一种用于航空飞机的机载导航监视系统

1.本发明属于航空导航领域，涉及用于航空飞机的机载导航监视技术，具体是一种用于航空飞机的机载导航监视系统。


背景技术：

2.随着国民经济发展水平的提高，对航空行业的服务需求也越来越大。但由于航空建设相对滞后，保障水平不高，难以满足通用航空行业快速发展的需求。因此，如何为航空飞机提供相适应的监视手段是当前亟待解决的问题。
3.目前的机载导航监视系统实时解算航空飞机的空间位置信息，并通过机载显示器进行显示；以及通过通信网络获取该航空飞机周围是否存在其他航空飞机，对存在危险的其他航空飞机进行及时预警。现有技术主要判断航空飞机当前所处位置是否存在危险并预警，无法对航空飞机后续的飞行路线以及周围潜在危险因素进行分析预警，导致驾驶人员无法及时做出预判，难以保证航空飞机安全；因此，亟须一种用于航空飞机的机载导航监视系统。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一；为此，本发明提出了一种用于航空飞机的机载导航监视系统，用于解决现有技术无法对航空飞机的飞行路线和周围的潜在危险因素进行预判，导致驾驶人员无法及时操作，难以保证航空飞机安全的技术问题。
5.为实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种用于航空飞机的机载导航监视系统，包括中枢分析模块，以及与之相连接的数据交互模块和导航展示模块；中枢分析模块通过与数据交互模块相连接的导航集成模块获取导航飞行路线；基于导航飞行路线对航空飞机的实时飞行路线进行分段特征验证；当验证未通过时，通过导航展示模块对实时飞行路径进行预警；以及当验证通过时，识别警戒范围内的警戒飞机，建立数据交互模块与警戒飞机的临时连接，并获取警戒飞机的短时飞行特征；根据短时飞行特征判断是否对航空飞机造成威胁；是，则通过导航展示模块进行预警；否，则持续判断；其中，短时飞行特征根据警戒范围确定，警戒飞机为警戒范围内的其他飞行器。
6.机载导航对于航空飞机来说非常重要，而航空飞机在实际飞行过程中会有自动控制和手动控制两种控制方式，自动控制一般会按照导航飞行路线来飞行，而手动控制很可能会偏离导航飞行路线。因此，在航空飞机偏离导航飞行路线时，应及时预警，同时还要考虑航空飞机的飞行路线是否存在与其他飞行器撞击的风险。
7.本发明基于实时飞行路线和导航飞行路线判断航空飞机是否发生偏离，若发生偏离则进行预警，驾驶人员或者自动驾驶系统应该将航空飞机拉回到导航飞行路线上。无论航空飞机是否偏离导航飞行路线，其均存在实时飞行路线，接着要判断警戒飞机是否会与航空飞机发生碰撞，以便及时人员或者自动控制系统能够及时操作。
8.优选的，所述中枢分析模块分别与数据交互模块和导航展示模块通信和/或电气连接；且所述导航展示模块用于展示导航监视信息；所述数据交互模块与导航集成模块通信和/或电气连接；其中，数据交互模块在授权的情况下可与警戒范围内警戒飞机建立临时连接，导航集成模块可与各类导航平台进行数据交互。
9.中枢分析模块主要负责数据处理，与数据交互模块和导航展示模块进行数据交互。数据交互模块与导航集成模块进行数据交互，导航集成模块与各导航平台进行数据交互，各导航平台根据航空飞机的相关指令为其提供导航飞行路线。导航展示模块主要对导航信息进行展示，包括航空飞机的位姿状态以及相关预警信息。
10.优选的，所述基于导航飞行路线对航空飞机的实时飞行路线进行分段特征验证，包括：根据实时飞行路线与导航飞行路线的初步判断确定验证周期；基于验证周期提取实时飞行路线和导航飞行路线，分别标记为分段路线和验证路线；其中，验证路线对应时长至少是分段路线的两倍；在分段路线的基础上，以正常位姿状态模拟航空飞机是否能够在一个验证周期内与验证路线重合；是，则验证通过；否，则验证未通过。
11.本发明中的初步判断主要是判断实时飞行路线与导航飞行路线是否重合，若重合则验证通过，若不重合则确定验证周期。在验证周期的基础上判断航空飞机能够在短时间内以正常姿态回归导航飞行路线，若无法在短时间内回归导航飞行路线则对其进行预警，以尽早采取措施；若可以在短时间内回归导航飞行路线，则判定航空飞机的飞行状态正常，不需要进行后续处理。
12.优选的，所述根据实时飞行路线与导航飞行路线的初步判断确定验证周期，包括：从实时飞行路线和导航飞行路线上一重合点开始，获取航空飞机当前位置与导航飞行路线的偏移角度和偏移距离，分别标记为pd和pj；通过公式yz＝α/[pj
×
exp(|pd|)]获取验证周期yz；其中，α为根据经验设定的比例系数，且α大于0。
[0013]
本发明基于实时飞行路线和导航飞行路线的偏离程度来确定验证周期，先确定两飞行路线上一重合点，基于该重合点确定当前的偏移角度以及偏移距离。根据偏移角度和偏移距离计算获取验证周期，偏移角度越大，偏移距离越大则验证周期越小。需要注意的是，航空飞机的飞行空间是三维的，因此偏移角度和偏移距离均放置在三维空间中计算。
[0014]
优选的，所述当验证通过时，识别警戒范围内的警戒飞机，包括：以航空飞机为圆心，以设定值为半径确定警戒范围；其中，设定值结合航空飞机的位姿状态设定，位姿状态包括飞行速度、飞行方向以及飞行高度；识别警戒范围中影响航空飞机的其他飞行器，标记为警戒飞机。
[0015]
本发明中的验证通过包括航空飞机的实时飞行路线与导航飞行路线一致，以及实时飞行路线与导航飞行路线不一致，但能够在短时间内拉回到导航飞行路线中。验证不通过则是指实时飞行路线与导航飞行路线不一致，而且在短时间内也无法使得航空飞机按照导航飞行路线飞行。需要注意的是，在航空飞机能够在短时间内回归到导航飞行路线时，驾驶人员或者自动控制系统应该控制航空飞机回到导航飞行路线继续飞行。
[0016]
在这种情况下，需要判断在接下来的飞行过程中其他飞行器是否会对航空飞机造成影响。因此，以航空飞机为中心，以设定值为半径获取警戒范围，进而分析警戒范围内的飞行器。设定值就是警戒范围(警戒范围为球形)的半径，其根据航空飞机的飞行速度来确定，飞行速度大则警戒范围大，具体可以以飞行速度和验证周期的乘积来作为设定值。
[0017]
优选的，所述建立数据交互模块与警戒飞机的临时连接，并获取警戒飞机的短时飞行特征，包括：建立临时连接之后，将航空飞机的警戒范围发送至警戒飞机；警戒飞机基于警戒范围提取预设飞行路线；其中，预设飞行路线包括导航路线或者手动路线；数据交互模块将预设飞行路线标记为短时飞行特征，与对应警戒飞机关联。
[0018]
识别到警戒飞机后，通过数据交互模块与其建立临时连接，当然临时连接需要经过警戒飞机的授权。建立临时连接之后，警戒飞机将自身在警戒范围内的预设飞行路线(实际也就是导航飞行路线)发送至数据交互模块，预设飞行路线的其他部分则不发送。因此，短时飞行特征是警戒飞机对应预设飞行路线在警戒范围内的部分。
[0019]
优选的，所述根据短时飞行特征判断是否对航空飞机造成威胁，包括：判断短时飞行特征和导航飞行路线是否存在等时交叉点；是，则进行下一步；否，则判定对应警戒飞机不会对航空飞机造成威胁；其中，等时交叉点是指两条飞行路线在同一时刻到达的同一位置；判断等时交叉点处航空飞机是否沿着导航飞行路线飞行；是，则判定对应警戒飞机会对航空飞机造成威胁，否，则判断短时飞行特征是否与模拟飞行路线存在等时交叉点。
[0020]
本发明的等时交叉点并不单纯是短时飞行特征与导航飞行路线或者模拟飞行路线的交叉点。其要素之一在于时间点，即同一时刻若短时飞行特征与导航飞行路线或者模拟飞行路线存在交叉点，则该交叉点是等时交叉点。也可以立即为航空飞机和警戒飞机按照导航飞行路线飞行时在等时交叉点会发生碰撞。
[0021]
若航空飞机沿着导航飞行路线飞行，则判断短时飞行特征与导航飞行路线是否存在等时交叉点。若航空飞机并没有完全按照导航飞行路线飞行，则存在模拟飞行路线，还需判断模拟飞行路线与短时飞行特征是否存在等时交叉点。
[0022]
一般存在等时交叉点，则判定警戒飞机会对航空飞机的飞行安全造成影响，需要通过导航展示模块对航空飞机、警戒飞机以及等时交叉点等相关信息进行显示，以便及时人员能够及时做出有效操作。
[0023]
优选的，所述判断短时飞行特征是否与模拟飞行路线存在等时交叉点，包括：模拟航空飞机回归导航飞行路线过程中飞行路线，标记为模拟飞行路线；判断短时飞行特征和模拟飞行路线是否存在等时交叉点；是，则判定对应警戒飞机会对航空飞机造成威胁，否，判定对应警戒飞机不会对航空飞机造成威胁。
[0024]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0025]
1.本发明通过数据交互模块获取导航飞行路线；基于导航飞行路线对航空飞机的实时飞行路线进行分段特征验证；当验证未通过时，通过导航展示模块对实时飞行路径进行预警；本发明在航空飞机发生偏离之后进行模拟分析，根据模拟结果及时预警，保证航空飞机沿着预设的飞行路线飞行，提高安全性和可操作性。
[0026]
2.本发明当验证通过时，识别警戒范围内的警戒飞机，建立数据交互模块与警戒飞机的临时连接，并获取警戒飞机的短时飞行特征；根据短时飞行特征判断是否对航空飞机造成威胁；本发明通过判断警戒飞机与航空飞机是否存在等时交叉点，来预测航空飞机安全飞行是否受到影响，为航空飞机的后续飞行提供了数据基础，提高了航空飞机的飞行安全。
附图说明
[0027]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0028]
图1为本发明的系统原理示意图；
[0029]
图2为本发明的方法步骤示意图；
[0030]
图3为本发明分段特征验证示意图一；
[0031]
图4为本发明分段特征验证示意图二；
[0032]
图5为本发明验证周期计算示意图；
[0033]
图6为本发明等时交叉点的判断示意图。
具体实施方式
[0034]
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0035]
请参阅图1-图2，本发明第一方面实施例提供了一种用于航空飞机的机载导航监视系统，包括中枢分析模块，以及与之相连接的数据交互模块和导航展示模块；中枢分析模块通过与数据交互模块相连接的导航集成模块获取导航飞行路线；基于导航飞行路线对航空飞机的实时飞行路线进行分段特征验证；当验证未通过时，通过导航展示模块对实时飞行路径进行预警；以及当验证通过时，识别警戒范围内的警戒飞机，建立数据交互模块与警戒飞机的临时连接，并获取警戒飞机的短时飞行特征；根据短时飞行特征判断是否对航空飞机造成威胁；是，则通过导航展示模块进行预警；否，则持续判断；其中，短时飞行特征根据警戒范围确定，警戒飞机为警戒范围内的其他飞行器。
[0036]
本实施例的第一步是基于导航飞行路线对航空飞机的实时飞行路线进行分段特征验证。具体是先根据实时飞行路线与导航飞行路线的初步判断确定验证周期；基于验证周期提取实时飞行路线和导航飞行路线，分别标记为分段路线和验证路线。分段路线比验证路线至少短一个验证周期，在分段路线的基础上，以正常位姿状态模拟航空飞机是否能够在一个验证周期内与验证路线重合；是，则验证通过；否，则验证未通过。
[0037]
本实施例的分段特征验证实际就是验证发生偏离的航空飞机能够在一个验证周期内回到导航飞行路线上，其回到导航飞行路线的方式包括手动控制或者自动控制。而且，航空飞机回到导航飞行路线的过程中，需要考虑航空飞机的飞行姿态，应该以安全稳定的姿态进行模拟。
[0038]
请参阅图3，黑点代表航空飞机，虚线代表实时飞行路线，实线代表导航飞行路线，箭头代表航空飞机的飞行方向。以当前航空飞机的位置来判断，航空飞机已经偏离了导航飞行路线。假设此时以航空飞机的位置将实时飞行路线分成了两个验证周期，如图3所示航空飞机在一个验证周期内可以回归到导航飞行路线中，则对应航空飞机的分段特征验证是合格的。请参阅图4，航空飞机无法在一个验证周期内回归到导航飞行路线，则对航空飞机
实时飞行路线的分段特征验证是不合格的，此时应及时进行预警。
[0039]
请请参阅图5，本实施例中的验证周期根据实时飞行路线与导航飞行路线的初步判断确定。从实时飞行路线和导航飞行路线上一重合点开始，获取航空飞机当前位置与导航飞行路线的偏移角度和偏移距离，进而获取验证周期。其中先确定重合点，再确定偏离角度和偏离距离，结合设定的比例系数计算获取验证周期。
[0040]
本实施例的第二步是在验证通过之后，识别警戒飞机是否会对航空飞机造成威胁。先以航空飞机为圆心，以设定值为半径确定一个三维的警戒范围，在这个警戒范围内的所有飞行器均作为警戒飞机。
[0041]
接下来通过数据交互模块从各警戒飞机获取短时飞行特征，验证短时飞行特征是否与航空飞机存在等时交叉点。
[0042]
请参阅图6，航空飞机沿着虚线段的实时飞行路线飞行之后回归到实线段的导航飞行路线，a曲线、b曲线和c曲线均为警戒飞机的短时飞行特征。a曲线与航空飞机的模拟飞行路线的等时交叉点为a1，则a曲线对应的警戒飞机会对航空飞机的安全飞行产生影响。b曲线与航空飞机后续的导航飞行路线存在等时交叉点b1，则b曲线对应的警戒飞机也会对航空飞机的安全飞行产生影响。c曲线与航空飞机导航飞行路线的前段相较于点c1和点c2，但是航空飞机在同一时刻并没有沿着导航飞行路线飞行，因此点c1和点c2均不属于航空飞机的等时交叉点。
[0043]
上述公式中的部分数据均是去除量纲取其数值计算，公式是由采集的大量数据经过软件模拟得到最接近真实情况的一个公式；公式中的预设参数和预设阈值由本领域的技术人员根据实际情况设定或者通过大量数据模拟获得。
[0044]
本发明的工作原理：获取导航飞行路线；基于导航飞行路线对航空飞机的实时飞行路线进行分段特征验证；当验证未通过时，通过导航展示模块对实时飞行路径进行预警。当验证通过时，识别警戒范围内的警戒飞机，建立数据交互模块与警戒飞机的临时连接，并获取警戒飞机的短时飞行特征。根据短时飞行特征判断是否对航空飞机造成威胁；是，则通过导航展示模块进行预警；否，则持续判断。
[0045]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方法而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方法进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方法的精神和范围。

技术特征：
1.一种用于航空飞机的机载导航监视系统，包括中枢分析模块，以及与之相连接的数据交互模块和导航展示模块；其特征在于：中枢分析模块通过与数据交互模块相连接的导航集成模块获取导航飞行路线；于导航飞行路线对航空飞机的实时飞行路线进行分段特征验证；当验证未通过时，通过导航展示模块对实时飞行路径进行预警；以及当验证通过时，识别警戒范围内的警戒飞机，建立数据交互模块与警戒飞机的临时连接，并获取警戒飞机的短时飞行特征；根据短时飞行特征判断是否对航空飞机造成威胁；是，则通过导航展示模块进行预警；否，则持续判断；其中，短时飞行特征根据警戒范围确定，警戒飞机为警戒范围内的其他飞行器。2.根据权利要求1所述的一种用于航空飞机的机载导航监视系统，其特征在于，所述中枢分析模块分别与数据交互模块和导航展示模块通信和/或电气连接；且所述导航展示模块用于展示导航监视信息；所述数据交互模块与导航集成模块通信和/或电气连接；其中，数据交互模块在授权的情况下可与警戒范围内警戒飞机建立临时连接，导航集成模块可与各类导航平台进行数据交互。3.根据权利要求1所述的一种用于航空飞机的机载导航监视系统，其特征在于，所述基于导航飞行路线对航空飞机的实时飞行路线进行分段特征验证，包括：根据实时飞行路线与导航飞行路线的初步判断确定验证周期；基于验证周期提取实时飞行路线和导航飞行路线，分别标记为分段路线和验证路线；其中，验证路线对应时长至少是分段路线的两倍；在分段路线的基础上，以正常位姿状态模拟航空飞机是否能够在一个验证周期内与验证路线重合；是，则验证通过；否，则验证未通过。4.根据权利要求3所述的一种用于航空飞机的机载导航监视系统，其特征在于，所述根据实时飞行路线与导航飞行路线的初步判断确定验证周期，包括：从实时飞行路线和导航飞行路线上一重合点开始，获取航空飞机当前位置与导航飞行路线的偏移角度和偏移距离，分别标记为pd和pj；通过公式yz＝α/[pj
×
exp(|pd|)]获取验证周期yz；其中，α为根据经验设定的比例系数，且α大于0。5.根据权利要求1所述的一种用于航空飞机的机载导航监视系统，其特征在于，所述当验证通过时，识别警戒范围内的警戒飞机，包括：以航空飞机为圆心，以设定值为半径确定警戒范围；其中，设定值结合航空飞机的位姿状态设定，位姿状态包括飞行速度、飞行方向以及飞行高度；识别警戒范围中影响航空飞机的其他飞行器，标记为警戒飞机。6.根据权利要求1所述的一种用于航空飞机的机载导航监视系统，其特征在于，所述建立数据交互模块与警戒飞机的临时连接，并获取警戒飞机的短时飞行特征，包括：建立临时连接之后，将航空飞机的警戒范围发送至警戒飞机；警戒飞机基于警戒范围提取预设飞行路线；其中，预设飞行路线包括导航路线或者手动路线；数据交互模块将预设飞行路线标记为短时飞行特征，与对应警戒飞机关联。7.根据权利要求1所述的一种用于航空飞机的机载导航监视系统，其特征在于，所述根
据短时飞行特征判断是否对航空飞机造成威胁，包括：判断短时飞行特征和导航飞行路线是否存在等时交叉点；是，则进行下一步；否，则判定对应警戒飞机不会对航空飞机造成威胁；其中，等时交叉点是指两条飞行路线在同一时刻到达的同一位置；判断等时交叉点处航空飞机是否沿着导航飞行路线飞行；是，则判定对应警戒飞机会对航空飞机造成威胁，否，则判断短时飞行特征是否与模拟飞行路线存在等时交叉点。8.根据权利要求1所述的一种用于航空飞机的机载导航监视系统，其特征在于，所述判断短时飞行特征是否与模拟飞行路线存在等时交叉点，包括：模拟航空飞机回归导航飞行路线过程中飞行路线，标记为模拟飞行路线；判断短时飞行特征和模拟飞行路线是否存在等时交叉点；是，则判定对应警戒飞机会对航空飞机造成威胁，否，判定对应警戒飞机不会对航空飞机造成威胁。

技术总结
本发明公开了一种用于航空飞机的机载导航监视系统，涉及航空导航技术领域，解决了现有技术无法对航空飞机的飞行路线和周围的潜在危险因素进行预判，导致驾驶人员无法及时操作，难以保证航空飞机安全的技术问题；本发明基于导航飞行路线对航空飞机的实时飞行路线进行分段特征验证；当验证未通过时，通过导航展示模块对实时飞行路径进行预警；本发明保证航空飞机沿着预设的飞行路线飞行，提高安全性和可操作性；本发明建立数据交互模块与警戒飞机的临时连接，并获取警戒飞机的短时飞行特征；根据短时飞行特征判断是否对航空飞机造成威胁；本发明为航空飞机的后续飞行提供了数据基础，提高了航空飞机的飞行安全。提高了航空飞机的飞行安全。提高了航空飞机的飞行安全。


技术研发人员：韩敬伟
受保护的技术使用者：滨州学院
技术研发日：2023.04.04
技术公布日：2023/7/7