CN113031008A - 一种具有主动探测海面威胁的前视预测告警方法 - Google Patents

一种具有主动探测海面威胁的前视预测告警方法 Download PDF

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刘震
魏红波
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    • G08G5/04—Anti-collision systems

Abstract

本发明提供了一种具有主动探测海面威胁的前视预测告警方法，根据飞机当前指示空速、经纬度、天向速度和航迹角参数预测飞机的实时飞行轨迹，通过将自身预测的飞行轨迹叠加到内置地形库的地形剖面图上，同时结合实时测量信息，主动识别获取海面移动舰船及新建固定目标等威胁信息，当判断出飞机与海面目标有碰撞威胁时，给出告警提示，以保障飞机海上飞行安全。本发明简单易行，实时性强，能够有效对海面障碍物威胁进行主动探测预警，弥补了现有增强型近地告警系统无法探测海面威胁的不足，拓展了近地告警系统的使用范围，充分保障飞机海上飞行安全。

Description

一种具有主动探测海面威胁的前视预测告警方法
技术领域
本发明涉及飞机告警领域，尤其是近地告警系统前视地形预测告警方法，针对飞机超低空飞行的具有主动探测海面威胁，进行前视预测告警方法。
背景技术
现代飞机的一个重要应用环境就是海洋，随着我军掠海飞行任务的不断增加，特别是夜间海上超低空飞行，水面舰船、海上钻井平台等海面移动及新建固定目标严重威胁飞机的飞行安全。
现有增强型近地告警系统前视地形回避技术利用自身内置地形数据库，障碍物数据库等数据，沿着飞机的横向和垂向航行轨迹探查飞机前方的地形和障碍物，当存在潜在的碰撞威胁时发出警告，提示飞行员进行威胁规避。由于没有主动探测功能，现有的增强型近地告警系统还无法对海面移动舰船和新建固定目标等进行威胁告警提示。为了保障海上飞行安全，需要对近地告警设备的前视地形回避技术进行改进，增加主动探测功能，提示飞行员及时规避海面移动舰船及新建目标等威胁。
经对现有技术的文献检索，未发现近地告警系统针对海面移动目标和新建固定目标等威胁进行前视预测告警的相关专利和研究报告。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种具有主动探测海面威胁的前视预测告警方法。根据飞机当前指示空速、经纬度、天向速度和航迹角参数预测飞机的实时飞行轨迹，通过将自身预测的飞行轨迹叠加到内置地形库的地形剖面图上，同时结合包括但不限于机载激光雷达、前视红外系统、视觉相机等主动式探测传感器的实时测量信息，主动识别获取海面移动舰船及新建固定目标等威胁信息，当判断出飞机与海面目标有碰撞威胁时，给出告警提示，以保障飞机海上飞行安全。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
步骤1：实时采集机上传感器数据，机上传感器数据包括飞机上大气数据系统实时输出的指示空速和绝对气压高度，惯性/卫星组合导航系统实时输出的经度、纬度、天向速度和航迹角信息；机上主动式探测传感器实时测量的海上移动舰船及新建固定目标的探测距离、方位角和仰角信息；主动式探测传感器包括但不限于机载激光雷达、前视红外系统和视觉相机；
步骤2：对步骤1采集的指示空速、绝对气压高度、经度、纬度、天向速度、航迹角、探测距离、方位角和仰角信息进行合理性检测；
步骤3：若通过合理性检测，则根据指示空速、绝对气压高度、经度、纬度、天向速度和航迹角信息生成飞机的前视预测轨迹，否则返回步骤1；
步骤4：若飞机当前的经纬度信息处于海洋区域且机上主动式探测传感器已开机探测到威胁点，则根据探测距离、方位角和仰角信息计算出海上威胁点位置信息，否则返回步骤1；
步骤5：将飞机的前视预测轨迹和机上主动式探测传感器探测的海上威胁点位置信息进行碰撞检测；
碰撞检测是将预测轨迹和所述海上威胁点位置信息进行比对，判断是否有相交重合部分；
步骤6：若碰撞检测到威胁，则发出告警语音和告警闪烁信息，提示飞行员进行威胁规避，否则返回步骤1，重新开始下一个周期。
所述合理性检测是指对采集信息进行合理性判断，合理性的范围根据实际飞机的动态性能确定，指示空速的合理性范围为[Vimin,Vimax]，选取典型值[60km/h，1200km/h]；绝对气压高度的合理性范围为[Hmin,Hmax]，选取典型值[-500m，20000m]；经度的合理性范围为[λmin,λmax]，选取典型值[-180°，180°]；纬度的合理性范围为
Figure BDA0002973187200000021
选取典型值[-90°，90°]；天向速度的合理性范围为[Vumin,Vumax]，选取典型值[-50m/s，100m/s]；航迹角的合理性范围为[θmin,θmax]，选取典型值[0°，360°]；探测距离的合理性范围为[Rmin，Rmax]，选取典型值[0.5Km，500Km]；方位角的合理性范围为[αmin,αmax]，选取典型值[0°，360°]；仰角的合理性范围为[βmin,βmax]，选取典型值[-90°，90°]；当所述采集信息在对应的合理性范围内，则可判定数据有效。
所述生成飞机的前视预测轨迹的步骤为：以飞机当前经度λ0、纬度
Figure BDA0002973187200000022
绝对气压高度H0作为预测轨迹初始起点，以指示空速Vi、天向速度Vu、航迹角θ进行预测飞行，生成前方预测轨迹，预测时长为T秒，并把共计T秒的预测轨迹位置信息以数组的形式存储在数据缓存区中，预测轨迹位置信息包括经度、纬度、绝对气压高度，如公式(1)、(2)和(3)所示：
Figure BDA0002973187200000031
Figure BDA0002973187200000032
Hk+1＝Hk+Vu·Δt (3)
其中，λk+1为预测轨迹k+1时刻经度，λk为预测轨迹k时刻经度，Vi为指示空速，θ为航迹角，Δt为预测时间间隔，取值为0.1s，Re为地球半径，
Figure BDA0002973187200000033
为预测轨迹k时刻纬度，
Figure BDA0002973187200000034
为预测轨迹k+1时刻纬度，Hk+1为预测轨迹k+1时刻绝对气压高度，Hk为预测轨迹k时刻绝对气压高度，k＝0,1,2,…,n，当k＝0时，为飞机实时采样时刻，也为预测轨迹初始起点时刻，n＝T/Δt，Vu为天向速度。
所述计算海上威胁点位置信息的步骤为：
根据所述探测距离R、方位角α和仰角β信息计算出威胁点位置，如公式(4)、(5)和(6)所示：
Figure BDA0002973187200000035
Figure BDA0002973187200000036
H′＝R×sin(β) (6)
其中，λ′为海面威胁点经度，λ″为飞机主动式探测传感器探测到威胁点的经度，R为探测距离，α为方位角，
Figure BDA0002973187200000037
飞机主动式探测传感器探测到威胁点的纬度，
Figure BDA0002973187200000038
为海面威胁点纬度，β为仰角。
所述碰撞检测的步骤如下：
如果在飞机预测轨迹数组中有任意一个位置信息满足公式(7)，则当前时刻碰撞检测到威胁，否则无威胁；
Figure BDA0002973187200000039
其中，ρλ为经度重合度门限值；
Figure BDA00029731872000000310
为纬度重合度门限值，；ρH为绝对气压高度重合度门限值。
本发明的有益效果在于针对飞机超低空掠海飞行、特别是夜间海上飞行时，现有增强型近地告警系统无法对海面移动舰船和新建固定目标等威胁进行告警提示的问题，增加一种具有主动探测功能的海面前视预测告警方法，该方法简单易行，实时性强，能够有效对海面障碍物威胁进行主动探测预警，弥补了现有增强型近地告警系统无法探测海面威胁的不足，拓展了近地告警系统的使用范围，充分保障飞机海上飞行安全。
附图说明
图1是本发明的具体实施流程图。
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。
本发明设计实现一种具有主动探测功能的海面前视预测告警方法，对海面移动舰船和新建固定目标进行威胁告警。下面结合附图和实施例对本发明的实施方式进行详细说明，如图1所示，其步骤如下：
步骤1：利用数据采集装置(如FPGA+PowerPC)，实时采集大气数据系统实时输出的指示空速、绝对气压高度和惯性/卫星组合导航系统实时输出的经度、纬度、天向速度和航迹角信息；实时采集包括但不限于机载激光雷达、前视红外系统、视觉相机实时测量的海面移动舰船及新建固定目标的探测距离、方位角和仰角信息，信号格式见表1：
表1采集数据的信息格式
序号 数据元素名称 数据元素标识符 度量单位 信号转换关系
1 指示空速 ADS_IAS Km/h 实时信号源
2 绝对气压高度 ADS_H m 实时信号源
3 经度 INS_LONGI 度 实时信号源
4 纬度 INS_LATI 度 实时信号源
5 天向速度 INS_VELO_U m/s 实时信号源
6 航迹角 INS_TRACK 度 实时信号源
7 探测距离 ACS_RANGE m 实时信号源
8 方位角 ACS_AZIMUTH 度 实时信号源
9 仰角 ACS_PITCH 度 实时信号源
步骤2：根据步骤1，对所述指示空速、绝对气压高度、经度、纬度、天向速度、航迹角、探测距离、方位角和仰角信息进行合理性检测；
所述合理性检测是指采集信息的合理性判断，合理性的范围根据实际飞机的动态性能确定，指示空速的合理性范围为[Vimin,Vimax]，选取典型值[60km/h，1200km/h]；绝对气压高度的合理性范围为[Hmin,Hmax]，选取典型值[-500m，20000m]；经度的合理性范围为[λmin,λmax]，选取典型值[-180°，180°]；纬度的合理性范围为
Figure BDA0002973187200000051
选取典型值[-90°，90°]；天向速度的合理性范围为[Vumin,Vumax]，选取典型值[-50m/s，100m/s]；航迹角的合理性范围为[θmin,θmax]，选取典型值[0°，360°]；探测距离的合理性范围为[Rmin，Rmax]，选取典型值[0.5Km，500Km]；方位角的合理性范围为[αmin,αmax]，选取典型值[0°，360°]；仰角的合理性范围为[βmin,βmax]，选取典型值[-90°，90°]；当所述采集信息在对应的合理性范围内，则可判定数据有效，上述典型值根据不同的飞机的动态性能，可适应性的进行调整设置；
步骤3：根据步骤2，若所述采集信息通过合理性检测，则以飞机当前经度λ0、纬度
Figure BDA0002973187200000058
绝对气压高度H0作为预测轨迹初始起点，以指示空速Vi、天向速度Vu、航迹角θ进行预测飞行，生成前方预测轨迹，预测时长为T秒，取T＝200，并把共计T秒的预测轨迹位置信息以数组的形式存储在数据缓存区中，预测轨迹位置信息包括经度、纬度、绝对气压高度，如公式(1)、(2)和(3)所示，若所述采集信息未通过合理性检测，则返回步骤1；
Figure BDA0002973187200000052
Figure BDA0002973187200000053
Hk+1＝Hk+Vu·Δt (3)
其中，λk+1为预测轨迹k+1时刻经度，λk为预测轨迹k时刻经度，Vi为指示空速，θ为航迹角，Δt为预测时间间隔，取值为0.1s，Re为地球半径，
Figure BDA0002973187200000054
为预测轨迹k时刻纬度，
Figure BDA0002973187200000055
为预测轨迹k+1时刻纬度，Hk+1为预测轨迹k+1时刻绝对气压高度，Hk为预测轨迹k时刻绝对气压高度，k＝0,1,2,…,n，当k＝0时，为飞机实时采样时刻，也为预测轨迹初始起点时刻，n＝T/Δt，Vu为天向速度；
步骤4：根据步骤3，若飞机当前的经纬度信息处于海洋区域且机上主动式探测传感器已开机探测到威胁点，则根据所述探测距离R、方位角α和仰角β信息计算出威胁点位置，如公式(4)、(5)和(6)所示。否则，返回步骤1；
Figure BDA0002973187200000056
Figure BDA0002973187200000057
H′＝R×sin(β) (6)
其中，λ′为海面威胁点经度，λ″为飞机主动式探测传感器探测到威胁点的经度，R为探测距离，α为方位角，
Figure BDA0002973187200000061
飞机主动式探测传感器探测到威胁点的纬度，
Figure BDA0002973187200000062
为海面威胁点纬度，β为仰角；
步骤5：根据步骤4，将存放在数据缓存区的飞机预测轨迹和当前时刻机上主动式探测传感器探测的海面威胁点位置信息进行碰撞检测，若预测轨迹数组中的任意一个位置点与海面威胁点有重合交点，则判定碰撞检测到威胁，否则判定碰撞未检测到威胁；
所述碰撞检测方法如下：
如果在飞机预测轨迹数组中有任意一个位置信息满足公式(7)，则当前时刻碰撞检测到威胁，否则无威胁；
Figure BDA0002973187200000063
其中，ρλ为经度重合度门限值，选取典型值0.0001°；
Figure BDA0002973187200000064
为纬度重合度门限值，选取典型值0.0001°；ρH为绝对气压高度重合度门限值，选取典型值10m。
步骤6：根据步骤5，若碰撞检测到威胁，则近地告警设备通过机上通话器发出告警语音，并在飞行仪表上发出告警闪烁信息，提醒飞行员进行威胁规避，否则返回步骤1。

Claims (5)

1.一种具有主动探测海面威胁的前视预测告警方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤1：实时采集机上传感器数据，机上传感器数据包括飞机上大气数据系统实时输出的指示空速和绝对气压高度，惯性/卫星组合导航系统实时输出的经度、纬度、天向速度和航迹角信息；机上主动式探测传感器实时测量的海上移动舰船及新建固定目标的探测距离、方位角和仰角信息；主动式探测传感器包括但不限于机载激光雷达、前视红外系统和视觉相机；
步骤2：对步骤1采集的指示空速、绝对气压高度、经度、纬度、天向速度、航迹角、探测距离、方位角和仰角信息进行合理性检测；
步骤3：若通过合理性检测，则根据指示空速、绝对气压高度、经度、纬度、天向速度和航迹角信息生成飞机的前视预测轨迹，否则返回步骤1；
步骤4：若飞机当前的经纬度信息处于海洋区域且机上主动式探测传感器已开机探测到威胁点，则根据探测距离、方位角和仰角信息计算出海上威胁点位置信息，否则返回步骤1；
步骤5：将飞机的前视预测轨迹和机上主动式探测传感器探测的海上威胁点位置信息进行碰撞检测；
碰撞检测是将预测轨迹和所述海上威胁点位置信息进行比对，判断是否有相交重合部分；
步骤6：若碰撞检测到威胁，则发出告警语音和告警闪烁信息，提示飞行员进行威胁规避，否则返回步骤1，重新开始下一个周期。
2.根据权利要求1所述的具有主动探测海面威胁的前视预测告警方法，其特征在于：
所述合理性检测是指对采集信息进行合理性判断，合理性的范围根据实际飞机的动态性能确定，指示空速的合理性范围为[Vimin,Vimax]，选取典型值[60km/h，1200km/h]；绝对气压高度的合理性范围为[Hmin,Hmax]，选取典型值[-500m，20000m]；经度的合理性范围为[λmin,λmax]，选取典型值[-180°，180°]；纬度的合理性范围为
Figure FDA0002973187190000011
选取典型值[-90°，90°]；天向速度的合理性范围为[Vumin,Vumax]，选取典型值[-50m/s，100m/s]；航迹角的合理性范围为[θmin,θmax]，选取典型值[0°，360°]；探测距离的合理性范围为[Rmin，Rmax]，选取典型值[0.5Km，500Km]；方位角的合理性范围为[αmin,αmax]，选取典型值[0°，360°]；仰角的合理性范围为[βmin,βmax]，选取典型值[-90°，90°]；当所述采集信息在对应的合理性范围内，则可判定数据有效。
3.根据权利要求1所述的具有主动探测海面威胁的前视预测告警方法，其特征在于：
所述生成飞机的前视预测轨迹的步骤为：以飞机当前经度λ0、纬度
Figure FDA0002973187190000021
绝对气压高度H0作为预测轨迹初始起点，以指示空速Vi、天向速度Vu、航迹角θ进行预测飞行，生成前方预测轨迹，预测时长为T秒，并把共计T秒的预测轨迹位置信息以数组的形式存储在数据缓存区中，预测轨迹位置信息包括经度、纬度、绝对气压高度，如公式(1)、(2)和(3)所示：
Figure FDA0002973187190000022
Figure FDA0002973187190000023
Hk+1＝Hk+Vu·Δt (3)
其中，λk+1为预测轨迹k+1时刻经度，λk为预测轨迹k时刻经度，Vi为指示空速，θ为航迹角，Δt为预测时间间隔，取值为0.1s，Re为地球半径，
Figure FDA0002973187190000024
为预测轨迹k时刻纬度，
Figure FDA0002973187190000025
为预测轨迹k+1时刻纬度，Hk+1为预测轨迹k+1时刻绝对气压高度，Hk为预测轨迹k时刻绝对气压高度，k＝0,1,2,…,n，当k＝0时，为飞机实时采样时刻，也为预测轨迹初始起点时刻，n＝T/Δt，Vu为天向速度。
4.根据权利要求1所述的具有主动探测海面威胁的前视预测告警方法，其特征在于：
所述计算海上威胁点位置信息的步骤为：
根据所述探测距离R、方位角α和仰角β信息计算出威胁点位置，如公式(4)、(5)和(6)所示：
Figure FDA0002973187190000026
Figure FDA0002973187190000027
H′＝R×sin(β) (6)
其中，λ′为海面威胁点经度，λ″为飞机主动式探测传感器探测到威胁点的经度，R为探测距离，α为方位角，
Figure FDA0002973187190000028
飞机主动式探测传感器探测到威胁点的纬度，
Figure FDA0002973187190000029
为海面威胁点纬度，β为仰角。
5.根据权利要求1所述的具有主动探测海面威胁的前视预测告警方法，其特征在于：
所述碰撞检测的步骤如下：
如果在飞机预测轨迹数组中有任意一个位置信息满足公式(7)，则当前时刻碰撞检测到威胁，否则无威胁；
Figure FDA0002973187190000031
其中，ρλ为经度重合度门限值；
Figure FDA0002973187190000032
为纬度重合度门限值，；ρH为绝对气压高度重合度门限值。
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