CN113012480A - 一种基于飞机爬升性能的前视地形回避告警方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种一种基于飞机爬升性能的前视地形回避告警方法，计算最大爬升率和航迹倾角，并计算前视地形回避告警，得到建议爬升率输出值，在多次飞行试验中积累得到温度、重量和高度信息以及相对应的爬升率和航迹倾角数据。本发明针对飞机在爬升过程中飞行的高度、重量、温度对飞机飞行性能的影响，结合飞机的高度、重量、温度的飞行数据，采用了一种基于飞机性能的前视地形回避告警算法，该方法简单易行，实时性强，能够有效降低虚警率、提高了近地告警系统的性能，有效保障飞机的飞行安全。

Description

一种基于飞机爬升性能的前视地形回避告警方法

技术领域

本发明涉及机载安全设备地形提示和警告系统技术领域，尤其是一种近地告警设备的回避告警方法。

背景技术

前视地形回避告警是基于飞机的位置、高度、速度、油量、航迹向和外界环境温度等信息，预测飞机未来一段的飞行轨迹，结合内置的高精度地形数据库，判断是否有地形侵入，若有则产生告警。

飞机在飞行阶段，飞机飞行的高度、速度、挂载状态、油量和外界环境温度都会对飞机的爬升率和航迹倾角产生影响，若不考虑飞机自身性能来对其进行爬升率和航迹倾角进行预测，在距离危险状态较远的时候过早告警，即产生虚警，那么机组可能会逐渐对告警丧失信心，从而忽略告警，同时给机组施加了无形的压力，影响其他更高级别的告警；如果距离危险状态较近的时候过晚告警，即产生漏警，那么在飞机有限性能约束内，可能不能够及时规避危险，从而酿成机毁人亡的惨剧。

可见，虚警和漏警是表征近地告警算法优劣的重要指标。研究于飞机爬升性能的前视地形回避告警算法，尽可能地降低虚警率和减少漏警，才能提高近地告警性能，减少可控撞地事故的发生，有效保障飞行安全。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于飞机爬升性能的前视地形回避告警方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：

(一)计算最大爬升率和航迹倾角

不同类型飞机的爬升性能状态及条件包括：外界大气温度、飞机重量、高度、爬升率和航迹倾角，不同的大气温度、爬升重量、高度产生不同的爬升率和航迹倾角，飞机根据爬升率和航迹倾角预测未来一段的飞行轨迹，结合内置的高精度地形数据库，判断是否有地形侵入，若有地形侵入，则产生告警；若没有侵入，则不产生告警；

(二)前视地形回避告警计算

如图1所示，飞机触发前视预测告警时，向下安全净空H_c为A点，飞机立即改出结束点为B点，前视告警区域内障碍物安全逃离点为C点，B点和C点的垂直高度差CC′＝H₁，水平距离差为BC′＝L₁，逃离障碍物所需的最小爬升率V₁，逃离障碍物所需的时间t₁，则有以下关系：

L₁＝V_g×t₁

H₁＝V₁×t₁

V₂＝V_t×sinθ

其中飞机当前地速为V_g，真空速为V_t。

则最终得到的建议爬升率输出值为V＝min(V₁，V₂，V_max)，在多次飞行试验中积累得到温度、重量和高度信息以及相对应的爬升率和航迹倾角数据，本发明给出的数据仅是说明方法，累积试验数据越多，利用本发明进行前视地形回避告警越安全有效。

所述最大爬升率和航迹倾角的计算过程为：

如表1所示，飞机在给定大气温度T₁℃下，不同重量W₁、W₂、W₃和W₄(单位：吨，且W₁＜W₂＜W₃＜W₄，其中ΔW_i＝W_i+1-W_i，i＝1，2，3，不同高度分别为h₁、h₂、h₃、h₄、h₅、h₆、h₇、h₈、h₉、h₁₀、h₁₁、h₁₂、h₁₃、h₁₄、h₁₅、h₁₆、h₁₇、h₁₈，单位：米，且h₁＞h₂＞…＞h₁₈，对应不同的爬升率climbVelo_{1_1}～climbVelo_{1_72}和航迹倾角angle_{1_1}～angle_{1_72}，同样在温度T₂℃、T₃℃、T₄℃和T₅℃，其中ΔT_j＝T_j+1-T_j，j＝1，2，3，4，对应不同的爬升率climbVelo_{i_1}～climbVelo_{i_T2}和航迹倾角angle_{i_1}～angle_{i_72}，其中i＝2，34，5，如表1所示，通过已知的数据信息点，推算出飞机在不同外界大气温度(T₁℃～T₅℃)、重量(W₁吨～W₄吨)和高度(h₁米～h₁₈米)的爬升率和航迹倾角；

表1不同温度下飞机在不同重量、高度下的爬升率和航迹倾角

1)根据表1温度为在T_m℃的数据信息点，m＝1，2，3，4，5，利用分段的一元一次多项式最小二乘拟合法得到飞机的重量分别为W₁、W₂、W₃、W₄下不同高度(h₁～h₁₈)的爬升率拟合曲线和航迹倾角拟合曲线，只要重量为W₁吨、W₂吨、W₃吨或W₄吨中的一个值，给定一个[h₁，h₁₈]的高度信息，即可得到对应的爬升率和航迹倾角如下：

climbVelo_{m_n_1}＝k_{m_n_1}*h+b_{m_n_1} (1)

angle_{m_n_1}＝k_{m_n_2}*h+b_{m_n_2} (2)

其中n＝1，2，3，4，分别对应重量为W₁、W₂、W₃、W₄下利用不同高度得到的爬升率拟合曲线和航迹倾角拟合曲线，其中h∈[h₁，h₁₈]；

(2)根据表1温度为T_m℃的信息，结合高度，计算重量W在[W₁，W₄]内的爬升率和航迹倾角，计算过程详细步骤如下：

若飞机重量W∈[W₁，W₄]、高度H∈[h₁，h₁₈]，首先确定W在[W₁，W₂]、[W₂，W₃]、[W₃，W₄]的某个区间内，若W∈[W_k，W_k+1]，k为1、2和3中的某个值，且有ΔW_k＝W_k+1-W_k，先利用式(1)和式(2)求得飞机重量为W_k和W_k+1下的爬升率climbVelo_{k_1}、climbVelo_{k+1_1}和航迹倾角angle_{k_1}、angle_{k+1_1}，然后根据权重因子，得到重量为W下的爬升率climbVelo和航迹倾角angle：

根据式(1)和式(2)，得到表1中给定温度下不同重量和不同高度所对应的爬升率和航迹倾角；

(3)最后计算得到飞机在不同大气温度、不同重量、不同高度下的爬升率和航迹倾角，步骤如下：

首先确定大气温度T在[T₁，T₂]、[T₂，T₃]、[T₃，T₄]和[T₄，T₅]的某个区间内，若T在[T_n，T_n+1]内，n为1、2、3和4中的某个值，且有ΔT_n＝T_n+1-T_n，n＝1，2，3，4，先利用步骤(2)，根据飞机的重量和高度，通过公式(3)和(4)求得飞机在大气温度T_m、T_m+1下的爬升率climbVelo′₁、climbVelo′₂和航迹倾角angle′₁、angle′₂，同样根据权重因子，得到温度为T下的爬升率V_max和航迹倾角θ：

即为飞机实时的最大爬升率和航迹倾角。

本发明的有益效果在于针对飞机在爬升过程中飞行的高度、重量、温度对飞机飞行性能的影响，结合飞机的高度、重量、温度的飞行数据，采用了一种基于飞机性能的前视地形回避告警算法，该方法简单易行，实时性强，能够有效降低虚警率、提高了近地告警系统的性能，有效保障飞机的飞行安全。

附图说明

图1为本发明的建议爬升率计算示意图；

图2为飞机-20℃下飞机不同重量、高度下的爬升率示意图；

图3为根据实际参数对爬升率进行拟合，得到的爬升率误差不大于0.4米/秒。

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。

不同类型飞机的爬升性能状态及条件包括：外界大气温度、飞机重量、高度、爬升率、航迹倾角，不同的大气温度、爬升重量、高度会产生不同的爬升率和航迹倾角，飞机根据爬升率和航迹倾角预测未来一段的飞行轨迹，结合内置的高精度地形数据库，判断是否有地形侵入，若有则产生告警。

如表1，飞机在给定大气温度T₁℃下，不同重量W₁、W₂、W₃和W₄(单位：吨，且W₁＜W₂＜W₃＜W₄)，其中ΔW_i＝W_i+1-W_i(i＝1，2，3)，不同高度为h₁、h₂、h₃、h₄、h₅、h₆、h₇、h₈、h₉、h₁₀、h₁₁、h₁₂、h₁₃、h₁₄、h₁₅、h₁₆、h₁₇、h₁₈(单位：米，且h₁＞h₂＞…＞h₁₈)，对应不同的爬升率climbVelo_{1_1}～climbVelo_{1_72}和航迹倾角angle_{1_1}～angle_{1_72}，同样在温度T₂℃、T₃℃、T₄℃和T₅℃(其中ΔT_j＝T_j+1-T_j，j＝1，2，3，4也对应不同的爬升率climbVelo_{i_1}～climbVelo_{i_72}和航迹倾角angle_{i_1}～angle_{i_72}，其中i＝2，3，4，5，如表2，通过已知的数据信息点，推算出飞机在不同外界大气温度(T₁℃～T₅℃)、重量(W₁吨～W₄吨)和高度(h₁米～h₁₈米)的爬升率和航迹倾角。

(1)根据表1温度为T_m℃(m＝1，2，3，4，5)的数据信息点，利用分段的一元一次多项式最小二乘拟合法得到飞机的重量分别为W₁、W₂、W₃、W₄下不同高度(h₁～h₁₈)的爬升率拟合曲线和航迹倾角拟合曲线，只要重量为W₁吨、W₂吨、W₃吨和W₄吨中的一个值，给定一个[h₁，h₁₈]的高度信息，即可得到对应的爬升率和航迹倾角，如下：

climbVelo_{m_n_1}＝k_{m_n_1}*h+b_{m_n_1} (1)

angle_{m_n_1}＝k_{m_n_2}*h+b_{m_n_2} (2)

其中n＝1，2，34，分别对应重量为W₁、W₂、W₃、W₄下利用不同高度得到的爬升率拟合曲线和航迹倾角拟合曲线，其中h∈[h₁，h₁₈]。

(2)根据表1温度为T_m℃的信息，结合高度，计算重量W在[W₁，W₄]内的爬升率和航迹倾角，下面详细说明计算过程：

若飞机重量W∈[W₁，W₄]、高度H∈[h₁，h₁₈]，首先确定W在[W₁，W₂]、[W₂，W₃]、[W₃，W₄]的某个区间内，若W∈[W_k，W_k+1]，k为1、2和3中的某个值，且有ΔW_k＝W_k+1-W_k，先利用式(1)和式(2)求得飞机重量为W_k和W_k+1下的爬升率climbVelo_{k_1}、climbVelo_{k+1_1}和航迹倾角angle_{k_1}、angle_{k+1_1}，然后根据权重因子，得到重量为W下的爬升率climbVelo和航迹倾角angle：

根据(1)、(2)的描述，可以得到上述表格中五种给定温度下不同重量和不同高度所对应的爬升率和航迹倾角

(3)最后计算得到飞机在不同大气温度、不同重量、不同高度下的爬升率和航迹倾角，如下：

首先确定大气温度T在[T₁，T₂]、[T₂，T₃]、[T₃，T₄]和[T₄，T₅]的某个区间内，若T在[T_n，T_n+1]内，n为1、2、3和4中的某个值，且有ΔT_n＝T_n+1-T_n(n＝1，2，3，4)。先利用(2)的步骤，根据飞机的重量和高度，利用公式(3)和(4)求得飞机在大气温度T_m、T_m+1下的爬升率climbVelo₁、climbVelo₂和航迹倾角angle₁、angle₂，同样根据权重因子，得到温度为T下的爬升率V_max和航迹倾角θ，即为飞机实时的最大爬升率和航迹倾角：

举例说明：若给定-15℃、飞机重量62t、高度750m，计算飞机的最大爬升率：

i)首先根据拟合曲线得到飞机在[-20℃，65t，750m]的爬升率为18.77m/s，[-20℃，60t，750m]的爬升率为20.72m/s，[-10℃，65t，750m]的爬升率为18.40m/s，[-10℃，60t，750m]的爬升率为20.32m/s。

ii)根据飞机在-20℃、750m的不同重量65t、60t的爬升率，根据权重因子的分配，得到飞机[-20℃，62t，750m]的爬升率为19.94m/s，同样方法可得到飞机[-10℃，62t，750m]的爬升率为19.55m/s；

iii)根据不同温度下的爬升率参数，根据权重因子的分配得到飞机在[-15℃，62t，750m]的爬升率为19.75m/s。

(二)前视地形回避告警算法

如图1所示，飞机触发前视预测告警时，向下安全净空H_c为A点，飞机立即改出结束点为B点，前视告警区域内障碍物安全逃离点为C点，B点和C点的垂直高度差CC′＝H₁，水平距离差为BC′＝L₁，逃离障碍物所需的最小爬升率V₁，逃离障碍物所需的时间t₁，则有以下关系：

L₁＝V_g×t₁

H₁＝V₁×t₁

V₂＝V_t×sinθ

其中飞机当前地速为V_g，真空速为V_t。

则最终得到的建议爬升率输出值为V＝min(V₁，V₂，V_max)。

Claims (2)

1.一种基于飞机爬升性能的前视地形回避告警方法，其特征在于包括下述步骤：

(一)计算最大爬升率和航迹倾角

不同类型飞机的爬升性能状态及条件包括：外界大气温度、飞机重量、高度、爬升率和航迹倾角，不同的大气温度、爬升重量、高度产生不同的爬升率和航迹倾角，飞机根据爬升率和航迹倾角预测未来一段的飞行轨迹，结合内置的高精度地形数据库，判断是否有地形侵入，若有地形侵入，则产生告警；若没有侵入，则不产生告警；

(二)前视地形回避告警计算

飞机触发前视预测告警时，向下安全净空H_c为A点，飞机立即改出结束点为B点，前视告警区域内障碍物安全逃离点为C点，B点和C点的垂直高度差CC′＝H₁，水平距离差为BC′＝L₁，逃离障碍物所需的最小爬升率V₁，逃离障碍物所需的时间t₁，则有以下关系：

L₁＝V_g×t₁

H₁＝V₁×t₁

V₂＝V_t×sinθ

其中飞机当前地速为V_g，真空速为V_t。

则最终得到的建议爬升率输出值为V＝min(V₁，V₂，V_max)，在多次飞行试验中积累得到温度、重量和高度信息以及相对应的爬升率和航迹倾角数据。

2.根据权利要求1所述的基于飞机爬升性能的前视地形回避告警方法，其特征在于：

所述最大爬升率和航迹倾角的计算过程为：

飞机在给定大气温度T₁℃下，不同重量W₁、W₂、W₃和W₄，且W₁＜W₂＜W₃＜W₄，其中ΔW_i＝W_i+1-W_i，i＝1，2，3，不同高度分别为h₁、h₂、h₃、h₄、h₅、h₆、h₇、h₈、h₉、h₁₀、h₁₁、h₁₂、h₁₃、h₁₄、h₁₅、h₁₆、h₁₇、h₁₈，且h₁＞h₂＞…＞h₁₈，对应不同的爬升率climbVelo_{1_1}～climbVelo_{1_72}和航迹倾角angle_{1_1}～angle_{1_72}，同样在温度T₂℃、T₃℃、T₄℃和T₅℃，其中ΔT_j＝T_j+1-T_j，j＝1，2，3，4，对应不同的爬升率climbVelo_{i_1}～climbVelo_{i_72}和航迹倾角angle_{i_1}～angle_{i_72}，其中i＝2，3，4，5，通过已知的数据信息点，推算出飞机在不同外界大气温度、重量和高度的爬升率和航迹倾角；

1)根据温度为在T_m℃的数据信息点，m＝1，2，3，4，5，利用分段的一元一次多项式最小二乘拟合法得到飞机的重量分别为W₁、W₂、W₃、W₄下不同高度的爬升率拟合曲线和航迹倾角拟合曲线，只要重量为W₁吨、W₂吨、W₃吨或W₄吨中的一个值，给定一个[h₁，h₁₈]的高度信息，即可得到对应的爬升率和航迹倾角如下：

climbVelo_{m_n_1}＝k_{m_n_1}*h+b_{m_n_1} (1)

angle_{m_n_1}＝k_{m_n_2}*h+b_{m_n_2} (2)

其中n＝1，2，3，4，分别对应重量为W₁、W₂、W₃、W₄下利用不同高度得到的爬升率拟合曲线和航迹倾角拟合曲线，其中h∈[h₁，h₁₈]；

(2)根据温度为T_m℃的信息，结合高度，计算重量W在[W₁，W₄]内的爬升率和航迹倾角，计算过程详细步骤如下：

若飞机重量W∈[W₁，W₄]、高度H∈[h₁，h₁₈]，首先确定W在[W₁，W₂]、[W₂，W₃]、[W₃，W₄]的某个区间内，若W∈[W_k，W_k+1]，k为1、2和3中的某个值，且有ΔW_k＝W_k+1-W_k，先利用式(1)和式(2)求得飞机重量为W_k和W_k+1下的爬升率climbVelo_{k_1}、climbVelo_{k+1_1}和航迹倾角angle_{k_1}、angle_{k+1_1}，然后根据权重因子，得到重量为W下的爬升率climbVelo和航迹倾角angle：

根据式(1)和式(2)，得到给定温度下不同重量和不同高度所对应的爬升率和航迹倾角；

(3)最后计算得到飞机在不同大气温度、不同重量、不同高度下的爬升率和航迹倾角，步骤如下：

首先确定大气温度T在[T₁，T₂]、[T₂，T₃]、[T₃，T₄]和[T₄，T₅]的某个区间内，若T在[T_n，T_n+1]内，n为1、2、3和4中的某个值，且有ΔT_n＝T_n+1-T_n，n＝1，2，3，4，先利用步骤(2)，根据飞机的重量和高度，通过公式(3)和(4)求得飞机在大气温度T_m、T_m+1下的爬升率climbVelo′₁、climbVelo′₂和航迹倾角angle′₁、angle′₂，同样根据权重因子，得到温度为T下的爬升率V_max和航迹倾角θ：

即为飞机实时的最大爬升率和航迹倾角。

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