一种实时机载自动防撞地告警及回避决策方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种实时机载自动防撞地告警及回避决策方法和系统，该方法包括：根据载体的实时位置和姿态信息，通过飞机运动学模型，获取预测回避轨迹；根据预测回避轨迹类别构建地形扫描区域形状，通过载体的位置误差信息以及预设不确定轨迹增长角计算各采样轨迹点不确定宽度，通过相邻两帧不确定宽度构造外接矩形包络，提取包络内最大地形高程，形成预测回避轨迹下方地形剖面；构建用于评估预测回避轨迹风险的风险等级，对预测回避轨迹进行优先级排序；判断是否产生告警信号，若是则执行优先级最高的预测回避轨迹；否则不执行；该系统包括：回避决策模块、通知模块和执行回避模块；本发明专利技术能有效解决使得载体安全回避威胁地形的能力受限问题。形的能力受限问题。形的能力受限问题。

【技术实现步骤摘要】
一种实时机载自动防撞地告警及回避决策方法和系统


[0001]本专利技术涉及智能飞行器
，更具体的说是涉及一种实时机载自动防撞地告警及回避决策方法和系统。

技术介绍

[0002]自动防撞地系统(Automatic Ground Collision Avoidance System，AGCAS)，主要用于飞机，通过自动回避机制来防止发生可控飞行撞地事故，在飞行员任务饱和、迷失方向或者失去能力的情况下保护飞行员和飞机。AGCAS的工作原理是通过建立预测回避轨迹，与下方地形剖面进行比较，判断是否发生撞地危险，及时向飞行员告警并自动执行安全的回避机动。自动防撞地系统的关键在于回避机动的建立以及下方地形剖面的提取。传统回避轨迹采用标准的垂直上拉机动，先将机翼滚转至水平，在做极限负载因子下的上拉机动。然而，飞机在面临威胁地形时，极限上拉机动并不总是最有效的回避策略，例如面对平缓的威胁地形，较小的拉力即可满足回避需求，过大的拉力可能损耗飞机的性能。面对陡峭的威胁地形，即使采用极限拉力也可能无法实现前方地形的安全回避，在此情况下，左右侧向回避可能更有效。此外，地形剖面的提取依赖于飞机位置，对于每一种回避轨迹，由于导航定位误差、传感器误差以及地形数据误差等，实际预测位置可能存在一定的不确定性，这将严重影响回避策略的评估与判断。如何评估每一种回避策略的性能(包括与地形碰撞的概率、回避的安全程度以及飞机的实际性能等)，并给出回避策略的优先级顺序，将极大的提高载体防撞地性能，这也将有利于自动防撞地系统的推广和应用。
[0003]因此，如何提供一种实时机载自动防撞地告警及回避决策方法和系统是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术提供了一种实时机载自动防撞地告警及回避决策方法和系统，以解决目前自动防撞地系统采用极限回避机动、圆形外接包络以及“最后一人站立”回避策略，使得载体安全回避威胁地形的能力受限问题。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种实时机载自动防撞地告警及回避决策方法，包括以下步骤：
[0007]S1.根据载体的实时位置和姿态信息，通过飞机运动学模型，获取预测回避轨迹；
[0008]S2.根据所述预测回避轨迹类别构建地形扫描区域形状，通过载体的位置误差信息以及预设不确定轨迹增长角计算各采样轨迹点不确定宽度，通过相邻两帧不确定宽度构造外接矩形包络，提取包络内最大地形高程，形成预测回避轨迹下方地形剖面；
[0009]S3.根据扫描区域中威胁地形情况、飞机当前位置到威胁地形的时间以及飞行预测参数，构建用于评估所述预测回避轨迹风险的风险等级，对所述预测回避轨迹进行优先级排序；
[0010]S4.根据所述预测回避轨迹与地形剖面的撞地情况来判断是否产生告警信号，若
产生告警，则执行优先级最高的所述预测回避轨迹；否则，不执行任何所述预测回避轨迹。
[0011]优选的，所述预测回避轨迹包括：水平左转LL、左转爬升CL、前拉爬升FC、右转爬升CR和水平右转LR；通过三自由度近似法得到简化的状态运动方程为：
[0012][0013][0014][0015][0016][0017]其中，X为载体即时的水平位置，Y为侧向位置，Z为垂向位置，为水平速度，为侧向速度和垂向速度，V为地速，χ为航向角，γ为俯仰角，φ为滚转角，N
z
为负载因子；
[0018]通过负载因子N
z
和滚转角φ控制回避轨迹类别，根据预测时间和所述状态运动学模型，通过状态递推获得所述预测回避轨迹。
[0019]优选的，S2的具体内容包括：
[0020]1)根据所述预测回避轨迹类别选择地形扫描区域形状，其中，在直线水平飞行情况下，地形扫描区域为梯形；在转弯飞行情况下，地形扫描区域为管道状；
[0021]2)根据导航系统输出的所述位置误差信息以及所述预设不确定轨迹增长角，计算各采样轨迹点的不确定宽度UnWidth；
[0022]UnWidth＝σ
XY
+D
TPA
*sin(α)
[0023]式中，σ
XY
为导航解在水平方向的误差值；D
TPA
为当前轨迹点至初始位置的距离，为各轨迹点间的累积值；α为预测回避轨迹的不确定度增长角；
[0024]3)根据相邻两帧的不确定宽度构造外接矩形包络，提取包络内最大地形高程，形成预测回避轨迹下方地形剖面；
[0025]预测回避轨迹下方地形剖面除了所提取的地形高程外，根据导航系统提供的垂向定位误差，添加地形缓冲高度，形成最终用于碰撞检测的地形剖面。
[0026]优选的，S3的具体内容包括：
[0027]1)根据扫描区域中威胁地形情况、飞机当前位置到威胁地形的时间以及飞行预测参数，构建用于评估所述预测回避轨迹风险情况的发生度O、危险度S和改出度D，其中：
[0028]发生度O：根据所述预测回避轨迹扫描区域中超出当前预测飞行高度的地形高程数N
j
与区域内总地形数之比，衡量回避轨迹发生撞地事故的风险程度；
[0029]危险度S：根据所述预测回避轨迹与威胁地形发生碰撞时的预测时间与完成预测回避轨迹的总时间之比，作为衡量所述预测回避轨迹发生撞地的危险程度S；
[0030]改出度D：根据当前位置的不确定度，构成切出不确定区域，记录切出不确定区域无威胁地形时所对应的轨迹点的航向角或俯仰角，计算对应角度变化量与当前轨迹整体角度变化量的比值衡量所述预测回避轨迹安全改出程度；
[0031]2)以改出度O、危险度S和改出度D为自变量x，计算不同负载因子下各所述预测回避轨迹的效用值v、后悔值R和感知效用值u；
[0032]3)根据各所述预测回避轨迹的感知效用值u以及飞机性能参数，计算所述预测回避轨迹的相对重要性Q；
[0033]4)根据所述相对重要性Q计算风险等级，对所述预测回避轨迹进行优先级排序；Q值越小对应风险等级越低，对应的所述预测回避轨迹的优先级越高；反之，Q值越大对应风险等级越高，对应的所述预测回避轨迹的优先级越低。
[0034]优选的，S4中根据所述预测回避轨迹与地形剖面的撞地情况来判断是否产生告警信号的具体内容包括：
[0035]所述预测回避轨迹与地形剖面的撞地情况由各轨迹点的预测飞行高度与添加了地形缓冲高度的剖面高程比较判断；若轨迹点的预测飞行高度小于剖面高程则该地形剖面高程为威胁地形，存在撞地风险；否则不存在撞地风险。
[0036]一种实时机载自动防撞地告警及回避决策系统，包括：回避决策模块、通知模块和执行回避模块；
[0037]所述回避决策模块，用于根据载体的实时位置和姿态信息，通过飞机运动学模型，获取预测回避轨迹；根据所述预测回避轨迹类别构建地形扫描区域形状，通过载体的位置误差信息以及预设不确定轨迹增长角计算各采样轨迹点不确定宽度，通过相邻两帧不确定宽度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种实时机载自动防撞地告警及回避决策方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.根据载体的实时位置和姿态信息，通过飞机运动学模型，获取预测回避轨迹；S2.根据所述预测回避轨迹类别构建地形扫描区域形状，通过载体的位置误差信息以及预设不确定轨迹增长角计算各采样轨迹点不确定宽度，通过相邻两帧不确定宽度构造外接矩形包络，提取包络内最大地形高程，形成预测回避轨迹下方地形剖面；S3.根据扫描区域中威胁地形情况、飞机当前位置到威胁地形的时间以及飞行预测参数，构建用于评估所述预测回避轨迹风险的风险等级，对所述预测回避轨迹进行优先级排序；S4.根据所述预测回避轨迹与地形剖面的撞地情况来判断是否产生告警信号，若产生告警，则执行优先级最高的所述预测回避轨迹；否则，不执行任何所述预测回避轨迹。2.根据权利要求1所述的一种实时机载自动防撞地告警及回避决策方法，其特征在于，所述预测回避轨迹包括：水平左转LL、左转爬升CL、前拉爬升FC、右转爬升CR和水平右转LR；通过三自由度近似法得到简化的状态运动方程为：通过三自由度近似法得到简化的状态运动方程为：通过三自由度近似法得到简化的状态运动方程为：通过三自由度近似法得到简化的状态运动方程为：通过三自由度近似法得到简化的状态运动方程为：其中，X为载体即时的水平位置，Y为侧向位置，Z为垂向位置，为水平速度，为侧向速度和垂向速度，V为地速，χ为航向角，γ为俯仰角，φ为滚转角，N
z
为负载因子；通过负载因子N
z
和滚转角φ控制回避轨迹类别，根据预测时间和所述状态运动学模型，通过状态递推获得所述预测回避轨迹。3.根据权利要求1所述的一种实时机载自动防撞地告警及回避决策方法，其特征在于，S2的具体内容包括：1)根据所述预测回避轨迹类别选择地形扫描区域形状，其中，在直线水平飞行情况下，地形扫描区域为梯形；在转弯飞行情况下，地形扫描区域为管道状；2)根据导航系统输出的所述位置误差信息以及所述预设不确定轨迹增长角，计算各采样轨迹点的不确定宽度UnWidth；UnWidth＝σ
XY
+D
TPA
*sin(α)式中，σ
XY
为导航解在水平方向的误差值；D
TPA
为当前轨迹点至初始位置的距离，为各轨迹点间的累积值；α为预测回避轨迹的不确定度增长角；3)根据相邻两帧的不确定宽度构造外接矩形包络，提取包络内最大地形高程，形成预测回避轨迹下方地形剖面；预测回避轨迹下方地形剖面除了所提取的地形高程外，根据导航系统提供的垂向定位误差，添加地形缓冲高度，形成最终用于碰撞检测的地形剖面。4.根据权利要求1所述的一种实时机载自动防撞地告警及回避决策方法，其特征在于，
S3的具体内容包括：1)根据扫描区域中威胁地形情况、飞机当前位置到威胁地形的时间以及飞行预测参数，构建用于评估所述预测回避轨迹风险情况的发生度O、危险度S和改出度D，其中：发生度O：根据所述预测回避轨迹扫描区域中超出当前预测飞行高度的地形高程数N
j
与区域内总地形数之比，衡量回避轨迹发生撞地事故的风险程度；危险度S：根据所述预测回避轨迹与威胁地形发生碰撞时的预测时间与完成预测回避轨迹的总时间之比，作为衡量所述预测回避轨迹发生撞地的危险程度...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵龙，陈瑞，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：