CN105844972A - 一种直升机前视地形告警方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种直升机前视地形告警方法，包括：步骤1，根据直升机初始运动状态及性能数据确定改出机动方式，并代入直升机飞行动力学模型求解直升机正常轨迹和逃逸轨迹；步骤2，获取直升机前视告警边界；步骤3，构建的前视告警边界和地形数据库进行告警威胁判断，若前视告警边界与地形碰撞时，发出警告。该方法可以对直升机飞行航线上的地形提供防撞告警，提醒飞行员采取必要的机动措施，以避免地形碰撞事故。

Description

一种直升机前视地形告警方法

技术领域

本发明涉及一种直升机技术，特别是一种直升机前视地形告警方法。

背景技术

在航空飞行中，由于缺乏对飞行器周围地形的感知而发生坠毁事故的情况被称为可控飞行撞地(controlled flight into terrain,CFIT)，可控飞行撞地一直以来都是现代商用航空飞行事故的主要原因之一。为此，工业界研究发明了近地告警系统(ground proximity warning system,GPWS)以减少CFIT事故。经过美国联邦航空局和国际民航组织的推广，目前，几乎所有的商用喷气飞机均装备了GPWS。随着GPWS的推广使用，CFIT事故明显减少了。

然而，CFIT仍然是航空飞行事故的重要原因之一，造成大量的人员伤亡和财产损失。GPWS在实际使用过程中也暴露出一些问题，存在需要进一步改进的地方。为了消除GPWS的不足，克服GPWS的局限性，工业界在1998年推出了地形感知与告警系统(terrain awareness warning system,TAWS)，即增强型近地告警系统(enhanced ground proximity warning system,EGPWS)。TAWS是在GPWS的基础上发展而来的，其在GPWS的基础上增加了前视告警功能。自从1998年工业界推出TAWS以后，全球每年的CFIT事故进一步减少，数据显示TAWS确实可以有效预防CFIT事故的发生。由于TAWS基本上可以覆盖GPWS的所有功能，目前GPWS已逐步减少使用，而由TAWS取而代。

直升机常飞行于地理环境复杂的低空区域，CFIT也是重要的事故原因。TAWS在固定翼飞机上的成功使用，使得人们很自然地想到要把TAWS安装到直升机上，即直升机地形提示与告警系统(helicopter terrain awareness warningsystem,HTAWS)，以减少CFIT事故的发生。然而，直升机与固定翼飞机在机械结构、机动方式、飞行性能等方面都有着很大的不同，直接将固定翼飞机上的TAWS安装在直升机上不但不能有效地提供地形防撞告警还会带来虚警率过大等一系列问题。因此需要根据直升机的飞行特点研究合理有效的HTAWS告警方法。

在此背景下，以美国Honeywell公司为首的航电厂商开始研制应用于直升机的HTAWS告警算法。各航电厂商的HTAWS的算法资料多处于非公开状态，只有Honeywell公司公开了其MKXXI和MKXXII型HTAWS的算法资料。Honeywell公司HTAWS前视告警的工作原理如下：基于直升机飞行状态，在其前进方向空间上生成一个虚拟的告警边界，告警边界由四个部分组成，即下视边界、前视边界、上视边界和侧边界。同时获取数据库提供的地形数据信息，实时比较告警边界与周边地形的空间位置关系，当告警边界与地形触碰时即触发告警，告警触发时HTAWS同时给出灯光告警和语音告警。然而该算法为了考虑通用性，其告警边界设计较为保守，因此具有虚警率较高的缺点。对于机动能力较强的军用直升机尤其是武装直升机，该算法的告警范围过大，提前告警时间过长，因而会大大限制直升机性能的发挥。

发明内容

本发明的目的在于提供一种直升机前视地形告警方法，该方法可以对直升机飞行航线上的地形提供防撞告警，提醒飞行员采取必要的机动措施，以避免地形碰撞事故。此外，该方法还提供地形显示功能，将至直升机周边的地形以一定的方式显示在显示器上，使得飞行员对周边地形有更直观的了解。

本发明包括以下步骤：

1)根据直升机初始运动状态及性能数据确定改出机动方式，并代入直升机飞行动力学模型求解直升机正常轨迹和逃逸轨迹。直升机飞行过程中以一定频率实时计算直升机正常轨迹和逃逸轨迹。正常轨迹为一条直线，从当前位置开始，沿着当前速度方向向前延伸即为正常轨迹。逃逸轨迹与直升机所采取的改出机动方式有关，常见的改出机动方式有两种：滚转至水平拉起爬升和直接拉起爬升。滚转至水平拉起爬升指的是直升机首先滚转至水平再拉起爬升，对应的逃逸轨迹称为垂直改出轨迹(vertical recovery trajectory，VRT)；直接拉起爬升指的是直升机以当前滚转角拉起爬升，对应的逃逸轨迹称为倾斜改出轨迹(obliquerecovery trajectory，ORT)。本发明同时计算这两种逃逸轨迹，将直升机飞行参数和机动方式代入直升机飞行动力学模型分析程序，计算直升机的操纵响应，包括直升机法向加速度响应、直升机俯仰角速率响应和直升机滚转角速率响应。将操纵响应代入直升机运动方程即可以得到直升机的逃逸轨迹。给定不同的机动措施就可以计算得到垂直改出轨迹和倾斜改出轨迹。

2)以步骤1)得到的直升机正常轨迹和逃逸轨迹为基础确定直升机前视告警边界。直升机飞行过程中应该在其下方留出一段安全距离，这就是最小安全高度(ΔH)，直升机正常飞行应不低于这一高度，因此前视告警边界首先需要确定最小安全高度，然后根据TSO-194C对提前告警时间的要求确定前视告警边界的前视距离，直升机运动轨迹(包括正常轨迹和逃逸轨迹)、最小安全高度和前视距离共同决定了纵向告警边界。此外，当直升机以较低高度飞越山脊时，为了避免虚警，下视边界需进行额外的边界剪裁。经过边界剪裁的纵向边界即为最终的纵向告警边界。直升机飞行过程中所处的位置具有一定的横向不确定性，因此告警边界应具有一定宽度。前方越远处直升机位置不确定性越大，因此前方越远处告警边界的宽度也应该越大。为此，在起始宽度的基础上，以一定的偏斜角向前延伸即得到前视告警的侧边界。纵向告警边界，侧边界共同组成了前视告警边界。前视告警边界分为内外两层，分别对应不同的紧急情况，内层边界和外层边界设计流程完全一致，区别仅在于确定前视距离时所对应的提前告警时间不一样，内层边界对应的提前告警时间较短，外层告警边界对应的提前告警时间较长。对于正常轨迹、垂直改出轨迹和倾斜改出轨迹均按照上述方法进行处理，每条轨迹分别对应内外两层告警边界，因此共得到六条告警边界。

3)基于步骤2)构建的前视告警边界和地形数据库进行告警威胁判断。将前视告警边界与地形数据库中的地形数据信息进行比较，从而进行告警判断。六条前视告警边界同时与地形数据信息进行比较。三条外边界(正常轨迹外边界、垂直改出轨迹外边界、倾斜改出轨迹外边界)同时与地形碰撞时，告警模块给出警戒告警，告警灯光为黄色，若垂直改出轨迹迟于倾斜改出轨迹与地形碰撞，告警语音为“滚转拉起”；若倾斜改出轨迹迟于垂直改出轨迹与地形碰撞，告警语音为“拉起”。三条内边界(正常轨迹内边界、垂直改出内边界、倾斜改出内边界)同时与地形碰撞时，告警模块给出警告告警，告警灯光为红色，若垂直改出轨迹迟于倾斜改出轨迹与地形碰撞，告警语音为“滚转拉起”；若倾斜改出轨迹迟于垂直改出轨迹与地形碰撞，告警语音为“拉起”。告警边界以一定频率(0.5s)实时更新，告警威胁判断也以相应频率(0.5s)实时进行。

4)基于直升机当前位置与地形数据库进行地形显示。多功能显示器通过串口通信获得直升机周边的地形数据信息，并将以直升机为中心的周围10海里范围内地形显示在显示器上。地形显示为分层显示，即不同高度的地形显示为不同的颜色。障碍物和高压线用特殊的符号进行表示，并在标示在显示器对应位置处。

本发明以直升机逃逸轨迹作为前视告警边界的基础，逃逸轨迹是直升机在遇到潜在的地形威胁时采取机动措施后的运动轨迹，地形与直升机逃逸轨迹触碰瞬间是直升机能否逃逸成功的时间临界点，过早告警将引起虚警，过晚告警将导致告警失败。因此以逃逸轨迹为基础设计前视告警边界可以最小化虚警率并最大化告警成功率。仿真计算结果表明本发明的告警方法，告警成功率可以达到99％，虚警率可以降至5％。

下面结合说明书附图对本发明做进一步描述。

附图说明

图1所示为本发明前视告警边界设计流程图。

图2所示为本发明前视告警原理图。

图3所示为本发明实施例直升机正常轨迹、逃逸轨迹的示意图。

图4为本发明的方法流程图。

具体实施方式

本发明提出的一种前视地形告警方法根据直升机当前飞行状态以一定频率实时计算直升机的正常轨迹和逃逸轨迹。为了解决直升机地形防撞的难题，本发明基于高精度的直升机飞行动力学模型、地形数据库、卫星定位、综合显示等技术提出了一种基于直升机性能模型的地形防撞告警方法。首先根据直升机当前飞行状态以一定频率实时计算直升机的正常轨迹和逃逸轨迹，正常轨迹指的是直升机以当前飞行状态为基础不采取任何机动措施继续飞行的运动轨迹，逃逸轨迹指的是直升机以当前飞行状态为基础采取一定的机动措施后的运动轨迹。然后以正常轨迹和逃逸轨迹为基础，考虑安全裕度，数据误差等因素进行适当处理得到前视告警边界。将前视告警边界与地形数据库中的数据信息进行比较，若前视告警边界与地形碰撞，系统将给出灯光告警和语音告警。同时多功能显示器通过串口通信获得直升机周边的地形数据信息，并将以直升机为中心的周围10海里范围内地形显示在显示器上。

以正常轨迹和逃逸轨迹为基础，考虑安全裕度，数据误差以及横向位置不确定性等因素进行适当处理得到前视告警边界。附图1为本发明前视告警边界设计流程图。将前视告警边界与地形数据库中的数据信息进行比较，若前视告警边界与地形碰撞，系统将给出灯光告警和语音告警。同时多功能显示器通过串口通信获得直升机周边的地形数据信息，并将以直升机为中心的周围10海里范围内地形显示在显示器上。本发明主要涉及高精度的直升机飞行动力学模型、地形数据库、卫星定位、综合显示等技术。详细的技术方案包括如下步骤，如图4所示。

1)根据直升机初始运动状态及性能数据确定改出机动方式，并代入直升机飞行动力学模型求解直升机正常轨迹和逃逸轨迹。直升机飞行过程中以一定频率实时计算直升机正常轨迹(122)和逃逸轨迹(120)。本发明根据直升机飞行参数实时计算正常轨迹、垂直改出轨迹和倾斜改出轨迹。正常轨迹为一条直线，从当前位置开始，根据提前告警时间(121)沿着当前速度方向向前延伸即为正常轨迹。本发明同时计算垂直改出轨迹和倾斜改出轨迹(逃逸轨迹)，根据惯性导航系统(105)、航姿系统(106)、全球定位系统(107)和大气数据计算机(108)中的数据信息得到直升机的初始运动状态量(111)。根据直升机性能计算程序(109)和直升机厂商提供的直升机性能数据(110)得到直升机的经济速度(113)，根据直升机初始飞行速度与经济速度的关系确定拉起爬升动作(112)，若直升机初始飞行速度大于经济速度，拉起爬升动作为后拉杆加提总距；若直升机初始飞行速度小于经济速度，拉起爬升动作为提总距。基于直升机飞行动力学仿真程序(101)或直升机飞行试验数据(102)可以得到与直升机初始运动状态量(111)、改出动作(112)相对应的逃逸过程俯仰角速率时间历程曲线(103)和逃逸过程法向加速度时间历程曲线(104)。将直升机初始运动状态量(111)和俯仰角速率时间历程曲线(103)代入如下的直升机运动方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}}_i=p_i+q_i\left({\mathrm{sin\φ}}_{i-1}\right)\left({\mathrm{tan\θ}}_{i-1}\right)\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_i=q_i\left({\mathrm{cos\φ}}_{i-1}\right)\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}_i=q_i\left({\mathrm{sin\φ}}_{i-1}\right)\left({\mathrm{sec\θ}}_{i-1}\right)\end{array}\right.---\left(a\right)$

可以得到p、q机体三轴角速度预测值(114)和机体姿态角预测值(115)，结合法向加速度时间历程曲线(104)可以得到机体三轴加速度(116)，经过坐标变化可以得到地轴系下三轴的加速度(117)，进一步进行积分计算可以得到地轴系下三轴速度(118)和地轴系下三轴位移(119)从而得到直升机的逃逸轨迹(120)。进行改出机动操纵时，滚转至水平再拉起爬升计算得到的逃逸轨迹为垂直改出轨迹；直接拉起爬升计算得到的逃逸轨迹为倾斜改出轨迹。附图3为本实施例计算的直升机正常轨迹和逃逸轨迹，包括提前告警时间较短的垂直改出轨迹(302)、提前告警时间较长的垂直改出轨迹(304)、提前告警时间较短的倾斜改出轨迹(301)、提前告警时间较长的倾斜改出轨迹(303)、提前告警时间较长的正常轨迹(305)和提前告警时间较短的正常轨迹(306)。

2)以步骤1)得到的直升机正常轨迹和逃逸轨迹为基础确定直升机前视告警边界。直升机飞行过程中应该在其下方留出一段安全距离，这就是最小安全高度(124)，直升机正常飞行应不低于这一高度，前视告警边界首先确定最小安全高度，最小安全高度设为50米(相当于将正常轨迹和逃逸轨迹竖直向下平移50米)，起飞或着陆阶段为了减少虚警该值应该相应减小。因此最小安全高度可以表示为：

$\mathrm{\&Delta;}H=\left\{\begin{array}{cc}0& D<2\\ 107(D-2)& 2\&le;D\&le;3.4\\ 150& D>3.4\end{array}\right.---\left(b\right)$

式中，D为直升机距最近跑道距离(单位海里)。根据TSO-194C的要求，警告告警至少提前20秒，警戒告警至少提前30秒。根据这一规定警告前视距离(123)为直升机以当前状态飞行20秒通过的距离，警戒前视距离(123)为直升机以当前状态飞行30秒通过的距离。正常轨迹和逃逸轨迹均向前延伸到前视距离处终止。直升机正常轨迹、逃逸轨迹、最小安全高度和前视距离共同确定了前视纵向告警边界。

当直升机以较低高度飞越山脊时，为了避免虚警，前视告警边界需进行额外的边界剪裁(126)。在进行边界剪裁时，系统预设定一个角度上限值θ_sx、一个角度基准值δ和一个偏置距离h。剪裁角度可以表示为：

θ_jc＝min(γ,θ_sx)-δ (c)

其中γ为直升机航迹倾斜角。边界剪裁从直升机正下方一定偏置距离h处开始，沿着剪裁角θ_jc的方向向前延伸直至与原有前视告警边界相交。经过边界剪裁的纵向边界即为最终的纵向告警边界(125)。

直升机飞行过程中所处的位置具有一定的横向不确定性，因此告警边界应具有一定宽度。前方越远处直升机位置不确定性越大，因此前方越远处告警边界的宽度也应该越大。为此，在起始宽度的基础上，以一定的偏斜角向前延伸即得到前视告警的侧边界(127)。纵向告警边界(125)，侧边界(127)共同组成了前视告警边界(129)。

为最大程度的减少直升机在最后着陆阶段因高度误差、地形数据库分辨率及精度误差引起的虚警，引入“剪裁高度(128)”这一概念。剪裁高度分为相对于跑道的剪裁高度H_r、相对于直升机的剪裁高度H_a和绝对剪裁高度H_jc。

相对于跑道的剪裁高度是一个固定值，其大小与最近机场跑道的海拔高度有关，可具体H_r可以表示为H_r＝H_re+H_s。其中，H_re为机场跑道海拔；H_s为预设定值，典型值为100米。H_a可以表示为H_a＝H_ae-ΔH-H_b。其中，H_ae为直升机瞬时海拔高度；ΔH为地形最小安全高度；H_b为可调偏置量，典型值为6米。绝对剪裁高度可以表示为：

$H_{jc}=\left\{\begin{array}{cc}{H}_r& D<1\\ min\left(H_{r,}{H}_a\right)& D\&GreaterEqual;1\end{array}\right.---\left(d\right)$

式中，D为直升机距最近跑道距离。当直升机海拔高度小于绝对剪裁高度时，系统不进行任何告警。

前视告警边界分为内外两层，分别对应警告告警和警戒告警，内层边界和外层边界设计流程完全一致，区别仅在于确定前视距离时所对应的提前告警时间不一样，内层边界对应的提前告警时间较短，外层告警边界对应的提前告警时间较长。对于正常轨迹、垂直改出轨迹和倾斜改出轨迹均按照上述方法进行处理，每条轨迹分别对应内外两层告警边界，因此共得到六条告警边界。

3)基于步骤2)构建的前视告警边界和地形数据库进行告警威胁判断。撞地威胁判断模块(203)基于前视告警边界(201)和地形数据库(202)进行告警判断。六条前视告警边界同时与地形数据信息进行比较。三条外边界同时与地形碰撞时，告警模块给出警戒告警，告警灯光(205)为黄色，若垂直改出轨迹迟于倾斜改出轨迹与地形碰撞，告警语音(206)为“滚转拉起”；若倾斜改出轨迹迟于垂直改出轨迹与地形碰撞，告警语音(206)为“拉起”。三条内边界同时与地形碰撞时，告警模块给出警告告警，告警灯光(205)为红色，若垂直改出轨迹迟于倾斜改出轨迹与地形碰撞，告警语音(206)为“滚转拉起”；若倾斜改出轨迹迟于垂直改出轨迹与地形碰撞，告警语音(206)为“拉起”。

4)基于直升机当前位置与地形数据库进行地形显示。多功能显示器通过串口通信获得直升机周边的地形数据信息，并将以直升机为中心的周围10海里范围内地形显示在显示器上。地形显示(204)为分层显示，当地形与直升机的相对高度大于150米时，地形显示为红色(50％饱和度)，此时地形高度大于直升机飞行高度，直升机存在潜在的撞地危险，飞行员应格外注意。当地形与直升机的相对高度介于0至150米之间时，地形显示为黄色(50％饱和度)，此时地形高度也大于直升机飞行高度。对于其他高度小于直升机飞行高度的地形也以一定的方式分层显示，地形相对于直升机高度为-75米—0时，显示为黄色(25％饱和度)，地形相对于直升机高度为-150米—-75米时，显示为绿色(50％饱和度)，地形相对于直升机高度为-450米—-150米时，显示为绿色(16％饱和度)当地形与直升机相对高度小于-450米时，地形威胁较小，对于此类地形统一显示为黑色。

Claims (7)

1.一种直升机前视地形告警方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，根据直升机初始运动状态及性能数据确定改出机动方式，并代入直升机飞行动力学模型求解直升机正常轨迹和逃逸轨迹，所述逃逸轨迹包括垂直改出轨迹和倾斜改出轨迹；

步骤2，获取直升机前视告警边界，所述前视告警边界包括前视纵向告警边界和前视横向告警边界，其中前视纵向告警边界由直升机正常轨迹、逃逸轨迹和设定的最小安全高度、前视距离共同确定，前视横向告警边界为在设定的起始宽度的基础上以一定的偏斜角向前延伸的边界；所述前视距离为告警后直升机以当前状态飞行设定的时间的距离；

步骤3，构建的前视告警边界和地形数据库进行告警威胁判断，若前视告警边界与地形碰撞时，发出警告。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1的具体过程为：

步骤1.1，获取直升机的初始运动状态量；

步骤1.2，获取直升机的经济速度，根据直升机初始飞行速度与经济速度的关系确定改出动作；

步骤1.3，获取直升机初始运动状态量、改出动作相对应的逃逸过程俯仰角速率时间历程曲线、滚转角速率时间历程曲线和逃逸过程法向加速度时间历程曲线；

步骤1.4，根据俯仰角速率时间历程曲线和滚转角速率时间历程曲线可以获得绕机体三轴角速率，将直升机初始运动状态量(此处具体指初始姿态角)和绕机体三轴角速率代入下式可获得姿态角速率预测值

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&phi;}}}_i=p_i+q_i\left({\mathrm{sin\&phi;}}_{i-1}\right)\left({\mathrm{tan\&theta;}}_{i-1}\right)\\ {\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_i=q_i\left({\mathrm{cos\&phi;}}_{i-1}\right)\\ {\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&psi;}}}_i=q_i\left({\mathrm{sin\&phi;}}_{i-1}\right)\left({\mathrm{sec\&theta;}}_{i-1}\right)\end{array}\right.$

其中，p_i、q_i为绕机体X轴和Y轴角速率，θ_i-1、φ_i-1为前一时刻姿态角，为姿态角速率预测值，i为时刻索引值；

步骤1.5，姿态角速率预测值经过积分计算即可得到姿态角预测值，进一步结合法向加速度时间历程曲线可以得到体轴系下机体三轴加速度；

步骤1.6，将体轴系下机体三轴加速度转化到地轴系下即可得到地轴系下三轴加速度；

步骤1.7，通过积分和迭代计算得到直升机的逃逸轨迹。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述改出动作，对于滚转至水平再拉起爬升计算得到的逃逸轨迹为垂直改出轨迹；对于直接拉起爬升计算得到的逃逸轨迹为倾斜改出轨迹。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述轨迹根据提前告警时间的不同而不同，轨迹包括提前告警时间较短的垂直改出轨迹、提前告警时间较长的垂直改出轨迹、提前告警时间较短的倾斜改出轨迹、提前告警时间较长的倾斜改出轨迹、提前告警时间较长的正常轨迹和提前告警时间较短的正常轨迹。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，起飞或着陆阶段，为减少虚警，最小安全高度设置为

$\mathrm{\&Delta;}H=\left\{\begin{array}{cc}0& D<2\\ \frac{B}{1.4}(D-2)& 2\&le;D\&le;3.4\\ B& D>3.4\end{array}\right.$

其中B为最小安全高度的最大取值，D为直升机距最近跑道距离，单位为海里。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当直升机以较低高度飞越山脊时，为避免虚警，对前视纵向告警边界进行剪裁，剪裁角度为θ_jc＝min(γ,θ_sx)-δ，其中θ_sx为设定的角度上限值，δ为设定的角度基准值，γ为直升机航迹倾斜角，边界剪裁从直升机正下方一定偏置距离h处开始，沿着剪裁角θ_jc的方向向前延伸直至与原有前视告警边界相交。

7.根据权利要求1或6所述的方法，其特征在于，设定一剪裁高度，当直升机海拔高度小于绝对剪裁高度时，系统不进行任何告警，具体包括：

(1)相对于跑道的剪裁高度H_r＝H_re+H_s，H_re为机场跑道海拔；H_s为预设定值；

(2)相对于直升机的剪裁高度H_a＝H_ae-ΔH-H_b，H_ae为直升机瞬时海拔高度，ΔH为地形最小安全高度，H_b为可调偏置量；

(3)绝对剪裁高度D为直升机距最近跑道距，单位海里。