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一种基于地形提示与警告系统的前视告警方法

阅读：129发布：2020-05-18

专利汇可以提供一种基于地形提示与警告系统的前视告警方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种基于地形提示与警告系统的前视告警方法，属于机载安全设备地形提示和警告系统领域。包括步骤一、获取飞机位置信息；步骤二、由飞机的位置信息加载相应的周边地形数据；步骤三、计算警戒区域和警告区域的幅值范围；步骤四、计算警戒区域和警告区域的角度范围；步骤五、确定警戒包络区域和警告包络区域并与当前加载的此区域地形情况进行对比判断是否告警；基于上述步骤三中确定的警戒区域和警告区域的幅值范围和上述步骤四中确定的警戒区域和警告区域的角度范围得到警戒包络区域和警告包络区域；若地形情况与警告包络区域相冲突，则进行警告报警；否则,再判断地形情况与警戒区域相冲突,则进行警戒报警；否则，警报解除。，下面是一种基于地形提示与警告系统的前视告警方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于地形提示与警告系统的前视告警方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、获取飞机位置信息；
所述飞机位置信息包括：经纬度和海拔高度；
步骤二、由飞机的位置信息加载相应的周边地形数据；
步骤三、计算警戒区域和警告区域的幅值范围；
根据飞机空速V，警戒告警时间为t1，警告告警时间为t2，以飞机当前位置为坐标原点计算警戒区域和警告区域的幅值范围；
步骤四、计算警戒区域和警告区域的角度范围；
用飞机当前航迹角用β来表示警戒区域和警告区域；
当β∈(-45°,45°)∪(135°,180°]∪[-180°,-135°)时，
或
当β∈[45°,135°]∪[-135°,-45°]时，
步骤五、确定警戒包络区域和警告包络区域并与当前加载的此区域地形情况进行对比判断是否告警；
基于上述步骤三中确定的警戒区域和警告区域的幅值范围和上述步骤四中确定的警戒区域和警告区域的角度范围得到警戒包络区域和警告包络区域；
若地形情况与警告包络区域相冲突，则进行警告报警；
否则,再判断地形情况与警戒区域相冲突,则进行警戒报警；
否则，警报解除。
2.根据权利要求1所述的基于地形提示与警告系统的前视告警方法，其特征在于：所述步骤二中，基于飞机的空速及告警时间要求从地形数据库加载相应区域范围的地形数据。
3.根据权利要求1所述的基于地形提示与警告系统的前视告警方法，其特征在于：所述警戒区域和警告区域共同构成预警区域，所述预警区域由下视边界、前视边界和上视边界组成的告警包络线及左右边界组成。

说明书全文

一种基于地形提示与警告系统的前视告警方法

技术领域

[0001] 本发明属于机载安全设备地形提示和警告系统技术领域，具体涉及一种基于地形提示与警告系统的前视告警方法。

背景技术

[0002] 在飞机的发展史中，有无数次的技术创新和进步，同时也伴随着无数次让人心痛的空难事故，这无不提醒着人们航空领域安全的重要性，也使人们对飞行安全提出了越来越高的要求。根据国外权威的航空安全组织――飞行安全基金会(Flight Safety Foundation，FSF)的研究报告表明，飞机因CFIT(可控飞行撞地)而死亡的人数约占航空运输重大事故死亡总人数的80％，同时美国空军统计的安全数据也指出，从1985到1994年间，美国空军共发生229次CFIT事故，其中177起导致机毁人亡，平均每年12.6起。为了避免CFIT高概率发生的情况，人们经过不断的努力研制出TAWS系统，其为飞机提供六种基本模式的告警，以及前视告警和地形显示功能，极大地减少了CFIT事故的发生。但是，它仍然有一些不足之处，尤其是其中的前视告警功能，而目前我国还没有相关设备，其理论研究也有限，相关算法更是少之又少，需要进行深入研究。

发明内容

[0003] 本发明的目的：为了解决上述问题，本发明提出了一种基于地形提示与警告系统的前视告警方法，通过对地球表面地形建模，实时加载地形库数据，根据所设计的前视预警包线和算法，能够实现危险地形预警，提醒飞行员做出规避风险的操控动作，从而有效地减少可控飞行撞地事故。

[0004] 本发明的技术方案：一种基于地形提示与警告系统的前视告警方法，包括以下步骤：

[0005] 步骤一、获取飞机位置信息；

[0006] 所述飞机位置信息包括：经纬度和海拔高度；

[0007] 步骤二、由飞机的位置信息加载相应的周边地形数据；

[0008] 步骤三、计算警戒区域和警告区域的幅值范围；

[0009] 根据飞机空速V，警戒告警时间为t1，警告告警时间为t2，以飞机当前位置为坐标原点计算警戒区域和警告区域的幅值范围；

[0010] 步骤四、计算警戒区域和警告区域的角度范围；

[0011] 用飞机当前航迹角用β来表示警戒区域和警告区域，

[0012] 当β∈(-45°,45°)∪(135°,180°]∪[-180°,-135°)时，

[0013] 或

[0014] 当β∈[45°,135°]∪[-135°,-45°]时，

[0015]

[0016] 步骤五、确定警戒包络区域和警告包络区域并与当前加载的此区域地形情况进行对比判断是否告警；

[0017] 基于上述步骤三中确定的警戒区域和警告区域的幅值范围和上述步骤四中确定的警戒区域和警告区域的角度范围得到警戒包络区域和警告包络区域；

[0018] 若地形情况与警告包络区域相冲突，则进行警告报警；

[0019] 否则,再判断地形情况与警戒区域相冲突,则进行警戒报警；

[0020] 否则，警报解除。

[0021] 优选的，所述步骤二中，基于飞机的空速及告警时间要求从地形数据库加载相应区域范围的地形数据。

[0022] 优选的，所述警戒区域和警告区域共同构成预警区域，所述预警区域由下视边界、前视边界和上视边界组成的告警包络线及左右边界组成。

[0023] 本发明技术方案的技术有益效果：本发明一种基于地形提示与警告系统的前视告警方法，根据前视告警的功能要求、数据流向，分别规划了地形前视模式的告警包线，对地表建模，建立对应地形数据库，提出了地形前视预警算法，能够促进民用地形提示和警告系统(TAWS)的国产化。附图说明

[0024] 图1为本发明一种基于地形提示与警告系统的前视告警方法的一优选实施例的流程示意图；

[0025] 图2为图1所示实施例的前视告警包线意图；

[0026] 图3为图1所示实施例的前视告警包线设计流程示意图；

[0027] 图4为图1所示实施例的直接判断法分析示意图。

具体实施方式

[0028] 为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

[0029] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

[0030] 下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明，请参阅图1至图4；

[0031] 一种基于地形提示与警告系统的前视告警方法，通过对地球表面地形建模，实时加载地形库数据，根据所设计的前视预警包线和算法，能够实现危险地形预警，提醒飞行员做出规避风险的操控动作，从而有效地减少可控飞行撞地事故。

[0032] 前视告警功能的实现，主要包括前视告警包线的生成、地表建模和地形库的建立、预警算法的设计。以下分别从这三个方面对前视告警方案进行详细介绍：

[0033] (1)前视告警包线设计

[0034] 在飞机飞行过程中，地形/障碍物警告运算法则不停地计算飞机前方的地形越障包络。如果这些包络的边界与地形库中的地形高度数据相冲突，将会发布警告或警戒命令。
在这个过程中需要计算两条包络，其中一条对应地形警告报警，而另一条对应地形警戒报警。

[0035] TAWS前视告警包线示意图如图1所示，而每一层包线均由下视边界、前视边界、上视边界和侧边界组成。其具体的设计流程图如图3所示。

[0036] 飞机在飞行过程中，其下方会预留一段安全距离，即地形间隔(最小安全距离)。当飞机正常飞行时飞行高度低于地形间隔时，飞机将会发出告警。同理，飞机前方也应预留一定的安全距离，以避免可控飞行撞地事故的发生。该安全距离即为飞机的前视距离。根据飞机的前视告警时间的不同，可以分为前视警告距离和前视警戒距离。地形间隔和飞机的前视距离是设计告警包线的重要依据。下视边界、前视边界和上视边界共同组成了飞机的纵向边界。内、外告警包线的设计流程完全一致，只有某些特征值的大小不同。警戒包线的安全裕值比较小，警告包线的安全裕值比较大。

[0037] (2)地表建模和地形库设计

[0038] 地形感知与警告系统的突出特点是能够进行前视地形预警。而这一特点主要是由于使用了地形数据，使得地形感知与警告系统能够在发生相撞前发出告警信号。在地形感知与警告系统的研究中，计算机根据飞机的飞行路线去不断地搜索地形数据，这样系统便能够根据地形数据去进行判断，从而具有虚拟的前视能力。

[0039] 由于实际的地形数据非常庞大。所以不可能去存储每一个点的数据。因此，对地形数据进行存储之前，要先选择合适地地形表面建模的方法。这样存储的数据才能够正确的表达地形地貌的信息。然后在此基础上，对地球表面进行划分，选择合适的存储方式来建立地形库，这些对前视告警功能的研究都有非常重要的意义。

[0040] 地球表面划分的方法有很多种，在此采用的是等角正圆柱投影图法。等角正圆投影图是由荷兰人墨卡托于1569年创制的。墨卡托投影图的主要特征是：经线和纬线互相垂直，相邻两条经线之间间距相同且互相平行。相邻纬线也互相平行，但是，随着距赤道的距离越来越远，其间隔越来越大。墨卡托投影图没有角度的失真，赤道上面没有任何的失真，除此以外的地区在长度和面积方面有不同程度的失真。

[0041] 为了简化地图模型，对投影图作一定程度的假设，即在投影的地图上经线和纬线的间距各处皆一样。地球赤道大圆的周长大约是40080千米，连接南北两极的大圆也近似为40080千米。对地表进行投影后可以得到一个近似的矩形，则在这样的近似地球表面上来进行划分。由于实际使用中得到的高程数据的分辨率是90m。因此，以90m作为单元格的边长，建立的地形表面网格划分示。地球上任何地点都可以用通过该点的经线和纬线来进行表
示。利用在地球表面建立的完整的地理坐标网，可以由经纬度得出对应位置的地理信息，相反，也可以由对应点的地理信息得出该点的经纬度信息。所以经纬度信息表示了网格的位置信息。

[0042] 地面高低起伏的形态叫地形，也叫地貌。为了计算和比较地面各点的高低，选取某一平面作为基准面，从这一基准面算起的某地点的高度，叫该点的海拔，也叫标高。在航空地图上地形情况就是通过各点的海拔清楚地表示出来的。

[0043] 把经纬度信息和海拔高度结合起来就能以三维的方式来表现地形情况。地形库中存储了海量的网格点数据，而每个网格点代表一组数据，内容包括了经度、纬度以及海拔高度。其中经纬度采用度、分、秒表示，而海拔高度采用米制单位。

[0044] 由于每组数据只包括经纬度和高度这三项数值，就以这三项为表格的列。度分秒的经纬度先转换成单位为度的小数再进行存储(如经度14°19'12”是14.32°，纬度52°12'0”是52.20°)。查询时分别对经度和纬度建立索引，查询的过程便是由经纬度调出高度值。

[0045] (3)预警算法设计

[0046] 飞机向前飞行过程中，其未来一段时间内的航迹主要由飞机当前的位置和飞机的航迹角来共同确定。飞机的实时位置可以由经纬度信息来进行确定。飞机的飞行方向可以由飞机的航迹角来得出。考虑飞机的实际飞行情况，飞机在飞行中会以航迹角为基准，可能会向飞机的左右侧偏离。为了最大限度的保证飞机的飞行安全，需要判断飞机以当前航迹角为中心的一定范围内的地形情况。因此，建立一个这样的模型：以当前的航迹作为角平分线，在一定的角度范围里面来对地形状况进行判断。箭头所指方向为航迹角方向，以它为中轴周围90度为报警判断的角度范围。而预警算法的任务其实就是找出扇形或者扇环范围内的地形库中的点。然后对这些点的数据采用一定的方式来进行判断，看是否有潜在的撞地风险，从而发出告警信号。判断方法则利用前面介绍的方法。所以，核心任务就是根据飞机的位置信息和姿态信息来确定预警范围内的点，并将这些点与相应的地形信息进行对应。在明确了前视告警中的数据流程及基本原理的基础上，综合考虑飞行实际情况，提出了以下算法：

[0047] 根据现有的幅度和角度条件来找出用于预警判断的点，也就是找出扇形区域内的点。由于不同的坐标系之间的换算可能会存在着差异，并且对飞机的定位也是基于经纬度来确定的，因此为了避免坐标转换过程中所导致的数据精度的损失，统一使用经纬度来进行表示。(x0,y0)为当前位置点，(x,y)为所要确定的预警区域内的任一点。建立以飞机当前位置为原点的坐标系。

[0048] ●幅值判断条件

[0049] 设飞机的空速为v，警戒告警时间为t1，警告告警时间为t2，则其警戒区域对应的距离范围为[v*t1,v*t2]，对应于经纬度坐标系下的[r1,r2]，所以对应于警戒区域为且x′1≥0，y′1≥0。警告区域对应的距离范围为[0,v*t1]，对应于经纬度
坐标系下的[0,r1]，所以对应于警告区域为(x′1)2+(y′1)2≤r12且x′1≥0，y′1≥0；

[0050] ●角度判断条件

[0051] 航迹角用β来表示，由前面的分析可知：在当前坐标系下，预警区域的角度范围[45°-β,135°-β]，由于β的变化范围为[-180°,180°]，现在根据其角度的范围不同，分情况进行讨论：

[0052] 如图4，为直接判断法分析图示，对应β∈[0°,180°]时的情况；

[0053] 如图4(a)，0°＜45°-β≤45°，90°＜135°-β≤135°，即0°≤β＜45°时，

[0054] 或

[0055] 如图4(b)，45°-β＝0°，135°-β＝90°，即β＝45°时，

[0056]

[0057] 如图4(c)和(d)，-90°＜45°-β＜0°，0°＜135°-β＜90°，即45°＜β＜135°时，[0058]

[0059] 如图4(e)，45°-β＝-90°，135°-β＝0°，即β＝135°时，

[0060]

[0061] 如图4(f)，-135°≤45°-β＜-90°，-45°≤135°-β＜0°，即135°＜β≤180°时，[0062] 或

[0063] 如图4为优化型直接判断法分析，对应β∈[-180°,0°]时的情况。

[0064] 如图4(a)，45°≤45°-β＜90°，135°≤135°-β＜180°，即-45°＜β≤0°时，

[0065] 或

[0066] 如图4(b)，45°-β＝90°，135°-β＝180°，即β＝-45°时，

[0067]

[0068] 如图4(c)和(d)，90°＜45°-β＜180°，180°＜135°-β＜270°，即-135°＜β＜-45°时，[0069]

[0070] 如图4(e)，45°-β＝180°，135°-β＝270°，即β＝-135°时，

[0071]

[0072] 如图4(f)，180°＜45°-β≤225°，270°＜135°-β≤315°，即-180°＜β＜-135°时，[0073] 或

[0074] 综上所述，可以把以上情况归纳如下：

[0075] 当β∈(-45°,45°)∪(135°,180°]∪[-180°,-135°)时，

[0076] 或

[0077] 当β∈[45°,135°]∪[-135°,-45°]时，

[0078]

[0079] 利用上面的幅度和角度的条件来进行判断，可以从缓存中准确的找出所需要的预警点。

[0080] 最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

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