CN102737525B - 一种直升机地形感知与告警系统告警包线生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直升机地形感知与告警系统告警包线生成方法，包括：S1：建立飞机无告警情况下的正常轨迹模型，并结合飞行员规避操作建立飞机告警后规避轨迹模型，将两个轨迹模型分别与一阶Markov随机地形数据作比较，判断此次飞行方针是否告警成功；S2：进行大量飞行仿真，统计作为告警系统性能指标的虚警率和告警成功率，生成SOC曲线，权衡两个指标对系统的影响选取最佳告警阈值点；S3：生成整个告警阈值包线。本发明目的在于综合考虑虚警和漏警对告警系统的影响，提供一种基于系统性能（SystemOperatingCharacteristic，SOC）曲线的HTAWS模式1和模式2告警包线生成方法，其最终生成的告警阈值包线更加合理，可有效减小虚警和漏警情况的发生。

Description

一种直升机地形感知与告警系统告警包线生成方法

技术领域

本发明涉及的是一种用于阈值选取技术领域的方法，特别涉及一种基于系统性能曲线的直升机地形感知与告警系统的包线生成方法。

背景技术

可控飞行撞地（Controlled Flight into Terrain，CFIT）事件是造成机体损毁和人员死亡事故的主要原因之一。民用直升机地形感知与告警系统（Helicopter Terrain Awareness and Warning System，HTAWS）可以根据飞机的当前状态以及前方地形提前给出报警，有效的避免可控飞行撞地，确保飞行安全。该系统主要包括六种传统告警模式和前视告警模式，能够根据过快的下降速度、地形接近率、起飞或复飞程序后过度地降低飞行高度、净空高度不足、降落时下滑道偏低和过度的倾斜角等情况为飞行员提供告警。HTAWS的设计方法一般基于适应性告警原理，即在设计告警系统时预先定义好一个合适的安全操作区域，通过检测飞行状态是否超出了安全区域来确定是否给出告警。在六种传统模式中，安全操作区域包线对应的门限值即为告警阈值，其设置方法是告警系统设计的关键问题。

对基于适应性告警原理设计的告警系统来说，通常会产生以下两种错误的告警：一种是系统发出了告警，但此次告警对于规避“事故”来说是不必要的，称为虚警；另一种是在本该发出告警的情况下，系统未告警或者未及时告警，称为漏警。虚警和漏警均会影响告警系统性能。告警阈值设置的较大虽然可以为操作人员提供足够的时间采取补救措施，有效减少漏警的发生，但是预测轨迹存在的不确定性过多，产生虚警产生的可能性也相应增大；反之，若是告警阈值设置较小，预测轨迹相对精确，可以减少虚警发生的，同时也使得因为告警不及时而发生事故的概率增大。近几年，国外生产的直升机地形感知与告警系统产品陆续推向市场，但在告警性能方面，各个产品都还有很大的提升空间。

发明内容

本发明公开了一种直升机地形感知与告警系统的包线生成方法，其目的在于综合考虑虚警和漏警对告警系统的影响，提供一种基于系统性能（SystemOperating Characteristic，SOC）曲线的HTAWS模式1和模式2告警包线生成方法，其最终生成的告警阈值包线更加合理，可有效减小虚警和漏警情况的发生。

本发明的技术方案如下：

直升机地形感知与告警系统告警包线生成方法，包括：

S1：建立飞机无告警情况下的正常轨迹模型，并结合飞行员规避操作建立飞机告警后规避轨迹模型，将两个轨迹模型分别与一阶Markov随机地形数据作比较，判断此次飞行方针是否告警成功；

S2：进行大量飞行仿真，统计作为告警系统性能指标的虚警率和告警成功率，生成SOC曲线，权衡两个指标对系统的影响选取最佳告警阈值点；

S3：生成整个告警阈值包线。

所述步骤S1进一步包括：

S11：生成一阶Markov随机地形：

一阶高斯Markov地形中，数据序列下一时刻的值y_n+1的概率密度函数仅与最近的上一时刻的值y_n有关，即

f(y_n+1|y₀,y₁,y₂,y₃…y_n-1,y_n)=f(y_n+1|y_n)         (1)

对于离散的Markov过程，则y_n+1与y_n满足以下关系

y_n+1＝e^-βy_n+ξ_n                               (2)

同时，此过程也是高斯过程，则β＝1/l₀，其中l₀为数据的相关长度；ξ_n是服从均值为0，方差为σ²(1-e^-2β)正态分布的随机变量，即

ξ_n~N(0,σ²(1-e^-2β))               (3)

调节模型参数σ²和l₀即得到各种不同的地形；

S12：建立飞机无告警情况下的正常轨迹模型；

S13：建立告警后规避轨迹模型；

S14：判断此次告警是否成功。

所述步骤S12进一步包括：

假定直升机飞行至A点时得到告警，A点处海拔高度为H₀，飞行速度为V₀，航迹角为θ₀；自A点起进行轨迹直线外推T秒，得到无告警情况下的正常轨迹；假设飞机做匀变速直线运动，速度变化率为a₁，可得任意t时刻飞机速度V(t)和海拔高度H(t)分别为

V(t)＝V₀+a₁t              (1)

$H\left(t\right)=H_0-{\∫}_0^{t}V\left(t\right)\sin {\mathrm{\θ}}_0\mathrm{dt}=H_0-{\∫}_0^t(V_0+a_{1}t)\sin {\mathrm{\θ}}_0\mathrm{dt}---\left(2\right)$

若在规定的外推时间T内任一时刻飞机均未触地，则表明A点状态下直升机安全无告警；若系统发出了告警，则为一次误告警。

所述步骤S13进一步包括：

系统产生告警后，飞行人员采取规避操作，根据模型外推T秒，考虑飞行员反应延迟，告警后规避轨迹的建模分为以下三个部分：

S131：生成反应延迟阶段轨迹

此段轨迹与无告警时正常轨迹的外推方法完全一致，其任意t时刻飞机速度V(t)和海拔高度H(t)为：

V(t)=V₀+a₁t            (3)

$H\left(t\right)=H_0-{\∫}_0^{t}V\left(t\right)\sin {\mathrm{\θ}}_0\mathrm{dt}=H_0-{\∫}_0^t(V_0+a_{1}t)\sin {\mathrm{\θ}}_0\mathrm{dt}---\left(4\right)$

设飞行员采取拉升操作时的反应延迟时间为t_delay，可求得延迟状态结束时飞机速度V₁和海拔高度H₁为：

V₁=V₀+a_lt_delay            (5)

$H_1=H_0-{\∫}_0^{t_{\mathrm{delay}}}(V_0+a_{1}t)\sin {\mathrm{\θ}}_0\mathrm{dt}---\left(6\right)$

S132：生成垂直拉升阶段轨迹

此时飞行员采取拉起操作，使得直升机旋翼旋转平面角变为α，垂直方向以a₂匀减速，合力为a₂m，方向向上；水平方向合力(g+a₂)m·tan(α)，方向与直升机运动方向相反；则此阶段内任意时间t对应的飞机海拔高度H(t)为：

$H\left(t\right)=H_1-{\∫}_0^t(V_1\sin {\mathrm{\θ}}_0-a_{2}t)\mathrm{dt}=H_1-{\∫}_0^t((V_0+a_1{t}_{\mathrm{delay}})\·\sin {\mathrm{\θ}}_0-a_{2}t)\mathrm{dt}---\left(7\right)$

垂直方向速度减为0时，拉升阶段结束，经历的时间为

t_pull＝(V₀+a₁t_delay)sinθ₀/a₂                (8)

水平速度变为

V_{2_L}=V₁cosθ₀-(g+a₂)tanα.t_pull

(9)

=(V₀+a₁t_delay)cosθ₀-(g+a₂)tanα·(V₀+a₁t_delay)sinθ₀/a₂

S133：生成水平悬停阶段轨迹

此阶段内飞机垂直方向受力平衡，速度横为0，海拔高度保持不变；水平方向合力为mg·tan(α)，方向与直升机运动方向相反；水平速度也减为0时，悬停阶段结束；此阶段内飞机水平前进的距离为

$L\left(t\right)=V_{2\_L}\·t-\frac{1}{2}\·\mathrm{mg}\tan \mathrm{\α}\·t^2---\left(10\right)$

所述步骤S14进一步包括：

在单次飞行仿真中，若正常轨迹发生触地，则判定为发生事故，无告警情况下事故发生次数加1；若告警规避轨迹发生触地，说明告警失败，告警后事故发生次数加1；反之，则认为告警成功。

所述步骤S2进一步包括：

重复步骤S11至S14，对近地飞行事件进行大量仿真，统计虚警率和告警成功率；进而得到虚警率P(FA)曲线以及告警成功率P(CD)曲线；以P(FA)和P(CD)这两个性能指标分别为横纵坐标所作SOC曲线；P(CD))-P(FA)的值为系统报警收益，通过设置合理的告警收益可获得最理想的告警阈值点。

所述步骤S3进一步包括：

更改飞机初始无线电高度值，重复步骤S1至S2，可得到不同状态下对应的最佳告警阈值点；将一组阈值点进行线性拟合，并利用飞行边界条件确定拟合斜线的上下限，得到告警阈值曲线。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明目的在于综合考虑虚警和漏警对告警系统的影响，提供一种基于系统性能（System Operating Characteristic，SOC）曲线的HTAWS模式1和模式2告警包线生成方法，其最终生成的告警阈值包线更加合理，可有效减小虚警和漏警情况的发生。

附图说明

图1为本发明具体实施例轨迹建模图；

图2为本发明具体实施例单次飞行仿真流程图；

图3（a）为本发明具体实施例模式1初始高度为500英尺时的无告警事故率和告警失败率曲线；

图3（b）为本发明具体实施例模式1初始高度为500英尺时的SOC曲线；

图3（c）为本发明具体实施例最终生成的模式1告警包线；

图4（a）为本发明具体实施例模式2初始高度为500英尺时的无告警事故率和告警失败率曲线；

图4（b）为本发明具体实施例模式2初始高度为500英尺时的SOC曲线；

图4（c）为本发明具体实施例最终生成的模式2告警包线。

具体实施方式

下方结合附图和具体实施例对本发明做进一步的描述：

一种直升机地形感知与告警系统告警包线生成方法，包括：

S1：建立飞机无告警情况下的正常轨迹模型，并结合飞行员规避操作建立飞机告警后规避轨迹模型，将两个轨迹模型分别与一阶Markov随机地形数据作比较，判断此次飞行方针是否告警成功；

S2：进行大量飞行仿真，统计作为告警系统性能指标的虚警率和告警成功率，生成SOC曲线，权衡两个指标对系统的影响选取最佳告警阈值点；

S3：生成整个告警阈值包线。

图2表示了上述生成方法的流程图表示，且其中虚线框部分表示了单次飞行仿真流程图，其对应步骤S1。其中，“大量飞行事件仿真获得统计性能指标”以及“生成SOC性能曲线”对应步骤S2。“生成告警包线”对应步骤S3。

其中，步骤S1是针对单次飞行事件模型的，其进一步包括：

S11：生成一阶Markov随机地形

一阶高斯Markov地形中，数据序列下一时刻的值y_n+1的概率密度函数仅与最近的上一时刻的值y_n有关，即

f(y_n+1|y₀,y₁,y₂,y₃…y_n-1,y_n)=f(y_n+1|y_n)        (1)

对于离散的Markov过程，则y_n+1与y_n满足以下关系

y_n+1＝e^-βy_n+ξ_n                              (2)

同时，此过程也是高斯过程，则β=1/l₀，其中l₀为数据的相关长度；ξ_n是服从均值为0，方差为σ²(1-e^-2β)正态分布的随机变量，即

ξ_n~N(0,σ²(1-e^-2β))                         (3)

调节模型参数σ²和l₀即得到各种不同的地形。

S12：建立无告警正常轨迹模型

本发明中建立的轨迹模型均为飞行剖面，不考虑横向变化。如图1，设直升机飞行至A点时得到告警，A点处航迹角为θ₀，海拔高度为H₀。图1中，实线部分为无告警正常轨迹；虚线部分为告警后规避轨迹。

对于模式1——下降率过大，需要确定的告警参数为下降率，直升机当前的飞行速度V₀为下降率与水平速度的矢量和；对于模式2——地形接近率过大，需要确定的告警参数为地形接近率，V₀为地形接近率、地形起伏变化率以及飞行水平速度三者的矢量和。

自A点起对轨迹进行匀变速直线外推T秒，得到无告警情况下的正常轨迹。假设当前速度变化率为a₁，则任意t时刻飞机速度V(t)和海拔高度H(t)分别为

V(t)=V₀+a₁t            (4)

$H\left(t\right)=H_0-{\∫}_0^{t}V\left(t\right)\sin {\mathrm{\θ}}_0\mathrm{dt}=H_0-{\∫}_0^t(V_0+a_{1}t)\sin {\mathrm{\θ}}_0\mathrm{dt}---\left(5\right)$

S13：建立告警后规避轨迹模型

系统产生告警后，飞行人员采取规避操作，根据模型进行轨迹外推，考虑飞行员反应延迟，告警后规避轨迹分为以下三个部分：

S131：生成反应延迟阶段轨迹

此段轨迹与无告警时正常轨迹的外推方法完全一致，其任意t时刻飞机速度V(t)和海拔高度H(t)为：

V(t)＝V₀+a₁t            (6)

$H\left(t\right)=H_0-{\∫}_0^{t}V\left(t\right)\sin {\mathrm{\θ}}_0\mathrm{dt}=H_0-{\∫}_0^t(V_0+a_{1}t)\sin {\mathrm{\θ}}_0\mathrm{dt}---\left(7\right)$

设飞行员采取拉升操作时的反应延迟时间为t_delay，可求得延迟状态结束时飞机速度V₁和海拔高度H₁为：

V₁=V₀+a₁t_delay         (8)

$H_1=H_0-{\∫}_0^{t_{\mathrm{delay}}}(V_0+a_{1}t)\sin {\mathrm{\θ}}_0\mathrm{dt}---\left(9\right)$

S132：生成垂直拉升阶段轨迹

此时飞行员采取拉起操作，使得直升机旋翼旋转平面角度变为α，垂直方向以a₂匀减速，合力为a₂m，方向向上；水平方向合力(g+a₂)m·tan(α)，方向与直升机运动方向相反。则此阶段内任意时间t对应的飞机海拔高度H(t)为：

$H\left(t\right)=H_1-{\∫}_0^t(V_1\sin {\mathrm{\θ}}_0-a_{2}t)\mathrm{dt}=H_1-{\∫}_0^t((V_0+a_1{t}_{\mathrm{delay}})\·\sin {\mathrm{\θ}}_0-a_{2}t)\mathrm{dt}---\left(10\right)$

垂直方向速度减为0时，拉升阶段结束，经历的时间为

t_pull＝(V₀+a₁t_delay)sinθ₀/a₂        (11)

水平速度变为

V_{2_L}=V₁cosθ₀-(g+a₂)tanα·t_pull

(12)

=(V₀+a₁t_delay)cosθ₀-(g+a₂)tanα·(V₀+a₁t_delay)sinθ₀/a₂

S133：生成水平悬停阶段轨迹

此阶段内飞机垂直方向受力平衡，速度横为0，海拔高度保持不变；水平方向合力为mg·tan(α)，方向与直升机运动方向相反。水平速度也减为0时，悬停阶段结束。此阶段内飞机水平前进的距离为

$L\left(t\right)=V_{2\_L}\·t-\frac{1}{2}\·2\mathrm{mg}\tan \mathrm{\α}\·t^2---\left(13\right)$

S14：判断告警是否成功，进一步包括：

在单次飞行仿真中，如果在规定的外推时间内，正常轨迹发生触地，则判定为发生事故，无告警情况下事故发生次数加1。若告警规避轨迹发生触地，说明告警失败，告警后事故发生次数加1；反之，则认为告警成功。

其中，步骤S2进一步包括统计系统性能指标，即：

重复步骤S11至S14，对飞行事件进行大量仿真，统计得到无告警事故率和告警失败率曲线，进而计算得虚警率P(FA)＝1-无告警事故率，告警成功率P(CD)＝1-告警失败率。

以P(FA和P(CD)这两个性能指标分别为横纵坐标所作的曲线即为SOC曲线。选取适宜的d(P(CD))/d(P(FA))值为最佳告警收益，则此处对应的告警参数即为H₀对应的最佳的告警阈值点。

其中，步骤S3进一步包括：

更改飞机初始无线电高度值，重复步骤S1至S2过程，可得到不同初始高度下对应的最佳告警阈值点。将一组阈值点进行线性拟合，并利用飞行边界条件确定拟合斜线的上下限，得到告警阈值曲线。

本发明提供了一个实例。假设飞机初始高度为500英尺，对于模式1告警，需要确定的告警参数为下降率，直升机的全向速度为下降率与水平速度的矢量和。选取下降率范围在0~3000英尺/分钟之间，根据步骤S1至S2统计得到模式1的无告警事故率和告警失败率曲线如图3（a）所示，对应的SOC曲线如图3（b）所示，最佳告警收益d(P(CD))/d(P(FA))=1时得到模式1的报警包线如图3（c）所示。

对于模式2，需要确定的告警参数为地形接近率，直升机的全向速度为地形接近率、地形起伏变化率以及飞行水平速度三者的矢量和。选取地形接近率范围在0~8000英尺/分钟之间，根据步骤S1至S2统计得到模式2的无告警事故率和告警失败率曲线如图4（a）所示，对应的SOC曲线如图4（b）所示，最佳告警收益d(P(CD))/d(P(FA))=1时得到模式2的报警包线如图4（c）所示。

实验结果表明：本发明中的方法能够得到合理有效的告警阈值包线。其最终生成的告警阈值包线更加合理，可有效减小虚警和漏警情况的发生。

本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (7)

1.一种直升机地形感知与告警系统告警包线生成方法，其特征在于，包括： 

S1：建立飞机无告警情况下的正常轨迹模型，并结合飞行员规避操作建立飞机告警后规避轨迹模型，将两个轨迹模型分别与一阶Markov随机地形数据作比较，判断此次飞行方针是否告警成功； 

S2：进行大量飞行仿真，统计作为告警系统性能指标的虚警率和告警成功率，生成SOC曲线，权衡两个指标对系统的影响选取最佳告警阈值点； 

S3：生成整个告警阈值包线。 

2.根据权利要求1所述的直升机地形感知与告警系统告警包线生成方法，其特征在于，所述步骤S1进一步包括： 

S11：生成一阶Markov随机地形： 

一阶高斯Markov地形中，数据序列下一时刻的值y_n+1的概率密度函数仅与最近的上一时刻的值y_n有关，即 

f(y_n+1|y₀,y₁,y₂,y₃…y_n-1,y_n)=f(y_n+1|y_n)   (1) 

对于离散的Markov过程，则y_n+1与y_n满足以下关系 

y_n+1=e^-βy_n+ξ_n   (2) 

同时，此过程也是高斯过程，则β=1/l₀，其中l₀为数据的相关长度；ξ_n是服从均值为0，方差为σ²(1-e^-2β)正态分布的随机变量，即 

ξ_n～N(0,σ²(1-e^-2β))   (3) 

调节模型参数σ²和l₀即得到各种不同的地形； 

S12：建立飞机无告警情况下的正常轨迹模型； 

S13：建立告警后规避轨迹模型； 

S14：判断此次告警是否成功。 

3.根据权利要求2所述的直升机地形感知与告警系统告警包线生成方法，其特征在于，所述步骤S12进一步包括： 

假定直升机飞行至A点时得到告警，A点处海拔高度为H₀，飞行速度为V₀，航迹角为θ₀；自A点起进行轨迹直线外推T秒，得到无告警情况下的正常轨迹；假设飞机做匀变速直线运动，速度变化率为a₁，可得任意t时刻飞机速度V(t)和海拔高度H(t)分别为 

V(t)=V₀+a₁t   (1) 

若在规定的外推时间T内任一时刻飞机均未触地，则表明A点状态下直升机安全无告警；若系统发出了告警，则为一次误告警。 

4.根据权利要求3所述的直升机地形感知与告警系统告警包线生成方法，其特征在于，所述步骤S13进一步包括： 

系统产生告警后，飞行人员采取规避操作，根据模型外推T秒，考虑飞行员反应延迟，告警后规避轨迹的建模分为以下三个部分： 

S131：生成反应延迟阶段轨迹 

此段轨迹与无告警时正常轨迹的外推方法完全一致，其任意t时刻飞机速度V(t)和海拔高度H(t)为： 

V(t)=V₀+a₁t   (3) 

设飞行员采取拉升操作时的反应延迟时间为t_delay，可求得延迟状态结束时飞机速度V₁和海拔高度H₁为： 

V₁=V₀+a₁t_delay   (5) 

S132：生成垂直拉升阶段轨迹 

此时飞行员采取拉起操作，使得直升机旋翼旋转平面角变为α，垂直方向 以a₂匀减速，合力为a₂m，方向向上；水平方向合力(g+a₂)m·tan(α)，方向与直升机运动方向相反；则此阶段内任意时间t₁对应的飞机海拔高度H(t₁)为： 

垂直方向速度减为0时，拉升阶段结束，经历的时间为 

t_pull=(V₀+a₁t_delay)sinθ₀/a₂   (8) 

水平速度变为 

V_{2_L}=V₁cosθ₀-(g+a₂)tanα· t_pull

=(V₀+a₁t_delay)cosθ₀-(g+a₂)tanα·(V₀+a₁t_delay)sinθ₀/a₂  (9) 

S133：生成水平悬停阶段轨迹 

此阶段内飞机垂直方向受力平衡，速度横为0，海拔高度保持不变；水平方向合力为mg·tan(α)，方向与直升机运动方向相反；水平速度也减为0时，悬停阶段结束；此阶段内飞机水平前进的距离为 

5.根据权利要求4所述的直升机地形感知与告警系统告警包线生成方法，其特征在于，所述步骤S14进一步包括： 

在单次飞行仿真中，若正常轨迹发生触地，则判定为发生事故，无告警情况下事故发生次数加1；若告警规避轨迹发生触地，说明告警失败，告警后事故发生次数加1；反之，则认为告警成功。 

6.根据权利要求5所述的直升机地形感知与告警系统告警包线生成方法，其特征在于，所述步骤S2进一步包括： 

重复步骤S11至S14，对近地飞行事件进行大量仿真，统计虚警率和告警成功率；进而得到虚警率P(FA)曲线以及告警成功率P(CD)曲线；以P(FA)和P(CD)这两个性能指标分别为横纵坐标所作SOC曲线；P(CD)-P(FA)的值为系统报警收益，通过设置合理的告警收益可获得最理想的告警阈值点。 

7.根据权利要求6所述的直升机地形感知与告警系统告警包线生成方法， 其特征在于，所述步骤S3进一步包括： 

更改飞机初始无线电高度值，重复步骤S1至S2，可得到不同状态下对应的最佳告警阈值点；将一组阈值点进行线性拟合，并利用飞行边界条件确定拟合斜线的上下限，得到告警阈值曲线。 

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