CN102831790A - 一种基于北斗的空中交通碰撞预警方法 - Google Patents

Abstract

一种基于北斗的空中交通碰撞预警方法，包含步骤一，被监控的航空器和地面监控站使用北斗的授时功能同步时钟；步骤二，被监控航空器获取自身的状态信息，并使用同步后的时钟以固定间隔向地面监控站发送状态信息；步骤三，地面监控站使用北斗系统不断接收航空器发送的状态信息，并根据状态信息进行碰撞初步筛选和碰撞时间预测，并根据预测结果进行告警。该方法实现简单，辐射小，无盲区。该方法不但可以独立进行碰撞预警，而且可以作为TCAS等碰撞预警设备的备份，是其有益补充。

Description

一种基于北斗的空中交通碰撞预警方法

技术领域

本发明涉及航空领域的一种空中交通碰撞预警方法，具体是一种使用北斗实现空中交通碰撞预警的方法。

背景技术

伴随着航空应用的迫切需求和国家对航空工业的大力支持，航空市场蓬勃发展。随着航空器的增多，特别是通用航空器的增多，空中交通管制中的空中碰撞预警变得越来越重要，虽然某些飞机配备有TCAS（Traffic Collision Avoidance System，交通防撞系统）系统，TCAS设备通过与周围飞机的TCAS设备进行通信和协调进行碰撞预警，但TCAS系统仍有不足，例如作用距离短、辐射大等，此外载人较少的通用航空器，由于承载的人员较少，通常不强制安装TCAS系统，于是安装有TCAS设备的航空器无法对未安装TCAS的航空器进行碰撞预警。此外TCAS的作用距离有限，通常为几十公里。目前基于ADS-B（Automatic Dependent SurveillanceBroadcast广播式自动相关监视）碰撞预警方法也大量使用，航空器通过不断接收其他飞机通过ADS-B发送来的信息来判断与其他飞机的碰撞可能，但是同TCAS一样，需要航空器必须装有ADS-B设备，且ADS-B辐射大。因此，对于通用航空领域的小型飞机，TCAS和ADS-B设备的诸多局限，因此并不适用。

空中交通管制使用的各种雷达也可以用来进行空中交通碰撞的预警，但雷达的作用距离有限，在未部署雷达的区域则无法进行预警。特别是通航飞机，由于其执行任务的特殊性，经常在无雷达监视区域飞行，因此通航飞机在无雷达监管区域内的空中交通碰撞预警问题更为突出。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于一种基于北斗的空中交通碰撞预警方法。本发明实现简单，功耗小，无盲区。该方法不但可以独立进行碰撞预警，而且可以作为TCAS等碰撞预警设备的备份，是其有益补充。

本发明的发明目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于北斗的空中交通碰撞预警方法，包括如下步骤：

步骤一，被监控的航空器和地面监控站使用北斗的授时功能同步时钟；

步骤一中所述的北斗的授时功，是北斗系统具有的功能，利用该功能可以使各种系统的时钟同步。

步骤二，被监控航空器获取自身的状态信息，并使用同步后的时钟以固定间隔向地面监控站发送状态信息。

步骤二中所述的状态信息主要包括航空器身份识别码、速度、位置、高度、发送状态信息时的时间等。

步骤二中所述的获取自身状态信息的方法包括利用北斗定位功能获取的位置，以及从位置估算出的速度、加速度、航向角等信息的方法；也包括利用GPS或航空器自身惯性导航设备以及GPS与惯性导航相结合估算自身状态信息的方法。

步骤三，地面监控站使用北斗系统不断接收航空器发送的状态信息，并根据状态信息进行碰撞初步筛选和碰撞时间预测，并根据预测结果进行告警。

本方法基于北斗系统利用线性外推得方法进行空中交通碰撞预警，即假设航空器以当前速度匀速运动对航空器未来的运行轨迹进行预测。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：克服了在某些缺乏雷达监管的地区无法进行空中碰撞预警的难题；该方法实现简单，功耗小，无盲区。该方法不但可以独立进行碰撞预警，而且可以作为TCAS等碰撞预警设备的备份，是其有益补充。

基于北斗系统的特点，利用北斗系统的授时功能同步时钟，利用北斗系统的定位功能、数据传输功能，以及同步后的时钟，同步发送航空器的位置、速度等状态信息给地面站，地面站利用这些信息通过线性外推的方法估计可能的碰撞，并给出预警。

附图说明

图1为本发明碰撞初步筛选和碰撞时间预测流程图

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

一种基于北斗的空中交通碰撞预警方法，包括如下步骤:

步骤一，被监控的航空器和地面监控站使用北斗的授时功能同步时钟；

北斗系统具有授时功能的功能，只需将地面监控站的时钟和被监管航空器的碰撞预警系统的时钟与北斗系统的时钟进行同步即可。

步骤二，被监控航空器获取自身的状态信息，并使用同步后的时钟以固定间隔向地面监控站发送状态信息。

被监控的航空器获取当前航空器的状态信息，状态信息主要包括航空器身份识别码、速度、位置、高度、发送状态信息时的时间等。

获取自身状态信息的方法包括利用北斗定位功能获取的位置，以及从位置估算出的速度、加速度、航向角等信息的方法；也包括利用GPS或航空器自身惯性导航设备以及GPS与惯性导航相结合估算自身状态信息的方法。

北斗系统的用户发送数据有周期的限制，不同级别的用户其发送周期不尽相同，有的用户发送权限为每分钟发送一次数据，有的为15秒甚至5秒发送一次。这里设所有的被监控航空器的使用的北斗设备的发送权限为每T₀秒（这里T₀能够被60整除，且T₀为各被监控航空器机载北斗设备发送周期的最小公倍数）发送一次数据。例如，若被监控的航空器所搭载的北斗设备发送周期有30秒和15秒两种，则取T₀=30秒。

在步骤一同步时钟完成后，被监控的航空器从每分钟的0秒开始间隔T₀秒不断地向地面监控站发送状态信息。

步骤三，地面监控站使用北斗系统不断接收航空器发送的状态信息，并根据状态信息进行碰撞初步筛选和碰撞时间预测，并根据预测结果进行告警。

在地面监控站在每分钟的0时刻开始，每间隔T₀秒接收所有被监控航空器发送的状态信息。在接收到状态信息后进行碰撞预测，如图1所示，碰撞预测包括以下步骤：

（1）．接收被监控航空器的状态信息。地面监控站在每分钟的0时刻开始，每间隔T₀秒接收所有被监控航空器发送的状态信息，考虑到北斗通信有可能受到干扰，地面站在接收状态信息时适当进行延时，超过延时即认为本次接收完成，随即转到步骤（2），这里的延时设置为5秒，延时的最大值不能超过T_A（预测时间门限）。

状态信息包括航空器身份识别码、速度、位置、高度等。

（2）.碰撞初步筛选。从接收到的状态信息中任选两个发送时间相同且没有进行碰撞预测的航空器信息，若没有找到满足条件的航空器则转到步骤（1）。

记这两个航空器为A和B。航空器A和B的经纬度分别为（J₁，W₁）和（J₂，W₂），其中J为经度，W为纬度，东经取正，西经取负，北纬取正，南纬取负；高度分别为Z₁和Z₂；速度为（V_x1，V_y1，V_z1）和（V_x2，V_y2，V_z2），这里航空器的速度以航空器所在位置为原点建立的北东地坐标系为参照坐标系（X轴指向北，Y轴指向东，Z轴指向地），其中V_x，V_y，V_z分别为速度在X，Y，Z轴的分量。

首先估计航空器A和B间的水平距离。以航空器A的位置为原点建立局部北东地坐标系，该坐标系X轴指向北，Y轴指向东，Z轴指向地心，则B在该坐标系下的坐标为

$\left(\begin{array}{c}{X}_B\\ Y_B\\ Z_B\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}-\sin \left(W_2\right)\cos \left(J_2\right)& -\sin \left(W_2\right)\sin \left(J_2\right)& \cos \left(W_2\right)\\ -\sin \left(J_2\right)& \cos \left(J_2\right)& 0\\ -\cos \left(W_2\right)\cos \left(J_2\right)& \cos \left(W_2\right)\cos \left(J_2\right)& -\sin \left(W_2\right)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{X}_B^{\′}-a^{\′}\\ Y_B^{\′}-b^{\′}\\ Z_B^{\′}-z_{A^{\′}}\end{array}\right)$

其中X_B、Y_B、Z_B分别为B在A的局部东北地坐标系下的坐标，X′_B、Y′_B、Z′_B为B在地心地固坐标系（ECEF）下的坐标，(a′,b′,z_A′)为A点在ECEF下的坐标。由经度、维度和高度转换为ECEF坐标的方法如下：

$\left(\begin{array}{c}{X}^{\′}\\ Y^{\′}\\ Z^{\′}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}(N+H)\cos \left(\mathrm{\α}\right)\cos \left(\mathrm{\β}\right)\\ (N+H)\cos \left(\mathrm{\α}\right)\sin \left(\mathrm{\β}\right)\\ \left[(T^2/S^2)(N+H)\right]\sin \left(\mathrm{\α}\right)\end{array}\right)$

$N=\frac{2S^2}{S^2\cos \left(2\mathrm{\α}\right)+T^2\sin \left(2\mathrm{\β}\right)}$

其中，X′、Y′、Z′为ECEF下的坐标，ECEF坐标系中Z轴方向为真北方向，α，β，H分别为待转换点的纬度、经度和高度，S、T分别为椭球横半轴和纵半轴的长度，如采用的是WGS84坐标系，则S、T分比为6378137和6356752.3142。记A和B间水平方向上位移向量

A和B间的水平方向上速度差向量则A和B间水平方向的距离为

$d=\left|\stackrel{r}{S}\right|=\sqrt{X_B^2+Y_B^2}$

记高度差门限为Z_T

Z_T＝T_A(|V_VmaxA|+|V_VmaxB|)+A_step

记水平距离门限为R_T

R_T＝T_A(|V_HmaxA|+|V_HmaxA|)+R_step

其中,T_A为预测时间门限，即预测当前时刻到未来T_A时刻这段时间段内航空器的碰撞情况，这里取T_A=2T₀；V_VmaxA和V_VmaxB分别为航空器A和B的垂直爬升或下降速度的最大值；V_GmaxA和V_HmaxB分别为航空器A和B水平最大速度；A_step为航空器间垂直安全间隔距离，R_step航空器间水平安全间隔距离，A_step和R_step的取值将在步骤（3）和步骤（4）中进行详细叙述。航空器A和B的水平和垂直最大速度是通过航空器的身份识别码查询航空器的机型来决定。

若|Z₁-Z₂|>Z_T且d>R_T，则A和B在当前时刻至未来T_A时刻这段时间内没有碰撞可能，重新执行（2）。

若|Z₁-Z₂|<Z_T且d<R_T，则A和B在当前时刻至未来T_A时刻这段时间内有碰撞可能，转到步骤（3）。

（3）.进行垂直方向碰撞时间的预测。

记 $t_{V1}=-\frac{Z_2-Z_1}{V_{Z2}-V_{Z1}}-\frac{A_{\mathrm{step}}}{|V_{Z2}-V_{Z1}|}$

$t_{V2}=-\frac{Z_2-Z_1}{V_{Z2}-V_{Z1}}+\frac{A_{\mathrm{step}}}{|V_{Z2}-V_{Z1}|}$

若(Z₂-Z₁)(V_Z2-V_Z1)>0则A_step=91，否则A_step＝|V_z1-V_z2|T_A+91，单位为米。

若|Z₁-Z₂|<A_step，则表明两航空器垂直方向上已经过于接近，令t_V1=0，转到步骤（4）进行水平方向上的预测。

若0<t_V1<T_A，表明在未来t_V1时刻到T_A时刻内，两航空器垂直方向上距离可能过于接近，转到步骤（4）进行水平方向上的预测，否则转到步骤（2）

（4）.进行水平方向碰撞时间的预测。

记航空器A与B的最接近点为M，则A到M的距离为M_c，则有

$M_c=\sqrt{{\left|\stackrel{r}{S}\right|}^2-{\left(\frac{\stackrel{r}{V}g\stackrel{r}{S}}{\left|\stackrel{r}{V}\right|}\right)}^2}$

其中

为向量的内积。

若则否则R_step＝161，单位为米。

记

$t_{H1}=\frac{\sqrt{d^2-M_c^2}}{\left|\stackrel{r}{V}\right|}-\frac{\sqrt{{R_C}^2-M_c^2}}{\left|\stackrel{r}{V}\right|}$

$t_{H2}=\frac{\sqrt{d^2-M_c^2}}{\left|\stackrel{r}{V}\right|}+\frac{\sqrt{{R_C}^2-M_c^2}}{\left|\stackrel{r}{V}\right|}$

若d＜R_C，则令t_H1=0，转到（5）

若

且M_c＜R_C，转到（5），否则转到步骤（2）

若

那么航空器B远离航空器A，则A与B不会发生碰撞，转到步骤（2）。

（5）碰撞时间综合预测并给出告警。

记t₁＝max(t_V1,t_H1)，其中max(a,b)为取a,b中较大值的运算。记t₂＝min(t_V2,t_H2)，其中min(a,b)为取a,b中较小值的运算。若t₂＜T_A，则在未来t₁到t₂时刻航空器A和B有可能发生碰撞，给出碰撞告警信息，否则转到步骤（2）。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本方法基于北斗系统利用线性外推得方法进行空中交通碰撞预警，克服了在某些缺乏雷达监管的地区无法进行空中碰撞预警的难题；该方法实现简单，辐射小，无盲区。该方法不但可以独立进行碰撞预警，而且可以作为TCAS等碰撞预警设备的备份，是其有益补充。

Claims (6)

1.一种基于北斗的空中交通碰撞预警方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，被监控的航空器和地面监控站使用北斗的授时功能同步时钟；

步骤二，被监控航空器获取自身的状态信息，并使用同步后的时钟以固定间隔向地面监控站发送状态信息，所述的状态信息包括航空器身份识别码、速度、位置、高度、发送状态信息时的时间；

步骤三，地面监控站使用北斗系统不断接收航空器发送的状态信息，并根据状态信息进行碰撞初步筛选和碰撞时间预测，并根据预测结果进行告警。

2.根据权利要求1所述的一种基于北斗的空中交通碰撞预警方法，其特征是,步骤一中所述的北斗的授时功可以使各种系统的时钟同步。

3.根据权利要求1所述的一种基于北斗的空中交通碰撞预警方法，其特征是,步骤二中所述的获取自身状态信息的方法为利用北斗定位功能获取的位置，以及从位置估算出的速度、加速度、航向角信息的方法。

4.根据权利要求1所述的一种基于北斗的空中交通碰撞预警方法，其特征是,步骤二中所述的获取自身状态信息的方法为利用GPS或航空器自身惯性导航设备以及GPS与惯性导航相结合估算自身状态信息的方法。

5.根据权利要求1所述的一种基于北斗的空中交通碰撞预警方法，其特征是，步骤三中所述的碰撞时间预测过程，使用了根据两航空器相对速度动态调整的垂直安全间隔距离和水平安全间隔距离。

6.根据权利要求1所述的一种基于北斗的空中交通碰撞预警方法，其特征是，步骤三中所述的碰撞时间预测过程，使用线性外推法，假设航空器以当前速度匀速运动对航空器未来的运行轨迹进行预测。

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