CN112711269A - 一种飞机起飞离场阶段的导航引导方法及装置 - Google Patents

一种飞机起飞离场阶段的导航引导方法及装置 Download PDF

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Abstract

本申请属于飞机起飞控制技术领域，特别涉及一种飞机起飞离场阶段的导航引导方法及装置。该方法包括：获取飞机当前位置信息、起飞点位置以及离场径向线；以起飞点为圆心，基于规划好的预定起飞航线，构建三个同心圆，在中间层及最外侧的同心圆内构建两个转弯航线；构建包含所述转弯航线的切入点及切出点在内的多个参考点，根据参考点将航线划分为多个航线段，并将引导区域划分为与各航线段对应的多个有效区；根据飞机当前位置信息确定飞机所属有效区；将飞机引导至有效区对应的航线段上。本申请在导航方法的引导下可以按照规划好的起飞航线飞行，平稳地从起飞航线向离场径向线过渡，最终飞向目标航路点，为飞机在起飞离场阶段计算了最优路径。

Description

一种飞机起飞离场阶段的导航引导方法及装置
技术领域
本申请属于飞机起飞控制技术领域，特别涉及一种飞机起飞离场阶段的导航引导方法及装置。
背景技术
从飞机的发展历程来看，飞机的起飞技术的成熟程度直接关系到飞机的战斗性能。由于跑道长度有限，飞机需要在很短的距离和时间内安全起飞至预定航线，以保证能够迅速投入战斗。
传统的起飞导航方式并不能引导飞机平稳地沿着规划好的起飞航线飞行，这主要是由于以下几方面的缺点造成的：a.飞机在起飞后无法精准地按照预定起飞航线飞至离场径向线，存在较大的不确定性；b.当飞机位于有效起飞区间除预定航线以外的区域时，无法以最优路径导航至预定起飞航线继续飞行，在起飞时间和能耗上都达不到一个较好的效果；c.对飞机起飞离场阶段的准备条件不足，一旦没有按照规划好的航路起飞离开机场，可能对飞机进入战斗状态产生负面影响。
发明内容
为了解决上述问题，本申请提供了一种飞机起飞离场阶段的导航引导方法及装置，根据起飞点与飞机的相对位置，为飞机所在的有效起飞区间进行区域划分，以引导飞机正确地沿着预定起飞航线飞向离场径向线，也为有效起飞区间内的飞机提供最优的导航参数，使其及时回到规划好的航线，为飞机进入作战状态提供了前期充足保障。
本申请第一方面提供了一种飞机起飞离场阶段的导航引导方法，包括：
步骤S1、获取飞机当前位置信息、起飞点位置以及离场径向线；
步骤S2、以起飞点为圆心，基于规划好的预定起飞航线，构建三个同心圆，在中间层及最外侧的同心圆内构建两个转弯航线，以将沿起飞跑道起飞的飞机引导至所述离场径向线上；
步骤S3、构建包含所述转弯航线的切入点及切出点在内的多个参考点，根据所述参考点将航线划分为多个航线段，并将引导区域划分为与各航线段对应的多个有效区；
步骤S4、根据飞机当前位置信息确定飞机所属有效区；
步骤S5、将所述飞机引导至所述有效区对应的航线段上。
优选的是，步骤S2中，进一步包括根据起飞机场到飞机的距离和与真北的夹角，判断飞机是否处于有效起飞区间。
优选的是，步骤S3中，参考点包括7个，分别为第一转弯圆切入点q1，第一转弯圆切出点q2，第一转弯圆圆心点q3，第二转弯圆切入点q4，第二转弯圆圆心点q5，第二转弯圆切出点q6，最外层同心圆上的与离场径向线的交点q7。
优选的是，步骤S5中，进一步包括：根据所述飞机位置信息及所述对应航线段解算导航参数，根据所述导航参数引导飞机切入对应的航线段上。
本申请第二方面提供了一种飞机起飞离场阶段的导航引导装置，包括：
信息获取模块，用于获取飞机当前位置信息、起飞点位置以及离场径向线；
航线规划模块，用于以起飞点为圆心，基于规划好的预定起飞航线，构建三个同心圆，在中间层及最外侧的同心圆内构建两个转弯航线，以将沿起飞跑道起飞的飞机引导至所述离场径向线上；
区域划分模块，用于构建包含所述转弯航线的切入点及切出点在内的多个参考点，根据所述参考点将航线划分为多个航线段，并将引导区域划分为与各航线段对应的多个有效区；
飞机当前位置确定模块，用于根据飞机当前位置信息确定飞机所属有效区；
导航解算模块，用于将所述飞机引导至所述有效区对应的航线段上。
优选的是，所述航线规划模块中，进一步包括有效区间确定单元，用于根据起飞机场到飞机的距离和与真北的夹角，判断飞机是否处于有效起飞区间。
优选的是，所述区域划分模块中，参考点包括7个，分别为第一转弯圆切入点q1，第一转弯圆切出点q2，第一转弯圆圆心点q3，第二转弯圆切入点q4，第二转弯圆圆心点q5，第二转弯圆切出点q6，最外层同心圆上的与离场径向线的交点q7。
优选的是，所述导航解算模块中，进一步包括引导单元，用于根据所述飞机位置信息及所述对应航线段解算导航参数，根据所述导航参数引导飞机切入对应的航线段上。
本申请在导航方法的引导下可以按照规划好的起飞航线飞行，平稳地从起飞航线向离场径向线过渡，最终飞向目标航路点，为飞机在起飞离场阶段计算了最优路径，为其成功起飞离场提供了保障，为接下来从起飞状态进入作战状态做好充足准备。
附图说明
图1是本申请飞机起飞离场阶段的导航引导方法的流程图。
图2是本申请飞机起飞离场示意图。
图3是本申请起飞航线划分示意图。
图4是本申请仿真结果图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。
本申请第一方面，一种飞机起飞离场阶段的导航引导方法，如图1所示，主要包括：
步骤S1、获取飞机当前位置信息、起飞点位置以及离场径向线；
步骤S2、以起飞点为圆心，基于规划好的预定起飞航线，构建三个同心圆，在中间层及最外侧的同心圆内构建两个转弯航线，以将沿起飞跑道起飞的飞机引导至所述离场径向线上；
步骤S3、构建包含所述转弯航线的切入点及切出点在内的多个参考点，根据所述参考点将航线划分为多个航线段，并将引导区域划分为与各航线段对应的多个有效区；
步骤S4、根据飞机当前位置信息确定飞机所属有效区；
步骤S5、将所述飞机引导至所述有效区对应的航线段上。
在一些可选实施方式中，步骤S2中，进一步包括根据起飞机场到飞机的距离和与真北的夹角，判断飞机是否处于有效起飞区间。
在一些可选实施方式中，步骤S3中，参考点包括7个，分别为第一转弯圆切入点q1，第一转弯圆切出点q2，第一转弯圆圆心点q3，第二转弯圆切入点q4，第二转弯圆圆心点q5，第二转弯圆切出点q6，最外层同心圆上的与离场径向线的交点q7。
在一些可选实施方式中，步骤S5中，进一步包括：根据所述飞机位置信息及所述对应航线段解算导航参数，根据所述导航参数引导飞机切入对应的航线段上。
本例的飞机起飞离场阶段的导航引导方法是基于预定起飞航线和离场径向线实现的，导航数字仿真在MATLAB环境下进行。其主要解决的技术问题是：1)飞机在起飞后无法精准地按照预定起飞航线飞至离场径向线；2)当飞机位于有效起飞区间除预定航线以外的区域时，无法以最优路径导航至预定起飞航线继续飞行，在起飞时间和能耗上都达不到一个较好的效果。
解决上述技术问题主要是通过以下几点改进实现的：1)接收离场径向线的信息，基于规划好的预定起飞航线，建立三个半径不同的同心圆，根据起飞机场到飞机的距离和与真北的夹角，将航行区域划分为有效起飞区间和无效起飞区间；2)根据飞机的实时地理信息，基于不同的同心圆半径和参考点所在位置，在有效起飞区间中划分五个分区，分别为I区，II区，III区，IV区和V区；3)通过已知的导航解算公式计算出不同航行区间内的各项导航参数，为飞机起飞提供最佳的航线方案。
根据上述构思，本实施例的飞机起飞离场阶段导航流程如图1所示。其步骤描述如下：
1)接收起飞点的位置信息和离场径向线的相关信息，自动规划出飞机的起飞航向；2)接收飞机的位置信息，根据起飞机场到飞机的距离和与真北的夹角，判断飞机处于有效起飞区间还是无效起飞区间；3)在预定起飞航线上选取七个参考点用来划分航行区间；4)基于飞机与参考点的相对位置，将有效起飞区间划分为五个航行区间，并根据飞机的实时位置判断其所在的具体分区；5)分别计算不同航行区间飞机的各个导航参数，如应飞航向、偏航距、待飞距等。
在上述1)中，飞机的起飞离场示意图如图2所示。
在上述2)中，判断飞机是处于有效起飞区间还是无效起飞区间，判断原则为：若满足DMP>L1且Ψm+ΨL+α＜θMP＜Ψm-β(起飞后右转，如图4右侧附图)，或DMP>L1且Ψm+β＜θMP＜Ψm-ΨL-α(起飞后左转，如图4左侧附图)，则飞机处于无效起飞区间。其中，DMP为起飞点到飞机即时位置的距离；Ψm为起飞跑道方向；ΨL为离场径向线与起飞跑道方向的夹角；θMP为起飞点与飞机即时位置连线和真北的夹角；L1、L2、L3分别为三个同心圆的半径。
在上述3)中，七个参考点分别为：第一转弯圆切入点q1，第一转弯圆切出点q2，第一转弯圆圆心点q3，第二转弯圆切入点q4，第二转弯圆圆心点q5，第二转弯圆切出点q6，半径为L3的同心圆圆点q7。
在上述4)中无效起飞区间外的所有区域为有效起飞区间，有效起飞区间划分为五个区，具体要求如下：
Ⅰ区：DMP≤L1；
Ⅱ区：右转弯时，L1＜DMP≤L2且θMP＜θa；
左转弯时，L1＜DMP≤L2且θMP>θa；
Ⅲ区：右转弯时，L2＜DMP≤L3且θMP＜θa；
或L1＜DMP≤L3且θa≤θMP＜θb；
左转弯时，L2＜DMP≤L3且θMP>θa；
或L1＜DMP≤L3且θb＜θMP≤θa；
Ⅳ区：右转弯时，L1＜DMP≤L3且θMP≥θb；
左转弯时，L1＜DMP≤L3且θMP≤θb；
V区：DMP>L3。
其中，θa为第一转弯切出点与起飞点连线和真北的夹角；θb为第二转弯切入点与起飞点连线和真北的夹角；L1、L2、L3分别为三个同心圆的半径。
起飞航线的划分示意图如图3所示。
在上述5)中，根据已有的导航参数解算公式，分别计算各个分区对应的导航参数，如应飞航向、偏航距、待飞距等，为飞机提供优化方案。
然后利用MATLAB在计算机中进行模拟仿真，仿真初始条件：起飞点位置为(N41°59′00″，E123°51′19″)，离场经向线分别为60°和-30°。图4为利用计算机仿真平台的运行结果。
当离场径向线方向分别为-30°和60°时，图4给出了飞机精准地沿着起飞航线平稳飞行的结果。可以从图4中飞机的飞行轨迹看出，根据不同角度的离场径向线方向，飞机能够沿起飞航线飞行。
本方法的验证结果表明，飞机在导航方法的引导下可以按照规划好的起飞航线飞行，平稳地从起飞航线向离场径向线过渡，最终飞向目标航路点，为飞机在起飞离场阶段计算了最优路径，为其成功起飞离场提供了保障，为接下来从起飞状态进入作战状态做好充足准备。
本申请第二方面提供了一种与上述方法对应的飞机起飞离场阶段的导航引导装置，包括：
信息获取模块，用于获取飞机当前位置信息、起飞点位置以及离场径向线；
航线规划模块，用于以起飞点为圆心，基于规划好的预定起飞航线，构建三个同心圆，在中间层及最外侧的同心圆内构建两个转弯航线，以将沿起飞跑道起飞的飞机引导至所述离场径向线上；
区域划分模块，用于构建包含所述转弯航线的切入点及切出点在内的多个参考点，根据所述参考点将航线划分为多个航线段，并将引导区域划分为与各航线段对应的多个有效区；
飞机当前位置确定模块，用于根据飞机当前位置信息确定飞机所属有效区；
导航解算模块，用于将所述飞机引导至所述有效区对应的航线段上。
在一些可选实施方式中，所述航线规划模块中，进一步包括有效区间确定单元，用于根据起飞机场到飞机的距离和与真北的夹角，判断飞机是否处于有效起飞区间。
在一些可选实施方式中，所述区域划分模块中，参考点包括7个，分别为第一转弯圆切入点q1，第一转弯圆切出点q2，第一转弯圆圆心点q3，第二转弯圆切入点q4，第二转弯圆圆心点q5，第二转弯圆切出点q6，最外层同心圆上的与离场径向线的交点q7。
在一些可选实施方式中，所述导航解算模块中，进一步包括引导单元，用于根据所述飞机位置信息及所述对应航线段解算导航参数，根据所述导航参数引导飞机切入对应的航线段上。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种飞机起飞离场阶段的导航引导方法，其特征在于，包括：
步骤S1、获取飞机当前位置信息、起飞点位置以及离场径向线；
步骤S2、以起飞点为圆心，基于规划好的预定起飞航线，构建三个同心圆，在中间层及最外侧的同心圆内构建两个转弯航线，以将沿起飞跑道起飞的飞机引导至所述离场径向线上；
步骤S3、构建包含所述转弯航线的切入点及切出点在内的多个参考点，根据所述参考点将航线划分为多个航线段，并将引导区域划分为与各航线段对应的多个有效区；
步骤S4、根据飞机当前位置信息确定飞机所属有效区；
步骤S5、将所述飞机引导至所述有效区对应的航线段上。
2.如权利要求1所述的飞机起飞离场阶段的导航引导方法，其特征在于，步骤S2中，进一步包括根据起飞机场到飞机的距离和与真北的夹角，判断飞机是否处于有效起飞区间。
3.如权利要求2所述的飞机起飞离场阶段的导航引导方法，其特征在于，步骤S3中，参考点包括7个，分别为第一转弯圆切入点q1，第一转弯圆切出点q2，第一转弯圆圆心点q3，第二转弯圆切入点q4，第二转弯圆圆心点q5，第二转弯圆切出点q6，最外层同心圆上的与离场径向线的交点q7。
4.如权利要求1所述的飞机起飞离场阶段的导航引导方法，其特征在于，步骤S5中，进一步包括：根据所述飞机位置信息及所述对应航线段解算导航参数，根据所述导航参数引导飞机切入对应的航线段上。
5.一种飞机起飞离场阶段的导航引导装置，其特征在于，包括：
信息获取模块，用于获取飞机当前位置信息、起飞点位置以及离场径向线；
航线规划模块，用于以起飞点为圆心，基于规划好的预定起飞航线，构建三个同心圆，在中间层及最外侧的同心圆内构建两个转弯航线，以将沿起飞跑道起飞的飞机引导至所述离场径向线上；
区域划分模块，用于构建包含所述转弯航线的切入点及切出点在内的多个参考点，根据所述参考点将航线划分为多个航线段，并将引导区域划分为与各航线段对应的多个有效区；
飞机当前位置确定模块，用于根据飞机当前位置信息确定飞机所属有效区；
导航解算模块，用于将所述飞机引导至所述有效区对应的航线段上。
6.如权利要求5所述的飞机起飞离场阶段的导航引导装置，其特征在于，所述航线规划模块中，进一步包括有效区间确定单元，用于根据起飞机场到飞机的距离和与真北的夹角，判断飞机是否处于有效起飞区间。
7.如权利要求6所述的飞机起飞离场阶段的导航引导装置，其特征在于，所述区域划分模块中，参考点包括7个，分别为第一转弯圆切入点q1，第一转弯圆切出点q2，第一转弯圆圆心点q3，第二转弯圆切入点q4，第二转弯圆圆心点q5，第二转弯圆切出点q6，最外层同心圆上的与离场径向线的交点q7。
8.如权利要求5所述的飞机起飞离场阶段的导航引导装置，其特征在于，所述导航解算模块中，进一步包括引导单元，用于根据所述飞机位置信息及所述对应航线段解算导航参数，根据所述导航参数引导飞机切入对应的航线段上。
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