CN104501834A - 一种基于机载仪表着陆设备的合成视景系统校验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机载仪表着陆设备的合成视景系统校验方法，利用仪表着陆系统所给出的空间角度信息作为参考系，在进近阶段对合成视景系统进行校验；确定校验采样时间，校验单次采样点数，校验门限；实时获取进近过程中，合成视景和仪表着陆系统得到的航向面夹角和下滑道夹角；由获得的夹角数据计算检验统计量；计算得到的检验统计量进行合成视景系统可用性校验。弥补传统方法对于机场特征合成视景显示可用性校验的不足，提高了合成视景系统姿态或角度信息态势校验的能力，提高了校验过程对飞机姿态细小变化所带来的合成视景更新的核查效率；有效提高合成视景系统进近阶段的实用性，提高低空飞行安全性。

Description

一种基于机载仪表着陆设备的合成视景系统校验方法

技术领域

本发明涉及合成视景系统实际应用过程中的校验方法，特别是飞机进近过程中基于机载仪表着陆设备的合成视景系统校验方法。

背景技术

面对飞机飞行过程遭遇的复杂地形、气象环境，为了使得飞行员能够实时感知外界环境态势、保证飞行安全，需要采用信息感知、图像处理等技术呈现飞行器周围环境。合成视景系统根据飞机的姿态、高精度导航、地形数据库、障碍物和其它相关技术，采用计算机生成的前方虚拟视景，作为传统仪表的辅助，帮助飞行员“看”到自己周围的飞行环境，减轻工作负担。

合成视景系统主要通过向飞行员提供外部环境的虚拟图像，增强飞行员的环境感知和飞行纠错能力，但由于导航信息和地形数据库信息均存在误差，如何校验合成视景系统误差，或实时判断该系统提供给飞行员信息的可用性是需要解决的重要问题。

目前国际上常用的合成视景系统校验方法采用全球定位系统(GPS)和无线电高度表所获取的高度信息作为参考系，对合成视景系统所提供的信息进行校验。该方法由于参考源为距离类的高度信息，对于地形陡峭等特征明显的地域具有较好的校验效果，而机场附近进近过程飞行器离地较低，对该系统的机场平面特征显示，以及飞行姿态改变所造成外部态势变化显示提出了较高的要求。采用上述基于高度的校验方法不能起到很好的校验效果，还可能会对飞行员产生误导，影响低空飞行安全，需要在飞行进近阶段采用其它方法对合成视景系统进行校验，提高进近阶段合成视景系统校验方法本身的效果。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足,本发明提出一种基于机载仪表着陆设备的合成视景系统校验方法，利用仪表着陆系统所给出的空间角度信息作为参考系，在进近阶段对合成视景系统进行校验；以解决现有基于高度的校验方法对于角度或姿态校验误差大的问题，有效提高合成视景系统进近阶段的可用性，提高低空飞行安全。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种基于机载仪表着陆设备的合成视景系统校验方法，其特征在于包括以下步骤:

步骤1.确定校验采样时间，校验单次采样点数，校验门限；

设定合成视景系统校验所用参数，分别为:T_sample为校验采样时间，由仪表着陆系统输出夹角数据的时间间隔T_ILS，合成视景系统更新时间间隔T_SVS决定，取两数值最小公倍数；

N_sample为校验单次采样点数，由合成视景系统事先给出的最大告警时间T_warning计算获得，计算公式为:

N_sample＝T_warning*(1/T_sample)              (1)

E^th为校验门限，校验门限是判断合成视景误差能否接受的标准，大于校验门限则认为合成视景系统所显示的外部态势信息不可用，反之则可用；

步骤2.实时获取进近过程中，合成视景系统和仪表着陆系统所得到的航向面夹角和下滑道夹角；

按步骤1所确定的校验采样时间，实时获取进近过程中，合成视景系统和仪表着陆系统所得到的航向面夹角和下滑道夹角；

步骤3.由步骤2获得的夹角数据计算检验统计量；

对步骤2计算得到每个校验采样点处的两组航向面夹角和下滑道夹角，每隔N_sample个采样点，计算一次检验统计量E；

步骤4.采用步骤1所确定的校验门限对步骤3所计算得到的检验统计量进行合成视景系统可用性校验；

按步骤1所确定的校验门限E^th对上述步骤3中每N_sample个采样点后所计算得到的检验统计量E进行判别，一旦实际计算得到的E大于校验门限E^th，则告警:当前合成视景系统所显示的虚拟视景不可用。

有益效果

本发明提出的基于机载仪表着陆设备的合成视景系统校验方法，利用仪表着陆系统所给出的空间角度信息作为参考系，在进近阶段对合成视景系统进行校验；能有效弥补传统方法对于机场特征合成视景显示可用性校验的不足，提高了合成视景系统姿态或角度信息态势校验的能力。与现有技术相比，一是解决了传统基于高度校验方法姿态变化信息不够敏感的缺点，提高了校验过程对飞机姿态细小变化所带来的合成视景更新的核查效率；二是增强了复杂气象条件下飞行器机场周围或进近过程，有效提高合成视景系统进近阶段的实用性，提高低空飞行安全性。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种基于机载仪表着陆设备的合成视景系统校验方法作进一步详细说明。

图1为合成视景系统误差检验统计量的概率密度函数图。

图2为飞行器机场进近过程的航向面夹角和下滑道夹角。

图3为合成视景系统校验方法实施例的流程图。

具体实施方式

本实施例是一种基于机载仪表着陆设备的合成视景系统校验方法。

参阅图1、图2、图3,本实施例基于机载仪表着陆设备的合成视景系统校验方法，具体步骤如下:

第一步，设定合成视景系统校验所用参数，包括:校验采样时间T_sample，校验单次采样点数N_sample，校验门限E^th；T_sample校验采样时间应由仪表着陆系统输出夹角数据的时间间隔T_ILS，合成视景系统更新时间间隔T_SVS决定，取两数值最小公倍数；

N_sample校验单次采样点数由合成视景系统事先给出的最大告警时间T_warning计算获得，计算公式为:N_sample＝T_warning*(1/T_sample)；

E^th校验门限应满足:

$P_{\mathrm{FFD}}=P\left(H_0\right)\·{\∫}_{E^{\mathrm{th}}}^{\∞}{f}_{H_0}(E,N)\mathrm{dE}---\left(2\right)$

其中，P_FFD表示系统正常状态下检测到故障的概率，即事先给定的合成视景系统误检率，如图1所示阴影部分，P(H₀)表示合成视景系统事先确定的故障率，f_H0(E,N)表示检验统计量E的概率密度函数，为一个2N自由度的卡方分布，即E*X²(2N)。

第二步，分别从仪表着陆系统和合成视景系统提取两组航向面夹角和下滑道夹角(α_ILS，β_ILS)和(α_SVS，β_SVS)。其中仪表着陆系统可以直接给出其航向面夹角α_ILS和下滑道夹角β_ILS；合成视景系统的航向面夹角α_SVS计算为

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{svs}}=\arccos \left(\frac{a_{x1}{b}_x+a_{y1}{b}_y+a_{z1}{b}_z}{\sqrt{{a_{x1}}^2+{a_{y1}}^2+{a_{z1}}^2}\·\sqrt{{b_x}^2+{b_y}^2+{b_z}^2}}\right)---\left(3\right)$

其中， $(a_{x1},a_{y1},a_{z1})=(\frac{1}{\sqrt{1+{\tan }^2\mathrm{\γ}}},-\frac{\tan \mathrm{\γ}}{\sqrt{1+{\tan }^2\mathrm{\γ}}},0)=\mathrm{RO}$ 为跑道中心线的方向向量，γ为跑道中心位置和跑道与正北方向夹角，PO＝(b_x,b_y,b_z)为合成视景计算得到当前飞机位置P到跑道与GS平行的位置O的方向向量。

合成视景系统的下滑道夹角β_SVS由以下公式计算

${\mathrm{\β}}_{\mathrm{svs}}=\arccos \left(\frac{a_{x2}{b}_x+a_{y2}{b}_y+a_{z2}{b}_z}{\sqrt{{a_{x2}}^2+{a_{y2}}^2+{a_{z2}}^2}\·\sqrt{{b_x}^2+{b_y}^2+{b_z}^2}}\right)---\left(4\right)$

其中， $(a_{x2},a_{y2},a_{z2})=(\frac{a_{x1}}{\sqrt{1+{\tan }^2\mathrm{\φ}}},\frac{{-a}_{y1}}{\sqrt{1+{\tan }^2\mathrm{\φ}}},\frac{\tan \mathrm{\φ}}{\sqrt{1+{\tan }^2\mathrm{\φ}}})\×(a_{x1},a_{y1},a_{z1}).$

若采样点数大于等于校验单次采样点数，则进行下一步，否则循环；

第三步，对所计算得到每个校验采样点处的两组航向面夹角和下滑道夹角，即(α_ILS，β_ILS)和(α_SVS，β_SVS)，每隔N_sample个采样点，计算一次检验统计量E

$E=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\left[\mathrm{\Δ\α}\left(t_i\right)\right]}^2}{{\left[{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\Δ\α}}\right]}^2}+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\left[\mathrm{\Δ\β}\left(t_i\right)\right]}^2}{{\left[{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\Δ\β}}\right]}^2}---\left(5\right)$

其中，△α(t_i)为每个采样点处两组航向面夹角误差△α(t_i)＝α_ILS-α_SVS；△β(t_i)为每个采样点处两组下滑道夹角误差△β(t_i)＝β_ILS-β_SVS；σ_△α和σ_△β为事先确定的合成视景系统和仪表着陆系统测量的航向面夹角和下滑道夹角方差总和，包括地形数据库角度方差、导航定位角度方差、合成视景算法角度方差和仪表着陆系统角度方差。

第四步，按第1步所确定的校验门限E^th对上述第3步中每N_sample个采样点后所计算得到的检验统计量E进行判别，一旦实际计算得到的E大于校验门限E^th，则当前合成视景系统不可用，否则进入下一个校验循环。

Claims (1)

1.一种基于机载仪表着陆设备的合成视景系统校验方法，其特征在于包括以下步骤:

步骤1.确定校验采样时间，校验单次采样点数，校验门限；

设定合成视景系统校验所用参数，分别为:T_sample为校验采样时间，由仪表着陆系统输出夹角数据的时间间隔T_ILS，合成视景系统更新时间间隔T_SVS决定，取两数值最小公倍数；

N_sample为校验单次采样点数，由合成视景系统事先给出的最大告警时间T_warning计算获得，计算公式为:

N_sample＝T_warning*(1/T_sample)             (1)

E^th为校验门限，校验门限是判断合成视景误差能否接受的标准，大于校验门限则认为合成视景系统所显示的外部态势信息不可用，反之则可用；

步骤2.实时获取进近过程中，合成视景系统和仪表着陆系统所得到的航向面夹角和下滑道夹角；

按步骤1所确定的校验采样时间，实时获取进近过程中，合成视景系统和仪表着陆系统所得到的航向面夹角和下滑道夹角；

步骤3.由步骤2获得的夹角数据计算检验统计量；

对步骤2计算得到每个校验采样点处的两组航向面夹角和下滑道夹角，每隔N_sample个采样点，计算一次检验统计量E；

步骤4.采用步骤1所确定的校验门限对步骤3所计算得到的检验统计量进行合成视景系统可用性校验；

按步骤1所确定的校验门限E^th对上述步骤3中每N_sample个采样点后所计算得到的检验统计量E进行判别，一旦实际计算得到的E大于校验门限E^th，则告警:当前合成视景系统所显示的虚拟视景不可用。