基于地形跟随模型的极限告警曲线计算方法与流程

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1.本发明属于近地告警系统中告警曲线阈值计算领域技术领域，尤其涉及基于地形跟随模型的极限告警曲线计算方法。

背景技术：

2.在航空事业中，可控飞行撞地事故是航空运输过程中频繁出现的危害，指在飞行中不是由于飞机本身的故障或发动机失效等原因，而是由于飞行员未能及时觉察与障碍物的危险接近，致使飞机撞山、撞地或入水引发的飞行事故。近年来，为了应对此类事故，国内外均展开了近地告警系统的研究与应用，国内不少专家学者对基于系统性能、虚拟三维环境、scade的近地告警系统进行了研究与设计，对从国外发起的增强型近地告警系统进行了不断的改进，对空中防撞系统与近地告警系统在未来发展中的融合趋势进行了分析，还有学者为了减少实验成本对仿真实验平台进行了详细研究。
3.我国在近地告警技术方面起步较晚，技术还不成熟，自主设计的近地告警系统在实际使用过程中存在各种问题。从以往的研究成果来看，大多数学者主要通过模拟随机地形，利用蒙特卡罗方法研究飞机操作性能参数进而得到各种告警包线或者告警阈值，用飞机状态与之作比较进行近地告警判断。现有方法基于随即地形不具备真实性，此外蒙特卡罗方法是一种统计方法计算复杂且存在概率误差。

技术实现要素：

4.发明目的
5.为解决上述问题，本发明提出了一种可靠有效的低空飞行极限告警曲线计算方法，利用极限告警曲线可以直接判断是否会发生撞地危险，并且能够在实际飞行过程中有效发出告警并给出合理的极限避撞方案。
6.发明技术解决方案
7.基于地形跟随模型的极限告警曲线计算方法，该方法首先根据数字地形数据进行地形跟随航迹规划，然后构建飞机的基本运动模型和碰撞模型，利用每个规划航迹点的飞行状态(飞机所在位置、空速、航向等)建立对应的告警方法，对于触发告警的情况根据避障操作过程得到一系列极限告警点，最后利用拟合方法得到一条完整的极限告警曲线。
8.优选的，采用综合航迹平滑算法进行航迹规划。
9.优选的，碰撞模型采用圆柱形碰撞模型，将飞机周围圆柱形区域caz设为安全区域，当障碍物与caz区域相交时，便认为飞机发生了实际碰撞。
10.优选的，告警方法为：利用当前飞机状态和飞机运动模型对未来60s内的飞机位置进行预测，并不断与途经地形高度作比较，如果在未来60s内飞机所在高度h
t
一直满足式(2)，则航路安全，不触发告警，否则会触发告警，提示飞行员需要进行避撞操作；
11.h
t
》h
t
+h
caz
/2(t＝0,
…
,60)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
12.式中，h
t
为飞机所在位置的地形高度；h
caz
为caz区域的柱高。
13.优选的，该方法选择速度、俯仰角和航向角作为飞机运动的控制量。
14.优选的，极限告警点的计算过程是：首先假设飞机以当前运动状态继续作匀速直线运动，以1s为间隔得到一系列预测轨迹点，接着以这些轨迹点为起点进行垂直拉起避撞过程仿真，当迭代到某个预测位置时，从该点开始垂直避撞飞机会与地面相撞，该点就是极限告警点。
15.优选的，飞机的垂直避撞过程可分为四个阶段：飞行员反应阶段、拉升阶段、逃逸阶段和恢复平飞阶段；具体极限告警点的计算方法为：
16.(1)在反应阶段，有
[0017][0018]
其中，s
re
是反应阶段结束时的位置，t
re
为飞行员反应时间，v
eh
为速度矢量；
[0019]
(2)在拉升阶段，设飞行员在操作过程中保持空速不变且操作动作稳定匀速，则拉起角度δθ和拉升阶段结束时的位置s
pu
分别为
[0020]
δθ＝ωyt
pu
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0021][0022]
其中，ωy为拉起角速度，t
pu
为拉起时间，为航向角，θ0为初始俯仰角；
[0023]
由于受到飞机的最大上升速度v
zmax
的限制，则存在最大俯仰角θ
max
，并且拉起时间t
pu
满足公式(7)：
[0024][0025][0026]
当飞机完成拉升操作后，记最终俯仰角为θ，则在垂直平面内速度投影的斜率可以表示为
[0027]
k＝tanθ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0028]
设飞机拉升结束时的位置为s
pu
＝[x
tt
，y
tt
，z
tt
]
t
，前方飞行轨迹区域内的规避目标为s
tt
＝[x
tt
，y
tt
，z
tt
]
t
，该规避目标应该满足四个条件：一是高度高于飞机碰撞模型最低高度；二是必须处于飞机飞行轨迹区域内；三是与飞机当前位置的高度差和水平距离差的比大于两者之间的地形障碍物与飞机当前位置的高度差和水平距离差的比；四是飞机规避此目标后能继续安全飞行60s；则最大避障坡度为
[0029][0030]
若k≥tanθ
es
，则飞机能够避撞成功；反之则飞机无法通过垂直壁障规避障碍物；
[0031]
(3)在逃逸阶段，飞机以θ角匀速上升，则飞机稳定结束时的位置s
up
可以表示为
[0032][0033]
上式中s
up
是飞机稳定结束时的位置，t
up
是稳定上升结束时间，t
up
+t
pu
+t
re
就是飞机从告警发出到达到安全高度所用的时间；
[0034]
(4)在恢复平飞阶段，其运动轨迹方程的求解类似于抬升阶段，则飞机恢复平飞后的位置s
pd
为
[0035][0036]
上式中s
pd
是飞机恢复平飞后的位置。
[0037]
优选的，获取地形数据后，利用地理信息软件以数字化的方式对区域内的地形进行utm投影，最后将xe轴、ye轴和ze轴地形数据导出到txt文件中供仿真软件读取。
[0038]
本发明的优点：该算法能有效发出告警并给出合理的极限避撞方案。
附图说明
[0039]
图1为圆柱体碰撞模型。
[0040]
图2为极限告警曲线仿真流程。
具体实施方式
[0041]
本发明是通过如下技术方案予以实现的。
[0042]
基于地形跟随模型的极限告警曲线计算方法，该方法首先根据全球数字地形数据进行地形跟随航迹规划，然后构建飞机的基本运动模型和碰撞模型，利用每个规划航迹点的飞行状态，建立了对应的告警方法，接着对于触发告警的情况下根据避障操作过程得到了一系列极限告警点，最后利用拟合方法得到一条完整的极限告警曲线。
[0043]
1)告警算法
[0044]
算法选择速度、俯仰角和航向角作为飞机运动的控制量(忽略滚转角、迎角和侧滑
角)。将大地坐标的原点设为飞机运动的起点，大地坐标系在水平面下两个轴的正方向分别指向地球北方和东方，垂直于水平面的轴的正方向则指向地心，按顺序定义为xe轴、ye轴和ze轴。速度坐标系的原点则设为机体的质心，坐标系在机体所在平面下的两个轴分别指向机体前方(即速度方向)和机体右侧，垂直于平面的轴则由座舱盖指向座椅方向，按顺序定义为xv轴、yv轴和zv轴。
[0045]
算法使用圆柱形碰撞模型，即将飞机周围圆柱形区域caz设为安全区域。当障碍物与caz区域相交时，便认为飞机发生了实际碰撞。设飞机质心(x0，y0，z0)为碰撞模型中心，以h
caz
和r
caz
作为caz区域的柱高和半径。h
caz
和r
caz
的取值受gps定位精度、飞机高度表精度、飞机速度和人为因素的影响，模型结构如图1所示。
[0046]
caz区域中的任一点(x，y，z)始终满足以下公式：
[0047][0048]
使用综合航迹平滑算法对飞机的飞行路径进行规划，该算法充分考虑了飞机进行地形跟随时机动性能和安全性问题，对于不同性能的飞机，只要改变相应的机动性能约束值，即可适用于各种飞机，因此该方法简单实用、适用性强，满足地形跟随原则且不会出现撞山撞地危险，保证了飞行安全。
[0049]
在完成路径规划后，每个规划航路点上的飞行状态是可以计算得到的。当飞机开始按照规划航迹飞行时，当前飞机的飞行状态(位置、速度、方向等)已知，告警系统开始判断是否存在撞地危险和是否发出告警。具体的告警方法是：告警系统利用当前飞机状态和飞机运动模型对未来60s内的飞机位置进行预测，并不断与途经地形高度作比较，如果在未来60s内飞机所在高度ht一直满足式(2)，则航路安全，不触发告警，否则会触发告警，提示飞行员需要进行避撞操作。
[0050]ht
》h
t
+h
caz
/2(t＝0,...,60)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0051]
其中h
t
表示飞机所在位置(x，y)的地形高度。
[0052]
2)极限告警点的定义与算法
[0053]
在飞机飞行过程中，如果根据1)中告警方法判断存在撞毁危险，触发系统告警，则该时刻飞机的所在位置构成一个告警点。极限告警点指飞行器以当前运动状态继续飞行且存在撞毁危险时，在未来飞行轨迹某一点必须执行拉起避撞操作或者规避目标操作的一个极限位置，否则无法成功避撞。极限告警点的意义是飞机以当前运动状态继续飞行直到极限告警点之前都可以利用拉起操作成功避障，但是一旦超过极限告警点位置，无论如何操作飞机，飞机一定会发生撞地危险。
[0054]
根据1)中告警方法，在告警被触发后，近地告警系统开始计算极限告警点。极限告警点的计算过程是：首先假设飞机以当前运动状态继续作匀速直线运动，以1s为间隔得到一系列预测轨迹点，接着以这些轨迹点为起点进行垂直拉起避撞过程仿真，当迭代到某个预测位置时，从该点开始垂直避撞飞机会与地面相撞，该点就是极限告警点。
[0055]
飞机的垂直避撞过程可分为四个阶段：飞行员反应阶段、拉升阶段、逃逸阶段和恢复平飞阶段。飞行员反应阶段是指系统发出警告到飞行员采取避撞行动的延迟阶段；拉升
阶段是指飞行员改变飞机飞行参数从而使飞机加速上升的阶段；逃逸阶段是指飞机稳定爬升并避开障碍物的阶段；恢复平飞阶段是飞机由稳定爬升状态恢复到平飞状态的阶段。若飞机上升至指定高度，并且通过前方障碍物后能继续安全飞行，则认为飞机避撞成功。以下算法的建立都基于大地坐标系。
[0056]
(1)在反应阶段，有
[0057][0058]
其中，s
re
是反应阶段结束时的位置，t
re
为飞行员反应时间，v
eh
为速度矢量。
[0059]
(2)在拉升阶段，设飞行员在操作过程中保持空速不变且操作动作稳定匀速，则拉起角度δθ和拉升阶段结束时的位置s
pu
分别为
[0060]
θ＝ωyt
pu
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0061][0062]
其中，ωy为拉起角速度，t
pu
为拉起时间，为航向角，θ0为初始俯仰角。
[0063]
由于受到飞机的最大上升速度v
zmax
的限制，则存在最大俯仰角θ
max
，并且拉起时间t
pu
满足公式(7)：
[0064][0065][0066]
当飞机完成拉升操作后，记最终俯仰角为θ，则在垂直平面内速度投影的斜率可以表示为
[0067]
k＝tanθ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0068]
设飞机拉升结束时的位置为s
pu
＝[x
tt
，y
tt
，z
tt
]
t
，前方飞行轨迹区域内的规避目标为s
tt
＝[x
tt
，y
tt
，z
tt
]
t
，该规避目标应该满足四个条件：一是高度高于飞机碰撞模型最低高度；二是必须处于飞机飞行轨迹区域内；三是与飞机当前位置的高度差和水平距离差的比大于两者之间的地形障碍物与飞机当前位置的高度差和水平距离差的比；四是飞机规避此目标后能继续安全飞行60s。则最大避障坡度为
[0069]
mapper地理信息软件可以直接以数字化的方式对区域内的地形进行utm投影，最后将xe轴、ye轴和ze轴地形数据导出到txt文件中以便matlab进行读取和处理。本仿真选取的地形数据是介于北纬26
°
～27
°
和东经108
°
～109
°
之间的30m分辨率的dem数据。
[0084]
步骤2：航迹规划。利用地形数据对飞机航路进行规划，即地形跟随过程。
[0085]
步骤3：监测并告警。规划好航路后就可以获得当前航路点的运动状态，对其持续监测，按照匀速直线运动做航迹预测，与途经地形高度作比较，如果飞机存在撞毁危险，则触发告警，否则进行下一航路点的监测与告警。
[0086]
步骤4：极限告警点计算。当告警被触发后，近地告警系统开始计算极限告警点，通过对每个预测状态点进行避撞过程仿真，当迭代到某个预测位置，从该点开始避撞飞机会有撞地危险，该点就是极限告警点，提醒飞行员一定要在该点之前拉起，防止碰撞。
[0087]
步骤5：经过步骤3、4不断进行极限告警点的判断与计算，近地告警系统就可以得到一条极限告警曲线。
[0088]
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的是让熟悉该技术领域的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此来限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神本质所作出的等同变换或修饰，都应涵盖本发明的保护范围内。本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

技术特征：

1.基于地形跟随模型的极限告警曲线计算方法，其特征在于：该方法首先根据数字地形数据进行地形跟随航迹规划，然后构建飞机的基本运动模型和碰撞模型，利用每个规划航迹点的飞行状态设置对应的告警方法，对于触发告警的情况根据避障操作过程得到一系列极限告警点，最后利用拟合方法得到一条完整的极限告警曲线。2.如权利要求1所述的基于地形跟随模型的极限告警曲线计算方法，其特征在于，采用综合航迹平滑算法进行航迹规划。3.如权利要求1所述的基于地形跟随模型的极限告警曲线计算方法，其特征在于，碰撞模型采用圆柱形碰撞模型，将飞机周围圆柱形区域caz设为安全区域，当障碍物与caz区域相交时，便认为飞机发生了实际碰撞。4.如权利要求3所述的基于地形跟随模型的极限告警曲线计算方法，其特征在于，告警方法为：利用当前飞机状态和飞机运动模型对未来60s内的飞机位置进行预测，并不断与途经地形高度作比较，如果在未来60s内飞机所在高度h
t
一直满足式(2)，则航路安全，不触发告警，否则会触发告警，提示飞行员需要进行避撞操作；h
t
＞h
t
+h
caz
/2(t＝0,...,60)
ꢀꢀꢀꢀ
(2)式中，h
t
为飞机所在位置的地形高度；hcaz为caz区域的柱高。5.如权利要求1所述的基于地形跟随模型的极限告警曲线计算方法，其特征在于，该方法选择速度、俯仰角和航向角作为飞机运动的控制量。6.如权利要求1所述的基于地形跟随模型的极限告警曲线计算方法，其特征在于，极限告警点的计算过程是：首先假设飞机以当前运动状态继续作匀速直线运动，以1s为间隔得到一系列预测轨迹点，接着以这些轨迹点为起点进行垂直拉起避撞过程仿真，当迭代到某个预测位置时，从该点开始垂直避撞飞机会与地面相撞，该点就是极限告警点。7.如权利要求1所述的基于地形跟随模型的极限告警曲线计算方法，其特征在于，飞机的垂直避撞过程可分为四个阶段：飞行员反应阶段、拉升阶段、逃逸阶段和恢复平飞阶段；具体极限告警点的计算方法为：(1)在反应阶段，有其中，s
re
是反应阶段结束时的位置，t
re
为飞行员反应时间，v
eh
为速度矢量；(2)在拉升阶段，设飞行员在操作过程中保持空速不变且操作动作稳定匀速，则拉起角度δθ和拉升阶段结束时的位置s
pu
分别为δθ＝ω
y
t
pu
ꢀꢀꢀꢀ
(4)
其中，ω
y
为拉起角速度，t
pu
为拉起时间，为航向角，θ0为初始俯仰角；由于受到飞机的最大上升速度v
zmax
的限制，则存在最大俯仰角θ
max
，并且拉起时间t
pu
满足公式(7)：足公式(7)：当飞机完成拉升操作后，记最终俯仰角为θ，则在垂直平面内速度投影的斜率可以表示为k＝tanθ
ꢀꢀꢀꢀ
(8)设飞机拉升结束时的位置为s
pu
＝[x
tt
，y
tt
，z
tt
]
t
，前方飞行轨迹区域内的规避目标为s
tt
＝[x
tt
，y
tt
，z
tt
]
t
，该规避目标应该满足四个条件：一是高度高于飞机碰撞模型最低高度；二是必须处于飞机飞行轨迹区域内；三是与飞机当前位置的高度差和水平距离差的比大于两者之间的地形障碍物与飞机当前位置的高度差和水平距离差的比；四是飞机规避此目标后能继续安全飞行60s；则最大避障坡度为若k≥tanθ
es
，则飞机能够避撞成功；反之则飞机无法通过垂直壁障规避障碍物；(3)在逃逸阶段，飞机以θ角匀速上升，则飞机稳定结束时的位置s
up
可以表示为上式中s
up
是飞机稳定结束时的位置，t
up
是稳定上升结束时间，t
up
+t
pu
+t
re
就是飞机从告警发出到达到安全高度所用的时间；(4)在恢复平飞阶段，其运动轨迹方程的求解类似于抬升阶段，则飞机恢复平飞后的位置s
pd
为
上式中s
pd
是飞机恢复平飞后的位置。8.如权利要求1所述的基于地形跟随模型的极限告警曲线计算方法，其特征在于，获取地形数据后，利用地理信息软件以数字化的方式对区域内的地形进行utm投影，最后将x
e
轴、y
e
轴和z
e
轴地形数据导出到txt文件中供仿真软件读取。

技术总结

本发明公开了基于地形跟随模型的极限告警曲线计算方法，该方法首先根据数字地形数据进行地形跟随航迹规划，然后构建飞机的基本运动模型和碰撞模型，利用每个规划航迹点的飞行状态建立对应的告警方法，对于触发告警的情况根据避障操作过程得到一系列极限告警点，最后利用拟合方法得到一条完整的极限告警曲线。该算法能有效发出告警并给出合理的极限避撞方案。案。案。