CN103337199B - 一种适用于机载防撞系统的多维机动防撞方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于机载防撞系统的多维机动防撞方法，属于空中交通安全技术领域。包括：监视和跟踪本机和目标飞机；采用基于包围体的保护区模型进行飞行冲突探测；采用实时碰撞检测方法进行碰撞威胁探测；使用四维时空机动防撞模型计算和评估解脱建议RA的方式和强度；进行解脱建议RA的协调与决策；显示和发布交通建议TA和解脱建议RA；对本机采取机动防撞措施后的碰撞解脱效果进行全程监视；解除交通建议TA和解脱建议RA。本发明改善了现有机载防撞系统TCASⅡ只能提供垂直方向爬升/下降两种解脱建议的局限性，使得机载防撞系统可以提供六种解脱建议（垂直方向爬升/下降、水平方向加速/减速或者左转/右转），具有更加灵活和有效的优势。

Description

一种适用于机载防撞系统的多维机动防撞方法

技术领域

本发明属于空中交通安全技术领域，涉及机载防撞系统，尤其是一种适用于机载防撞系统的多维机动防撞方法。

背景技术

1981年美国联邦航空局(FAA)提出并着手研制“空中交通告警和防撞系统”(Traffic Alertand Collision Avoidance System，简称TCAS)，经过二十多年的技术改进和发展，从最初的TCASⅠ到现在的TCASⅡ，TCAS已经逐步成熟并得到了广泛应用。TCASⅡ目前大多采用的是7.0版本的软件。民航客机和运输机安装该设备后可以减少空中碰撞事件的发生。美国航空体系称其为空中交通告警和防撞系统(TCAS)，欧洲航空体系称其为机载防撞系统(Airborne Collision Avoidance System，简称ACAS)，两者实际上的含义、功能是相同的。机载防撞系统可以显示飞机周围的情况，并在需要时提供语音告警，同时帮助飞行员以适当的机动方式(爬升/下降)躲避危险，有助于避免发生飞机空中相撞的灾难性事故。

TCAS主要由收发器、计算机、显示器和天线组成。TCASⅡ的收发器主要由射频前端、收发模块、中频处理模块、编译码模块构成。现有TCAS必须与S模式应答机配合使用。TCAS的收发器发出询问信号，当其它飞机接收到询问信号时会通过S模式应答机发出应答信号。TCAS计算机根据发出询问信号和接收到应答信号的双程往返时间来计算本机与目标飞机之间的相对距离。通过时间间隔为一秒钟的连续两次询问，得到两架飞机之间的相对距离的变化率。利用公式：预留时间Tau＝相对距离/相对距离的变化率，就可以得到两架飞机到达最接近点(CPA)的预留时间Tau。TCAS通过单脉冲测向技术采用定向天线估计出目标飞机的相对方位，得到目标飞机相对于本机机头的方位角度。此外，在飞机的应答信息中，还包含了飞机的气压高度、无线电高度等信息。因此，通过时间间隔为一秒钟的连续两次询问，可以得到目标飞机的高度和高度变化率。

根据本机和目标飞机之间的相对距离、相对距离变化率以及相对高度和相对高度变化率，TCAS防撞系统可以预测和计算出本机与目标飞机到达最接近点的垂直脱靶距离(VerticalMiss Distance，VMD)和水平脱靶距离(Horizontal Miss Distance，HMD)。如果预测的在最接近点的垂直和水平脱靶距离都小于RTCA/DO-185A标准规定的飞机垂直和水平脱靶距离的安全阈值，那么飞机就可能会发生碰撞。TCAS的防撞算法和机动策略可以确定本机是否需要采取垂直机动措施(爬升或下降)来避免碰撞，计算出本机需要以多大的垂直速度改变其高度，并选择垂直速度改变最小的一种方式来达到所需要的最小安全间距。

通过对目前广泛使用的机载防撞系统TCASⅡ的分析可知，现有的TCASⅡ对目标飞机的监视信息来源于二次雷达，对目标飞机相对于本机的方位角度的测量精度不高，防撞功能必须通过TCAS和S模式应答机的配套使用来完成，本机采取的机动防撞措施只能是一维的垂直机动，即在垂直方向上爬升或者下降。

发明内容

为了解决现有的机载防撞系统TCASⅡ存在的监视精度不够高、冲突解脱措施只能局限于一维垂直机动的技术问题，本发明提供一种适用于机载防撞系统的多维机动防撞方法，能够对本机和目标飞机进行精确地监视和跟踪，除了具有垂直防撞机动(爬升/下降)功能外，还具有水平防撞机动(加速/减速、左转/右转)的功能，并且具有系统体积小、成本低的特点。

本发明技术方案如下：

一种适用于机载防撞系统的多维机动防撞方法，包括以下步骤：

步骤1：监视和跟踪本机和目标飞机。具体包括以下步骤：

步骤1-1：利用广播式自动相关监视(ADS-B)技术，通过ADS-B报告适时获取来自星基的导航信息，从而获得本机和目标飞机的包括经度、纬度、高度和时间在内的四维位置信息。

步骤1-2：利用坐标转换关系将ADS-B报告中的四维位置信息转换到空间直角坐标系。

步骤1-3：对获得的监视数据进行平滑、滤波、插值。

步骤1-4：根据三维空间的距离公式计算出本机与目标飞机之间的相对距离和相对方位；并利用ADS-B报告中的包括北向速度、东向速度和垂直速度的三维速度矢量计算出本机与目标飞机之间的距离变化率。

步骤2：采用基于包围体的保护区模型进行飞行冲突探测。

以基于包围体的保护区模型为基础，预测和估算本机与目标飞机在四维时空的最接近点CPA的水平脱靶距离和垂直脱靶距离。如果预测的水平脱靶距离和垂直脱靶距离均小于交通建议TA的告警阈值，那么发布TA。具体包括：

步骤2-1：建立基于包围体保护区的四维时空飞行冲突探测模型；

步骤2-2：设定交通建议TA的告警阈值；所述交通建议TA的告警阈值根据飞机在四维时空的相遇几何和保护区模型设定；

步骤2-3：预测和估算本机与目标飞机在最接近点CPA的水平脱靶距离和垂直脱靶距离；

步骤2-4：若预测的水平脱靶距离和垂直脱靶距离小于交通建议TA的告警阈值，则转到步骤6。

步骤3：采用实时碰撞检测方法进行碰撞威胁探测。具体包括：

步骤3-1：根据空间碰撞危险度和时间碰撞危险度因子，建立四维时空碰撞威胁探测模型；

步骤3-2：设定解脱建议RA的告警阈值；所述解脱建议RA的告警阈值根据飞机在四维时空的相遇几何和保护区模型以及本机的机动能力和飞行员的响应时延设定；

步骤3-3：预测和计算本机与目标飞机在最接近点CPA的水平脱靶距离和垂直脱靶距离。

步骤3-4：如果预测的本机与目标飞机在最接近点的水平脱靶距离和垂直脱靶距离均小于安全阈值，那么判定本机与目标飞机将会发生碰撞。

步骤4：使用四维时空机动防撞模型计算和评估解脱建议RA的方式和强度。

预测和估算当本机采取机动措施后与目标飞机在最接近点CPA的水平脱靶距离和垂直脱靶距离，确定本机采取垂直方向爬升或下降进行避让的机动措施所需的包括飞行员操作响应时间、速度和加速度的飞行参数，以及确定本机采取水平方向加速或减速、水平方向左转或右转进行避让的机动措施所需的包括飞行员操作响应时间、速度和加速度的飞行参数。

步骤5：进行解脱建议(RA)的协调与决策。

使用四维时空机动防撞解脱建议方法，分别以可能的六种机动防撞措施对本机与目标飞机在垂直平面和水平平面内的最小脱靶距离进行预测和估算，以确定和选择产生最大脱靶距离的机动防撞措施。具体方法为：优先选择已经产生RA协调的解脱建议，其次选择与目标飞机意图信息协调的机动防撞建议，再其次选择对本机航迹改变和影响程度最小的机动防撞建议；或者，根据本机的性能参数和所处飞行阶段，优先选择达到安全速度或角度所需时间最短的机动防撞建议，在所需机动时间相同的情况下，对于垂直机动优先选择在CPA产生垂直脱靶距离最大的机动防撞建议；对于水平机动优先选择在CPA产生水平脱靶距离最大的机动防撞建议。

步骤6：显示和发布交通建议TA、解脱建议RA。

在本机的综合显示器上显示交通建议TA，提醒飞行员注意目标飞机；在本机的综合显示器上显示解脱建议RA，同时向目标飞机发布为了避免空中相撞本机将采取的解脱建议RA。

步骤7：对本机采取机动防撞措施后的碰撞解脱效果进行全程监视。

如果本机采取机动防撞建议后，碰撞威胁任然没有解除，那么转到步骤3。

步骤八8：解除交通建议TA和解脱建议RA。

如果本机采取机动防撞建议后，碰撞威胁得到了有效避免，那么解除交通建议TA和解脱建议RA，重新返回步骤1。

本发明的有益效果是：

本发明提供的适用于机载防撞系统的多维机动防撞方法，对目标飞机使用广播式自动相关监视(ADS-B)技术进行绝对位置监视代替TCASⅡ的相对位置监视，提高了监视范围和精度。采用四维时空飞行冲突探测和解脱算法实现多维防撞机动，除了为本机提供垂直机动(爬升/下降)防撞外，还提供水平机动(加速/减速、左转/右转)防撞，改善了现有机载防撞系统的局限性，增强了空中防撞的灵活性和有效性。

附图说明

图1是具有多种防撞机动功能的机载防撞系统的结构示意图。

图2是采用ADS-B监视信息对目标飞机进行监视和跟踪的流程。

图3是本发明提供的适用于机载防撞系统的多维机动防撞方法总体工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式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步骤，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

一种适用于机载防撞系统的多维机动防撞方法，如图3所示，包括以下步骤：

步骤1：监视和跟踪本机和目标飞机。具体包括：

步骤1-1：利用广播式自动相关监视(ADS-B)技术，通过ADS-B报告适时获取来自星基的导航信息，获得本机和目标飞机的精确的四维位置信息(经度、纬度、高度、时间)，将其作为监视数据来完成对本机和目标飞机的监视和跟踪。采用ADS-B技术，目标飞机周期性地(每秒钟1次)主动广播其绝对位置信息和身份信息，同时在广播信息中打上时间戳。在这种工作方式下，其位置信息来源于卫星定位系统。本机以被动的方式接收目标飞机的位置报告。

在对本机和目标飞机的绝对位置信息进行监视和跟踪时，可以采用目前成熟应用的多星定位系统，同时接收GPS、北斗、GLONASS、GALILEO卫星定位系统的信号。通过增加同时接收信号的卫星数量以及采用数据融合的方式保证接收数据的可靠性和精确性。

步骤1-2：利用坐标转换关系将ADS-B报告中的四维位置信息转换到空间直角坐标系。

不同的卫星定位系统使用的坐标系是不同的。在本实施例(以GPS为例)中，由于卫星定位系统给出的位置信息采用的是WGS-84大地坐标系(B,L,H)，而对目标飞机的跟踪采用的是空间直角坐标系(X,Y,Z)，因此需要根据BLH坐标系和空间直角坐标系的转换公式将BLH坐标转化为空间直角坐标。转换公式： $\left\{\begin{array}{c}X=(N+H)\cos B\cos L\\ Y=(N+H)\cos B\sin L\\ Z=[N(1-e^2)+H]\sin B\end{array}\right.,$ 式中N为卯酉圈曲率半径，e为偏心率，a为地球的长半径。

步骤1-3：对获得的监视数据进行平滑、滤波、插值；

本机通过ADS-B技术周期性地接收目标飞机的位置信息，每个周期采集到的信息为点迹信息。采用卡尔曼滤波算法对本机接收到的监视数据进行滤波，然后对每个周期采集到的点迹信息进行融合。使用滤波和关联技术，将连续几个周期的点迹信息进行比对、相关，提取出可靠的航迹信息，形成目标飞机的航迹。在监视状态下，一旦形成目标飞机的航迹，便转入对目标飞机的跟踪。

步骤1-4：根据三维空间的距离公式计算出本机与目标飞机之间的相对距离和相对方位；并利用ADS-B报告中的包括北向速度、东向速度和垂直速度的三维速度矢量计算出本机与目标飞机之间的距离变化率。

步骤2：采用基于包围体的保护区模型进行飞行冲突探测。

以基于包围体的保护区模型为基础，预测和估算本机与目标飞机在四维时空的最接近点CPA的水平脱靶距离和垂直脱靶距离；如果预测的水平脱靶距离和垂直脱靶距离均小于交通建议TA的告警阈值，那么发布TA；具体包括：

步骤2-1：建立基于包围体保护区的四维时空飞行冲突探测模型；

步骤2-2：设定交通建议TA的告警阈值；所述交通建议TA的告警阈值根据飞机在四维时空的相遇几何和保护区模型设定；

步骤2-3：预测和估算本机与目标飞机在最接近点CPA的水平脱靶距离和垂直脱靶距离；

步骤2-4：若预测的水平脱靶距离和垂直脱靶距离小于交通建议TA的告警阈值，则转到步骤6；

步骤3：采用实时碰撞检测方法进行碰撞威胁探测。具体包括：

步骤3-1：根据空间碰撞危险度和时间碰撞危险度因子，建立四维时空碰撞威胁探测模型；

步骤3-2：设定解脱建议RA的告警阈值；所述解脱建议RA的告警阈值根据飞机在四维时空的相遇几何和保护区模型以及本机的机动能力和飞行员的响应时延设定；

步骤3-3：预测和计算本机与目标飞机在最接近点CPA的水平脱靶距离和垂直脱靶距离；

步骤3-4：如果预测的本机与目标飞机在最接近点的水平脱靶距离和垂直脱靶距离均小于安全阈值，那么判定本机与目标飞机将会发生碰撞；

步骤4：采用四维时空机动防撞模型计算和评估解脱建议RA的方式和强度。

在相对运动坐标系下，建立四维时空机动防撞模型。基于本机的机动能力(最大爬升率/下降率，转弯角速度，最大平飞速度/失速速度等)和本机飞行员的响应时延，建立飞机水平机动和垂直机动防撞效果的预测模型，预测和估算当本机采取机动措施后与目标飞机在最接近点(CPA)的水平脱靶距离和垂直脱靶距离，判断本机采取机动措施后是否可以避免与目标飞机相撞，确定本机采取垂直方向避让的机动措施(爬升/下降)所采用的飞行参数(飞行员操作响应时间、速度和加速度)，以及本机采取水平方向避让的机动措施(加速/减速、左转/右转)所采用的飞行参数(飞行员操作响应时间、转向角度、速度和加速度)。

步骤5：进行解脱建议RA的协调与决策。

使用四维时空机动防撞解脱建议方法，分别以可能的六种机动防撞措施对本机与目标飞机在垂直平面和水平平面内的最小脱靶距离进行预测和估算，以确定和选择产生最大脱靶距离的机动防撞措施。具体方法为：优先选择已经产生RA协调的解脱建议，其次选择与目标飞机意图信息协调的机动防撞建议，再其次选择对本机航迹改变和影响程度最小的机动防撞建议；或者，根据本机的性能参数和所处飞行阶段，优先选择达到安全速度或角度所需时间最短的机动防撞建议，在所需机动时间相同的情况下，对于垂直机动优先选择在CPA产生垂直脱靶距离最大的机动防撞建议；对于水平机动优先选择在CPA产生水平脱靶距离最大的机动防撞建议；

步骤6：显示和发布交通建议TA、解脱建议RA。

在本机的综合显示器上显示交通建议TA，提醒飞行员注意目标飞机；在本机的综合显示器上显示解脱建议RA，同时向目标飞机发布为了避免空中相撞本机将采取的解脱建议RA；

步骤7：对本机采取机动防撞措施后的碰撞解脱效果进行全程监视。

如果本机采取机动防撞建议后，碰撞威胁任然没有解除，那么转到步骤3。

步骤8：解除交通建议TA和解脱建议RA。

如果本机采取机动防撞建议后，碰撞威胁得到了有效避免，那么解除交通建议TA和解脱建议RA，重新返回步骤1。

以上显示和说明了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点，但本发明不受上述实施例的限制。上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，熟悉本行业的技术人员还可以做出各种等同的变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (3)

1.一种适用于机载防撞系统的多维机动防撞方法，包括以下步骤：

步骤1：监视和跟踪本机和目标飞机；具体包括以下步骤：

步骤1-1：利用广播式自动相关监视ADS-B技术，通过ADS-B报告适时获取来自星基的导航信息，从而获得本机和目标飞机的包括经度、纬度、高度和时间在内的四维位置信息；

步骤1-2：利用坐标转换关系将ADS-B报告中的四维位置信息转换到空间直角坐标系；

步骤1-3：对获得的监视数据进行平滑、滤波、插值；

步骤1-4：根据三维空间的距离公式计算出本机与目标飞机之间的相对距离和相对方位；并利用ADS-B报告中的包括北向速度、东向速度和垂直速度的三维速度矢量计算出本机与目标飞机之间的距离变化率；

步骤2：采用基于包围体的保护区模型进行飞行冲突探测；

以基于包围体的保护区模型为基础，预测和估算本机与目标飞机在四维时空的最接近点CPA的水平脱靶距离和垂直脱靶距离；如果预测的水平脱靶距离和垂直脱靶距离均小于交通建议TA的告警阈值，那么发布TA；具体包括：

步骤2-1：建立基于包围体保护区的四维空间飞行冲突探测模型；

步骤2-2：设定交通建议TA的告警阈值；所述交通建议TA的告警阈值根据飞机在四维时空的相遇几何和保护区模型设定；

步骤2-3：预测和估算本机与目标飞机在最接近点CPA的水平脱靶距离和垂直脱靶距离；

步骤2-4：若预测的水平脱靶距离和垂直脱靶距离小于交通建议TA的告警阈值，则转到步骤6；

步骤3：采用实时碰撞检测方法进行碰撞威胁探测；具体包括：

步骤3-1：根据空间碰撞危险度和时间碰撞危险度因子，建立四维时空碰撞威胁探测模型；

步骤3-2：设定解脱建议RA的告警阈值；所述解脱建议RA的告警阈值根据飞机在四维时空的相遇几何和保护区模型以及本机的机动能力和飞行员的响应时延设定；

步骤3-3：预测和计算本机与目标飞机在最接近点CPA的水平脱靶距离和垂直脱靶距离；

步骤3-4：如果预测的本机与目标飞机在最接近点的水平脱靶距离和垂直脱靶距离均小于安全阈值，那么判定本机与目标飞机将会发生碰撞；

步骤4：使用四维时空机动防撞模型计算和评估解脱建议RA的方式和强度；

预测和估算当本机采取机动措施后与目标飞机在最接近点CPA的水平脱靶距离和垂直脱靶距离，确定本机采取垂直方向爬升或下降进行避让的机动措施所需的包括飞行员操作响应时间、速度和加速度的飞行参数，以及确定本机采取水平方向加速或减速、水平方向左转或右转进行避让的机动措施所需的包括飞行员操作响应时间、速度和加速度的飞行参数；

步骤5：进行解脱建议RA的协调与决策；

使用四维时空机动防撞解脱建议模型，分别以可能的六种机动防撞措施对本机与目标飞机在垂直平面和水平平面内的最小脱靶距离进行预测和估算，以确定和选择产生最大脱靶距离的机动防撞措施，所述六种机动防撞措施为垂直方向的爬升或下降、水平方向的加速或减速以及水平方向的左转或右转；具体方法为：优先选择已经产生RA协调的解脱建议，其次选择与目标飞机意图信息协调的机动防撞建议，再其次选择对本机航迹改变和影响程度最小的机动防撞建议；或者，根据本机的性能参数和所处飞行阶段，优先选择达到安全速度或角度所需时间最短的机动防撞建议，在所需机动时间相同的情况下，对于垂直机动优先选择在CPA产生垂直脱靶距离最大的机动防撞建议；对于水平机动优先选择在CPA产生水平脱靶距离最大的机动防撞建议；

步骤6：显示和发布交通建议TA、解脱建议RA；

在本机的综合显示器上显示交通建议TA，提醒飞行员注意目标飞机；在本机的综合显示器上显示解脱建议RA，同时向目标飞机发布为了避免空中相撞本机将采取的解脱建议RA；

步骤7：对本机采取机动防撞措施后的碰撞解脱效果进行全程监视；

如果本机采取机动防撞建议后，碰撞威胁任然没有解除，那么转到步骤3；

步骤8：解除交通建议TA和解脱建议RA；

如果本机采取机动防撞建议后，碰撞威胁得到了有效避免，那么解除交通建议TA和解脱建议RA，重新返回步骤1。

2.根据权利要求1所述的适用于机载防撞系统的多维机动防撞方法，其特征在于，步骤1在监视和跟踪本机和目标飞机时，采用多星定位系统，同时接收GPS、北斗、GLONASS、GALILEO卫星定位系统的信号，以实现对本机和目标飞机的绝对位置信息进行监视和跟踪。

3.根据权利要求1所述的适用于机载防撞系统的多维机动防撞方法，其特征在于，步骤1-3在对获得的监视数据进行平滑、滤波、插值时，本机通过ADS-B技术周期性地接收目标飞机的位置信息，每个周期采集到的信息为点迹信息；采用卡尔曼滤波算法对本机接收到的监视数据进行滤波，然后对每个周期采集到的点迹信息进行融合；使用滤波和关联技术，将连续几个周期的点迹信息进行比对、相关，提取出可靠的航迹信息，形成目标飞机的航迹；在监视状态下，一旦形成目标飞机的航迹，便转入对目标飞机的跟踪。