一种适用于直升机的防撞告警方法
【专利摘要】本发明公开了一种适用于直升机的防撞告警方法，包括：直升机飞行过程中以一定频率实时计算直升机的正常轨迹和逃逸轨迹；以直升机正常轨迹和逃逸轨迹为基础确定直升机障碍物/高压线告警边界；将障碍物和高压线系统进行简化处理；将障碍物数据和高压线数据叠加到地形数据库中完成地形数据库重构；将障碍物/高压线告警边界与重构后的地形数据库进行比较，从而进行告警判断；多功能显示器获得直升机周边的障碍物/高压线数据信息，并将以直升机所在位置为中心的周围一定范围内的障碍物/高压线显示在显示器上。本发明的方法对直升机航线上的障碍物和高压线提供防撞告警，提醒飞行员采取必要的机动措施，以避免障碍物或高压线碰撞事故发生。
【专利说明】
一种适用于直升机的防撞告警方法
技术领域
[0001]本发明属于直升机飞行的障碍物/高压线防撞告警技术领域，尤其涉及一种复杂气象条件下适用于低空飞行直升机的障碍物/高压线防撞告警方法。
【背景技术】
[0002]在航空飞行中，由于缺乏对飞行器周围地形、障碍物和高压线的感知而发生坠毁事故的情况被称为可控飞行撞地(controlled flight into terrain，CFIT)，可控飞行撞地一直以来都是现代商用航空飞行事故的主要原因之一。直升机常飞行于地理环境复杂的低空区域，CFIT也是重要的事故原因。直升机飞行过程中，不仅存在撞地危险，还有可能撞击到如电视塔、高层建筑、烟囱、输电塔等障碍物和高压线，从而引发CFIT事故。美国直升机飞行安全组织一份分析直升机飞行风险的报告显示因电缆或障碍物引起的事故占所有直升机飞行事故的16%，而这些事故中，机毁人亡事故比例达到了60%。因此，开发一种合理有效的障碍物/高压线防撞告警方法对于直升机低空飞行安全具有非常重要的意义。
[0003]为了减少直升机CFIT事故的发生，以美国Honeywell公司为首的航电厂商研制了直升机地形感知与告警系统(helicopter terrain awareness warning system，HTAWS)。各航电厂商的HTAWS的算法资料多处于非公开状态，只有Honeywell公司公开了其MKXXI和MKXXII型HTAWS的算法资料。Honeywell公司HTAWS前视告警的工作原理如下:基于直升机飞行状态，在其前进方向空间上生成一个虚拟的告警边界，告警边界由四个部分组成，即下视边界、前视边界、上视边界和侧边界。同时获取数据库提供的地形数据信息，实时比较告警边界与周边地形的空间位置关系，当告警边界与地形触碰时即触发告警，告警触发时HTAWS同时给出灯光告警和语音告警以提示飞行员进行规避机动。然而该算法仅提供地形防撞告警，并不具备障碍物和高压线防撞告警功能，而障碍物和高压线是造成直升机CFIT的重要原因之一。此外，该算法为了考虑通用性，其告警边界设计较为保守，因此具有虚警率较高的缺点，对于机动能力较强的军用直升机尤其是武装直升机，该算法的告警范围过大，提前告警时间过长，因而会大大限制直升机性能的发挥。
[0004]直升机飞行动力学模型通过分析直升机各个气动面的作用，对直升机操纵性进行分析，建立直升机飞行动力学方程组，可以求解直升机的操纵响应。直升机飞行动力学经过多年发展，目前已经能够建立较高精度的直升机飞行动力学模型。
[0005]地形数据库是将地球表面划分为无数的地形方格，以该方格内的最高点作为该地形方格的高程值，这些高程数据融合构成了地形数据库。目前全世界的全球高程数据有很多种，主要有德国的DLR数据、美国ASTER⑶EM数据、美国的SRTM数据、美国的GMTED数据等。美国ASTER⑶EM数据的分辨率已经可以达到30米，部分地区可以达到10米甚至3米。这些地形数据可以通过网络下载得到，可以作为本发明实现的基础。障碍物/高压线数据可由测绘或供电部门提供，此外某些商业公司也可以提供障碍物/高压线数据服务。
[0006]电子综合显示仪于20世纪70年代开始在飞机上使用，电子综合显示仪通过串口通信获得其他机载设备的相关数据，经过信息处理由字符图形发生器产生符合要求的信息画面。综合显示器实质上是一个机载计算机的终端数据图形显示设备。
【发明内容】
[0007]针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种适用于直升机的防撞告警方法，以解决现有技术中无法提供直升机的障碍物和高压线防撞告警功能的问题，极大地限制了直升机性能的发挥。本发明的方法对直升机航线上的障碍物和高压线提供防撞告警，提醒飞行员采取必要的机动措施，以避免障碍物或高压线碰撞事故发生。
[0008]为达到上述目的，本发明的一种适用于直升机的防撞告警方法，包括步骤如下:
1)直升机飞行过程中以一定频率实时计算直升机的正常轨迹和逃逸轨迹；
2)以直升机正常轨迹和逃逸轨迹为基础确定直升机障碍物/高压线告警边界；
3)将障碍物和高压线系统进行简化处理；
4)将障碍物数据和高压线数据叠加到地形数据库中完成地形数据库重构；
5)将障碍物/高压线告警边界与重构后的地形数据库进行比较，从而进行告警判断；
6)多功能显示器获得直升机周边的障碍物/高压线数据信息，并将以直升机所在位置为中心的周围一定范围内的障碍物/高压线显示在显示器上。
[0009]优选地，上述步骤I)中具体包括:正常轨迹为一条直线，从当前位置开始，沿着当前速度方向向前延伸;逃逸轨迹由直升机当前飞行参数代入高精度的直升机飞行动力学仿真程序计算得到。
[0010]优选地，上述步骤2)中具体包括:直升机飞行过程中在其下方留出一段安全距离，即最小安全高度，直升机正常飞行不低于这一高度，障碍物/高压线告警边界首先需要确定最小安全高度，然后根据FAA航空标准文件TS0-194C对提前告警时间的要求确定障碍物/高压线告警边界的前视距离，直升机正常轨迹、逃逸轨迹、最小安全高度和前视距离共同决定了纵向告警边界。
[0011 ]优选地，上述步骤2)中具体还包括:在起始宽度的基础上，以一定的偏斜角向前延伸即得到障碍物/高压线告警的侧边界;纵向告警边界与侧边界共同组成了障碍物/高压线告警边界。
[0012]优选地，上述步骤2)中具体还包括:障碍物/高压线告警边界分为内外两层，分别对应不同的紧急情况，内层边界和外层边界设计流程完全一致，区别仅在于确定前视距离时所对应的提前告警时间不一样，内层边界对应的提前告警时间较短，外层告警边界对应的提前告警时间较长。
[0013]优选地，上述步骤3)中具体包括:在处理障碍物时，根据障碍物的轮廓形状将其简化成底面为正方形的长方体立柱，以障碍物的中心位置为底面中心，障碍物的最大轮廓范围为底面边长，障碍物的最大实际高度为长方体立柱的高度，从而构成简化的障碍物长方体立柱模型。
[0014]优选地，上述步骤3)中具体包括:在处理高压线系统时，将其简化为障碍物圆柱模型，对于高压输电线，将其简化成两个高压输电塔之间的连接平面，连接平面的高度由相邻的两座高压输电塔的高度确定。
[0015]优选地，上述步骤4)中，地形数据库是将地球表面划分为无数的地形方格，以该方格内的最高点作为该地形方格的高程值，这些高程数据融合构成了地形数据库;对于障碍物数据，首先判断障碍物所处的地形方格，对于包含了障碍物的地形方格，在原有地形高程值的基础上加上障碍物高度作为该方格新的高程值;高压线系统中，对于每一段高压线，首先判断其跨越了哪些地形方格，对于高压线经过的地形方格，以高压线的海拔高度作为该方格新的高程值，地形数据库重构过程中同时建立一个标志位矩阵，将障碍物和高压线所在的位置标志出来。
[0016]优选地，上述步骤4)中，正常轨迹确定的告警边界与逃逸轨迹确定的告警边界同时与地形数据信息进行比较，正常轨迹和逃逸轨迹外层边界同时与地形碰撞时，告警模块给出警戒告警;正常轨迹和逃逸轨迹内层边界同时与地形碰撞时，告警模块给出警告告警。
[0017]本发明的有益效果:
1.本发明以直升机逃逸轨迹作为障碍物/高压线告警边界的基础，逃逸轨迹是直升机在遇到潜在的地形威胁时采取机动措施后的运动轨迹，地形与直升机逃逸轨迹触碰瞬间是直升机能否逃逸成功的时间临界点，过早告警将引起虚警，过晚告警将导致告警失败；因此以逃逸轨迹为基础设计前视告警边界可以最小化虚警率并最大化告警成功率。
[0018]2.本发明提供了障碍物和高压线告警功能，可以对直升机飞行航线上的障碍物和高压线进行预警，这是现有的地形防撞告警方法所不具备的。
[0019]3.本发明提供障碍物/高压线显示功能，将至直升机周边的障碍物和高压线以一定的方式显示在显示器上，使飞行员对周边障碍物/高压线等潜在的威胁有更直观的了解。
【附图说明】
[0020]图1为本发明方法的原理示意图。
[0021]图2a为障碍物的示意图。
[0022]图2b为高压线系统的示意图。
【具体实施方式】
[0023]为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
[0024]参照图1所示，本发明的一种适用于直升机的防撞告警方法，包括步骤如下:
步骤一:直升机飞行过程中以一定频率实时计算直升机正常轨迹103和逃逸轨迹104;
其中，根据直升机飞行参数101实时计算正常轨迹和逃逸轨迹，正常轨迹103为一条直线，从当前位置开始，沿着当前速度方向向前延伸即为正常轨迹;逃逸轨迹104由直升机飞行动力学仿真程序102计算得到，将直升机飞行参数101和机动方式代入直升机飞行动力学仿真程序102，即可求得直升机逃逸轨迹104。
[0025]步骤二:以直升机正常轨迹和逃逸轨迹为基础确定障碍物/高压线告警边界105;其中，直升机飞行过程中应该在其下方留出一段安全距离，即最小安全高度，直升机正常飞行应不低于这一高度，障碍物/高压线告警边界应首先确定最小安全高度，最小安全高度设为50米。根据TS0-194C的要求，警告告警至少提前20秒，警戒告警至少提前30秒。根据这一规定警告前视距离为直升机以当前状态飞行20秒通过的距离，警戒前视距离为直升机以当前状态飞行30秒通过的距离。正常轨迹和逃逸轨迹均向前延伸到前视距离处终止;直升机正常轨迹、逃逸轨迹、最小安全高度和前视距离共同确定了障碍物/高压线告警的纵向告警边界。
[0026]直升机飞行过程中所处的位置具有一定的横向不确定性，因此告警边界应具有一定宽度。前方越远处直升机位置不确定性越大，因此前方越远处告警边界的宽度也应该越大;在起始宽度的基础上，两侧以一定的偏斜角向前延伸即得到障碍物/高压线告警的侧边界。起始宽度设为60米，偏斜角设为I度(于其他实施例中也可为其他数值)。纵向告警边界，侧边界共同组成了障碍物/高压线告警边界;障碍物/高压线告警边界分为内外两层，分别对应警告告警和警戒告警，内层边界和外层边界设计流程完全一致，区别仅在于确定前视距离时所对应的提前告警时间不一样，内层边界对应的提前告警时间较短，外层告警边界对应的提前告警时间较长。
[0027]步骤三:将障碍物和高压线系统进行简化处理；其中，比较典型的障碍物有电视塔、通讯基站、大型烟囱、高层建筑等。这些障碍物的共同特点是平面几何尺寸相对较小但是高度较高，在处理时可以根据这些障碍物的轮廓形状将其简化成底面为正方形的长方体立柱(因为长方体所需几何参数较少)，以障碍物的中心位置为底面中心，障碍物的最大轮廓范围为底面边长，障碍物的最大实际高度为长方体立柱的高度，从而构成简化的障碍物长方体立柱模型。
[0028]对于高压线系统，一般由高压输电塔和高压输电线两部分组成。对于高压输电塔参照前述障碍物处理办法，将其简化为障碍物圆柱模型;对于高压输电线，则将其简化成两个高压输电塔之间的连接平面，连接平面的高度由相邻的两座高压输电塔的高度确定。
[0029]步骤四:将障碍物数据和高压线数据叠加到地形数据库中完成地形数据库重构109，地形数据库106是将地球表面划分为无数的地形方格，以该方格内的最高点作为该地形方格的高程值，这些高程数据融合构成了地形数据库106。为方便起见，障碍物可以简化为底面为正方形的长方体立柱，对于障碍物数据107，主要的数据信息包括:底面中心经玮度、底面边长、立柱高度;在地形数据库重构时，首先判断障碍物所处的地形方格，对于包含了障碍物的地形方格，在原有地形高程值的基础上加上障碍物高度(即立柱高度)作为该方格新的高程值。
[0030]障碍物所处的位置有多种可能的情形，如附图2a所示，当障碍物完全处于同一地形方格内时，如图中A障碍物，将障碍物的高度与该地形方格原有的高程值相加作为该方格新的高程值；当障碍物位于两个地形方格的交界处，同时跨越了两个地形方格时，如图中B障碍物，将障碍物的高度与这两个地形方格原有的高程值相加作为这两个方格新的高程值;若如C障碍物所示跨越了四个地形方格，则将障碍物的高度与这四个地形方格原有的高程值相加作为这四个地形方格新的高程值。
[0031]对于高压线数据108，一般由高压输电塔和高压输电线两部分组成。如附图2b所示，图中D/E/F表示高压输电塔，输电塔之间的连线表示高压输电线。高压线系统的数据信息主要包括:起点输电塔底面中心经玮度、起点输电塔底面边长、起点输电塔立柱高度、终点输电塔底面中心经玮度、终点输电塔底面边长、终点输电塔立柱高度;对于输电塔其数据库重构算法与障碍物相同，对于输电塔所处的地形方格，在原有地形高程值的基础上加上输电塔高度(即立柱高度)作为该方格新的高程值;若输电塔跨越了多个地形方格处理方法与障碍物相同，对于每一段高压线，首先判断其跨越了哪些地形方格，对于高压线经过的地形方格，以高压线的海拔高度作为该方格新的高程值；当起点输电塔与终点输电塔所在位置的地形高度不等时，高压线将在空间倾斜并与水平面形成一定夹角，因此，高压线不同位置处的海拔高度也不一样，而高压线与每个地形方格的边界会有两个交点，此时，可以分别计算这两个交点处高压线的高度，并选取这两者中的较大值作为该地形方格新的高程值。地形数据库重构过程中同时建立一个标志位矩阵110，将障碍物和高压线所在的位置标志出来，对于包含有障碍物的地形方格其标志信息设为I，对于包含高压输电塔/线的地形方格其标志信息设为2，对于既不包含障碍物也不包含高压输电塔/线的地形方格标志信息设为O O
[0032]步骤五:威胁判断模块111基于障碍物/高压线告警边界和经过重构的地形数据库进行告警判断;其中，正常轨迹确定的告警边界与逃逸轨迹确定的告警边界同时与地形数据信息进行比较，正常轨迹和逃逸轨迹外层边界同时与地形碰撞时，告警模块给出警戒告警，告警灯光112为黄色;正常轨迹和逃逸轨迹内层边界同时与地形碰撞时，告警模块给出警告告警，告警灯光112为红色。系统告警时，根据标志位矩阵的标志信息判断威胁类型，若障碍物触发了告警，告警语音113为“注意障碍物”；若高压线触发了告警，告警语音113为“注意高压线”；若障碍物和高压线同时触发了告警，则判断何种威胁距离直升机较近，根据较近的威胁类型进行语音告警。
[0033]步骤六:多功能显示器通过串口通信获得直升机周边的障碍物/高压线数据信息，并将以直升机为中心的周围10海里(此处为具体实例)范围内障碍物/高压线显示在显示器114上。障碍物和高压线用特殊的符号进行表示，并在标示在显示器对应位置处。高压输电塔的示意标志与障碍物相同，高压输电线的示意标志位相邻两个高压输电塔的连线，连线的宽度一般以飞行员肉眼可见为准。若威胁判断模块111显示某处障碍物或高压线导致了系统告警，该处的障碍物或高压线将以一定的频率闪动从而给予飞行员更直观的提示。
[0034]本发明具体应用途径很多，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，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种适用于直升机的防撞告警方法，其特征在于，包括步骤如下:1)直升机飞行过程中以一定频率实时计算直升机的正常轨迹和逃逸轨迹；2 )以直升机正常轨迹和逃逸轨迹为基础确定直升机障碍物/高压线告警边界；3)将障碍物和高压线系统进行简化处理；4)将障碍物数据和高压线数据叠加到地形数据库中完成地形数据库重构；5)将障碍物/高压线告警边界与重构后的地形数据库进行比较，从而进行告警判断；6)多功能显示器获得直升机周边的障碍物/高压线数据信息，并将以直升机所在位置 为中心的周围一定范围内的障碍物/高压线显示在显示器上。2.根据权利要求1所述的适用于直升机的防撞告警方法，其特征在于，上述步骤1)中具 体包括:正常轨迹为一条直线，从当前位置开始，沿着当前速度方向向前延伸；逃逸轨迹由 直升机当前飞行参数代入高精度的直升机飞行动力学仿真程序计算得到。3.根据权利要求1所述的适用于直升机的防撞告警方法，其特征在于，上述步骤2)中具 体包括:直升机飞行过程中在其下方留出一段安全距离，即最小安全高度，直升机正常飞行 不低于这一高度，障碍物/高压线告警边界首先需要确定最小安全高度，然后根据FAA航空 标准文件TS0-194C对提前告警时间的要求确定障碍物/高压线告警边界的前视距离，直升 机正常轨迹、逃逸轨迹、最小安全高度和前视距离共同决定了纵向告警边界。4.根据权利要求3所述的适用于直升机的防撞告警方法，其特征在于，上述步骤2)中具 体还包括:在起始宽度的基础上，以一定的偏斜角向前延伸即得到障碍物/高压线告警的侧 边界;纵向告警边界与侧边界共同组成了障碍物/高压线告警边界。5.根据权利要求4所述的适用于直升机的防撞告警方法，其特征在于，上述步骤2)中具 体还包括:障碍物/高压线告警边界分为内外两层，分别对应不同的紧急情况，内层边界和 外层边界设计流程完全一致，区别仅在于确定前视距离时所对应的提前告警时间不一样， 内层边界对应的提前告警时间较短，外层告警边界对应的提前告警时间较长。6.根据权利要求1所述的适用于直升机的防撞告警方法，其特征在于，上述步骤3)中具 体包括:在处理障碍物时，根据障碍物的轮廓形状将其简化成底面为正方形的长方体立柱， 以障碍物的中心位置为底面中心，障碍物的最大轮廓范围为底面边长，障碍物的最大实际 高度为长方体立柱的高度，从而构成简化的障碍物长方体立柱模型。7.根据权利要求1所述的适用于直升机的防撞告警方法，其特征在于，上述步骤3)中具 体包括:在处理高压线系统时，将其简化为障碍物圆柱模型，对于高压输电线，将其简化成 两个高压输电塔之间的连接平面，连接平面的高度由相邻的两座高压输电塔的高度确定。8.根据权利要求1所述的适用于直升机的防撞告警方法，其特征在于，高压线系统由高 压输电塔和高压输电线两部分组成。9.根据权利要求1所述的适用于直升机的防撞告警方法，其特征在于，上述步骤4)中， 地形数据库是将地球表面划分为无数的地形方格，以该方格内的最高点作为该地形方格的 高程值，这些高程数据融合构成了地形数据库;对于障碍物数据，首先判断障碍物所处的地 形方格，对于包含了障碍物的地形方格，在原有地形高程值的基础上加上障碍物高度作为 该方格新的高程值;高压线系统中，对于每一段高压线，首先判断其跨越了哪些地形方格， 对于高压线经过的地形方格，以高压线的海拔高度作为该方格新的高程值，地形数据库重 构过程中同时建立一个标志位矩阵，将障碍物和高压线所在的位置标志出来。10.根据权利要求9所述的适用于直升机的防撞告警方法，其特征在于，上述步骤4)中， 正常轨迹确定的告警边界与逃逸轨迹确定的告警边界同时与地形数据信息进行比较，正常 轨迹和逃逸轨迹外层边界同时与地形碰撞时，告警模块给出警戒告警;正常轨迹和逃逸轨 迹内层边界同时与地形碰撞时，告警模块给出警告告警。
【文档编号】G08G5/04GK106056979SQ201610455677
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月21日
【发明人】陆洋, 周成中, 卫瑞智, 刘以奋, 许细策
【申请人】南京航空航天大学