CN112927564B - 一种近地告警系统中无线电高度异常检测及重构方法 - Google Patents

一种近地告警系统中无线电高度异常检测及重构方法 Download PDF

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CN112927564B CN202110248840.XA CN202110248840A CN112927564B CN 112927564 B CN112927564 B CN 112927564B CN 202110248840 A CN202110248840 A CN 202110248840A CN 112927564 B CN112927564 B CN 112927564B
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Abstract

本发明提供了一种近地告警系统中无线电高度异常检测及重构方法，有效利用机载高度信息及地形数据库获得飞机的离地高度信息，并以此构建检测基准对无线电高度进行异常检测；当检测到无线电高度出现异常或中断时通过建立补偿修正模型对无线电高度进行重构，以获得更加准确可靠的无线电高度信息，从而大幅减少近地告警系统的虚警和漏警，提升告警性能，有效保障飞行安全。本发明区别于现有的单纯依赖传感器自身进行数据异常检测的方法，通过检测正常的历史数据对当前检测“故障”或“未更新”的高度数据进行修正和重构，提升了无线电高度数据的可用性和可靠性。

Description

一种近地告警系统中无线电高度异常检测及重构方法
技术领域
本发明涉及近地告警领域，尤其是一种无线电高度异常检测及重构方法。
背景技术
近地告警系统通过接收无线电高度表、大气数据系统、组合导航系统、着陆机载设备、襟翼位置、起落架位置等各类机载设备信息，并结合内置的地形数据库、机场数据库、障碍物数据库以及当前飞行阶段，进行基本模式和增强模式的告警计算，当飞机有撞地危险发生时，输出语音和前方的地形威胁图像信息，提醒飞行员进行威胁规避，有效避免可控飞行撞地事故(CFIT)。
无线电高度表数据是增强型近地告警系统中的7种告警模式进行告警计算的重要数据，其数据的可用性及可靠性严重影响的告警信息的准确性。因此根据多种传感器信息的时间及空间相关性，及时准确检测出无线电高度异常的数据，并对其高度进行修正，一方面向告警模式计算提供无线电高度数据的可靠程度，另一方面当无线电高度数据短时中断时，通过高度重构可以持续为告警模式计算提供无线电高度数据，提升无线电高度数据的可用性。
综上所述，研究如何有效利用多种传感器信息的时间及空间相关性来检测及重构无线电高度数据，对有效减少可控飞行撞地事故的发生，保障飞行安全具有重要的意义。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种近地告警系统中无线电高度异常检测及重构方法。目前，现有技术中均未涉及利用多种传感器信息的时间及空间相关性对无线电高度进行异常检测及重构的相关报道。针对现有技术的空缺，本发明提出了一种近地告警系统中无线电高度异常检测及重构技术。有效利用机载高度信息及地形数据库获得飞机的离地高度信息，并以此构建检测基准对无线电高度进行异常检测；当检测到无线电高度出现异常或中断时通过建立补偿修正模型对无线电高度进行重构，以获得更加准确可靠的无线电高度信息，从而大幅减少近地告警系统的虚警和漏警，提升告警性能，有效保障飞行安全。本发明提出的无线电高度异常检测及重构处理流程共包括五个步骤，这五个步骤周期性地执行，在一个时刻执行一次处理流程。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：
第一步：构建离地高度信息以及更新无线电高度信息；
首先根据飞机的位置查询地形数据库获得当前地形标高hG，利用惯性气压高度hI、修正气压高度hP及当前地形标高hG，按如下公式获得当前时刻的离地高度，当hI和hP都有效时优先使用hI：
Figure BDA0002965141090000021
当无线电高度有效时，将无线电高度及其数据时标信息存储在无线电高度滑动数据窗
Figure BDA0002965141090000022
将离地高度及其数据时标信息存储在离地高度滑动数据窗
Figure BDA0002965141090000023
否则输出检测结果为“未更新”；
第二步：执行无线电高度合理性检测；
无线电高度合理性检测包括值域合理性检测和趋势合理性检测；
步骤2.1：值域合理性检测是判断低空无线电设备输出的高度值是否在值域范围内，如果无线电高度值在高度值的值域范围内，则认为当前时刻无线电高度值为“合理性正常”，转入步骤2.2；否则为“合理性异常”，转入第三步；
步骤2.2：趋势合理性检测是根据离地高度滑动数据窗判断无线电高度滑动数据窗变化趋势的合理性；计算滑动数据窗内无线电高度与离地高度之间高度差的标准差σh，如果σh小于设定的第一阈值，则认为当前时刻无线电高度为“合理性正常”；否则为“合理性异常”，并清空数组
Figure BDA0002965141090000024
和
Figure BDA0002965141090000025
直到滑动数据窗填满后重新进行趋势合理性检测；
第三步：建立无线电高度检测基准；
步骤3.1预测当前时刻离地高度值；
对离地高度滑动数据窗
Figure BDA0002965141090000026
中的数据序列进行拟合，得到二次回归曲线，如果拟合的二次回归曲线的残差平方和小于设定的第二阈值时，则拟合模型有效，否则拟合模型无效，则输出检测结果为“未检测”；
当拟合模型有效时，根据二次回归曲线得到当前时刻tN对应的离地高度预测值
Figure BDA0002965141090000031
步骤3.2检测基准值建立；
利用上一次周期处理的检测结果为“正常”时的无线电高度和离地高度预测值，将二者之差作为当前时刻的检测基准，并将无线电高度和离地高度预测值之差存储在检测基准滑动数据窗
Figure BDA0002965141090000032
中，如果上一次周期处理检测结果为“异常”或“未检测”时，将检测基准滑动数据窗中数据的平均值做为当前时刻的检测基准；
Figure BDA0002965141090000033
其中
Figure BDA0002965141090000034
Figure BDA0002965141090000035
为tki时刻离地高度的预测值，
Figure BDA0002965141090000036
为tki时刻无线电高度测量值，其中，ki＝1,2,...,N；
第四步：执行无线电高度检测；
如果第二步中无线电高度检测结果为“合理性正常”，且第三步步骤3.1中的拟合模型有效，则执行无线电高度检测，否则输出检测结果为“未检测”，并返回第一步；如果满足：
Figure BDA0002965141090000037
其中
Figure BDA0002965141090000038
Figure BDA0002965141090000039
分别为当前时刻的无线电高度测量值和离地高度预测值，ε为设定的异常阈值，则认为当前时刻无线电高度值检测结果为“正常”，将
Figure BDA00029651410900000310
存储在滑动数据窗
Figure BDA00029651410900000311
并记录当前周期处理的检测结果为“正常”；否则认为当前时刻检测结果为“异常”，记录当前周期处理的检测结果为“异常”并执行第五步；
第五步：执行无线电高度重构；
如果检测结果为“异常”或“未更新”，则对无线电高度进行重构；无线电高度重构方法如下：
Figure BDA0002965141090000041
其中
Figure BDA0002965141090000042
分别为
Figure BDA0002965141090000043
滑动数据窗中的最后一个的数据，
Figure BDA0002965141090000044
为当前时刻的离地高度预测值，进行告警模式计算后并返回第一步。
所述N取50-100。
所述步骤2.1中，高度值的值域范围为[0,Hmax]，Hmax的取值为低空无线电设备的测高范围，典型值取1500。
所述步骤2.2中，滑动数据窗内无线电高度与离地高度之间高度差的标准差σh为：
Figure BDA0002965141090000045
所述步骤2.2中第一阈值取值为5-10。
所述步骤2.2，在无线电高度异常检测流程首次启动时需要进行步骤2.2的趋势合理性检测，待趋势合理性检测结果为“合理性正常”后执行第二步时不再执行步骤2.2的趋势合理性检测。
所述二次回归曲线的表达式为：
fH(t)＝at2+bt+c
其中a，b，c为二次回归曲线的最小二乘解。
所述第二阈值取值为100-200。
所述异常阈值ε的取值范围为5-10。
本发明的有益效果在于：
1)利用一个或多个传感器信息构造出与另一个传感器等效的测量信息，并对另一个传感器的信息进行检测，本发明区别于现有的单纯依赖传感器自身进行数据异常检测的方法。
2)通过检测正常的历史数据对当前检测“故障”或“未更新”的高度数据进行修正和重构，提升了无线电高度数据的可用性和可靠性。
附图说明
图1是本发明无线电高度异常检测处及重构流程图。
图2是本发明离地高度构建示意图。
图3是本发明无线电高度异常点设置示意图。
图4是本发明无线电高度异常检测及重构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和具体实例对本发明做进一步说明。本发明介绍了一种有效利用机载高度信息及地形数据库对无线电高度进行异常检测方法，并当无线电高度数据异常或中断时对其补偿和修正；以获得更加准确可靠的无线电高度信息，从而大幅减少近地告警系统的虚警和漏警，提升告警性能，有效保障飞行安全。本发明提出的无线电高度异常检测及重构处理流程如图1所示，共包括五个步骤，这五个步骤周期性地执行，在一个时刻执行一次处理流程。
第一步：构建离地高度信息以及更新无线电高度信息；
首先根据飞机的位置查询地形数据库获得当前地形标高hG，利用惯性气压高度hI、修正气压高度hP及当前地形标高hG，按如下公式获得当前时刻的离地高度(当hI和hP都有效时优先使用hI)，如图2所示：
Figure BDA0002965141090000051
当无线电高度有效时，进行无线电高度数据更新；否则输出检测结果为“未更新”。
无线电高度数据更新过程如下：将无线电高度及其数据时标信息存储在无线电高度滑动数据窗
Figure BDA0002965141090000052
将离地高度及其数据时标信息存储在离地高度滑动数据窗
Figure BDA0002965141090000053
其中滑动数据窗中数据个数为N，N取50-100，可以根据需要调整。当滑动数据窗存满后，去掉第一个数据，其余所有数据往左移动，当前时刻更新的数据存储在最后一个数据处，例如
Figure BDA0002965141090000054
数据更新后为
Figure BDA0002965141090000055
如果无线电高度信息滑动数据窗未填满，则输出检测结果为“未检测”。
Figure BDA0002965141090000061
Figure BDA0002965141090000062
Figure BDA0002965141090000063
其中
Figure BDA0002965141090000064
分别表示ti时刻无线电高度、离地高度数据，
Figure BDA0002965141090000065
分别表示
Figure BDA0002965141090000066
所对应的数据时标，i＝1,2,...,N；
第二步：执行无线电高度合理性检测；
无线电高度合理性检测包括值域及趋势合理性检测。
步骤2.1：值域合理性检测是判断低空无线电设备输出的高度值是否在合理的值域范围内，即高度值在[0,Hmax]范围内，Hmax的取值依赖于低空无线电设备的测高范围，典型值取1500。如果无线电高度值在此范围内，则认为当前时刻无线电高度值为“合理性正常”，转入步骤2.2；否则为“合理性异常”，转入第三步。
步骤2.2：趋势合理性检测是根据离地高度信息滑动数据窗判断无线电高度信息滑动数据窗变化趋势的合理性。计算无线电高度与离地高度之间高度差的标准差σh：
Figure BDA0002965141090000067
如果σh小于设定的第一阈值，第一阈值取值为5-10，则认为当前时刻无线电高度信息为“合理性正常”；否则为“合理性异常”，并清空数组
Figure BDA0002965141090000068
和
Figure BDA0002965141090000069
直到滑动数据窗填满后重新进行合理性检测。
为保证检测出的第一个正常的无线电高度的高可靠性，在无线电高度异常检测流程首次启动时需要进行趋势合理性检测步骤2.2，待趋势合理性检测结果为“合理性正常”后执行第二步时不再执行趋势合理性检测步骤2.2；
第三步：建立无线电高度检测基准；
(1)当前时刻离地高度值预测
对离地高度滑动数据窗
Figure BDA0002965141090000071
中的数据进行拟合，得到二次回归曲线，其形式如下：
fH(t)＝at2+bt+c
其中a，b，c为二次回归曲线的最小二乘解。如果拟合的二次回归曲线的残差平方和小于设定的第二阈值(100-200)时，则认为拟合模型有效；否则拟合模型无效，则输出检测结果为“未检测”。当拟合模型有效时，根据二次回归曲线可得当前时刻tN对应的离地高度预测值
Figure BDA0002965141090000072
(2)检测基准值建立
利用上一次周期处理的检测结果为“正常”时的无线电高度、离地高度预测值，将二者之差作为当前时刻的检测基准，并将无线电高度和离地高度预测值之差存储在检测基准滑动数据窗
Figure BDA0002965141090000073
中。如果上一次周期处理检测结果为“异常”或“未检测”时，将检测基准滑动数据窗中数据的平均值做为当前时刻的检测基准。
Figure BDA0002965141090000074
其中
Figure BDA0002965141090000075
Figure BDA0002965141090000076
为tki时刻离地高度的预测值，
Figure BDA0002965141090000077
为tki时刻无线电高度测量值，ki＝1,2,...,N；
第四步：执行无线电高度检测；
如果第二步中无线电高度检测结果为“合理性正常”，且第三步步骤3.1中的拟合模型有效，则执行无线电高度检测，否则输出检测结果为“未检测”，并返回第一步。无线电高度检测过程如下：如果满足：
Figure BDA0002965141090000078
其中
Figure BDA0002965141090000079
Figure BDA00029651410900000710
分别为当前时刻无线电高度测量值、离地高度预测值，ε为设定的异常阈值，异常阈值取值为5-10，则认为当前时刻无线电高度值检测结果为“正常”，并将
Figure BDA0002965141090000081
存储在滑动数据窗
Figure BDA0002965141090000082
并记录当前周期处理的检测结果为“正常”；否则认为当前时刻检测结果为“异常”，记录当前周期处理的检测结果为“异常”并执行第五步。
第五步：执行无线电高度重构；
如果检测结果为“异常”或“未更新”，则对无线电高度进行重构。无线电高度重构方法如下：
Figure BDA0002965141090000083
其中
Figure BDA0002965141090000084
分别为
Figure BDA0002965141090000085
滑动数据窗中的最后一个的数据，
Figure BDA0002965141090000086
为当前时刻的离地高度预测值，进行告警模式计算后并返回第一步。
以上仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细。应当指出，对于本技术领域的研究人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
结合上述无线电高度异常检测及重构方法，下面通过模拟仿真试验方式进一步说明本发明的效果。假设一次模拟仿真时间长度为100s，位置信息更新周期为20ms，一共5000个测试样本数据，无线电高度异常阈值为10m。在无线电高度数据中设置250个异常点并随机分布在测试样本数据中。图3是无线电高度异常设置示意图，图4是无线电高度异常检测及重构结果示意图，对于图3中随机设置的异常点，从图4的检测结果中可以看出对应的异常点绝大多数能被成功检测出，并能够对异常点进行高度重构。同时上述试验进行10次，每次均随机设置异常点，各次的检测正确概率均在99％以上。

Claims (9)

1.一种近地告警系统中无线电高度异常检测及重构方法，其特征在于包括下述步骤：
第一步：构建离地高度信息以及更新无线电高度信息；
首先根据飞机的位置查询地形数据库获得当前地形标高hG，利用惯性气压高度hI、修正气压高度hP及当前地形标高hG，按如下公式获得当前时刻的离地高度，当hI和hP都有效时优先使用hI：
Figure FDA0003726926400000011
当无线电高度有效时，将无线电高度及其数据时标信息存储在无线电高度滑动数据窗
Figure FDA0003726926400000012
将离地高度及其数据时标信息存储在离地高度滑动数据窗
Figure FDA0003726926400000013
否则输出检测结果为“未更新”；
第二步：执行无线电高度合理性检测；
无线电高度合理性检测包括值域合理性检测和趋势合理性检测；
步骤2.1：值域合理性检测是判断低空无线电设备输出的高度值是否在值域范围内，如果无线电高度值在高度值的值域范围内，则认为当前时刻无线电高度值为“合理性正常”，转入步骤2.2；否则为“合理性异常”，转入第三步；
步骤2.2：趋势合理性检测是根据离地高度滑动数据窗判断无线电高度滑动数据窗变化趋势的合理性；计算滑动数据窗内无线电高度与离地高度之间高度差的标准差σh，如果σh小于设定的第一阈值，则认为当前时刻无线电高度为“合理性正常”；否则为“合理性异常”，并清空数组
Figure FDA0003726926400000014
和
Figure FDA0003726926400000015
直到滑动数据窗填满后重新进行趋势合理性检测；
第三步：建立无线电高度检测基准；
步骤3.1预测当前时刻离地高度值；
对离地高度滑动数据窗
Figure FDA0003726926400000016
中的数据序列进行拟合，得到二次回归曲线，如果拟合的二次回归曲线的残差平方和小于设定的第二阈值时，则拟合模型有效，如果拟合的二次回归曲线的残差平方和大于等于设定的第二阈值时，拟合模型无效，则输出检测结果为“未检测”；
当拟合模型有效时，根据二次回归曲线得到当前时刻tN对应的离地高度预测值
Figure FDA0003726926400000021
步骤3.2检测基准值建立；
利用上一次周期处理的检测结果为“正常”时的无线电高度和离地高度预测值，将二者之差作为当前时刻的检测基准，并将无线电高度和离地高度预测值之差存储在检测基准滑动数据窗
Figure FDA0003726926400000022
中，如果上一次周期处理检测结果为“异常”或“未检测”时，将检测基准滑动数据窗中数据的平均值做为当前时刻的检测基准；
Figure FDA0003726926400000023
其中
Figure FDA0003726926400000024
Figure FDA0003726926400000025
为tki时刻离地高度的预测值，
Figure FDA0003726926400000026
为tki时刻无线电高度测量值，其中，ki＝1,2,...,N；
第四步：执行无线电高度检测；
如果第二步中无线电高度检测结果为“合理性正常”，且第三步步骤3.1中的拟合模型有效，则执行无线电高度检测，否则输出检测结果为“未检测”，并返回第一步；如果满足：
Figure FDA0003726926400000027
其中
Figure FDA0003726926400000028
Figure FDA0003726926400000029
分别为当前时刻的无线电高度测量值和离地高度预测值，ε为设定的异常阈值，则认为当前时刻无线电高度值检测结果为“正常”，将
Figure FDA00037269264000000210
存储在滑动数据窗
Figure FDA00037269264000000211
并记录当前周期处理的检测结果为“正常”；否则认为当前时刻检测结果为“异常”，记录当前周期处理的检测结果为“异常”并执行第五步；
第五步：执行无线电高度重构；
如果检测结果为“异常”或“未更新”，则对无线电高度进行重构；无线电高度重构方法如下：
Figure FDA0003726926400000031
其中
Figure FDA0003726926400000032
分别为
Figure FDA0003726926400000033
滑动数据窗中的最后一个的数据，
Figure FDA0003726926400000034
为当前时刻的离地高度预测值，进行告警模式计算后并返回第一步。
2.根据权利要求1所述的近地告警系统中无线电高度异常检测及重构方法，其特征在于：
所述N取50-100。
3.根据权利要求1所述的近地告警系统中无线电高度异常检测及重构方法，其特征在于：
所述步骤2.1中，高度值的值域范围为[0,Hmax]，Hmax的取值为低空无线电设备的测高范围，典型值取1500。
4.根据权利要求1所述的近地告警系统中无线电高度异常检测及重构方法，其特征在于：
所述步骤2.2中，滑动数据窗内无线电高度与离地高度之间高度差的标准差σh为：
Figure FDA0003726926400000035
5.根据权利要求1所述的近地告警系统中无线电高度异常检测及重构方法，其特征在于：
所述步骤2.2中第一阈值取值为5-10。
6.根据权利要求1所述的近地告警系统中无线电高度异常检测及重构方法，其特征在于：
所述步骤2.2，在无线电高度异常检测流程首次启动时需要进行步骤2.2的趋势合理性检测，待趋势合理性检测结果为“合理性正常”后执行第二步时不再执行步骤2.2的趋势合理性检测。
7.根据权利要求1所述的近地告警系统中无线电高度异常检测及重构方法，其特征在于：
所述二次回归曲线的表达式为：
fH(t)＝at2+bt+c
其中a，b，c为二次回归曲线的最小二乘解。
8.根据权利要求1所述的近地告警系统中无线电高度异常检测及重构方法，其特征在于：
所述第二阈值取值为100-200。
9.根据权利要求1所述的近地告警系统中无线电高度异常检测及重构方法，其特征在于：
所述异常阈值ε的取值范围为5-10。
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