CN113589333A - 一种监视系统的适配方法及计算机可读存储介质 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种监视系统的适配方法及计算机可读存储介质,包括:实时获取基于导航系统的导航数据,导航系统至少包括北斗卫星导航系统(BDS)和GPS导航系统;基于导航数据获取实时导航性能的数据和实时监视性能的数据,判断实时导航性能和实时监视性能;根据判断结果在预设的监视系统的集合中进行选择,监视系统的集合中至少包括机场场面情景意识监视系统。根据本申请所提供的适配方法,将飞行器的GPS导航数据和BDS导航数据进行结合,获取并判断其实时导航性能和实时监视性能,根据判断结果适配监视系统,使航空器适配到较为适当且先进的监视系统,降低机场管理压力。
Description
技术领域
本发明涉及航空器导航监视技术领域,具体而言,涉及一种监视系统的适配方法及计算机可读存储介质。
背景技术
随着民用航空市场的不断发展,各航空公司都在不断购入新的飞机,以扩展新的航线或增加新的班次,以满足消费者日益增长的出行需求。与此同时,随着基础建设速度的放缓,机场修建的速度有所降低。
在这种情况下,每座机场的日均起降航班班次的数量,较过去有了很大提升。若使用精度较高的监视系统,如机场场面情景意识监视系统,可以明显降低机场空管的管理压力。但由于导航系统性能波动等原因,可能存在只能使用精度较低的监视系统的情况。因此亟待提供一种监视系统的适配方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种监视系统的适配方法及存储介质,其能够至少部分地克服了现有技术中的不足。
根据本发明的一个方面,提供一种监视系统的适配方法,包括:
实时获取基于导航系统的导航数据,所述导航系统至少包括BDS导航系统和GPS导航系统;
基于所述导航数据获取实时导航性能的数据和实时监视性能的数据,判断所述实时导航性能和所述实时监视性能,所述实时导航性能的数据至少包括航空器的实时位置和实时速度,所述实时监视性能的数据至少包括实时位置精度的数据以及实时速度精度的数据;
根据所述判断结果在预设的监视系统的集合中进行选择,所述监视系统的集合中至少包括机场场面情景意识监视系统。
优选地,所述基于所述导航数据获取所述实时位置,包括:基于BDS导航系统的钟差及伪距观测总误差项和GPS导航系统的钟差及伪距观测总误差项,获取航空器位置的总偏移量,并基于所述总偏移量获取所述实时位置。
优选地,基于总数目之和不小于5颗的BDS卫星和GPS卫星各自的钟差及伪距观测总误差项获取所述总偏移量。
优选地,所述基于所述导航数据获取实时位置精度的数据包括:
获取所述导航系统的位置和时间估计误差矢量及卫星测量误差的分布方差;
根据所述导航系统的位置和时间估计误差矢量及所述卫星测量误差的分布方差实时获得几何精度因子;
根据所述几何精度因子获得所述实时位置精度的数据。
优选地,所述实时位置精度的数据包括位置估计不确定度。
优选地,所述基于所述导航数据获取实时速度精度的数据还包括:
获取位置到速度比例因子、水平加速度因子、垂直加速度因子和传感器数据接收时间间隔;
根据所述几何精度因子、所述位置到速度比例因子、所述水平加速度因子、所述垂直加速度因子和所述传感器数据接收时间间隔获得所述实时速度精度的数据。
优选地,所述位置到速度的比例因子等于0.02s-1,所述水平加速度因子等于1m/s2,所述垂直加速度因子等于1m/s2,所述传感器数据接收时间间隔为1s。
优选地,所述实时获取基于导航系统的导航数据包括:所述导航数据来自所述导航系统的卫星。
根据本发明的另一方面,还提供一种用于航空器的监视系统的适配方法,包括:实时获取基于导航系统的导航数据,所述导航系统为BDS导航系统;
基于所述导航数据获取实时导航性能的数据和实时监视性能的数据,判断所述实时导航性能和所述实时监视性能;所述实时导航性能的数据至少包括航空器的实时位置和实时速度,所述实时监视性能的数据至少包括实时位置精度的数据以及实时速度精度的数据;
根据所述判断结果在预设的监视系统的集合中进行选择,所述监视系统的集合中至少包括机场场面情景意识监视系统。
根据本发明的另一方面,还提供一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的监视系统的适配方法。
根据本发明实施例,基于我国目前导航系统的现状,将飞行器的GPS导航数据和BDS导航数据进行结合,获取并判断其实时导航性能和实时监视性能,以判断飞行器适合的监视系统,在有效结合GPS导航和BDS导航的基础上,使航空器获得较好的实时导航性能和实时监视性能,使航空器适配到较为适当且先进的监视系统,降低机场管理压力。并且由于结合使用了GPS导航和BDS导航系统,使得每个导航系统可见卫星的需求数量均降低,在单个导航系统出现性能波动时能够保证导航性能和监视性能。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例的详细描述,本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
图1是根据本发明的用于航空器的监视系统的适配方法的流程图;
图2是根据本发明的获得实时位置精度的流程图;
图3是根据本发明的另一种用于航空器的监视系统的适配方法的流程图,其中从BDS导航系统获取导航数据。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是,此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明,而非对该发明的限定。为了便于描述,附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在传统的机场管理中,航空器驾驶员依靠自身视野和空中交通管制的指令来避免碰撞。这种管理方式对于突发情况的应对效率较低,一旦跑道上出现不合规飞机或车辆,此时向航空器驾驶员发出警告可能需要比预期更长的时间。而使用机场场面情景意识监视系统(Surface Indications and Alert System,简称SURF IA),该系统可以基于监视数据,自动向航空器驾驶员提供提前预警,使得航空器驾驶员有充足的反应时间来调整航空器,从而避免跑道事故。但由于导航系统性能波动等原因,可能存在无法使用SURF IA,只能使用精度较低的监视系统的情况,因此在预设的监视系统的集合中,除SURF IA之外,还可以包括高级场面活动引导与控制系统(Advanced Surface Movement Guidance and ControlSystems,简称A-SMGCS)、多点定位系统(Multilateration,简称MLAT)等其他备选系统。这样可以根据具体情况为航空器分配合适的监视系统。本申请并不限定在监视系统的集合中除SURF IA外其他的监视系统的类型和数量,各监视系统对于实时导航性能和实时监视性能的运行标准在RTCA DO-323等一些国际标准中均有明确规定,此处不赘述。
进行SURF IA等监视系统的运行需要依赖ADS-B(Automatic DependentSurveillance–Broadcast,广播式自动相关监视)所获取的监视性能数据。航空器所使用的导航系统是ADS-B水平位置信息的数据来源,并且导航系统直接影响ADS-B监视性能的好坏。目前获得在认证的ADS-B机载设备中,GPS导航系统是其唯一导航源。但对于我国国情来说,所使用的GPS系统不仅开放程度不如美国,同时在关键时刻很有可能面临受制于人的情况。
本申请发明人考虑采用北斗(BDS)/GPS双星双系统组合作为ADS-B水平位置信息源,以此判断是否满足SURF IA等较为先进的监视系统的性能要求。北斗(BDS)作为我国自主研发的卫星导航系统,相比GPS系统其最大的优势是安全可靠性强,并且BDS作为新一代卫星导航系统,在实时性、精确性以及稳定性方面也具有一定的优势。
针对上述情况,本申请实施例提供一种监视系统的适配方法,如图1所示,包括如下处理:
S101:实时获取基于导航系统的导航数据,导航系统至少包括BDS导航系统和GPS导航系统;
S102:基于导航数据获取实时导航性能的数据和实时监视性能的数据,判断实时导航性能和实时监视性能,实时导航性能的数据至少包括航空器的实时位置和实时速度,实时监视性能的数据至少包括实时位置精度的数据以及实时速度精度的数据;
S103:根据判断结果在预设的监视系统的集合中进行选择,监视系统的集合中至少包括机场场面情景意识监视系统。
需要说明的是,本申请实施例所提供的监视系统的适配方法可以是由航空器加载的运算模块来执行,也可以是由塔台等地勤部门的运算模块来执行,本申请并不限制该方法的具体应用主体。
在处理S101中,导航系统除BDS导航系统和GPS导航系统外,还可以包括伽利略导航系统等其他导航系统。实时获取BDS导航系统和GPS导航系统的导航数据的方法可以是在航空器或塔台上分别搭载GPS导航模块和BDS导航模块,也可以是搭载GPS/BDS双模导航模块等,能够满足获取实时导航性能和实时监视性能的要求即可。
优选地,在处理S101、S102及S103中,忽略BDS导航系统与GPS导航系统的坐标系之间的差异。这是由于BDS导航系统与GPS导航系统所使用的坐标系之间差异较小,对具体计算结果的影响可以忽略不计。这样可以降低不必要的计算量,便于快速生成结果。
在处理S102中,为便于阅读理解,下面分别对获取实时导航性能的数据和获取实时监视性能的数据进行分别说明。
实时导航性能的数据至少包括航空器的实时位置和实时速度,其中实时位置的获取方式,以使用BDS导航系统和GPS导航系统为例,可以是BDS/GPS组合测码伪距定位,即基于BDS导航系统的钟差及伪距观测总误差项和GPS导航系统的钟差及伪距观测总误差项获取航空器位置的总偏移量,并基于总偏移量获取实时位置。当然,获取实时位置的方法并不仅限于伪距定位,也可以是区间计数法等其他方法,能够获得航空器的实时位置和实时速度即可。
BDS/GPS组合测码伪距定位具体实现方式可以是:由于采用BDS/GPS组合导航定位时,两种卫星导航定位系统的接收机钟差有一定差别。若BDS/GPS组合导航接收到i颗GPS卫星,j颗BDS卫星,其伪距定位观测方程为:
优选地,基于数目之和不小于5颗的BDS卫星和GPS卫星各自的钟差及伪距观测总误差项获取总偏移量。这样i+j大于等于5,可以使上述的方程组能够较为容易地求解。同时,BDS导航系统和GPS导航系统的卫星数之和为5颗,可以是BDS卫星3颗、GPS卫星2颗或BDS卫星2颗、GPS卫星3颗的组合,每个导航系统各自所要求的卫星数量均低于国际惯例所需求的4颗。
该方程组中,分别是GPS卫星i的伪距观测量和BDS卫星j的伪距观测量,(xu,yu,zu)是用户接收机的三维位置坐标,是GPS卫星三维位置坐标,是BDS卫星三维位置坐标,c是电磁波真空传播速度即为光速,是GPS系统接收机钟差,是BDS接收机钟差,εGj是GPS系统伪距观测量中的总误差项,εBj是BDS系统伪距观测量的总误差项。
优选地,可以基于BDS导航系统和GPS导航系统之间的时间系统差异将GPS导航系统工作时间换算为BDS导航系统工作时间。这样便于将上述接收机钟差单位统一,从而降低计算难度。
对上述方程组线性化,令
其中:
HΔX+ε=b
式中gi=(gxi,gyi,gzi)表示GPS卫星的第i颗卫星和接收机之间的方向余弦矢量;bj=(bxj,byj,bzj)表示BDS卫星的第j颗卫星和接收机之间的方向余弦矢量,并最终可以获得航空器的实时位置。在获取实时位置后,即可基于实时位置通过微分运算或平均值计算等方式获得航空器的实时速度。
以上对结合BDS导航系统和GPS导航系统获得实时导航性能的数据的实现方式进行了示例性的说明,下面介绍结合BDS导航系统和GPS导航系统获得实时监视性能的数据的具体实现方式,继续以伪距定位为例进行示例性的说明,若采取其他方式获得实时位置,则监视性能的获得方法的实现方式进行对应调整,此处篇幅限制,不再赘述。实时监视性能的数据主要包括实时位置精度的数据和实时速度精度的数据,下面将对两者的获得过程分别进行介绍。
获得实时位置精度的数据的过程可以包括如图2所示的处理:
S1021:获取导航系统的位置和时间估计误差矢量及卫星测量误差的分布方差;
S1022:根据导航系统的位置和时间估计误差矢量及卫星测量误差的分布方差实时获得几何精度因子。
S1023:根据几何精度因子获得实时位置精度的数据。
在S1021中,由于伪距定位是存在一定误差,因此可以将伪距定位观测方程HΔX+ε=b中的b看成一个线性组合:
b=ρT-ρ0+ε
该式中ρT是不存在误差的伪距矢量;ρ0是在接收机假设初始点的伪距矢量,存在误差;ε是伪距观测的总误差矢量。则ΔX同样可以写成:
ΔX=XT-X0+δ
该式中XT是不存在误差的位置和时间,X0是在接收机假设初始点的位置和时间,δ是位置和时间的估计误差矢量。
将两公式代入ΔX=(HTH)-1HTb,可得δ的最小二乘解:
δ=(HTH)-1HTε
矢量δ有5个分量,它们代表对应于矢量xT=(xu,yu,zu,ctG,ctB)计算的误差,则据协方差的定义,δ的协方差又可表示为:
该式中矩阵对角线元素是三个方向的位置估计误差以及GPS和BDS的时间估计误差的方差。
在S1022中,实时位置精度一般与卫星布局或测量误差有关,精度因子(DilutionOf Precision,DOP)是反映卫星几何布局的重要指标,DOP体现了可见卫星与用户接收机之间的空间几何结构对用户测距误差的放大作用,精度因子与定位精度成反比。DOP越小,卫星布局越好,定位精度越高。精度因子是由Cov(δ)各分量之和与σURE的比值定义的,则根据几何精度因子(Geometric Dilution Of Precision,GDOP)定义,可得:
同理,水平精度因子(Horizontal Dilution Of Precision,HDOP)可表示为:
垂直精度因子(VDOP,Vertical Dilution Of Precision)表示为:
则:
在S1023中,优选地,实时位置精度的数据可以包括位置估计不确定度(Estimateof Position Uncertainty,EPU),以与国际标准中的数值规定相匹配。EPU优选地可以定义为以ADS-B的报告位置为圆心,航空器的实际水平位置95%概率在一圆区域内的圆的半径,因此可推得:
EPU=HFOM=2×HDOP×σURE
因此可以根据该式计算得出EPU值,进而可以获得实时位置精度的数据。
在S1023中,速度导航精度的数据的计算方式可以是:
HFOMV=HFOM×f+aH(I/2)
VFOMV=VFOM×f+aV(I/2)
由EPU=HFOM=2×HDOP×σURE同理可得:
VFOM=2×VDOP×σURE
上述两式为根据航空器定位特性计算导航精度的公式。计算速度导航精度中f是位置到速度的比例因子,aH是水平加速度因子,是航空器在正常的不加速飞行过程中水平加速度估计范围,aV是垂直加速度因子,即垂直加速度估计范围,I是传感器数据接收时间间隔。优选地,f=0.02s-1,aH=1m/s2,aV=1m/s2,I=1s,这样可以降低计算难度。进而可根据HFOMv、VFOMv确定实时速度精度的数据。因此可以根据实时位置精度的数据和实时速度精度的数据判断实时监视性能。
在S102中,判断实时导航性能和实时监视性能,可以是实时判断航空器的位置是否在机场监视范围内,速度是否满足纳入机场交管系统的要求,实时位置精度和实时速度精度是否满足监视系统集合中某个监视系统的要求等多种实现方式。
在处理S103中,监视系统的集合中包括SURF IA,优选地,按照现行的RTCA DO-323所规定的分级标准,若经过S102的判断结果为:实时位置精度的类别为9级、10级或11级,即EPU(HFOM)<30米,且实时速度精度的类别为1级及以上时,即HFOMv<10米/秒(32.8英尺/秒)且VFOM<15.2米/秒(50英尺/秒)的情况下,即可选择SURF IA作为航空器的监视系统。如前所述,若监视系统的集合中包括高级场面活动引导与控制系统等其他监视系统,则可以根据相应的国际规定在满足对应条件的情况下适配其他监视系统,如实时位置精度的类别为8级或9级,且实时速度精度的类别为0级或1级时,则可以适配高级场面活动引导与控制系统。通过本申请所提供的监视系统的适配方法,使航空器能够适配到较为适当且先进的监视系统,降低机场管理压力。
作为一种优选的实施例,在处理S101中,从GPS导航系统及BDS导航系统的卫星处直接接收导航数据并进行后续的处理S102及S103,可以不使用地面增强站点等其他辅助手段。这样做的好处在于对于建设地面增强站点等其他辅助设备的需求程度不高,降低了该方法的应用门槛和使用成本。
本申请实施例还提供一种用于航空器的监视系统的适配方法,如图3所示,包括如下处理:
S201:实时获取基于导航系统的导航数据,导航系统BDS导航系统;
S202:基于导航数据获取实时导航性能的数据和实时监视性能的数据,判断实时导航性能和实时监视性能,实时导航性能的数据至少包括航空器的实时位置和实时速度,实时监视性能的数据至少包括实时位置精度的数据以及实时速度精度的数据;
S203:根据判断结果在预设的监视系统的集合中进行选择,监视系统的集合中至少包括机场场面情景意识监视系统。
该方法与前述的处理S101、S102、S103所构成的方法的区别在于,仅从BDS导航系统获取导航数据,而非将BDS导航系统的数据与GPS导航系统的数据进行结合,这样可以在GPS系统无法使用等特殊情况下,依然能够完成监视系统的适配过程。其实现过程可以参照处理S101、S102及S103的实施方式,进行对应调整即可,例如仅使用BDS导航系统时,可以仅使用4颗BDS卫星。
根据本发明实施例,基于我国目前导航系统的现状,将飞行器的GPS导航数据和BDS导航数据进行结合,获取并判断其实时导航性能和实时监视性能,以判断飞行器适合的监视系统,在有效结合GPS导航和BDS导航的基础上,使航空器获得较好的实时导航性能和实时监视性能,使航空器适配到较为适当且先进的监视系统,降低机场管理压力。并且由于结合使用了GPS导航和BDS导航系统,使得每个导航系统可见卫星的需求数量均降低,在单个导航系统出现性能波动时能够保证导航性能和监视性能。
本发明的重要意义还在于,在目前情况下,如果采用单一GPS或单一BDS系统的单点绝对定位导航定位性能,以及以单一系统单点绝对定位获得的ADS-B监视性能,无法满足基于ADS-B IN的SURF IA的监视运行性能要求。如果采用单一GPS或单一BDS,要实现基于ADS-B IN的SURF IA监视运行性能要求,可以采用星基增强系统或地基增强系统差分定位技术,通过提高导航性能来实现SURF IA监视运行要求。本发明中采用BDS和GPS组合后,由于获得了更加优化的导航卫星几何布局,从而获得了更优的导航性能和监视性能,即使不采用星基增强系统或地基增强系统差分定位技术,也能满足SURF IA的监视运行性能要求。
上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下,在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外,在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中,多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
本申请还提供一种计算机可读介质,其上存储有计算机程序,该计算机程序被处理器执行时实现如上所描述的监视系统的适配方法。该计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动,媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括,但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带,磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质,可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定,计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media),如调制的数据信号和载波。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解,本申请中所涉及的发明范围,并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案,同时也应涵盖在不脱离发明构思的情况下,由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (10)
1.一种监视系统的适配方法,其特征在于,包括:
实时获取基于导航系统的导航数据,所述导航系统至少包括BDS导航系统和GPS导航系统;
基于所述导航数据获取实时导航性能的数据和实时监视性能的数据,判断所述实时导航性能和所述实时监视性能,所述实时导航性能的数据至少包括航空器的实时位置和实时速度,所述实时监视性能的数据至少包括实时位置精度的数据以及实时速度精度的数据;
根据所述判断结果在预设的监视系统的集合中进行选择,所述监视系统的集合中至少包括机场场面情景意识监视系统。
2.如权利要求1所述的监视系统的适配方法,其特征在于,所述基于所述导航数据获取所述实时位置,包括:
基于BDS导航系统的钟差及伪距观测总误差项和GPS导航系统的钟差及伪距观测总误差项,获取航空器位置的总偏移量,并基于所述总偏移量获取所述实时位置。
3.如权利要求2所述的监视系统的适配方法,其特征在于,基于总数目之和不小于5颗的BDS卫星和GPS卫星各自的钟差及伪距观测总误差项获取所述总偏移量。
4.如权利要求1至3任一所述的监视系统的适配方法,其特征在于,所述基于所述导航数据获取实时位置精度的数据包括:
获取所述导航系统的位置和时间估计误差矢量及卫星测量误差的分布方差;
根据所述导航系统的位置和时间估计误差矢量及所述卫星测量误差的分布方差实时获得几何精度因子;
根据所述几何精度因子获得所述实时位置精度的数据。
5.如权利要求4所述的监视系统的适配方法,其特征在于,所述实时位置精度的数据包括位置估计不确定度。
6.如权利要求4所述的监视系统的适配方法,其特征在于,所述基于所述导航数据获取实时速度精度的数据还包括:
获取位置到速度比例因子、水平加速度因子、垂直加速度因子和传感器数据接收时间间隔;
根据所述几何精度因子、所述位置到速度比例因子、所述水平加速度因子、所述垂直加速度因子和所述传感器数据接收时间间隔获得所述实时速度精度的数据。
7.如权利要求6所述的监视系统的适配方法,其特征在于,所述位置到速度的比例因子等于0.02s-1,所述水平加速度因子等于1m/s2,所述垂直加速度因子等于1m/s2,所述传感器数据接收时间间隔为1s。
8.如权利要求1所述的监视系统的适配方法,其特征在于,所述实时获取基于导航系统的导航数据包括:
所述导航数据来自所述导航系统的卫星。
9.一种监视系统的适配方法,其特征在于,包括:
实时获取基于导航系统的导航数据,所述导航系统为BDS导航系统;
基于所述导航数据获取实时导航性能的数据和实时监视性能的数据,判断所述实时导航性能和所述实时监视性能,所述实时导航性能的数据至少包括航空器的实时位置和实时速度,所述实时监视性能的数据至少包括实时位置精度的数据以及实时速度精度的数据;
根据所述判断结果在预设的监视系统的集合中进行选择,所述监视系统的集合中至少包括机场场面情景意识监视系统。
10.一种计算机可读存储介质,其特征在于,所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至9中任一项所述的监视系统的适配方法。
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