CN1222971A - 用于横向避开固定区域的飞行器自动驾驶方法 - Google Patents

Abstract

为了横向避开固定区域(10),按照本发明的方法包括以下步骤:用凸多边形(11)模拟被避开区域(10)的形状;确定相对于模拟区域(11)的计划航线(2);计算用于退出计划航线(2)和用于返回计划航线(2)的航线左、右两侧区段(A1－A2、B1－B2、A3－A4、B3－B4)以便得到由航线的退出区段(A1－A2、B1－B2)和返回区段(A3－A4、B3－B4)以及模拟形状(11)区段(A2－A3、B2－B3)构成的左侧避开航线(B1－B4)和右侧避开航线(A1－A4),其中,航线的左侧退出区段、左侧返回区段、右侧退出区段、右侧返回区段与计划航线(2)的夹角均为预定角度(a);选择两条避开航线中的一条避开航线(A1－A4)。

Description

用于横向避开固定区域的飞行器自动驾驶方法

本发明涉飞行器自动驾驶方法，该方法能使飞行器横向避开固定区域，例如横向避开禁止飞越的区域。

该方法尤其适用于，但不仅仅适用于其原始计划航线要经过一个固定区域具有预定形状的重飞行器的自动驾驶，该区域是禁入的。

例如在飞行过程中，当驾驶员接收到有关禁止他飞越某个位于他的航线上的区域的信息时会发生这种情况。尤其当禁止飞越诸如军事区域或国家之类的空中区域时会发生这种情况。

重飞行器利用数字数据发送设备，如数据链发送设备来接收这种由地面站发出的信息。要避开区域的形状可以塑造在机载文件中或者可以从地面站发送过来。

当前，执行避开所述区域视线范围的工作问题由驾驶员人工处理，这些操作必须要考虑重飞行器的许多参数，特别是要考虑在经过的空间范围内对飞行器性能的有效调节以及考虑重飞行器油箱中的燃油重量。此外，也可能出现这种情况：驾驶员只是在进入禁飞区之前的非常短的时间接收到这种信息，这个时间可能使驾驶员无法顾及用于决定最佳避开航线的所有必要的参数。

本发明的目的是消除这些缺点。本发明的目的还在于确定飞行距离尽可能短的新航线。为此目的，提出了一种用于横向避开待避开的固定区域的飞行器自动驾驶方法。

按照本发明的方法，其特征在于它包括以下步骤：*通过用一系列线段来逼近区域的形状将被避开区域的形状模拟成凸多边形，并消除凹点和过分短的线段；*相对于模拟的区域定位计划航线；*计算用于退出计划航线和用于返回计划航线的航线左侧区段和右侧区段以便获得由航线的退出区段和返回区段以及由模拟形状区段构成的左侧避开航线和右侧避开航线，其中，航线的左侧退出区段、左侧返回区段、右侧退出区段、右侧返回区段与计划航线的夹角均为预定角度，模拟形状区段分别连接到左侧退出、返回区段和右侧退出、返回区段上；和*作为预定准则的函数，选择左侧避开航线和右侧避开航线中的一条避开航线。

借助于这些措施，可以完全解除驾驶员为避开禁飞区而修改飞行计划和驾驶飞行器的工作负担。此外，通过尽量缩短飞行距离优选新航线。

本发明还涉及用于改变航向以便避开用凸多边形模拟的禁飞区的优化方法，也就是说，通过强迫改变飞行方向来禁止进入拐角内侧飞域。

当前，这些航向变化以取决于飞行器的飞行速度的预定的恒定转动半径来进行，以便保持恒定的回转角。为了遵守预定的回转半径，需要在越过转折点时立刻开始转弯，在这种情况下，重飞行器在飞越转折点之后将位于计划转角的外侧航行，然后必需跟踪用于与原始计划航线相接的航线。

如图4所示，其结果是在方向改变Δψ的过程中，在飞越转折点的时刻，重飞行器严重偏离计划航线R1、R2，甚至离开计划航线比较大的距离d，这一方面使航线比较长，另一方面，对监视与空中控制(依照可调的偏离宽度边界)来说也是不希望的。

为了消除这些缺点，按照本发明的驾驶方法包括：在被避开区域的凸多边形的每个拐角点处，飞行器计算并跟踪穿越所述拐角点的航向执道的曲率变化区段，其回转中心位于由与拐角点相接的航线的两个直线区段所构成的夹角的内等分线上。

这个航向航线的变化区段与图4所示的已有航线相比具有很多优点。这是因为它能节省数秒钟时间(每转过90度最多可节省35秒钟或少飞行4.5海里)。它不太偏离由航线的两个直线区段所规定的计划航线(小于由一般过渡航线所造成的偏离量的30％)，这对于监视和空中控制来说是相当有益的。并且，倘若航线区段较短，在一系列转弯链接处也不太会有多险。

此外，如果将这个航向航线变化区段与位于转角内的由两段航线的切线构成的一般航线相比便可以看到，按照本发明的航线偏离航线的距离要比一般航线偏离航线的距离短。

按照本发明的方法包括对两个曲线链接航线区段进行计算和跟踪，这两个链接航线区段分别位于航线的第一区段与航向航线变化区段之间和航向航线变化区段与航线的第二区段之间，这两个链接航线区段具有与航向航线变化区段相同的典率半径，它们分别与航向航线的变化区段以及与航线的两个区段相切。

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表示装载在重飞行器上的能实施本发明的避开方法的电子设备；

图2表示实施避开方法的执行算法；

图3示出了用于说明避开方法的位于重飞行器的航线上的禁飞区；

图4表示按照已有技术的位于两段航线之间的过渡航线；

图5示出了用本发明的驾驶方法算出的航向航线的变化区段；和

图6示出了在两个航向变化区段间较近的情况下的优化过渡航线。

如图1所示，按照本发明的避开方法尤其适用于用装载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连接到导般设备、数据传输装置15和人/机接口装置(MMI)6上，其中导航设备包括自动驾驶装置14和导航仪器16，数据传输装置15比如为数据链，人/机接口装置(MMI)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之类的发信号的部件。

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段和能使一个区段与另一个区段连接的过渡航线所组成。

数据传输装置15接收指示暂时禁止飞越由区域名指定的某个空中区域的指示信息。此外，计算机4例如可耦合到特地存有重飞行器通常飞越的地区的空中区域形状的地理导航数据库9上。对重飞行器驾驶员本身来说，还可以通过人/机接口6输入禁飞区的形状。

图2所示的算法是由装载在重飞行器内的计算机4执行的。其包括首先驾驶员先通过人/机接口6获取由数据传输装置15提供的数据(步骤21)。

当接收到有关禁止通过某个空中区域的信息时，计算机4便定位相对于禁飞区由计划的飞行计划所规定的航线。为此，当接收到的信息中没有补充区域形状的定义时，计算机4便会在其数据库9中搜索这个信息并对例如储存在自动驾驶装置14中的安排好的飞行计划的定义进行访问(步骤22)。

如果重飞行器不会进入禁飞区，那么便返回到算法的起始步骤20，继续对数据传输装置15和MMI6提供的信息进行分析。在相反的情况下，计算机4便在步骤23中发送供显示器7使用的信息以便预先告诉驾驶员重飞行器1要飞行的航线2将经过禁飞区10(图3)。这种信息可以通过显示屏7上显示的覆盖了禁飞指示(或许还有禁飞区特性指示)的飞行飞域图得到补充。

然后，计算机触发计算避开航线(步骤24)，这种计算首先在于模拟禁飞区10的形状。这种模拟包括把禁飞区10的形状化作多边形，然后消除多边形上的凹角和过分短的边，以便得到完全凸的多边形11。

然后需要确定用于退出计划航线的左侧航线区段B1-B2和右侧航线区段A1-A2以便避开禁飞区10。为此目的，计算机4确定计划航线2相对于区域10的模拟形状的位置。这些航线区段偏离计划航线2一个预定角度α，并分别与多边形11上离计划航线2最近的点A2、B2相接。其中，预定角α取决于在飞越区域内的有效空中调节，它可以为45°或30°，点A2、B2分别位于计划航线2与多边形11之间的进入点Z的两侧。

不过可以证明，当重飞行器1离禁飞区10太近时，要确定航线的退出区段是不可能的。当从原始航线退出的角度大于预定角度a时会发生这种情况。当这种情况发生时，计算机4便从步骤29开始执行算法，在步骤29中启动信息“不能自动避开”的显示。

在相反的情况下，计算机4便接着确定用于返回到计划航线2上的航线左侧区段B3-B4和航线右侧区段A3-A4。这些航线区段以角度a与计划航线相交，并分别与多边形11上离计划航线2最近的点B3、A3连接，其中，点B3、A3分别位于计划航线2与多边形11之间的离开点Z′的两侧。

为了完全确定用于避开禁飞区10的右侧航线A1-A4和左侧航线B1-B4，接着要通过分别连接A2点与A3点和B2点与B3点的多边形11的轮廓部分A2-A3、B2-B3将航线的右侧退出区段A1-A2与左侧退出区段B1-B2分别连接到航线右侧返回区段A3-A4与左侧返回区段B3-B4上。

由于计划航线的右侧航线退出点A1与左侧航线退出点B1可能不同，到计划航线的右侧返回点A4与左侧B4返回点B4也可能不同，因此重构具有相同端点的避开航线就很重要。这样，如果象图3中的那样A1比B1更接近禁飞区，便将区段B1-A1加到右侧航线A1-A2-A4上。同样，当返回点B4比A4更接近于禁飞区时，便将区段B4-A4加到左侧航线B1-B2-B3-B4上。

接着需要在如此确定的右侧A1-A4和左侧B1-B4这两条避开航线中选择一条航线。为此，计算机4分别计算这两条新航线B1-A1-A2-A3-A4、B1-B2-B3-B4-A4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，便选择位于区域10的上风侧的航线。

选出的避开航线可能会改变自动驾驶装置14提供的原始飞行计划，它可被显示在显示屏7上，请求驾驶员对此确认。

在步骤25中，计算机4等待驾驶员对包含所选择的避开航线A1-A4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的当前位置计算并显示退出点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2，于是新飞行计划开始起作用(步骤28)。如果飞行计划管理系统和横向模式自动驾驶系统有效的话，这个新飞行计划便能自动避开禁飞区。

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以及现在不可能避开禁飞区的指示信息。接着，在步骤30中，计算重飞行器1的当前位置与由多边形12限定的禁飞区进入点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)。在经过个进入点Z之后，计算机4便发出报警信息，它告诉驾驶员该重飞行器1位于禁飞区内(步骤32)。然后，计算机4在返回到步骤18去获取数据之前等待退出禁飞区10，消除报警信号。在等待过程中，监视禁飞区点Z′的位置和重飞行器1的当前位置与速度(步骤33)。

在驾驶员确认之后，计算机4在向自动驾驶装置发出新飞行计划之前先在步骤28中计算能按照新飞行计划飞行的航线，特别是计算能从飞行计划航线的一个区段转到另一个区段的过渡航线。

在一般的方法中，通过确定与航线上的两个连接区段相切的具有预定半径的圆使得在象A1和A4之类的航向变化点处偏离多边形区域11的轮廓线的过渡是从转角的内侧进行的。

当这些航向变化点位于凸多边形区域11的轮廓线上时，就不可能从转角的内侧改变航向，因为这必然会进入禁飞区10。因此，按照本发明，计算机4将计算从转角外侧经过并穿过转弯点的航线。

在图5中，两个与A点连接的航线区段之间的夹角为θ，航线改变量为Δψ角度。如图5所示，计算机4计算穿过A点的曲线航线17，该曲线航线的回转中心O位于夹角θ的内等分线3上，它离A点的距离为R。这个距离R相当于曲线航线17的回转半径，它是以预定旋转角转弯的重飞行器1的速度的函数。

接着需要确定位于沿航线R1、R2区段方向的直线航线与曲线航线17之间的链接航线区段18、19。能连接区段R1与曲线航线17的链接航线18由具有相同回转半径R的曲线航线组成，它在T1点与航线区段R1相切，在T2点与曲线航线17相切。同样，链接航线19也是回转半径为R的曲线航线，它在T3点与曲线航线17相切，在T4点与航线区段R2相切。

应当注意，T2点与T3点是曲线航线17与线段d的中垂线之间的交点，其中，线段d分别由穿过回转中心O的并且垂直于航线区段R1、R2的直线与航线区段R1、R2之间和与曲线航线17之间的交点I1、I2、I3、I4限定。

从图6中还可以看出，按照本发明的方法完全适用于存在两个相隔很近的航向变化点A、B的场合。这张图示出了用A点和B点连接的三个航线区段R1、R2、R3,A点的夹角为θ,B点的夹角为θ。与前面一样，为产生这两个航向变化区段，需要对分别穿过A点和B点的两条曲线航线17、17′进行计算，这两条曲线航线的回转中心分别为O,O′，半径为R，它们分别在T1点和T4′点通过链接航线18、19′与航线区段R1和R3相接。

在图6所示的例子中，不可能将曲线航线17、17′连接到航线区段R2上，因为航线区段R2太短。在这种情况下，链接航线20足以能连接这两条航线17、17′，其中，链接航线20在T5点和T5′点与这两条航线17、17′相切。

如果将图4中的航线与图5和6所示的航线进行比较，那便可看出图5和6所示的航线离计划航线R1-R2的距离要近一些，并且能更快地与计划航线R1-R2相接，因而能使监视与空中控制更有效。

例如，在以一般的飞行点(图4)绕行情况下产生的偏离量为R(1-COSΔψ)。本发明提出的方法中，偏移量则仅为R(1-COSΔψ/2)，即当Δψ=90°时，大约小于原来的1/3。

此外，就短航线区段R2来说，按照图6仍能保持接近计划航线。相反，在图4的情况下要与下个航线区段R3连接显然是很困难的。

Claims (10)

1、一种用于根据飞行器(1)的位置与当前速度和区域(10)的形状横向避开原始计划航线上的固定区域(10)的飞行器驾驶方法，其特征在于该方法包括以下步骤：*通过用一系列线段来逼近区域(10)的形状将被避开区域的形状模拟成凸多边形(11)，并消除凹点和过分短的线段；*确定相对于模拟区域(11)的计划航线；*计算用于退出计划航线(2)和用于返回计划航线(2)的航线左侧区段和右侧区段(A1-A2、B1-B2、A3-A4、B3-B4)以便获得由航线的退出区段(A1-A2、B1-B2)和返回区段(A3-A4、B3-B4)以及由模拟形状(11)区段(A2-A3、B2-B3)构成的左侧避开航线(B1-B4)和右侧避开航线(A1-A4)，其中，航线的左侧退出区段、左侧返回区段、右侧退出区段、右侧返回区段与计划航线(2)的夹角均为预定角度(a)，模拟形状(11)区段(A2-A3、B2-B2)分别连到左侧退出、返回区段(B1-B2、B3-B4)和右侧退出、返回区段(A1-A2、A3-A4)上；和*选择左侧避开航线(B1-B4)和右侧避开航线(A1-A4)中的一条避开航线作为预定准则的函数。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：航线的左、右两侧的退出与返回区段(A1-A2、B1-B2、A3-A4、B3-B4)将计划航线(2)分别连接到多边形(11)的转弯点(A2、B2、A3、B3)上，这些转弯点位于计划航线的两侧并且最接近于计划航线(2)与多边形(11)的交点(Z、Z′)。

3、根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：它还包括将原始航线(2)上的区段(B1-A1、B4-A4)加到右侧避开航线(A1-A4)和左侧避开航线(B1-B4)上，从而使这样得到的两条线具有相同的端点，对获得的左侧航线(B1-B4-A4)和右侧航线(B1-A1-A4)的长度进行计算并比较，选择较短的避开航线(A1-A4)。

4、根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于：它包括已有的对计划航线(2)上的穿越禁飞区(10)的区段进行搜索和对进入所述区域的计划入点(Z)进行计算的步骤，如果相对于飞行的速度飞行器(1)离计划入点(Z)的距离足够远，便计算避开航线。

5、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)退出到被选的避开航线(A1-A4)上的退出点(A1)之间的距离，如果包含所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)。

6、根据上述权利要求中之一所述的方法，其特征在于：它包括定期计算和显示(31)飞行器(1)的当前位置与被避开区(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)进入到被避开区(10)内时便显示(32)报警信号。

7、根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于：它包括在被避开区的多边形上并位于所选避开航线上的每个转弯点处，飞行器(1)对穿过所述转弯点(A)的航向的曲线变化航线(17)进行计算与跟踪，航向航线(17)的回转中心(O)位于航线的两个直线区段(R1、R2)在转角点(A)相接。

8、根据权利要求7所述的方法，其特征在于：它还包括对分别位于第一航线区段(R1)与航向变化航线(17)之间和位于航向变化航线区段(17)与第二航线区段(R2)之间的两个曲线链接航线区段(18、19)进行计算和跟踪，这两个链接航线区段(18、19)的回转半径(R)与航向变化航线区段(17)的回转半径相同，这两个链接航线区段(18、19)分别与航向变化航线区段(17)以及与两个航线区段(R1、R2)相切。

9、根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于：在存在两个相隔很近的航向变化点(A、B)的情况下，它还包括对第二航向变化航线区段(17′)进行计算和跟踪，其中，第二航向变化区段(17′)通过直线链接航线(20)与第一航向变化航线区段(17)连接，直线链接区段(20)与两个航向变化航线(17、17′)上的区段相切。

10、根据权利要求7到9之一所述的方法，其特征在于：在遵守飞行器的预定旋转角的情况下，根据飞行器(1)的速度计算回转半径(R)。

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