CN114371736B - 一种面向无人机daa的告警及引导方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向无人机DAA的告警及引导方法和装置，方法包括获取航迹数据；根据获取的航迹数据，计算本机和探测范围的入侵机的当前相对状态，进行告警处理；根据告警处理后无人机与入侵机的冲突区域，进行水平引导计算，从而实现对本机进行机动引导。本发明引入水平能力引导，通过融合水平及垂直引导，能够在复杂空域条件下实现告警及引导，提升飞机避撞能力，提升通航空域使用效率。
Description
技术领域
本发明属于无人机探测与避让技术领域，具体涉及一种面向无人机DAA的告警及引导方法和装置。
背景技术
近年来，无人机系统(unmanned aircraft system,UAS)得到了飞速发展和广泛应用：在军事方面，无人机承担越来越多的侦查、打击等任务；在民用方面，无人机在遥感测绘、地质勘测、灾害救援等方面具有广泛的应用。
无人机产业飞速发展，数量急剧增加，由于缺乏必要的探测与避让(detect andavoid，DAA)设备，给无人机自身及空域内其他飞机造成了极大地威胁，针对上述问题，国内外研究机构进行了大量的研究、测试，目前RTCA组织发布了DO-365标准，按照该标准，无人机DAA系统的避让处理工作过程如下：
(1)目标探测：通过空空雷达(ATAR)、主动监视(AST)、自动相关监视(ADS-B)传感器探测空域内飞机(简称“入侵机”)；
(2)航迹融合：通过航迹融合算法将ATAR、AST、ADS-B传感器数据融合，生成可靠全局航迹；
(3)告警及引导处理：依据全局航迹进行告警计算、必要时给出引导信息。
在告警及引导处理方面，目前比较成熟的是TCAS技术，然而其存在以下问题：
(1)TCAS技术仅采用了垂直引导技术，对飞机的爬升性能有较高的要求；
(2)单独的垂直引导方法，引导能力低，空域使用效率低，不能满足飞机高密度下的引导需求；
(3)TCAS仅能对合作目标实现告警及引导，不能对非合作目标实现告警及引导，无法适应无人机避免撞击的需求。
发明内容
针对现有告警及引导处理技术存在的引导能力低、空域使用效率低的问题，本发明提供了一种面向无人机DAA的告警及引导方法。本发明引入水平能力引导，通过融合水平及垂直引导，能够在复杂空域条件下实现告警及引导，提升飞机避撞能力，提升通航空域使用效率。
本发明通过下述技术方案实现：
一种面向无人机DAA的告警及引导方法，包括：
获取航迹数据；
根据获取的航迹数据，计算本机和探测范围的入侵机的当前相对状态，进行告警处理；
根据告警处理后无人机与入侵机的冲突区域，进行水平引导计算，从而实现对本机进行机动引导。
优选的，本发明的告警处理过程具体包括以下子步骤：
获取本机航迹数据；
获取入侵机航迹数据；
分别计算本机与入侵机的水平保护间隔和垂直保护间隔；
将水平保护间隔和垂直保护间隔综合处理；
根据综合处理结果，确定是否产生告警信息并输出。
优选的，本发明的水平保护间隔计算过程具体为：
其中，s,v分别表示相对位置和速度；tCPA为到达水平距离最近点的时间；τmod为修正的水平相遇时间；dCPA为到达tCPA时的水平距离；DMOD为修正距离阈值；
当dCPA≤HMD并且0≤τmod≤TAUMOD时，则产生水平告警；
其中，TAUMOD为τmod阈值；HMD为水平距离阈值。
优选的，本发明的垂直保护距离计算过程具体为：
其中，tcoa为共同高度的时间；sz,vz分别为高度和垂直速度；
当sz≤ZTHR或0≤tcoa≤TCOA时，则产生垂直告警；
其中，ZTHR为垂直距离阈值；TCOA为垂直时间阈值。
优选的，本发明的综合处理具体为：
判断水平告警和垂直告警信号是否同时产生，如果是，则进行告警。
优选的，本发明的引导处理过程具体包括以下子步骤：
获取本机航迹数据；
获取N条告警数据；
分别计算N条告警数据相应的飞行切向角；
基于N个飞行切向角，计算得到综合切向角；
再次进行告警处理，若确认告警则进行后续步骤，否则返回执行“分别计算N条告警数据相应的飞行切向角”步骤；
根据综合切向角，计算得到水平引导角；
根据水平引导角，结合垂直引导信息，得到综合引线信息并输出。
优选的，本发明的飞行切向角计算过程如下：
计算冲突带；冲突带计算方法为：
a)计算CPA时间；
b)计算CPA时间的入侵机位置；
c)以入侵机为中心，水平5000英尺(wellclear间隔及计算保护间隔)、垂直700英尺范围内为冲突带；
基于冲突带，计算飞行切向角，切向角计算过程包括：
a)计算入侵机与本机连线与左右切线的夹角：
θ＝arcsin(5000/s)
b)计算入侵机与本机连线方向角λ：
s＝x+iy；其中x为东向距离，y为北向距离；
λ＝arctan(x/y)
c)设航向角为Φ，左切向角L和右切向角R分别为：
L＝Φ+λ-θ
R＝Φ+λ+θ。
优选的，本发明的计算综合切向角具体过程为：
(L，R)＝(L1，R1)∪(L2，R2)…∪(LN，RN)
其中，(Li，Ri)为第i架入侵机的左切向角和右切向角。
优选的，本发明的水平引导角计算过程为：
水平引导角是在左右最大机动能力范围内选择可能的引导范围，最大机动能力范围表达为(Lmax，Rmax)，则
水平引导角＝(Lmax，Rmax)-(L，R)。
第二方面，本发明还提出了一种面向无人机DAA的告警及引导装置，包括数据获取模块、告警处理模块和引导处理模块；
所述数据获取模块用于获取航迹数据；
所述告警处理模块根据获取的航迹数据，计算本机和探测范围的入侵机的当前相对状态，进行告警处理；
所述引导处理模块根据告警处理后，无人机与入侵机的冲突区域，进行水平引导计算，从而实现对本机进行机动引导。
本发明具有如下的优点和有益效果：
本发明引入水平能力引导，具有入侵机同时告警及引导处理能力，通过融合水平及垂直引导，能够在复杂空域条件下实现告警及引导，提升飞机避撞能力，提升通航空域使用效率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明实施例的告警及引导方法流程示意图。
图2为本发明实施例的WC保护区定义示意图。
图3为本发明实施例的空域入侵逻辑示意图。
图4为本发明实施例的航迹引导处理几何示意图。
图5为本发明实施例的航迹引导处理流程示意图。
图6为本发明实施例的切向角示意图。
图7为本发明实施例的计算机设备原理框图。
图8为本发明实施例的装置原理框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例提出了一种面向无人机DAA的告警及引导方法。如图1所示，本实施例的方法包括以下步骤：
步骤1，获取航迹数据；
步骤2，根据获取的航迹数据，计算本机和探测范围的入侵机的当前相对状态，进行告警处理；
步骤3，根据告警处理后无人机与入侵机的冲突区域，进行水平引导计算，从而实现对本机进行机动引导。
本实施例按照DO-365，告警处理是围绕本机的WellClear(WC)状态进行，其中WellClear对应着有本机的WC保护区，通过计算本机和探测范围的入侵机的当前相对状态，并通过线性外推来判断入侵机是否违反本机WC状态，即判断是否会进入WC保护区。当预计本机和入侵机会发生出现违反WC状态时，即会产生告警。WC保护区如图2所示。
告警探测主要实现两个功能：
(1)判定无人机是否入侵WellClear空域范围；
(2)计算本机与入侵机在未来的时间段是否会产生冲突。
判断无人机是否入侵WellClear空域处理逻辑如图3所示。本实施例通过分别计算水平(相遇时间)和垂直保护间隔(间隔高度)，结合WellClear定义综合输出告警信息。
如图2所示，本实施例步骤2的告警处理过程具体包括：
步骤21，获取本机航迹数据；
步骤22，获取入侵机航迹数据；
步骤23，分别计算本机与入侵机的水平保护间隔和垂直保护间隔；
步骤24，将水平保护间隔和垂直保护间隔综合处理；
步骤25，根据综合处理结果，确定是否产生告警信息并输出。
本实施例步骤23中水平间隔和垂直间隔计算过程具体如下：
a)本实施例计算过程中使用的参数定义如下表1所示。
表1参数说明表
| 参数 | 参数说明 |
| s,v | 相对水平状态，即位置和速度(矢量) |
| sz,vz | 相对垂直状态，即高度和垂直速度 |
| tcoa | 共同高度的时间 |
| tCPA | 到达水平距离最近点的时间 |
| τmod | 修正的水平相遇时间 |
| dCPA | 到达tCPA时的水平距离 |
| DMOD | 修正距离阈值 |
| HMD | 水平距离阈值 |
| TAUMOD | τmod阈值 |
| TCOA | 垂直时间阈值(到同一高度的时间) |
| ZTHR | 垂直距离阈值 |
| CPA | 水平距离最近点 |
b)水平保护间隔计算
当dCPA≤HMD并且0≤τmod≤TAUMOD时，认为产生了水平告警。
c)垂直保护距离计算
当sz≤ZTHR或0≤tcoa≤TCOA时，认为产生了垂直告警。
本实施例中步骤24对水平保护距离和垂直保护距离综合处理过程具体为：
当水平告警和垂直告警信号同时产生时，认为失去WellClear状态，产生告警。
引导处理是指在当无人机出现碰撞威胁时，引导无人机飞行员远程操作无人机进行水平和垂直两个方向进行机动，以躲避碰撞风险。
根据无人机告警处理后无人机与入侵机的冲突风险等级和冲突区域来进行对本机进行机动的引导，以保持无人机处于WellClear状态。无人机引导处理技术关键在于计算冲突带，通过结合冲突带及无人机的机动性能，提供无人机机动引导，以保证无人机安全运行。
引导处理流程如图4-5所示，入侵机1与入侵机2都与本机产生了冲突，通过计算两个冲突带的飞行切向角及切向角特性分析，引导线路应位于飞行切向角1和飞行切向角4外，但左侧受限于飞机转弯能力(飞行极限)，最终选择右侧作为飞行引导路线。
如图5所示，本实施例步骤3具体包括：
步骤31，获取本机航迹数据；
步骤32，获取N条告警数据；N为与本机冲突的入侵机数量；
步骤33，分别计算N条告警数据相应的飞行切向角；
步骤34，基于N个飞行切向角，计算得到综合切向角；
步骤35，采用步骤2进行告警处理；如果确认告警，则进行步骤35，否则返回步骤32；
步骤35，根据综合切向角，计算得到水平引导角；
步骤36，根据水平引导角，结合垂直引导信息，得到综合引导信息并输出。
本实施例步骤33具体包括：
步骤331，计算冲突带；冲突带是以CPA时间入侵机周围的wellclear区域定义的，计算方法如下：
a)计算CPA时间；
b)计算CPA时间的入侵机位置；
c)以入侵机为中心，水平5000英尺(wellclear间隔及计算保护间隔)、垂直700英尺范围内为冲突带。
步骤332，计算飞行切向角；如图6所示，该飞行切向角为本机与入侵机保护区边缘的切线与航向的夹角，分为左切向角和右切向角，计算过程如下：
a)计算入侵机与本机连线与左右切线的夹角：
θ＝arcsin(5000/s)
b)计算入侵机与本机连线方向角λ：
s＝x+iy；其中x为东向距离，y为北向距离；
λ＝arctan(x/y)
c)设航向角为Φ，左切向角L和右切向角R分别为：
L＝Φ+λ-θ
R＝Φ+λ+θ
本实施例步骤34计算综合切向角具体过程为：
当有多个入侵机时，综合切向角为(L，R)，计算方法如下：
(L，R)＝(L1，R1)∪(L2，R2)…∪(LN，RN)
其中，(Li，Ri)为第i架入侵机的左切向角和右切向角。
本实施例步骤35计算水平引导角具体过程为：
水平引导角是在左右最大机动能力范围内选择可能的引导范围，最大机动能力范围表达为(Lmax，Rmax)，则
水平引导角＝(Lmax，Rmax)-(L，R)。
本实施例还提出了一种电子设备，用于执行本实施例的上述方法。
具体如图7所示，电子设备包括处理器、内存储器和系统总线；内存储器和处理器在内的各种设备组件连接到系统总线上。处理器是一个用来通过计算机系统中基本的算术和逻辑运算来执行计算机程序指令的硬件。内存储器是一个用于临时或永久性存储计算程序或数据(例如，程序状态信息)的物理设备。系统总线可以为以下几种类型的总线结构中的任意一种，包括存储器总线或存储控制器、外设总线和局部总线。处理器和内存储器可以通过系统总线进行数据通信。其中内存储器包括只读存储器(ROM)或闪存(图中未示出)，以及随机存取存储器(RAM)，RAM通常是指加载了操作系统和计算机程序的主存储器。
计算机设备一般包括一个外存储设备。外存储设备可以从多种计算机可读介质中选择，计算机可读介质是指可以通过计算机设备访问的任何可利用的介质，包括移动的和固定的两种介质。例如，计算机可读介质包括但不限于，闪速存储器(微型SD卡)，CD-ROM，数字通用光盘(DVD)或其它光盘存储、磁带盒、磁带、磁盘存储或其它磁存储设备，或者可用于存储所需信息并可由计算机设备访问的任何其它介质。
计算机设备可在网络环境中与一个或者多个网络终端进行逻辑连接。网络终端可以是个人电脑、服务器、路由器、智能电话、平板电脑或者其它公共网络节点。计算机设备通过网络接口(局域网LAN接口)与网络终端相连接。局域网(LAN)是指在有限区域内，例如家庭、学校、计算机实验室、或者使用网络媒体的办公楼，互联组成的计算机网络。WiFi和双绞线布线以太网是最常用的构建局域网的两种技术。
应当指出的是，其它包括比计算机设备更多或更少的子系统的计算机系统也能适用于发明。
如上面详细描述的，适用于本实施例的计算机设备能执行多维空间视界搜索方法的指定操作。计算机设备通过处理器运行在计算机可读介质中的软件指令的形式来执行这些操作。这些软件指令可以从存储设备或者通过局域网接口从另一设备读入到存储器中。存储在存储器中的软件指令使得处理器执行上述的群成员信息的处理方法。此外，通过硬件电路或者硬件电路结合软件指令也能同样实现本发明。因此，实现本实施例并不限于任何特定硬件电路和软件的组合。
实施例2
本实施例提出了一种面向无人机DAA的告警及引导装置，如图8所示，包括数据获取模块、告警处理模块和引导处理模块。
其中，数据获取模块用于获取航迹数据；
告警处理模块根据获取的航迹数据，计算本机和探测范围的入侵机的当前相对状态，进行告警处理；
引导处理模块根据告警处理后，无人机与入侵机的冲突区域，进行水平引导计算，从而实现对本机进行机动引导。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种面向无人机DAA的告警及引导方法，其特征在于，包括：
获取航迹数据；
根据获取的航迹数据，计算本机和探测范围的入侵机的当前相对状态，进行告警处理；
根据告警处理后无人机与入侵机的冲突区域，进行水平引导计算，从而实现对本机进行机动引导；
所述引导处理过程具体包括以下子步骤：
获取本机航迹数据；
获取N条告警数据；
分别计算N条告警数据相应的飞行切向角；
基于N个飞行切向角，计算得到综合切向角；
再次进行告警处理，若确认告警则进行后续步骤，否则返回执行“分别计算N条告警数据相应的飞行切向角”步骤；
根据综合切向角，计算得到水平引导角；
根据水平引导角，结合垂直引导信息，得到综合引线信息并输出；
所述飞行切向角计算过程如下：
计算冲突带；冲突带计算方法为：
a)计算CPA时间；
b)计算CPA时间的入侵机位置；
c)以入侵机为中心，水平5000英尺(wellclear间隔及计算保护间隔)、垂直700英尺范围内为冲突带；
基于冲突带，计算飞行切向角，切向角计算过程包括：
a)计算入侵机与本机连线与左右切线的夹角：
θ＝arcsin(5000/s)
b)计算入侵机与本机连线方向角λ：
s＝x+iy；其中x为东向距离，y为北向距离；
λ＝arctan(x/y)
c)设航向角为Φ，左切向角L和右切向角R分别为：
计算综合切向角具体过程为：
(L，R)＝(L1，R1)∪(L2，R2)…∪(LN，RN)
其中，(Li，Ri)为第i架入侵机的左切向角和右切向角；
水平引导角计算过程为：
水平引导角是在左右最大机动能力范围内选择可能的引导范围，最大机动能力范围表达为(Lmax，Rmax)，则
水平引导角＝(Lmax，Rmax)-(L，R)。
2.根据权利要求1所述的一种面向无人机DAA的告警及引导方法，其特征在于，所述告警处理过程具体包括以下子步骤：
获取本机航迹数据；
获取入侵机航迹数据；
分别计算本机与入侵机的水平保护间隔和垂直保护间隔；
将水平保护间隔和垂直保护间隔综合处理；
根据综合处理结果，确定是否产生告警信息并输出。
3.根据权利要求2所述的一种面向无人机DAA的告警及引导方法，其特征在于，所述水平保护间隔计算过程具体为：
其中，s,v分别表示相对位置和速度；tCPA为到达水平距离最近点的时间；τmod为修正的水平相遇时间；dCPA为到达tCPA时的水平距离；DMOD为修正距离阈值；
当dCPA≤HMD并且0≤τmod≤TAUMOD时，则产生水平告警；
其中，TAUMOD为τmod阈值；HMD为水平距离阈值。
4.根据权利要求3所述的一种面向无人机DAA的告警及引导方法，其特征在于，所述垂直保护距离计算过程具体为：
其中，tcoa为共同高度的时间；sz,vz分别为高度和垂直速度；
当sz≤ZTHR或0≤tcoa≤TCOA时，则产生垂直告警；
其中，ZTHR为垂直距离阈值；TCOA为垂直时间阈值。
5.根据权利要求4所述的一种面向无人机DAA的告警及引导方法，其特征在于，所述综合处理具体为：
判断水平告警和垂直告警信号是否同时产生，如果是，则进行告警。
6.一种面向无人机DAA的告警及引导装置，其特征在于，包括数据获取模块、告警处理模块和引导处理模块；
所述数据获取模块用于获取航迹数据；
所述告警处理模块根据获取的航迹数据，计算本机和探测范围的入侵机的当前相对状态，进行告警处理；
所述引导处理模块根据告警处理后，无人机与入侵机的冲突区域，进行水平引导计算，从而实现对本机进行机动引导；
所述引导处理过程具体包括以下子步骤：
获取本机航迹数据；
获取N条告警数据；
分别计算N条告警数据相应的飞行切向角；
基于N个飞行切向角，计算得到综合切向角；
再次进行告警处理，若确认告警则进行后续步骤，否则返回执行“分别计算N条告警数据相应的飞行切向角”步骤；
根据综合切向角，计算得到水平引导角；
根据水平引导角，结合垂直引导信息，得到综合引线信息并输出；
所述飞行切向角计算过程如下：
计算冲突带；冲突带计算方法为：
a)计算CPA时间；
b)计算CPA时间的入侵机位置；
c)以入侵机为中心，水平5000英尺(wellclear间隔及计算保护间隔)、垂直700英尺范围内为冲突带；
基于冲突带，计算飞行切向角，切向角计算过程包括：
a)计算入侵机与本机连线与左右切线的夹角：
θ＝arcsin(5000/s)
b)计算入侵机与本机连线方向角λ：
s＝x+iy；其中x为东向距离，y为北向距离；
λ＝arctan(x/y)
c)设航向角为Φ，左切向角L和右切向角R分别为：
计算综合切向角具体过程为：
(L，R)＝(L1，R1)∪(L2，R2)…∪(LN，RN)
其中，(Li，Ri)为第i架入侵机的左切向角和右切向角；
水平引导角计算过程为：
水平引导角是在左右最大机动能力范围内选择可能的引导范围，最大机动能力范围表达为(Lmax，Rmax)，则
水平引导角＝(Lmax，Rmax)-(L，R)。
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