CN109545000A - 前视地形告警边界计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种前视地形告警边界计算方法，应用于地形感知与告警系统中，包含以下步骤：步骤A、确定飞机的若干飞行状态；步骤B、计算每一种飞行状态下的前视地形告警边界；步骤C、将步骤B计算得到的前视地形告警边界离散化处理并制成前视地形告警边界多维数据查找表；步骤D、在飞机实际飞行过程中，根据当前实际飞行状态参数，从前视地形告警边界多维数据查找表中读取与当前飞行状态最近似的一条告警边界，作为当前飞行状态下的前视地形告警边界。本发明解决了前视地形告警边界计算过程中精度和效率相矛盾的问题。

Description

前视地形告警边界计算方法

技术领域

本发明涉及航空电子领域设计技术，特别涉及地形感知与告警系统中的前视地形告警边界计算方法。

背景技术

地形感知与告警系统(TAWS)的目标是飞行器在多山区域和障碍物林立的环境中飞行时，其以最小的虚警率工作的同时最大程度防止可控飞行撞地事故发生。随着地理信息技术的发展，由于重量轻、成本低等显著优势，基于地形数据库的地形感知与告警系统是各类飞行器预防可控撞地事故的主要方法。该类设备的一个重要功能是前视地形告警，典型工作场景见附图1。该功能根据接收到的载机经纬度、气压高度和载机姿态等信息，依据不同载机所对应的算法模型以一定频率生成前视地形告警边界与机载大容量存储器中的全球高程数据做高度比较，当前视地形告警边界上某点低于地形高度时，系统发出声光告警，提前提示飞行员做出改出机动，降低飞行员操作负担，防止可控飞行撞地，保障飞行安全。

由于军用飞机执行任务时经常在低高度环境工作，前视地形告警通常具有重要意义，为了保证能够提前告警与准确告警，需要设计合理的前视地形告警边界。

前视地形告警边界的设计要求为当告警边界的高度低于地形高程数据高度，系统发出告警时，既要保证载机确实处于危险的环境中，如果不立即改出当前飞行轨迹有撞地危险，又要保证载机按照正常的飞行程序能够改出到安全的飞行轨迹。

基于飞机运动学模型的差异，前视地形告警边界设计方法主要包括了基于质点模型的前视地形告警边界设计方法和基于高精度飞行动力学模型的前视地形告警边界设计方法。质点模型对飞机的飞行特性进行了较多简化，将飞机拉起爬升简化为了简单的匀变速运动，因此误差较大，基于质点模型的告警算法往往告警范围较大，虚警较多；高精度飞行动力学模型较准确的反应了飞机飞行特性，但是模型复杂计算效率低，应用于机载设备时计算周期长，可能导致无法及时告警。

发明内容

针对前视地形告警边界计算过程中精度和效率相矛盾的问题，本发明的发明目的在于提供了一种前视地形告警边界计算方法，实现既准确又高效的计算地形感知与告警系统中的前视地形告警边界。

本发明的发明目的通过以下技术方案实现。

一种前视地形告警边界计算方法，应用于地形感知与告警系统中，包含以下步骤：

步骤A、确定飞机的若干飞行状态；

步骤B、计算每一种飞行状态下的前视地形告警边界；

步骤C、将步骤B计算得到的前视地形告警边界离散化处理并制成前视地形告警边界多维数据查找表；

步骤D、在飞机实际飞行过程中，根据当前实际飞行状态参数，从前视地形告警边界多维数据查找表中读取与当前飞行状态最近似的一条告警边界，作为当前飞行状态下的前视地形告警边界。

优选地，步骤A包含以下步骤：

步骤A.1、设定各飞行状态参数的典型值；其中，飞行状态参数包括飞机重量、飞行高度、环境温度、前飞速度、下降率、侧倾角；

步骤A.2、将各飞行状态参数的典型值彼此排列组合得到若干飞行状态。

优选地，步骤B包含以下步骤：

步骤B.1、根据飞行状态确定当前飞行状态下飞机的最大剩余功率，从而确定操纵量；

步骤B.2、将飞行状态和操纵量代入高精度飞行动力学模型求解操纵响应，即可计算出相应飞行状态下的前视地形告警边界。

优选地，前视地形告警边界多维数据查找表包含数据索引表和前视地形告警边界数据表；

前视地形告警边界数据表用于存放前视地形告警边界数据，前视地形告警边界数据逐层存放；

数据索引表用于为前视地形告警边界数据表提供分类索引，数据索引表的一行为一种飞行状态，前视地形告警边界数据表的每一层与数据索引表的每一行是一一对应关系。

本发明为机载地形感知与告警系统前视地形告警功能解决了告警边界计算效率和计算精度的问题。在飞机飞行动力学模型准确的前提下，能够较为准确的计算前视地形告警边界，虽然在步骤D中读取告警边界数据时作了近似处理产生了一定误差，但是该处理方法的精度仍远远高于基于质点模型的前视地形告警边界的精度，同时大大提高了计算效率。

附图说明

图1是地形感知与告警系统前视地形告警功能的工作场景图，在飞行中的某一时刻，机载嵌入式计算机根据载机101的经度、纬度、航向、地速、俯仰角、横滚角等实时飞行参数以及载机最大爬升率等固定参数生成前视地形告警边界102。地形和障碍物103海拔高度存储在机载大容量存储器中，当前视地形告警边界102与地形和障碍物103有相交时，判断载机具有潜在的撞地风险，发出灯光和语音告警。

图2为“数据索引表”示意图。

图3为“前视地形告警边界数据表”示意图。

图4为前视地形告警边界计算方法的流程示意图。

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。

本实施例所示的一种前视地形告警边界计算方法首先基于高精度的飞行动力学模型在地面计算好飞机若干飞行状态下的前视地形告警边界，并将其存入一个数据表中，机载设备根据飞机的实时飞行状态从数据表中取出最近似的前视地形告警边界数据作为当前状态下实时的前视地形告警边界。如图4所示，具体包含以下步骤：

步骤A、确定飞机的若干飞行状态。

飞机的飞行状态参数主要包括飞机重量、飞行高度、环境温度、前飞速度、下降率、侧倾角等参数。

对以上飞行状态参数设定若干典型值，各个典型值彼此排列组合得到若干飞行状态。

本方法设定若干个(如3个)典型的飞机重量。该值的设置与具体的飞机类型有关，根据具体飞机的重量特性设置该值(例如可以取飞机的空载、半载、满载三个重量值)。在确定飞行状态时，对飞机重量进行相应设置。

本方法设定若干个(如5个)典型的飞行高度。该值的设置与具体的飞机飞行特性有关，根据具体飞机的飞行特性设置该值(例如可以从0至飞机最大巡航高度范围内等间隔选取若干个高度值)。在确定飞行状态时，对飞行高度进行相应设置。

本方法设定若干个(如3个)典型的环境温度。可以根据一般大气温度特性设置该值(例如可以从-20℃至20℃范围内等间隔选取若干个温度值)。在确定飞行状态时，对环境温度进行相应设置。

本方法设定若干个(如3个)典型的前飞速度。该值的设置与具体的飞机类型有关，根据具体飞机的飞行特性设置该值(例如可以取飞机的最小起飞速度、巡航速度、最大平飞速度三个速度值)。在确定飞行状态时，对前飞速度进行相应设置。

本方法设定若干个(如8个)典型的下降率。该值的设置与具体的飞机类型有关，根据具体飞机的飞行特性设置该值(例如可以从飞机最大下降率至飞机最大爬升率范围内等间隔选取若干个下降率值)。在确定飞行状态时，对下降率进行相应设置。

本方法设定若干个(如8个)典型的侧倾角。该值的设置与具体的飞机类型有关，根据具体飞机的飞行特性设置该值(例如可以从0至飞机最大允许侧倾角范围内等间隔选取若干个侧倾角值)。在确定飞行状态时，对侧倾角进行相应设置。

以上参数彼此排列组合得到若干飞行状态。

步骤B、计算每一种飞行状态下的前视地形告警边界。

对于步骤1的所有飞行状态，根据飞行状态可以确定当前飞行状态下飞机的最大剩余功率从而可以确定操纵量。将飞行状态参数和操纵量代入高精度飞行动力学模型求解操纵响应即可计算出相应飞行状态下的前视地形告警边界。

步骤C、将步骤B计算得到的前视地形告警边界离散化处理并制成前视地形告警边界多维数据查找表。

对所有的飞行状态求解操纵响应，即可得到全部若干组前视地形告警边界。进一步将前视地形告警边界通过数据离散化，即可得到以表格形式记录的前视地形告警边界多维数据查找表。

前视地形告警边界多维数据查找表根据飞机重量分为若干个数据包(t1、t2、t3)，每个数据包包括两个数据表，即“数据索引表”和“前视地形告警边界数据表”。

t1数据包对应的“数据索引表”命名为firTitleABCD，对应的“前视地形告警边界数据表”命名为firManeuverData；

t2数据包对应的“数据索引表”命名为secTitleABCD，对应的“前视地形告警边界数据表”命名为secManeuverData；

t3数据包对应的“数据索引表”命名为thrTitleABCD，对应的“前视地形告警边界数据表”命名为thrManeuverData；

“数据索引表”是一个二维数据表，其作用是为“前视地形告警边界数据表”提供分类索引，“数据索引表”第1列表示前飞速度、第2列表示下降率、第3列表示高度、第4列表示温度、第5列表示侧倾角。读取文件时根据飞机当前的前飞速度、下降率、高度、温度、侧倾角的组合寻找到“数据索引表”中对应的行数。图2为t1数据包的“数据索引表”示意图。

“前视地形告警边界数据表”是一个三维数据表，其作用是存放前视地形告警边界数据。“前视地形告警边界数据表”中的数据逐层存放，每一层都是一个二维数据表，该二维数据表对应一条前视地形告警边界，该前视地形告警边界被离散化为若干个(如3000)数据点，数据表第1列表示前视地形告警边界离散点的x坐标，第2列表示前视地形告警边界离散点的y坐标，第3列表示前视地形告警边界离散点的z坐标。“前视地形告警边界数据表”的层数和“数据索引表”的行数相同，“前视地形告警边界数据表”的每一层与“数据索引表”的每一行是一一对应关系。图3为t1数据包的“前视地形告警边界数据表”示意图。

t2数据包、t3数据包的结构与t1数据包的结构相同，此处不再重复描述。

步骤D、在飞机实际飞行过程中，根据当前实际飞行状态参数，从前视地形告警边界多维数据查找表中读取与当前飞行状态最近似的一条告警边界，作为当前飞行状态下的前视地形告警边界。

地形感知与告警系统实时计算飞机前视地形告警边界时，首先根据飞机当前飞行状态在“数据索引表”中找到最为近似的参数组合，若根据飞机当前的前飞速度、下降率、高度、温度、侧倾角的组合近似处理后在“数据索引表”对应第N行，则“前视地形告警边界数据表”第N层即为该组合条件对应的前视地形告警边界。

Claims (4)

1.一种前视地形告警边界计算方法，应用于地形感知与告警系统中，包含以下步骤：

步骤A、确定飞机的若干飞行状态；

步骤B、计算每一种飞行状态下的前视地形告警边界；

步骤C、将步骤B计算得到的前视地形告警边界离散化处理并制成前视地形告警边界多维数据查找表；

步骤D、在飞机实际飞行过程中，根据当前实际飞行状态参数，从前视地形告警边界多维数据查找表中读取与当前飞行状态最近似的一条告警边界，作为当前飞行状态下的前视地形告警边界。

2.根据权利要求1所述的一种前视地形告警边界计算方法，其特征在于步骤A包含以下步骤：

步骤A.1、设定各飞行状态参数的典型值；其中，飞行状态参数包括飞机重量、飞行高度、环境温度、前飞速度、下降率、侧倾角；

步骤A.2、将各飞行状态参数的典型值彼此排列组合得到若干飞行状态。

3.根据权利要求1所述的一种前视地形告警边界计算方法，其特征在于步骤B包含以下步骤：

步骤B.1、根据飞行状态确定当前飞行状态下飞机的最大剩余功率，从而确定操纵量；

步骤B.2、将飞行状态和操纵量代入高精度飞行动力学模型求解操纵响应，即可计算出相应飞行状态下的前视地形告警边界。

4.根据权利要求1所述的一种前视地形告警边界计算方法，其特征在于前视地形告警边界多维数据查找表包含数据索引表和前视地形告警边界数据表；

前视地形告警边界数据表用于存放前视地形告警边界数据，前视地形告警边界数据逐层存放；

数据索引表用于为前视地形告警边界数据表提供分类索引，数据索引表的一行为一种飞行状态，前视地形告警边界数据表的每一层与数据索引表的每一行是一一对应关系。