飞机防碰撞预警方法与流程

1.本发明属于机载飞行管理系统领域，尤其涉及一种飞机防碰撞预警方法。


背景技术：

2.飞行管理系统(fms)一般包含水平导航系统、垂直性能管理系统两大部分，其中，水平导航系统又包含一系列子系统，如无线电导航、航路管理、导航性能计算、制导等子系统。防碰撞预警属于飞行管理中一部分，一般的民用客机按照航段进行飞行，同一高度的飞机在空中飞行时，其飞行航段可能会发生交叉，航段交叉就有可能发生碰撞，需要对航段交叉点经纬度做出计算，并且依据计算出来的交叉点信息和当前飞机飞行速度进一步判断是否有碰撞的可能，进而发出预警。
3.传统的大型民用客机防碰撞一般装有空中防撞系统(tcas)，小型飞机介于成本原因，一般不安装tcas，用于提示飞行员可能发生碰撞，并指示飞行员进行规避。但是一般对于无人机、通用飞机、或者低空飞行的小型飞行器来讲，飞机上一般没有安装此类防碰撞系统，所以此类小型通用飞机的飞行管理系统中嵌入一个防碰撞功能显得十分有必要。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明公开了一种飞机防碰撞预警方法，是一种辅助防碰撞方法，可进一步提高飞机飞行的安全性。
5.一种飞机防碰撞预警方法，所述方法包括：
6.获取至少两架目标飞行器航路点平面的经、纬度信息；
7.所有经、纬度信息转换至球面坐标系；
8.通过三点共面联立方程，解算所有目标飞行器路径的交叉点经、纬信息；
9.根据目标飞行器位置信息和交叉点经纬度信息，确定目标飞行器到达交叉点距离和时间因素，并根据设置的时间门限值阈值，确定是否发送告警。
10.有益效果
11.1.本发明基于经纬度平面坐标，将经纬度信息化为球面坐标，通过三点共面解算出交叉点经纬度，通过交叉点经纬度信息结合飞机位置，进而计进行飞机防碰撞告警计算，算法有效，可以应用到evtol或者其他类型人机上，，具有方法稳定可靠，通用性强特点，且，无需tcas这种专业设备，成本低，该方法利用飞机其他数据进行间接防碰撞计算，可以嵌入到飞机航空电子系统中，作为一种低成本的辅助防碰撞方法。
12.2.本发明提出的方法不仅能针对两架飞行器情形，对于大于两架以上的可能发生碰撞的n架飞行器情形同样适用，只需要调用该方法，进行排列组合即可。
附图说明
13.为了更清楚地说明本实施例的技术方案，下面将对实施例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公开的一些实施例，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它的附图。
14.图1防碰撞算法流程图；
15.图2防碰撞模拟图。
具体实施方式
16.下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
17.以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
18.要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
19.如图1所示的飞机防碰撞预警方法，适用于小型飞行器的路径规划或告警，所述方法包括：
20.s101:获取目标飞行器航路点平面的经、纬度信息,具体的，
21.目标飞行器的数量为两架并安装有导航系统，包括第一飞行器和第二飞行器，获取目标飞行器航路点平面的经、纬度信息，包括：
22.通过导航系统获取第一飞行器和第二飞行器的经、纬度信息，满足：
23.如图2所示，第一飞行器飞行的航段路径上两端点的经纬度分别是p
11
(n
11
,e
11
)和p
12
(n
12
,e
12
)且当前的位置经、纬度为a1(n1,e1)，第一飞行器飞行的航段路径上两端的经纬度分别是p
21
(n
21
,e
21
)和p
22
(n
22
,e
22
)当前的位置经、纬度为a2(n2,e2)，交叉点设置为经、纬度设为p(n,e)；
24.当需要对第一飞行器和第二飞行器的防碰撞进行预警时，则取当前飞机位置为航段起始点位置，则满足：
25.a1(n1,e1)＝p
11
(n
11
,e
11
)，a2(n2,e2)＝p
21
(n
21
,e
21
)；
26.s102:所有经、纬度信息转换至球面坐标系，具体的，
27.对地球建立球面坐标系，其中，以地心为原点，建立o-xyz坐标系，并以赤道为基本面，垂直于赤道基本面经过地心的一条轴称为z轴，指向北极为正。本初子午面与赤道面重合的轴称为x轴，向东为正；y轴与xz平面垂直构成右手定则；
28.转换球面坐标时的区分准则为：以北纬、东经为正，南纬西经为负；
29.第一飞行器航段路径上两端点的经纬度、第二飞行器航段两端点经纬度和可能交
叉点经纬度对应的球面坐标下变换量分别记为：和则进一步，进行球面坐标转换：θ
11
为第一飞行器起始点纬度信息转换为球面坐标下的纬度信息，为第一飞行器起始点经度信息转换为球面坐标下的经度信息且满足：
[0030][0031]
s103:通过三点共面联立方程，解算所有目标飞行器路径的交叉点经、纬信息，具体的，
[0032]
a1，设地球半径为r，则p
11
,p
12
,p
21
,p
22
,p点的矢量半径为满足：
[0033]
p
11
为矢量半径表示为r
11
，p
12
为矢量半径表示为r
12
,p
21
为矢量半径表示为r
21
，p
22
为矢量半径表示为r
22
，r为p点的矢量半径；
[0034]
b1，将各个点在球面坐标系下的矢量半径投影到球面坐标轴上，x，y，z轴为上的单位矢量为i，j，k，则，
[0035][0036]
c1，通过矢量差乘预测交叉点p,包括：
[0037]
三矢量共面r11、r12、r和r21、r22、r共面条件联立方程得
[0038]r·
r11
×
r12＝0
[0039]r·
r21
×
r22＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0040]
将公式(2)带入公式(3)，整理可得，
[0041][0042][0043]
d1，对公式(4)、(5)进一步整理得如下形式，
[0044][0045][0046]
e1，公式(6)和(7)中的结合中间变量，可得碰撞点的经度值：
[0047][0048]
当计算出时，取东经0
°
到90
°
或180
°
到270
°
的值，否则取90
°
到180
°
或270
°
到360
°
的值；
[0049]
计算出交叉点经度值后，进一步带入到公式(6)，计算出交叉点纬度值，
[0050][0051]
进一步的，中间变量为a1、a2、b1、b2、c1和c2，且满足：
[0052][0053]
在这里需要注意的是，进一步还需要对交叉点p经纬度值进行筛选：
[0054]
交叉点p的经度取值需要介于和和之间，且，纬度θ需要介于θ
11
和θ
12
、θ
21
和θ
22
之间，因此，
[0055]
当计算出来为0
°
到180
°
之间的角，则表示为东经；
[0056]
当计算出来为180
°
到360
°
之间的角，则当取值应为表示为西经，同理可得，θ计算出来，交叉点纬度值应取为90
°‑
θ，交叉点纬度值正值则代表为北纬，负值代表南纬。
[0057]
s104:根据目标飞行器位置信息和交叉点经纬度信息，确定到达距离和时间因素，并根据设置的时间门限值，确定是否发送告警,具体的，
[0058]
交叉点p(n,e)经纬度计算出来之后，分别第一飞行器当前位置a1(n1,e1)和第二飞行器当前位置a2(n2,e2)距离交叉点p(n,e)距离，并利用大圆航线距离计算方法，计算出当前第一飞行器、第二飞行器距离交叉点的距离,其中：
[0059]
设第一飞行器当前位置a1(n1,e1)距离交叉点p(n,e)距离为d1，在此航段飞行的真空速为v1；
[0060]
设第二飞行器当前位置a2(n2,e2)距离交叉点p(n,e)距离为d2，在此航段飞行的真
空速为v2；
[0061]
则第一飞行器和第二飞行器分别飞到交叉点时间设为t1和t2；
[0062]
设时间阈值门限为ε，则：
[0063]
t1＝d1/v1
[0064]
t2＝d2/v2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0065]
对第一飞行器到达交叉点时间t1与时间t2的值做差且取绝对值，并按公式(12)进行判断：
[0066]
|t1-t2|＜ε
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0067]
当其小于某一阈值ε时(阈值根据飞机的性能参数定，例如，直升飞机，阈值小，民机)，视为其会发生碰撞的危险，发出告警，当大于阈值时，视为不会发生碰撞风险，小于的阈值的时候，发出告警信息。
[0068]
本法的方法通过仿真集成进行确定，如下：
[0069]
在杰普逊航图上选取1组数据，航段1：飞机1位置(朝阳)经纬度n41
°
32.3
′
、e120
°
25.9
′
，终点(开原)经纬度为：n42
°
34.2
′
、e124
°
0.4
′
，航段2飞机2起点位置经纬度为n41
°
38.3
′
、e122
°
7.7
′
，终点经纬度n42
°
10.5
′
、e122
°
34.8
′
；将数据带入算法模型，计算交叉点经纬度为n42
°
10.0
′
、e122
°
34.8
′
，杰普逊航图上实际标注的交叉点是n42
°
9.7
′
、e122
°
34.9
′
。验证交叉点解算模型算法有效。
[0070]
进一步，带入距离计算模型中，飞机1距离交叉点距离：d1＝191.08km；
[0071]
飞机2距离交叉点距离：d2＝69.61km；
[0072]
设定第一飞行器飞行速度：v1＝600km/h，第二飞行器飞行速度：v2＝600km/h，门限值设为10s，告警输出应为false，与仿真结果一致。
[0073]
设定第一飞行器飞行速度：v1＝1147km/h，第二飞行器飞行速度：v2＝257km/h，限值设为10s，计算t1＝982.28s，t2＝974.94s，小于10s门限值，输出应为ture，与仿真结果一致，防碰撞告警启动。仿真结果与推到结果一致。
[0074]
以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种飞机防碰撞预警方法，适用于多个小型飞行器的交叉点的计算，其特征在于，所述方法包括：获取目标飞行器航路点平面的经、纬度信息；所有经、纬度信息转换至球面坐标系；通过三点共面联立方程，解算所有目标飞行器路径的交叉点经、纬信息；根据目标飞行器位置信息和交叉点经纬度信息，确定到达距离和时间因素，并根据设置的时间门限值，确定是否发送告警。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标飞行器的数量为两架并安装有导航系统，包括第一飞行器和第二飞行器，获取目标飞行器航路点平面的经、纬度信息，包括：通过导航系统获取第一飞行器和第二飞行器的经、纬度信息，满足：第一飞行器飞行的航段路径上两端点的经纬度分别是p
11
(n
11
,e
11
)和p
12
(n
12
,e
12
)且当前的位置经、纬度为a1(n1,e1)，第一飞行器飞行的航段路径上两端的经纬度分别是p
21
(n
21
,e
21
)和p
22
(n
22
,e
22
)当前的位置经、纬度为a2(n2,e2)，交叉点设置为经、纬度设为p(n,e)；当需要对所述第一飞行器和第二飞行器的防碰撞进行预警时，则取当前飞机位置为航段起始点位置，则满足：a1(n1,e1)＝p
11
(n
11
,e
11
)，a2(n2,e2)＝p
21
(n
21
,e
21
)。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，先将所有经、纬度信息转换至球面坐标系，包括：对地球建立球面坐标系，其中，以地心为原点，建立o-xyz坐标系，并以赤道为基本面，垂直于赤道基本面经过地心的一条轴称为z轴，指向北极为正。本初子午面与赤道面重合的轴称为x轴，向东为正；y轴与xz平面垂直构成右手定则；转换球面坐标时的区分准则为：以北纬、东经为正，南纬西经为负；第一飞行器航段路径上两端点的经纬度、第二飞行器航段两端点经纬度和可能交叉点经纬度对应的球面坐标下变换量分别记为：θ
11
,θ
12
,θ
21
,θ
22
,和θ,则进一步，进行球面坐标转换；θ
11
为第一飞行器起始点纬度信息转换为球面坐标下的纬度信息，为第一飞行器起始点经度信息转换为球面坐标下的经度信息且满足：θ＝90
°‑
n，和4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，分别对各个航路点，交叉点进行球面坐标系转换，转换为球面坐标系后，球心到各个点的矢量半径就可以分别表示出来，通过三点共面以矢量半径形式联立方程，可解算出两架飞行器路径的交叉点经、纬度信息，其操作步骤中包括：设地球半径为r，则p
11
,p
12
,p
21
,p
22
,p点的矢量半径为满足：p
11
为矢量半径表示为r
11
，p
12
为矢量半径表示为r
12
,p
21
为矢量半径表示为r
21
，p
22
为矢量半径表示为r
22
，r为p点的矢量半径；将各个点在球面坐标系下的矢量半径投影到球面坐标轴上，x，y，z轴为上的单位矢量为i，j，k，则，
通过矢量差乘联立公式，进一步可解算出来交叉点p经纬度坐标,包括：三矢量共面r11、r12、r和r21、r22、r共面条件联立方程得将公式(2)带入公式(3)，整理可得，将公式(2)带入公式(3)，整理可得，对公式(4)、(5)进一步整理得如下形式，对公式(4)、(5)进一步整理得如下形式，公式(6)和(7)中的结合中间变量，可得碰撞点的经度值：当计算出时，取东经0
°
到90
°
或180
°
到270
°
的值，否则取90
°
到180
°
或270
°
到360
°
的值；计算出交叉点经度值后，进一步带入到公式(6)，计算出交叉点纬度值，5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述中间变量为a1、a2、b1、b2、c1和c2，且满足：
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括对交叉点p的筛选，包括：交叉点p的经度取值需要介于和和之间，且，纬度θ需要介于θ
11
和θ
12
、θ
21
和θ
22
之间，因此，当计算出来为0
°
到180
°
之间的角，则表示为东经；当计算出来为180
°
到360
°
之间的角，则当取值应为360
°
表示为西经，同理可得，θ计算出来，交叉点纬度值应取为90
°‑
θ，交叉点纬度值正值则代表为北纬，负值代表南纬。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据目标飞行器位置信息和交叉点经纬度信息，确定到达距离和时间因素，并根据设置的时间门限值，确定是否发送告警，包括：交叉点p(n,e)经纬度计算出来之后，需要分别计算第一飞行器当前位置a1(n1,e1)和第二飞行器当前位置a2(n2,e2)距离交叉点p(n,e)距离，利用大圆航线距离计算方法，分别计算出当前第一飞行器、第二飞行器距离交叉点的距离,其中：设第一飞行器当前位置a1(n1,e1)距离交叉点p(n,e)距离为d1，在此航段飞行的真空速为v1；设第二飞行器当前位置a2(n2,e2)距离交叉点p(n,e)距离为d2，在此航段飞行的真空速为v2；则第一飞行器和第二飞行器分别飞到交叉点时间设为t1和t2；根据速度分别计算出各个飞机距离碰撞点的时间，并设时间阈值门限为ε，则：对第一飞行器到达交叉点时间t1与时间t2的值做差且取绝对值，并按公式(12)进行判断：|t1-t2|＜ε
ꢀꢀ
(12)当其小于某一阈值ε时视为其会发生碰撞的危险，发出告警，当大于阈值时，视为不会发生碰撞风险，小于的阈值的时候，发出告警信息。

技术总结
本发明提供了一种飞机防碰撞预警方法，属于飞行管理系统设计领域，包括：获取两架飞机航路点平面经纬度信息；将经纬度信息转换到球面坐标系下通过三点共面联立方程，解算出交叉点经纬信息；结合飞机位置信息，结合交叉点经纬度信息，计算到达距离，时间因素，并结合时间门限值，给出告警判断。给出告警判断。给出告警判断。


技术研发人员：王亮亮 张双 王明 王元勋 刘帜琦 李卓航
受保护的技术使用者：中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所
技术研发日：2022.12.15
技术公布日：2023/6/27