CN109920275A - 基于多机群的飞机交通冲突解脱系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多机群的飞机交通冲突解脱系统，包含计算机、定位系统、询问机、应答机，定位系统用于获取本机的飞行信息；计算机中包含准则设定单元，用于在本机作为长机时根据机群编队的任务和编队模式制定相对应的冲突判别准则和机群编队内飞行信息的广播频率，按照制定好的广播频率向他机广播本机的飞行信息，同时按照制定好的冲突判别准则进行冲突检测；当应答机接收到僚机关于冲突判别准则和广播频率的询问信号时，则通过应答机将制定的冲突判别准则和广播频率发送给僚机。本发明根据机群编队不同的任务形态、不同的编队模式，调整制定不同的冲突判别准则和飞行信息广播频率，可以更好的构建机群编队的冲突模型、提高判别准则的有效性。

Description

基于多机群的飞机交通冲突解脱系统

技术领域

本发明属于机载防撞技术领域，特别涉及一种基于多机群的飞机交通冲突解脱系统。

背景技术

在现代战争中，单架飞机执行任务面临侦查角度、监视范围、杀伤半径、摧毁能力、攻击精度等限制，作为现代空中兵力部署的重要战术之一，编队飞行有着单机飞行不可比拟的优势，编队协同作战是拓展探测视野、扩大空中对抗优势、提高整体作战能力和任务成功率的重要手段。然而，编队飞机面临的一个最大缺憾就是安全问题，如何保证编队飞机之间的安全，进行编队飞机之间的近距离冲突解脱就成为在空战中取得胜利的尤为重要的因素。

传统的机载防撞系统(TCAS)向邻近空域内飞机的机载应答机发送一对一的询问，并接收该应答机的应答信息，通过计算机分析这些应答，计算碰撞时间的估计值，判定哪一架航空器具有潜在相撞威胁，向机组人员发出适当的指示(或告警)，以实现两个航空器之间的冲突解脱。但是，TCAS利用询问-应答机制获取的位置和利用机载天线获得的方位，其精度都不能满足飞机编队的飞行要求。此外，在机群密集编队区域询问-应答链路的明显增加会形成较大的射频干扰，在降低相对位置定位精度的同时也会影响间距判别标准的有效性，因此不能适用于飞机编队之间的冲突管理。

随着现代战争中飞机性能快速提升、编队飞行任务持续增加以及全天候远程跨航线飞行需求不断加剧，飞机编队内各机之间发生危险接近乃至发生冲突的概率急剧上升，研究具备综合化、集成化、高精度、高可靠等特征，可用于多种作战飞机的机群编队冲突解脱方法已迫在眉睫。

发明内容

本发明的发明目的在于提供一种基于多机群的飞机交通冲突解脱系统，利用空管询问信息、空管应答消息的接收处理反馈的通道选择编队内部飞机之间不同的最小任务间隔，制定不同的判别准则和广播频率。

本发明的发明目的通过以下技术方案实现：

一种基于多机群的飞机交通冲突解脱系统，包含计算机、定位系统、询问机、应答机，其中：

定位系统用于获取本机的飞行信息；

计算机中包含准则设定单元，准则设定单元用于在本机作为长机时执行以下程序步骤：根据机群编队的任务和编队模式制定相对应的冲突判别准则和机群编队内飞行信息的广播频率，按照制定好的广播频率向机群编队的其他飞机广播本机的飞行信息，同时按照制定好的冲突判别准则进行冲突检测；当应答机接收到僚机关于冲突判别准则和广播频率的询问信号时，则通过应答机将制定的冲突判别准则和广播频率发送给僚机；在正常运行时，当应答机接收到僚机关于长机是否失效的询问时，则通过应答机回复否定应答；在长机失效或长机被击落时，当应答机接收到僚机关于长机是否失效的询问时，则不会回复长机是否失效的询问。

进一步，所述准则设定单元还用于在本机作为僚机时执行以下程序步骤：通过询问机向长机询问冲突判别准则和机群编队内飞行信息的广播频率，当询问机接收到长机应答后，按照接收到的广播频率由应答机向机群编队的其他飞机广播本机的飞行信息，同时按照接收到的冲突判别准则进行冲突检测；通过询问机向长机询问关于长机是否失效，当询问机没有收到否定应答时，如果本机处于水平最前位置，则本机自动升级为长机。

进一步，计算机中还包含数据处理单元、多点定位单元、决策单元，当询问机接收到机群编队的其他飞机广播的飞行信息后，数据处理单元通过24位地址ID识别他机并对他机的飞行信息进行解析，得到他机的距离、距离变化率、相对高度、气压高度、方位；多点定位单元对解析后的飞行信息进行修正，得到他机的相对位置和方向数据；决策单元根据他机的相对位置、方向数据和当前的冲突判别准则，判定他机是否存在冲突，如果存在冲突，将通过询问机根据空管信息询问、空管信息应答与他机进行空-空协调，以制定最终的规避建议或解脱建议。

进一步，基于多机群的飞机交通冲突解脱系统还包含综合显示单元，用于显示多点定位单元得到他机的相对位置和方向数据，以及决策单元制定的规避建议或解脱建议。

进一步，基于多机群的飞机交通冲突解脱系统还包含飞行管理系统，用于执行决策单元制定的规避建议或解脱建议。

优选地，规避建议或解脱建议的原则为：按照垂直方向操作＞速度操作＞水平转向操作的优先级，并遵循24位地址ID高的飞机先做操作的原则进行规避建议或解脱建议，同时，在规避建议或解脱建议中不产生垂直和水平方向上的穿越建议。

本发明的有益效果在于：

本发明根据机群编队不同的任务形态、不同的编队模式，调整制定不同的冲突判别准则和飞行信息广播频率，可以更好的构建机群编队的冲突模型、提高判别准则的有效性；采用应答机广播飞行信息的机制进行冲突探测，而不采用通过询问机询问—应答机应答的机制进行的冲突探测，可以大大降低机群编队有限空域内的射频干扰、提高数据传输的可靠性；通过利用GNSS/INS提供的飞机经纬度信息以及多点定位算法，可以为机群编队提供更精确的相对位置和方位。通过制定多优先级的综合化冲突解脱指示和规避建议，可以很好的解决机群编队内多机冲突问题，本发明提出的机群编队飞机交通冲突解脱方法可广泛适用于运输机、加油机、战斗机、无人机等多种机型的单一及混合机群编队，为现代战争的多种编队任务提供了有力的保障。

附图说明

图1是基于多机群的飞机交通冲突解脱系统的结构示意图；

图2是长机和僚机中准则设定单元(CSU)的工作流程示意图；

图3是飞行信息的处理流程示意图；

图4是机群编队冲突解脱动作示意图。

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。

基于多机群的飞机交通冲突解脱系统主要由计算机(CPU)、综合显示单元IDU或飞行管理系统(FMS)、定位系统、询问机和应答机等部分组成，其中CPU包括：准则设定单元(CSU)、数据处理单元(PDU)、多点定位单元(MLAT)以及决策单元(DMU)，如图1所示。图1中仅给出包含长机和一个僚机的飞机系统，本领域的技术人员应该清楚，多僚机的机群编队将具有类似图1所示的关系。

定位系统可以是飞机上已有的卫星导航系统/.惯性导航系统(GNSS/INS)，可以为机群编队内飞机的应答机提供综合性的、更精确的经纬度等信息。

询问机包含发射功能和接收功能，一方面在机群编队任务过程中，将僚机的CPU以预定的间隔生成的向长机询问冲突判定准则、飞行信息广播频率、长机是否失效的询问信息转换成标准格式发送出去，以及对接收到应答信号进行解析后返回给CPU；另一方面，在机群编队冲突告警阶段,将CPU产生的空-空规避建议协调转换成标准格式发送出去，以及对接收到应答信号进行解析后返回给CPU。

应答机的主要作用有：1.长机的应答机在机群任务过程中，将CPU产生的应答僚机关于冲突判定准则和飞行信息广播频率的是否变化、以及长机是否失效的询问转换成标准格式发送出去；2.在冲突探测过程中，以确定的广播频率，通过1090ES链路，将CPU融合的本机的飞行信息转换成标准格式向机群编队内其他飞机广播，飞行信息包括：飞机识别码、从本机GNSS/INS获取的经纬度坐标、气压高度、磁航向、速度、预期飞行路径等；3.在冲突告警过程中，与询问机相互作用，实现空-空规避建议协调。

综合显示单元主要使用在有人机上，用来向机组人员显示本机最终的解脱建议或规避建议。

飞行管理系统主要使用在无人机上，用来实施解脱建议或规避建议。

解脱建议和规避建议都是提供飞机在水平、垂直平面上方向的变化，以及速度的变化。解脱建议和规避建议只是切入点不同，对单架飞机而言，它要做的操作就是规避其他的飞机；但是对整个编队而言，使所有飞机相互之间不再产生冲突的操作，就是解脱。

计算机(CPU)主要用来完成冲突判别准则和飞行信息的广播频率的制定、机群编队内其他飞机的飞行信息的解析处理、完成编队内其他飞机的多点定位、进行冲突判定并完成冲突解脱决策制定。

参考图2，图中示出准则设定单元(CSU)的工作流程，其主要用来根据机群编队的任务和编队模式等参数，确定编队的最小任务间隔，冲突制定相对应的判别准则和机群编队内飞行信息的广播频率、并检测长机失效及处理机制。冲突判别准则和广播频率的制定方法在DO标准中已有，只是DO标准中制定方法的输入距离是固定值，本案中的输入距离是最小任务间隔，最小任务间隔可以根据不同的飞行任务和编队模式进行变化的。

在本机作为长机，准则设定单元执行以下程序步骤：根据机群编队的任务和编队模式制定相对应的冲突判别准则和机群编队内飞行信息的广播频率，当任务形态或编队模式发生改变时，重新制定准则和广播频率，按照制定好的广播频率向机群编队的其他飞机广播本机的飞行信息，同时按照制定好的冲突判别准则进行冲突检测；当应答机接收到僚机关于冲突判别准则和广播频率的询问信号时，则通过应答机将制定的冲突判别准则和广播频率发送给僚机；在正常运行时，当应答机接收到僚机关于长机是否失效的询问时，则通过应答机回复否定应答；在长机失效或长机被击落时，当应答机接收到僚机关于长机是否失效的询问时，则不会回复长机是否失效的询问。

在本机作为僚机，准则设定单元执行以下程序步骤：通过询问机向长机询问冲突判别准则和机群编队内飞行信息的广播频率，当询问机接收到长机应答后，按照接收到的广播频率通过应答机向机群编队的其他飞机广播本机的飞行信息，同时按照接收到的冲突判别准则进行冲突检测；通过询问机向长机询问关于长机是否失效，当应答机没有收到否定应答时，如果本机处于水平最前位置，则本机自动升级为长机。

参考附图3，图中示出机群编队内飞机进行冲突探测和决策告警的信息处理流程。

询问机接收到他机应答机广播的飞行信息，并送入计算机，数据处理单元(PDU)通过24位地址ID(24位地址ID是FAA美国航空局和ICAO国际民航组织的规定)识别他机且存储飞行信息，然后对他机的飞行信息进行解析，得到他机的距离、距离变化率、相对高度、气压高度、方位等数据。多点定位单元(MLAT)对这些信息进行修正之后得到更为准确的相对位置和方向数据，更新相应的数据库并送到IDU上显示他机的飞行轨迹。决策单元(DMU)根据他机的数据和当前的冲突判别准则，判定他机是否存在冲突，如果存在冲突，将通过询问机根据空管信息询问、空管信息应答与他机进行空-空协调，以制定最终的规避建议或解脱建议。

最后，将解脱指示或规避建议发送给IDU或FMS，显示给机组人员或指挥飞机飞行操作。

参考附图4，图中示出机群编队内飞机发生冲突时，进行解脱建议或规避建议的实例，尽管图中仅示出5架飞机，但是由多个编队机构成的庞大机群编队以类似的方式工作。在机群编队内多机冲突时，按照垂直方向操作＞速度操作＞水平转向操作的优先级，并遵循24位地址ID高的飞机先做操作的原则进行规避建议。同时，在规避建议中不产生垂直和水平方向上的穿越建议，比如：当机群编队内发生1、2或1、3或2、3或1、2、3四种冲突情况时，高度处于上方的2号飞机产生爬升建议，处于下方的3号飞机产生下降建议，处于中间的1号飞机产生水平飞行或降速建议，处于不同高度的机群飞机发生冲突时，不产生高度穿越建议；当机群编队发生1、4或1、5或4、5或1、4、5四种同一水平高度的冲突情况时，地址ID高的5号飞机先产生垂直方向上的建议，地址ID第二高的4号飞机产生与5号飞机垂直方向相反的建议；地址ID低的1号飞机产生水平飞行或降速建议；当发生1、2、3、4、5五架飞机冲突的情况时，高度处于上方的2号飞机产生爬升建议，高度处于下方的3号飞机产生下降建议，高度处于中间的1、4、5号飞机产生水平飞行的降速建议；同时，又由于1、4、5号飞机在水平方向上也有冲突，因此，处于右侧的地址ID高的5号飞机产生向右转的转向建议；处于左侧的地址ID第二高的4号飞机产生向左转的转向建议；处于中间的地址ID低的1号飞机产生保持水平降速飞行建议。

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 (6)

1.一种基于多机群的飞机交通冲突解脱系统，包含计算机、定位系统、询问机、应答机，其特征在于：

所述定位系统用于获取本机的飞行信息；

所述计算机中包含准则设定单元，准则设定单元用于在本机作为长机时执行以下程序步骤：根据机群编队的任务和编队模式制定相对应的冲突判别准则和机群编队内飞行信息的广播频率，按照制定好的广播频率向机群编队的其他飞机广播本机的飞行信息，同时按照制定好的冲突判别准则进行冲突检测；当应答机接收到僚机关于冲突判别准则和广播频率的询问信号时，则通过应答机将制定的冲突判别准则和广播频率发送给僚机；在正常运行时，当应答机接收到僚机关于长机是否失效的询问时，则通过应答机回复否定应答；在长机失效或长机被击落时，当应答机接收到僚机关于长机是否失效的询问时，则不会回复长机是否失效的询问。

2.根据权利要求1所述的一种基于多机群的飞机交通冲突解脱系统，其特征在于所述准则设定单元还用于在本机作为僚机时执行以下程序步骤：通过询问机向长机询问冲突判别准则和机群编队内飞行信息的广播频率，当询问机接收到长机应答后，按照接收到的广播频率由应答机向机群编队的其他飞机广播本机的飞行信息，同时按照接收到的冲突判别准则进行冲突检测；通过询问机向长机询问关于长机是否失效，当询问机没有收到否定应答时，如果本机处于水平最前位置，则本机自动升级为长机。

3.根据权利要求1所述的一种基于多机群的飞机交通冲突解脱系统，其特征在于所述计算机中还包含数据处理单元、多点定位单元、决策单元，当询问机接收到机群编队的其他飞机广播的飞行信息后，数据处理单元通过24位地址ID识别他机并对他机的飞行信息进行解析，得到他机的距离、距离变化率、相对高度、气压高度、方位；多点定位单元对解析后的飞行信息进行修正，得到他机的相对位置和方向数据；决策单元根据他机的相对位置、方向数据和当前的冲突判别准则，判定他机是否存在冲突，如果存在冲突，将通过询问机根据空管信息询问、空管信息应答与他机进行空-空协调，以制定最终的规避建议或解脱建议。

4.根据权利要求3所述的一种基于多机群的飞机交通冲突解脱系统，其特征在于还包含综合显示单元，用于显示多点定位单元得到他机的相对位置和方向数据，以及决策单元制定的规避建议或解脱建议。

5.根据权利要求3所述的一种基于多机群的飞机交通冲突解脱系统，其特征在于还包含飞行管理系统，用于执行决策单元制定的规避建议或解脱建议。

6.根据权利要求3所述的一种基于多机群的飞机交通冲突解脱系统，其特征在于规避建议或解脱建议的原则为：按照垂直方向操作＞速度操作＞水平转向操作的优先级，并遵循24位地址ID高的飞机先做操作的原则进行规避建议或解脱建议，同时，在规避建议或解脱建议中不产生垂直和水平方向上的穿越建议。