CN109903590A - 一种基于地形包线的航空器自动机动规避方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于地形包线的航空器自动机动规避方法，包括以下步骤，步骤A，采集所需的飞行状态数据；步骤B，计算航空器在规定预测周期内的飞行轨迹；步骤C，基于当前飞行位置信息，结合地形数据库，计算生成对应的地形包线；步骤D，读取预测飞行轨迹数据在地形包线所处平面内的投影；以及，步骤E，判断是否超出地形包线的安全阈值范围。本发明的优点：可在近地告警设备、飞行控制系统、飞行管理系统等航电设备结合，实现最优化的飞行规避方案，全方位保障飞行安全。
Description
技术领域
本发明涉及航空控制技术领域，尤其是飞行器中广泛应用的近地告警类设备中涉及的一项自动机动规避技术，此类系统包括但不限于近地告警系统、近地防撞系统、地形提示与警告系统等具体产品。
背景技术
自动近地防撞系统(Auto Ground Collision Avoidance System,简称Auto-GCAS)是提高飞机飞行安全性，减小可控飞行撞地事故(Controlled Flight IntoTerrain，简称CFIT)的航空电子系统。其核心是基于基于飞机的动力学特性，根据飞机当前状态信息，实时解算并预测飞机的飞行轨迹；利用机载地形数据库，结合飞行预测轨迹，利用地形扫描算法，实时解算生成地形包线，进行近地防撞评估，依据评估结果，向飞控系统发送自动机动规避指令，实现航空器的防撞告警及规避。
轨迹预测算法、地形扫描算法及近地防撞评估是自动近地防撞系统的重要组成部分，近地防撞评估的可靠性直接影响自动近地防撞系统的性能。传统的近地告警系统主要基于预测飞行轨迹及地形包线之间的相互关系，结合飞行状态参数，实现近地告警和手动规避机动，难以满足自动近地碰撞系统的自动地形轨迹需求，因此本发明提出一种基于地形包线斜率和高度计的航空器自动机动规避方法。
发明内容
本发明公开了一种自动机动规避方法，在航空器的飞行过程中，在设定的时间周期内(如40毫秒)，基于航空器飞行管理系统提供的当前状态和位置信息，预测其未来一段短时间内(如5秒)的飞行轨迹，结合地形扫描算法形成的地形包线，评估出此预测周期内航空器的俯仰通道和滚转通道执行自动机动规避最佳方案的方法。
本发明提供了一种自动机动规避方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A：采集所需的飞行状态数据；
步骤B：计算航空器在规定预测周期内的飞行轨迹；
步骤C：基于当前飞行位置信息，结合地形数据库，计算生成对应的地形包线；
步骤D：读取预测飞行轨迹数据在地形包线所处平面内的投影；
步骤E：判断是否超出地形包线的安全阈值范围；
步骤F：若未超出，则本周期的计算结束；
步骤G：若超出，则进入步骤H-自动机动规避指令评估；
步骤H：结合地形包线斜率和航空器的离地高度评估系统发出g指令或p指令信号增益大小，执行规避机动。
进一步的，所述步骤A中飞行状态数据包括气压高度类、空速类、温度类数据；以及航空器当前飞行位置对应的经度、纬度、地速、航迹倾角、偏航角等数据；以及横滚、俯仰等姿态角信息。
进一步的，所述步骤B中飞行轨迹预测是基于已建立的六自由度十二状态非线性数学模型，设计合适的数学计算方法，获得较为准确的预测轨迹。
进一步的，所述步骤C中地形数据库为国际通用地形数据库，基于经纬度及飞行状态，计算出未来飞行对应地形包线。其中，地形数据库为可以采用国际通用地形数据库(如SRTM)或者导航数据库(如Jeppesen等)；地形包线生成则基于当前飞行状态参数及预测飞行轨迹，判读飞行模式(直线、俯冲、转弯灯)，并采用地形扫描算法，提取地形扫描范围内的高程数据，获取地形剖面；同时，考虑地形数据误差、飞行轨迹预测误差、导航误差和最小安全飞行高度，获取飞行轨迹所对应地形包线，并将其投影到距离-高度坐标系，其中横坐标为距离当前位置的飞行轨迹长度，纵坐标为地面垂直高度。
进一步的，所述步骤D的在地形包线所处平面内的投影为与地面垂直平面的二维平面投影。其中：轨迹预测算法获取的预测飞行轨迹数据需要首先由地理坐标系转换为地形包线的距离-高度坐标系，然后将距离-高度坐标系下的预测轨迹数据叠加到地形包线数据，实现预测轨迹数据在地形包线所处平面内的投影。
进一步的，所述步骤E中地形包线安全阈值的确定方法。其中，是否超出阈值的判断方法为：比较预测轨迹的投影曲线A与加入阈值的地形包线B的高程关系。当投影曲线A与地形包线B有相交点时，判断结果为超出；当投影曲线A与地形包线B无相交点时，判断结果为未超出。地形包线表示地形的最高点在地理坐标系的高度信息，当飞行轨迹投影超出时，意味着航空器在未来的飞行过程中有与地形碰撞威胁，可能引起潜在的飞行事故，造成不必要的损伤。
进一步的，所述步骤H中对p指令和g指令信号的评估标准是基于地形包线和飞行离地高度而进行的，评估结果将发送至航空器的飞行控制系统，执行飞行规避机动；其中地形包线几何特征主要采用地形包线的斜率，在地形包线的距离-高度坐标系内，根据当前位置及地形包线与预测轨迹交叉点的距离及高度差，计算当前位置及交叉点连线的斜率。
该评估结果可在近地告警设备、飞行控制系统、飞行管理系统等航电设备结合，实现最优化的飞行规避方案，全方位保障飞行安全。
该方法可与预测型近地告警技术结合，在P-GCAS或A-GCAS等设备中设计实现，为飞行机组提供横侧向、纵向等最优防撞机动规避指令。其输出结果可通过听觉、视觉的方式告知飞行机组，也可激活飞行控制系统或自动驾驶设备中预置的机动程序，操控飞行器规避碰撞危险。
附图说明
以下将结合附图对本发明作进一步的说明。
图1图示了根据本发明的实施例的典型流程。
图2图示了根据本发明的实施例的纵向俯仰控制律。
图3图示了根据本发明的实施例的g指令控制规则。
图4图示了根据本发明的实施例的横向滚转控制律。
图5图示了根据本发明的实施例的p指令控制规律。
具体实施方式
以下通过较佳实施例对本发明的技术方案进行说明，但下述实施例并不能限制本发明的保护范围。
本发明所提供的基于地形包线的自动机动规避方法可以软件的形式内置于飞行器上具有数据采集、处理，输出和存储功能的装置，如近地告警设备、飞行管理系统、综合环境监测系统等航电设备。此外，本发明提供的自动机动规避方法可用于固定翼飞机，也可应用于旋翼飞机，例如单旋翼直升机、双旋翼直升机，包括但不限于武装直升机、中大型运输直升机等。
附图1为根据本发明的一个实施例形成的单周期典型流程图。本发明所述方法按照规定的时间间隔计算一次即为一周期，例如40ms。在每周期内，方法按照图1所示顺序执行。
附图2为根据本发明的一个实施例形成的纵向俯仰控制律，附图3为纵向俯仰通道所对应的g指令评估规则表，附图4、附图5分别为根据本发明的一个实施例形成的横向滚转控制律以及对应通道的p指令。下面结合附图1、附图2、附图3、附图4及附图5，说明本发明的方法。
参照图1，在方框101处，装置采集所需飞行数据，该类数据包括由大气数据计算机提供的气压高度类、空速类、温度类数据；惯性导航设备或卫星定位系统提供的当前飞行位置经度、纬度、地速、航迹倾角、航迹偏角数据；航向姿态设备提供的横滚角、俯仰角数据；装置内部预置的地形高程数据库。
在方框102处，计算单预测周期飞行轨迹，基于如下已建立完备的六自由度十二状态非线性方程飞行模型：
1)姿态运动方程组：
其中，φ为滚转角，θ为俯仰角，ψ为偏航角；p为滚转角速率，q为俯仰角速率，r为偏航角速率；
2)力方程组：
其中，u、v、w分别表示在机体轴系X、Y、Z轴上的飞行速度分解量；
Fx、Fy、Fz分别表示在机体轴系X、Y、Z轴上的合外力；
3)力矩方程组：
其中，L、M、N分别表示机体轴系X、Y、Z轴上的合外力矩；Ix、Iy、Iz分别表示在机体轴系X、Y、Z轴的转动惯量；4)导航方程组：
其中，为航迹速度；为高度变化率。
将方框101处所采集的数据作为方程解算的初始值，通过积分器或数值求解等方法计算出单预测周期内对应每个步长的状态值，对所有的计算结果进行存储，并在方框105处对其进行读取，形成单预测周期的预测轨迹。
在方框103处，地形数据库可以采用国际通用地形数据库(如SRTM)或者导航数据库(如Jeppesen等)；
在方框104处，地形包线计算生成采用地形扫描算法，提取地形扫描范围内的高程数据，获取地形剖面；同时，考虑地形数据误差、飞行轨迹预测误差、导航误差和最小安全飞行高度，获取飞行轨迹所对应地形包线，并将其投影到距离-高度坐标系。
在方框106处，将飞行预测轨迹在与水平面相垂直的地形包线所处平面进行投影；首先由地理坐标系转换为地形包线的距离-高度坐标系，然后将距离-高度坐标系下的预测轨迹数据叠加到地形包线数据，实现预测轨迹数据在地形包线所处平面内的投影。
在方框107处，判断预测轨迹是否有超出地形包线安全阈值。比较预测轨迹的投影曲线A与加入阈值的地形包线B的高程关系。当投影曲线A与地形包线B有相交点时，判断结果为超出；当投影曲线A与地形包线B无相交点时，判断结果为未超出。地形包线表示地形的最高点在地理坐标系的高度信息，当飞行轨迹投影超出时，意味着航空器在未来的飞行过程中有与地形碰撞威胁，可能引起潜在的飞行事故，造成不必要的损伤。
若侵入，流程转入方框108，计算生成地形包线的斜率以及飞行离地高度；若未侵入，流程转入方框112，单周期处理过程结束。
在方框109和方框110处，分别依据如附图3所列g指令及附图5所列p指令的评估规则给出俯仰和滚转的杆力控制信号，并将其通过听觉、视觉的方式告知飞行机组，也可激活飞行控制系统或自动驾驶设备中预置的机动程序，操控飞行器规避碰撞危险，然后流程转入112，单周期处理过程结束。
参照图2，俯仰控制律结构由驾驶杆指令、综合反馈和前向指令三通道组成。其中，在杆力指令通道，加入基于地形包线及飞行高度计算的g指令评估结果，提供俯仰通道的机动信号，指令限制器则限制杆力指令幅值及指令的变化率，以防止急剧变化的控制指令进入控制回路，引发飞控系统的不稳定。
同理，参照图4，给出了滚转控制律结构，由驾驶杆指令、滚转速率反馈及前向控制三通道构成。
值得说明的是，上述描述是基于发明的具体实施例而进行的，尽管参照较佳实施例在本发明进行了详细描述，但本领域的技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种基于地形包线的航空器自动机动规避方法，其特征在于，包括以下步骤，
步骤A，采集所需的飞行状态数据；
步骤B，计算航空器在规定预测周期内的飞行轨迹；
步骤C，基于当前飞行位置信息，结合地形数据库，计算生成对应的地形包线；
步骤D，读取预测飞行轨迹数据在地形包线所处平面内的投影；以及，
步骤E，判断是否超出地形包线的安全阈值范围，若未超出，则本周期的计算结束；若超出，则结合地形包线斜率和航空器的离地高度评估系统发出g指令或p指令信号增益大小。
2.如权利要求1所述的一种基于地形包线的航空器自动机动规避方法，其特征在于，所述步骤A中飞行状态数据包括气压高度类、空速类、温度类数据；以及航空器当前飞行位置对应的经度、纬度、地速、航迹倾角、偏航角等数据；以及横滚、俯仰等姿态角信息。
3.如权利要求1所述的一种基于地形包线的航空器自动机动规避方法，其特征在于，所述步骤B中飞行轨迹预测是基于已建立的六自由度十二状态非线性数学模型，设计合适的数学计算方法，获得较为准确的预测轨迹。
4.如权利要求1所述的一种基于地形包线的航空器自动机动规避方法，其特征在于，所述步骤C中地形数据库为国际通用地形数据库（Jeppesen，SRTM等），基于当前飞行状态参数及预测飞行轨迹，判读飞行模式（直线、俯冲、转弯灯），并采用地形扫描算法，提取地形扫描范围内的高程数据，获取地形剖面；同时，考虑地形数据误差、飞行轨迹预测误差、导航误差和最小安全飞行高度，获取飞行轨迹所对应地形包线，并将其投影到距离-高度坐标系，其中横坐标为距离当前位置的飞行轨迹长度，纵坐标为地面垂直高度。
5.如权利要求1所述的一种基于地形包线的航空器自动机动规避方法，其特征在于，所述步骤D的读取预测飞行轨迹数据在地形包线所处平面内的投影；其中轨迹预测算法获取的预测飞行轨迹数据需要首先由地理坐标系转换为地形包线的距离-高度坐标系，然后将距离-高度坐标系下的预测轨迹数据叠加到地形包线数据，实现预测轨迹数据在地形包线所处平面内的投影。
6.如权利要求1所述的一种基于地形包线的航空器自动机动规避方法，其特征在于，所述步骤E中地形包线安全阈值的确定方法，其中，是否超出阈值的判断方法为：比较预测轨迹的投影曲线A与加入阈值的地形包线B的高程关系；
当投影曲线A与地形包线B有相交点时，判断结果为超出；当投影曲线A与地形包线B无相交点时，判断结果为未超出；地形包线表示地形的最高点在地理坐标系的高度信息，当飞行轨迹投影超出时，意味着航空器在未来的飞行过程中有与地形碰撞威胁，可能引起潜在的飞行事故，造成不必要的损伤。
7.如权利要求1所述的一种基于地形包线的航空器自动机动规避方法，其特征在于，所述步骤E中对p指令和g指令信号的评估标准是基于地形包线几何特征和飞行离地高度而进行的，评估结果将发送至航空器的飞行控制系统，执行飞行规避机动；其中地形包线几何特征主要采用地形包线的斜率，在地形包线的距离-高度坐标系内，根据当前位置及地形包线与预测轨迹交叉点的距离及高度差，计算当前位置及交叉点连线的斜率。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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