_IMAGE017
<
Figure 196706DEST_PATH_IMAGE003
；
其中：为目标飞机垂直方向进入本机保护区的时间，
Figure 616372DEST_PATH_IMAGE018
目标飞机垂直方向离开保护区的时间，
Figure 54307DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 537241DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 72127DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 247894DEST_PATH_IMAGE005
，，
Figure 522066DEST_PATH_IMAGE007
，，
Figure 924371DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 399215DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 489531DEST_PATH_IMAGE011
为本机位置，
Figure 733430DEST_PATH_IMAGE012
为本机速度，
Figure 985420DEST_PATH_IMAGE013
为目标飞机位置，
Figure 885243DEST_PATH_IMAGE014
为目标飞机速度，
Figure 513670DEST_PATH_IMAGE021
为本机和目标飞机相对垂直速度；
Figure 877656DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 300547DEST_PATH_IMAGE013
、
Figure 749983DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 182101DEST_PATH_IMAGE014
均为三维分量，D为保护区域底面半径，H为保护区域垂直半高，
Figure 135014DEST_PATH_IMAGE015
为本机和目标飞机的垂直高度差。(其中sign函数为符号函数，自变量为正值时，sign函数值为1，自变量为负值时，sign函数值为0)。
在目标飞机和本机垂直速度不为0时，需要同时考虑水平方向和垂直方向进入保护区的时间。垂直方向进入保护区的时间为，离开时间为
Figure 665538DEST_PATH_IMAGE018
：
Figure 901347DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 974345DEST_PATH_IMAGE020
        式（4）
因为垂直半高H>0,所以
Figure 942301DEST_PATH_IMAGE017
<
Figure 100750DEST_PATH_IMAGE018
,即垂直方向进入保护区的时间总是小于离开时间。特殊情况下，两机的水平速度和方向相同，水平相对速度为0，即
Figure 880531DEST_PATH_IMAGE034
=0，
Figure 808035DEST_PATH_IMAGE035
=0，此时产生冲突条件为水平方向已进入保护区，即
Figure 9210DEST_PATH_IMAGE036
<,且垂直方向进入保护区满足
Figure 966987DEST_PATH_IMAGE017
<T,>0。
因此，垂直速度不为0时产生冲突的条件为：目标在垂直和水平方向均将进入保护区，且某个时间段水平与垂直方向同时位于保护区内。即水平进入保护区时间
Figure 386653DEST_PATH_IMAGE016
< T、水平离开保护区时间
Figure 519694DEST_PATH_IMAGE003
> 0、垂直进入保护区时间
Figure 635418DEST_PATH_IMAGE017
<T、 垂直离开保护区时间
Figure 475198DEST_PATH_IMAGE018
>0，
Figure 18175DEST_PATH_IMAGE002
<，
Figure 292347DEST_PATH_IMAGE017
<（表示目标飞机在本机水平和垂直冲突区内同时有一个时间段存在）。检测方法的流程如图1所示，其中判别式
Figure 762828DEST_PATH_IMAGE038
。
优选地，上述圆柱体的保护区域底面半径D为5海里，垂直半高H为500英尺。此处如此设置保护区域可以让空间域比较宽广，让系统有充裕的时间检测到冲突；并在解决冲突过程中有冲突的时间处理；在解决冲突时可以让解决冲突的动作较小，改变的速度和角度较小，便于冲突解决操作。
上述保护区域是以飞机为中心点，包含水平安全间距和垂直安全间距的柱状区域。水平方向是以本机为中心，水平安全间距为半径的圆，是目标从水平方向与本机威胁的判断依据；垂直方向安全间距通过与高度差比较判断目标与本机在垂直方向的冲突。基于该原则，我们为飞机建立两个保护区域：间隔保护区PAZ（Protected Airspace Zone）和冲突避免区CAZ（Collision Avoidance Zone）。当目标飞机侵入不同区域即产生不同级别的告警。
所述保护区域根据保护区域的范围设置3级告警的机制：以目标飞机侵入本机CAZ区产生CAZ告警（最高告警级别），此时目标对本机威胁极为严重；侵入PAZ区产生PAZ告警；以及低级别告警。冲突检测的实现是根据当前和未来告警时间内，计算目标飞机与本机不同保护区域的相对位置，判断得到3级告警（PAZ告警、CAZ告警和低级别告警）。保护区域范围和告警级别的设置如表1和表2所示。
表1 保护区的区域值
保护区域 水平半径 垂直半高
PAZ 5海里 500英尺
CAZ 0.15海里 300英尺
表2 告警级别
报警级别 何时发出告警 告警时间
低级别报警 进入PAZ区域前发生 大于300秒
PAZ报警 如果不及时采取行动PAZ入侵将发生 300秒
CAZ报警 如果不及时采取行动CAZ入侵将发生 60秒
本发明所述的冲突检测实现方法实现3级冲突检测，按照表1和表2的门限设定，目标在60秒内侵入CAZ保护区时触发CAZ告警；在300秒内进入PAZ保护区时触发PAZ告警；提供大于300秒的低级别告警。
在冲突检测实现方式上，3级冲突检测方法流程如图2所示。由于低级别和PAZ告警均为对PAZ区域的入侵检测，因此将冲突判决一并实现，有效减少计算量，提高了检测方法效率。CAZ告警的检测优先级较高,其产生必然同时存在PAZ告警，因此判决CAZ告警是检测到PAZ告警后的进一步判决，检测方法与PAZ告警的判决方式一致，仅保护区范围和时间等参数不同。
优选地，上述冲突检测方法还进一步包括当检测到存在冲突时，计算产生冲突的时间。当目标飞机在垂直方向位于本机保护区内，且当水平方向进入保护区时，冲突时间等于水平方向进入保护区的时间 ：
Figure 808145DEST_PATH_IMAGE022
=
Figure 265671DEST_PATH_IMAGE002
；当目标飞机在水平方向位于本机保护区，且当垂直方向进入保护区时，冲突时间等于垂直方向进入保护区的时间，
Figure 876781DEST_PATH_IMAGE022
=
Figure 44718DEST_PATH_IMAGE017
；当垂直方向和水平方向都进入保护区时，冲突时间等于水平、垂直方向均位于保护区的时间，即或
Figure 635285DEST_PATH_IMAGE002
的最大值。
优选地，上述冲突检测方法还进一步包括当检测到存在冲突时，计算产生冲突的位置。根据冲突告警的时间，本机的三维坐标位置（
Figure 359844DEST_PATH_IMAGE023
，
Figure 176491DEST_PATH_IMAGE024
，）和x、y、z轴方向的速度（，
Figure 53683DEST_PATH_IMAGE027
，），可得冲突位置：
Figure 632749DEST_PATH_IMAGE029
。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种空中目标的冲突检测方法，其具体方法如下：在本机周围设置保护区域，所述保护区域为圆柱体，本机内设置冲突检测模块，所述冲突检测模块检测是否有目标飞机进入或将进入本机保护区域，如果目标飞机进入或将进入本机保护区域，报警模块启动，发出报警信号，其中目标飞机将进入本机保护区域的阀值时间为T；
所述冲突检测模块的检测方法为：当目标飞机和本机相对垂直速度为0时，冲突产生的条件为目标飞机垂直方向上已处于本机保护区：-H＜sz＜H，且目标飞机水平方向上将进入本机保护区：t-<T且t+>0；
其中： t - = - b - b 2 - 4 ac 2 a , t + = - b + b 2 - 4 ac 2 a , a=v2，b=2(s·v)，c＝s2-D2，s=s0-s1，v＝v0-v1，s0为本机位置，v0为本机速度，s1为目标飞机位置，v1为目标飞机速度；s0、s1、v0、v1均为三维分量，D为保护区域底面半径，H为保护区域垂直半高，sz为本机和目标飞机的垂直高度差。
2.如权利要求1所述的冲突检测方法，其特征在于所述冲突检测模块的检测方法为：当目标飞机和本机相对垂直速度不为0，冲突产生的条件为目标飞机垂直方向及水平方向将进入本机保护区：t-<T、t+>0、tentry<T、texit>0，t-<texit，tentry<t+；
其中：tentry为目标飞机垂直方向进入本机保护区的时间，texit目标飞机垂直方向离开保护区的时间， t entry = - sign ( v z ) H - s z v z , t exit = sign ( v z ) H - s z v z , t - = - b - b 2 - 4 ac 2 a , t + = - b + b 2 - 4 ac 2 a , a=v2，b=2(s·v)，c＝s2-D2，s=s0-s1，v＝v0-v1，s0为本机位置，v0为本机速度，s1为目标飞机位置，v1为目标飞机速度，vz为本机和目标飞机相对垂直速度；s0、s1、v0、v1均为三维分量，D为保护区域底面半径，H为保护区域垂直半高，sz为本机和目标飞机的垂直高度差。
3.如权利要求1或2所述的冲突检测方法，其特征在于所述圆柱体的保护区域底面半径D为5海里，垂直半高H为500英尺。
4.如权利要求2所述的冲突检测方法，其特征在于所述冲突检测方法还进一步包括计算产生冲突的时间，当目标飞机在垂直方向位于本机保护区内，且当水平方向进入保护区时，冲突时间等于水平方向进入保护区的时间：tcf=t-；当目标飞机在水平方向位于本机保护区，且当垂直方向进入保护区时，冲突时间等于垂直方向进入保护区的时间：tcf=tentry；当垂直方向和水平方向都进入保护区时，冲突时间等于水平、垂直方向均位于保护区的时间，即tentry或t-的最大值。
5.如权利要求4所述的冲突检测方法，其特征在于所述冲突检测方法还进一步包括计算产生冲突的位置：根据本机的三维坐标位置（s0x，s0y，s0z）和x、y、z轴方向的速度（v0x，v0y，v0z），可得冲突位置：
xcf＝s0x+v0x×tcf
ycf＝s0y+v0y×tcf。
zcf＝d0z+v0z×tcf
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