WO2018152960A1 - 一种基于管制语音的冲突告警方法 - Google Patents

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WO2018152960A1
WO2018152960A1 PCT/CN2017/082295 CN2017082295W WO2018152960A1 WO 2018152960 A1 WO2018152960 A1 WO 2018152960A1 CN 2017082295 W CN2017082295 W CN 2017082295W WO 2018152960 A1 WO2018152960 A1 WO 2018152960A1
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target
time
trajectory
control
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陈平
刘岩
严勇杰
鞠瑞林
徐善娥
王虎
肖雪飞
童明
李加庆
张阳
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中国电子科技集团公司第二十八研究所
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Definitions

  • the invention belongs to the field of air traffic management, and in particular relates to a conflict warning method based on policing voice.
  • the air traffic management system generally has the function of discriminating dangerous conflicts between aircrafts and giving an alarm reminder function. Specifically, if the system judges that the current interval of the two aircrafts is less than the interval standard, it is considered that the two aircrafts have formed a conflict and the system is in control. The officer issued an alarm signal. If the system judges that the position of the two aircraft is extrapolated for a period of time, the danger is close, but the conflict has not yet been formed. The system considers that the two aircraft are in potential flight conflict and the system sends an early warning signal to the controller.
  • some methods of conflict detection at home and abroad mainly include collision detection based on genetic algorithm, flight collision detection based on Kalman filtering, collision detection based on neural network, deterministic collision detection, probabilistic collision detection and non-structural mesh collision detection. Etc. These methods have their own characteristics and achieve certain effects.
  • the existing research is generally based on the mastery of the air traffic management system for monitoring information and flight intention information.
  • the monitoring information generally uses the processing results of information sources such as scene monitoring and air traffic control radar.
  • the flight intention information generally uses the aircraft flight plan and ACARS information. Wait.
  • the controller’s control order is also an important and indispensable factor. It determines the current and future flight intentions of the aircraft, especially at the airport scene. There is no specific flight plan information.
  • the operation of the aircraft mainly depends on the controller’s command.
  • the judgment of the dangerous conflict between aircraft should be more dependent on the controller's voice command, and the controller and pilot's radio call information is containing regulatory instructions.
  • the air traffic management system lacks research in this area.
  • the present invention is intended to be applied in the field of air traffic management.
  • the main problem to be solved is that when the controller misjudges the current aircraft situation and gives an erroneous command, the risk may be approached between the aircraft.
  • the present invention discloses a conflict warning method based on policing voice, which can be applied to an air traffic management system, and converts control instructions into future trajectory information of aircraft in the system by collecting and voice recognition of policing voice.
  • the calculation of the auxiliary conflict alarm includes the following steps:
  • Step 2 using the digital signal collected in step 1, using voice recognition software, converting the digital signal into text information, and uniformly transmitting the text information of all the control seats to the control system server;
  • Step 4 according to the control instruction extracted in step 3, combined with the existing aircraft information in the control system server, correlate the relevant aircraft, and presume the current trajectory of the current aircraft to the future VSP time (such as 3 minutes) to form a predicted trajectory;
  • Step 5 According to the predicted trajectory obtained in step 4, combined with the current position, motion state or predicted trajectory of other aircraft in the control system, determine whether there is a conflict between the aircraft to be processed and other aircraft, and if there is a conflict, give an alarm prompt in the relevant control seat. .
  • Step 3 includes the following steps:
  • step 3-1 the control system server starts the control instruction identification program to read the text information content, and retrieves the airline name in the control instruction keyword set in the text information, and after the airline is retrieved, the following four digits are the flight number. If "Oriental” is retrieved, look for the next four digits as "hole two three four", you can get the aircraft call sign as "CES0234"; if the airline name is retrieved, go to step 3-2, otherwise it is determined as invalid control command ;
  • Step 4 includes the following steps:
  • Step 4-1 extracting the target identifier (such as the flight number) from the control command, using the identifier to associate with all the track of the system, and by matching the target identifier, finding the target indicated by the control instruction in the system target, the target Perform trajectory prediction;
  • the target identifier such as the flight number
  • the transfer matrix A( ⁇ ) is discretized from the two-dimensional target kinematics equation and has two forms:
  • Step 5 includes the following steps:
  • Step 5-2 pre-judging the conflict, excluding the aircraft that is being moved away from the aircraft to be processed, and excluding the aircraft from the aircraft to be processed beyond a certain range (generally 100 km);
  • Step 5-3-2 determine whether the vertical separation criterion is violated: If
  • Figure 1 is a flow chart of the method of the present invention.
  • Figure 2 is a diagram of the air traffic management system equipment associated with the present invention.
  • FIG. 3 illustrates the working principle of voice collection.
  • Figure 5 shows the composition of the control instructions.
  • Pilot A Can take off, runway L18, East 4670.
  • the converted text information is:
  • Step 3 As shown in FIG. 4 and FIG. 5, using the text information generated in step 2, the text information content is retrieved according to the established control instruction keyword set in the control system server database, and the effective control instruction is retrieved, and the control instruction includes the aircraft call sign. , instruction actions and action adverbials, specifically:
  • the valid aircraft call sign is composed of airlines and three (or four) digits.
  • the airlines mainly have international (AIR CHINA), Oriental, South, Sichuan, Jinxiu, Cambodia, Xiangpeng, International Freight, Spring and Autumn, Okay, and Xinhua Express, Shanghai, Xiamen, Hainan, Jinlu, Shenzhen, Chongqing, West, Shandong, Southwest, Xinjiang, Daxinhua, Jixiang, United, Kunpeng, Yangtze River Express, Yunnan and the capital; foreign countries mainly American Airlines, Asiana Airlines , Air France, British Airways, Alitalia, Heilhansa, Air Canada and Finnair.
  • the valid action adverbs mainly include runway number XX, waiting point number XX, taxiway number XX, altitude XX, hold XX, speed XX, route number XX, corridor port number XX, steering heading XX, offset angle XX, approach route No. XX, etc.
  • the text information is sent to the system server, the system server's control instruction recognition program (COMMAND) is notified, the COMMAND reads the text information, and the control instruction is recognized.
  • the system server's control instruction recognition program (COMMAND) is notified, the COMMAND reads the text information, and the control instruction is recognized.
  • the airlines in the control order keyword set are retrieved in the free text. After the airline is retrieved, the next 4 digits are the flight number. If you search for "Oriental”, look for the next four digits as "hole two three four", you can get the aircraft call sign as "CES0234";
  • the command action is searched, and after the command action is retrieved, the letters, numbers, and units in front or behind are instruction adverbials. If the “into taxiway” is retrieved, the following instruction adverbial is “L35”, and the entire instruction can be obtained as “CES0234 into taxiway L35”;
  • Step 4 As shown in Figure 6, based on the extracted control instructions, combined with the existing aircraft information in the control system, check Find the relevant aircraft and speculate on the trajectory of the aircraft's future VSP time (such as 3 minutes) to form a predicted trajectory. Specifically:
  • the COMMAND program sends the control command to the voice recognition and monitoring information fusion processing program of the system server, and analyzes the control command, extracts the flight number after analysis, and determines whether the flight number is valid. If yes, the voice recognition and monitoring information fusion processing program matches the aircraft.
  • the call sign (the system is called "flight number") finds the target in the system track that matches the call sign of the regulatory command aircraft, and performs trajectory prediction on the target. If the flight number is invalid, the analysis ends.
  • (x, y) is the position of the target
  • v(t) is the tangential velocity of the target.
  • a q (t) and a f (t) are the tangential acceleration and normal acceleration of the target motion, respectively.
  • Equation (2) is solved by least squares method based on the observation input.
  • the target extrapolation model is:
  • X k [x k ,v xk ,y k ,v yk ] T
  • x k ,v xk ,y k ,v yk are the horizontal axis position, the transverse axial velocity, the vertical axis position and the longitudinal direction of the target k time, respectively.
  • the axial velocity, w k is white noise.
  • the noise array is as in (4).
  • the transfer matrix A( ⁇ ) is obtained by discretization of the two-dimensional target kinematics equation. Depending on the angular velocity ⁇ , there are two forms:
  • the horizontal axis position x k the transverse axial velocity v xk , the vertical axis position y k , and the longitudinal axial velocity v yk at the time of the extrapolation trajectory k are obtained.
  • control order contains information such as airport runways, runway waiting points, taxiways, take-off procedures, landing procedures, parking spaces, route routes, corridor points, navigation points, etc., use this information to predict the trajectory for the next 3 minutes. If the command is "CES0234 can take off", it is necessary to combine the runway, departure procedure and energy conservation principle to estimate the motion trajectory. The following is an example of the future trajectory prediction in the take-off phase.
  • the vertical section mainly represents the longitudinal movement of the aircraft.
  • the external forces received by the aircraft during this flight mainly include engine thrust, lift, drag, self-gravity and ground friction of the take-off slip.
  • the Aircraft Performance Library provides performance parameters such as thrust for each aircraft type used during each flight phase.
  • the model equations are listed using Newton's second law and the principle of conservation of energy:
  • m is the weight of the aircraft
  • g is the acceleration of gravity
  • h is the height of the aircraft
  • engine thrust F direction forms the engine mounting angle along the axis of the engine and the axis of the fuselage
  • the lift L is perpendicular to the flight speed v
  • the resistance D is parallel to the flight speed
  • ⁇ is the angle of attack
  • ⁇ is the trajectory angle
  • v TAS is the flight vacuum speed
  • the C D and C L are the drag coefficient and lift coefficient given by the aircraft performance parameters
  • ⁇ is the air density
  • S is the wing area.
  • the motion trends of CES4670 and CSZ8901 are judged respectively.
  • the information of runway L18 and taxiway D2 in the basic data is referenced in the judgment process.
  • the diamond in the figure is the predicted running track of CES4670, and the middle circle
  • the shape is marked by the CSZ8901 speculative trajectory, and the density is 5 seconds and 1 point.
  • Step 5 As shown in FIG. 9, according to the estimated predicted trajectory of the aircraft, combined with the current position, motion state or predicted trajectory of other aircraft in the control system, it is determined whether the aircraft is dangerously close to other aircraft, if any, An alert is given at the relevant control seat. Specifically:
  • the conflict judgment parameters include the forecast time, the horizontal interval standard, and the vertical interval standard, and the parameter standards are adjustable according to the requirements of each air traffic control system, as shown in the table and the table.
  • the conflict is pre-judged, and the aircraft that is away from aircraft A can be excluded. Aircraft that are more than 100 kilometers away from aircraft A can be eliminated.
  • the aircraft A and other all aircraft are judged by conflicts.
  • the horizontal conflict is judged.
  • the vertical conflict is detected.
  • Obtain the position of aircraft A in the next 5 seconds estimate the position of aircraft A in the next 5 seconds, determine whether the horizontal position between aircraft meets the interval standard, determine the vertical interval when the horizontal interval is violated, and then judge the aircraft at intervals of 5 seconds.
  • the specific calculation steps are as follows:
  • the tuple (x, y, v, h, t) is used to represent the state of the aircraft at time t, where (x, y) is the geographic projection coordinate of the aircraft at the current time t, and v is the speed of the aircraft at time t, h For the aircraft at the height of time t.
  • the state of the extrapolated aircraft is (x3, y3, v1, h3, t1+5) and (x4, y4, v2, h4, t1+5). .
  • the distances between the aircraft A and the aircraft B relative to each other at the current time are recorded as s1 and s2, respectively.
  • the horizontal spacing standard is set to d and the vertical spacing standard is set to K.
  • Step 1 Determine whether the vertical interval standard is violated, and
  • Step 2 Determine whether the horizontal interval standard is violated. As shown in Figure 10, determine whether the horizontal interval is violated according to the following procedure:
  • the alarm information includes the flight numbers of the two aircrafts, the time from the collision, and the estimated collision position.
  • the present invention provides a method for conflicting alarms based on policing voices.
  • the methods and methods for implementing the technical solutions are numerous.
  • the above description is only a preferred embodiment of the present invention, and it should be noted that one of ordinary skill in the art will recognize Many modifications and refinements may be made without departing from the principles of the invention, and such modifications and refinements are also considered to be within the scope of the invention.
  • the various components not specified in this embodiment can be implemented by the prior art.

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Abstract

一种基于管制语音的冲突告警方法，包括：对管制员与飞行员的无线电语音信息进行采集，通过管制席位声卡转换为数字信号；通过语音识别功能把数字信号转换为文本信息，统一发送给系统服务器；系统服务器对文本信息进行管制指令的提取；基于管制指令判断航空器未来一段时间的运行轨迹；结合空管系统中各航空器当前位置信息、运动参数信息和未来运动轨迹，对可能发生的航空器之间的危险冲突进行判别，给出告警提示。本方法把管制员管制指令与空管系统相结合，将管制指令语音信息和自动化监视手段充分融合，为航空器之间可能发生的危险冲突提供一种有效告警手段。

Description

一种基于管制语音的冲突告警方法 技术领域
本发明属于空中交通管理领域，特别涉及一种基于管制语音的冲突告警方法。
背景技术
空中交通管理系统一般都具备判别航空器之间的危险冲突并给出告警提示功能，具体为如果系统判断两个飞机的航迹当前间隔小于间隔标准，则认为两架飞机己构成冲突，系统向管制员发出告警信号，如果系统判断两架飞机当前位置外推一段时间的位置存在危险接近的可能，但尚未构成冲突，则系统认为两架飞机潜在飞行冲突，系统向管制员发出预警信号。目前国内外关于冲突探测的一些方法主要有基于遗传算法的冲突探测、基于Kalman滤波的飞行冲突探测、基于神经网络的冲突探测、确定型冲突探测、概率型冲突探测和基于非结构网格冲突探测等，这些方法各有特点，并取得一定效果。
但现有研究一般只是基于空中交通管理系统对监视信息和飞行意向信息的掌握，监视信息一般使用场面监视、空管雷达等信息源的处理结果，飞行意向信息一般使用航空器的飞行计划、ACARS信息等。管制员的管制指令也是一个重要的不可或缺的因素，它决定航空器当前及未来的飞行意向，特别是在机场场面，没有具体的飞行计划信息，航空器的运行主要依赖于管制员的指挥，所以对航空器之间危险冲突的判断应更依赖于管制员的语音指令，管制员和飞行员的无线电通话信息正包含了管制指令。目前空中交通管理系统尚缺少在这方面的研究。
发明内容
发明目的：本发明预计应用于空中交通管理领域，解决的主要问题是，当管制员错误判断当前航空器态势，给出错误指令时，可能会使航空器之间发生危险接近。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于管制语音的冲突告警方法，可应用于空中交通管理系统，通过对管制语音的采集和语音识别，把管制指令转化为系统内航空器未来运行轨迹信息，辅助冲突告警的计算，具体包括如下步骤：
步骤1，采集管制员和待处理航空器飞行员无线电通话时的语音信息，使用可变系统参数VSP(Variable System Parameter)设置分隔时间(一般为2秒)，确定语音信息是否为一段管制指令，如果是，将一段管制指令通过语音通信单元VCU(Voice Control Unit)的记录输出端口输入到管制席位声卡的语音输入口(line in)，否则丢弃该段语音信息；声卡把语音模拟信号转换为数字信号，将数字信号发送给PC总线；
步骤2，利用步骤1采集的数字信号，使用语音识别软件，将数字信号转换为文本信息，将所有管制席位的文本信息统一发送给管制系统服务器；
步骤3，利用步骤2生成的文本信息，根据管制系统服务器数据库中已建的管制指令关键字集对文本信息内容进行检索，检索出有效管制指令，有效管制指令包括航空器呼号(或称航班号、批号)、指令动作和动作状语；
步骤4，根据步骤3提取出的管制指令，结合管制系统服务器中已有的航空器信息，关联相关航空器，推测待处理航空器当前至未来VSP时间(如3分钟)的运行轨迹，形成预测轨迹；
步骤5，根据步骤4得到的预测轨迹，结合管制系统内其他航空器的当前位置、运动状态或预测轨迹，判断待处理航空器与其他航空器是否存在冲突，如存在冲突则在相关管制席位给出告警提示。
本发明步骤3中所述航空器呼号包括航空公司名称和航班编号，航班编号由三位或四位数字表示。航空公司如国航(CCA)、东方(CES)、德国汉莎航空(DLH)等。管制指令主要由“航空器呼号”+“指令动作”+“动作状语”等信息组成，也可能由“航 空器呼号”+“指令动作”等信息组成。有效的动作状语主要有跑道编号XX、滑行道编号XX、高度XX、保持XX等。有效的指令动作主要有进滑行道、进跑道、可以起飞等。
步骤3包括如下步骤：
步骤3-1，管制系统服务器启动管制指令识别程序读取文本信息内容，在文本信息中检索管制指令关键字集中的航空公司名称，检索出航空公司后，后面的4位数字为航班编号。如检索出“东方”，查找后面的4个数字为“洞两三四”，可以得出航空器呼号为“CES0234”；如果检索出航空公司名称，执行步骤3-2，否则判定为无效管制指令；
步骤3-2，在文本信息中检索指令动作，检索出指令动作后，前面或后面的字母、数字、单位为动作状语，如检索出“进滑行道”，后面的指令状语为“L35”，可以得出整条指令为“CES0234进滑行道L35”；如果检索出航空器呼号、指令动作和动作状语的组合或航空器呼号和指令动作的组合，判定管制指令有效，否则判定为无效管制指令。
步骤4包括如下步骤：
步骤4-1，从管制指令中提取出目标标识(如航班号)，使用该标识与系统所有航迹进行关联，通过匹配目标标识，在系统目标中找到管制指令所指的目标，对该目标进行轨迹预测；
步骤4-2，未来运行轨迹推测：采用直接外推法和结合空管基础数据预测法预测未来VSP时间(如三分钟)的运行轨迹。
步骤4-2中，如果管制指令是运动位置的改变，采用航迹外推的方法预测未来VSP时间的运行轨迹，如果与计划轨迹一致，则按实时运动状态与计划轨迹融合推测运动轨迹，具体包括：
考虑目标在二维平面中的运动，根据如下二维目标运动学方程组计算
Figure PCTCN2017082295-appb-000001
Figure PCTCN2017082295-appb-000002
其中
Figure PCTCN2017082295-appb-000003
为横轴方向速度，
Figure PCTCN2017082295-appb-000004
为纵轴方向速度，
Figure PCTCN2017082295-appb-000005
为目标切向加速度，
Figure PCTCN2017082295-appb-000006
为目标转弯加速度：
Figure PCTCN2017082295-appb-000007
其中，(x,y)为目标的位置，v(t)为目标的切向速度，
Figure PCTCN2017082295-appb-000008
为目标航向改变的角度，aq(t)和af(t)分别为目标运动的切向加速度和法向加速度，t表示相对于开始状态的秒数，取值范围是0到65535；假设aq(t)＝0，af(t)为常数，则目标运动包含以下两种形式：
当af(t)＝0时，目标做直线运动，
当af(t)≠0时，目标做曲线匀速运动，
设
Figure PCTCN2017082295-appb-000009
即ω代表目标的转弯角速度，
通过如下公式计算目标k+1时刻的的转弯角速度ω：
Figure PCTCN2017082295-appb-000010
其中，ωk为目标k时刻的转弯角速度，T为采样间隔，τω为角速度的时间相关常数，wω,k为白噪声；
目标外推模型如下式所示：
Xk+1＝A(ω)Xk+Bwk，
其中Xk＝[xk,vxk,yk,vyk]T，xk,vxk,yk,vyk分别为目标k时刻的横轴位置、横轴向速度、纵轴位置和纵轴向速度，wk为白噪声，噪声阵B如下式所示：
Figure PCTCN2017082295-appb-000011
转移矩阵A(ω)由二维目标运动学方程离散化得到，具有两种形式：
当ω＝0时：
Figure PCTCN2017082295-appb-000012
当ω≠0时：
Figure PCTCN2017082295-appb-000013
通过矩阵计算，得到外推轨迹k时刻的横轴位置xk、横轴向速度vxk、纵轴位置yk和纵轴向速度vyk。
步骤4-2中，如果管制指令包含了机场跑道、跑道等待点、滑行道、起飞程序、降落程序、停机位、航路航线、走廊口点、导航点信息，使用这些信息预测未来VSP时间的运行轨迹。
步骤5包括如下步骤：
步骤5-1，设置判断参数，包括预测时间、水平间隔标准和垂直间隔标准，预测时间是判断冲突时系统向前推测的时间，水平间隔标准是航空器之间需要满足的最小水平 间隔，垂直间隔标准是航空器之间需要满足的最小垂直间隔；
步骤5-2，对冲突进行预判，排除与待处理航空器正在远离的航空器，排除与待处理航空器之间的距离超过一定范围(一般为100公里)的航空器；
步骤5-3，对待处理航空器与其他所有航空器进行冲突判断：以设置的间隔时间(如3秒)为间隔进行冲突判断，到设置的最大预测时间(如3分钟)结束为止，判断待处理航空器与其他航空器之间的水平间隔是否符合水平间隔标准，并判断待处理航空器与其他航空器之间的垂直间隔是否符合垂直间隔标准，只要有一次同时违背水平和垂直间隔标准，判定存在冲突；
步骤5-4，给出告警提示，告警提示信息包括两架航空器的航班号、距离相撞的时间和推测相撞位置等。
步骤5-3包括如下步骤：
步骤5-3-1，航空器A的当前状态记为元组(x1,y1,v1,h1,t1)，(x1,y1)表示航空器A在当前时刻t1的地理投影坐标，v1表示航空器A在当前时刻t1的速度，h1表示航空器A在当前时刻t1的高度，航空器B的当前状态记为元组(x2,y2,v2,h2,t1)，(x2,y2)表示航空器B在当前时刻t1的地理投影坐标，v2表示航空器B在当前时刻t1的速度，h2表示航空器B在当前时刻t1的高度，采用直接外推法，分别对航空器A和航空器B进行未来5秒保持速度、航向的外推，外推后的航空器A和航空器B所在状态分别为(x3,y3,v1,h3,t1+5)和(x4,y4,v2,h4,t1+5)，外推后航空器A和航空器B相对当前时刻各自飞行的距离分别记为s1和s2，水平间隔标准设为d，垂直间隔标准设为K；
步骤5-3-2，判定是否违背垂直间隔标准：如果|h1-h2|≥K，K为垂直间隔标准，判定不违背垂直间隔标准，结束判断流程，否则判定违背垂直间隔标准，并执行步骤5-3-3；
步骤5-3-3，判断是否违背水平间隔标准：
通过如下公式计算变量A、B、C：
Figure PCTCN2017082295-appb-000014
Figure PCTCN2017082295-appb-000015
Figure PCTCN2017082295-appb-000016
通过如下公式计算Δ：
Δ＝B2-4AC，
判断Δ的符号：
如果Δ＝0，令ta＝-B，判断ta是否在区间(t1,t1+5)内，如果是，判定违背水平间隔标准，并且存在冲突，否则判定没有违背水平间隔标准；
如果Δ>0，令
Figure PCTCN2017082295-appb-000017
判断ta或tb是否在区间(t1,t1+5)内，如果是，判定违背水平间隔标准，并且存在冲突，否则判定没有违背水平间隔标准；
如果Δ<0，判定没有违背水平间隔标准。
本发明可应用于空中交通管理系统，包括场面、塔台、进近和区域管制。当管制员在管制指挥过程中出现问题时，通过空管系统对管制过程语音信息的采集，转换为航空器未来运行航迹，进行冲突预测。本发明基于管制员无线电语音信息判别航空器运动趋势，辅助空管系统有效判别航空器之间危险冲突。
有益效果：本发明具有如下技术效果：
1、为空中交通管理系统提供了一种未被使用过的冲突告警方法，充分考虑了管制员的管制意图；
2、本发明可有效判断管制员管制行为导致的当前至未来一段时间的航空器危险冲突；
3、为管制无线电通话信息接入系统提供了技术手段；
4、为通过管制话音提取管制指令提供技术手段；
5、为管制指令转化为航空器未来运行轨迹提供技术手段；
6、为使用未来运行轨迹进行航空器之间的冲突告警判断提供技术手段。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1为本发明的方法流程图。
图2与本发明相关的空中交通管理系统设备组成。
图3管制语音采集工作原理。
图4管制指令的组成。
图5管制指令的组成。
图6航空器未来运动轨迹推测流程图。
图7直接外推法算法结构。
图8运动趋势判断实例图。
图9航空器之间冲突判断流程图。
图10水平冲突判断流程图。
图11冲突判断和告警实例图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
如图1为本发明的执行流程，具体步骤如下：
步骤1：采集管制员和待处理航空器飞行员无线电通话时的语音信息，使用可变系统参数VSP(Variable System Parameter)设置分隔时间(一般为2秒)，确定语音信息是否为一段管制指令，如果是，将一段管制指令通过语音通信单元VCU(Voice Control  Unit)的记录输出端口输入到管制席位声卡的语音输入口(line in)，否则丢弃该段语音信息；声卡把语音模拟信号转换为数字信号，将数字信号发送给PC总线；
具体为：
(a)与本发明相关的空中交通管理系统设备组成简要说明：
1、空中交通管理系统
如图2，空中交通管理系统一般包括系统服务器、n个管制席位、语音通信单元(VCU)和网络交换机等。管制席位中包括主机、显示器、语音通信面板、送受话器等。
2、系统服务器
系统服务器实现监视、飞行计划、气象等信息的处理，语音识别信息和监视信息融合处理，冲突告警判断等功能。
3、管制席位
管制席位一般由一台主机、一台或多台显示器组成。管制席位是管制员和管制系统的交互界面，实现背景地图、航空器位置、冲突告警等信息的显示和人工输入。
4、语音通信单元
语音通信单元一般由语音通信面板、送受话器组成，主要实现管制员和飞行员的无线电地空通话，实现地地通话。语音通信单元布设在管制席位上，用于本发明管制员和飞行员通话的采集。
(b)语音采集的过程
如图3所示，管制员和飞行员通话语音信息通过语音通信单元(VCU)的记录输出端口，通过匹配器连接到管制席位主机的声卡语音输入口(line in)，声卡通过DMA接口，进入PC总线供系统调用。
例如管制员和飞行员通话内容如下：
管制员：东方4670，跟在落地飞机后面进跑道等待。
(C:China eastern four six seven zero,after the landing traffic,line up and wait behind.)
飞行员A：跟在落地飞机后面进跑道等待，东方4670。
(PA:After the landing traffic,line up and wait behind,china eastern four six seven zero.)
管制员：东方4670，东方塔台，跑道L18，可以起飞。
(C:China eastern four six seven zero,Dongfangtower,runway L18,cleared for take off.)
飞行员A：可以起飞，跑道L18，东方4670。
(PA:Cleared for take off,runway L18,China eastern four six seven zero.)
管制员：东方4670，立即起飞，否则脱离跑道。
(C:China eastern four six seven zero,take off immediately or vacate runway.)
管制员：深圳8901，沿滑行道D2滑到停机位B213。
(C:Shenzhen air eight nine zero one,taxi to stand B213via taxiway D2.)
飞行员B：沿滑行道D2滑到停机位B213，深圳8901，再见。
(PB:Taxi to stand B213via taxiway D2,)Shenzhen air eight nine zero one,good day.)
这些语音信息可采集到声卡并转换为数字信号。
步骤2：利用步骤1采集的数字信号，使用语音识别软件，将数字信号转换为文本信息，发送给管制系统的系统服务器，具体为：
管制席位增加语音识别程序，该程序集成了语音开发包，进行语音识别，并把转换形成的文本信息保存在文件ATCVoice.dat中。
例如转换后的文本信息为：
###东方4670，跟在落地飞机后面进跑道等待。
(China eastern four six seven zero,after the landing traffic,line up and wait behind.)
###东方4670，东方塔台，跑道L18，可以起飞。
(###China eastern four six seven zero,Dongfangtower,runway L18,cleared for take off.)
###东方4670，立即起飞，否则脱离跑道。
(###China eastern four six seven zero,take off immediately or vacate runway.)
###深圳8901，沿滑行道D2滑到停机位B213。
(###Shenzhen air eight nine zero one,taxi to stand B213via taxiway D2.)
步骤3：如图4和图5，利用步骤2生成的文本信息，根据管制系统服务器数据库中已建的管制指令关键字集对文本信息内容进行检索，检索出有效管制指令，管制指令包括航空器呼号、指令动作和动作状语，具体为：
(a)管制指令组成
管制指令主要由“航空器呼号”+“指令动作”+“动作状语”等信息组成，也可能由“航空器呼号”+“指令动作”等信息组成。
(b)管制指令集建立
有效航空器呼号由航空公司和三位(或四位)数字组成，航空公司国内主要有国际(AIR CHINA)、东方、南方、四川、锦绣、西藏、祥鹏、国际货运、春秋、奥凯、大新华快运、上海、厦门、海南、金鹿、深圳、重庆、西部、山东、西南、新疆、大新华、吉祥、联合、鲲鹏、扬子江快运、云南和首都等；国外主要有美国航空、韩亚航空、法国航空、英国航空、意大利航空、德国汉莎航空、加拿大航空和芬兰航空等。
有效的指令动作主要有进滑行道(ENTER TAXIWAY)、进跑道、可以起飞、取消起飞、程序离港、上升至、上升、上、继续上升、穿越、加速、调速、速度减、速度加、左转、右转、左偏置、右偏置、取消偏置、航路飞、加入航路、下降至、下降、下、程序进港、保持表速、进近、加入X边、旋转一圈、复飞、落地等。
有效的动作状语主要有跑道编号XX、等待点编号XX、滑行道编号XX、高度XX、保持XX、速度XX、航路号XX、走廊口编号XX、转向航向XX、偏置角度XX、进近航线编号XX等。
(c)检索管制指令
管制席位转换新的文本信息后，把文本信息发送给系统服务器，通知系统服务器的管制指令识别程序(COMMAND)，COMMAND读取文本信息，进行管制指令的识别。
开始时在自由文本中检索管制指令关键字集中的航空公司，检索出航空公司后，后面的4位数字为航班编号。如检索出“东方”，查找后面的4个数字为“洞两三四”，可以得出航空器呼号为“CES0234”；
然后对指令动作进行检索，检索出指令动作后，前面或后面的字母、数字、单位为指令状语。如检索出“进滑行道”，后面的指令状语为“L35”，可以得出整条指令为“CES0234进滑行道L35”；
如检索出“航空器呼号”+“指令动作”+“动作状语”的组合或“航空器呼号”+“指令动作”的组合，认为管制指令有效。如上例中识别出的管制指令为：
###CES4670可以起飞L18
(###CES4670,cleared for take off.)
###CSZ8901滑行道D2
(###,CSZ8901,taxiway D2.)
步骤4：如图6，根据提取出的管制指令，结合管制系统中已有的航空器信息，查 找相关航空器，对该航空器未来VSP时间(如3分钟)运行轨迹进行推测，形成预测轨迹。具体为：
(a)目标关联
COMMAND程序把管制指令发送给系统服务器的语音识别与监视信息融合处理程序，并进行管制指令解析，解析后提取航班号，判断航班号是否有效，如果是，语音识别与监视信息融合处理程序匹配航空器呼号(系统称“航班号”)，在系统航迹中找到与管制指令航空器呼号一致的目标，对该目标进行轨迹预测，如果航班号无效，结束解析。
(b)未来运行轨迹推测
一类是直接外推法，另一类需要结合空管基础数据。
1、直接外推法。如果管制指令是运动位置的改变，如航向、高度、速度的变化，采用航迹外推的方法预测未来VSP时间(如3分钟)的运行轨迹。如指令为“CES0234左转45度”根据当前速度和当前航向，把航向调整45度，推测运动轨迹。如果与计划轨迹一致，则按实时运动状态与计划轨迹融合推测运动轨迹。具体算法如下：
考虑目标在二维平面中的运动。根据二维目标运动学方程：
Figure PCTCN2017082295-appb-000018
上式中(x,y)为目标的位置，v(t)为目标的切向速度，
Figure PCTCN2017082295-appb-000019
为目标航向改变的角度，aq(t)和af(t)分别为目标运动的切向加速度和法向加速度。对于航空器，除了在特定的阶段(比如起飞、爬升等)，目标主要做匀速直线和匀速转弯运动，因此，进一步假设aq(t)＝0以及af(t)＝常数，从而目标运动包含以下两种特殊的形式：
(1)当af(t)＝0，目标做直线运动。
(2)当af(t)≠0时，目标做曲线匀速运动。
设
Figure PCTCN2017082295-appb-000020
即ω代表目标的转弯角速度，则对目标进行直接外推的外推模型以及模型参数都取决于ω，从而形成以下的直接外推算法结构，如图7所示，其中
(1)ω估计器
为了对目标的转弯角速度ω进行估计：
Figure PCTCN2017082295-appb-000021
其中，ωk，ωk+1分别为k时刻的转弯角速度以及k+1时刻的转弯角速度，T为采样间隔，τω为角速度的时间相关常数，wω,k为白噪声。(2)式根据观测输入，采用最小二乘法求解。
(2)外推模型
目标外推模型为：
Xk+1＝A(ω)Xk+Bwk  (3)
其中Xk＝[xk,vxk,yk,vyk]T，xk,vxk,yk,vyk分别为目标k时刻的横轴位置，横轴向速度，纵轴位置和纵轴向速度，wk为白噪声。噪声阵如(4)式。
Figure PCTCN2017082295-appb-000022
转移矩阵A(ω)由二维目标运动学方程离散化得到，取决于转弯角速度ω，具有两种形式：
当ω＝0时：
Figure PCTCN2017082295-appb-000023
当ω≠0时：
Figure PCTCN2017082295-appb-000024
通过矩阵计算，得到外推轨迹k时刻的横轴位置xk、横轴向速度vxk、纵轴位置yk和纵轴向速度vyk。
2、结合空管基础数据方法。如果管制指令包含了机场跑道、跑道等待点、滑行道、起飞程序、降落程序、停机位、航路航线、走廊口点、导航点等信息，使用这些信息预测未来3分钟的运行轨迹。如果指令为“CES0234可以起飞”，需要结合跑道、离场程序和能量守恒原理等推测运动轨迹。下面以起飞滑跑阶段未来轨迹预测为例进行说明。
垂直剖面主要表征飞机的纵向运动，此飞行过程飞机所受的外力主要有发动机推力、升力、阻力、自身重力以及起飞滑跑段的地面摩擦力。飞行器性能库提供了每种机型在每个飞行阶段采用的推力等性能参数。采用牛顿第二定律和能量守恒原理列出模型方程：
Figure PCTCN2017082295-appb-000025
Figure PCTCN2017082295-appb-000026
其中，m为飞机重量，g为重力加速度，h为飞机所在高度，发动机推力F，方向沿发动机轴线与机身轴线形成发动机安装角
Figure PCTCN2017082295-appb-000027
升力L垂直于飞行速度v，阻力D平行于飞行速度，α为迎角，θ为轨迹角；vTAS为飞行真空速，上面公式中
Figure PCTCN2017082295-appb-000028
Figure PCTCN2017082295-appb-000029
所述CD和CL是飞机性能参数给定的阻力系数和升力系数，ρ为空气密度，S为机翼面积。起飞滑跑阶段利用式(7)、(8)求出飞机速度从零加速到离地速度(性能参数规定值)所用时间及距离，进而推测运行轨迹。
(c)举例说明
结合上例，如图8所示，分别判断CES4670和CSZ8901的运动趋势，判断过程中参考了基础数据中跑道L18和滑行道D2的信息，图中菱形标记为CES4670推测的运行轨迹，中间的圆形标记为CSZ8901推测的运行轨迹，密度都为5秒1个点。
步骤5：如图9所示，根据推测出的该航空器的预测轨迹，结合管制系统内其他航空器的当前位置、运动状态或预测轨迹，判断该航空器与其他航空器是否有危险接近可能，如存在则在相关管制席位给出告警提示。具体为：
(a)参数设置
冲突判断参数包括预测时间、水平间隔标准、垂直间隔标准，其参数标准根据各空管系统需求可调，如表和表所示。
表1冲突判断适应性参数
Figure PCTCN2017082295-appb-000030
表2垂直间隔默认值
Figure PCTCN2017082295-appb-000031
Figure PCTCN2017082295-appb-000032
(b)排除无关目标
首先对冲突进行预判，与航空器A正在远离的航空器可以排除，与航空器A距离超过100公里的航空器可以排除。
(c)冲突判断
结合航迹当前位置、飞行参数、预测轨迹及所采用的间隔标准，对航空器A与其他所有航空器进行冲突判断，首先判断水平冲突，当存在水平冲突时，进行垂直冲突的探测。获取航空器A未来5秒的位置，推测航空器A未来5秒的位置，判断航空器之间的水平位置是否符合间隔标准，当水平间隔违背时，判断垂直间隔，然后以5秒为间隔，判断航空器之间的位置关系，到预测时间结束为止。只要有一次同时违背水平和垂直间隔标准，认为存在冲突，具体计算步骤如下：
以元组(x,y,v,h,t)来表示航空器在时刻t的状态，其中(x,y)为航空器在当前时刻t的地理投影坐标，v为航空器在时刻t的速度，h为航空器在时刻t的高度。设航空器A的当前状态为(x1,y1,v1,h1,t1)，航空器B的当前状态为(x2,y2,v2,h2,t1)，采用前述的直接外推法，分别对航空器A和航空器B进行未来5秒保持速度、航向的外推，外推后的航空器所在状态分别为(x3,y3,v1,h3,t1+5)和(x4,y4,v2,h4,t1+5)。外推后航空器A和航空器B相对当前时刻各自飞行的距离分别记为s1和s2。水平间隔标准设为d，垂直间隔标准设为K。
步骤1：判断垂直间隔标准是否被违背，|h1-h2|≤K不违背。
步骤2：判断水平间隔标准是否被违背，如图10所示，按照以下流程来判断水平间隔是否被违背：
(1)首先计算变量A、B、C，如公式(9)、(10)、(11)所示
Figure PCTCN2017082295-appb-000033
Figure PCTCN2017082295-appb-000034
Figure PCTCN2017082295-appb-000035
(2)计算Δ＝B2-4AC，判断Δ的符号；
(3)Δ＝0，令ta＝-B，判断ta是否在区间(t1,t1+5)内，是则说明水平间隔被违背， 否则说明水平间隔未被违背；
(4)Δ>0，令
Figure PCTCN2017082295-appb-000036
判断ta或tb是否在区间(t1,t1+5)内，是则说明水平间隔被违背，否则说明水平间隔未被违背；
(5)Δ<0，说明水平间隔未被违背。
(d)冲突告警
当水平冲突、垂直冲突都存在时，认为存在冲突，给出告警提示。告警信息包括两架航空器的航班号，距离相撞的时间，推测相撞位置等。
(e)举例说明
如图11，结合上例，根据冲突判断的方法(场面和跑道上不考虑高度)，20秒后，两架航空器的距离为100米，违反间隔标准，给出冲突提示。
本发明提供了一种基于管制语音的冲突告警方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施步骤中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (8)

  1. 一种基于管制语音的冲突告警方法，其特征在于，包括如下步骤：
    步骤1，采集管制员和待处理航空器飞行员无线电通话时的语音信息，使用可变系统参数VSP设置分隔时间，确定语音信息是否为一段管制指令，如果是，将一段管制指令通过语音通信单元VCU的记录输出端口输入到管制席位声卡的语音输入口，否则丢弃该段语音信息；声卡把语音模拟信号转换为数字信号，将数字信号发送给PC总线；
    步骤2，将步骤1采集的数字信号转换为文本信息，将所有管制席位的文本信息统一发送给管制系统服务器；
    步骤3，利用步骤2生成的文本信息，根据管制系统服务器数据库中已建的管制指令关键字集对文本信息内容进行检索，检索出有效管制指令，有效管制指令包括航空器呼号、指令动作和动作状语；
    步骤4，根据步骤3提取出的管制指令，结合管制系统服务器中已有的航空器信息，关联相关航空器，推测待处理航空器当前至未来VSP时间的运行轨迹，形成预测轨迹；
    步骤5，根据步骤4得到的预测轨迹，结合管制系统内其他航空器的当前位置、运动状态或预测轨迹，判断待处理航空器与其他航空器是否存在冲突，如存在冲突给出告警提示。
  2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中所述航空器呼号包括航空公司名称和航班编号，航班编号由三位或四位数字表示。
  3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤3包括如下步骤：
    步骤3-1，管制系统服务器启动管制指令识别程序读取文本信息内容，在文本信息中检索管制指令关键字集中的航空公司名称，如果检索出航空公司名称，执行步骤3-2，否则判定为无效管制指令；
    步骤3-2，在文本信息中检索指令动作，检索出指令动作后，前面或后面的字母、数字、单位为动作状语，如果检索出航空器呼号、指令动作和动作状语的组合或航空器呼号和指令动作的组合，判定管制指令有效，否则判定为无效管制指令。
  4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤4包括如下步骤：
    步骤4-1，从管制指令中提取出目标标识，使用该标识与系统所有航迹进行关联，通过匹配目标标识，在系统目标中找到管制指令所指的目标，对该目标进行轨迹预测；
    步骤4-2，未来运行轨迹推测：采用直接外推法和结合空管基础数据预测法预测未来VSP时间的运行轨迹。
  5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤4-2中，如果管制指令是运动位置的改变，采用航迹外推的方法预测未来VSP时间的运行轨迹，如果与计划轨迹一致，则按实时运动状态与计划轨迹融合推测运动轨迹，具体包括：
    考虑目标在二维平面中的运动，根据如下二维目标运动学方程组计算
    Figure PCTCN2017082295-appb-100001
    Figure PCTCN2017082295-appb-100002
    Figure PCTCN2017082295-appb-100003
    其中，其中
    Figure PCTCN2017082295-appb-100004
    为横轴方向速度，
    Figure PCTCN2017082295-appb-100005
    为纵轴方向速度，
    Figure PCTCN2017082295-appb-100006
    为目标切向加速度，
    Figure PCTCN2017082295-appb-100007
    为目标转弯加速度，(x,y)为目标的位置，v(t)为目标的切向速度，
    Figure PCTCN2017082295-appb-100008
    为目标航 向改变的角度，aq(t)和af(t)分别为目标运动的切向加速度和法向加速度，t表示相对于开始状态的秒数，取值范围是0到65535；
    假设aq(t)＝0，af(t)为常数，则目标运动包含以下两种形式：
    当af(t)＝0时，目标做直线运动，
    当af(t)≠0时，目标做曲线匀速运动，
    设
    Figure PCTCN2017082295-appb-100009
    即ω代表目标的转弯角速度，
    通过如下公式计算目标k+1时刻的的转弯角速度ω：
    Figure PCTCN2017082295-appb-100010
    其中，ωk为目标k时刻的转弯角速度，T为采样间隔，τω为角速度的时间相关常数，wω,k为白噪声；
    目标外推模型如下式所示：
    Xk+1＝A(ω)Xk+Bwk，
    其中Xk＝[xk,vxk,yk,vyk]T，xk,vxk,yk,vyk分别为目标k时刻的横轴位置、横轴向速度、纵轴位置和纵轴向速度，wk为白噪声，噪声阵B如下式所示：
    Figure PCTCN2017082295-appb-100011
    转移矩阵A(ω)由二维目标运动学方程离散化得到，具有两种形式：
    当ω＝0时：
    Figure PCTCN2017082295-appb-100012
    当ω≠0时：
    Figure PCTCN2017082295-appb-100013
    通过矩阵计算，得到外推轨迹k时刻的横轴位置xk、横轴向速度vxk、纵轴位置yk和纵轴向速度vyk。
  6. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤4-2中，如果管制指令包含了机场跑道、跑道等待点、滑行道、起飞程序、降落程序、停机位、航路航线、走廊口点、导航点信息，使用这些信息预测未来VSP时间的运行轨迹。
  7. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤5包括如下步骤：
    步骤5-1，设置判断参数，包括预测时间、水平间隔标准和垂直间隔标准，预测时间是判断冲突时系统向前推测的时间，水平间隔标准是航空器之间需要满足的最小水平间隔，垂直间隔标准是航空器之间需要满足的最小垂直间隔；
    步骤5-2，对冲突进行预判，排除与待处理航空器正在远离的航空器，排除与待处理航空器之间的距离超过一定范围的航空器；
    步骤5-3，对待处理航空器与其他所有航空器进行冲突判断：设置冲突判断的间隔时间，到设置的预测时间结束为止，判断待处理航空器与其他航空器之间的水平间隔是否符合水平间隔标准，并判断待处理航空器与其他航空器之间的垂直间隔是否符合垂直间隔标准，只要有一次同时违背水平和垂直间隔标准，判定存在冲突；
    步骤5-4，给出告警提示，告警提示信息包括两架航空器的航班号、距离相撞的时间和推测相撞位置。
  8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤5-3包括如下步骤：
    步骤5-3-1，航空器A的当前状态记为元组(x1,y1,v1,h1,t1)，(x1,y1)表示航空器A在当前时刻t1的地理投影坐标，v1表示航空器A在当前时刻t1的速度，h1表示航空器A在当前时刻t1的高度，航空器B的当前状态记为元组(x2,y2,v2,h2,t1)，(x2,y2)表示航空器B在当前时刻t1的地理投影坐标，v2表示航空器B在当前时刻t1的速度，h2表示航空器B在当前时刻t1的高度，采用直接外推法，分别对航空器A和航空器B进行未来5秒保持速度、航向的外推，外推后的航空器A和航空器B所在状态分别为(x3,y3,v1,h3,t1+5)和(x4,y4,v2,h4,t1+5)，外推后航空器A和航空器B相对当前时刻各自飞行的距离分别记为s1和s2，水平间隔标准设为d，垂直间隔标准设为K；
    步骤5-3-2，判定是否违背垂直间隔标准：如果|h1-h2|≥K，K为垂直间隔标准，判定不违背垂直间隔标准，结束判断流程，否则判定违背垂直间隔标准，并执行步骤5-3-3；
    步骤5-3-3，判断是否违背水平间隔标准：
    通过如下公式计算变量A、B、C：
    Figure PCTCN2017082295-appb-100014
    Figure PCTCN2017082295-appb-100015
    Figure PCTCN2017082295-appb-100016
    通过如下公式计算Δ：
    Δ＝B2-4AC，
    判断Δ的符号：
    如果Δ＝0，令ta＝-B，判断ta是否在区间(t1,t1+5)内，如果是，判定违背水平间隔标准，并且存在冲突，否则判定没有违背水平间隔标准；
    如果Δ>0，令
    Figure PCTCN2017082295-appb-100017
    判断ta或tb是否在区间(t1,t1+5)内，如果是，判定违背水平间隔标准，并且存在冲突，否则判定没有违背水平间隔标准；
    如果Δ<0，判定没有违背水平间隔标准。
PCT/CN2017/082295 2017-02-22 2017-04-27 一种基于管制语音的冲突告警方法 WO2018152960A1 (zh)

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