CN1222969A - 飞行器横向避开移动区域的方法 - Google Patents

Abstract

根据定期提供的与待避开的移动区域(10)有关的信息和飞行器(1)的原始计划航线(2)使飞行器(1)横向避开该移动区域(10)的方法,按照本发明的方法包括:定期定义(18)待避开区域(10)的包络线,确定(91)所述包络线周围的外切圆(12)以及确定外切圆(12)的速度矢量,确定位于外切圆(12)轨迹上的航线(2)区段,如果飞行器会进入外切圆(12),便计算用于避开由外切圆(12)限定的区域的左侧航线(B1－B2－B3)和右侧航线(A1－A2－A3),作为计算所避开航线长度和被避开区域(10)移动方向的函数从这两条避开航线(A1－A2－A3、B1－B2－B3)中选择一条避开航线。

Description

飞行器横向避开移动区域的方法

本发明涉及一种用于确定供飞行器横向避开不希望穿越的移动区域用的航线的方法。

该方法尤其适用于，但不仅仅适用于重飞行器的驾驶，以便在飞行中帮助驾驶员迅速确定例如用于避开象暴雨群之类的危险气象区域的避开航线。

的确，重飞行器要绝对避开的最具特征的气象现象是积雨云中盛行的暴雨现象，因为其中存在涡流和积水冰等恶劣情况，并且有相当大的雷电轰击危险。

为避开这种现象，大多数配备了零能见度驾驶仪器的重飞行器使用了能提供气象信息的气象雷达，这种信息特地给出与危险等级有关的气象区域的形状。然而，在气象区域被测出之后，是避开该区域的视线范围还是穿越该区域呢？这种气象问题都要靠驾驶员人工处理。

本发明的目的在于为了减轻飞行器驾驶员在通过横向避开发生意外现象的区域而避开该意外现象的情况下的工作负担。为此目的，提出了一种根据原始计划航线和定期得到的信息使飞行器横向避开至少一个移动区域的方法，其中，所述信息给出了被避开移动区域的形状和飞行器的当前位置与速度。

按照本发明，该方法的特征在于它包括以下步骤：

*借助于所述形状信息定期定义待避开区域的包络线；

*确定待避开区域包络线周围的外切圆，并通过记录该外切圆的连续位置确定外切圆的速度矢量；

*确定位于外切圆轨迹上的计划航线区段，并当飞行器位于所述航线区段上时测定外切圆的位置；

*如果外切圆的位置已经确定，并且飞行器的计划航线穿过外切圆，便计算用于避开外切圆限定区域的左侧与右侧航线，该航线连接原始计划航线的退出点和返回点；

*从这两条避开航线中选择一条避开航线作为新航线长度的函数和作为被避开区周围的外切圆中心的速度矢量的函数，其中，新航线分别包含所计算的避开航线。

借助于这些措施便完全可以自动避开移动区域。

按照本发明的特征，原始计划航线的退出点和返回点就是原始计划航线与被避开区域包络线周围的外切圆的与原始计划航线成预成预定角度的切线的交点，这些切线限定了左侧与右侧避开航线。

按照本发明的方法还便于应用到多个移动区域的场合。在这种场合，该方法还包括：

*确定每个待避开区包络线周围的外切圆，并通过记录这些外切圆的连续位置确定外切圆的相关速度矢量；

*在飞行器位于被所述区域穿越的航线区段上的相应时刻测定每个区域相对于飞行器计划航线的位置；

*确定落在计划航线上的第一区域并首先选择位于由第一待避开区域周围的外切圆上的穿过飞行器的当前位置的切线限定的扇形区的待避开区域；

*从前面选出的区域中再次选出离第一区域的距离或离二次选择过程中所选出的区域的距离小于预定值的区域；

*根据第一区域确定从原始计划航线的退出点，根据最后一个选择的区域确定原始计划航线的返回点；

*计算由前面选出的每个区域周围的外切圆的切线线段和穿过计划航线的退出点与返回点的切线线段构成的左侧与右侧避开航线。

下面将利用参照附图的非限制性例子来说明按照本发明的方法的实施例，在附图中：

图1是重飞行器上的电子设备的示意图，它包括用于执行本发明的方法的计算机；

图2示意性地描述了检测待避开区域时要执行的算法；

图3和4示出了重飞行器穿越待避开区域航线和可能的避开航线；

图5说明了飞行器航线上有两个连续待避开区域时的情况。

如图1所示，按照本发明的方法尤其适用于用装在重飞行器上的计算机4执行。计算机4通过被称之为“飞行器总线”的数据传输总线5连接到导航设备、气象雷达9和人/机接口装置6上，其中，导航设备包括自动驾驶装置14和导航仪器16，人/机接口装置6包括控制部件和诸如装在驾驶室内的显示屏7和喇叭8这类的发信号部件。

在已知的方法中，自动驾驶装置14包括记录了重飞行器计划航线的存储器，其中，计划航线由一系列位于出发位置与目的地位置之间的直线区域所组成。

此外，气象雷达9用于测定反射由雷达发射的电磁波的物体的密度，如水或冰的颗粒和降水量。这种雷达定期提供用于重构与危险等级有关的区域形状的信息。

图2所示的算法是由装在重飞行器内的计算机4执行的。其包括首先连续获取由气象雷达9定期提供的数据(步骤18)和检测与接收到的数据有关的危险等级(步骤19)。为了精确测定现象的强度和危险性，这种分析主要是在与飞行器相同的水平面(零倾角)上进行的，但也可以稍微倾斜一个角度(-5°到+15°倾角)。

当气象雷达9检测到例如相当于由积雨云构成的暴雨区这样的待避开区域，即检测到与达到一定限值的危险等级有关的区域时，计算机4便根据雷达9每次提供的数据确定暴雨区10的外切圆11(见图3)。外切圆11由该圆的中心O和半径决定。在初次逼近时，可以用区域中危险等级大的距离较远的边界点来确定这些值。为了更精确地确定这些值以便优化避开航线，首先用一系列直线线段来模拟区域边界，然后消除凹点以便将该区域构造成凸多边形。接着，通过重心计算来确定该区域的中心，这样，外切圆的半径便等于如此算得的区域的中心，这样，外切圆的半径便等于如此算得的区域中心与离该中心最远的区域边界点之间的距离。

定期测定这个圆便可以计算区域10移动的速度矢量。

当然，这些结果可以与其它由别的机载仪器16提供的或由地面装置提供的气象信息合并起来，其中，地面装置通过无线电发射气象信息，接在飞行器总线5上的无线电收发机15接收气象信息。

在步骤21中完成这些计算之后，计算机4便在步骤22中根据待避开区10的恒值速度矢量、当前位置、计划航线2、重飞行器1的当前位置与速度进行搜索，以测定飞行器1是否可能进入到用圆11构造的区域10内。

如果重飞行器不会进入区域10，便返回到该算法的起始步骤20，继续对雷达提供的信息进行分析。在相反的情况下，计算机4便发送供显示器7显示的信息以便预先告诉驾驶员重飞行器1要穿过的航线2将经过一个最好应避开的危险区域(步骤23)。然后，计算机4开始计算避开航线(步骤24)，如图3所示，这种计算首先要确定当重飞行器1将位于圆11的轨迹上时，圆11与计划航线2的相对位置。

在这个图形中，计算机4确定一个增加了安全系数的与圆11同心的安全圆12，比如可以为5海里(取决于区域10的尺寸和/或安全系数)，这个圆12构成了不能被重飞行器1穿越的边界。然后通过计算与安全圆12相切的并与原始航线的夹角为30°或45°(取决于在该地区的有效空中调节)的线段A1-A2、A2-A3、B1-B2、B2-B3确定原始计划航线2的退出点A1、B1和返回点A3、B3，所述线段能从安全圆12的两侧绕过区域10。

A1-A2、A2-A3与B1-B2、B2-B3这些线段分别限定了区域10的右侧避开航线A1-A2-A3和在左侧避开航线B1-B2-B3，它们连接原始计划航线2的退出点A1、B1和返回点A3、B3。

通过将计划航线2上的区段B1-A1、B3-A3加到避开航线上使得两条避开航线B1-A1-A2-A3、B1-B2-B3-A3具有相同的端点B1、A3。

接着，需要从如此算出的两条避开航线B1-A1-A2-A3、B1-B2-B3-A3中选择一条避开航线。为此，计算机4确定这两条分别包含两条算得的避开航线的新航线的长度以便选择其中较短的一条航线，如果这两条新航线的长度相等，便选择位于所述气象上风侧的航线。

如图4所示，所选择的避开航线便为经过A1、A2点和A3点的那条避开航线。

这条新航线使得可能改变原始飞行计划，它可以被显示在显示屏7上，请求驾驶员对此确认。这样，A1点、A2点和A3点之间的原始航线区段便被删除。

在步骤25中，计算机4等待驾驶员对包含如此算出的避开航线A1-A2-A3的新飞行计划进行确认，等待过程一直持续到经过原始计划航线2的退出点A1为止(步骤26)。在等待过程中，计算机4根据重飞行器1上的当前位置计算并显示该退出点A1的距离值，这个值被定期刷新(步骤27)。

在这个等待过程中，如果驾驶员已经确认新飞行计划，那么该新飞行计划便被传送到自动驾驶装置14上去替代原始计划，于是新飞行计划开始起作用(步骤28)。

从线段A1-A2到线段A2-A3的过渡是一个简单的过渡，即沿着取决于飞行器速度的圆弧进行的，这使得在紧紧跟踪移动区域10边界的同时能绕过移动区域10。

如果在经过退出点A1之前驾驶员没有确认新飞行计划，那么在步骤29中计算机4便向驾驶员发出指示已经经过退出点的指示信息。接着，在步骤30中，计算重飞行器1的当前位置与由圆12限定的区域进入点Z之间的距离。只要重飞行器1还没有到达进入点Z，就以定期刷新方式显示这个距离(步骤31)。在经过这个进入点Z之后，计算机4便发出报警信息，它告诉驾驶员已位于危险区域内(步骤32)。然后，计算机4在返回到18去获取气象雷达9的数据之前等待退出该危险区域，在等待过程中，监视该区域退出点Z’的位置和重飞行器1的当前位置与速度(步骤33)。

避开航线的计算可以方便地把出现另一个或其它被雷达公开的危险区域的情况考虑进去。

在检测到有两个区域10、10’的情况下，计算机4确定两个分别围绕两个区域10、10’的安全圆12和12’。(图5)

根据第二区域10’(离飞行器1较远的区域)是否与第一区域10一起位于由第一区域10安全圆12上的两条穿过重飞行器1的当前位置的切线13、13’限定的扇形区内会出现两种情况。

如果第二区域10’的中心位于这个扇形区之外，那么就不考虑这个区域。在相反的情况下，要适当考虑第二区域10’离第一区域10的距离是否很远，例如，其距离是否大于第一区域10外圆12半径的5倍。

如果第二区域10’离第一区域10很远，那么就要将各个区域10,10’单独考虑，从避开较近的区域10开始执行两次避开。

在相反的情况下，如果这两个区域10、10’同时与重飞行器1的原始计划航线2相交，那么便象前面那样通过计算构成如图5所示避开航线，其中，偏离原始航线2的航线线段A1-A2、B1-B2是根据第一区域10计算的，用于返回原始航线2的航线线段A3’-A4’和B3’-B4’是根据第二区域10’计算的。

接着需要计算航线线段A2-A3’和B2-B3’,A2点与B2点是圆12上的始于A1点和B1点的切线与这两个圆12、12’的切线的交点，A3’点与B3’点是这两个圆12、12’的切线与圆12’上的穿过返回点A4’和B4’的切线的交点。

与前面一样，最后要考虑的避开航线是产生比较短的新航线的那条避开航线，如果两条新航线的长度相同，便选择位于被避开区10、10’的上风侧的那条新航线。

Claims (10)

1、一种根据原始计划航线(2)和定期得到信息使飞行器(1)横向避开至少一个移动区域(10)的方法，其中，所述信息代表待避开的移动区域(10)的边界的位置和飞行器(1)的当前位置与速度，该方法的特征在于它包括以下步骤：

*借助于所述形状信息定期定义(18)待避开区域(10)的包络线；

*确定(19)待避开区域(10)包络线周围的外切圆(12)，并通过记录该外切圆(12)的连续位置确定外切圆的速度矢量(3)；

*确定位于外切圆(12)轨迹上的计划航线(2)区段，并当飞行器(1)位于所述航线(2)区段上时测定外切圆的位置；

*如果外切圆的位置已经确定，并且飞行器(1)的计划航线(2)穿过外切圆(12)，便计算(24)用于避开外切圆限定区域的左侧(B1-B2-B3)与右侧航线(A1-A2-A3)，该航线连接原始计划航线(2)的退出点(A1、B1)和返回点(A3、B3)；

*从这两条避开航线(A1-A2-A3、B1-B2-B3)中选择一条避开航线作为新航线长度的函数和作为被避开区域(10)周围的外切圆中心的速度矢量的函数，其中，新航线分别包含所计算的避开航线。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：原始计划航线(2)的退出点(A1、B1)和返回点(A3、B3)是待避开的区域(10)包络线周围的外切圆(12)上与原始计划航线(2)呈预定夹角(α)的切线(A1-A2、A2-A3、B1-B2、B2-B3)与原始计划航线(2)的交点，所述切线限定左侧避开航线(B1-B2-B3)和右侧避开航线(A1-A2-A3)。

3、根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：它包括用多边形逼近待避开区域的形状并消除凹点以便得到凸多边形，通过计算凸多边形的重心确定外切圆的中心，用所述中心到离该中心最远的多边形边界点之间的距离求出外切圆的半径。

4、按照上述权利要求之一所述的方法，其特征在于当检测到几个区域(10、10’)时该方法还包括：

*确定每个待避开区域(10、10’)包络线周围的外切圆(12、12’)，并通过记录这些外切圆的连续位置确定外切圆的相关速度矢量(3)：

*在飞行器(1)位于被所述区域(10、10’)穿越的航线(2)区段上的相应时刻测定每个区域(10、10’)相对于飞行器(1)计划航线的位置；

*确定落在计划航线(2)上的第一区域(10)并首先选择位于由第一待避开区域(10’)周围的外切圆(12)上的穿过飞行器(1)的当前位置的切线(13、13’)限定的扇形区的待避开区域；

*从前面选出的区域(10、10’)中再次选出离第一区域(10)的距离或离二次选择过程中所选出的区域的距离小于预定值的区域；

*根据第一区域(10)确定从原始计划航线(2)的退出点(A1、B1)，根据最后一个选择的区域(10’)确定原始计划航线(2)的返回点(A4’、B4’)；

*计算由前面选出的每个区域(10、10’)周围的外切圆(12、12’)的切线线段(A1-A2、B1-B2、A3’-A4’、B3’-B4’)和穿过计划航线的退出点(A1、B1)与返回点(A4’、B4’)的切线线段(A2-A3’、B2-B3’)构成的左侧与右侧避开航线(A1-A2-A3’-A4’、B1-B2-B3’-B4’)。

5、根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于：每个被待开区域(10、10’)周围的外切圆(12、12’)的半径是通过为所述区域设定安全距离后确定的。

6、根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于：它还包括连续接收气象雷达(9)提供的表示与危险等级有关的区域(10、10’)的形状的信息，当这个危险等级超过某个预定门限值时便检测待避开区域。

7、根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于：它还包括根据被选择的避开航线(A1-A2-A3)的定义和原始航线(2)确定新航线，这条新航线可以用自动驾驶装置(14)来执行。

8、根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于：它还包括定期计算和显示(27)飞行器(1)的当前位置与从原始航线(2)退出到被选避开航线(A1-A2-A3)上的退出点(A1)之间的距离，如果包含被选避开航线的新航线已得到确认，便使这条新航线起作用(28)。

9、根据权利要求8所述的方法，其特征在于：它还包括定期计算和显示(31)飞行器(1)的当前位置与被避开区域(10)之间的距离，如果在新航线还没有得到确认时就已经通过退出点(A1)，那么当飞行器(1)进入到待避开区(10)时便显示(32)报警信息。

10、根据上述权利要求中之一所述的方法，其特征在于：通过计算两条新航线(B1-A1-A2-A3、B1-B2-B3-A3)的长度来选择左侧避开航线(B1-B2-B3)或右侧避开航线(A1-A2-A3)，其中，两条新航线(B1-A1-A2-A3、B1-B2-B3-A3)分别包含这两条航线和原始航线(2)上的区段(B1-A2、B3-A3)，它们具有相同的端点，被选航线(A1-A2-A3)是产生较短的新航线的那条航线，如果两条新航线的长度相等，被选航线便是位于被避开区域(10)的上风侧的那条航线。

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