CN109255982B - 一种三架次飞机防撞方法及系统 - Google Patents

一种三架次飞机防撞方法及系统 Download PDF

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CN109255982B CN201811127088.8A CN201811127088A CN109255982B CN 109255982 B CN109255982 B CN 109255982B CN 201811127088 A CN201811127088 A CN 201811127088A CN 109255982 B CN109255982 B CN 109255982B
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Abstract

本发明公开一种三架次飞机防撞方法及系统，该方法包括根据周围空域内飞机的状态信息以及目标飞机的状态信息，获取目标飞机与周围空域内任一飞机之间的距离；在目标飞机的周围空域内存在入侵飞机时，判断两机冲突；在发生两机冲突时，目标飞机和入侵飞机执行两机防撞策略；在目标飞机周围空域存在潜在入侵飞机时，判断三机冲突及其态势；在发生三机冲突时根据三机冲突的态势选择三机防撞策略；按照所述三机防撞策略规定的方向和强度飞行完成三机防撞后，返回既定轨迹。该方案解决了三机冲突问题，实现了多机防撞。

Description

一种三架次飞机防撞方法及系统
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，尤其是一种三架次飞机防撞方法及系统。
背景技术
TCAS(Traffic Collision Avoidance System)系统广泛安装于民航客机等大型飞机，是避免飞机在空中相撞的最后防线。TCAS系统通过广播询问和接收来自附近飞机的回复，获取周围飞机的位置以及速度信息，判断附近飞机是否对目标飞机造成威胁。当入侵飞机威胁目标飞机时，TCAS系统会发出警告并通过操作提示来引导飞机避开冲突区域。
随着航空需求剧增，空中交通量大幅上升，机场等周边空域也日益拥挤，多架飞机发生连环冲突的潜在性不断增加。正常情况下，沿着既定航道的飞机不会相互威胁，但由于地面塔台指挥失误、飞行员操作不当、恶劣天气等因素，导致近年来的多机飞行冲突问题日益频发。而在多机飞行冲突中，95％以上都是三机冲突问题。
TCAS系统能够较好解决双机飞行冲突问题，但不能够较好解决多机飞行冲突问题，甚至会引发多机冲突问题。据研究，TCAS系统处理多机飞行冲突的失败率是双机飞行冲突的两倍，加剧冲突或者导致意外冲突的几率更是高达5倍多。
发明内容
本发明提供一种三架次飞机防撞方法及系统，用于克服现有技术中不能很好的解决三机冲突等缺陷，对TCAS防撞算法进行完善，将现有TCAS面对多机飞行冲突的缺陷加以处理，有效解决日益频发的三机冲突飞行事故。
为实现上述目的，本发明提出一种三架次飞机防撞方法，包括：
步骤1，根据周围空域内飞机的状态信息以及目标飞机的状态信息，获取目标飞机与所述周围空域内任一飞机之间的距离；
步骤2，在所述目标飞机的周围空域内存在入侵飞机时，根据所述目标飞机与入侵飞机到达最近点时之间的距离与距离阈值的比较结果，和/或所述目标飞机与入侵飞机到达最近点的时间与时间阈值的比较结果判断两机冲突；在发生两机冲突时，所述目标飞机和入侵飞机执行两机防撞策略；所述两机防撞策略用于对所述目标飞机、入侵飞机中的一个进行冲突解决的方向和强度进行规划；
步骤3，在所述目标飞机周围空域存在潜在入侵飞机时，根据所述目标飞机与入侵飞机执行两机防撞策略的过程中，所述目标飞机与潜在入侵飞机之间的距离与距离阈值的比较结果或所述入侵飞机与潜在入侵飞机之间的距离与距离阈值的比较结果判断三机冲突及其态势；在发生三机冲突时根据三机冲突的态势选择三机防撞策略；所述三机防撞策略用于对所述目标飞机、入侵飞机、潜在入侵飞机中的两个进行冲突解决的方向和强度进行规划；
步骤31，在所述目标飞机与入侵飞机在执行两机防撞策略时，所述目标飞机与周围空域内飞机的距离或所述入侵飞机与周围空域内飞机的距离随时间越来越小时，判定所述飞机为潜在入侵飞机；
步骤32，同时满足以下条件：
在时刻t，三架飞机i,j,m中，至少存在两架飞机进入冲突状态，以下三个条件至少满足一个：
Figure GDA0002402037820000021
Figure GDA0002402037820000022
Figure GDA0002402037820000023
在t时刻，其中
Figure GDA0002402037820000024
为飞机i和飞机m到达垂直方向最接近点的时间，
Figure GDA0002402037820000025
为飞机i和飞机m在水平方向的相对位移；
Figure GDA0002402037820000026
为飞机i和飞机j在垂直方向到达最接近点的时间，
Figure GDA0002402037820000027
为飞机i和飞机j在水平方向的相对位移；
Figure GDA0002402037820000028
为飞机j和飞机m在垂直方向到达最接近点的时间，
Figure GDA0002402037820000029
为飞机j和飞机m在水平方向的相对位移，DMODRA指水平距离阈值，ZTHRRA为垂直距离阈值，TimeRA为到达空间最接近点的时间阈值；
在时刻t+Δt,首先进入冲突的两架飞机中至少存在一架会与第三架飞机进入冲突状态，且Δt小于解除冲突的时间，假设飞机i,j首先进入冲突，随后飞机i与飞机m进入冲突，满足：
Figure GDA00024020378200000210
则判定发生三机冲突；其中
Figure GDA00024020378200000211
代表在时刻t+Δt，飞机i和飞机j到达水平最接近点的时间；
Figure GDA00024020378200000212
代表两机水平方向的相对位移；
Figure GDA00024020378200000213
代表在时刻t+Δt，飞机i和飞机j到达垂直最接近点的时间，
Figure GDA00024020378200000214
代表两机垂直方向的相对位移；
步骤33，所述三机防撞策略包括：
进行方向选择时，满足以下条件：
对假设在某一空域三架飞机i,j,m可能发生碰撞，假定在某一时刻，三架飞机两两到达水平方向最接近点CPAh的时间分别为
Figure GDA0002402037820000031
假设
Figure GDA0002402037820000032
假设在t时刻，
Figure GDA0002402037820000033
分别为三架飞机的高度，
Figure GDA0002402037820000034
飞机i处于最下层，飞机j处于中层，飞机m处于最下层；
当三架飞机在进行避撞操作时，满足在垂直面上不交叉，任意两架飞机不在同一水平面上，即：
Figure GDA0002402037820000035
位于最上层的飞机向上进行机动，位于中层的飞机保持原有速度不变，位于下层的飞机向下进行机动，即：
Figure GDA0002402037820000036
其中
Figure GDA0002402037820000037
表示在时刻t+ε,飞机i和j在垂直方向上的相对位移，
Figure GDA0002402037820000038
表示在时刻t+ε,飞机i和m在垂直方向上的相对位移，
Figure GDA0002402037820000039
表示在时刻t+ε,飞机j和m在垂直方向上的相对位移；
进行强度选择时，满足以下条件：
在垂直方向上进行速度调整时，对于处于最上层的飞机m,在t时刻，选择向上机动进行防撞操作，根据与中层飞机的危险状态，飞机m垂直方向的速度调整为
Figure GDA00024020378200000310
根据与下层飞机的危险状态，飞机m垂直方向的速度调整为
Figure GDA00024020378200000311
各值如下：
Figure GDA00024020378200000312
其中
Figure GDA00024020378200000313
为飞机i调整后垂直方向速度、
Figure GDA00024020378200000314
为飞机i调整前垂直方向速度、
Figure GDA00024020378200000315
为其垂直方向调整速度、
Figure GDA00024020378200000316
为飞机j调整后垂直方向速度、
Figure GDA00024020378200000317
为飞机j调整前垂直方向速度、
Figure GDA00024020378200000318
其垂直方向调整速度、
Figure GDA00024020378200000319
为飞机m调整前垂直方向速度、
Figure GDA00024020378200000320
为飞机m调整后垂直方向速度、
Figure GDA00024020378200000321
为垂直方向调整速度；
只考虑与飞机j的避撞速度调整：
Figure GDA0002402037820000041
只考虑与飞机i的避撞速度调整：
Figure GDA0002402037820000042
其中
Figure GDA0002402037820000043
为飞机m只考虑飞机j时，其垂直方向调整速度、
Figure GDA0002402037820000044
为飞机m只考虑飞机i时，其垂直方向调整速度、ALIM为垂直方向最小分隔距离、
Figure GDA0002402037820000045
为飞机m调整前垂直方向速度、
Figure GDA0002402037820000046
为时刻t飞机m和j在垂直方向上的相对位移、
Figure GDA0002402037820000047
为在时刻t时，无人机j的垂直方向速度、
Figure GDA0002402037820000048
为在时刻t，无人机i在的垂直方向速度；
同时摆脱与飞机i和飞机j的避撞策略：
Figure GDA0002402037820000049
其中
Figure GDA00024020378200000410
为飞机m在垂直方向的调整速度、
Figure GDA00024020378200000411
为飞机m只考虑飞机j时，其垂直方向调整速度、
Figure GDA00024020378200000412
为飞机i只考虑飞机j时，其垂直方向调整速度,
Figure GDA00024020378200000413
为飞机m只考虑飞机i时，其垂直方向调整速度、
Figure GDA00024020378200000414
为飞机j在时刻t垂直方向速度、ALIM为垂直方向最小分隔距离；
飞机m的调整时间为：
Figure GDA00024020378200000415
对于中层的飞机j,保持原来的速度不变，即；
Figure GDA00024020378200000416
Figure GDA00024020378200000417
为飞机j的调整时间；
对于下层的飞机i，选择向下机动进行防撞操作，根据与中层飞机的危险状态，飞机i垂直方向的速度调整为：
Figure GDA00024020378200000418
Figure GDA00024020378200000419
Figure GDA00024020378200000420
为飞机i考虑飞机j时的调整时间，
Figure GDA00024020378200000421
为飞机i考虑飞机m时的调整时间；
Figure GDA00024020378200000422
为飞机j在时刻t垂直方向速度，
Figure GDA00024020378200000423
为飞机i在时刻t垂直方向速度；
步骤4，按照所述三机防撞策略规定的方向和强度飞行完成三机防撞后，对于每一架目标飞机，在经过所有的水平方向或垂直方向的最接近点后，判断目标飞机是否已经解除与其余飞机的危险状态，若已经解除保持原有速度，若已经解除与入侵飞机的危险状态，则目标飞机调整自身速度，以返回既定轨迹。
为实现发明目的，本发明还提供一种三架次飞机防撞系统，包括：
距离测算模块，用于根据周围空域内飞机的状态信息以及目标飞机的状态信息，获取目标飞机与所述周围空域内任一飞机之间的距离；
两机防撞模块，用于在所述目标飞机的周围空域内存在入侵飞机时，根据所述目标飞机与入侵飞机到达最近点时之间的距离与距离阈值的比较结果，和/或所述目标飞机与入侵飞机到达最近点的时间与时间阈值的比较结果判断两机冲突；在发生两机冲突时，所述目标飞机和入侵飞机执行两机防撞策略；所述两机防撞策略用于对所述目标飞机、入侵飞机中的一个进行冲突解决的方向和强度进行规划；
三机防撞模块，用于在所述目标飞机周围空域存在潜在入侵飞机时，根据所述目标飞机与入侵飞机执行两机防撞策略的过程中，所述目标飞机与潜在入侵飞机之间的距离与距离阈值的比较结果或所述入侵飞机与潜在入侵飞机之间的距离与距离阈值的比较结果判断三机冲突及其态势；在发生三机冲突时根据三机速度、方向、高度等选择三机防撞策略；所述三机防撞策略用于对所述目标飞机、入侵飞机、潜在入侵飞机中的两个进行冲突解决的方向和强度进行规划；所述三机防撞模块包括：
潜在入侵判断子模块，在所述目标飞机与入侵飞机在执行两机防撞策略时，所述目标飞机与周围空域内飞机的距离或所述入侵飞机与周围空域内飞机的距离随时间越来越小时，判定所述飞机为潜在入侵飞机；
三机冲突判断子模块，用于在同时满足以下条件时：
在时刻t，三架飞机i,j,m中，至少存在两架飞机进入冲突状态，至少满足以下三个条件中至少一个：
Figure GDA0002402037820000051
Figure GDA0002402037820000052
Figure GDA0002402037820000053
在t时刻，其中
Figure GDA0002402037820000054
为飞机i和飞机m到达垂直方向最接近点的时间，
Figure GDA0002402037820000055
为飞机i和飞机m在水平方向的相对位移；
Figure GDA0002402037820000056
为飞机i和飞机j在垂直方向到达最接近点的时间，
Figure GDA0002402037820000057
为飞机i和飞机j在水平方向的相对位移；
Figure GDA0002402037820000058
为飞机j和飞机m在垂直方向到达最接近点的时间，
Figure GDA0002402037820000061
为飞机j和飞机m在水平方向的相对位移，DMODRA指水平距离阈值，ZTHRRA为垂直距离阈值，TimeRA为到达空间最接近点的时间阈值；
在时刻t+Δt,首先进入冲突的两架飞机中至少存在一架会与第三架飞机进入冲突状态，且Δt小于解除冲突的时间，假设飞机i,j首先进入冲突，随后飞机i与飞机m进入冲突，满足：
Figure GDA0002402037820000062
判定发生三机冲突；其中
Figure GDA0002402037820000063
代表在时刻t+Δt，飞机i和飞机j到达水平最接近点的时间；
Figure GDA0002402037820000064
代表两机水平方向的相对位移；
Figure GDA0002402037820000065
代表在时刻t+Δt，飞机i和飞机j到达垂直最接近点的时间，
Figure GDA0002402037820000066
代表两机垂直方向的相对位移；
三机防撞策略子模块，用于在进行方向选择时，满足以下条件：
对假设在某一空域三架飞机(i,j,m)可能发生碰撞，假定在某一时刻，三架飞机两两到达水平方向最接近点CPAh的时间分别为
Figure GDA0002402037820000067
假设
Figure GDA0002402037820000068
假设在t时刻，
Figure GDA0002402037820000069
分别为三架飞机的高度，
Figure GDA00024020378200000610
飞机i处于最下层，飞机j处于中层，飞机m处于最下层；
当三架飞机在进行避撞操作时，满足在垂直面上不交叉，任意两架飞机不在同一水平面上，即：
Figure GDA00024020378200000611
位于最上层的飞机向上进行机动，位于中层的飞机保持原有速度不变，位于下层的飞机向下进行机动，即：
Figure GDA00024020378200000612
其中
Figure GDA00024020378200000613
表示在时刻t+ε,飞机i和j在垂直方向上的相对位移，
Figure GDA00024020378200000614
表示在时刻t+ε,飞机i和m在垂直方向上的相对位移，
Figure GDA00024020378200000615
表示在时刻t+ε,飞机j和m在垂直方向上的相对位移；
用于在进行强度选择时，满足以下条件：
在垂直方向上进行速度调整时，对于处于最上层的飞机m,在t时刻，选择向上机动进行防撞操作，根据与中层飞机的危险状态，飞机m垂直方向的速度调整为
Figure GDA0002402037820000071
根据与下层飞机的危险状态，飞机m垂直方向的速度调整为
Figure GDA0002402037820000072
各值如下：
Figure GDA0002402037820000073
其中
Figure GDA0002402037820000074
为飞机i调整后垂直方向速度、
Figure GDA0002402037820000075
为飞机i调整前垂直方向速度、
Figure GDA0002402037820000076
为其垂直方向调整速度、
Figure GDA0002402037820000077
为飞机j调整后垂直方向速度、
Figure GDA0002402037820000078
为飞机j调整前垂直方向速度、
Figure GDA0002402037820000079
其垂直方向调整速度、
Figure GDA00024020378200000710
为飞机m调整前垂直方向速度、
Figure GDA00024020378200000711
为飞机m调整后垂直方向速度、
Figure GDA00024020378200000712
为垂直方向调整速度；
只考虑与飞机j的避撞速度调整：
Figure GDA00024020378200000713
只考虑与飞机i的避撞速度调整：
Figure GDA00024020378200000714
其中
Figure GDA00024020378200000715
为飞机m只考虑飞机j时，其垂直方向调整速度、
Figure GDA00024020378200000716
为飞机m只考虑飞机i时，其垂直方向调整速度、ALIM为垂直方向最小分隔距离、
Figure GDA00024020378200000717
为飞机m调整前垂直方向速度、
Figure GDA00024020378200000718
为时刻t飞机m和j在垂直方向上的相对位移、
Figure GDA00024020378200000719
为在时刻t时，无人机j的垂直方向速度、
Figure GDA00024020378200000720
为在时刻t，无人机i在的垂直方向速度；
同时摆脱与飞机i和飞机j的避撞策略：
Figure GDA00024020378200000721
其中
Figure GDA00024020378200000722
为飞机m在垂直方向的调整速度、
Figure GDA00024020378200000723
为飞机m只考虑飞机j时，其垂直方向调整速度、
Figure GDA00024020378200000724
为飞机i只考虑飞机j时，其垂直方向调整速度,
Figure GDA00024020378200000725
为飞机m只考虑飞机i时，其垂直方向调整速度、
Figure GDA00024020378200000726
为飞机j在时刻t垂直方向速度、ALIM为垂直方向最小分隔距离；
飞机m的调整时间为：
Figure GDA00024020378200000727
对于中层的飞机j,保持原来的速度不变，即；
Figure GDA00024020378200000728
Figure GDA00024020378200000729
为飞机j的调整时间；
对于下层的飞机i，选择向下机动进行防撞操作，根据与中层飞机的危险状态，飞机j垂直方向的速度调整为：
Figure GDA0002402037820000081
Figure GDA0002402037820000082
Figure GDA0002402037820000083
为飞机i考虑飞机j时的调整时间，
Figure GDA0002402037820000084
为飞机i考虑飞机m时的调整时间；
Figure GDA0002402037820000085
为飞机j在时刻t垂直方向速度，
Figure GDA0002402037820000086
为飞机i在时刻t垂直方向速度；
返航模块，用于按照所述三机防撞策略规定的方向和强度飞行完成三机防撞后，对于每一架目标飞机，在经过所有的水平方向或垂直方向的最接近点后，判断目标飞机是否已经解除与其余飞机的危险状态，若已经解除保持原有速度；若已经解除与入侵飞机的危险状态，则目标飞机调整自身速度，以返回既定轨迹。
本发明提供的三架次飞机防撞方法及系统，当三架飞机在狭窄空域内相遇，对于任一架目标飞机而言，仅仅只考虑一架入侵飞机时候，可能会导致为了避开一架入侵飞机而与另一架入侵飞机相撞的局面，本发明的技术方案在同时存在入侵飞机和潜在入侵飞机时，通过对目标飞机、入侵飞机及潜在入侵飞机的三机冲突进行判断，根据不同的态势结果给出防撞策略，某一架目标飞机在进行防撞操作时，能够综合考虑所有入侵飞机和潜在入侵飞机，有效增加了预警时间，使得目标飞机面临多架飞机入侵的情况下，规划出一条最佳路线，能够能较好地解决三机态势下的飞机冲突问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为发明实施例一提供的三架次飞机防撞方法中三机相遇示意图；
图2为本发明实施例一提供的TCAS改进模型图；
图3a为对飞机的轨迹进行的绝对轨迹预测图；
图3b为目标飞机相对入侵飞机的相对轨迹预测图；
图4为两机防撞策略方向选择示意图；
图5为执行两机防撞策略后的轨迹回归图；
图6为三机防撞策略中的方向选择示意图；
图7为三机防撞策略中的强度选择示意图；
图8为执行三机防撞策略后的轨迹回归图；
图9为仿真模型构成组件图；
图10为仿真模型参考示意图一；
图11a为软件界面中运行界面图；
图11b为软件界面中结果界面图；
图12为仿真模型图示意图二；
图13为根据图12的仿真结果图；
图14a为图13中飞机1、3的距离变化图；
图14b为图13中飞机2、3的距离变化图；
图14c为图13中飞机1、2的距离变化图；
图15为TCAS下仿真结果图；
图16为本发明实施例二提供的三架次飞机防撞系统的流程框图。
其中图3a，图3b是对飞机的轨迹进行预测，其中，图3a是飞机的绝对轨迹，图3b是目标飞机相对入侵的飞机的轨迹预测图。图4和图5是两机防撞的过程示意图，图6，7,8是三机防撞的过程示意图。图9，图10是gmas仿真模型构成组件和简单仿真模型示例。图12是三机防撞算法的建模仿真，图13是图12的仿真结果，是三架飞机在三维空间的轨迹图。图14(a)(b)(c)是对图13中三架飞机在水平方向距离的变化示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种三架次飞机防撞方法及系统。
实施例一
请参照图1至图3，本发明提供一种三架次飞机防撞方法，包括：
步骤1，根据周围空域内飞机的状态信息以及目标飞机的状态信息，获取目标飞机与所述周围空域内任一飞机之间的距离；
步骤2，在所述目标飞机的周围空域内存在入侵飞机时，根据所述目标飞机与入侵飞机到达最近点时之间的距离与距离阈值的比较结果，和/或所述目标飞机与入侵飞机到达最近点的时间与时间阈值的比较结果判断两机冲突；在发生两机冲突时，所述目标飞机和入侵飞机执行两机防撞策略；所述两机防撞策略用于对所述目标飞机、入侵飞机中的一个进行冲突解决的方向和强度进行规划；
步骤3，在所述目标飞机周围空域存在潜在入侵飞机时，根据所述目标飞机与入侵飞机执行两机防撞策略的过程中，所述目标飞机与潜在入侵飞机之间的距离与距离阈值的比较结果或所述入侵飞机与潜在入侵飞机之间的距离与距离阈值的比较结果判断三机冲突及其态势；在发生三机冲突时根据三机冲突的态势选择三机防撞策略；所述三机防撞策略用于对所述目标飞机、入侵飞机、潜在入侵飞机中的两个进行冲突解决的方向和强度进行规划；
步骤4，按照所述三机防撞策略规定的方向和强度飞行完成三机防撞后，对于每一架目标飞机，在经过所有的水平方向或垂直方向的最接近点后，判断目标飞机是否已经解除与其余飞机的危险状态，若已经解除保持原有速度，若已经解除与入侵飞机的危险状态，则目标飞机调整自身速度，以返回既定轨迹。
三机飞行冲突，定义为三架飞机两两距离小于标准间隔，当飞机按照既定轨道飞行，飞行员不加以操纵情况下，三架飞机两两间会进入冲突状态，或者三架飞机中的两架飞机存在飞行冲突，且在TCAS系统指引下进行避撞过程中，会与第三架飞机进入冲突状态。如图1所示，飞机1,2,3在狭窄空域内相遇，且会在短时间内进入冲突状态，即可定义为三机飞行冲突。在三机飞行冲突中，将三架飞机分别定义为，目标飞机，入侵飞机，潜在入侵飞机。其中目标飞机是搭载TCAS系统并接收其指示的飞机，入侵飞机是首先与目标飞机进入冲突状态的飞机，潜在入侵飞机是暂未威胁但在短时间内会威胁目标飞机的飞机。
对于三机飞行冲突，每一架目标飞机在进行避撞操作时，在方向和强度选择上要确保能够避开所有入侵飞机和潜在入侵飞机。总之，复杂的防撞模型是一个全局考虑的防撞模型，保证所有的飞机都顺利通过冲突区域。如图2所示，目标飞机对周围空域进行监视，根据周围空域飞机的位置、速度等信息进行轨迹预测，并根据预测的轨迹判断是否对目标飞机构成威胁，同时将周围飞机的信息展示给飞行员。当TCAS系统判断目标飞机周围存在入侵飞机时，会进一步进行态势判断，判断是否存在潜在入侵飞机，并根据态势判断结果，进行策略选择，对目标飞机进行冲突解脱的方向和强度进行规划，同时将操作指示传递给飞行员。态势判断和避撞策略是改进后的TCAS系统与原有TCAS系统最大的区别。
所述步骤1包括：
在目标飞机i与入侵飞机j的飞行过程中，存在某一时刻t，此时两架飞机相互间距离最小，则定义该位置为最接近点CPA，包括水平方向最接近点CPAh,和垂直方向最接近点CPAz，即两架飞机在水平方向距离最小点和垂直方向距离最小的位置：
假定在时刻t，在某一空域中存在两架飞机i、j,其中目标飞机i的空间坐标为
Figure GDA0002402037820000111
水平坐标为
Figure GDA0002402037820000112
空间速度为
Figure GDA0002402037820000113
水平速度为
Figure GDA0002402037820000114
入侵飞机j的空间坐标为
Figure GDA0002402037820000115
水平坐标为
Figure GDA0002402037820000116
速度
Figure GDA0002402037820000117
水平速度为
Figure GDA0002402037820000118
如图3a所示，目标飞机i和入侵飞机j在时刻t的水平相对距离为xht ij＝xht i-xht j，水平相对速度为vht ij＝vht i-vht j；
如图3b所示，当两架飞机到达CPAh时，需要满足以下条件：
Figure GDA0002402037820000119
定义
Figure GDA00024020378200001110
为在时刻t，若目标飞机i与入侵飞机j保持当前速度不变，到达水平方向最接近点CPAh的时间，其大小如下：
Figure GDA00024020378200001111
其中
Figure GDA00024020378200001112
为目标飞机i对入侵飞机j水平相对速度的方向角；
Figure GDA00024020378200001113
为目标飞机i对入侵飞机j水平相对位置的方向角；
定义目标飞机i与入侵飞机j在水平面上的最近距离
Figure GDA00024020378200001114
Figure GDA00024020378200001115
定义
Figure GDA00024020378200001116
为在时刻t，若目标飞机i与入侵飞机j保持当前飞行状态不变时到达垂直方向最接近点CPAz的时间，其大小如下：
Figure GDA0002402037820000121
其中目标飞机i与入侵飞机j在时刻t垂直方向的相对位移为：
Figure GDA0002402037820000122
目标飞机i与入侵飞机j在时刻t垂直方向的相对速度为：
Figure GDA0002402037820000123
与此同时，当目标飞机i与入侵飞机j到达水平面上的最接近点CPAh时，目标飞机i与入侵飞机j在垂直方向的相对位移:
Figure GDA0002402037820000124
其中当目标飞机i到达水平面上的最接近点CPAh时垂直方向的位移为：
Figure GDA0002402037820000125
当目入侵飞机j到达水平面上的最接近点CPAh时垂直方向的位移为：
Figure GDA0002402037820000126
由公式(4)、(5)获得目标飞机i与入侵飞机j到达水平面上的最接近点CPAh时，目标飞机i与入侵飞机j在垂直方向的位移：
Figure GDA0002402037820000127
其中
Figure GDA0002402037820000128
进一步地，所述步骤2包括：
步骤21，在所述目标飞机与周围空域内飞机的距离随时间越来越小时，判定所述飞机为入侵飞机；
步骤22，在所述目标飞机与所述入侵飞机到达最近点的时间均小于时间阈值，且在到达的最近点时所述目标飞机与所述入侵飞机之间的距离小于距离阈值时，即满足：
Figure GDA0002402037820000129
或在所述目标飞机与所述入侵飞机在水平方向的距离小于水平距离阈值时，即满足：
Figure GDA00024020378200001210
或在所述目标飞机与所述入侵飞机在垂直方向的距离小于垂直距离阈值时，即满足：
Figure GDA00024020378200001211
判定所述飞机与入侵飞机发生两机冲突；
上述的双机冲突检测算法用于判断两架飞机间是否会发生冲突。当入侵飞机j进入目标飞机i周围空域时，目标飞机i判断入侵飞机j是否会造成威胁。当飞机j对目标飞机i构成威胁时需要满足上述三个条件中的一个。
步骤23，所述两机防撞策略包括：
当目标飞机判断与入侵飞机即将相撞击而根据TCAS防撞建议(RA)采取冲突解脱措施时，目标飞机选择进行向上机动或者向下机动；
在目标飞机进行防撞操作时，定义a为当目标飞机在垂直方向上采取向上机动，当抵达水平方向最接近点时，两者在垂直方向上的分离距离；定义b为当目标飞机在垂直方向上采取向下机动，当抵达水平方向最接近点时，两者在垂直方向上的分离距离为：
Figure GDA0002402037820000131
Figure GDA0002402037820000132
其中，
Figure GDA0002402037820000133
为飞机向上机动到达水平方向最接近点的垂直方向高度；
Figure GDA0002402037820000134
为飞机不采取机动到达水平方向最接近点的垂直方向高度；
Figure GDA0002402037820000135
为飞机采取向下机动到达水平方向最接近点的垂直方向高度；
如图4所示，在所述目标飞机进行方向选择时，满足以下条件：
目标飞机在改变相同的垂直方向速度的情况下，实现与入侵飞机最大的分离距离；
在目标飞机进行防撞操作时，不在入侵飞机在垂直方向上有所交叉；
Figure GDA0002402037820000136
为目标飞机i的方向选择，当
Figure GDA0002402037820000137
时，目标飞机i向上机动，当
Figure GDA0002402037820000138
时，目标飞机i向下机动；目标飞机的方向选择如下：
Figure GDA0002402037820000139
在所述目标飞机进行强度选择时，在垂直方向上进行速度调整：
Figure GDA00024020378200001310
Figure GDA0002402037820000141
返回原轨迹模型。
如图5所示，在目标飞机与入侵飞机经过水平方向最接近点(CPAh,t)后，判断目标飞机是否已经解除与入侵飞机的危险状态，若入侵飞机没有解除与入侵飞机的危险状态，则目标飞机继续保持原有速度，若入侵飞机已经解除与入侵飞机的危险状态，则目标飞机调整自身速度，以返回既定航道。
Figure GDA0002402037820000142
若已经解除入侵飞机j的威胁,则目标飞机i改变自身垂直方向速度，通过step1和step2两个步骤恢复既定飞行状态。
Step1：在时刻
Figure GDA0002402037820000143
目标飞机i此时处于水平方向最接近点(CPAh,t)，经过前期的避撞操作，目标飞机i已经脱离与入侵飞机的危险状态，目标飞机i在此时刻调整垂直方向速度，以加速返回原轨迹，此时垂直方向速度调整为：
Figure GDA0002402037820000144
Step2：在时刻
Figure GDA0002402037820000145
目标飞机i已经回到原来轨迹，目标飞机i调整垂直方向速度，按照既定轨道航行，此时垂直方向速度调整为：
Figure GDA0002402037820000146
经过以上两步，让目标飞机解除与入侵飞机的危险状态后，重新返回到既定轨道。
优选地，所述步骤3包括：
步骤31，在所述目标飞机与入侵飞机在执行两机防撞策略时，所述目标飞机与周围空域内飞机的距离或所述入侵飞机与周围空域内飞机的距离随时间越来越小时，判定所述飞机为潜在入侵飞机；
三机冲突检测算法用于判断三机飞机间是否存在连环冲突的风险，假设首先入侵飞机j与目标飞机i进入冲突状态，TCAS系统进一步判断周围飞机m是否对目标飞机i构成潜在威胁，即若目标飞机i在与入侵飞机j解除冲突的过程与飞机m进入冲突状态，则飞机m为潜在入侵飞机，飞机i，j，m存在三机冲突。
步骤32，同时满足以下条件：
在时刻t，三架飞机i,j,m中，至少存在两架飞机进入冲突状态，满足：
Figure GDA0002402037820000151
Figure GDA0002402037820000152
Figure GDA0002402037820000153
在时刻t+Δt,首先进入冲突的两架飞机中至少存在一架会与第三架飞机进入冲突状态，且Δt小于解除冲突的时间，假设飞机i,j首先进入冲突，随后飞机i与飞机m进入冲突，满足：
Figure GDA0002402037820000154
则判定发生三机冲突；
步骤33，所述三机防撞策略包括：
进行方向选择时，满足以下条件：
对假设在某一空域三架飞机(i,j,m)可能发生碰撞，假定在某一时刻，三架飞机两两到达CPA的时间分别为
Figure GDA0002402037820000155
假设
Figure GDA0002402037820000156
假设在t时刻，
Figure GDA0002402037820000157
分别为三架飞机的高度，
Figure GDA0002402037820000158
飞机i处于最下层，飞机j处于中层，飞机m处于最下层；
当三架飞机在进行避撞操作时，满足在垂直面上不交叉，任意两架飞机不在同一水平面上，即：
Figure GDA0002402037820000159
位于最上层的飞机向上进行机动，位于中层的飞机保持原有速度不变，位于下层的飞机向下进行机动，即：
Figure GDA00024020378200001510
如图6所示，即最上层的飞机向上进行机动，中层的飞机保持原有速度不变，下层的飞机向下进行机动，这样三架飞机便能实现分离。
进行强度选择时，满足以下条件：
在垂直方向上进行速度调整时，对于处于最上层的飞机m,在t时刻，选择向上机动进行防撞操作，根据与中层飞机的危险状态，飞机m垂直方向的速度调整为
Figure GDA0002402037820000161
根据与下层飞机的危险状态，飞机m垂直方向的速度调整为
Figure GDA0002402037820000162
各值如下：
Figure GDA0002402037820000163
只考虑与飞机j的避撞速度调整：
Figure GDA0002402037820000164
只考虑与飞机i的避撞速度调整：
Figure GDA0002402037820000165
同时摆脱与飞机i和飞机j的避撞策略：
Figure GDA0002402037820000166
飞机m的调整时间为：
Figure GDA0002402037820000167
对于中层的飞机j,保持原来的速度不变，即；
Figure GDA0002402037820000168
对于下层的飞机i，选择向下机动进行防撞操作，根据与中层飞机的危险状态，飞机j垂直方向的速度调整为：
Figure GDA0002402037820000169
Figure GDA00024020378200001610
在复杂的防撞模型中，目标飞机在垂直方向上进行速度调整时，需要考虑所有入侵飞机的轨迹、速度等多个因素，来保证目标飞机能够作出有效的规避动作，能够与其余所有入侵飞机脱离危险状态，同时又避免做出较大的规避动作，防止在既定轨迹上发生较大偏移。
如图7所示，对于处于最上层的飞机m,在t时刻，在选择向上机动进行避撞操作时，既需要考虑解除与飞机i的危险状态，又需要考虑解除与飞机j的危险状态,因此，对于飞机m而言，根据简单的避撞模型，在t时刻，若只考虑与飞机m解除危险状态，则飞机m垂直方向的速度调整为
Figure GDA0002402037820000171
若只考虑与飞机i解除危状态，则飞机m垂直方向的速度调整为
Figure GDA0002402037820000172
飞机m在需要在两个方案中筛选中最优方案，保证能够解除与所有飞机的危险状态。对于中层的飞机j,只需要保持原来的速度不变。对于下层的飞机i，选择向下机动进行防撞操作，且仅仅只需考虑与中层飞机j的威胁，因为飞机m已经通过向上的机动，避免与飞机i进入危险状态。
优选地，所述步骤4包括：
步骤41，在所述目标飞机已经解除与入侵飞机的威胁时,则目标飞机k(k＝i,j,m)改变自身垂直方向速度；
步骤42，在时刻
Figure GDA0002402037820000173
目标飞机此时处于水平方向最接近点(CPAh,t)，经过前期的避撞操作，目标飞机k已经脱离与入侵飞机的危险状态，目标飞机k在此时刻调整垂直方向速度，以加速返回既定轨迹，此时垂直方向速度调整为：
Figure GDA0002402037820000174
步骤43，在时刻
Figure GDA0002402037820000175
目标飞机k回到既定轨迹时，按照既定轨道航行，目标飞机k调整垂直方向速度调整为：
Figure GDA0002402037820000176
目标飞机解除与入侵飞机的危险状态后，重新返回到既定轨道。
如图8所示，对于每一架目标飞机，在经过所有的水平方向最接近点(CPAh,t)后，判断目标飞机是否已经解除与其余飞机的危险状态，若已经解除与其余飞机的危险状态，则目标飞机继续保持原有速度，若目标飞机已经解除与入侵飞机的危险状态，则目标飞机调整自身速度，以返回既定航道。
下面通过仿真实验对本实施例的三架次飞机防撞方法的有效性进行说明：
为了验证本文提出的三机冲突检测和解脱算法，本文提出构建了三机飞行冲突模型，并利用Gmas仿真平台对现有的TCAS防撞算法和三机冲突检测和解脱算法进行仿真实验，通过对结果的对比研究来检验算法的有效性。
本文进行建模仿真的平台为Gmas平台，由本文作者所在团队构建。该平台是一种基于时序状态的图形化建模与分析方法，采用Java Swing图形化编程语言实现各图形化组件，采用Spring架构实现图形化建模模块的整体框架，支持建模人员通过拖拉图形化组件、配置图形化组件相关属性及其交互关系的方式构建仿真模型。
在Gmas平台下，构建的任何仿真模型GM都可以映射到一个九元组上GM＝(S,D,H,H,F,E，F，)其中S＝{s1}是开始组件，D＝{d1,d2,…da}是数据组件集，H＝{h1,h2,…hm}是函数组件集，H'＝{h'1,h'2,…h'm}是嵌套函数组件集，F＝{f1,f2,…fu}是联接函数组件集，E＝{e1}是结束组件。仿真模型构成组件如图9所示。
仿真模型的组成和形式可由图10表示。
Gmas软件运行界面和结果界面可分别由图11(a),11(b)表示。
仿真建模
本文利用基于复杂系统图形化建模的Gmas平台进行仿真实验，图形化建模是对前文提到防撞措施的仿真，其能够直观呈现飞机防撞的整个过程，其中三机飞行冲突的仿真模型如图12所示，根据模型的功能进行划分，可以将整个模型分为以下四个模块，不同的框图代表模型的不同功能。其中模块1的功能为冲突检测，在该模块中，三架目标飞机均对自身周围空域进行监视，判断是否存在连环冲突的风险。模块2的功能为冲突解脱，模块1检测三架飞机间存在连环冲突风险，该模块为即将陷入连环冲突的每一架目标飞机规划解脱策略，包括方向选择和强度选择。模块3和模块4的功能为返回原轨迹，目标飞机在经过冲突解脱操作后已经偏离原来高度，在该模块下，目标飞机检测是否已经脱离危险，若脱离，则返回原来轨迹。
为了产生三机飞行冲突的情景，本文采取Lincoln实验室的碰撞模型产生双机飞行冲突情景，该种方法能够较好地模拟出实际情况中各种两机冲突情景，然后修改模型参数增加额外的冲突飞机，通过这种方法生成的三机飞行冲突情景，可以代表实际空域发生的冲突。
表2参数介绍
Figure GDA0002402037820000181
针对给定的三机冲突模型，利用Gmas仿真平台分别对本文提出的复杂防撞模型和现有的TCAS防撞模型进行测试，图13和图15分别展示了仿真结果，表3和表4详细地展示了三架飞机每秒钟的位置信息。
图7详细描绘了在复杂的防撞模型下，三架飞机避开冲突区域的过程，在该冲突模型中，三架飞机按照既定轨道飞行会在某一狭窄空域发生连环冲突。当探测系统判断三架飞机即将发生连环冲突时，位于最上层飞机2向上爬升，位于中层的飞机3保持既定速度不变，位于下层飞机1下降，以确保三架飞机中的任意两架飞机到达彼此的CPA时，垂直方向的分离距离(VMD)均能够达到安全距离。当飞机完成避撞操作后，飞机重新调整垂直方向速度以返回原来轨道。表3详细描绘了三架飞机在复杂防撞模型下的部分轨迹图。在时刻17:14:09分时，飞机1在(2.7NM,4.728NM,150.5FL)以速度(0,0.08,0.5)飞行；飞机2在(2.316NM,6.078NM,153.4FL)以速度(0.03，-0.05，-4)飞行；飞机3在(3.128NM,5.536NM，152FL)以速度(-0.04,0.05，-3.5)飞行；倘若三架飞机均按照既定轨道飞行，则在时刻17:14:11，飞机2与飞机3进入冲突区域，此时水平距离为:
Figure GDA0002402037820000191
垂直距离为:
15332-15190.5＝141.5＜400；
在时刻17:14:12，飞机1与飞机3进入冲突区域，此时水平距离为，垂直距离为15187-15053＝134＜400；在时刻17:14:14，飞机1与2进入冲突区域，此时水平距离为：
Figure GDA0002402037820000192
垂直距离为：
15320-15054＝266＜400。
为了避免三架飞机间的连环冲突，在时刻17:14:11,复杂的防撞系统启动，在系统指示下，飞机1向下俯冲，垂直速度变为-22，在时刻17:14:26与其他飞机达到最大分离距离，飞机3保持既有速度不变，飞机2向上爬升，垂直速度变为53.4，在时刻17:14:20与其他飞机达到安全分离距离，最终三架飞机均成功避开冲突区域。
表3部分轨迹航点
Figure GDA0002402037820000193
Figure GDA0002402037820000201
图13描绘了在整个三机冲突解脱过程中，飞机1,2,3在水平和垂直方向距离的变化，其中图14(a)，14(b)，14(c)分别描绘了飞机1,2，飞机1,3，飞机2,3在水平和垂直方向距离的变化，其中黄线代表垂直距离变化，蓝线代表水平距离变化。由曲线图可以看出，三架飞机不断相互接近，水平距离和垂直方向距离均减小，当TCAS系统发出RA后，为了解除冲突，三架飞机在垂直方向上迅速分离，当飞机到达水平方向最接近点时(CPA)，尽管水平方向距离最小，但在垂直方向上达到最大分离距离(VMD)，此时飞机1,2垂直方向的分离距离为887.85，飞机1,3垂直方向的分离距离为408.21，飞机2,3垂直方向的分离距离为587.72，均达到安全距离，三架飞机有效避免了碰撞。当飞机驶离水平方向最接近点(CPA)时，在水平方向上相互远离时，飞机重新回到原来轨道，垂直方向距离也逐渐恢复到原有水平。
图14描绘了三架飞机在TCAS防撞算法下的避撞过程，飞机2与飞机3首先进入冲突区域，飞机3收到向下的指令，采取向下机动以避开冲突区域，机动过程中飞机3与飞机1进入冲突区域，飞机3收到向上的指令，但此时飞机3与飞机2还在冲突区域中，三架飞机陷入连环冲突风险。
表4详细描绘了三架飞机在TCAS防撞系统下的部分轨迹图。在时刻17:14:10飞机2和飞机3进入冲突区域，飞机3选择向下机动，在时刻17:14:13飞机3与飞机1进入冲突区域，向下机动的飞机3与飞机1在垂直方向上迅速接近，而此时飞机3尚未与飞机2脱离冲突区域，三架飞机陷入连环相撞的局面。
表4 TCAS系统下部分轨迹航点
Time Aircraft X(NM) Y(NM) Z(ft)
Aircraft 1 17:14:09 2.7 4.728 15051.5
Aircraft 2 17:14:09 2.316 6.078 15310
Aircraft 3 17:14:09 3.128 5.536 15197.5
Aircraft 1 17:14:10 2.7 4.808 15052
Aircraft 2 17:14:10 2.346 6.028 15306
Aircraft 3 17:14:10 3.088 5.586 15194
Aircraft 1 17:14:11 2.7 4.888 15052.5
Aircraft 2 17:14:11 2.376 5.978 15302
Aircraft 3 17:14:11 3.048 5.636 15190.5
Aircraft 1 17:14:12 2.7 4.968 15053
Aircraft 2 17:14:12 2.406 5.928 15298
Aircraft 3 17:14:12 3.008 5.686 15133.59
Aircraft 1 17:14:13 2.7 5.048 15053.5
Aircraft 2 17:14:13 2.436 5.878 15294
Aircraft 3 17:14:13 2.968 5.736 15076.67
Aircraft 1 17:14:14 2.7 5.128 15054
Aircraft 2 17:14:14 2.466 5.828 15290
Aircraft 3 17:14:14 2.928 5.786 15019.76
Aircraft 1 17:14:15 2.7 5.208 15054.5
Aircraft 2 17:14:15 2.496 5.778 15286
Aircraft 3 17:14:15 2.888 5.836 14962.85
本文提出了一种基于TCAS的复杂防撞模型，并通过基于系统图形化建模的Gmas仿真平台对该复杂防撞模型进行检验，实验结果表明，该模型能够能较好地解决多机态势下的飞机冲突问题，并且让飞机在避开冲突区域后能够返回其原有轨道，而现有的TCAS防撞系统不能解决此类三机飞行冲突问题。
相比TCAS防撞系统，本文提出的复杂防撞模型更加具有全局性，有效避免现有的TCAS防撞系统只能处理两架飞机间冲突的缺陷。当多架(三架)飞机在狭窄空域内相遇，对于任一架目标飞机而言，仅仅只考虑一架入侵飞机时候，可能会导致为了避开一架入侵飞机而与另一架入侵飞机相撞的局面，在本文提出的复杂防撞模型中，某一架目标飞机在进行防撞操作时，能够综合考虑所有入侵飞机和潜在入侵飞机，有效增加了预警时间，使得目标飞机面临多架飞机入侵的情况下，规划出一条最佳路线。
实施例二
与实施例一对应地，参见图16，本发明实施例提供三架次飞机防撞系统，包括距离测算模块1、两机防撞模块2、三机防撞模块3、返航模块4，其中：
距离测算模块1用于根据周围空域内飞机的状态信息以及目标飞机的状态信息，获取目标飞机与所述周围空域内任一飞机之间的距离；
两机防撞模块2用于在所述目标飞机的周围空域内存在入侵飞机时，根据所述目标飞机与入侵飞机到达最近点时之间的距离与距离阈值的比较结果，和/或所述目标飞机与入侵飞机到达最近点的时间与时间阈值的比较结果判断两机冲突；在发生两机冲突时，所述目标飞机和入侵飞机执行两机防撞策略；所述两机防撞策略用于对所述目标飞机、入侵飞机中的一个进行冲突解决的方向和强度进行规划；
三机防撞模块3用于在所述目标飞机周围空域存在潜在入侵飞机时，根据所述目标飞机与入侵飞机执行两机防撞策略的过程中，根据所述目标飞机与潜在入侵飞机之间的距离与距离阈值的比较结果或根据所述入侵飞机与潜在入侵飞机之间的距离与距离阈值的比较结果判断三机冲突及其态势；在发生三机冲突时根据三机冲突的态势选择三机防撞策略；所述三机防撞策略用于对所述目标飞机、入侵飞机、潜在入侵飞机中的两个进行冲突解决的方向和强度进行规划；
返航模块4用于按照所述三机防撞策略规定的方向和强度飞行完成三机防撞后，对于每一架目标飞机，在经过所有的水平方向或垂直方向的最接近点后，判断目标飞机是否已经解除与其余飞机的危险状态，若已经解除保持原有速度；若已经解除与入侵飞机的危险状态，则目标飞机调整自身速度，以返回既定轨迹。
所述距离测算模块1包括：
在目标飞机i与入侵飞机j的飞行过程中，存在某一时刻t，此时两架飞机相互间距离最小，则定义该位置为最接近点CPA，包括水平方向最接近点CPAh,和垂直方向最接近点CPAz，即两架飞机在水平方向距离最小点和垂直方向距离最小的位置：
假定在时刻t，在某一空域中存在两架飞机i、j,其中目标飞机i的空间坐标为
Figure GDA0002402037820000221
水平坐标为
Figure GDA0002402037820000222
空间速度为
Figure GDA0002402037820000223
水平速度为
Figure GDA0002402037820000224
入侵飞机j的空间坐标为
Figure GDA0002402037820000225
水平坐标为
Figure GDA0002402037820000226
速度
Figure GDA0002402037820000227
水平速度为
Figure GDA0002402037820000228
目标飞机i和入侵飞机j在时刻t的水平相对距离为
Figure GDA0002402037820000231
水平相对速度为
Figure GDA0002402037820000232
当两架飞机到达CPAh时，需要满足以下条件：
Figure GDA0002402037820000233
定义
Figure GDA0002402037820000234
为在时刻t，若目标飞机i与入侵飞机j保持当前速度不变，到达水平方向最接近点CPAh的时间，其大小如下：
Figure GDA0002402037820000235
其中
Figure GDA0002402037820000236
为目标飞机i对入侵飞机j水平相对速度的方向角；
Figure GDA0002402037820000237
为目标飞机i对入侵飞机j水平相对位置的方向角；
定义目标飞机i与入侵飞机j在水平面上的最近距离
Figure GDA0002402037820000238
Figure GDA0002402037820000239
定义
Figure GDA00024020378200002310
为在时刻t，若目标飞机i与入侵飞机j保持当前飞行状态不变时到达垂直方向最接近点CPAz的时间，其大小如下：
Figure GDA00024020378200002311
其中目标飞机i与入侵飞机j在时刻t垂直方向的相对距离为：
Figure GDA00024020378200002312
目标飞机i与入侵飞机j在时刻t垂直方向的相对速度为：
Figure GDA00024020378200002313
与此同时，当目标飞机i与入侵飞机j到达水平面上的最接近点CPAh时，目标飞机i与入侵飞机j在垂直方向的距离:
Figure GDA00024020378200002314
其中当目标飞机i到达水平面上的最接近点CPAh时垂直方向的距离为：
Figure GDA00024020378200002315
当目入侵飞机j到达水平面上的最接近点CPAh时垂直方向的距离为：
Figure GDA00024020378200002316
由公式(4)、(5)获得目标飞机i与入侵飞机j到达水平面上的最接近点CPAh时，目标飞机i与入侵飞机j在垂直方向的距离：
Figure GDA00024020378200002317
其中
Figure GDA00024020378200002318
所述两机防撞模块2包括入侵判断子模块21、两机冲突判断子模块22、两机防撞策略子模块23，其中：
入侵判断子模块21用于在所述目标飞机与周围空域内飞机的距离随时间越来越小时，判定所述飞机为入侵飞机；
两机冲突判断子模块22用于在所述目标飞机与所述入侵飞机到达最近点的时间均小于时间阈值，且在到达的最近点时所述目标飞机与所述入侵飞机之间的距离小于距离阈值时，即满足：
Figure GDA0002402037820000241
或在所述目标飞机与所述入侵飞机在水平方向的距离小于水平距离阈值时，即满足：
Figure GDA0002402037820000242
或在所述目标飞机与所述入侵飞机在垂直方向的距离小于垂直距离阈值时，即满足：
Figure GDA0002402037820000243
判定所述飞机与入侵飞机发生两机冲突；
两机防撞策略子模块23用于当目标飞机判断与入侵飞机即将相撞击而根据TCAS防撞建议(RA)采取冲突解脱措施时，目标飞机选择进行向上机动或者向下机动；
用于在目标飞机进行防撞操作时，定义a为当目标飞机在垂直方向上采取向上机动，当抵达水平方向最接近点时，两者在垂直方向上的分离距离；定义b为当目标飞机在垂直方向上采取向下机动，当抵达水平方向最接近点时，两者在垂直方向上的分离距离为：
Figure GDA0002402037820000244
Figure GDA0002402037820000245
其中，
Figure GDA0002402037820000246
为飞机向下机动到达水平方向最接近点的垂直方向高度；
Figure GDA0002402037820000247
为飞机不采取机动到达水平方向最接近点的垂直方向高度；
Figure GDA0002402037820000248
为飞机向上机动到达水平方向最接近点的垂直方向高度；
用于在所述目标飞机进行方向选择时，满足以下条件：
目标飞机在改变相同的垂直方向速度的情况下，实现与入侵飞机最大的分离距离；
在目标飞机进行防撞操作时，不与入侵飞机在垂直方向上有所交叉；
Figure GDA0002402037820000251
为目标飞机i的方向选择，当
Figure GDA0002402037820000252
时，目标飞机i向上机动，当
Figure GDA0002402037820000253
时，目标飞机i向下机动；目标飞机的方向选择如下：
Figure GDA0002402037820000254
在所述目标飞机进行强度选择时，在垂直方向上进行速度调整：
Figure GDA0002402037820000255
Figure GDA0002402037820000256
所述三机防撞模块3包括：潜在入侵判断子模块31、三机冲突判断子模块32、三机防撞策略子模块33，其中：
潜在入侵判断子模块31在所述目标飞机与入侵飞机在执行两机防撞策略时，所述目标飞机与周围空域内飞机的距离或所述入侵飞机与周围空域内飞机的距离随时间越来越小时，判定所述飞机为潜在入侵飞机；
三机冲突判断子模块32用于在同时满足以下条件时：
在时刻t，三架飞机i,j,m中，至少存在两架飞机进入冲突状态，满足：
Figure GDA0002402037820000257
Figure GDA0002402037820000258
Figure GDA0002402037820000259
在时刻t+Δt,首先进入冲突的两架飞机中至少存在一架会与第三架飞机进入冲突状态，且Δt小于解除冲突的时间，假设飞机i,j首先进入冲突，随后飞机i与飞机m进入冲突，满足：
Figure GDA0002402037820000261
判定发生三机冲突；
三机防撞策略子模块33用于在进行方向选择时，满足以下条件：
对假设在某一空域三架飞机(i,j,m)可能发生碰撞，假定在某一时刻，三架飞机两两到达CPA的时间分别为
Figure GDA0002402037820000262
假设
Figure GDA0002402037820000263
假设在t时刻，
Figure GDA0002402037820000264
分别为三架飞机的高度，
Figure GDA0002402037820000265
飞机i处于最下层，飞机j处于中层，飞机m处于最下层；
当三架飞机在进行避撞操作时，满足在垂直面上不交叉，任意两架飞机不在同一水平面上，即：
Figure GDA0002402037820000266
位于最上层的飞机向上进行机动，位于中层的飞机保持原有速度不变，位于下层的飞机向下进行机动，即：
Figure GDA0002402037820000267
用于在进行强度选择时，满足以下条件：
在垂直方向上进行速度调整时，对于处于最上层的飞机m,在t时刻，选择向上机动进行防撞操作，根据与中层飞机的危险状态，飞机m垂直方向的速度调整为
Figure GDA0002402037820000268
根据与下层飞机的危险状态，飞机m垂直方向的速度调整为
Figure GDA0002402037820000269
各值如下：
Figure GDA00024020378200002610
只考虑与飞机j的避撞速度调整：
Figure GDA00024020378200002611
只考虑与飞机i的避撞速度调整：
Figure GDA00024020378200002612
同时摆脱与飞机i和飞机j的避撞策略：
Figure GDA0002402037820000271
飞机m的调整时间为：
Figure GDA0002402037820000272
对于中层的飞机j,保持原来的速度不变，即；
Figure GDA0002402037820000273
对于下层的飞机i，选择向下机动进行防撞操作，根据与中层飞机的危险状态，飞机j垂直方向的速度调整为：
Figure GDA0002402037820000274
Figure GDA0002402037820000275
所述返航模块4包括：第一强度调节子模块41、第二强度调节子模块42、第三强度调节子模块43，其中：
第一强度调节子模块41用于在所述目标飞机已经解除与入侵飞机的威胁时,则目标飞机k(k＝i,j,m)改变自身垂直方向速度；
第二强度调节子模块42用于在时刻
Figure GDA0002402037820000276
目标飞机此时处于水平方向最接近点(CPAh,t)，经过前期的避撞操作，目标飞机k已经脱离与入侵飞机的危险状态，目标飞机k在此时刻调整垂直方向速度，以加速返回既定轨迹，此时垂直方向速度调整为：
Figure GDA0002402037820000277
第三强度调节子模块43用于在时刻
Figure GDA0002402037820000278
目标飞机k回到既定轨迹时，按照既定轨道航行，目标飞机k调整垂直方向速度调整为：
Figure GDA0002402037820000279
目标飞机解除与入侵飞机的危险状态后，重新返回到既定轨道。
本实施例的实现参照上述三架次飞机防撞方法的实现。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种三架次飞机防撞方法，其特征在于，包括：
步骤1，根据周围空域内飞机的状态信息以及目标飞机的状态信息，获取目标飞机与所述周围空域内任一飞机之间的距离；
步骤2，在所述目标飞机的周围空域内存在入侵飞机时，根据所述目标飞机与入侵飞机到达最近点时之间的距离与距离阈值的比较结果，和/或所述目标飞机与入侵飞机到达最近点的时间与时间阈值的比较结果判断两机冲突；在发生两机冲突时，所述目标飞机和入侵飞机执行两机防撞策略；所述两机防撞策略用于对所述目标飞机、入侵飞机中的一个进行冲突解决的方向和强度进行规划；
步骤3，在所述目标飞机周围空域存在潜在入侵飞机时，根据所述目标飞机与入侵飞机执行两机防撞策略的过程中，所述目标飞机与潜在入侵飞机之间的距离与距离阈值的比较结果或所述入侵飞机与潜在入侵飞机之间的距离与距离阈值的比较结果判断三机冲突及其态势；在发生三机冲突时根据三机冲突的态势选择三机防撞策略；所述三机防撞策略用于对所述目标飞机、入侵飞机、潜在入侵飞机中的两个进行冲突解决的方向和强度进行规划；
所述步骤3包括：
步骤31，在所述目标飞机与入侵飞机在执行两机防撞策略时，所述目标飞机与周围空域内飞机的距离或所述入侵飞机与周围空域内飞机的距离随时间越来越小时，判定所述飞机为潜在入侵飞机；
步骤32，同时满足以下条件：
在时刻t，三架飞机i,j,m中，至少存在两架飞机进入冲突状态，以下三个条件至少满足一个：
Figure FDA0002402037810000011
在t时刻，其中
Figure FDA0002402037810000021
为飞机i和飞机m到达垂直方向最接近点的时间，
Figure FDA0002402037810000022
为飞机i和飞机m在水平方向的相对位移；
Figure FDA0002402037810000023
为飞机i和飞机j在垂直方向到达最接近点的时间，
Figure FDA0002402037810000024
为飞机i和飞机j在水平方向的相对位移；
Figure FDA0002402037810000025
为飞机j和飞机m在垂直方向到达最接近点的时间，
Figure FDA0002402037810000026
为飞机j和飞机m在水平方向的相对位移，DMODRA指水平距离阈值，ZTHRRA为垂直距离阈值，TimeRA为到达空间最接近点的时间阈值；
在时刻t+Δt,首先进入冲突的两架飞机中至少存在一架会与第三架飞机进入冲突状态，且Δt小于解除冲突的时间，假设飞机i,j首先进入冲突，随后飞机i与飞机m进入冲突，满足：
Figure FDA0002402037810000027
则判定发生三机冲突；其中
Figure FDA0002402037810000028
代表在时刻t+Δt，飞机i和飞机j到达水平最接近点的时间；
Figure FDA0002402037810000029
代表两机水平方向的相对位移；
Figure FDA00024020378100000210
代表在时刻t+Δt，飞机i和飞机j到达垂直最接近点的时间，
Figure FDA00024020378100000211
代表两机垂直方向的相对位移；
步骤33，所述三机防撞策略包括：
进行方向选择时，满足以下条件：
对假设在某一空域三架飞机i,j,m可能发生碰撞，假定在某一时刻，三架飞机两两到达水平方向最接近点CPAh的时间分别为
Figure FDA00024020378100000212
假设
Figure FDA00024020378100000213
假设在t时刻，
Figure FDA00024020378100000214
分别为三架飞机的高度，
Figure FDA00024020378100000215
飞机i处于最下层，飞机j处于中层，飞机m处于最下层；
当三架飞机在进行避撞操作时，满足在垂直面上不交叉，任意两架飞机不在同一水平面上，即：
Figure FDA00024020378100000216
位于最上层的飞机向上进行机动，位于中层的飞机保持原有速度不变，位于下层的飞机向下进行机动，即：
Figure FDA00024020378100000217
其中
Figure FDA0002402037810000031
表示在时刻t+ε,飞机i和j在垂直方向上的相对位移，
Figure FDA0002402037810000032
表示在时刻t+ε,飞机i和m在垂直方向上的相对位移，
Figure FDA0002402037810000033
表示在时刻t+ε,飞机j和m在垂直方向上的相对位移；
进行强度选择时，满足以下条件：
在垂直方向上进行速度调整时，对于处于最上层的飞机m,在t时刻，选择向上机动进行防撞操作，根据与中层飞机的危险状态，飞机m垂直方向的速度调整为
Figure FDA0002402037810000034
根据与下层飞机的危险状态，飞机m垂直方向的速度调整为
Figure FDA0002402037810000035
各值如下：
Figure FDA0002402037810000036
其中
Figure FDA0002402037810000037
为飞机i调整后垂直方向速度、
Figure FDA0002402037810000038
为飞机i调整前垂直方向速度、
Figure FDA0002402037810000039
为其垂直方向调整速度、
Figure FDA00024020378100000310
为飞机j调整后垂直方向速度、
Figure FDA00024020378100000311
为飞机j调整前垂直方向速度、
Figure FDA00024020378100000312
其垂直方向调整速度、
Figure FDA00024020378100000313
为飞机m调整前垂直方向速度、
Figure FDA00024020378100000314
为飞机m调整后垂直方向速度、
Figure FDA00024020378100000315
为垂直方向调整速度；
只考虑与飞机j的避撞速度调整：
Figure FDA00024020378100000316
只考虑与飞机i的避撞速度调整：
Figure FDA00024020378100000317
其中
Figure FDA00024020378100000318
为飞机m只考虑飞机j时，其垂直方向调整速度、
Figure FDA00024020378100000319
为飞机m只考虑飞机i时，其垂直方向调整速度、ALIM为垂直方向最小分隔距离、
Figure FDA00024020378100000320
为飞机m调整前垂直方向速度、
Figure FDA00024020378100000321
为时刻t飞机m和j在垂直方向上的相对位移、
Figure FDA00024020378100000322
为在时刻t时，无人机j的垂直方向速度、
Figure FDA00024020378100000323
为在时刻t，无人机i在的垂直方向速度；
同时摆脱与飞机i和飞机j的避撞策略：
Figure FDA00024020378100000324
其中
Figure FDA00024020378100000325
为飞机m在垂直方向的调整速度、
Figure FDA00024020378100000326
为飞机m只考虑飞机j时，其垂直方向调整速度、
Figure FDA00024020378100000327
为飞机i只考虑飞机j时，其垂直方向调整速度,
Figure FDA00024020378100000328
为飞机m只考虑飞机i时，其垂直方向调整速度、
Figure FDA0002402037810000041
为飞机j在时刻t垂直方向速度、ALIM为垂直方向最小分隔距离；
飞机m的调整时间为：
Figure FDA0002402037810000042
对于中层的飞机j,保持原来的速度不变，即；
Figure FDA0002402037810000043
Figure FDA0002402037810000044
为飞机j的调整时间；
对于下层的飞机i，选择向下机动进行防撞操作，根据与中层飞机的危险状态，飞机i垂直方向的速度调整为：
Figure FDA0002402037810000045
Figure FDA0002402037810000046
Figure FDA0002402037810000047
为飞机i考虑飞机j时的调整时间，
Figure FDA0002402037810000048
为飞机i考虑飞机m时的调整时间；
Figure FDA0002402037810000049
为飞机j在时刻t垂直方向速度，
Figure FDA00024020378100000410
为飞机i在时刻t垂直方向速度；
步骤4，按照所述三机防撞策略规定的方向和强度飞行完成三机防撞后，对于每一架目标飞机，在经过所有的水平方向或垂直方向的最接近点后，判断目标飞机是否已经解除与其余飞机的危险状态，若已经解除保持原有速度，若已经解除与入侵飞机的危险状态，则目标飞机调整自身速度，以返回既定轨迹。
2.如权利要求1所述的三架次飞机防撞方法，其特征在于，所述步骤1包括：
在目标飞机i与入侵飞机j的飞行过程中，存在某一时刻t，此时两架飞机相互间距离最小，则定义该位置为最接近点CPA，包括水平方向最接近点CPAh,和垂直方向最接近点CPAz，即两架飞机在水平方向距离最小点和垂直方向距离最小的位置：
假定在时刻t，在某一空域中存在两架飞机i、j,其中目标飞机i的空间坐标为
Figure FDA00024020378100000411
水平坐标为
Figure FDA00024020378100000412
空间速度为
Figure FDA00024020378100000413
水平速度为
Figure FDA00024020378100000414
入侵飞机j的空间坐标为
Figure FDA00024020378100000415
水平坐标为
Figure FDA00024020378100000416
速度
Figure FDA00024020378100000417
水平速度为
Figure FDA00024020378100000418
目标飞机i和入侵飞机j在时刻t的水平相对距离为xht ij＝xht i-xht j，水平相对速度为vht ij＝vht i-vht j；
当两架飞机到达CPAh时，需要满足以下条件：
Figure FDA0002402037810000051
定义
Figure FDA0002402037810000052
为在时刻t，若目标飞机i与入侵飞机j保持当前速度不变，到达水平方向最接近点CPAh的时间，其大小如下：
Figure FDA0002402037810000053
其中
Figure FDA0002402037810000054
为目标飞机i对入侵飞机j水平相对速度的方向角,
Figure FDA0002402037810000055
为目标飞机i对入侵飞机j水平相对位置的方向角；
Figure FDA0002402037810000056
为飞机i和飞机j在水平方向的相对位移、
Figure FDA0002402037810000057
为飞机i和j在水平方向的相对速度；
定义目标飞机i与入侵飞机j在水平面上的最近距离min xht ij：
Figure FDA0002402037810000058
Figure FDA0002402037810000059
表示
Figure FDA00024020378100000510
时刻飞机i与飞机j在水平面上的相对位移、
Figure FDA00024020378100000511
表示
Figure FDA00024020378100000512
时刻飞机i在水平面上的位置、
Figure FDA00024020378100000513
表示
Figure FDA00024020378100000514
时刻飞机j在水平面上的位置；
定义
Figure FDA00024020378100000515
为在时刻t，若目标飞机i与入侵飞机j保持当前飞行状态不变时到达垂直方向最接近点CPAz的时间，其大小如下：
Figure FDA00024020378100000516
其中目标飞机i与入侵飞机j在时刻t垂直方向的相对距离为：
Figure FDA00024020378100000517
目标飞机i与入侵飞机j在时刻t垂直方向的相对速度为：
Figure FDA00024020378100000518
与此同时，当目标飞机i与入侵飞机j到达水平面上的最接近点CPAh时，目标飞机i与入侵飞机j在垂直方向的距离:
Figure FDA00024020378100000519
其中当目标飞机i到达水平面上的最接近点CPAh时垂直方向的相对位移为：
Figure FDA00024020378100000520
当目入侵飞机j到达水平面上的最接近点CPAh时垂直方向的相对位移为：
Figure FDA00024020378100000521
由公式(4)、(5)获得目标飞机i与入侵飞机j到达水平面上的最接近点CPAh时，目标飞机i与入侵飞机j在垂直方向的距离为：
Figure FDA0002402037810000061
其中
Figure FDA0002402037810000062
3.根据权利要求2所述的三架次飞机防撞方法，其特征在于，所述步骤2包括：
步骤21，在所述目标飞机与周围空域内飞机的距离随时间越来越小时，判定所述飞机为入侵飞机；
步骤22，在所述目标飞机与所述入侵飞机到达最近点的时间均小于时间阈值，且在到达的最近点时所述目标飞机与所述入侵飞机之间的距离小于距离阈值时，即满足：
Figure FDA0002402037810000063
或在所述目标飞机与所述入侵飞机在水平方向的距离小于水平距离阈值时，即满足：
Figure FDA0002402037810000064
或在所述目标飞机与所述入侵飞机在垂直方向的距离小于垂直距离阈值时，即满足：
Figure FDA0002402037810000065
判定所述飞机与入侵飞机发生两机冲突；
步骤23，所述两机防撞策略包括：
当目标飞机判断与入侵飞机即将相撞击而根据TCAS建议RA采取冲突解脱措施时，目标飞机选择进行向上机动或者向下机动；
在目标飞机进行防撞操作时，定义a为当目标飞机在垂直方向上采取向上机动，当抵达水平方向最接近点时，两者在垂直方向上的分离距离；定义b为当目标飞机在垂直方向上采取向下机动，当抵达水平方向最接近点时，两者在垂直方向上的分离距离为：
Figure FDA0002402037810000066
Figure FDA0002402037810000067
其中，
Figure FDA0002402037810000068
为飞机向上机动到达水平方向最接近点的垂直方向高度；
Figure FDA0002402037810000069
为飞机不采取机动到达水平方向最接近点的垂直方向高度；
Figure FDA0002402037810000071
为飞机采取向下机动到达水平方向最接近点的垂直方向高度；
在所述目标飞机进行方向选择时，满足以下条件：
目标飞机在改变相同的垂直方向速度的情况下，实现与入侵飞机最大的分离距离；
在目标飞机进行防撞操作时，不与入侵飞机在垂直方向上有所交叉；
Figure FDA0002402037810000072
为目标飞机i的方向选择，当
Figure FDA0002402037810000073
时，目标飞机i向上机动，当
Figure FDA0002402037810000074
时，目标飞机i向下机动；目标飞机的方向选择如下：
Figure FDA0002402037810000075
在所述目标飞机进行强度选择时，在垂直方向上进行速度调整：
Figure FDA0002402037810000076
Figure FDA0002402037810000077
4.根据权利要求3所述的三架次飞机防撞方法，其特征在于，所述步骤4包括：
步骤41，在所述目标飞机已经解除与入侵飞机的威胁时,则目标飞机k(k＝i,j,m)改变自身垂直方向速度；
步骤42，在时刻
Figure FDA0002402037810000078
目标飞机此时处于水平方向最接近点(CPAh,t)，经过前期的避撞操作，目标飞机k已经脱离与入侵飞机的危险状态，目标飞机k在此时刻调整垂直方向速度，以加速返回既定轨迹，此时垂直方向速度调整为：
Figure FDA0002402037810000079
步骤43，在时刻
Figure FDA0002402037810000081
目标飞机k回到既定轨迹时，按照既定轨道航行，目标飞机k调整垂直方向速度调整为：
Figure FDA0002402037810000082
目标飞机解除与入侵飞机的危险状态后，重新返回到既定轨道；
Figure FDA0002402037810000083
为飞机k在垂直方向的调整速度。
5.一种三架次飞机防撞系统，其特征在于，包括：
距离测算模块，用于根据周围空域内飞机的状态信息以及目标飞机的状态信息，获取目标飞机与所述周围空域内任一飞机之间的距离；
两机防撞模块，用于在所述目标飞机的周围空域内存在入侵飞机时，根据所述目标飞机与入侵飞机到达最近点时之间的距离与距离阈值的比较结果，和/或所述目标飞机与入侵飞机到达最近点的时间与时间阈值的比较结果判断两机冲突；在发生两机冲突时，所述目标飞机和入侵飞机执行两机防撞策略；所述两机防撞策略用于对所述目标飞机、入侵飞机中的一个进行冲突解决的方向和强度进行规划；
三机防撞模块，用于在所述目标飞机周围空域存在潜在入侵飞机时，根据所述目标飞机与入侵飞机执行两机防撞策略的过程中，所述目标飞机与潜在入侵飞机之间的距离与距离阈值的比较结果或所述入侵飞机与潜在入侵飞机之间的距离与距离阈值的比较结果判断三机冲突及其态势；在发生三机冲突时根据三机冲突的态势选择三机防撞策略；所述三机防撞策略用于对所述目标飞机、入侵飞机、潜在入侵飞机中的两个进行冲突解决的方向和强度进行规划；所述三机防撞模块包括：
潜在入侵判断子模块，在所述目标飞机与入侵飞机在执行两机防撞策略时，所述目标飞机与周围空域内飞机的距离或所述入侵飞机与周围空域内飞机的距离随时间越来越小时，判定所述飞机为潜在入侵飞机；
三机冲突判断子模块，用于在同时满足以下条件时：
在时刻t，三架飞机i,j,m中，至少存在两架飞机进入冲突状态，至少满足以下三个条件中至少一个：
Figure FDA0002402037810000091
Figure FDA0002402037810000092
Figure FDA0002402037810000093
在t时刻，其中
Figure FDA0002402037810000094
为飞机i和飞机m到达垂直方向最接近点的时间，
Figure FDA0002402037810000095
为飞机i和飞机m在水平方向的相对位移；
Figure FDA0002402037810000096
为飞机i和飞机j在垂直方向到达最接近点的时间，
Figure FDA0002402037810000097
为飞机i和飞机j在水平方向的相对位移；
Figure FDA0002402037810000098
为飞机j和飞机m在垂直方向到达最接近点的时间，
Figure FDA0002402037810000099
为飞机j和飞机m在水平方向的相对位移，DMODRA指水平距离阈值，ZTHRRA为垂直距离阈值，TimeRA为到达空间最接近点的时间阈值；
在时刻t+Δt,首先进入冲突的两架飞机中至少存在一架会与第三架飞机进入冲突状态，且Δt小于解除冲突的时间，假设飞机i,j首先进入冲突，随后飞机i与飞机m进入冲突，满足：
Figure FDA00024020378100000910
判定发生三机冲突；其中
Figure FDA00024020378100000911
代表在时刻t+Δt，飞机i和飞机j到达水平最接近点的时间；
Figure FDA00024020378100000912
代表两机水平方向的相对位移；
Figure FDA00024020378100000913
代表在时刻t+Δt，飞机i和飞机j到达垂直最接近点的时间，
Figure FDA00024020378100000914
代表两机垂直方向的相对位移；
三机防撞策略子模块，用于在进行方向选择时，满足以下条件：
对假设在某一空域三架飞机(i,j,m)可能发生碰撞，假定在某一时刻，三架飞机两两到达水平方向最接近点CPAh的时间分别为
Figure FDA00024020378100000915
假设
Figure FDA00024020378100000916
假设在t时刻，
Figure FDA00024020378100000917
分别为三架飞机的高度，
Figure FDA00024020378100000918
飞机i处于最下层，飞机j处于中层，飞机m处于最下层；
当三架飞机在进行避撞操作时，满足在垂直面上不交叉，任意两架飞机不在同一水平面上，即：
Figure FDA0002402037810000101
位于最上层的飞机向上进行机动，位于中层的飞机保持原有速度不变，位于下层的飞机向下进行机动，即：
Figure FDA0002402037810000102
其中
Figure FDA0002402037810000103
表示在时刻t+ε,飞机i和j在垂直方向上的相对位移，
Figure FDA0002402037810000104
表示在时刻t+ε,飞机i和m在垂直方向上的相对位移，
Figure FDA0002402037810000105
表示在时刻t+ε,飞机j和m在垂直方向上的相对位移；
用于在进行强度选择时，满足以下条件：
在垂直方向上进行速度调整时，对于处于最上层的飞机m,在t时刻，选择向上机动进行防撞操作，根据与中层飞机的危险状态，飞机m垂直方向的速度调整为
Figure FDA0002402037810000106
根据与下层飞机的危险状态，飞机m垂直方向的速度调整为
Figure FDA0002402037810000107
各值如下：
Figure FDA0002402037810000108
其中
Figure FDA0002402037810000109
为飞机i调整后垂直方向速度、
Figure FDA00024020378100001010
为飞机i调整前垂直方向速度、
Figure FDA00024020378100001011
为其垂直方向调整速度、
Figure FDA00024020378100001012
为飞机j调整后垂直方向速度、
Figure FDA00024020378100001013
为飞机j调整前垂直方向速度、
Figure FDA00024020378100001014
其垂直方向调整速度、
Figure FDA00024020378100001015
为飞机m调整前垂直方向速度、
Figure FDA00024020378100001016
为飞机m调整后垂直方向速度、
Figure FDA00024020378100001017
为垂直方向调整速度；
只考虑与飞机j的避撞速度调整：
Figure FDA00024020378100001018
只考虑与飞机i的避撞速度调整：
Figure FDA00024020378100001019
其中
Figure FDA00024020378100001020
为飞机m只考虑飞机j时，其垂直方向调整速度、
Figure FDA00024020378100001021
为飞机m只考虑飞机i时，其垂直方向调整速度、ALIM为垂直方向最小分隔距离、
Figure FDA00024020378100001022
为飞机m调整前垂直方向速度、
Figure FDA00024020378100001023
为时刻t飞机m和j在垂直方向上的相对位移、
Figure FDA0002402037810000111
为在时刻t时，无人机j的垂直方向速度、
Figure FDA0002402037810000112
为在时刻t，无人机i在的垂直方向速度；
同时摆脱与飞机i和飞机j的避撞策略：
Figure FDA0002402037810000113
其中
Figure FDA0002402037810000114
为飞机m在垂直方向的调整速度、
Figure FDA0002402037810000115
为飞机m只考虑飞机j时，其垂直方向调整速度、
Figure FDA0002402037810000116
为飞机i只考虑飞机j时，其垂直方向调整速度,
Figure FDA0002402037810000117
为飞机m只考虑飞机i时，其垂直方向调整速度、
Figure FDA0002402037810000118
为飞机j在时刻t垂直方向速度、ALIM为垂直方向最小分隔距离；
飞机m的调整时间为：
Figure FDA0002402037810000119
对于中层的飞机j,保持原来的速度不变，即；
Figure FDA00024020378100001110
Figure FDA00024020378100001111
为飞机j的调整时间；
对于下层的飞机i，选择向下机动进行防撞操作，根据与中层飞机的危险状态，飞机j垂直方向的速度调整为：
Figure FDA00024020378100001112
Figure FDA00024020378100001113
Figure FDA00024020378100001114
为飞机i考虑飞机j时的调整时间，
Figure FDA00024020378100001115
为飞机i考虑飞机m时的调整时间；
Figure FDA00024020378100001116
为飞机j在时刻t垂直方向速度，
Figure FDA00024020378100001117
为飞机i在时刻t垂直方向速度；
返航模块，用于按照所述三机防撞策略规定的方向和强度飞行完成三机防撞后，对于每一架目标飞机，在经过所有的水平方向或垂直方向的最接近点后，判断目标飞机是否已经解除与其余飞机的危险状态，若已经解除保持原有速度；若已经解除与入侵飞机的危险状态，则目标飞机调整自身速度，以返回既定轨迹。
6.如权利要求5所述的三架次飞机防撞系统，其特征在于，所述距离测算模块包括：
在目标飞机i与入侵飞机j的飞行过程中，存在某一时刻t，此时两架飞机相互间距离最小，则定义该位置为最接近点CPA，包括水平方向最接近点CPAh,和垂直方向最接近点CPAz，即两架飞机在水平方向距离最小点和垂直方向距离最小的位置：
假定在时刻t，在某一空域中存在两架飞机i、j,其中目标飞机i的空间坐标为
Figure FDA0002402037810000121
水平坐标为
Figure FDA0002402037810000122
空间速度为
Figure FDA0002402037810000123
水平速度为
Figure FDA0002402037810000124
入侵飞机j的空间坐标为
Figure FDA0002402037810000125
水平坐标为
Figure FDA0002402037810000126
速度
Figure FDA0002402037810000127
水平速度为
Figure FDA0002402037810000128
目标飞机i和入侵飞机j在时刻t的水平相对距离为xht ij＝xht i-xht j，水平相对速度为vht ij＝vht i-vht j；
当两架飞机到达CPAh时，需要满足以下条件：
Figure FDA0002402037810000129
定义
Figure FDA00024020378100001210
为在时刻t，若目标飞机i与入侵飞机j保持当前速度不变，到达水平方向最接近点CPAh的时间，其大小如下：
Figure FDA00024020378100001211
其中
Figure FDA00024020378100001212
为目标飞机i对入侵飞机j水平相对速度的方向角；
Figure FDA00024020378100001213
为目标飞机i对入侵飞机j水平相对位置的方向角；
Figure FDA00024020378100001214
为飞机i和飞机j在水平方向的相对位移、
Figure FDA00024020378100001215
为飞机i和j在水平方向的相对速度；
定义目标飞机i与入侵飞机j在水平面上的最近距离min xht ij：
Figure FDA00024020378100001216
Figure FDA00024020378100001217
表示
Figure FDA00024020378100001218
时刻飞机i与飞机j在水平面上的相对位移、
Figure FDA00024020378100001219
表示
Figure FDA00024020378100001220
时刻飞机i在水平面上的位置、
Figure FDA00024020378100001221
表示
Figure FDA00024020378100001222
时刻飞机j在水平面上的位置；
定义
Figure FDA00024020378100001223
为在时刻t，若目标飞机i与入侵飞机j保持当前飞行状态不变时到达垂直方向最接近点CPAz的时间，其大小如下：
Figure FDA00024020378100001224
其中目标飞机i与入侵飞机j在时刻t垂直方向的相对距离为：
Figure FDA00024020378100001225
目标飞机i与入侵飞机j在时刻t垂直方向的相对速度为：
Figure FDA00024020378100001226
与此同时，当目标飞机i与入侵飞机j到达水平面上的最接近点CPAh时，目标飞机i与入侵飞机j在垂直方向的距离:
Figure FDA0002402037810000131
其中当目标飞机i到达水平面上的最接近点CPAh时垂直方向的距离为：
Figure FDA0002402037810000132
当目入侵飞机j到达水平面上的最接近点CPAh时垂直方向的相对位移为：
Figure FDA0002402037810000133
由公式(4)、(5)获得目标飞机i与入侵飞机j到达水平面上的最接近点CPAh时，目标飞机i与入侵飞机j在垂直方向的距离：
Figure FDA0002402037810000134
其中
Figure FDA0002402037810000135
7.如权利要求6所述的三架次飞机防撞系统，其特征在于，所述两机防撞模块包括：
入侵判断子模块，用于在所述目标飞机与周围空域内飞机的距离随时间越来越小时，判定所述飞机为入侵飞机；
两机冲突判断子模块，用于在所述目标飞机与所述入侵飞机到达最近点的时间均小于时间阈值，且在到达的最近点时所述目标飞机与所述入侵飞机之间的距离小于距离阈值时，即满足：
Figure FDA0002402037810000136
或在所述目标飞机与所述入侵飞机在水平方向的距离小于水平距离阈值时，即满足：
Figure FDA0002402037810000137
或在所述目标飞机与所述入侵飞机在垂直方向的距离小于垂直距离阈值时，即满足：
Figure FDA0002402037810000138
判定所述飞机与入侵飞机发生两机冲突；
两机防撞策略子模块，用于当目标飞机判断与入侵飞机即将相撞击而根据TCAS防撞建议RA采取冲突解脱措施时，目标飞机选择进行向上机动或者向下机动；
用于在目标飞机进行防撞操作时，定义a为当目标飞机在垂直方向上采取向上机动，当抵达水平方向最接近点时，两者在垂直方向上的分离距离；定义b为当目标飞机在垂直方向上采取向下机动，当抵达水平方向最接近点时，两者在垂直方向上的分离距离为：
Figure FDA0002402037810000141
Figure FDA0002402037810000142
其中，
Figure FDA0002402037810000143
飞机向上机动到达水平方向最接近点的垂直方向高度；
Figure FDA0002402037810000144
为飞机不采取机动到达水平方向最接近点的垂直方向高度；
Figure FDA0002402037810000145
为飞机向下机动到达水平方向最接近点的垂直方向高度；
用于在所述目标飞机进行方向选择时，满足以下条件：
目标飞机在改变相同的垂直方向速度的情况下，实现与入侵飞机最大的分离距离；
在目标飞机进行防撞操作时，不与入侵飞机在垂直方向上有所交叉；
Figure FDA0002402037810000146
为目标飞机i的方向选择，当
Figure FDA0002402037810000147
时，目标飞机i向上机动，当
Figure FDA0002402037810000148
时，目标飞机i向下机动；目标飞机的方向选择如下：
Figure FDA0002402037810000149
在所述目标飞机进行强度选择时，在垂直方向上进行速度调整：
Figure FDA00024020378100001410
Figure FDA00024020378100001411
8.如权利要求7所述的三架次飞机防撞系统，其特征在于，所述返航模块包括：
第一强度调节子模块，用于在所述目标飞机已经解除与入侵飞机的威胁时,则目标飞机k(k＝i,j,m)改变自身垂直方向速度；
第二强度调节子模块，用于在时刻
Figure FDA0002402037810000151
目标飞机此时处于水平方向最接近点(CPAh,t)，经过前期的避撞操作，目标飞机k已经脱离与入侵飞机的危险状态，目标飞机k在此时刻调整垂直方向速度，以加速返回既定轨迹，此时垂直方向速度调整为：
Figure FDA0002402037810000152
第三强度调节子模块，用于在时刻
Figure FDA0002402037810000153
目标飞机k回到既定轨迹时，按照既定轨道航行，目标飞机k调整垂直方向速度调整为：
Figure FDA0002402037810000154
目标飞机解除与入侵飞机的危险状态后，重新返回到既定轨道；
Figure FDA0002402037810000155
为飞机k在垂直方向的调整速度。
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