本發(fā)明涉及空中避撞系統聽覺告警技術，特別是涉及一種通過三維音頻技術實現具有空間態(tài)勢信息的空中避撞系統聽覺告警方法和裝置。

背景技術：

隨著航空事業(yè)的迅速發(fā)展，空中交通密度日增，需要在傳統的航空交通管制(Air Traffic Control,ATC)系統的基礎上提供飛行員一種可靠的、機動的防碰撞措施，以提高空中交通的安全性?？罩斜茏蚕到y(Traffic Collision Avoidance System，TCAS)是安裝于中、大型飛機的一組電腦系統，用以避免飛機在空中互相沖撞。主要由應答機、收發(fā)機、空中避撞告警計算機、告警顯示裝置等組成。監(jiān)視范圍一般為前方30海里，上、下方為3000米，而在側面和后方的監(jiān)視距離要小的多。TCASI能夠偵測上下7000至10000呎(1英尺(呎)＝12英寸(吋)＝30.48厘米)，前后15至40海里，發(fā)現有航機接近時，會提前40秒警告飛行員對方飛機的高度和位置?？罩薪煌A警和防撞系統TCAS獨立于地面的ATC系統而工作，在ATC系統因特殊情況(如通信故障)不能提供飛行語音間隔服務或管制服務而出現人為工作差錯時，航空器可以根據自身周圍的情況進行機動避讓，從而有效地降低航空器相撞的可能性。第二代空中避撞系統(TCAS II)是目前最被廣泛使用的，會用聲音及顯示警告飛行員。別架飛機若有裝TCAS，也會有相反的警告發(fā)出來。第三代、第四代空中避撞系統(TCAS III)，除了有上下避撞措施之外，還增加左右避撞能力。

美國，歐洲空管分別于上世紀90年代，本世紀初規(guī)定30座以上或最大起飛重量超過15000千克的飛機必須配備TCAS II。我國民航使用的客機從2003年起，未安裝防撞系統的民航客機將不得飛行，其它小型飛機由于飛機結構、技術原因等無法安裝的將被嚴格限制飛行時段、飛行高度和范圍，并逐步退出商業(yè)運營。

目前廣泛應用的TCAS II型防撞系統可提供交通咨詢(TA：Traffic Advisory)和決策咨詢(RA：ResultAdvisory)兩類避讓建議告警功能。當其它飛機進近的最近點小于48秒時，則會發(fā)布空中交通咨詢TA。進近的最近點是指兩架飛機相距最近的空間點，是根據飛機目前的航跡和速度預測出來的。空中交通建議，如果兩架飛機繼續(xù)沿著可能有危險的航跡飛行，則在離最近點大約35秒處，系統會提供處理建議RA(Resolution Advisory)。代表其它飛機的符號會變?yōu)楣潭ǖ募t色方塊，同時伴有諸如“爬升，爬升”之類的躲避機動語音提示。TA與RA均會以視覺告警和聽覺告警兩種方式提醒飛行員。視覺告警中會在態(tài)勢 圖中顯示威脅飛機相對于本機的方位，TA階段顯示為黃色，RA階段顯示為紅色；同時在RA階段會在速度計中以綠色顯示要求達到的速度范圍，紅色顯示應避免落入的速度范圍。

空中避撞系統和近地告警系統是民航飛機上必須的航電設備，對保障飛行安全有著重要的意義。TCAS是通過信號的交換來工作的避撞系統，通過合適的信號發(fā)射應答機來完成信號交換。裝有TCAS系統的飛機，發(fā)射信號“詢問”信號距離范圍內的所有飛機的位置信息，信號為頻率是1030MHZ的無線電信號，同時，當其它飛機接收到詢問后，以1090MHZ的無線電信號回答。這個詢問和回答的循環(huán)過程，可能每秒鐘發(fā)生幾次。通過這些持續(xù)的問答循環(huán)過程，TCAS系統在空中飛機的周邊建立了一個三維地圖，包括方向、高度和范圍。通過計算當前飛機間的距離和高度差，來估計未來飛機的狀態(tài)參數值，這個參數值用來判斷飛機是否存在潛在危險。TCAS系統只能和裝有模式C和模式S發(fā)射應答機的飛機進行交流。每個裝有模式應答機的飛機都有唯一的24位的識別碼與之匹配，這些識別碼是可以利用計算機來破譯的。當計算好未來飛機參數以后，下一步就是自動的計算并分配針對兩個或者更多的沖突飛機時所應采取的機動操作，從而避免危險事故發(fā)生，上升或下降的操作指令會通過聲音信號直接傳遞給駕駛員。為了減少可控飛行撞地和空中相撞的危險，航空界不斷地進行了防撞理論和防撞設備的研究。在飛機與其它入侵機或地面危險接近時，通過信息綜合處理給機組人員提供報警信息中，我們發(fā)現現有技術聽覺告警方式中存在如下局限：

1)在TA階段的聽覺告警僅作提示使用，不包含額外信息量，若需獲得威脅物的信息，需通過視覺告警獲取，一定程度加重了飛行員的操作負擔，同時長時間飛行過程中頻繁的低頭操作是造成飛行事故的主要原因之一；

2)在RA階段雖然聽覺告警給出了指示性意見，但需通過對話音信號的理解，在情況緊急、反應時間有效的情況下，尤其是當在“爬升”、“下降”操作反復交替出現時，容易出現短時反應障礙，造成錯誤操作，釀成事故。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的是針對上述現有技術存在的不足之處，提供一種能夠降低對視覺告警的依賴，減少低頭操作的概率，提升告警響應效率，基于三維音頻處理技術的具有空間態(tài)勢信息(方位，速度)的空中避撞系統聽覺告警方法及裝置，以豐富聽覺告警的信息量，降低操作負擔。

本發(fā)明上述目的可以通過以下措施來達到，一種具有空間態(tài)勢信息的聽覺告警方法，其特征在于包括如下步驟：

根據空中避撞系統下發(fā)的告警請求生成相應告警規(guī)則，組成一條由插入具有方位性前導音告警聲源和傳話音告警聲源的聽覺告警數據；運用告警規(guī)則獲取前導音告警聲源及話音告警聲源數據；將空中避撞系統下發(fā)的速度變化需求按一定規(guī)則轉換為空間角度信息；根據轉換而得到的空間角度信息，利用三維音頻引擎對前導音聲源實現空間三維化，以反應速度需求；再根據空中避撞系統下發(fā)的危險物方位信息對話音聲源實現空間三維化，以反應威脅方位信息；然后按告警規(guī)則依次拼接三維化后的前導音及話音告警，構成輸出告警音，完成一次聽覺告警。

一種按上述方法實施的一種具有空間態(tài)勢信息的聽覺告警裝置，包括：告警預處理模塊、聲源處理模塊、三維音頻處理引擎模塊和告警音輸出模塊，其特征在于：告警預處理模塊301針對空中避撞系統下發(fā)的告警請求的響應與解析，生成相應的告警規(guī)則，源處理模塊302根據所述告警規(guī)則生成前導音及話音數據，三維音頻處理引擎模塊303根據空中避撞系統下發(fā)的速度變化信息及威脅方位信息對前導音及話音數據三維化，生成表現速度變化信息的三維前導音及表現威脅方位的話音告警信息，告警輸出模塊304完成對三維前導音及話音的拼接以及靜音間隙的插入，生成最終告警音。

本發(fā)明相比于現有技術具有以下有益效果：

減少了低頭操作的概率。本發(fā)明基于三維音頻處理技術的具有方位，速度空間態(tài)勢信息的空中避撞系統，采用一條由前導音告警和傳統話音告警兩部分組成的聽覺告警音源；根據空中避撞系統下發(fā)的告警請求生成相應告警規(guī)則，通過告警規(guī)則獲取前導音音源及話音告警音源；將系統下發(fā)的速度變化需求按一定規(guī)則轉換為空間角度信息，根據轉換而得的空間角度信息對前導音音源實現空間三維化，通過插入具有方位性前導音告警來反應速度變化需求，強化告警音的指示性，加快RA告警時飛行員的反應，較原有音頻告警方法，降低了低頭操作的概率；

降低了對視覺告警的依賴。本發(fā)明根據空中避撞系統下發(fā)的危險物方位信息對話音音源實現空間三維化，反應威脅方位信息；按告警規(guī)則依次播放三維化后的前導音及話音，完成一次聽覺告警。通過聽覺告警完成部分信息的傳遞，降低了對視覺告警的依賴，提升了告警響應效率。

附圖說明

為了使本技術領域的人員更好地理解本發(fā)明方案，下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分的實施例，而不是全部的實施例。

圖1是本發(fā)明具有空間態(tài)勢信息的聽覺告警流程示意圖。

圖2是本發(fā)明告警音的組成結構圖。

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。

具體實施方式

參閱圖1、圖2。根據本發(fā)明，首先聽覺告警裝置根據空中避撞系統下發(fā)的告警請求生成相應告警規(guī)則，組成一條由插入具有方位性前導音告警聲源和傳統話音告警聲源的聽覺告警數據；運用告警規(guī)則獲取前導音告警聲源及話音告警聲源數據；將空中避撞系統下發(fā)的速度變化需求按一定規(guī)則轉換為空間角度信息；根據轉換而得到的空間角度信息，利用三維音頻引對前導音聲源實現空間三維化，以反應速度需求；再根據空中避撞系統下發(fā)的危險物方位信息對話音聲源實現空間三維化，以反應威脅方位信息；然后按告警規(guī)則依次拼接三維化后的前導音及話音告警，構成輸出告警音，完成一次聽覺告警。具體步驟包括：

步驟S101：告警裝置解析空中避撞系統下發(fā)的告警請求，根據請求內容按預先設定的準則索引告警規(guī)則。聽覺告警由前導音、間隙及話音告警三部分構成。聽覺告警中的前導音告警聲源為靜音狀態(tài)及非話音聲源。

空中避撞系統下發(fā)的告警請求允許為數據包格式或離散信號格式等多種形式，且每一種告警請求對應著不同的告警內容，如交通咨詢TA的“交通沖突”和決策咨詢RA的“爬升”告警請求在以數據包格式發(fā)送請求時，其數據包內容應不相同。

空中避撞系統的告警請求與聽覺告警裝置的告警規(guī)則一一對應，每一條告警請求，對應一種聽覺告警裝置告警規(guī)則。

聽覺告警裝置的告警規(guī)則為預先設定，固化在聽覺告警裝置中，同一種聽覺告警裝置具有相同的聽覺告警規(guī)則。

告警規(guī)則包含但不局限于前導音類別、話音告警類別、告警次數和語音間隔等信息。如決策咨詢RA的“爬升”告警的一種告警規(guī)則為：其前導音聲源類別為1000赫茲的單音音調，持續(xù)時間為0.2秒，話音告警內容為“爬升”，前導音與話音告警間語音間隔為0.2秒，前導音與話音拼接構成一次告警，每次告警請求需播報三次告警。

步驟S102:聽覺告警裝置根據告警規(guī)則獲取聽覺告警裝置待播放的前導音聲源及話音告警聲源數據。

聽覺告警裝置根據告警規(guī)則中包含的前導音類別獲取事先錄制或實時合成的前導音 聲源數據,且前導音聲源為靜音狀態(tài)和/或非話音的音源。

聽覺告警裝置根據告警規(guī)則中包含的話音告警類別獲取事先錄制或實時合成的話音聲源數據,且話音告警與現有設備中的話音告警內容保持一致。

步驟S103：聽覺告警裝置將空中避撞系統下發(fā)的速度變化需求按一一對應的關系轉換為空間方位信息。

空中避撞系統要求的速度變化值與方位空間可按任意規(guī)則映射，僅需保證空中避撞系統要求的速度變化參數與空間方位信息一一對應，無重復信息。若無速度變化信息將方位映射到相對應飛行員面部的正前方。

例如在RA告警需要飛機爬升，即要求提升垂直速度時，可將該速度變化需求對應的范圍信息映射到飛行員頭部中垂面的上平面，在本實施例中聽覺告警裝置將速度增量大小按線性關系映射到部中垂面的上平面。

步驟S104：聽覺告警裝置根據步驟S103中得到的速度變化量對于的空間信息利用三維音頻處理引擎對前導音聲源實現三維化處理。

三維音頻處理引擎是3D音效處理中的術語，該三維音頻引擎在形式上可以是多樣的，通常是指具有頭相關傳遞函數運算能力的軟件或硬件和/或軟硬件的結合，例如，在本實施例中可以是三維音頻處理軟件。該三維音頻引擎在音效處理時可將處理的聲源數據映射到空間任一方位。

例如在本實施例中當RA告警需要飛機爬升時，聽覺告警裝置即將前導音映射到飛行員頭部上方的空間。

步驟S105:聽覺告警裝置根據空中避撞系統下發(fā)的危險物方位信息利用三維音頻引擎對話音告警聲源實現空間三維化。

聽覺告警裝置將話音告警的聲源通過三維音頻引擎映射到系統所下發(fā)的威脅目標的方位上。例如在TA告警中，威脅目標的方位為2點鐘方向，即將話音告警映射到2點鐘方向。

步驟S106：聽覺告警裝置將三維化后的前導音及話音告警拼接，構成最終輸出的告警音。

輸出的告警音構成如如圖2所示，由前導音、間隙及話音數據三部分組成。

輸出的告警音中前導音部分為步驟S104處理后所得的三維化前導音數據。輸出的告警音中間隙部分為靜音狀態(tài)，其持續(xù)時間可配置，允許刪除間隙。輸出的告警音中話音部分為步驟S105處理后所得三維化的話音。

在上述實施例中，通過聽覺告警裝置三維音頻處理引擎對告警音實現三維化以便具有空間態(tài)勢信息，通過輸出的告警音中前導音的三維化反應TCAS告警中速度變化的需求，通過輸出的告警音中話音部分的三維化來反應威脅目標的方位信息，以豐富音頻告警信息量。

按上述實施例方法實施的一種具有空間態(tài)勢信息的聽覺告警裝置，包括：告警預處理模塊，用于解析告警請求，生成告警規(guī)則；聲源處理模塊，用于存儲前導音及話音聲源；三維音頻處理引擎模塊，實現前導音及話音音頻三維化功能；告警音輸出模塊，用于告警音的拼接輸出，其特征在于：告警預處理模塊301針對空中避撞系統下發(fā)的告警請求的響應與解析，生成相應的告警規(guī)則，源處理模塊302根據所述告警規(guī)則生成前導音及話音數據，三維音頻處理引擎模塊303根據空中避撞系統下發(fā)的速度變化信息及威脅方位信息對前導音及話音數據三維化，生成表現速度變化信息的三維前導音及表現威脅方位的話音告警信息，告警輸出模塊304完成對三維前導音及話音的拼接以及靜音間隙的插入，生成最終告警音。

告警預處理模塊301、聲源處理模塊302、三維音頻處理引擎模塊303和告警輸出模塊304在功能上是耦合的。

本實施例中，告警預處理模塊301、聲源處理模塊302、三維音頻處理引擎模塊303、告警輸出模塊304在功能上可以實現類似于上述方法實施例中具有空間態(tài)勢信息的音頻告警功能。