CN110162927A - 基于飞行仿真平台和测风激光雷达的飞机起降预警方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于飞行仿真平台和测风激光雷达的飞机起降预警方法。本发明将FlightGear平台的内置飞行动力学求解器JSBSim编译成动态链接库，利用测风激光雷达的实时测量起飞和下降区域的风廓线，通过调用JSBSim动态链接库和相关飞行脚本对飞行轨迹进行预测，飞行数据结果通过UDP接口实现显示于用户界面，实现飞机起降的危险预警。根据飞行参数和飞机轨迹进行预警使用户能更加直观判断风切变和湍流对飞机的影响，提高危险的预警的效率和准确度。本发明应用于保障民航飞机的起飞和降落的安全，具有灵活性强、响应速度快，准确度高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及飞行仿真技术和测风激光雷达领域，特别涉及一种基于飞行仿真平台和测风激光雷达的飞机起降预警方法。
背景技术
近年来，航空飞行安全备受瞩目。而风切变是导致大型客机坠落的罪魁祸首之一。低空风切变为高度600m以下空间一点到另一点风矢量的变化，是两点间风速的矢量差。遭遇低空风切变会造成飞机速度瞬时产生改变，进而致使飞机升力会产生变化，引起飞行航迹偏离航道发生事故。国际航空界认为在整个飞行过程中风切变所导致的后果主要严重影响民航客机起飞和降落过程中.由此人们赋予了低空风切变称为影响客机飞行安全的“无形杀手”和“空中陷阱”的称号，低空风切变严重威胁民航客机的飞行安全。据不完全资料数据的统计，在1970年代初到1980年代中期的十多年间发生的与风切变有关的32起飞行事故中，导致974人遇难，达到了全部空难人数的大约36％。复杂的大气环境和地理地形因素决定了我国是风切变多发国家。近今年来多普勒气象雷达和测风激光雷达广泛于机场风切变预报。风切变的产生机理与存在形式随机场位置、环境地形、大气气候等的变化而变化，同时低空风切变存在发生突然、尺度小而且持续时间的特征，导致很难对其进行准确探测并预报，所以单纯的使用低空风切变识别和预警设备很难从根本上解决问题。
FlightGear是一款开源的飞行模拟器，项目开发的主要目标是在学术科研领域创造一个尖端的飞行模拟器框架。JSBSim是FlightGear默认飞行动力学模型(FDM)，由C++语言编写，支持在Windows、Cygwin、Linux、Macintosh、IRIX等多种操作系统下编译运行，是目前应用最广泛、效果最接近真实的飞行动力学模型之一。JSBSim通过基于XML格式的文本文件对飞行控制系统、空气动力学模型、推进器、起落架装置等进行配置，数据可输出到显示器、文件、套接字等，并可自由配置输出格式。JSBSim具有体积小、灵活性好和准确度高的特点。目前，国内外用于低空风切变与飞行仿真融合研究的风速数据，大多基于模拟数据和数据库，缺乏基于实测风速数据的融合研究。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种基于飞行仿真平台和测风激光雷达的飞机起降预警方法，能够根据测风激光雷达实时测量的飞机降落和起飞区域的风速，结合飞行动力学模块实时输出飞机飞行参数，直观的评估风切变对飞机起降的影响，对危险及时预警。
本发明是这样实现的：一种基于飞行仿真平台和测风激光雷达的飞机起降预警方法，基于测风激光雷达，所述激光雷达系统设置在目标机场，所述方法包括：
获取目标机场的跑道信息；
获取实时航班信息，根据航班信息，设置针对目标飞机的飞机控制面板；
配置测风激光雷达的扫描策略，根据目标飞机的初始状态和跑道信息对飞机的起飞或降落路径进行标定；
根据设置好的飞机控制面板信息和目标跑道信息，控制测风激光雷达测量目标飞机起飞和着陆的下滑道区域内的下滑道风廓线；
根据获取的下滑道风廓线和飞机控制面板信息，利用预设的飞行动力学求解器进行飞行仿真；
输出飞行仿真结果，所述飞行仿真结果包括飞行参数和飞行轨迹；
根据飞行仿真结果对起飞和降落过程进行危险预警。
进一步的，所述跑道信息包括跑道代码、经度、纬度、海拔高度、跑道长度、跑道宽度、起飞点号码和降落点号码。
进一步的，从机场指挥中心获取实时航班信息。
进一步的，根据航班信息，完成飞机控制面板基本设置。所述飞机控制的面板包括，飞行模式设置、飞机型号设置、机场跑道设置、初始状态设置、飞行环境设置、输出参数设置。
进一步的，配置测风激光雷达，选择下滑道扫描策略，根据飞机的初始状态和跑道信息对飞机的起飞或降落路径进行标定。
进一步的，配置测风激光雷达，根据测风激光雷达的下滑道扫描方式的，获得飞机下滑道迎头风廓线。
其中在下滑道风廓线重组时，选择光束上距离下滑道距离最小的测点风速数据。
进一步的，所述飞机控制面板包括飞行模式设置、飞机型号设置、机场跑道设置、初始状态设置、飞行环境设置、输出参数设置。
进一步的，飞行模式包括起飞模式和降落模式；
初始状态设置的数据来源于飞机状态监控系统；
飞行环境设置主要包括气压、温度、湿度参数设置；
飞行脚本和飞机参数以XML脚本文件的形式存储；
输出参数设置包括计算时间步长、数据输出频率、输出格式。
进一步的，所述测风激光雷达的扫描策略为下滑道扫描策略，用于测量飞机下滑道迎头风廓线；
所述控制测风激光雷达测量目标飞机起飞和着陆的下滑道区域内的下滑道风廓线，包括：
控制测风激光雷达在扫描的过程中俯仰角和方向角同时变化，扫描下滑道附近的区域，对各个跑道的起飞和着陆进行分别扫描，将离下滑道最近的飞机会遇到的迎头风提取出来，从而得到飞机下滑道迎头风廓线；下滑道的起点和终点通过飞机初始状态和跑道位置进行标定；
其中测风激光雷达的位置，直接从雷达内置GPS数据中获得；以测风激光雷达的位置为原点O,跑道的方向为X；垂于跑道方向为Y轴，竖直方向为Z建立参考坐标系OXY；设下滑道身上某点的坐标位置为(x,y,z),则雷达的方位角θ和仰角φ可分别表示为：
其中在下滑道风廓线重组时，选择光束上距离下滑道距离最小的测点风速数据。
进一步的，利用预设的飞行动力学求解器进行飞行仿真,包括：用JSBSim飞行动力学求解器进行飞行仿真。
将测风激光雷达实时测量的下滑数据，输入JSBSim飞行动力学求解器，进行飞行仿真。
所述JSBSim为飞行仿真平台FlightGear的内置求解器，将JSBsim编译撑动态链接库，通过调用动态链接库的相关函数和读取XML脚本文件来实现飞行仿真计算。
进一步的，所述飞行参数包括空速、姿态角、下沉速率、高度；
根据飞行仿真结果对起飞和降落过程进行危险预警，包括：
当预测的俯仰角在短时间内变化超过预设的第一阈值时，发出第一危险警报；当下降速率短时间内改变超过预设的第二阈值时，发出第二危险警报。
进一步的，通过UDP通信输出位置、速度等飞行数据。
进一步的，根据输出的飞行数据，正在客户端显示飞行参数和飞行轨迹。
进一步的，根据飞行参数进行起降预警，所述预警的判据依据相关民航标准和飞机制造商提供的标准。
相应的，本发明还提供了一种基于飞行仿真平台和测风激光雷达的飞机起降预警系统，包括：测风激光雷达，所述激光雷达系统设置在目标机场，所述系统还包括：
跑道信息获取模块，用于获取目标机场的跑道信息；
控制面板设置模块，用于获取实时航班信息，根据所述航班信息，设置针对目标飞机的飞机控制面板；
标定模块，用于配置测风激光雷达的扫描策略，根据目标飞机的初始状态和跑道信息对飞机的起飞或降落路径进行标定；
风速测量模块，用于根据设置好的飞机控制面板信息和目标跑道信息，控制测风激光雷达测量目标飞机起飞和着陆的下滑道区域内的下滑道风廓线；
仿真模块，用于根据获取的下滑道风廓线和飞机控制面板信息，利用预设的飞行动力学求解器进行飞行仿真；
结果输出模块，用于输出飞行仿真结果，所述飞行仿真结果包括飞行参数和飞行轨迹；
预警模块，用于根据飞行仿真结果对起飞和降落过程进行危险预警。
综上所述，本发明一种基于飞行仿真平台和测风激光雷达的飞机起降预警方法，克服了机场风切变预报困难问题。根据雷达实测风场数据和飞行仿真平台，预测风速对飞机的起降的影响，能更够准确、直观的进行危险预报，保障民航飞机起降安全。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的基于飞行仿真平台和测风激光雷达的飞机起降预警方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的基于飞行仿真平台和测风激光雷达的飞机起降预警系统的系统框图；
图3为本发明实施例提供的飞行控制面板示意图；
图4为本发明实施例提供的利用本系统预测某民航客机在存在顺风切变情况下降落的轨迹预测结果；
图5为本发明实施例提供的利用本系统预测某民航客机在存在逆风切变情况下降落的轨迹预测结果。
具体实施方式
下面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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例：
图1为本发明实施例提供的基于飞行仿真平台和测风激光雷达的飞机起降预警方法的流程图；如图1所示，一种基于飞行仿真平台和测风激光雷达的飞机起降预警方法，基于测风激光雷达，所述激光雷达系统设置在目标机场，所述方法包括：
步骤S1、获取目标机场的跑道信息。
其中跑道的信息包括跑道代码、经度、纬度、海拔高度、跑道长度、跑道宽度、起飞点号码和降落点号号码；飞机的跑道信息主要用于飞机起飞和下降路径的标定。
步骤S2、获取实时航班信息，根据航班信息，设置针对目标飞机的飞机控制面板；
具体的，根据步骤S1中的实时航班信息，选择飞行模式、机型和跑道，完成飞机控制面板基本设置。
根据机场运行控制中心，获取即将起飞或降落的飞机型号和跑道号数据，并在响应的飞行控制面板完成相应的配置。
所述飞机面板功能如图3所所示，主要包含6项功能：飞行模式设置、飞机型号设置、机场跑道设置、初始状态设置、飞行环境设置、输出参数设置。
其中飞行模式包括两种：“TakeOff”和“Landing”分别代表飞机的起飞模式和降落模式。
其中初始状态设置的数据来源于飞机状态监控系统(ACMS)，飞机状态监控功能产生ACARS报文，通过ACARS传输到地面
ACMS是先进机载数据采集和处理系统,它能以实时方式收集数据,对发动机和飞机的状态与性能进行监控以及进行特殊的工程调查。由ACMS所收集到的各种原始数据既可以经机载的飞机通讯寻址和报告系统ACARS通过甚高频接收机发送到地面。
其中飞行环境设置主要包括气压、温度、湿度等，从机场气象中心获得。
其中飞行脚本和飞机参数以XML脚本文件的形式存储。
其中飞机参数包括：气动参数、飞行控制系统、发动机参数、质量分布等，飞机参数可以直接使用了FlightGear机型库，也可以根据飞机制造商提供的数据按照FlightGear的XML语言格式编写飞机参数脚本。
其中输出参数设置主要包括计算时间步长、数据输出频率、输出格式等
步骤S3、配置测风激光雷达的扫描策略，根据目标飞机的初始状态和跑道信息对飞机的起飞或降落路径进行标定。
配置测风激光雷达，测风激光雷达设置在机场附近。
测风激光雷达，也称为多普勒测风激光雷达、激光测风雷达，被公认为大气风场遥感的最有效方法。测风激光雷达向大气发射激光脉冲(紫外到红外)，与大气相互作用，光学望远镜收集大气气溶胶粒子和大气分子后向散射信号后输入光学接收机，通过分析发射激光的径向多普勒频移来反演风速。其具有时空分辨率高、低空无盲区、测量精度高、电磁兼容性好、昼夜连续观测、可实现从地面至110km高度全覆盖的优势。
测风激光雷达的扫描模式包括：PPI：恒定天顶角模式(方位角变化)；RHI：恒定方位角模式(仰角变化)；DBS：垂直廓线；LOS：固定位置连续观测、下滑道扫描策略。
在本发明的一个实施例中，测风激光雷达可以使用下滑道扫描策略，集中观测飞机起飞和着陆的下滑道区域内的风场情况，如图4所示。
控制测风激光雷达测量目标飞机起飞和着陆的下滑道区域内的下滑道风廓线，包括：控制测风激光雷达在扫描的过程中俯仰角和方向角同时变化，以锥状方式扫描下滑道附近的区域，对各个跑道的起飞和着陆进行分别扫描，将离下滑道最近的飞机会遇到的迎头风提取出来，从而得到飞机下滑道迎头风廓线。在起飞和着陆的情况下下滑道与水平面的夹角不同，进场下滑道的角度一般为3般，起飞下滑道的角度一般为6般。下滑道的起点和终点通过飞机初始状态和跑道位置进行标定。
步骤S4、根据设置好的飞机控制面板信息和目标跑道信息，控制测风激光雷达测量目标飞机起飞和着陆的下滑道区域内的下滑道风廓线。
其中测风激光雷达的位置，直接从雷达内置GPS数据中获得。以测风激光雷达的位置为原点O,跑道的方向为X。垂于跑道方向为Y轴，竖直方向为Z建立参考坐标系OXY。下滑道的位置信息已通过步骤S2中标定，设下滑道身上某点的坐标位置为(x,y,z),则雷达的方位角θ和仰角φ可分别表示为：
其中在下滑道风廓线重组时，选择光束上距离下滑道距离最小的测点风速数据。
步骤S5、根据获取的下滑道风廓线和飞机控制面板信息，利用预设的飞行动力学求解器进行飞行仿真。
具体的，用JSBSim飞行动力学求解器进行飞行仿真。
所述JSBSim是由C++平台编写，是目前应用最广泛、效果最接近真实的飞行动力学模型之一。正在本实施例，将JSBSim编译成动态链接库，生成dll文件，正在利用JSBSim的动力学求解器只需要读取XML脚本文件，不需要重新编译JSBSim。
其中，在本发明的一个实施例中，只需用到的JSBSim的FDMExec类。基于此，利用“extern"C"”和“__declspec(dllexport)”l关键字对FDMExec类进行包装，使得FDMExec类的相关函数或者变量是按照C语言方式编译和链接的，保JSBSim的动态链接库能正确地被预警系统调用。
其中飞机的自控控制系统通过轨迹舵机的PID控制维持飞机航迹角度不变。
步骤S6、输出飞行仿真结果，所述飞行仿真结果包括飞行参数和飞行轨迹。
所述飞行参数包括空速、姿态角、下沉速率、高度。
利用UDP通信输出位置、速度等飞行数据。将飞行参数和飞行轨迹显示于客户端界面。
通过曲线的形式直观在客户端显示飞机在起降过程空速、升降速率、俯仰姿态角等相关飞行参数的预测情况，同时显示飞行轨迹的变化。
所述UDP通信通过XML脚本文件实现，其标准格式的配置如下：
其中"atmosphere"为风速等气象数据，“风速等气象数据，“t为空速等速度算数据，“forces”和““orces”据等力和力矩等参数，“数，矩等es”据，为飞机轨迹相关的位置数据。
步骤S7、根据飞行仿真结果对起飞和降落过程进行危险预警。
根据飞行仿真结果对起飞和降落过程进行危险预警，包括：
当预测的俯仰角在短时间内变化超过预设的第一阈值时，发出第一危险警报；当下降速率短时间内改变超过预设的第二阈值时，发出第二危险警报。
具体的，可依据相关民航标准和飞机制造商提供的标准进行危险预警。例如，当预测的高度大幅度偏离正常高度时，发出危险警报；当预测的俯仰角在短时间内变化超过5°时，发出第一危险警报；当下降速率短时间内改变2.78m/s，发出第二危险警报。
图4是利用本系统预测某民航客机在存在顺风切变情况下降落的轨迹预测结果，由图可知，当存在顺风风切变时，系统预测下降轨迹明显低于正常轨迹。
图5是利用本系统预测某民航客机在存在逆风切变情况下降落的轨迹预测结果，由图可知，当存在逆风风切变时，系统预测上升轨迹明显高于正常轨迹。
相应的，本发明还提供了一种基于飞行仿真平台和测风激光雷达的飞机起降预警系统，包括：测风激光雷达，所述激光雷达系统设置在目标机场，所述系统还包括：
跑道信息获取模块，用于获取目标机场的跑道信息；
控制面板设置模块，用于获取实时航班信息，根据所述航班信息，设置针对目标飞机的飞机控制面板；
标定模块，用于配置测风激光雷达的扫描策略，根据目标飞机的初始状态和跑道信息对飞机的起飞或降落路径进行标定；
风速测量模块，用于根据设置好的飞机控制面板信息和目标跑道信息，控制测风激光雷达测量目标飞机起飞和着陆的下滑道区域内的下滑道风廓线；
仿真模块，用于根据获取的下滑道风廓线和飞机控制面板信息，利用预设的飞行动力学求解器进行飞行仿真；
结果输出模块，用于输出飞行仿真结果，所述飞行仿真结果包括飞行参数和飞行轨迹；
预警模块，用于根据飞行仿真结果对起飞和降落过程进行危险预警。
本发明与现有技术相比具有以下增益效果:
(1)将FlightGear平台内置飞行动力学求解器JSBSim，保证了飞行仿真准确性，相比直接使用FlightGear具有运行体积小，效率高的特点。
(2)将JSBSim编译成动态链接库应用于飞行预警系统，只需要修改相应的XML的文件就可以实现对飞行动力学模块，不需修改飞行预警系统的其他模块极大地提高了可维护性和可扩展性。
(3)选择下滑道扫描方式，相比于机场传统的PPI、VDA扫描，能够更快更准确的获得下滑道附近区域的风速数据。
(4)通过飞行仿真数据来预警飞机起降过程，相比与风切变识别，更够更加直观、更加准确的对飞行风切变造成的危险进行预警，极大的提高了测风激光雷达预警系统的工作效率和准确度。
这里必须指出的是，本发明给出的其他未说明的部分都是为本领域人员公知的，根据本发明所述的名称或功能，本领域技术人员就能够找到相关记载的文献，因此未进一步说明。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种基于飞行仿真平台和测风激光雷达的飞机起降预警方法，其特征在于：基于测风激光雷达，所述激光雷达系统设置在目标机场，所述方法包括：
获取目标机场的跑道信息；
获取实时航班信息，根据航班信息，设置针对目标飞机的飞机控制面板；
配置测风激光雷达的扫描策略，根据目标飞机的初始状态和跑道信息对飞机的起飞或降落路径进行标定；
根据设置好的飞机控制面板信息和目标跑道信息，控制测风激光雷达测量目标飞机起飞和着陆的下滑道区域内的下滑道风廓线；
根据获取的下滑道风廓线和飞机控制面板信息，利用预设的飞行动力学求解器进行飞行仿真；
输出飞行仿真结果，所述飞行仿真结果包括飞行参数和飞行轨迹；
根据飞行仿真结果对起飞和降落过程进行危险预警。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述跑道信息包括跑道代码、经度、纬度、海拔高度、跑道长度、跑道宽度、起飞点号码和降落点号码。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述飞机控制面板包括飞行模式设置、飞机型号设置、机场跑道设置、初始状态设置、飞行环境设置、输出参数设置。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，飞行模式包括起飞模式和降落模式；
初始状态设置的数据来源于飞机状态监控系统；
飞行环境设置主要包括气压、温度、湿度参数设置；
飞行脚本和飞机参数以XML脚本文件的形式存储；
输出参数设置包括计算时间步长、数据输出频率、输出格式。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测风激光雷达的扫描策略为下滑道扫描策略，用于测量飞机下滑道迎头风廓线；
所述控制测风激光雷达测量目标飞机起飞和着陆的下滑道区域内的下滑道风廓线，包括：
控制测风激光雷达在扫描的过程中俯仰角和方向角同时变化，扫描下滑道附近的区域，对各个跑道的起飞和着陆进行分别扫描，将离下滑道最近的飞机会遇到的迎头风提取出来，从而得到飞机下滑道迎头风廓线；下滑道的起点和终点通过飞机初始状态和跑道位置进行标定；
其中测风激光雷达的位置，直接从雷达内置GPS数据中获得；以测风激光雷达的位置为原点O,跑道的方向为X；垂于跑道方向为Y轴，竖直方向为Z建立参考坐标系OXY；设下滑道身上某点的坐标位置为(x,y,z),则雷达的方位角θ和仰角φ可分别表示为：
其中在下滑道风廓线重组时，选择光束上距离下滑道距离最小的测点风速数据。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用预设的飞行动力学求解器进行飞行仿真，包括：用JSBSim飞行动力学求解器进行飞行仿真。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述飞行参数包括空速、姿态角、下沉速率、高度；
根据飞行仿真结果对起飞和降落过程进行危险预警，包括：
当预测的俯仰角在短时间内变化超过预设的第一阈值时，发出第一危险警报；当下降速率短时间内改变超过预设的第二阈值时，发出第二危险警报。
8.一种基于飞行仿真平台和测风激光雷达的飞机起降预警系统，其特征在于，包括：测风激光雷达，所述激光雷达系统设置在目标机场，所述系统还包括：
跑道信息获取模块，用于获取目标机场的跑道信息；
控制面板设置模块，用于获取实时航班信息，根据所述航班信息，设置针对目标飞机的飞机控制面板；
标定模块，用于配置测风激光雷达的扫描策略，根据目标飞机的初始状态和跑道信息对飞机的起飞或降落路径进行标定；
风速测量模块，用于根据设置好的飞机控制面板信息和目标跑道信息，控制测风激光雷达测量目标飞机起飞和着陆的下滑道区域内的下滑道风廓线；
仿真模块，用于根据获取的下滑道风廓线和飞机控制面板信息，利用预设的飞行动力学求解器进行飞行仿真；
结果输出模块，用于输出飞行仿真结果，所述飞行仿真结果包括飞行参数和飞行轨迹；
预警模块，用于根据飞行仿真结果对起飞和降落过程进行危险预警。
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