CN103699713A - 一种编队飞机冲突检测方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于TCAS系统的编队飞机冲突检测方法及其应用，在原有的机载防撞的基础上，考虑飞行时的航迹预估误差，针对编队形成过程引入编队冲突检测方法，性能上考虑各种随机干扰因素，可调告警阈值及滤波持续探测时间，相对于传统几何探测具备更好的安全性能，可以有效降低编队形成过程中的虚警概率。此外，一旦编队内的飞机偏离既定轨道范围，系统就提供告警信息，便于编队的管理和维护。

Description

一种编队飞机冲突检测方法及其应用

技术领域

本发明涉及一种机载防撞算法，特别是涉及一种带有编队算法的防撞算法。 

背景技术

编队飞行是指两架或两架以上的飞机按规定的间隔、距离、高度差保持队形的飞行，但由于实际飞行中各种因素的影响，编队飞机之间的间隔、距离和高度差不可能一直保持不变，处理不当就容易引发相撞，因此编队飞行中的防撞问题是值得研究和关注的一个方向，保持编队间隔、距离、高度差相对的稳定，是防止编队飞机相撞的重要前提条件之一。 

机载防撞系统工作时通过自动发送与地面二次雷达兼容的询问信号获取、探测周围飞机的距离、方位、高度和标识代码，通过结合本机的状态信息对可能发生的空中碰撞给出避让提示建议，通过视频和音频通知飞行员。 

编队飞行的飞机，飞机间隔可能远小于机载防撞系统设定的告警门限，同时又必须长时间按指定间隔沿一定空域飞行，若采用传统的机载防撞系统，会导致TCAS告警虚警偏高。 

发明内容

本发明的发明目的在于提供一种编队飞机冲突检测方法，功能上为编队防撞算法中冲突检测虚警和漏检这一对矛盾提供平衡方案，性能上考虑各种随机干扰因素，可调告警阈值，相对于传统几何探测具备更好的安全性能，实现上运用布朗运动逃脱模型，通过正交变换、级数展开等手段获得易于实现的冲突检测算法，计算占用资源少、满足系统实时性要求。 

本发明的发明目的通过以下技术方案实现： 

一种编队飞机冲突检测方法，包含以下步骤： 

建模飞机运动： 

$\frac{\mathrm{ds}}{\mathrm{dt}}\left(t\right)=f\left(t\right)+w\left(t\right)---\left(1\right)$

其中f(t)为定义在[0,∞)的分段Lipschitz连续函数，w(t)为高斯白噪声，满足E[w(t)w(t+z)]＝γ²δ(z),

表示飞机相对地面的运动，f表示飞机空速，w建模仪器精度误差、飞行员操作误差、气流影响等随机因素造成的航迹预估误差; 

由（1）式可得： 

$s\left(t\right)={\∫}_0^{t}f\left(z\right)\mathrm{dz}+b\left(t\right)---\left(2\right)$

其中 $b\left(t\right)={\∫}_0^{t}w\left(z\right)\mathrm{dz}$ 服从均值为0，方差为 $\mathrm{Var}\left[b\left(t\right)\right]={\∫}_0^t{\∫}_0^{t}E\left[w\left(z_1\right)w\left(z_2\right)\right]={\mathrm{\γ}}^{2}t$ 的高斯过程，由Kolmogorov连续理论，b(t)具备连续形式B(t)使得对t≥0有P({w:b(t,w)＝B(t,w)})＝1； 

当（1）式用于建模飞机运动时，物理上要求b(t)连续，对b(t)乘以放大因子

可以得到b(t)为标准布朗运动，由Bachelier-Levy准则逃脱概率在如下情况可以得到解析形式，使得B(t)为一维标准布朗运动： 

定义μ∈R，τ＝inf{t≥0:B(t)＝a-μt}为以速度μ驶向起点a，有 

$p_{\mathrm{\τ}}\left(t\right)=\frac{a}{\sqrt{2\mathrm{\π}{t}^3}}\exp [-\frac{{(a-\mathrm{\μt})}^2}{2t}],t>0---\left(3\right)$

利用（3）式，可以对复杂飞行情况进行冲突概率的估计； 

由于b(t)的随机扰动使得s(t)存在冲突概率，将求冲突概率的问题转化为求标准布朗运动逃脱概率的问题： 

建模两架飞机遭遇情况，标记本机为A，它机为B，飞行于同一高度，建立直角坐标系x₁x₂，A由原点沿x₁轴运动，B以与x₁轴成θ角度从距原点Δx₀∈R²运动，当B驶入A的保护区域时出现冲突，令x^A(t)、x^B(t)为A、B在t时刻的二维坐标位置，有： 

x^A(t)＝u^At+∑B^A(t)    （4） 

x^B(t)＝Δx₀+u^Bt+R(θ)∑B^B(t)    （5） 

其中B^A(t)、B^B(t)为二维布朗运动且相互独立，∑＝diag(ν_a,ν_c)，ν_a,ν_c为扰动影响的功率谱密度，R(θ)为旋转矩阵， $R\left(\mathrm{\θ}\right)=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right],$ （4）、（5）两式相减得： 

Δx(t)＝x^B(t)-x^A(t)＝Δx₀+Δut-n(t)    （6） 

其中Δu＝u^B-u^A，n(t)＝∑B^A(t)-R(θ)∑B^B(t)； 

令

存在对角阵Λ＝diag(λ₁,λ₂)，其中 

${\mathrm{\λ}}_1=\sqrt{v_a{\cos }^2\left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)+v_c{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)}$

${\mathrm{\λ}}_2=\sqrt{v_a{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)+v_c{\cos }^2\left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)}$

因此，随机过程

成为一个起点在原点的二维标准布朗运动，（6）式可重写为 

$\mathrm{\Δs}\left(t\right)=\mathrm{\Δ}{s}_0+\mathrm{ut}-\stackrel{\‾}{n}\left(t\right)---\left(7\right)$

其中Δs(t)＝P^-1Δx(t)为两机在新坐标系Δs₀(t)＝P^-1Δx₀中的相对位移，u＝P^-1Δu， 

为起点在原点的二维独立标准布朗运动； 

假设保护区域半径为ρ，保护边界为： 

${\mathrm{\λ}}_1^2{(x_1-\mathrm{\Δ}{s}_1\left(t\right))}^2+{\mathrm{\λ}}_2^2{(x_2-{\mathrm{\Δs}}_2\left(t\right))}^2={\mathrm{\ρ}}^2/2---\left(8\right)$

而且仅当入侵机进入该保护边界时，产生冲突，下面求二维标准布朗运动进入该冲突边界的概率，由于该概率没有闭合表达式，寻找可以逼近该概率的表达式，假设本机速度沿x₁轴运动，两架飞机相互靠近，由（8）可得： 

$a=-\frac{\mathrm{\Δ}{s}_0^{T}u}{\left|\right|u\left|\right|}---\left(9\right)$

$x_d=\frac{\left|\mathrm{\Δ}{s}_0^{T}R\left(\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)u\right|}{\left|\right|u\left|\right|}---\left(10\right)$

$L=\frac{\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\λ}}_2}\sqrt{\frac{u_1^2{\mathrm{\λ}}_1^2+u_2^2{\mathrm{\λ}}_2^2}{2(u_1^2+u_2^2)}}---\left(11\right)$

由（3）式，可得冲突概率P的逼近表达为： 

$P={\&Integral;}_0^{\&infin;}{p}_t\left(t\right){\&Integral;}_{|y-x_d|<L}\frac{1}{2\mathrm{\&pi;t}}\exp (-\frac{y^2}{2t})\mathrm{dydt}---\left(12\right)$

化简得到： 

$P={\&Integral;}_0^{\&infin;}{p}_t\left(t\right)[Q\left(\frac{x_d-L}{\sqrt{t}}\right)-Q\left(\frac{x_d+L}{\sqrt{t}}\right)]\mathrm{dt}---\left(13\right)$

其中 $Q\left(y\right)={\&Integral;}_y^{\&infin;}(1/\sqrt{2\mathrm{\&pi;}})\exp (-z^2/2)\mathrm{dz}$

因为

当||u||＞1，p_t(t)接近于t₀＝a/||u||，将（13）中 

在t₀处0阶展开，可以得到： 

$P=Q\left(\frac{x_d-L}{\sqrt{t_0}}\right)-Q\left(\frac{x_d+L}{\sqrt{t_0}}\right)---\left(14\right)$

其中L由（11）式得到，a和x_d由（9）、（10）给出，t₀＝a/||u||，标准正太分布概率可以查表得到，L为正交变换后两机的最小距离。 

本发明的另一目的提供一种基于TCAS系统的防撞告警方法，包含原有的适用于编队外飞机冲突检测方法，增加了编队飞机冲突检测方法，具体包括以下步骤： 

步骤一、TCAS系统跟踪空域内的目标飞机，计算目标飞机的相对距离、方位以及高度变化率； 

步骤二、TCAS系统通过预设的编队成员信息，区分目标飞机为编队外飞机或者为本编队内飞机； 

步骤三、如果为本编队内飞机，则执行以下步骤： 

！）、实时探测本机与编队内飞机的位置，根据所述编队飞机冲突检测方法得到编队内成员飞行间隔的冲突概率； 

2）、根据编队飞机冲突概率的计算，当两机接近率较大时，调低告警阈值，告警范围增大，减小滤波持续探测时间，告警灵敏度提升，有助于对存在威胁的编队飞机降低漏检概率，当两机接近率较小或相互远离时，调高告警阈值，告警范围减小，增加滤波持续探测时间，告警灵敏度下降； 

3）、冲突概率大于设定的告警阈值时，产生侵犯告警，系统选择侵犯告警的强度，所述侵犯告警的强度为能使本机通过最小机动重新获得正确的编队位置。 

进一步，所述步骤二中，区分目标飞机为编队外飞机时，则执行以下步骤： 

a）、根据目标飞机的相对距离、方位以及高度变化率，根据编队外飞机冲突概率的计算判断是否存在潜在威胁而生成交通告警； 

b）、交通告警生成后，根据编队外飞机冲突概率的计算，当两机接近率较大时，调低告警阈值，告警范围增大，减小滤波持续探测时间，告警灵敏度提升，当两机接近率较小或相互远离时，调高告警阈值，告警范围减小，增加滤波持续探测时间，告警灵敏度下降； 

c)、根据目标机与本机是否存在冲突概率的大小，判定是否存在决断告警威胁； 

d）、决断告警威胁存在后，选择决断告警的方向，用以确定本机的避让方向，以及选择 决断告警的强度，所述选择决断告警的强度能使本机获得安全间距且垂直速率变化最小，生成决断告警； 

进一步，还包括：步骤四、TCAS系统通过座舱音频系统和显示画面实时向飞行员提供适宜的监视、告警信息和避让建议，同时也可按需要在紧急情况下，向飞行控制系统提供避让建议。 

依据上述特征，所述步骤一中的跟踪空域内的目标飞机采用以下步骤： 

S1、TCAS系统通过L波段射频天线接收空域内装备1090ES数据链的其他飞机广播的基于1090ES数据链的ADS-B信息； 

S2、通过L波段射频天线对附近空域进行A/C模式、S模式询问，获得目标飞机的距离、相对高度等信息； 

S3、通过分布式孔径红外系统接收空域内其他飞机的红外辐射信息，获得360°范围内其他飞机的相对距离、相对角度信息； 

S4、TCAS系统通过多传感器探测信息融合算法融合上述信息，建立目标航迹，比较并更新现存航迹，实现覆盖整个战略空域的空中交通态势显示。 

依据上述特征,目标飞机为本编队内飞机时，还包括以下步骤： 

S5、长机通过空管链路周期发射本机的卫星载波相位信息、惯性导航信息，并要求指定的僚机回答其与长机的相对位置信息，该僚机收到此信息后，通过载波相位差分技术计算其与长机的相对位置信息，并按要求发射应答信息，长机收到应答后计算该僚机与长机的相对距离，并通过解码获得该僚机应答信息中包含的其与长机的相对位置信息，其余僚机通过接受长机发射的卫星载波相位信息、惯性导航信息以及指定僚机回答的其与长机相对位置信息，计算本机与长机、本机与指定僚机的相对位置信息。 

与现有技术相比，本发明的有益效果在于专门针对编队飞机进行了冲突概率的计算，可以有效降低编队形成过程中的虚警概率，同时根据冲突概率的大小调整告警阈值及滤波持续探测时间，可以降低系统计算量，在降低虚警概率的基础上，提高系统实时性。本方案硬件与传统TCAS相同，软件算法综合考虑编队飞行特点，具有设备兼容性好，虚警概率低、改装成本低等特点。 

附图说明

图1为编队飞机冲突检测方法中公式9设定的飞行模型； 

图2a、2b为告警阈值及滤波持续探测时间调整工作原理示意图； 

图3编队告警方法流程图； 

图4单机告警示意图； 

图5多机协同告警示意图。 

具体实施方法 

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述： 

本发明一种编队飞机冲突检测方法根据等式： 

$\frac{\mathrm{ds}}{\mathrm{dt}}\left(t\right)=f\left(t\right)+w\left(t\right)---\left(1\right)$

其中f(t)为定义在[0,∞)的分段Lipschitz连续函数，w(t)为高斯白噪声，满足E[w(t)w(t+z)]＝γ²δ(z)。（1）式用于建模飞机运动，其中表示飞机相对地面的运动，f表示飞机空速，w建模仪器精度误差、飞行员操作误差、气流影响等随机因素造成的航迹预估误差。由（1）得： 

$s\left(t\right)={\&Integral;}_0^{t}f\left(z\right)\mathrm{dz}+b\left(t\right)---\left(2\right)$

其中 $b\left(t\right)={\&Integral;}_0^{t}w\left(z\right)\mathrm{dz}$ 服从均值为0，方差为 $\mathrm{Var}\left[b\left(t\right)\right]={\&Integral;}_0^t{\&Integral;}_0^{t}E\left[w\left(z_1\right)w\left(z_2\right)\right]={\mathrm{\&gamma;}}^{2}t$ 的高斯过程。由Kolmogorov连续理论，b(t)具备连续形式B(t)使得对t≥0有P({w:b(t,w)＝B(t,w)})＝1。实际上，当（1）式用于建模飞机运动时，物理上要求b(t)连续。对b(t)乘以放大因子

可以得到b(t)为标准布朗运动。由于b(t)的随机扰动使得s(t)存在冲突概率。下面将求冲突概率的问题转化为求标准布朗运动逃脱概率的问题。由Bachelier-Levy准则逃脱概率在如下情况可以得到解析形式，使得B(t)为一维标准布朗运动：定义μ∈R，τ＝inf{t≥0:B(t)＝a-μt}为以速度μ驶向起点a，有 

$p_{\mathrm{\&tau;}}\left(t\right)=\frac{a}{\sqrt{2\mathrm{\&pi;}{t}^3}}\exp [-\frac{{(a-\mathrm{\&mu;t})}^2}{2t}],t>0---\left(3\right)$

利用（3）式，可以对复杂飞行情况进行冲突概率的估计。 

建模两架飞机遭遇情况，标记本机为A，它机为B，飞行于同一高度。建立直角坐标系x₁x₂，A由原点沿x₁轴运动，B以与x₁轴成θ角度从距原点Δx₀∈R²运动。当B驶入A的保护区域时出现冲突。令x^A(t)、x^B(t)为A、B在t时刻的二维坐标位置，有： 

x^A(t)＝u^At+∑B^A(t)    （4） 

x^B(t)＝Δx₀+u^Bt+R(θ)∑B^B(t)    （5） 

其中B^A(t)、B^B(t)为二维布朗运动且相互独立，∑＝diag(ν_a,ν_c)，ν_a,ν_c为扰动影响的功率谱密度，R(θ)为旋转矩阵， $R\left(\mathrm{\&theta;}\right)=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\&theta;}& -\sin \\ \sin \mathrm{\&theta;}& \cos \mathrm{\&theta;}\end{array}\right],$ （4）、（5）两式相减得： 

Δx(t)＝x^B(t)-x^A(t)＝Δx₀+Δut-n(t)    （6） 

其中Δu＝u^B-u^A，n(t)＝∑B^A(t)-R(θ)∑B^B(t),由此可见，（6）式中的扰动来自高斯过程n(t)，问题转化为将n(t)通过正交变换转变为标准二维布朗运动。 

令

存在对角阵Λ＝diag(λ₁,λ₂)，其中 

${\mathrm{\&lambda;}}_1=\sqrt{v_a{\cos }^2\left(\frac{\mathrm{\&theta;}}{2}\right)+v_c{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\&theta;}}{2}\right)}$

${\mathrm{\&lambda;}}_2=\sqrt{v_a{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\&theta;}}{2}\right)+v_c{\cos }^2\left(\frac{\mathrm{\&theta;}}{2}\right)}$

因此，随机过程

成为一个起点在原点的二维标准布朗运动。（6）式可重写为： 

$\mathrm{\&Delta;s}\left(t\right)=\mathrm{\&Delta;}{s}_0+\mathrm{ut}-\stackrel{\&OverBar;}{n}\left(t\right)---\left(7\right)$

其中Δs(t)＝P^-1Δx(t)为两机在新坐标系Δs₀(t)＝P^-1Δx₀中的相对位移，u＝P^-1Δu， 

为起点在原点的二维独立标准布朗运动。 

假设保护区域半径为ρ，保护边界为： 

${\mathrm{\&lambda;}}_1^2{(x_1-\mathrm{\&Delta;}{s}_1\left(t\right))}^2+{\mathrm{\&lambda;}}_2^2{(x_2-{\mathrm{\&Delta;s}}_2\left(t\right))}^2={\mathrm{\&rho;}}^2/2---\left(8\right)$

当且仅当入侵机进入该保护边界时，产生冲突，下面求二维标准布朗运动进入该冲突边界的概率，由于该概率没有闭合表达式，我们寻找可以逼近该概率的表达式。 

假设本机速度沿x₁轴运动，两架飞机相互靠近，如图1所示，由（8）可得： 

$a=-\frac{\mathrm{\&Delta;}{s}_0^{T}u}{\left|\right|u\left|\right|}---\left(9\right)$

$x_d=\frac{\left|\mathrm{\&Delta;}{s}_0^{T}R\left(\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}\right)u\right|}{\left|\right|u\left|\right|}---\left(10\right)$

$L=\frac{\mathrm{\&rho;}}{{\mathrm{\&lambda;}}_1{\mathrm{\&lambda;}}_2}\sqrt{\frac{u_1^2{\mathrm{\&lambda;}}_1^2+u_2^2{\mathrm{\&lambda;}}_2^2}{2(u_1^2+u_2^2)}}---\left(11\right)$

由（3）式，可得冲突概率P的逼近表达为： 

$P={\&Integral;}_0^{\&infin;}{p}_t\left(t\right){\&Integral;}_{|y-x_d|<L}\frac{1}{2\mathrm{\&pi;t}}\exp (-\frac{y^2}{2t})\mathrm{dydt}---\left(12\right)$

化简得到 

$P={\&Integral;}_0^{\&infin;}{p}_t\left(t\right)[Q\left(\frac{x_d-L}{\sqrt{t}}\right)-Q\left(\frac{x_d+L}{\sqrt{t}}\right)]\mathrm{dt}---\left(13\right)$

其中 $Q\left(y\right)={\&Integral;}_y^{\&infin;}(1/\sqrt{2\mathrm{\&pi;}})\exp (-z^2/2)\mathrm{dz}$

因为

当||u||＞1，p_t(t)接近于t₀＝a/||u||，将（13）中 

在t₀处0阶展开，可以得到： 

$P=Q\left(\frac{x_d-L}{\sqrt{t_0}}\right)-Q\left(\frac{x_d+L}{\sqrt{t_0}}\right)---\left(14\right)$

其中L由（11）式得到，a和x_d由（9）、（10）给出，t₀＝a/||u||。 

标准正太分布概率可以查表得到，L为正交变换后两机的最小距离，在基于TCAS的软件算法中均可以实现。调整告警阈值，可以根据实际应用场景有效处理飞行期间冲突检测虚警和漏检之间的矛盾。同时引入滤波算法，滤除持续时间不够的告警，可以进一步降低编队防撞中高虚警率的特点，使得防撞告警与飞行员之间有更好的交互。 

如图3所述，系统工作时防撞处理逻辑模块通过预设的编队成员信息，区分编队外飞机和本编队内飞机，跟踪每一个目标的斜距和接近速度，推算到达最近接近点的时间。 

对于编队外入侵飞机，如果其装备的应答机报告高度，则防撞处理逻辑能将目标的高度投射到最近接近点上。当一架入侵飞机报告高度，且其距离和其与最近接近点的垂直高度达到一定程度时，根据编队外飞机冲突概率的计算该入侵飞机就会被认为具有潜在威胁而生成交通告警。如果入侵飞机不报告高度，则威胁的判断仅仅依靠距离测试完成。 

当交通告警确认后，如图2a、2B所示，根据编队外飞机冲突概率的计算，当两机接近率较大时，调低告警阈值，告警范围增大，减小滤波持续探测时间，告警灵敏度提升，当两机 接近率较小或相互远离时，调高告警阈值，告警范围减小，增加滤波持续探测时间，告警灵敏度下降。判定入侵机是否具有决断告警威胁，当威胁确定后，决断告警将通过两步来确定。第一步防撞处理逻辑选择决断告警的方向，用以确定本机的避让方向是向上还是向下。在对威胁飞机距离和高度跟踪的基础上，防撞处理逻辑将建立威胁飞机到达最近接近点的路径模型，并选择能够提供更大垂直间距的决断告警方向。第二步防撞处理逻辑选择决断告警的强度，该强度能使本机获得安全间距且垂直速率变化最小。当入侵飞机也装备了TCAS系统时，本机会向对方飞机发送协调信息以确保选择互补的决断告警。 

对于编队内飞机，防撞处理逻辑根据编队飞机冲突检测方法实时探测本机的编队位置是否有偏差是否存在冲突，同时根据冲突概率调整告警阈值及滤波持续探测时间，当两机接近率较大时，调低告警阈值，告警范围增大，减小滤波持续探测时间，告警灵敏度提升，有助于对存在威胁的编队飞机降低漏检概率。当两机接近率较小或相互远离时（接近率为负值），调高告警阈值，告警范围减小，增加滤波持续探测时间，告警灵敏度下降，有助于对无威胁的编队飞机降低虚警概率；当冲突概率大于设定的告警阈值时，TCAS产生侵犯告警。 

当威胁确认后，防撞处理逻辑选择侵犯断告警的强度，该强度能使本机通过最小机动重新获得正确的编队位置。 

如图4所示，单机工作时，TCAS系统可以为飞行员提供全天候复杂环境下交通状况、防撞告警建议等信息，并完成本机的飞行态势监视。 

系统通过L波段射频天线接收空域内装备1090ES数据链的其他飞机广播的基于1090ES数据链的ADS-B信息（包含经纬度、高度、航向等信息）；通过L波段射频天线对附近空域进行A/C模式、S模式询问，获得目标飞机的距离、相对高度等信息；通过分布式孔径红外系统接收空域内其他飞机的红外辐射信息，获得360°范围内其他飞机的相对距离、相对角度信息。系统通过多传感器探测信息融合算法融合上述信息，建立目标航迹，比较并更新现存航迹，实现覆盖整个战略空域的空中交通态势显示。 

TCAS系统利用空域内目标飞机的跟踪信息，计算接近飞机的相对距离、方位以及高度变化率，参考TCAS的防撞模型，将接近飞机的相对距离、方位和高度变化率运用于冲突概率的计算，确定可能出现碰撞危险的接近飞机，给出本机合适的垂直机动飞行建议以及决断告警显示，以便本机与接近飞机之间达到或保持安全间隔距离。 

系统与接近飞机（装有TCAS或本系统）建立一个机动协调数据联系，确保两机间的决断告警是协调和兼容的。 

系统通过座舱音频系统和显示画面实时向飞行员提供适宜的监视、告警信息和避让建议，同时也可按需要在紧急情况下，向飞行控制系统提供避让建议。 

系统从地面ATC站和安装TCAS或军用飞机防撞告警系统的其他飞机接收询问信号，解码、处理数据并按要求发送应答信号。通过S模式间歇广播向周围飞机和地面站发出飞机识别信息（ID）、经纬度、高度、速度、航向等信息，与邻机和地面站之间建立监视数据链路，在邻机和地面站显示该飞机飞行航迹，实现飞行态势监视。 

如图5所示，当多机协同飞行时，TCAS系统同样具备全天候复杂环境下提供交通状况、防撞告警建议等信息，并完成本机的飞行态势监视的能力，其工作原理与单机运用时类似。 

由于多机协同时，各成员间距离较近，为了有效提高多机协同飞行安全性，系统采用射频测距、光电探测、自主相对定位融合的方式增强其对协同飞行区域内空中态势的感知能力，并提供对应的防撞告警建议。 

长机通过空管链路周期发射本机的卫星载波相位信息、惯性导航信息，并要求指定的僚机回答其与长机的相对位置信息。该僚机收到此信息后，通过载波相位差分技术计算其与长机的相对位置信息，并按要求发射应答信息。长机收到应答后计算该僚机与长机的相对距离，并通过解码获得该僚机应答信息中包含的其与长机的相对位置信息。其余僚机通过接受长机发射的卫星载波相位信息、惯性导航信息以及指定僚机回答的其与长机相对位置信息，计算本机与长机、本机与指定僚机的相对位置信息。 

系统将上述方式探测到的相对位置信息与单机运用中涉及的射频、光电探测信息融合，获得高精度、高可靠性的态势感知能力。系统将此高精度、高可靠性的相对导航数据运用于军用飞机多机协同防撞模型与算法，确定本机由于位置偏差可能出现的碰撞危险，给出本机合适的机动飞行建议以及侵犯告警显示，以便本机与协同飞行其他成员间保持安全间隔距离。 

Claims (6)

1.一种编队飞机冲突检测方法，包含以下步骤： 

建模飞机运动： 

其中f(t)为定义在[0,∞)的分段Lipschitz连续函数，w(t)为高斯白噪声，满足E[w(t)w(t+z)]＝γ²δ(z),

表示飞机相对地面的运动，f表示飞机空速，w建模仪器精度误差、飞行员操作误差、气流影响等随机因素造成的航迹预估误差; 

由（1）式可得： 

其中

服从均值为0，方差为

的高斯过程，由Kolmogorov连续理论，b(t)具备连续形式B(t)使得对t≥0有P({w:b(t,w)＝B(t,w)})＝1； 

当（1）式用于建模飞机运动时，物理上要求b(t)连续，对b(t)乘以放大因子

可以得到b(t)为标准布朗运动，由Bachelier-Levy准则逃脱概率在如下情况可以得到解析形式，使得B(t)为一维标准布朗运动： 

定义μ∈R，τ＝inf{t≥0:B(t)＝a-μt}为以速度μ驶向起点a，有 

利用（3）式，可以对复杂飞行情况进行冲突概率的估计； 

由于b(t)的随机扰动使得s(t)存在冲突概率，将求冲突概率的问题转化为求标准布朗运动逃脱概率的问题： 

建模两架飞机遭遇情况，标记本机为A，它机为B，飞行于同一高度，建立直角坐标系x₁x₂，A由原点沿x₁轴运动，B以与x₁轴成θ角度从距原点Δx₀∈R²运动，当B驶入A的保护区域时出现冲突，令x^A(t)、x^B(t)为A、B在t时刻的二维坐标位置，有： 

x^A(t)＝u^At+∑B^A(t)    （4） 

x^B(t)＝Δx₀+u^Bt+R(θ)∑B^B(t)    （5） 

其中B^A(t)、B^B(t)为二维布朗运动且相互独立，∑＝diag(ν_a,ν_c)，ν_a,ν_c为扰动影响的功率谱密度，R(θ)为旋转矩阵，

（4）、（5）两式相减得： 

Δx(t)＝x^B(t)-x^A(t)＝Δx₀+Δut-n(t)    （6） 

其中Δu＝u^B-u^A，n(t)＝∑B^A(t)-R(θ)∑B^B(t)； 

令存在对角阵Λ＝diag(λ₁,λ₂)，其中 

因此，随机过程

成为一个起点在原点的二维标准布朗运动，（6）式可重写为： 

其中Δs(t)＝P^-1Δx(t)为两机在新坐标系Δs₀(t)＝P^-1Δx₀中的相对位移，u＝P^-1Δu， 

为起点在原点的二维独立标准布朗运动； 

假设保护区域半径为ρ，保护边界为： 

而且仅当入侵机进入该保护边界时，产生冲突，下面求二维标准布朗运动进入该冲突边界的概率，由于该概率没有闭合表达式，寻找可以逼近该概率的表达式，假设本机速度沿x₁轴运动，两架飞机相互靠近，由（8）可得： 

由（3）式，可得冲突概率P的逼近表达为： 

化简得到： 

其中

因为

当||u||＞1，p_t(t)接近于t₀＝a/||u||，将（13）中 

在t₀处0阶展开，可以得到： 

其中L由（11）式得到，a和x_d由（9）、（10）给出，t₀＝a/||u||，标准正太分布概率可以查表得到，L为正交变换后两机的最小距离。 

2.一种基于TCAS系统的防撞告警方法，包含有原有的适用于编队外飞机冲突检测方法，还包含有权利要求1所述的编队飞机冲突检测方法，具体包括以下步骤： 

步骤一、TCAS系统跟踪空域内的目标飞机，计算目标飞机的相对距离、方位以及高度变化率； 

步骤二、TCAS系统通过预设的编队成员信息，区分目标飞机为编队外飞机或者为本编队内飞机； 

步骤三、如果为本编队内飞机，则执行以下步骤： 

！）、实时探测本机与编队内飞机的位置，根据所述编队飞机冲突检测方法得到编队内成员飞行间隔的冲突概率； 

2）、根据编队飞机冲突概率的计算，当两机接近率较大时，调低告警阈值，告警范围增大，减小滤波持续探测时间，告警灵敏度提升，有助于对存在威胁的编队飞机降低漏检概率，当两机接近率较小或相互远离时，调高告警阈值，告警范围减小，增加滤波持续探测时间， 告警灵敏度下降； 

3）、冲突概率大于设定的告警阈值时，产生侵犯告警，系统选择侵犯告警的强度，所述侵犯告警的强度为能使本机通过最小机动重新获得正确的编队位置。 

3.根据权利要求2所述的一种基于TCAS系统的防撞告警方法，其特征在于所述步骤二中，区分目标飞机为编队外飞机时，则执行以下步骤： 

a）、根据目标飞机的相对距离、方位以及高度变化率，根据编队外飞机冲突概率的计算判断是否存在潜在威胁而生成交通告警； 

b）、交通告警生成后，根据编队外飞机冲突概率的计算，当两机接近率较大时，调低告警阈值，告警范围增大，减小滤波持续探测时间，告警灵敏度提升，当两机接近率较小或相互远离时，调高告警阈值，告警范围减小，增加滤波持续探测时间，告警灵敏度下降； 

c)、根据目标机与本机是否存在冲突概率的大小，判定是否存在决断告警威胁； 

d）、决断告警威胁存在后，选择决断告警的方向，用以确定本机的避让方向，以及选择决断告警的强度，所述选择决断告警的强度能使本机获得安全间距且垂直速率变化最小，生成决断告警。 

4.根据权利要求2或3所述的一种基于TCAS系统的防撞告警方法，其特征在于还包括： 

步骤四、TCAS系统通过座舱音频系统和显示画面实时向飞行员提供适宜的监视、告警信息和避让建议，同时也可按需要在紧急情况下，向飞行控制系统提供避让建议。 

5.根据权利要求2所述的防撞告警方法，其特征在于所述步骤一中的跟踪空域内的目标飞机采用以下步骤： 

S1、TCAS系统通过L波段射频天线接收空域内装备1090ES数据链的其他飞机广播的基于1090ES数据链的ADS-B信息； 

S2、通过L波段射频天线对附近空域进行A/C模式、S模式询问，获得目标飞机的距离、相对高度等信息； 

S3、通过分布式孔径红外系统接收空域内其他飞机的红外辐射信息，获得360°范围内其他飞机的相对距离、相对角度信息； 

S4、TCAS系统通过多传感器探测信息融合算法融合上述信息，建立目标航迹，比较并更新现存航迹，实现覆盖整个战略空域的空中交通态势显示。 

6.根据权利要求5所述的防撞告警方法,目标飞机为本编队内飞机时，还包括以下步骤： 

S5、长机通过空管链路周期发射本机的卫星载波相位信息、惯性导航信息，并要求指定 的僚机回答其与长机的相对位置信息，该僚机收到此信息后，通过载波相位差分技术计算其与长机的相对位置信息，并按要求发射应答信息，长机收到应答后计算该僚机与长机的相对距离，并通过解码获得该僚机应答信息中包含的其与长机的相对位置信息，其余僚机通过接受长机发射的卫星载波相位信息、惯性导航信息以及指定僚机回答的其与长机相对位置信息，计算本机与长机、本机与指定僚机的相对位置信息。 

Images