CN103413464B - 一种地形感知和告警系统及其中告警计算与输出控制的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种地形感知和告警系统及其中告警计算与输出控制的方法，通过系统中各告警单独的计算和输出控制方法与综合输出控制方法相结合，使告警计算得出正确告警状态的同时，避免输出信号特别是听觉信号的混淆，能及时地输出清晰、易于理解的听觉和视觉信号。通过输入模块、各告警计算输出模块、地形图形产生模块、及综合输出控制模块相结合，以及各模块之间流程的设计，来实现整体系统功能。

Description

一种地形感知和告警系统及其中告警计算与输出控制的方法

技术领域

本发明涉及飞行器管理控制领域，尤其涉及一种地形感知和告警系统及其中告警计算与输出控制的方法。

背景技术

地形感知和告警系统是在飞机处于不安全的近地飞行状态时，向机组人员提供听觉和视觉告警，以使飞行员意识到飞机所处的危险状态并立即采取纠正措施，使飞机脱离不安全的近地飞行状态，防止因疏忽大意而导致的可控飞行撞地事故。

可控飞行撞地是指在可控(无故障)的情况下，由于缺少对地形的感知而发生撞地或坠海事故。据国际民航组织统计，可控飞行撞地已经成为导致商用喷气飞机发生机毁人亡事故的主要原因之一。

中国民航总局2002年下发《关于印发飞机安装地形提示和告警系统(TAWS)规定的通知》，明确规定了应安装地形感知和告警系统的飞机种类和实施时间表。并颁布了标准CTSO-C151b《地形感知和告警系统》，标准规定了地形感知和告警系统A类设备和B类设备所需满足的要求。

地形感知和告警系统A类设备功能主要包括：近地告警功能模式(GPWS)1-5、高度报出、前视地形回避(FTLA)以及过早下降告警(PDA)。

目前，地形感知和告警系统的生产厂家主要为美国的霍尼韦尔公司和通用航电公司等，相关的核心技术也主要集中在这些国外公司。为打破外国垄断，国内相关研究单位也开始逐步开展地形感知和告警系统的研究，但国内研究还处于起步阶段，相关研究包括：《近地告警系统报警曲线阈值研究方法》(计算机仿真2011年02期)、《民机近地告警系统的阈值非关键参数特性》(兵工自动化2011年第07期)近地告警系统报警曲线算法模型与控制仿真研究(南京航空航天大学硕士论文)等告警曲线阈值的理论研究。

故，需要一种新的技术方案以解决上述问题。

发明内容

本发明主要目的是针对现有的告警系统中存在多个告警、单个告警存在多个听觉和视觉输出的情况，提出了一种告警计算与输出控制的方法，使告警计算得出正确告警状态的同时，避免输出信号特别是听觉信号的混淆，能及时地输出清晰、易于理解的听觉和视觉信号。

为实现上述发明目的，本发明地形感知和告警系统可采用如下技术方案：

一种地形感知和告警系统，包括输入模块、告警计算与输出控制模块、地形图形产生模块以及综合输出模块；输入模块负责读取：传感器数据；襟翼超控、陡峭进近、下滑道告警抑制、襟翼告警抑制和地形功能抑制控制数据；以及从地形数据库读取的跑道、地形和障碍物数据；告警计算与输出控制模块周期性地根据输入模块读取的上述数据进行各告警计算并控制输出相应告警信号；地形图形产生模块通过实时输入的位置、高度、航向及地形障碍物数据，产生地形显示所需的地形数据；综合输出模块对各告警计算输出的听视觉信号进行综合控制并输出，将地形数据输出。

为实现发明目的，本发明公开一种使用上述地形感知和告警系统的告警计算与输出控制的方法，包括：

设置需要进行告警计算与输出控制的五种近地告警模式，

第一近地告警模式：告警计算首先根据是否襟翼超控或者陡峭进近，以及下滑道的偏离值，进行警戒及告警包线调制，告警计算将输入参数与警戒包线进行比较，如果输入参数对应的坐标点不在警戒包线内，则输出无警戒或告警的状态标识，单次第一近地告警模式告警计算结束；如果在警戒包线内，继续与告警包线进行比较，如果在告警包线内，输出告警状态标识，并按一定时间间隔输出“拉起”听觉信号；如果不在告警包线内，输出警戒状态标识，并根据无线电高度与高度下降率比值的变化输出“下降速率”的听觉信号；

第二近地告警模式：分为襟翼不在着落状态和襟翼在着落状态，首先根据襟翼位置等进行告警包线调制，并进行包线比较，如果不在包线内，输出无警戒告警状态标识；如果在包线内，则进一步判断是否为初次穿透包线，如果是则输出警戒状态标识，并输出“地形，地形”听觉信号；如果不是初次穿透，继续判断是否穿透已满一定时间，如果不是，输出警戒状态标识，不输出听觉信号；如果穿透已满一定时间，继续判断襟翼和起落架是否都在降落位置，如果是则输出警戒状态标识，并按时间间隔输出“地形”听觉信号；如果襟翼起落架不都在降落位置，输出告警状态标识，并按时间间隔输出“拉起”听觉信号；

第三近地告警模式：告警首先判断是否处于起飞或复飞后掉高状态，如果为非掉高状态，则进一步判断气压高度变化率，气压变化率为负，说明飞机在下降，记录此时气压高度，并将状态设置为掉高状态，气压高度为正，说明飞机不在下降，继续设为非掉高状态；如果计算开始时即为掉高状态，进行气压高度采样并计算掉高，判断掉高是否为负值，如果掉高为负，说明飞机已上升到起始掉高的高度之上，将状态设为非掉高状态，如果掉高不为负，进行包线比较，如果不在包线内，则维持掉高状态并结束计算，如果在包线内，继续检查气压高度变化率，如果不为负，说明飞机不在继续下降，维持掉高状态并结束计算，如果为负，说明还在下降，输出警戒状态标识，输出“不要下降”听觉信号，维持掉高状态；

第四近地告警模式：根据起落、襟翼位置以及飞行阶段，分为子类型：A模式、B模式和C模式，告警计算首先进行子类型判断，并根据子类型进行包线调制，将飞行状态与包线进行比较，如果不在包线内，则输出无警戒告警状态标识，如果在包线内，则输出警戒状态标识，并根据子类型、空速、净空值变化输出听觉信号；A模式在空速较小时，输出听觉信号为“太低起落架”，空速较大时为“太低地形”；B模式在空速较小时，输出听觉信号为“太低襟翼”，空速较大时为“太低地形”；C模式始终输出听觉信号为“太低地形”；

第五近地告警模式：通过内外包线比较来区别下滑道偏离的大小，首先进行外包线比较，如果不在包线内，输出无警戒告警标识，如果在外包线内，输出下滑道警戒标识，继续进行内包线比较，如果在内包线内，持续按时间间隔输出较为急促的“下滑道”听觉信号，如果不在内包线内，在下滑道偏离变化一定值时，输出柔和的“下滑道”听觉信号

上述的地形感知和告警系统及其告警计算与输出控制的方法，通过系统中各告警单独的计算和输出控制方法与综合输出控制方法相结合，使告警计算得出正确告警状态的同时，避免输出信号特别是听觉信号的混淆，能及时地输出清晰、易于理解的听觉和视觉信号。通过输入模块、各告警计算输出模块、地形图形产生模块、及综合输出控制模块相结合，以及各模块之间流程的设计，来实现整体系统功能。

附图说明

图1是本发明地形感知和告警系统的结构示意图。

图2是第一近地告警模式工作流程图。

图3是第二近地告警模式工作流程图。

图4是第三近地告警模式工作流程图。

图5是第四近地告警模式工作流程图。

图6是第五近地告警模式工作流程图。

图7是前视地形回避告警计算与输出控制方法流程图。

图8是过早下降告警计算方法流程图。

图9是综合听觉输出控制方法流程图。

具体实施方式

名词解释：

飞行包线：一系列飞行点的连线。以包络线的形式表示允许航空器飞行的速度、高度范围。本发明中简称“包线”。

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，本发明公开一种地形感知和告警系统，包括输入模块、告警计算与输出控制模块、地形图形产生模块以及综合输出模块；

输入模块负责读取：传感器数据；襟翼超控、陡峭进近、下滑道告警抑制、襟翼告警抑制和地形功能抑制控制数据；以及从地形数据库读取的跑道、地形和障碍物数据；

告警计算与输出控制模块周期性地根据输入模块读取的上述数据进行各告警计算并控制输出相应告警信号；

地形图形产生模块通过实时输入的位置、高度、航向及地形障碍物数据，产生地形显示所需的地形数据；

综合输出模块对各告警计算输出的听视觉信号进行综合控制并输出，将地形数据输出。

本发明主要目的是针对地形感知和告警系统中存在多个告警、单个告警存在多个听觉和视觉输出的情况，提出了一种告警计算与输出控制的方法，使告警计算得出正确告警状态的同时，避免输出信号特别是听觉信号的混淆，能及时地输出清晰、易于理解的听觉和视觉信号。

使用上述的地形感知和告警系统的告警计算与输出控制的方法，包括：

设置需要进行告警计算与输出控制的五种近地告警模式，

第一近地告警模式：告警计算与输出控制流程，如图2所示，告警计算首先根据是否襟翼超控或者陡峭进近，以及下滑道的偏离值，进行警戒及告警包线调制(步骤130)，告警计算将输入参数(输入参数为无线电高度和气压高度变化率)与警戒包线进行比较(步骤131)，如果输入参数对应的坐标点不在警戒包线内，则输出无警戒或告警的状态标识(步骤132)，单次第一近地告警模式告警计算结束；如果在警戒包线内，继续与告警包线进行比较(步骤133)，如果在告警包线内，输出告警状态标识(步骤134)，并按一定时间间隔输出“拉起”听觉信号(即如果与上次第一近地告警模式听觉信号输出相差时间间隔不够，本次不输出)(步骤135)；如果不在告警包线内，输出警戒状态标识(步骤136)，并根据无线电高度与高度下降率比值的变化(如每减小20％)输出“下降速率”的听觉信号(步骤137)，连续两次听觉信号的输出也需满足一定的时间间隔，使得输出的听觉信号不会交叠而产生混淆。

第二近地告警模式：告警计算与输出控制流程，如图3所示，模式2告警主要可分为模式2A(襟翼不在着落状态)和模式2B(襟翼在着落状态)两种，模式2告警计算首先根据襟翼位置等进行告警包线调制(步骤140)，并进行包线比较(步骤141)，如果不在包线内，输出无警戒告警状态标识(步骤142)；如果在包线内，则进一步判断是否为初次穿透包线(步骤143)，如果是则输出警戒状态标识，并输出“地形，地形”听觉信号(144)；如果不是初次穿透，继续判断是否穿透已满一定时间(145)，如果不是，输出警戒状态标识，不输出听觉信号(步骤146)；如果穿透已满一定时间，继续判断襟翼和起落架是否都在降落位置(步骤147)，如果是则输出警戒状态标识，并按时间间隔输出“地形”听觉信号(步骤148)；如果襟翼起落架不都在降落位置，输出告警状态标识，并按时间间隔输出“拉起”听觉信号(步骤149)。

第三近地告警模式：告警计算与输出控制流程，如图4所示,告警首先判断是否处于起飞(复飞)后掉高状态(步骤150)(系统启动时默认为非掉高状态)，如果为非掉高状态，则进一步判断气压高度变化率(步骤151)，气压变化率为负，说明飞机在下降，记录此时气压高度(“掉高计算起始高度”)，并将状态设置为掉高状态(步骤152)，气压高度为正，说明飞机不在下降，继续设为非掉高状态(步骤153)；如果计算开始时即为掉高状态，进行气压高度采样并计算掉高(即采样值减去“掉高计算起始高度”)(步骤154)，判断掉高是否为负值(步骤155)，如果掉高为负，说明飞机已上升到起始掉高的高度之上，将状态设为非掉高状态(步骤153)，如果掉高不为负，进行包线比较(步骤156)，如果不在包线内，则维持掉高状态并结束计算(步骤157)，如果在包线内，继续检查气压高度变化率(步骤158)，如果不为负，说明飞机不在继续下降，维持掉高状态并结束计算(步骤157)，如果为负，说明还在下降，输出警戒状态标识，输出“不要下降”听觉信号(同样地与上一次输出保持一定时间间隔)，维持掉高状态(步骤159)。

第四近地告警模式：告警计算与输出控制流程，如图5所示，模式4告警根据起落、襟翼位置以及飞行阶段，可分为3中子类型：A模式、B模式和C模式，告警计算首先进行子类型判断(步骤160)，并根据子类型进行包线调制(步骤161)，将飞行状态(主要为净空值，空速，无线电高度等)与包线进行比较(步骤162)，如果不在包线内，则输出无警戒告警状态标识(步骤163)，如果在包线内，则输出警戒状态标识(步骤164)，并根据子类型、空速、净空值变化输出听觉信号(步骤165)。听觉信号的输出时机为净空之减小超过了一定的值，并且离上次输出已有足够的时间间隔(避免两次输出声音交叠)。A模式在空速较小时，输出听觉信号为“太低起落架”，空速较大时为“太低地形”；B模式在空速较小时，输出听觉信号为“太低襟翼”，空速较大时为“太低地形”；C模式始终输出听觉信号为“太低地形”。

第五近地告警模式：告警计算与输出控制流程，如图6所示，模式5告警计算通过内外包线比较来区别下滑道偏离的大小，首先进行外包线比较(步骤170)，如果不在包线内，输出无警戒告警标识(步骤171)，如果在外包线内，输出下滑道警戒标识(步骤172)，继续进行内包线比较(步骤173)，如果在内包线内，持续按时间间隔输出较为急促的“下滑道”听觉信号(步骤174)，如果不在内包线内，在下滑道偏离变化一定值时，输出柔和的“下滑道”听觉信号(连续两个听觉信号间保证一定的时间间隔)(步骤175)。

为避免不必要的听觉信号输出，高度报出仅在非精密进近时生效，在下降到高度为160米时，高度报出输出“一百六十米”听觉信号。

另，进一步包括前视地形回避告警计算与输出控制流程如图7所示，前视地形回避根据飞机姿态生成前视的警戒和告警包线(断面)(步骤200)，并进行包线与地形障碍物的相交计算，首先进行警戒包线与地形障碍物的包线比较(步骤201)，如果不相交，输出无警戒告警标识(步骤202)，如果相交，继续进行告警包线与地形障碍物相交计算(步骤203)，如果相交，输出告警标识(步骤204)，并按时间间隔输出“前方地形，拉起”听觉信号(步骤205)，如果不相交，输出警戒标识(步骤206)，并按时间间隔输出“注意地形”听觉信号(步骤207)。

另，进一步包括过早下降告警计算，在跑道周围形成一个告警包络，将飞机的位置与包络进行比较，当处于包络下方时，输出警戒标识与“太低地形”听觉信号(以高度值的变化为输出时机，同时保证时间间隔)。

另，进一步包括综合视觉输出控制，如图8所示，综合视觉输出控制首先检查近地告警模式5的输出状态标识(步骤230)，如果为警戒标识，下滑道警戒灯点亮(步骤231)，否则下滑道告警灯设为熄灭(步骤232)，综合视觉输出控制检查所有告警输出，判断是否存在告警状态标识(步骤233)，如果存在，点亮告警灯，警戒灯设为熄灭(步骤234)，如果不存在告警状态标识，继续检查是否存在警戒状态标识(近地告警模式5除外)(步骤235)，如果存在，将告警灯设为熄灭，点亮警戒灯(步骤236)，如果不存在，将告警灯、警戒灯设为熄灭(步骤237)。

另，进一步包括综合听觉输出控制，如图9所示，综合听觉输出控制缓存所有还未被输出相应声音的听觉信号，每次输出控制首先检查缓存未输出的听觉信号与相应告警输出的状态标识是否相符(步骤220)，并删除与状态标识不符的缓存未输出的听觉信号(步骤221)，进一步将各告警本次输出的听觉信号对缓存未输出听觉信号进行更新(步骤222)，判断上一次听觉信号对应的声音是否已完整输出(步骤223)，如果已经完整输出，根据告警的优先级，选择优先级最高的听觉信号进行声音输出(步骤224)，并将该听觉信号从未输出缓存中删除(步骤225)。

上述的告警计算与输出控制的方法，通过系统中各告警单独的计算和输出控制方法与综合输出控制方法相结合，使告警计算得出正确告警状态的同时，避免输出信号特别是听觉信号的混淆，能及时地输出清晰、易于理解的听觉和视觉信号。通过输入模块、各告警计算输出模块、地形图形产生模块、及综合输出控制模块相结合，以及各模块之间流程的设计，来实现整体系统功能。

Claims (5)

1.一种地形感知和告警系统的告警计算与输出控制的方法，其特征在于，包括：

使用地形感知和告警系统，地形感知和告警系统包括输入模块、告警计算与输出控制模块、地形图形产生模块以及综合输出模块；

输入模块负责读取：传感器数据；襟翼超控、陡峭进近、下滑道告警抑制、襟翼告警抑制和地形功能抑制控制数据；以及从地形数据库读取的跑道、地形和障碍物数据；

告警计算与输出控制模块周期性地根据输入模块读取的上述数据进行各告警计算并控制输出相应告警信号；

地形图形产生模块通过实时输入的位置、高度、航向及地形障碍物数据，产生地形显示所需的地形数据；

综合输出模块对各告警计算输出的听视觉信号进行综合控制并输出，将地形数据输出；

设置需要进行告警计算与输出控制的五种近地告警模式，

第一近地告警模式：告警计算首先根据是否襟翼超控或者陡峭进近，以及下滑道的偏离值，进行警戒包线和告警包线调制，告警计算将输入参数与警戒包线进行比较，如果输入参数对应的坐标点不在警戒包线内，则输出无警戒或告警的状态标识，单次第一近地告警模式告警计算结束；如果在警戒包线内，继续与告警包线进行比较，如果在告警包线内，输出告警状态标识，并按一定时间间隔输出“拉起”听觉信号；如果不在告警包线内，输出警戒状态标识，并根据无线电高度与高度下降率比值的变化输出“下降速率”的听觉信号；

第二近地告警模式：分为襟翼不在着落状态和襟翼在着落状态，首先根据襟翼位置进行告警包线调制，并进行包线比较，如果不在包线内，输出无警戒告警状态标识；如果在包线内，则进一步判断是否为初次穿透包线，如果是则输出警戒状态标识，并输出“地形，地形”听觉信号；如果不是初次穿透，继续判断是否穿透已满一定时间，如果不是，输出警戒状态标识，不输出听觉信号；如果穿透已满一定时间，继续判断襟翼和起落架是否都在降落位置，如果是则输出警戒状态标识，并按时间间隔输出“地形”听觉信号；如果襟翼和起落架不都在降落位置，输出告警状态标识，并按时间间隔输出“拉起”听觉信号；

第三近地告警模式：告警首先判断是否处于起飞或复飞后掉高状态，如果为非掉高状态，则进一步判断气压高度变化率，气压高度变化率为负，说明飞机在下降，记录此时气压高度，并将状态设置为掉高状态，气压高度变化率为正，说明飞机不在下降，继续设为非掉高状态；如果计算开始时即为掉高状态，进行气压高度采样并计算掉高，判断掉高是否为负值，如果掉高为负，说明飞机已上升到起始掉高的高度之上，将状态设为非掉高状态，如果掉高不为负，进行包线比较，如果不在包线内，则维持掉高状态并结束计算，如果在包线内，继续检查气压高度变化率，如果不为负，说明飞机不在继续下降，维持掉高状态并结束计算，如果为负，说明还在下降，输出警戒状态标识，输出“不要下降”听觉信号，维持掉高状态；

第四近地告警模式：根据起落、襟翼位置以及飞行阶段，分为子类型：A模式、B模式和C模式，告警计算首先进行子类型判断，并根据子类型进行包线调制，将飞行状态与包线进行比较，如果不在包线内，则输出无警戒告警状态标识，如果在包线内，则输出警戒状态标识，并根据子类型、空速和净空值变化输出听觉信号；A模式在空速较小时，输出听觉信号为“太低起落架”，空速较大时为“太低地形”；B模式在空速较小时，输出听觉信号为“太低襟翼”，空速较大时为“太低地形”；C模式始终输出听觉信号为“太低地形”；

第五近地告警模式：通过内外包线比较来区别下滑道偏离的大小，首先进行外包线比较，如果不在外包线内，输出无警戒告警标识，如果在外包线内，输出下滑道警戒标识，继续进行内包线比较，如果在内包线内，持续按时间间隔输出较为急促的“下滑道”听觉信号，如果不在内包线内，在下滑道偏离变化一定值时，输出柔和的“下滑道”听觉信号。

2.根据权利要求1所述的地形感知和告警系统的告警计算与输出控制的方法，其特征在于，

进一步包括前视地形回避告警计算与输出控制方法：前视地形回避根据飞机姿态生成前视的警戒包线和告警包线，并进行包线与地形障碍物的相交计算，首先进行警戒包线与地形障碍物的包线比较，如果不相交，输出无警戒告警标识，如果相交，继续进行告警包线与地形障碍物相交计算，如果相交，输出告警标识，并按时间间隔输出“前方地形，拉起”听觉信号，如果不相交，输出警戒标识，并按时间间隔输出“注意地形”听觉信号。

3.根据权利要求1所述的地形感知和告警系统的告警计算与输出控制的方法，其特征在于，

进一步包括过早下降告警计算方法：在跑道周围形成一个告警包络，将飞机的位置与告警包络进行比较，当处于告警包络下方时，输出警戒标识与“太低地形”听觉信号。

4.根据权利要求1所述的地形感知和告警系统的告警计算与输出控制的方法，其特征在于，

进一步包括综合视觉输出控制方法：首先检查第五近地告警模式的输出状态标识，如果为下滑道警戒标识，下滑道警戒灯点亮，否则下滑道告警灯设为熄灭，综合视觉输出控制检查所有告警输出，判断是否存在告警状态标识，如果存在，点亮告警灯，警戒灯设为熄灭，如果不存在告警状态标识，继续检查是否存在警戒状态标识，如果存在，将告警灯设为熄灭，点亮警戒灯，如果不存在，将告警灯、警戒灯设为熄灭。

5.根据权利要求1所述的地形感知和告警系统的告警计算与输出控制的方法，其特征在于，

进一步包括综合听觉输出控制方法：综合听觉输出控制缓存所有还未被输出相应声音的听觉信号，每次输出控制首先检查缓存未输出的听觉信号与相应告警输出的状态标识是否相符，并删除与状态标识不符的缓存未输出的听觉信号，进一步将各告警本次输出的听觉信号对缓存未输出听觉信号进行更新，判断上一次听觉信号对应的声音是否已完整输出，如果已经完整输出，根据告警的优先级，选择优先级最高的听觉信号进行声音输出，并将该听觉信号从未输出缓存中删除。