CN116148862A - 一种探鸟雷达飞鸟综合预警评估方法 - Google Patents

一种探鸟雷达飞鸟综合预警评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种探鸟雷达飞鸟综合预警评估方法，属于雷达数据处理技术领域。所述方法通过雷达获取实时飞机航迹和飞鸟航迹，根据飞机航迹建立实时预警空间Ω，进而实时判断飞鸟航迹是否落入实时预警空间Ω内，对于落入实时预警空间Ω的情况进行鸟击预警，而对于未落入实时预警空间Ω内的情况则进一步判断其威胁系数是否超过预设门限值，从而实现两级预警，且本申请方案逻辑复杂度较低，易于工程实现，算法通用性强，通用于各类机场探鸟雷达。

Description

一种探鸟雷达飞鸟综合预警评估方法
技术领域
本发明涉及一种探鸟雷达飞鸟综合预警评估方法，属于雷达数据处理技术领域。
背景技术
探鸟雷达作为鸟类探测的重要传感器，在国内机场的应用需求与日俱增。探鸟雷达具有全天时、全天候、大角度范围、大量程、快速搜索监视的特点，是其他传感器所不具备的；正是由于这些特点，探鸟雷达在场面与低空监视过程中，往往会探测出较多的飞鸟航迹信息，仅有其中一部分飞鸟对飞机航行造成威胁，此时需要综合飞机航迹从探测出的所有飞鸟航迹中遴选出有威胁的飞鸟，提供给用户作为后续驱鸟或避让的参考。
通常，探鸟雷达可以获得目标的航向、经度、纬度、高度、速度等信息，探鸟雷达通过算法设计可以同时探测到飞机航迹、飞鸟航迹。考虑到飞机在机场附近的航行轨迹、时间并非完全固定，并没有先验信息可确定某时刻飞机的精确航迹，在评估某架飞机的鸟击风险时，只能利用雷达实时探测到的飞机航迹信息，建立一个鸟击预警空间，同时判断飞鸟航迹情况，一旦有飞鸟闯入该空间，则进行鸟击预警，提醒用户飞机和飞鸟的航迹有同一时空交汇的风险；另一方面，针对那些比较靠近鸟击预警空间的飞鸟，以及机场内那些较大型的飞鸟或鸟群，即便没有出现在预警空间中，但考虑到飞鸟的机动性较强，也应当受到关注，便于用户采取措施预防其后续飞入预警空间中。因此，飞鸟预警至少应包含两级：1)时空交汇预警，或称作鸟击预警；2)重点防范预警。
经调研公开文献，目前虽然已有一些飞鸟威胁评估的方法，但大多只是探测到飞鸟数量、位置以及速度给出飞鸟实时航迹预测结果，而没有紧密结合飞机实时航迹给出综合预警信息，尤其是针对上述的两级预警需求，尚未出现一种预警算法可综合解决该问题。
发明内容
为了实现鸟击的两级预警，本发明提供了一种探鸟雷达飞鸟综合预警评估方法，所述方法包括：
分别获取飞机航迹点F以及飞鸟航迹点Br；
根据飞机航迹点F建立实时预警空间Ω；
判断飞鸟航迹点Br是否落在Ω内；
如果飞鸟航迹点Br落入实时预警空间Ω，则进行鸟击预警；否则计算Br的威胁系数P(Br)，若Br的威胁系数满足P(Br)≥Th，则雷达对Br进行重点防范预警，否则不预警，其中Th为威胁系数的预设门限。
可选的，所述根据飞机航迹点F建立实时预警空间Ω，包括：
将获取到的飞机航迹点F的直角坐标表示为(XF,YF,ZF)，F点的实时速度为(VX,VY,VZ)，速度的取值符号表示方向；预警时间预设为T；距离门限预设为G；
计算T时刻后飞机位置点E坐标(XE,YE,ZE)；
以F点和E点建立一条空间直线FE，设飞鸟航迹点Br的坐标为(x0,y0,z0)；空间中三个点F、E和Br构成一个空间三角形△FEBr；
所述预警空间Ω为一个胶囊状的空间，分为中间的圆柱体空间和圆柱体两端的半球空间；其中，中间的圆柱体空间为分别以F点和E点作为底面圆心、以距离门限G为底面半径、以F点和E点之间的直线距离为高构成的空间，圆柱体两端的半球空间为分别以F点和E点作为球心、以距离门限G为半径构成的半球空间。
可选的，所述判断飞鸟航迹点Br是否落在预警空间Ω内，包括：
根据空间三角形△FEBr的内角情况计算距离d的值：
若角度∠BrFE为钝角，则计算Br与点F的空间距离，记为d；
若角度∠BrEF为钝角，则计算Br与点E的空间距离，记为d；
若角度∠BrFE、角度∠BrEF同时为锐角，则计算Br与空间直线FE的距离，记为d；
根据d与距离门限G的大小关系判断飞鸟航迹点Br是否落在预警空间Ω内，当d≤G时，则Br落入预警空间Ω中，即Br∈Ω；否则未落入。
可选的，所述计算Br的威胁系数P(Br)，若Br的威胁系数满足P(Br)≥Th，则雷达对Br进行重点防范预警，否则不预警，包括：
获取雷达对目标的雷达散射截面积值为RCS；
根据下式(1)或(2)计算d的威胁系数Pd：
Pd＝p·d-n+q (1)
Pd＝p·m-d+q (2)
其中，p和q为常数，p≠0；n、m为常数，n≥1，m＞1；
根据下式(3)或(4)计算RCS的威胁系数PRCS：
PRCS＝p·RCSn+q (3)
PRCS＝p·mRCS+q (4)
根据计算出的d的威胁系数Pd和RCS的威胁系数PRCS得到飞鸟威胁系数P(Br)，若P(Br)≥Th，则对Br进行重点防范预警。
可选的，所述根据计算出的d的威胁系数Pd和RCS的威胁系数PRCS得到飞鸟威胁系数P(Br)，包括
根据下式(5)计算得到飞鸟威胁系数P(Br)：
P(Br)＝PRCS+Pd (5)
若P(Br)≥Th，则对Br进行重点防范预警，否则不预警。
可选的，所述根据计算出的d的威胁系数Pd和RCS的威胁系数PRCS得到飞鸟威胁系数P(Br)，包括
根据下式(6)计算得到飞鸟威胁系数P(Br)：
P(Br)＝PRCS·Pd (6)
若P(Br)≥Th，则对Br进行重点防范预警，否则不预警。
可选的，所述方法利用探鸟雷达获取飞机航迹点F以及飞鸟航迹点Br。
可选的，所述计算T时刻后飞机位置点E坐标(XE,YE,ZE)，包括：
根据下式计算T时刻后飞机位置点E坐标(XE,YE,ZE)：
XE＝XF+T·VX
YE＝YF+T·VY
ZE＝ZF+T·VZ。
本申请还提供一种探鸟雷达飞鸟综合预警评估系统，所述系统包括探鸟雷达、预警处理器和警报设备；所述预警处理器根据所述探鸟雷达获取到的飞机实时航迹以及飞鸟实时航迹进行实时预警，所述警报设备用于根据预警处理器发出的预警信息进行鸟击预警或重点防范预警；所述预警处理器利用上述方法对机场进行综合预警评估。
本发明有益效果是：
通过雷达获取实时飞机航迹和飞鸟航迹，根据飞机航迹建立实时预警空间Ω，进而实时判断飞鸟航迹是否落入实时预警空间Ω内，对于落入实时预警空间Ω的情况进行鸟击预警，而对于未落入实时预警空间Ω内的情况则进一步判断其威胁系数是否超过预设门限值，从而实现两级预警，且本申请方案逻辑复杂度较低，易于工程实现，算法通用性强，通用于各类机场探鸟雷达。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请一个实施例提供的探鸟雷达飞鸟综合预警评估方法的流程图。
图2是本申请一个实施例中给出的预警空间Ω与距离门限G的关系示意图。
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，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
基础知识介绍：
雷达散射截面积(Radar Cross Section,RCS)的定义为目标在单位立体角内向接收机处散射功率与入射波在目标上的功率密度之比的4π倍，也即目标在雷达接收方向上反射雷达信号能力的度量，一个目标的RCS等于单位立体角内目标在雷达接收天线方向上反射的功率(每单独立体角)与入射到目标处的功率密度(每平方米)之比。
鸟击预警：本申请中指需要对目标飞鸟进行鸟击风险综合评估，给出预警结果。
重点防范预警：本申请中指需要对目标飞鸟进行实时跟踪，实时评估鸟击风险并给出预警结果，用于防止其进入本申请建立的实时预警空间Ω内。
实施例一：
本实施例提供一种探鸟雷达飞鸟综合预警评估方法，所述方法包括：
利用探鸟雷达分别获取飞机航迹点F以及飞鸟航迹点Br；
根据飞机航迹点F建立实时预警空间Ω，该实时预警空间Ω为根据预警时间内飞机航迹确定的胶囊状的空间；
判断飞鸟航迹点Br是否落在Ω内；
如果飞鸟航迹点Br落入实时预警空间Ω，则进行鸟击预警；否则计算Br的威胁系数P(Br)，若Br的威胁系数满足P(Br)≥Th，则雷达对Br进行重点防范预警，否则不预警，其中Th为威胁系数的预设门限，可由工作人员的经验进行预设具体值。
实施例二：
本实施例提供一种探鸟雷达飞鸟综合预警评估方法，所述方法整体上包括三部分，第一步是建立飞鸟综合预警算法逻辑，第二步是建立时空交汇预警算法，第三步是建立重点防范预警算法，下面进行具体介绍：
(1)第一步，建立飞鸟综合预警算法逻辑，算法逻辑如图1所示。
假设雷达某时刻探测到飞机航迹点F，飞鸟航迹点Br，首先根据时空交汇预警算法建立航迹F的实时预警空间Ω，判断Br是否落在Ω内，如果Br落入Ω则雷达进行鸟击预警；否则依据重点防范预警算法计算Br的威胁系数P(Br)，如果满足P(Br)≥Th，Th为门限，则雷达对Br进行重点防范预警，否则不预警，结束本次流程。下一时刻到来时，又重新开始执行预警逻辑。
(2)第二步，建立时空交汇预警算法
本步骤需要利用飞机航迹点F建立实时预警空间Ω。
已知飞机航迹点F的直角坐标表示为(XF,YF,ZF)，F点的速度为(VX,VY,VZ)，速度需规定好方向性，取值带正负符号；预警时间为T，即对未来T时刻内进行预警；距离门限为G，。
①T时刻后飞机位置点E坐标(XE,YE,ZE)计算方法如下：
XE＝XF+T·VX；YE＝YF+T·VY；ZE＝ZF+T·VZ。
②以F点和E点建立一条空间直线FE，已知飞鸟航迹点Br的坐标为(x0,y0,z0)；空间中三个点F、E和Br构成一个空间三角形△FEBr，根据空间三角形△FEBr的内角情况计算距离d的值：
当角度∠BrFE为钝角时，d表示Br与点F的空间距离。
当角度∠BrEF为钝角时，d表示Br与点E的空间距离。
当角度∠BrFE、角度∠BrEF同时为锐角时，d表示Br与空间直线FE的距离。
③当d≤G时，则Br落入预警空间Ω中，即Br∈Ω；否则未落入。
(3)第三步：建立重点防范预警算法
本步骤建立飞鸟Br的威胁系数P(Br)的计算方法。根据第二步的方法获得Br与FE的距离d；已知雷达对目标的雷达散射截面积值为RCS。
①计算d的威胁系数Pd。d越小，则Pd越大，Pd≥0。威胁系数Pd的计算方法有如下两种：
方法一：
Pd＝p·d-n+q (1)
式中，p和q为常数，p≠0；n为常数，n≥1。
方法二：
Pd＝p·m-d+q (2)
式中，p和q为常数，p≠0；m为常数，m＞1。
②确定RCS的威胁系数PRCS。RCS越大，则PRCS越大，PRCS≥0。RCS的威胁系数PRCS的计算方法有如下两种：
方法一：
PRCS＝p·RCSn+q (3)
式中，p和q为常数，p≠0；n为常数，n≥1。
方法二：
PRCS＝p·mRCS+q (4)
式中，p和q为常数，p≠0；m为常数，m＞1。
③对Pd和PRCS进行集成，得到飞鸟威胁系数P(Br)。集成方法可选加和形式，也可以选乘积形式，如下式(5)和(6)所示：
P(Br)＝PRCS+Pd (5)
P(Br)＝PRCS·Pd (6)
若P(Br)≥Th，则雷达对Br进行重点防范预警，否则不预警。Th为威胁系数的预设门限，可由工作人员的经验进行预设具体值。
为进一步介绍本申请方法，下述以预警时间为T＝15s；距离门限为G＝500m进行举例说明：
设飞机航迹点F的直角坐标表示为(XF,YF,ZF)，F点的速度为(VX,VY,VZ)。
1)15s后飞机位置点E坐标(XE,YE,ZE)。
2)以F点和E点建立一条空间直线FE，飞鸟航迹点Br的坐标为(x0,y0,z0)，如图2所示：
当飞鸟航迹点Br处于图2中的Br1处时，空间三角形△FEBr的内角∠BrFE和∠BrEF均为锐角，求出Br与FE的距离d＝250m，d＜G，飞鸟落入预警空间Ω，发出鸟击预警。
当飞鸟航迹点Br处于图2中的Br2处时，空间三角形△FEBr的内角∠BrFE和∠BrEF也均为锐角，此时求出Br与FE的距离d＝552m，d＞G，飞鸟未落入预警空间，进一步计算Br的威胁系数P(Br)，选用式(1)计算d的威胁系数Pd，选用式(4)计算RCS的威胁系数PRCS，选乘积形式对Pd和PRCS进行集成，P(Br)＝PRCS·Pd，经计算得P(Br)＞Th，则对飞鸟进行重点防范预警。
当飞鸟航迹点Br处于图2中的Br3处时，空间三角形△FEBr的内角∠BrEF为钝角，求出Br与E的距离d＝541m，d＞G，飞鸟未落入预警空间，进一步计算Br的威胁系数P(Br)，选用式(2)计算d的威胁系数Pd，选用式(3)计算RCS的威胁系数PRCS，选加和形式对Pd和PRCS进行集成，P(Br)＝PRCS+Pd，经计算得P(Br)＜Th，则结束本次判断，继续根据下一时刻飞机航迹点F建立实时预警空间，重复上述过程。
空间三角形△FEBr的内角∠BrFE为钝角的情况图2中未示出，可参照上述空间三角形△FEBr的内角∠BrEF为钝角的情况进行相应的计算和判断。
本发明实施例中的部分步骤，可以利用软件实现，相应的软件程序可以存储在可读取的存储介质中，如光盘或硬盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种探鸟雷达飞鸟综合预警评估方法，其特征在于，所述方法包括：
分别获取飞机航迹点F以及飞鸟航迹点Br；
根据飞机航迹点F建立实时预警空间Ω，所述实时预警空间Ω为根据预警时间内飞机航迹确定的胶囊状的空间；
判断飞鸟航迹点Br是否落在Ω内；
如果飞鸟航迹点Br落入实时预警空间Ω，则进行鸟击预警；否则计算Br的威胁系数P(Br)，若Br的威胁系数满足P(Br)≥Th，则雷达对Br进行重点防范预警，否则不预警，其中Th为威胁系数的预设门限。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据飞机航迹点F建立实时预警空间Ω，包括：
将获取到的飞机航迹点F的直角坐标表示为(XF,YF,ZF)，F点的实时速度为(VX,VY,VZ)，速度的取值符号表示方向；预警时间预设为T；距离门限预设为G；
计算T时刻后飞机位置点E坐标(XE,YE,ZE)；
以F点和E点建立一条空间直线FE，设飞鸟航迹点Br的坐标为(x0,y0,z0)；空间中三个点F、E和Br构成一个空间三角形△FEBr；
所述预警空间Ω为一个胶囊状的空间，分为中间的圆柱体空间和圆柱体两端的半球空间；其中，中间的圆柱体空间为分别以F点和E点作为底面圆心、以距离门限G为底面半径、以F点和E点之间的直线距离为高构成的空间，圆柱体两端的半球空间为分别以F点和E点作为球心、以距离门限G为半径构成的半球空间。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述判断飞鸟航迹点Br是否落在预警空间Ω内，包括：
根据空间三角形△FEBr的内角情况计算距离d的值：
若角度∠BrFE为钝角，则计算Br与点F的空间距离，记为d；
若角度∠BrEF为钝角，则计算Br与点E的空间距离，记为d；
若角度∠BrFE、角度∠BrEF同时为锐角，则计算Br与空间直线FE的距离，记为d；
根据d与距离门限G的大小关系判断飞鸟航迹点Br是否落在预警空间Ω内，当d≤G时，则Br落入预警空间Ω中，即Br∈Ω；否则未落入。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述计算Br的威胁系数P(Br)，若Br的威胁系数满足P(Br)≥Th，则雷达对Br进行重点防范预警，否则不预警，包括：
获取雷达对目标的雷达散射截面积值为RCS；
根据下式(1)或(2)计算d的威胁系数Pd：
Pd＝p·d-n+q (1)
Pd＝p·m-d+q (2)
其中，p和q为常数，p≠0；n、m为常数，n≥1，m＞1；
根据下式(3)或(4)计算RCS的威胁系数PRCS：
PRCS＝p·RCSn+q (3)
PRCS＝p·mRCS+q (4)
根据计算出的d的威胁系数Pd和RCS的威胁系数PRCS得到飞鸟威胁系数P(Br)，若P(Br)≥Th，则对Br进行重点防范预警。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据计算出的d的威胁系数Pd和RCS的威胁系数PRCS得到飞鸟威胁系数P(Br)，包括
根据下式(5)计算得到飞鸟威胁系数P(Br)：
P(Br)＝PRCS+Pd (5)
若P(Br)≥Th，则对Br进行重点防范预警，否则不预警。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据计算出的d的威胁系数Pd和RCS的威胁系数PRCS得到飞鸟威胁系数P(Br)，包括
根据下式(6)计算得到飞鸟威胁系数P(Br)：
P(Br)＝PRCS·Pd (6)
若P(Br)≥Th，则对Br进行重点防范预警，否则不预警。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法利用探鸟雷达获取飞机航迹点F以及飞鸟航迹点Br。
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述计算T时刻后飞机位置点E坐标(XE,YE,ZE)，包括：
根据下式计算T时刻后飞机位置点E坐标(XE,YE,ZE)：
XE＝XF+T·VX
YE＝YF+T·VY
ZE＝ZF+T·VZ。
9.一种探鸟雷达飞鸟综合预警评估系统，其特征在于，所述系统包括探鸟雷达、预警处理器和警报设备；所述预警处理器根据所述探鸟雷达获取到的飞机实时航迹以及飞鸟实时航迹进行实时预警，所述警报设备用于根据预警处理器发出的预警信息进行鸟击预警或重点防范预警；所述预警处理器利用权利要求1-8任一所述的方法对机场进行综合预警评估。
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