CN111462453B - 一种便携式直升机飞行障碍物报警系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式直升机飞行障碍物报警系统及方法，其中系统包括导航设备和移动终端，导航设备包括电源模块、传感器模块和数据融合处理模块；传感器模块包括大气模块、GNSS模块、光纤航姿模块和ADS‑B模块；传感器模块与数据融合处理模块的输入端连接，用于采集直升机飞行数据并传输给数据融合处理模块；数据融合处理模块的输出端与移动终端通讯连接，用于将直升机飞行数据进行融合处理得到直升机飞行融合数据并将直升机飞行融合数据传输给移动终端；移动终端根据接收的直升机飞行融合数据得到直升机飞行障碍物数据通过对直升机飞行障碍物数据与直升机飞行融合数据进行对比，生成警示信息并进行图形和/或声音告警。

Description

一种便携式直升机飞行障碍物报警系统及方法

技术领域

本发明涉及航空报警领域，特别涉及一种便携式直升机飞行障碍物报警系统及方法。

背景技术

飞行器在无任何机械故障的情况下，由于缺乏对周围地形的感知而发生飞行撞地事故称为可控飞行撞地(Controlled Flight Into Terrain，CFIT)，为了减少CFIT事故，开发了近地告警系统。

目前，近地告警系统是利用与机载系统相交联的导航设备进行采集导航数据，根据采集的导航数据搜索飞机设定范围内的障碍物信息，并计算得到障碍物与当前飞机的距离和高度差，进而进行告警。但是由于现有导航设备与机载设备相交联，当机载系统出现故障时，导航设备便会受到影响从而不能正常工作，且导航设备上所采集的导航数据比较单一，在进行障碍物预测时会存在较大的偏差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种便携式直升机飞行障碍物报警系统及方法，使用独立的非嵌入飞机的导航设备，不与机载系统交联，且独立供电，同时导航设备中设置多种传感器模块，将采集的直升机飞行数据进行融合后进行障碍物检测，报警信息较为准确且不受机载系统影响。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种便携式直升机飞行障碍物报警系统，包括导航设备和移动终端，所述导航设备包括电源模块、传感器模块和数据融合处理模块；

所述电源模块分别与所述传感器模块、所述数据融合处理模块连接，所述电源模块用于为所述传感器模块和所述数据融合处理模块供电；

所述传感器模块与所述数据融合处理模块的输入端连接，所述传感器模块用于采集直升机飞行数据，并将所述直升机飞行数据传输给所述数据融合处理模块；

其中，所述传感器模块包括大气模块、GNSS模块、光纤航姿模块和ADS-B模块，所述大气模块用于获取直升机所处环境的大气数据，所述GNSS模块用于获取包括直升机的实时位置、速度和时间数据，所述光纤航姿模块用于获取包括直升机的实时航姿、位置、高度和速度数据，所述ADS-B模块用于实时对外报告直升机的飞行状况以及实时接收直升机外部环境的监视数据；

所述数据融合处理模块与所述移动终端通讯连接，所述数据融合处理模块用于对接收的所述直升机飞行数据进行融合处理，得到直升机飞行融合数据，并将所述直升机飞行融合数据传输给所述移动终端；

所述移动终端内置有运算处理模块、报警模块和数据库系统模块，所述运算处理模块用于接收所述直升机飞行融合数据，并根据所述直升机飞行融合数据在所述数据库系统模块中进行搜索，得到直升机飞行障碍物数据，将所述直升机飞行障碍物数据与所述直升机飞行融合数据进行对比，根据对比结果生成警示信息并传输给所述报警模块；所述报警模块用于将接收到的警示信息进行图形和/或声音告警。

优选的，所述数据融合处理模块通过无线网络或者通信接口与所述移动终端通讯连接。

优选的，所述数据库系统模块包括导航数据库子模块、地形数据库子模块、障碍物数据库子模块和电网数据库子模块；所述导航数据库子模块用于提供导航数据，包括机场、跑道、航路点、助航设备、途中航线、等待航线、SIDs、STARs和Approach信息；所述地形数据库子模块用于提供地形数据；所述障碍物数据库子模块用于提供障碍物数据，包括机场周围的建筑、电塔、植被和高山信息；所述电网数据库子模块用于提供电网数据，包括高压铁塔和高压线数据。

优选的，所述移动终端为手机、平板电脑或者便携式计算机。

本发明还公开了一种直升机飞行障碍物报警方法，包括以下步骤：

步骤1：利用所述传感器模块采集直升机飞行数据，并将所述直升机飞行数据传输给所述数据融合处理模块；

步骤2：利用所述数据融合处理模块接收所述直升机飞行数据进行融合处理，得到直升机飞行融合数据，并将所述直升机飞行融合数据传输给所述移动终端；

步骤3：利用所述移动终端接收所述直升机飞行融合数据进行飞行障碍物检测处理，得到直升机飞行障碍物数据；将所述直升机飞行障碍物数据与所述直升机飞行融合数据进行对比，根据对比结果生成警示信息，将所述警示信息进行图形和/或声音告警。

优选的，所述融合处理包括：所述数据融合处理模块对接收的所述直升机飞行数据先利用卡尔曼滤波器进行滤波处理，再采用加权最小二乘法对滤波后的直升机飞行数据进行融合，得到所述直升机飞行融合数据。

优选的，所述步骤3中，利用所述移动终端接收所述直升机飞行融合数据进行飞行障碍物检测处理，得到直升机飞行障碍物数据，具体包括：移动终端接收所述直升机飞行融合数据，所述直升机飞行融合数据包括直升机位置数据，根据所述直升机位置数据查询所述数据库系统模块中相应位置区域的导航数据、地形数据、障碍物数据和电网数据，从而得到当前直升机所处位置区域的障碍物分布数据，即得到所述直升机飞行障碍物数据

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明所述的一种便携式直升机飞行障碍物报警系统及方法，采用独立供电的导航设备，且采用多种传感器模块，将采集的直升机飞行数据传输给数据融合处理模块进行融合后，传输给移动终端进行飞行障碍物检测，移动终端根据得到的直升机飞行障碍物数据与直升机飞行融合数据进行对比，生成警示信息并进行告警，本发明采用独立供电的导航设备，不与机载系统交联工作，能够更为方便的安装或拆除而不受到机载系统的影响，多种传感器采集直升机飞行数据使得显示的报警信息更为准确。

附图说明：

图1是本发明所述的一种便携式直升机飞行障碍物报警系统的一种示意框图。

图2是本发明所述的一种便携式直升机飞行障碍物报警系统的另一种示意框图。

图3是本发明所述一种便携式直升机飞行障碍物报警系统中数据融合处理模块的数据处理流程图。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

一种便携式直升机飞行障碍物报警系统，包括导航设备和移动终端，所述导航设备包括电源模块、传感器模块和数据融合处理模块；所述电源模块分别与所述传感器模块、所述数据融合处理模块连接，所述电源模块用于为所述传感器模块和所述数据融合处理模块供电；所述传感器模块与所述数据融合处理模块的输入端连接，所述传感器模块用于采集直升机飞行数据，并将所述直升机飞行数据传输给所述数据融合处理模块；其中，所述传感器模块包括大气模块、GNSS模块、光纤航姿模块和ADS-B模块，所述大气模块用于获取直升机所处环境的大气数据，所述GNSS模块用于获取包括直升机的实时位置、速度和时间数据，所述光纤航姿模块用于获取包括直升机的实时航姿、位置、高度和速度数据，所述ADS-B模块用于实时对外报告直升机的飞行状况以及实时接收直升机外部环境的监视数据；所述数据融合处理模块与所述移动终端通讯连接，所述数据融合处理模块用于对接收的所述直升机飞行数据进行融合处理，得到直升机飞行融合数据，并将所述直升机飞行融合数据传输给所述移动终端；所述移动终端内置有运算处理模块、报警模块和数据库系统模块，所述运算处理模块用于接收所述直升机飞行融合数据，并根据所述直升机飞行融合数据在所述数据库系统模块中进行搜索，得到直升机飞行障碍物数据，将所述直升机飞行障碍物数据与所述直升机飞行融合数据进行对比，根据对比结果生成警示信息并传输给所述报警模块；所述报警模块用于将接收到的警示信息进行图形和/或声音告警。

如图1-图2所示，具体的，大气模块通过空速管测量飞机的全压和静压，经过计算并输出大气数据，大气数据包括：真空速、马赫数、气压高度、升降速度、总温、静温、全压和静压等信息；GNSS模块通过GNSS天线获取飞机的三维位置(经度、纬度、高度)、三维速度和时间等导航信息；光纤航姿模块(FINS)基于MEMS传感器，结合GNSS位置信息，通过计算获飞机当前的姿态(俯仰、横滚、航向)、位置、高度、航迹角、三轴速度、三轴角速率、三轴线加速度等导航信息；ADS-B模块可基于1090MHz将导航设备的导航数据(飞机的气压高度、经度、纬度、高度、速度、时间等)对外发射，实时报告当前飞机的飞行状况，实现广播式自动相关监视ADS-B OUT功能，ADS-B OUT功能指把飞机自身位置等信息发送出去；同时可基于1030MHz实时接收飞机外部环境的自动相关监视数据，实现广播式自动相关监视ADS-B IN功能，ADS-B IN功能指接收其他飞机的位置等信息。

本实施例中，如图3所示，所述数据融合处理模块接收所述直升机飞行数据，根据所述直升机飞行数据进行故障检测与隔离，故障检测与隔离技术采用表决监控算法，该表决监控算法对多个传感器的工作状态、输入输出数据进行监控，同时，在对监控到的存在异常的传感器进行故障隔离。然后根据直升机飞行数据中的姿态、位置、高度、速度数据进行融合，由于采集姿态数据只有一个，则将光纤航姿模块(FINS)中的姿态数据通过姿态滤波器进行滤波，得到姿态信息；由于位置数据、高度数据和速度数据均有多个，则将FINS和GNSS模块获取的位置数据各自独立通过位置滤波器进行滤波，后采用加权最小二乘法按照他们各自的特征给出相应的加权阵进行融合后得到位置信息；将FINS、GNSS以及大气模块获取的高度数据各自独立通过高度滤波器进行滤波，后采用加权最小二乘法按照他们各自的特征给出相应的加权阵进行融合后得到高度信息；将FINS、GNSS以及大气模块获取的速度数据各自独立通过速度滤波器进行滤波，后采用加权最小二乘法按照他们各自的特征给出相应的加权阵进行融合后得到速度信息。其中，姿态滤波器、位置滤波器、高度滤波器和速度滤波器均采用卡尔曼滤波算法。那么，数据融合处理模块输出的直升机飞行融合数据则包括飞机的姿态信息、位置信息、高度信息和速度信息，然后数据融合处理模块将这些信息传输给移动终端。具体的，所述数据融合处理模块通过无线网络或者通信接口与所述移动终端通讯连接，进而将直升机飞行融合数据传输给移动终端。通信接口可选为RS-232通信接口(如图1所示)，无线网络可选为WIFI网络，包括WIFI模块和WIFI天线(如图2所示)。

移动终端接收飞机的姿态信息、位置信息、高度信息和速度信息，其内置的运算处理模块接收这些信息，根据位置信息调用数据库系统模块；其中，数据库系统模块包括导航数据库子模块、地形数据库子模块、障碍物数据库子模块和电网数据库子模块；所述导航数据库子模块用于提供导航数据，包括机场、跑道、航路点、助航设备、途中航线、等待航线、SIDs、STARs和Approach信息；所述地形数据库子模块用于提供地形数据，包括地形坐标及高程数据；所述障碍物数据库子模块用于提供障碍物数据，包括机场周围的建筑、电塔、植被和高山信息；所述电网数据库子模块用于提供电网数据，所述电网数据包括高压铁塔和高压线数据。调用时，即运算处理模块根据位置信息对导航数据库子模块、地形数据库子模块、障碍物数据库子模块和电网数据库子模块进行搜索，根据当前飞机位置以设定的距离范围对数据库系统模块中的地形数据、电塔电线以及其他障碍物数据进行查询，运算处理模块通过查询出来的障碍物数据类型进行相应的图形化处理，进而将障碍物数据以图像方式传输给报警模块进行显示；同时运算处理模块根据查询出来的障碍物数据，计算飞机当前位置与障碍物之间的相对高度，并根据计算出来的相对高度在报警模块上显示的障碍物图像上进行相应的颜色标示，从而警示飞行员。例如，计算飞机当前高度与地形的相对高度，当结果为地形高度低于飞机高度以下1000英尺时，对应的地形显示为绿色，代表安全；当结果为地形高度在飞机高度以下100-1000英尺时，对应地形显示为黄色，代表警告；当结果为地形高度高于飞机高度以下100英尺时，对应地形显示为红色，代表危险；通过这样的地形颜色显示来警示飞行员，起到报警作用。当然，也可以根据速度信息，以及距离障碍物之间的距离来进行报警，当飞机位置与障碍物之间的距离处于警告距离范围，而速度却超过警告距离范围设定的速度，那么则将在报警模块对速度进行危险报警，可进行声音报警。

其中，导航数据库子模块可采用基于ARINC424标准的民用航空导航数据库，障碍物数据库子模块可采用Jeppessen障碍物数据库，电网数据库子模块可采用国家电网数据库。运算处理模块中存储有预先制作好的的障碍物模型，根据障碍物数据从而将相应的障碍物模型传输给报警模块进行图形化显示。移动终端可选用手机、平板电脑或者便携式计算机。

本发明所述便携式直升机飞行障碍物报警系统能够独立安装在直升机上，能够方便的进行安装和拆卸，较为便携。

本实施例还公开了基于前述的一种便携式直升机飞行障碍物报警系统进行实施的一种直升机飞行障碍物报警方法，包括以下步骤：

步骤1：利用所述传感器模块采集直升机飞行数据，并将所述直升机飞行数据传输给所述数据融合处理模块；

步骤2：利用所述数据融合处理模块接收所述直升机飞行数据进行融合处理，得到直升机飞行融合数据，并将所述直升机飞行融合数据传输给所述移动终端；

步骤3：利用所述移动终端接收所述直升机飞行融合数据进行飞行障碍物检测处理，得到直升机飞行障碍物数据；将所述直升机飞行障碍物数据与所述直升机飞行融合数据进行对比，根据对比结果生成警示信息，将所述警示信息进行图形和/或声音告警。

本实施例中，利用所述移动终端接收所述直升机飞行融合数据进行飞行障碍物检测处理，得到直升机飞行障碍物数据，具体包括：移动终端接收所述直升机飞行融合数据，所述直升机飞行融合数据包括直升机位置数据，根据所述直升机位置数据调用所述数据库系统模块中的导航数据、地形数据、障碍物数据和电网数据，从而得到当前直升机所处位置的障碍物分布数据，即得到所述直升机飞行障碍物数据。

以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述具体实施方式，因此任何对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种便携式直升机飞行障碍物报警系统，其特征在于，包括导航设备和移动终端，所述导航设备包括电源模块、传感器模块和数据融合处理模块；

所述电源模块分别与所述传感器模块、所述数据融合处理模块连接，所述电源模块用于为所述传感器模块和所述数据融合处理模块供电；

所述传感器模块与所述数据融合处理模块的输入端连接，所述传感器模块用于采集直升机飞行数据，并将所述直升机飞行数据传输给所述数据融合处理模块；

其中，所述传感器模块包括大气模块、GNSS模块、光纤航姿模块和ADS-B模块，所述大气模块用于获取直升机所处环境的大气数据，所述GNSS模块用于获取包括直升机的实时位置、速度和时间数据，所述光纤航姿模块用于获取包括直升机的实时航姿、位置、高度和速度数据，所述ADS-B模块用于实时对外报告直升机的飞行状况以及实时接收直升机外部环境的监视数据；

所述数据融合处理模块与所述移动终端通讯连接，所述数据融合处理模块用于接收所述直升机飞行数据，并基于所述直升机飞行数据采用表决监控算法对所述传感器模块的工作状态、输入输出数据进行监控，对监控到的存在异常的传感器进行故障隔离；

所述数据融合处理模块还用于对所述直升机飞行数据进行融合处理，得到直升机飞行融合数据，并将所述直升机飞行融合数据传输给所述移动终端；

所述融合处理，包括：将光纤航姿模块中的姿态数据通过姿态滤波器进行滤波，得到姿态信息；将光纤航姿模块和GNSS模块获取的位置数据各自独立通过位置滤波器进行滤波，后采用加权最小二乘法得到位置信息；将光纤航姿、GNSS以及大气模块获取的高度数据各自独立通过高度滤波器进行滤波后采用加权最小二乘法得到高度信息；将光纤航姿模块、GNSS以及大气模块获取的速度数据各自独立通过速度滤波器进行滤波后采用加权最小二乘法进行融合后得到速度信息；其中，姿态滤波器、位置滤波器、高度滤波器和速度滤波器均采用卡尔曼滤波算法；

所述直升机飞行融合数据包括：飞机的姿态信息、位置信息、高度信息和速度信息；

所述移动终端内置有运算处理模块、报警模块和数据库系统模块，所述运算处理模块用于接收所述直升机飞行融合数据，并根据所述直升机飞行融合数据在所述数据库系统模块中进行搜索，得到直升机飞行障碍物数据，将所述直升机飞行障碍物数据与所述直升机飞行融合数据进行对比，根据对比结果生成警示信息并传输给所述报警模块；所述报警模块用于将接收到的警示信息进行图形和/或声音告警。

2.根据权利要求1所述的一种便携式直升机飞行障碍物报警系统，其特征在于，所述数据融合处理模块通过无线网络或者通信接口与所述移动终端通讯连接。

3.根据权利要求1所述的一种便携式直升机飞行障碍物报警系统，其特征在于，所述数据库系统模块包括导航数据库子模块、地形数据库子模块、障碍物数据库子模块和电网数据库子模块；所述导航数据库子模块用于提供导航数据，包括机场、跑道、航路点、助航设备、途中航线、等待航线、SIDs、STARs和Approach信息；所述地形数据库子模块用于提供地形数据；所述障碍物数据库子模块用于提供障碍物数据，包括机场周围的建筑、电塔、植被和高山信息；所述电网数据库子模块用于提供电网数据，包括高压铁塔和高压线数据。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种便携式直升机飞行障碍物报警系统，其特征在于，所述移动终端为手机、平板电脑或者便携式计算机。

5.一种便携式直升机飞行障碍物报警方法，其特征在于，基于所述权利要求1-4任一所述的一种便携式直升机飞行障碍物报警系统进行实施，包括以下步骤：

步骤1：利用所述传感器模块采集直升机飞行数据，并将所述直升机飞行数据传输给所述数据融合处理模块；

步骤2：利用所述数据融合处理模块接收所述直升机飞行数据，并基于所述直升机飞行数据采用表决监控算法对所述传感器模块的工作状态、输入输出数据进行监控，对监控到的存在异常的传感器进行故障隔离；以及对所述直升机飞行数据进行融合处理，得到直升机飞行融合数据，并将所述直升机飞行融合数据传输给所述移动终端；

步骤3：利用所述移动终端接收所述直升机飞行融合数据进行飞行障碍物检测处理，得到直升机飞行障碍物数据；将所述直升机飞行障碍物数据与所述直升机飞行融合数据进行对比，根据对比结果生成警示信息，将所述警示信息进行图形和/或声音告警；

其中，所述融合处理，包括：将光纤航姿模块中的姿态数据通过姿态滤波器进行滤波，得到姿态信息；将光纤航姿模块和GNSS模块获取的位置数据各自独立通过位置滤波器进行滤波，后采用加权最小二乘法得到位置信息；将光纤航姿、GNSS以及大气模块获取的高度数据各自独立通过高度滤波器进行滤波后采用加权最小二乘法得到高度信息；将光纤航姿模块、GNSS以及大气模块获取的速度数据各自独立通过速度滤波器进行滤波后采用加权最小二乘法进行融合后得到速度信息；其中，姿态滤波器、位置滤波器、高度滤波器和速度滤波器均采用卡尔曼滤波算法；

所述直升机飞行融合数据包括：飞机的姿态信息、位置信息、高度信息和速度信息。

6.根据权利要求5所述的一种便携式直升机飞行障碍物报警方法，其特征在于，所述步骤3中，利用所述移动终端接收所述直升机飞行融合数据进行飞行障碍物检测处理，得到直升机飞行障碍物数据，具体包括：移动终端接收所述直升机飞行融合数据，所述直升机飞行融合数据包括直升机位置数据，根据所述直升机位置数据查询所述数据库系统模块中相应位置区域的导航数据、地形数据、障碍物数据和电网数据，从而得到当前直升机所处位置区域的障碍物分布数据，即得到所述直升机飞行障碍物数据。

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