CN114721631B - 起飞离场与进近着陆飞行程序航径安全设计方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种起飞离场与进近着陆飞行程序航径安全设计方法及系统，其方法如下：A、采集机场数据库、地形地貌数据、障碍物数据形成飞行程序基础数据库，在飞行程序航径设计系统中划设出初步飞行程序路径；B、飞行管理系统基于飞行程序基础数据库根据飞机机型性能模拟执行初步飞行程序路径并得到完整的模拟飞行航迹；C、对模拟飞行航迹进行机载告警验证优化；D、对模拟飞行航迹进行TCAS告警验证优化。本发明能够融合各相关方进行全方位、定制化的飞行程序航径设计与验证，其设计出飞行程序航径能充分衔接各阶段安全需求并协同满足各阶段实际需要，既提高了飞行程序航径的安全性能，又能满足了高可靠性、高安全性的定制化安全需求。
Description
技术领域
本发明涉及飞行程序航径规划设计领域，尤其涉及一种起飞离场与进近着陆飞行程序航径安全设计方法及系统。
背景技术
PBN(英文全称：Performance Based Navigation)是指在相应的导航基础设施条件下，航空器在指定的空域内或者沿航路、仪表飞行程序飞行时对系统精确性、完好性、可用性、连续性以及功能等方面的性能要求。随着基于性能导航的飞行程序设计理念广泛应用，对民航行业安全与发展提供了巨大的助力，随着行业规模和技术需要的逐渐增加，现有技术和工作方式逐渐不能满足安全方面需求，为适应于当前行业环境，融合新生技术理念，促使对飞行程序设计理念和方式进行更新换代。
飞行程序设计目的在于指引飞机在机场进行安全起飞与降落；飞行程序从设计-验证-使用-更新的全生命周期中，中间的环节较多，必然会导致参与者之间的协同性较差(飞行程序航径设计一般由专业设计人员执行，飞机性能分析一般是由航空公司来进行，其一般依据规章规范分析机场与地形地貌，实际运行时，一般由飞行员执飞、机场管理和管理局监管共同完成，所以整个飞行程序运行不是十分顺畅)，进而导致设计存在各种问题，比如飞行程序航径设计之后，在验证中程序路径不能保证安全，运行限制不满足操作人员的要求等，即使重新进行设计或修改，修改周期也比较长。飞行程序航径设计如果是仅依据规章规范进行图上作业，分析地形障碍物等工作，不同航空公司、不同飞机、不同机场在运用飞行程序航径时存在着不同，故此使用传统方式设计出的飞行程序航径风险性与实际执飞效果也不同，安全统一的飞行程序航径对促进民航有序安全运行、有效监管起到了很大作用，故此许多航司结合自身公司政策和执行飞机的性能，愿意选择定制设计以使得程序设计更贴近于实际运用，如何快速定制化、全方位考虑设计飞行程序航径是当前亟需处理的。
发明内容
针对现有技术存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种起飞离场与进近着陆飞行程序航径安全设计方法及系统，能够融合设计方、飞行方、机场管理方、管理监督方进行全方位、定制化的飞行程序航径设计与验证，将实际需求、验证、使用的安全考量前置，在设计阶段给予充分考虑，设计出的飞行程序航径起到飞行程序各阶段的充分衔接，并协同满足各阶段实际需要，既提高了飞行程序航径的安全性能，又能更快的成熟应用，也满足了高可靠性、高安全性的定制化安全需求。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种起飞离场与进近着陆飞行程序航径安全设计方法，其方法如下：
A、采集机场数据库、地形地貌数据、障碍物数据形成飞行程序基础数据库，机场数据库包括机场区域地理位置及标高数据、机场跑道区域地理位置及标高数据，地形地貌数据为机场周边保护区域内的地形地貌数据，障碍物数据为机场周边保护区域内障碍物的地理位置及标高数据；在飞行程序航径设计系统中划设出初步飞行程序路径，并以初步飞行程序路径绘制得到飞行保护区域，初步飞行程序路径包括若干个关键航路点及若干航段；
B、将初步飞行程序路径加载到飞行管理计算机的飞行管理系统中，飞行管理系统与飞行程序航径设计系统通信连接，飞行管理系统基于飞行程序基础数据库根据飞机机型性能模拟执行初步飞行程序路径并得到完整的模拟飞行航迹，模拟飞行航迹是由带有时间标识的点序列集合而成，相邻点之间的时间间隔为1s，单个点所包含的数据包括时刻、经度、纬度、高度、距离、速度、航向；
C、调取模拟飞行航迹中转弯的航迹段，结合转弯的航迹段周边的地形地貌数据、障碍物数据按照飞机机载告警逻辑对转弯的航迹段进行告警验证；通过飞行管理系统对转弯的航迹段进行调整优化，得到完整的机载告警安全模拟飞行航迹；
D、采集与机载告警安全模拟飞行航迹相关联的飞行程序航迹，相关联的飞行程序航迹为与机载告警安全模拟飞行航迹相进近的航迹，以机载告警安全模拟飞行航迹为中心根据TCAS告警逻辑对各个飞行程序航迹进行TCAS告警验证。
为了更好地实现本发明，在步骤D中，调整机载告警安全模拟飞行航迹的时间标识进行TCAS告警验证，由此得到TCAS告警验证安全的机载告警安全模拟飞行航迹。
优选地，本发明步骤D中，在TCAS告警验证中：若TCAS告警验证安全，则机载告警安全模拟飞行航迹为TCAS告警验证安全的机载告警安全模拟飞行航迹；若TCAS告警验证不安全，则输出TCAS告警风险提示。
优选地，本发明步骤C中，完整的机载告警安全模拟飞行航迹中所有转弯航迹段均机载告警逻辑验证为安全。
一种起飞离场与进近着陆飞行程序航径安全设计系统，包括飞行程序基础数据库、飞行程序航径设计系统和飞行管理系统，飞行程序基础数据库分别与飞行程序航径设计系统、飞行管理系统连接，飞行程序基础数据库包括机场数据库、地形地貌数据、障碍物数据，机场数据库包括机场区域地理位置及标高数据、机场跑道区域地理位置及标高数据，地形地貌数据为机场周边保护区域内的地形地貌数据，障碍物数据为机场周边保护区域内障碍物的地理位置及标高数据；飞行程序航径设计系统根据飞行程序基础数据库划设出初步飞行程序路径并以初步飞行程序路径绘制得到飞行保护区域；飞行管理系统包括飞机机载告警逻辑验证模块、TCAS告警逻辑验证模块和飞机程序航迹采集模块，飞行管理系统根据飞机机型性能模拟执行初步飞行程序路径并得到完整的模拟飞行航迹，模拟飞行航迹包括转弯航迹段，飞机机载告警逻辑验证模块按照飞机机载告警逻辑对模拟飞行航迹中的转弯航迹段进行告警验证并最终得到完整的机载告警安全模拟飞行航迹；飞行管理系统中输入存储有机场的飞行程序航迹，飞机程序航迹采集模块按照机载告警安全模拟飞行航迹采集相关联的飞行程序航迹，TCAS告警逻辑验证模块按照TCAS告警逻辑对机载告警安全模拟飞行航迹进行TCAS告警验证。
本发明较现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
本发明能够融合设计方、飞行方、机场管理方、管理监督方进行全方位、定制化的飞行程序航径设计与验证，将实际需求、验证、使用的安全考量前置，在设计阶段给予充分考虑，设计出的飞行程序航径起到飞行程序各阶段的充分衔接，并协同满足各阶段实际需要，既提高了飞行程序航径的安全性能，又能更快的成熟应用，也满足了高可靠性、高安全性的定制化安全需求。
附图说明
图1为本发明起飞与降落飞行程序航径安全设计规划系统的原理结构图；
图2为实施例中举例模拟飞行航迹中转弯航迹段的优化原理示意图；
图3为实施例中举例安全模拟飞行航迹与一条相进近飞行程序航迹的TCAS告警验证示意图；
图4为实施例中举例模拟飞行航迹的直线航迹段部分的机载告警探测区域示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明：
实施例
一种起飞离场与进近着陆飞行程序航径安全设计方法，其方法如下：
A、采集机场数据库、地形地貌数据、障碍物数据形成飞行程序基础数据库，机场数据库包括机场区域地理位置及标高数据、机场跑道区域地理位置及标高数据，地形地貌数据为机场周边保护区域内的地形地貌数据，障碍物数据为机场周边保护区域内障碍物的地理位置及标高数据；在飞行程序航径设计系统中划设出初步飞行程序路径(初步飞行程序路径主要依据飞行程序基础数据库的机场数据、地形地貌数据、障碍物数据，若后续步骤C的机载告警验证潜在风险或/和步骤D的TCAS告警验证潜在风险，可适当调整初步飞行程序路径的垂直高度)，并以初步飞行程序路径绘制得到飞行保护区域(飞行保护区域规避掉较大部分不利地形，在飞行保护区域中筛选出对初步飞行程序路径有影响的障碍物)，初步飞行程序路径包括若干个关键航路点及若干航段。本实施例对初步飞行程序路径举例进行简单示例，初步飞行程序路径如下表：
B、将初步飞行程序路径加载到飞行管理计算机的飞行管理系统中(初步飞行程序路径采用编译计算机语言并加载到飞行管理系统中)，飞行管理系统与飞行程序航径设计系统通信连接，飞行管理系统基于飞行程序基础数据库根据飞机机型性能模拟执行初步飞行程序路径并得到完整的模拟飞行航迹，模拟飞行航迹是由带有时间标识的点序列集合而成，相邻点之间的时间间隔为1s，单个点所包含的数据包括时刻、经度、纬度、高度、距离、速度、航向。此时完整的模拟飞行航迹的精细程度较高，本实施例示例如下表：
| Event | Time | X | Y | Height/Re | Gr dist | V TAS |
| SEC | M | M | M | M | KT | |
| SG00 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0.3 | 0 | 0 | 0.3 | 1.165 | |
| 2 | 1.407 | 0 | 0 | 1.407 | 3.137 | |
| 3 | 3.886 | 0 | 0 | 3.886 | 6.503 | |
| 4 | 8.398 | 0 | 0 | 8.398 | 11.036 | |
| 5 | 15.339 | 0 | 0 | 15.339 | 15.951 | |
| 6 | 24.825 | 0 | 0 | 24.825 | 20.926 | |
| 7 | 36.869 | 0 | 0 | 36.869 | 25.896 | |
| 8 | 51.456 | 0 | 0 | 51.456 | 30.813 | |
| 9 | 68.56 | 0 | 0 | 68.56 | 35.683 | |
| 10 | 88.18 | 0 | 0 | 88.18 | 40.592 | |
| 11 | 110.344 | 0 | 0 | 110.344 | 45.576 | |
| 12 | 135.087 | 0 | 0 | 135.087 | 50.616 | |
| 13 | 162.409 | 0 | 0 | 162.409 | 55.603 | |
| 14 | 192.281 | 0 | 0 | 192.281 | 60.529 | |
| 15 | 224.671 | 0 | 0 | 224.671 | 65.393 | |
| 16 | 259.547 | 0 | 0 | 259.547 | 70.195 | |
| 17 | 296.878 | 0 | 0 | 296.878 | 74.937 | |
| 18 | 336.634 | 0 | 0 | 336.634 | 79.621 | |
| 19 | 378.783 | 0 | 0 | 378.783 | 84.245 | |
| 20 | 423.297 | 0 | 0 | 423.297 | 88.81 | |
| 21 | 470.144 | 0 | 0 | 470.144 | 93.315 | |
| 22 | 519.293 | 0 | 0 | 519.293 | 97.761 | |
| 23 | 570.713 | 0 | 0 | 570.713 | 102.146 | |
| 24 | 624.374 | 0 | 0 | 624.374 | 106.472 | |
| 25 | 680.246 | 0 | 0 | 680.246 | 110.739 |
C、调取模拟飞行航迹中转弯的航迹段，结合转弯的航迹段周边的地形地貌数据、障碍物数据按照飞机机载告警逻辑对转弯的航迹段进行告警验证；通过飞行管理系统对转弯的航迹段进行调整优化(即对转弯的航迹段进行进行调整优化以满足机载告警验证要求,参见图2，A1为模拟飞行航迹中的转弯航迹段，其中转弯内侧障碍物编号A2574，转弯外侧障碍物编号A3131，可经过优选调整为A2的转弯航迹段)，得到完整的机载告警安全模拟飞行航迹。
根据本发明的一个优选实施例，如图2所示，在海拔较高地形地貌的障碍物规避上，模拟飞行航迹中的转弯航迹段调整也可采用如下方案：
参见图2，A1为模拟飞行航迹中的转弯航迹段，图2中灰度较浅区域代表海拔较高的地形区域，图2中灰度较深区域代表海拔较低的区域，A2为经过调整优化得到转弯航迹段，对于航迹方向前方的障碍物A3131，A2为调整优化后的转弯航迹，模拟飞行航迹中的转弯航迹段(A1)中飞机与障碍物A3131不触发机载告警的安全距离采用深灰色箭头表示(其深灰色箭头长度代表安全距离)，调整优化后的转弯航迹(A2)飞机与障碍物A3131不触发机载告警的安全距离采用浅灰色箭头表示(其浅灰色箭头长度代表安全距离)，这样调整优化后的转弯航迹路径的安全裕度优于模拟飞行航迹中的原始转弯航迹段路径。
根据本发明的一个优选实施例，在机场附近的地形起伏较大，在飞机起飞或降落过程中，测量到地面的距离减少太快，当地形的接近速率突破告警设备设定的阈值时，判断飞机处于不安全的状态触发告警。而根据相关规章规范分析，飞机当前与地形有足够的安全距离，并没有真正危及到安全，这种告警为虚假告警，但是从安全角度来分析，告警情况的出现代表着存在安全风险，也理应通过现有技术手段对此情况进行规避。本发明通过优化飞行程序路径以避开当前不利的地形，以达到降低安全风险的目的。比如，原有飞行程序路径具有较大的地形变化率，验证过程中飞机飞到这段路径时，测量出的高度裕度很低，会突破告警阈值。提出的优化方案是，将路径进行优化移动，以实现规避告警，提高安全裕度，从而降低触发告警的风险。
优选地，步骤C中，完整的机载告警安全模拟飞行航迹中所有转弯航迹段均机载告警逻辑验证为安全。优选地，本发明还可以对完整的模拟飞行航迹除开转弯航迹段的直线航迹段进行机载告警验证，设定机载告警逻辑(本实施例优选在飞行管理系统中设置飞机机载告警逻辑验证模块，通过飞机机载告警逻辑验证模块来进行机载告警探测区域的设定以及机载告警验证)的机载告警探测区域对拟飞行航迹的直线航迹段，参见图4，对于模拟飞行航迹的直线航迹段部分，直线飞行期间地形冲突检测的线或覆盖区域是一个狭窄的视域，从基于横向精度的不确定性的圆心开始，向飞机前方向外延伸，同时向飞行航径两侧以1.5°角发散构成机载告警探测区域(提高机载告警的安全裕度)，这种狭窄的视域可确保飞行航径两侧的地形不会发出不必要的警戒和警告。
D、采集与机载告警安全模拟飞行航迹相关联的飞行程序航迹(在同一机场与机载告警安全模拟飞行航迹相关联时间范围的起飞离场与进近着陆存在着其他飞行程序航迹，故此需要将与机载告警安全模拟飞行航迹时间上发生进近的起飞离场与进近着陆的飞行程序航迹采集出来以便进行一对一、两两TCAS告警验证)，相关联的飞行程序航迹为与机载告警安全模拟飞行航迹相进近的航迹，以机载告警安全模拟飞行航迹为中心根据TCAS告警逻辑对各个飞行程序航迹进行TCAS告警验证(TCAS告警验证需要将机载告警安全模拟飞行航迹与每条进近关联飞行程序航迹进行两两TCAS告警验证)。在步骤D中，调整机载告警安全模拟飞行航迹的时间标识进行TCAS告警验证，由此得到TCAS告警验证安全的机载告警安全模拟飞行航迹，参见图3，本实施例举例机载告警安全模拟飞行航迹与一条相进近飞行程序航迹的TCAS告警验证进行示例。优选地，步骤D中，在TCAS告警验证中：若TCAS告警验证安全，则机载告警安全模拟飞行航迹为TCAS告警验证安全的机载告警安全模拟飞行航迹；若TCAS告警验证不安全，则输出TCAS告警风险提示；本实施例可以对机载告警安全模拟飞行航迹进行调整并继续按照步骤D的方法进行TCAS告警验证直至得到TCAS告警验证安全的机载告警安全模拟飞行航迹；当然也可以重复步骤A～D并得到TCAS告警验证安全的机载告警安全模拟飞行航迹；当然还可以采用如下技术方案：本实施例步骤A中的初步飞行程序路径、步骤C中的机载告警安全模拟飞行航迹均为多条，那么步骤D中TCAS告警验证安全的机载告警安全模拟飞行航迹也可能会是多条，据此可以对TCAS告警验证安全的机载告警安全模拟飞行航迹进行评估筛选。
如图1所示，一种起飞离场与进近着陆飞行程序航径安全设计系统，包括飞行程序基础数据库、飞行程序航径设计系统和飞行管理系统，飞行程序基础数据库分别与飞行程序航径设计系统、飞行管理系统连接，飞行程序基础数据库包括机场数据库、地形地貌数据、障碍物数据，机场数据库包括机场区域地理位置及标高数据、机场跑道区域地理位置及标高数据，地形地貌数据为机场周边保护区域内的地形地貌数据，障碍物数据为机场周边保护区域内障碍物的地理位置及标高数据；飞行程序航径设计系统根据飞行程序基础数据库划设出初步飞行程序路径并以初步飞行程序路径绘制得到飞行保护区域；飞行管理系统包括飞机机载告警逻辑验证模块、TCAS告警逻辑验证模块和飞机程序航迹采集模块，飞行管理系统根据飞机机型性能模拟执行初步飞行程序路径并得到完整的模拟飞行航迹，模拟飞行航迹包括转弯航迹段，飞机机载告警逻辑验证模块按照飞机机载告警逻辑对模拟飞行航迹中的转弯航迹段进行告警验证并最终得到完整的机载告警安全模拟飞行航迹；飞行管理系统中输入存储有机场的飞行程序航迹，飞机程序航迹采集模块按照机载告警安全模拟飞行航迹采集相关联的飞行程序航迹。TCAS告警逻辑验证模块按照TCAS告警逻辑对机载告警安全模拟飞行航迹进行TCAS告警验证，本发明采集与机载告警安全模拟飞行航迹相进近关联的飞行程序航迹，以机载告警安全模拟飞行航迹为中心根据TCAS告警逻辑对各个飞行程序航迹进行TCAS告警验证；若TCAS告警验证安全，则机载告警安全模拟飞行航迹为TCAS告警验证安全的机载告警安全模拟飞行航迹；若TCAS告警验证不安全，则输出TCAS告警风险提示以便于进行飞行程序航径调整优化。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种起飞离场与进近着陆飞行程序航径安全设计方法，其特征在于：其方法如下：
A、采集机场数据库、地形地貌数据、障碍物数据形成飞行程序基础数据库，机场数据库包括机场区域地理位置及标高数据、机场跑道区域地理位置及标高数据，地形地貌数据为机场周边保护区域内的地形地貌数据，障碍物数据为机场周边保护区域内障碍物的地理位置及标高数据；在飞行程序航径设计系统中划设出初步飞行程序路径，并以初步飞行程序路径绘制得到飞行保护区域，初步飞行程序路径包括若干个关键航路点及若干航段；
B、将初步飞行程序路径加载到飞行管理计算机的飞行管理系统中，飞行管理系统与飞行程序航径设计系统通信连接，飞行管理系统基于飞行程序基础数据库根据飞机机型性能模拟执行初步飞行程序路径并得到完整的模拟飞行航迹，模拟飞行航迹是由带有时间标识的点序列集合而成，相邻点之间的时间间隔为1s，单个点所包含的数据包括时刻、经度、纬度、高度、距离、速度、航向；
C、调取模拟飞行航迹中转弯的航迹段，结合转弯的航迹段周边的地形地貌数据、障碍物数据按照飞机机载告警逻辑对转弯的航迹段进行告警验证；通过飞行管理系统对转弯的航迹段进行调整优化，得到完整的机载告警安全模拟飞行航迹；
D、采集与机载告警安全模拟飞行航迹相关联的飞行程序航迹，相关联的飞行程序航迹为与机载告警安全模拟飞行航迹相进近的航迹，以机载告警安全模拟飞行航迹为中心根据TCAS告警逻辑对各个飞行程序航迹进行TCAS告警验证。
2.按照权利要求1所述的起飞离场与进近着陆飞行程序航径安全设计方法，其特征在于：在步骤D中，调整机载告警安全模拟飞行航迹的时间标识进行TCAS告警验证，由此得到TCAS告警验证安全的机载告警安全模拟飞行航迹。
3.按照权利要求1所述的起飞离场与进近着陆飞行程序航径安全设计方法，其特征在于：步骤D中，在TCAS告警验证中：若TCAS告警验证安全，则机载告警安全模拟飞行航迹为TCAS告警验证安全的机载告警安全模拟飞行航迹；若TCAS告警验证不安全，则输出TCAS告警风险提示。
4.按照权利要求1所述的起飞离场与进近着陆飞行程序航径安全设计方法，其特征在于：步骤C中，完整的机载告警安全模拟飞行航迹中所有转弯航迹段均机载告警逻辑验证为安全。
5.一种起飞离场与进近着陆飞行程序航径安全设计系统，其特征在于：包括飞行程序基础数据库、飞行程序航径设计系统和飞行管理系统，飞行程序基础数据库分别与飞行程序航径设计系统、飞行管理系统连接，飞行程序基础数据库包括机场数据库、地形地貌数据、障碍物数据，机场数据库包括机场区域地理位置及标高数据、机场跑道区域地理位置及标高数据，地形地貌数据为机场周边保护区域内的地形地貌数据，障碍物数据为机场周边保护区域内障碍物的地理位置及标高数据；飞行程序航径设计系统根据飞行程序基础数据库划设出初步飞行程序路径并以初步飞行程序路径绘制得到飞行保护区域；飞行管理系统包括飞机机载告警逻辑验证模块、TCAS告警逻辑验证模块和飞机程序航迹采集模块，飞行管理系统根据飞机机型性能模拟执行初步飞行程序路径并得到完整的模拟飞行航迹，模拟飞行航迹包括转弯航迹段，飞机机载告警逻辑验证模块按照飞机机载告警逻辑对模拟飞行航迹中的转弯航迹段进行告警验证并最终得到完整的机载告警安全模拟飞行航迹；飞行管理系统中输入存储有机场的飞行程序航迹，飞机程序航迹采集模块按照机载告警安全模拟飞行航迹采集相关联的飞行程序航迹，TCAS告警逻辑验证模块按照TCAS告警逻辑对机载告警安全模拟飞行航迹进行TCAS告警验证。
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| 飞行程序优化设计关键技术研究;钱戈;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 (工程科技Ⅱ辑)》;20161015;C031-43 * |
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