CN108153751B - 一种机载设备地图数据库飞行期间主动更新方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种机载设备地图数据库飞行期间主动更新方法，其特征在于，包括以下步骤：1)优先以主动探测方法判定城区障碍物边界，在主动探测方法失效时通过无线电高度计判定城区障碍物边界；2)无线电高度计确认城区障碍物，地形满足城区障碍物无线电高度特点且范围满足要求，则确认为城区障碍物，否则，认为是干扰地形；3)根据城区障碍物边界和飞行轨迹以给定的设置宽度d更新城区障碍物区域。
Description
技术领域
本发明涉及一种记载设备地图数据库中关于城区障碍物的主动更新方法，特别对于直升机地形提示与警告系统中基于地形数据库的前视预警技术。
背景技术
地形提示与警告系统(TAWS)又称作近地告警系统(GPWS)，是一种增强飞机的飞行安全，降低其可控飞行撞地事故(CFIT)风险的航空电子系统。地形提示与警告系统功能上分为基本告警功能和前视预测告警功能。其中，前视预测告警利用飞机位置信息和系统内置地图数据库，判断飞机未来航迹与障碍物之间是否存在碰撞风险，提示飞行机组及时规避危险，防患于未然。因此，地图数据库的完整性和准确性直接影响TAWS系统的告警精度。
地图数据库中的障碍物可分为地形障碍物和人工障碍物两大类。地形障碍物相对稳定，基本不会有较大改变，但人工障碍物种类多样、变化频繁，若不能及时更新，对于直升机此类低空复杂环境任务飞行器的告警准确性会产生较大的影响。本发明提出一种主要针对直升机TAWS的地图数据库中城区障碍物的主动更新方法，更有效的实现城区类型障碍物的建立和更新。
国内对于直升机地形提示与警告系统的研制还处于初步阶段，关于TAWS的地图数据库建立和更新技术更是如此。目前，与TAWS直接相关的中国发明专利主要有：
申请号“200910081085.X”，授权公告号：CN 101527089 A，公开了一种基于地形数据库告警系统的构成，并对各个模块的功能进行了简要叙述。
申请号“201210575739.6”，授权公告号：CN 103903482 A，公开了一种近地告警系统中前视预测告警系统实现和方法设计以最大限度的减少虚警和漏警。
上述专利推动了TAWS技术的发展。然而，关于前视预警地图数据的自主构建和更新方法未查询有相关文献报告。近年来，有不少关于基于地形数据库的前视预警算法的研究文献。如文献：“增强型近地警告系统前视预警建模与算法研究”，《计算机测量与控制》2010，18(4):871-874。对前视预警模块的地形库设计和预警算法进行了详细研究，并通过正方形网格建模，提出了一种地形数据库中前视预警区域的确定方法。但是，相对于低速近地飞行任务较多的直升机而言，更大的危险是近地面时复杂而多变的人工障碍物，这类障碍物随着时代进步和发展变化更新越来越快，一种有效的障碍物主动更新方法对于飞行器，特别是直升机飞行安全是十分必要的。
基于此问题，本专利提出一种地图数据库中城区障碍物的主动更新方法，可以在飞行任务期间自主更新地图数据库，从而提升飞行器地形提示与警告系统的性能，更有效的保障飞行器的飞行安全。
发明内容
本发明提供一种机载设备内置数据库中关于城区障碍物的主动更新方法，用于解决地形提示与告警系统内置地图数据库中此类人工障碍物地图数据的更新频率问题。
本发明提供了一种机载设备地图数据库飞行期间主动更新方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)优先以主动探测方法判定城区障碍物边界，在主动探测方法失效时通过无线电高度计判定城区障碍物边界；
2)无线电高度计确认城区障碍物，地形满足城区障碍物无线电高度特点且范围满足要求，则确认为城区障碍物，否则，认为是干扰地形；
3)根据城区障碍物边界和飞行轨迹以给定的设置宽度更新城区障碍物区域。
相对于单独的主动探测方法的城区障碍物区域确定，结合无线电高度计的方法可以有效排除孤立高楼或特殊地形的干扰。依据于飞行轨迹的地图数据更新方法与自主学习过程类似，飞行器的飞行过程对地形数据性能有所提升。
进一步的，还包括以下步骤：
4)高度低于设定阈值时，筛选最长的平行线段建立城区主街道模型，细化城区障碍物地形数据。
进一步的，
若飞行器距离飞机航向上城区障碍物边界的水平距离d1小于d，则取两者中的较小值，以较小值更新城区障碍物区域。
本发明提出一种根据无线电高度表和主动探测技术的方法识别并确定城区障碍物范围，建立城区障碍物模型，更新地形数据库的方法，并以视觉探测方法为例，详细说明了上述方法的理论依据和实现过程。本发明适用于飞行高度较低、速度相对较慢的飞行器载体平台。
优点在于：在飞行器飞行过程中能够自主的更新和完善内置地形数据库，很好的提升了TAWS系统的性能，更有效的保障飞行器的飞行安全。
附图说明
附图1为城区地形数据库范围确定与更新示意图，
附图2为城市地形特征示意图，
附图3为投影平面平行线示意图，
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
具体实施方式
1、障碍物边界的确定：
假设地形数据库中存在某城区范围的障碍物数据，如图1中区域A所示。图1中B区域为城区扩建部分，l表示飞行器从城区范围飞行轨迹，C区域表示飞行器飞过后城区障碍物范围的更新区域。
飞行器在靠近障碍物区域B边界时，通过无线电高度计和主动探测两种方式识别边界。
无线电高度计边界识别：在城区范围内最显著的特点是建筑物集中。飞行器飞过此区域时相对于地面的净空高度在经过建筑物时出现波动。分析采样时间T内的无线电高度计均方差值σ，若飞行器在时间段T内的无线电高度均方差大于设置阈值σth，则表明飞行器此时间段内处于城市区域，初始点为B的边界位置。由于城区范围一般较大，为避免小范围的无线电高度波动干扰，时间T大于阈值T0时判别有效。
主动探测方法边界识别：城区范围内高楼建筑集中，高楼类建筑物线性特征突出，相对于自然地形，高楼各边界包含有明显的水平方向和垂直方向线段。因此，探测到障碍物集中区域且识别大量垂直方向线段则表示处于城区地形，如图2，以此确定城区地形的边界。以视觉主动探测方法为例，常见的直线检测算法有Hough变换、RANSAC算法等。平行线簇l1、l2、…、ln在像平面内的投影如图3所示。摄像机在导航坐标系中的方向余弦矩阵表示为：
其中，
为机体坐标系到惯性坐标系的方向转换矩阵，/>
和γ为飞行器的姿态角；/>
为摄像机坐标系到机体坐标系的方向转换矩阵，α1、α2和α3为摄像机相对于飞行器的安装角。飞行器姿态和摄像机安装角已知情况下，方向余弦矩阵/>
已知。
以垂直方向线段为例，其交点位于导航坐标系无穷远处，单位化表示为
由摄像机方程/>
可得：
其中，
为摄像机矩阵。
通过
可以筛选出像平面内的垂直线段，满足一定长度的线段视为城市建筑物的垂直边界。
优先以方式主动探测判定B区域边界，在主动探测失效时通过方式无线电高度判定边界。但是，主动探测识别的城区障碍物边界需以无线电高度探测确认，为避免小范围建筑物或地形干扰，如上文所述。
在B区域内，以飞行器位置为基准，沿两侧区域扩展给定宽度d，若飞行器距离A区域边界的水平距离小于d，则取其较小距离，如图1中所示。将扩展区域叠加至原有城区范围，更新地图数据库。
低空飞行时，建立主街道模型，有助于飞行规划。例如，当飞行器在城区范围内飞行，且高度低于设定阈值hth(如200ft)时，筛选出水平面内的线段，选出最长的平行线段作为主街道边界，建立详细的城区障碍物地图数据。平行线段应满足一定的长度要求，否则不予建立模型。
对于无原始数据的城区障碍物区域，同上的方法，可以建立宽度为2d的带状障碍物范围。
Claims (2)
1.一种机载设备地图数据库飞行期间主动更新方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)飞行器在靠近城区扩建部分的障碍物区域，优先以主动探测方法判定城区障碍物边界，在主动探测方法失效时通过无线电高度计判定城区障碍物边界，主动探测识别的城区障碍物边界需以无线电高度探测确认；
2)主动探测方法判定城区障碍物边界时，探测到障碍物集中区域且识别大量垂直方向线段则表示处于城区地形，以此确定城区地形的边界；无线电高度计确认城区障碍物时，分析采样时间T内的无线电高度计均方差值σ，若飞行器在时间段T内的无线电高度均方差大于设置阈值σth，则表明飞行器此时间段内处于城市区域，初始点为城区扩建部分的边界位置，时间T大于阈值T0时判别有效，则确认为城区障碍物，否则，认为是干扰地形；
3)根据城区障碍物边界和飞行轨迹以给定的设置宽度d更新城区障碍物区域；具体地，在城区扩建部分区域内，以飞行器位置为基准，沿两侧区域扩展给定宽度d，若飞行器距离地形数据库中存在的城区范围边界的水平距离小于d，则取其较小距离，将扩展区域叠加至原有城区范围，更新地图数据库；低空飞行时，建立主街道模型，当飞行器在城区范围内飞行，且高度低于设定阈值hth时，筛选出水平面内的线段，选出最长的平行线段作为主街道边界，建立详细的城区障碍物地图数据；对于地形数据库中无原始数据的城区障碍物区域，建立宽度为2d的带状障碍物范围。
2.根据权利要求1所述的机载设备地图数据库飞行期间主动更新方法，其特征在于，所述阈值hth采用200英尺。
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