CN104484717B - 基于当前航路的一种机载航迹预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于当前航路的一种机载航迹预测方法，提高飞机实时飞行引导、从而实现飞机按飞行计划及时准确飞行的目的。该预测方法采用较长时间段的航迹趋势预计分析与短时间航迹轨迹预计相结合的方式，进行加权平均获得最终的航迹预测结果，其中航迹趋势预计是按照飞机已飞航迹模拟出当前飞机的飞行曲线，由于惯性的原因，飞机将会沿着该曲线前进；短时航迹轨迹预计是指在通过飞机各种传感器获得的飞行状态，飞机在当前各种速度矢量的作用下，沿着惯性继续飞行；这两种方式分别从宏观与微观两种方式描述了飞机飞行的趋势，而飞机真实的飞行轨迹一定以某种方式与这两种轨迹一致。

Description

基于当前航路的一种机载航迹预测方法

技术领域

本发明属于机载嵌入式计算机领域，具体涉及一种机载航迹预测方法。

背景技术

航迹预测，对于准确完成已有飞行计划、减少航迹的不确定性、提高空域和机场资源利用率和安全性都有非常重要的作用。

飞机的基本飞行过程如图1所示，在垂直剖面上由起飞段、爬升段、巡航段、下降段、着陆段组成；在水平航路上，飞机通常沿直线从一个导航点飞向另一个导航点，水平航迹由一系列直线飞行段和圆弧飞行段组合而成。航路转弯有三种模式：内切转弯、约束转弯和末端转弯三种，航路上最常见的就是内切转弯。

航迹预测必须针对飞机飞行不同阶段的特性分别进行预测，例如民用飞机在爬升时保持直线航迹飞行；而巡航段飞行时时将会保持固定高度飞行。理论上讲，飞机应该按照飞行计划沿直线飞行，但是由于实际飞行环境的各种外力因素，飞机实际上是绕着航线波动飞行，因此较短时间的飞行预测对于保障飞机沿正确航路飞行具有非常重要的意义。

当前，已有的航迹预测存在以下不足：1)基于特定数学模型的航迹预测，计算复杂，要求输入参数多，耗时长，无法移植到机载设备中进行计算；2)预测精度差，在一些特定情况下，无法真正做到准确预计，用户体验差。

对于飞行任务而言，我们希望根据当前飞行的状态以及当前执行的飞行计划，在较短时间内动态、准确地预测飞机是否存在偏航的趋势，通过及时通知飞行员当前所处的飞行状态，减少不必要的飞行操做，达到及时准确的按飞行计划飞行的目的。

发明内容

本发明提出一种快速、可靠的飞行器航迹预测方法，提高飞机实时飞行引导、从而实现飞机按飞行计划及时准确飞行的目的。

本发明的技术方案：

基于当前航路的一种机载航迹预测方法，包括以下环节：

1)通过机载设备获取已飞航迹和当前飞行状态信息；

2)设定预计时间间隔△t；

3)依据已飞航迹做出宏观航迹预计，具体是：依据已飞航迹拟合样条曲线，参考当前的飞行速度计算出△t时间后的飞行位置；

根据当前飞行状态信息做出微观航迹预计，具体是假设飞机在很短的时间内始终沿着直线飞行，综合当前飞行状态信息计算出△t时间后的飞行位置；

4)将微观航迹与宏观航迹进行加权平均，最终输出预计△t时间后的飞行位置。

在以上方案的基础上，本发明还进一步作如下优化：

该预测方法还通过设置偏航阈值；参考正在执行的飞行计划航段，计算环节4)得出的飞行位置的偏离距离Dis，如果Dis大于所述偏航阈值，则发出告警信息或者直接将偏航指令发送给自动驾驶仪，使控制飞机沿航路飞行。

上述飞行状态信息包括俯仰、航向、风速和空速。

进行微观航迹预计时，根据当前飞行状态信息首先判断飞行的阶段：

若为平飞段，则按照平飞航迹计算；

若为爬升段或下降段，则按照垂直航迹计算；

若为转弯段，则按照转弯航迹计算。

本发明具有以下优点：

1.易于获取基本计算参数；

2.计算速度快，计算量小，适用于嵌入式计算机领域；

3.能够满足短时航迹预测的目的。

附图说明

图1为飞机飞行的垂直剖面示意图。

图2为飞机飞行的水平航迹示意图。

图3为航迹预测公式分解图。

图4为航迹预测模块硬件部署图。

图5为航迹预计模块流程图。

图6为航迹预测提示的流程图。

具体实施方式

本次发明采用一种较长时间段的航迹趋势预计分析与短时间航迹轨迹预计相结合的方式，对于不同飞机，采用加权平均的结果获得最终的航迹预测结果，可以在快速计算的基础上，提高计算的精度。

航迹趋势预计是按照飞机最近Dm公里飞行轨迹，模拟出当前飞机的飞行曲线，由于惯性的原因，飞机将会沿着该曲线前进，根据飞机当前的飞行速度，可以计算出在△t时间后飞机的位置(X1，Y1，H1)。

短时航迹轨迹预计是指在通过飞机各种传感器获得的飞行状态，飞机在当前各种速度矢量的作用下，沿着惯性继续飞行，根据飞机当前的飞行速度及其变化趋势，可以计算出在△t时间后飞机的位置(X2，Y2，H2)。

这两种方式分别从宏观与微观两种方式描述了飞机飞行的趋势，而飞机真实的飞行轨迹一定以某种方式与这两种轨迹一致。

△X＝u1*X1+u2*X2；u1+u2＝1；

△Y＝w1*Y1+w2*Y2；w1+w2＝1；

△H＝v1*H1+v2*H2；v1+v2＝1；

其中u1，u2，w1，w2，v1，v2都是飞机在不同风速风向的环境下所应采用的不同的权值。如果在无风的环境下，飞机一定会沿着宏观轨迹飞行，此时假定(u1，w1，v1)为1；(u2，w2，v2)为0。然而空中风速非常大的时候，飞机将会沿着微观轨迹飞行，此时假定(u1，w1，v1)为0；(u2，w2，v2)为1。

由于不同的飞机发动机性能不一致，最大作用风速产生的阻力与飞机发动机推力一致，飞机在空中处于静止状态，也就是地速为零的状态；将最大风速作为分母，将当前风速作为分子，可以得到(u2，w2，v2)的阈值。根据上述公式，同样也可得到(u1，w1，v1)的阈值。

具体参照以下计算方法，就可以获得相对准确的飞机预计位置。

就某型飞机而言，其发动机的推力范围是确定的，设为F∈[Fmin，Fmax]；其载重范围也是确定的，设为G∈[Gmin，Gmax]；根据公式：飞机质量＝飞机重量/重力加速度，我们推出飞机质量范围为M∈[Mmin，Mmax]；根据公式：推力＝物体质量×加速度,我们可以推出飞机加速度的范围A∈[Amin，Amax]；以上所述为飞机的基本性能参数。飞机的基本性能参数为已知变量。

在航迹预测过程中，还必须加上风速风向的影响，风速和风向可以通过机载大气设备计算得到，在此不做累述，在这里将风速记为Vw，风向W，这两个变量都是已知变量。

在飞行过程中的某个特定时刻T，通过机载导航设备，可以实时获得当前飞机的位置、(X，Y)，高度H，航向α，爬升角γ，当前速度V；这些变量是飞机在飞行过程中实时获取的一直变量。

为了计算方便，航迹预计的时刻是等长的，记为△t。

将需要预计的时刻记为T1，T1＝T+△t；

为了计算的准确性，还必须得到速度的变化趋势，因此还需要记录在T0(T0＝T-△t)时刻的飞机飞行速度V0。由此可以得出飞机油T0时刻到T时刻的飞机加速A0，

A0＝(V-V0)/△t，我们假定在相对较短的一段时间内速度的变化趋势是一致的。

假定在△t时间过后，飞机所在的位置被记为(Xt，Yt，Ht)，根据上述已知条件我们得出新位置的坐标计算公式如下所示：

Xt＝X+V*cos(α)*△t+0.5*A0 cos(α)*△t2+Vw*cos(W)；

Yt＝Y+V*sin(α)*△t+0.5*A0 sin(α)*△t2+Vw*sin(W)；

Ht＝H+V*sin(α)*tan(γ)*△t+0.5*A0 sin(α)*tan(γ)*△t2；

至此，在△t时间段之后的飞机的位置(Xt，Yt，Ht)即被计算出来。参考正在执行的飞行计划航段，计算点到直线的距离Dis，如果Dis小于一个阈值范围，则飞机飞行正常；若大于该阈值范围，则说明飞机的具有偏航趋势，可以提示飞行员提前做好校正工作。

在机载航电系统综合处理计算机中，硬件部署如图4所示。机载航迹预计方法的具体实施步骤如下：

1、通过存储模块获取飞机的性能数据；

2、通过数据采集模块获取飞机实时飞行的状态数据；

3、根据飞行经验设置预计时间间隔以及偏航阈值；

4、通过构造飞行实时航迹预计模块完成对下一个时刻飞机预计位置进行预计计算，从而获得下一时刻的位置。

5、将该数据发送至座舱显示器告知飞行员预计结果或者直接将偏航指令发送的自动驾驶仪，控制飞机沿航路飞行。

航线预计模块的具体处理过程参见图5。

飞行的宏观轨迹是依据飞机的已飞航迹进行计算获得。具体的预计方式为获取飞机指定长度的飞行轨迹，计算器拟合样条曲线，根据当前的飞行速度，可以获得预置时间的飞行位置；

飞行的微观轨迹是通过飞机获得基本飞行状态，例如俯仰、航向、风速、空速等，假设飞机在很短的时间内、沿着直线飞行的方式获得预置时间的飞行位置；

将微观航迹与宏观航迹进行加权平均，最终获得飞机的预计航迹。

Claims (3)

1.基于当前航路的一种机载航迹预测方法，包括以下环节：

1)通过机载设备获取已飞航迹和当前飞行状态信息；

2)设定预计时间间隔△t；

3)依据已飞航迹做出宏观航迹预计，具体是：依据已飞航迹拟合样条曲线，由于惯性的原因，飞机将会沿着该曲线前进，根据飞机当前的飞行速度，可以计算出在△t时间后飞机的位置(X1，Y1，H1)；

根据当前飞行状态信息做出微观航迹预计，具体是：通过飞机各种传感器获得的当前飞行状态信息，飞机在当前各种速度矢量的作用下，会沿着惯性继续飞行，根据飞机当前的飞行速度及其变化趋势，可以计算出在△t时间后飞机的位置(X2，Y2，H2)；

所述飞行状态信息包括俯仰、航向、风速和空速；

4)将微观航迹与宏观航迹进行加权平均，最终输出预计△t时间后的飞行位置；所述加权平均得到的空间位移增量为：

△X＝u1*X1+u2*X2；u1+u2＝1；

△Y＝w1*Y1+w2*Y2；w1+w2＝1；

△H＝v1*H1+v2*H2；v1+v2＝1；

其中u1，u2，w1，w2，v1，v2都是飞机在不同风速风向的环境下所应采用的不同的权值；权值的设置原则是：如果在无风的环境下，飞机一定会沿着宏观轨迹飞行；而如果在风速非常大的环境下，飞机将会沿着微观轨迹飞行。

2.根据权利要求1所述的基于当前航路的一种机载航迹预测方法，其特征在于：还通过设置偏航阈值；参考正在执行的飞行计划航段，计算环节4)得出的飞行位置的偏离距离Dis，如果Dis大于所述偏航阈值，则发出告警信息或者直接将偏航指令发送给自动驾驶仪，使控制飞机沿航路飞行。

3.根据权利要求1所述的基于当前航路的一种机载航迹预测方法，其特征在于：进行微观航迹预计时，根据当前飞行状态信息首先判断飞行的阶段：

若为平飞段，则按照平飞航迹计算；

若为爬升段或下降段，则按照垂直航迹计算；

若为转弯段，则按照转弯航迹计算。