CN108766036A - 机载滑行道和跑道可视化引导及告警装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种机载滑行道和跑道可视化引导及告警装置，包含机载光学障碍物检测模块、机载定位模块、机载通信模块、机载计算处理模块、机载显示及告警模块，机载计算处理模块根据机载光学障碍物检测模块、机载通信模块和机载定位模块发送的信息确定航空器滑行过程中所有可能会发生碰撞的障碍物、其它航空器相对于本航空器的距离和位置；然后建立可能会发生碰撞的障碍物和其它航空器的位置地图，最后确定本航空器和可能会发生碰撞的障碍物、其它航空器的接近程度，从而判断是否需要提供碰撞告警信息，并由机载显示及告警模块进行显示及告警。本发明通过对航空器周围障碍物的提示，能辅助机组人员进行判断，有效避免滑行道或者跑道侵入事故。

Description

机载滑行道和跑道可视化引导及告警装置
技术领域
本发明属于航空器导航技术领域，涉及一种在航空器滑行过程中判断周围是否存在障碍并提供相应提示的机载装置。
背景技术
随着中国经济不断增长，中国的航空业得到了前所未有的发展。整个行业迅猛发展，造成了空中飞机数量的增加，而拥挤的空中交通会导致空中交通航线的冲突问题。在整个民机的空中交通运输过程中，会受到来自不同空域的多架飞机的共同影响。
飞机在机场场面上滑行时遇到的风险按成因主体可以分为本机因素和环境因素两种。本机因素指飞机跑道混淆、滑行道路径混淆或运行操作中的机组失误对该飞机在跑道和滑行道上的滑行操作带来的安全风险。环境因素是指由其它运动物体(如其他飞机和机场导引车等)侵入跑道或者在滑行道上的错误操作对飞机在跑道或者滑行道的滑行造成了安全风险。飞机在滑行过程中所遇到的风险主要可分为跑道混淆、跑道侵入和滑行道碰撞三类。
跑道混淆是飞机使用了错误的跑道或滑行道，从而导致出现碰撞的风险或从错误的跑道起飞的危险。造成跑道混淆的主要原因可能是机组没有听清或者错误理解了空管的指令，可能是机场设计的原因加上机组事先没有熟悉机场布局，导致没有正确的识别目标跑道。跑道侵入是指在机场发生的任何航空器、车辆或人员误入指定用于航空器着陆和起飞的地面保护区的事件。在ICAO DOC9870AN/463防止跑道侵入手册中指出，跑道侵入的成因是下面一种或多种因素的组合：无线电通话失误、飞行员因素、空中交通管理因素、车辆驾驶员因素和机场设计因素。滑行道碰撞主要是由于滑行道识别错误、飞行员观察不周、天气不好等因素造成的事故。
从上面的事故原因分析可知，机组错误识别路径造成跑道混淆或者跑道侵入，机组采取错误的处理或者观察不周可能导致滑行道碰撞。民航业界通过分析事件发生原因，主要从改进管制、机组的操作程序来减少此类不安全事件的发生。但是，飞行员的精力是有限的，在飞机滑行过程中，飞行员需要检查飞机各项指标，难免会一时疏忽滑入错误的滑行道或者没有注意周围的障碍物，因此，仅仅通过改进机组操作流程难以保证飞机在滑行过程中的安全性。
发明内容
针对上述问题，本发明的发明目的在于提供了一种机载滑行道和跑道可视化引导及告警装置，以提高飞机滑行道和跑道操作的安全性，实现可视化跑道和滑行道引导功能以及跑道和滑行道告警功能。
本发明的发明目的通过以下技术方案实现：
一种机载滑行道和跑道可视化引导及告警装置，应用于航空器滑行过程中，包含机载光学障碍物检测模块、机载定位模块、机载通信模块、机载计算处理模块、机载显示及告警模块；
机载光学障碍物检测模块用于向本航空器周围发射脉冲光，获取从本航空器周围的障碍物上反射回来的脉冲光的强度、方位角和高度信息，并发送到机载计算处理模块；
机载定位模块用于确定航空器当前位置信息，并发送给机载计算处理模块；
机载通信模块用于获取本航空器所选跑道或滑行道上其他航空器的位置和运动信息，并发送到机载计算处理模块；
机载计算处理模块包含飞行管理计算机，飞行管理计算机首先根据机载光学障碍物检测模块和机载定位模块发送的信息确定航空器滑行过程中所有可能会发生碰撞的障碍物相对于本航空器的距离和位置，根据机载通信模块和机载定位模块发送的信息确定航空器滑行过程中所有可能会发生碰撞的其它航空器相对于本航空器的距离和位置；然后建立可能会发生碰撞的障碍物和其它航空器的位置地图并存储，最后确定本航空器和可能会发生碰撞的障碍物、其它航空器的接近程度，从而判断是否需要提供碰撞告警信息，并将碰撞告警信息发送给机载显示及告警模块进行显示及告警。
优选地，机载光学障碍物检测模块包括两个机载光源和三个机载光学传感器；其中：
一个机载光源位于机头上方，另一个机载光源位于机头下方，两个机载光源用于发射一定波长的脉冲光，脉冲光投射在本航空器周围障碍物上后形成反射；
一个机载光学传感器位于前起落架上，另外二个机载光学传感器位于主起落架上，三个机载光学传感器接收从障碍物上反射回来的脉冲光，记录反射回来的脉冲光的强度、方位和高度信息，并发送到机载计算处理模块。
优选地，机载定位模块包括GNSS接收机和多模式接收器，GNSS接收机接收本航空器的位置信息，多模式接收器接收陆基卫星增强信号，机载计算处理模块综合结合GNSS接收机和多模式接收器接收到的信号精确定位出本航空器当前地理位置。
优选地，机载通信模块包括应答器和通信管理单元，应答器接收来自其他航空器的ADS-B信号和空中交通管制信号，将所选跑道或滑行道上其他飞机位置或运动信息发送到机载计算处理模块；通信管理单元包括与空中交通管制中心的数据链路，通过该数据链路传送、协商、修改、批准或拒绝滑行路线和指令。
优选地，机载计算处理模块还用于将本航空器的位置信息和运动信息发送给机载通信模块，机载通信模块还用于将本航空器的位置信息和运动信息通过ADS-B系统广播出去。
优选地，机载计算处理模块还包含机场地图数据库；
机场地图数据库用来存储机场移动地图，机场移动地图包括用于描述机场跑道、滑行道、标准滑行路线；
飞行管理计算机还用于当滑行路线和跑道选定后，根据本航空器当前位置信息查询机场地图数据库以及航空器上的导航设备获得生成本航空器当前的可视化跑道和滑行道引导功能显示所需数据，综合分析所选滑行路线的几何构型、当前路线规定的最大速度限制、时间限制的因素，建立基于滑行路线的最优滑行速度剖面，并发送到机载显示及告警模块；
机载显示及告警模块还用于生成可视化跑道和滑行道引导。
优选地，飞行管理计算机还用于根据本航空器当前位置信息和运动信息，查询机场地图数据库，当发现本航空器不在滑行道上、或者偏离滑行道中心线20度以上、或者滑行速度超出限制速度时生成告警提示，并发送到机载显示及告警模块。
优选地，如果飞行管理计算机发现障碍物或其它航空器位于一级告警区域且正在接近，则机载显示及告警模块发出“以正常滑行速率刹车”提示，如果障碍物或其它航空器位于位于二级告警区域且正在接近，则机载显示及告警模块发出“以座舱安全速率停止前进”提示。
本发明的有益效果在于：
本发明在飞机滑行过程中，通过向飞行员提供所选跑道和滑行线路的显示，在PFD上叠加显示与所选跑道和滑行道相关的机场特征数据和飞机当前位置信息、速度信息以及飞机航向与跑道或滑行道中心线的夹角，在ND上显示完整的滑行线路，有效辅助驾驶员判断飞机当前所处的滑行道以及飞机航向与滑行道中心线的夹角，实现可视化的滑行引导，能有效降低机组人员人为因素、天气原因造成的滑行道或者跑道混淆，从而降低了滑行过程中的事故率。通过对飞机周围障碍物的提示，能辅助机组人员进行判断，有效避免滑行道或者跑道侵入事故。
附图说明
图1是本发明的系统结构图；
图2是依据本发明的机载光学障碍物检测模块的传感器配置图；
图3是依据本发明的飞机告警区域示意图；
图4是依据本发明的飞机告警情况示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例一
如图1所示，本实施例所示的机载滑行道和跑道可视化引导及告警装置包括：机载光学障碍物检测模块、机载定位模块、机载通信模块、机载计算处理模块、机载显示及告警模块。其中，机载光学障碍物检测模块使用机载光源向周围发射一定波长的脉冲光，检测从周围障碍物上反射回来的光的强度、方位角和高度信息，发送到机载计算处理模块确定障碍物尺寸、位置、相对速度；机载定位模块用于确定飞机当前位置信息，并将位置信息发送给机载计算处理模块；机载通信模块用于获取其他飞机当前的位置和速度信息，接收来自其他航空器的ADS-B信息和ATC的信号，将所选跑道或滑行道上其他飞机位置和运动信息发送到机载计算处理模块，同时将飞机自身的位置和运动信息通过ADS-B广播出去；机载计算处理模块用于计算可视化跑道和滑行道引导所需数据以及跑道和滑行道告警所需数据，并将上述数据发送到机载显示及告警模块；机载显示及告警模块用于将机载计算处理模块计算得到的数据叠加显示到PFD和ND上，通过可视化方式引导飞机滑行，以及当飞机不在滑行道上、偏离滑行道中心线20度以上、与机场地面设施或航空器等障碍物距离过近或者滑行速度超出限制速度时进行告警提示。
如图2所示，机载光学障碍物检测模块包括：二个机载光源、三个机载光学传感器。一个机载光源位于机头上方，另一个机载光源位于下方，二个机载光源用于发射一定波长的脉冲光，光束投射在飞机周围其他物体上形成反射。一个机载光学传感器位于前起落架上，另二个机载光学传感器位于主起落架上，三个机载光学传感器接收从障碍物上反射回来的光，记录反射光的强度、方位角和高度信息，并发送给机载计算处理模块。
机载定位模块用于确定本航空器的当前位置信息，包括GNSS接收机、多模式接收器(简称：MMR)。GNSS接收机接收飞机的当前地理位置信息，并发送给飞行管理计算机(简称：FMC)；MMR接收陆基卫星增强信号，FMC综合处理这些信号精确定位飞机当前地理位置信息。
机载通信模块用于获取其他飞机当前的位置和速度信息，包括：应答器(简称：XPNDR)、通信管理单元(简称：CMU)。XPNDR接收来自其他航空器的ADS-B信号和ATC信息，将所选跑道或滑行道上其他飞机位置或运动信息发送到机载计算处理模块；CMU包括与ATC的数据链路，通过该数据链路传送、协商、修改、批准或拒绝滑行路线和指令。
机载计算处理模块用于计算可视化跑道和滑行道引导所需数据以及跑道和滑行道告警所需数据，该模块包括：FMC、机场地图数据库(简称：AMDB)。AMDB用来存储机场移动地图，包括用于描述机场跑道、滑行道、标准滑行路线以及其他相关特征的机场数据。FMC采集机载定位模块输出的本航空器当前位置信息，查询AMDB以及航空器上现有导航设备获得本航空器当前的可视化跑道和滑行道引导功能显示所需数据，包括：跑道及跑道编号、跑道中心线、滑行道及滑行道编号、跑道边缘、滑行道中心线、滑行道边缘、飞机当前位置信息、速度信息、飞机航向与跑道或滑行道的中心线夹角以及飞机完整的滑行路径，并将上述数据发送到机载显示及告警模块。当滑行路线和跑道选定后，FMC综合分析所选滑行路线的几何构型、当前路线规定的最大速度限制、时间限制的因素，建立基于滑行路径的最优滑行速度剖面，滑行速度剖面的生成需要考虑以下因素：1、所选滑行路线的几何构成，如转弯区、平缓曲线行驶区或直线行驶区；2、当前路线规定的最大速度限制、本机装载系数限制速度；3、满足限制条件2的情况下，还要考虑场面时间限制、加加速度限制。基于上述因素，需要从以下几种速度中选出最小值生成速度剖面：1、考虑乘客舒适度可接收的转弯最大速度Vcomfort；2、飞机转弯可承受的最大偏航速度Vyaw；3、直线行驶区规定速度Vreg1；4、转弯区规定速度Vreg2；5、满足起落架可容许装载限制的最大速度Vload；6、满足轮胎抓地力限制的最大速度Vgrip。此外，为了确保当前路段的滑行速度能够在许可距离内加速或减速至下一路段的滑行速度，还需要确定速度转换时间和转换时间内的速度变化率。基于以上因素生成的基于滑行路径的速度剖面可以表示为轨迹上一系列的位置点对应的一系列速度点，其中位置点元素与速度点元素的数目一样，即把速度表示为位置的函数(PV曲线)，由此生成的速度剖面更具有鲁棒性。通过构建滑行速度剖面，不仅能增强场面交通的安全性，减轻飞行员负担，还可以对滑行阶段相关性能进行优化和预测，如：滑行时间、滑行距离等，这样就可以减少跑道、滑行道或机场上任意路段的占用时间；并且可以通过限制刹车和加速的强度和使用次数来优化飞机制动器的使用，由此也可以相对减少滑行燃油消耗。FMC将构建的滑行速度剖面存储在飞行管理系统性能数据库中，并将当前路段的最优滑行速度发送到机载显示及告警模块。FMC通过将上述数据发送到机载显示及告警模块，实现可视化跑道和滑行道引导功能。FMC采集机载光学障碍物检测模块和机载通信模块的信号，检测飞机运动中所有可能会发生碰撞的障碍物和其它航空器相对于本航空器的距离和位置，然后建立可能会发生碰撞的障碍物和其它航空器的位置地图并存储，最后综合分析本航空器可能的运动状态以及可能会发生碰撞的障碍物和其它航空器相对于本航空器的相对位置，确定飞机和目标物的接近程度，从而判断是否需要提供碰撞告警。本发明预先定义了飞机周围的警戒区域范围，如图3所示，飞机告警区域包括：紧急告警边界、二级告警区域、一级告警区域，边界1为紧急告警边界，如果障碍物越过紧急告警边界，则飞机向前滑行依靠前舵轮将无法避开障碍物；区域I为二级告警区域，如果障碍物位于二级告警区域，飞机可以以座舱安全速率停止前进；区域II为一级告警区域，如果障碍物位于一级告警区域，飞机将能够以正常滑行速率刹车；对于区域IV的路面情况不会发布告警，这是因为其位于飞行员的前方视野，而且，对于滑行阶段，通常前方会有其它飞机正在滑行，如果发布告警信息，容易干扰飞行员驾驶。告警区域的不同尺度用F、W、C、P来表示。F的大小取决于飞机的几何形状及转弯半径。W、C、P的大小均随着飞机地速变化而变化。
如图4所示，飞机A不会对飞机C发出告警，如果飞机A进入飞机C的告警区域，则飞机C发出告警。同样的，如果飞机B静止，飞机A在滑行，则对于飞机B的相对轨迹飞机A不会发出告警，但是如果飞机A静止，飞机B在滑行，则对于飞机A的相对轨迹，飞机A与B均发出告警。
机载显示及告警模块用于通过可视化方式引导飞机滑行，并当飞机不在滑行道上、偏离滑行道中心线20度以上、与机场地面设施或航空器等障碍物距离过近或者滑行速度超出限制速度时进行告警提示，包括：主飞行显示器(简称：PFD)、导航显示器(简称：ND)以及机载语音告警设备。其中，PFD用于向飞行机组人员叠加显示当前飞机所在跑道或滑行道的3D视图(包括跑道及跑道编号、跑道中心线、滑行道及滑行道编号、跑道边缘、滑行道中心线、滑行道边缘等机场特征数据)、飞机最优滑行速度以及与跑道或滑行道中心线夹角等信息；ND用来向飞行机组人员显示所选的滑行路线和跑道，并显示飞机当前相对所选滑行路径或跑道的位置信息以及场面其他航空器的位置信息；通过上述显示信息实现可视化跑道和滑行道引导功能，引导飞机滑行。当飞机不在滑行道上时，ND上叠加显示错误提示，同时机载语音告警设备发出“飞机不在正确的滑行道，请检查！”的告警语音；当飞机偏离滑行道中心线20度以上时，ND上叠加显示错误提示，同时机载语音告警设备发出“飞机偏离滑行道中心线，请检查飞机航向！”的语音告警；当飞机机场地面设施或航空器等障碍物距离过近时，ND上叠加显示交通冲突告警提示，同时机载语音告警设备根据障碍物处在飞机不同警戒区段发出不同的告警音，如果障碍物处在一级告警区，则发出“存在障碍物！请以正常滑行速率刹车！”的提示音，如果障碍物处在二级告警区，则发出“存在障碍物！请以座舱安全速率停止前进！”的提示音；PFD叠加显示当前路段飞机的最优速度，当飞机的滑行速度超出限制速度时，机载语音告警设备发出“滑行速度超出限制速度，请减速！”的提示音，从而有效提示驾驶员，实现防止事故的发生。
本实施例在飞机滑行过程中，通过向飞行员提供所选跑道和滑行路径的显示，在PFD上叠加显示与所选跑道和滑行道相关的机场特征数据和飞机当前位置信息、速度信息以及飞机航向与跑道或滑行道中心线的夹角，在ND上显示完整的滑行路径，有效辅助驾驶员判断飞机当前所处的滑行道以及飞机航向与滑行道中心线的夹角，实现可视化的滑行引导，能有效降低机组人员人为因素造成的跑道混淆，从而降低了滑行过程中的事故率。通过对飞机周围障碍物的提示，能辅助机组人员进行判断，有效避免跑道侵入事故。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种机载滑行道和跑道可视化引导及告警装置，应用于航空器滑行过程中，包含机载光学障碍物检测模块、机载定位模块、机载通信模块、机载计算处理模块、机载显示及告警模块，其特征在于：
机载光学障碍物检测模块用于向本航空器周围发射脉冲光，获取从本航空器周围的障碍物上反射回来的脉冲光的强度、方位角和高度信息，并发送到机载计算处理模块；
机载定位模块用于确定航空器当前位置信息，并发送给机载计算处理模块；
机载通信模块用于获取本航空器所选跑道或滑行道上其他航空器的位置和运动信息，并发送到机载计算处理模块；
机载计算处理模块包含飞行管理计算机，飞行管理计算机首先根据机载光学障碍物检测模块和机载定位模块发送的信息确定航空器滑行过程中所有可能会发生碰撞的障碍物相对于本航空器的距离和位置，根据机载通信模块和机载定位模块发送的信息确定航空器滑行过程中所有可能会发生碰撞的其它航空器相对于本航空器的距离和位置；然后建立可能会发生碰撞的障碍物和其它航空器的位置地图并存储，最后确定本航空器和可能会发生碰撞的障碍物、其它航空器的接近程度，从而判断是否需要提供碰撞告警信息，并将碰撞告警信息发送给机载显示及告警模块进行显示及告警。
2.根据权利要求1所述的一种机载滑行道和跑道可视化引导及告警装置，其特征在于所述机载光学障碍物检测模块包括两个机载光源和三个机载光学传感器；其中：
一个机载光源位于机头上方，另一个机载光源位于机头下方，两个机载光源用于发射一定波长的脉冲光，脉冲光投射在本航空器周围障碍物上后形成反射；
一个机载光学传感器位于前起落架上，另外二个机载光学传感器位于主起落架上，三个机载光学传感器接收从障碍物上反射回来的脉冲光，记录反射回来的脉冲光的强度、方位和高度信息，并发送到机载计算处理模块。
3.根据权利要求1所述的一种机载滑行道和跑道可视化引导及告警装置，其特征在于所述机载定位模块包括GNSS接收机和多模式接收器，GNSS接收机接收本航空器的位置信息，多模式接收器接收陆基卫星增强信号，机载计算处理模块综合结合GNSS接收机和多模式接收器接收到的信号精确定位出本航空器当前地理位置。
4.根据权利要求1所述的一种机载滑行道和跑道可视化引导及告警装置，其特征在于所述机载通信模块包括应答器和通信管理单元，应答器接收来自其他航空器的ADS-B信号和空中交通管制信号，将所选跑道或滑行道上其他飞机位置或运动信息发送到机载计算处理模块；通信管理单元包括与空中交通管制中心的数据链路，通过该数据链路传送、协商、修改、批准或拒绝滑行路线和指令。
5.根据权利要求1或3或4所述的一种机载滑行道和跑道可视化引导及告警装置，其特征在于机载计算处理模块还用于将本航空器的位置信息和运动信息发送给机载通信模块，机载通信模块还用于将本航空器的位置信息和运动信息通过ADS-B系统广播出去。
6.根据权利要求1所述的一种机载滑行道和跑道可视化引导及告警装置，其特征在于所述机载计算处理模块还包含机场地图数据库；
机场地图数据库用来存储机场移动地图，机场移动地图包括用于描述机场跑道、滑行道、标准滑行路线；
飞行管理计算机还用于当滑行路线和跑道选定后，根据本航空器当前位置信息查询机场地图数据库以及航空器上的导航设备获得生成本航空器当前的可视化跑道和滑行道引导功能显示所需数据，综合分析所选滑行路线的几何构型、当前路线规定的最大速度限制、时间限制的因素，建立基于滑行路线的最优滑行速度剖面，并发送到机载显示及告警模块；
所述机载显示及告警模块还用于生成可视化跑道和滑行道引导。
7.根据权利要求6所述的一种机载滑行道和跑道可视化引导及告警装置，其特征在于飞行管理计算机还用于根据本航空器当前位置信息和运动信息，查询机场地图数据库，当发现本航空器不在滑行道上、或者偏离滑行道中心线20度以上、或者滑行速度超出限制速度时生成告警提示，并发送到机载显示及告警模块。
8.根据权利要求1所述的一种机载滑行道和跑道可视化引导及告警装置，其特征在于如果飞行管理计算机发现障碍物或其它航空器位于一级告警区域且正在接近，则机载显示及告警模块发出“以正常滑行速率刹车”提示，如果障碍物或其它航空器位于位于二级告警区域且正在接近，则机载显示及告警模块发出“以座舱安全速率停止前进”提示。
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