一種直升機(jī)前視地形告警方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種直升機(jī)前視地形告警方法，包括：步驟1，根據(jù)直升機(jī)初始運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及性能數(shù)據(jù)確定改出機(jī)動(dòng)方式，并代入直升機(jī)飛行動(dòng)力學(xué)模型求解直升機(jī)正常軌跡和逃逸軌跡；步驟2，獲取直升機(jī)前視告警邊界；步驟3，構(gòu)建的前視告警邊界和地形數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行告警威脅判斷，若前視告警邊界與地形碰撞時(shí)，發(fā)出警告。該方法可以對(duì)直升機(jī)飛行航線上的地形提供防撞告警，提醒飛行員采取必要的機(jī)動(dòng)措施，以避免地形碰撞事故。
【專利說明】
一種直升機(jī)前視地形告警方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種直升機(jī)技術(shù)，特別是一種直升機(jī)前視地形告警方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在航空飛行中，由于缺乏對(duì)飛行器周圍地形的感知而發(fā)生墜毀事故的情況被稱為 可控飛行撞地(controlled flight into terrain，CFIT)，可控飛行撞地一直以來都是現(xiàn) 代商用航空飛行事故的主要原因之一。為此，工業(yè)界研究發(fā)明了近地告警系統(tǒng)（ground proximity warning system,GPWS)以減少CFIT事故。經(jīng)過美國(guó)聯(lián)邦航空局和國(guó)際民航組織 的推廣，目前，幾乎所有的商用噴氣飛機(jī)均裝備了GPWS。隨著GPWS的推廣使用，CFIT事故明 顯減少了。
[0003] 然而，CFIT仍然是航空飛行事故的重要原因之一，造成大量的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損 失。GPWS在實(shí)際使用過程中也暴露出一些問題，存在需要進(jìn)一步改進(jìn)的地方。為了消除GPWS 的不足，克服GPWS的局限性，工業(yè)界在1998年推出了地形感知與告警系統(tǒng)（terrain awareness warning system，TAWS)，即增強(qiáng)型近地告警系統(tǒng)（enhanced ground proximity warning system，EGPWS) JAWS是在GPWS的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，其在GPWS的基礎(chǔ)上增加了前 視告警功能。自從1998年工業(yè)界推出TAWS以后，全球每年的CFIT事故進(jìn)一步減少，數(shù)據(jù)顯示 TAWS確實(shí)可以有效預(yù)防CFIT事故的發(fā)生。由于TAWS基本上可以覆蓋GPWS的所有功能，目前 GPWS已逐步減少使用，而由TAWS取而代。
[0004] 直升機(jī)常飛行于地理環(huán)境復(fù)雜的低空區(qū)域，CFIT也是重要的事故原因。TAWS在固 定翼飛機(jī)上的成功使用，使得人們很自然地想到要把TAWS安裝到直升機(jī)上，即直升機(jī)地形 提不與告警系統(tǒng)（helicopter terrain awareness warning system，HTAWS)，以減少CFIT 事故的發(fā)生。然而，直升機(jī)與固定翼飛機(jī)在機(jī)械結(jié)構(gòu)、機(jī)動(dòng)方式、飛行性能等方面都有著很 大的不同，直接將固定翼飛機(jī)上的TAWS安裝在直升機(jī)上不但不能有效地提供地形防撞告警 還會(huì)帶來虛警率過大等一系列問題。因此需要根據(jù)直升機(jī)的飛行特點(diǎn)研究合理有效的 HTAWS告警方法。
[0005] 在此背景下，以美國(guó)Honeywell公司為首的航電廠商開始研制應(yīng)用于直升機(jī)的 HTAWS告警算法。各航電廠商的HTAWS的算法資料多處于非公開狀態(tài)，只有Honeywell公司公 開了其MKXXI和MKXXII型HTAWS的算法資料。Honeywell公司HTAWS前視告警的工作原理如 下:基于直升機(jī)飛行狀態(tài)，在其前進(jìn)方向空間上生成一個(gè)虛擬的告警邊界，告警邊界由四個(gè) 部分組成，即下視邊界、前視邊界、上視邊界和側(cè)邊界。同時(shí)獲取數(shù)據(jù)庫(kù)提供的地形數(shù)據(jù)信 息，實(shí)時(shí)比較告警邊界與周邊地形的空間位置關(guān)系，當(dāng)告警邊界與地形觸碰時(shí)即觸發(fā)告警， 告警觸發(fā)時(shí)HTAWS同時(shí)給出燈光告警和語音告警。然而該算法為了考慮通用性，其告警邊界 設(shè)計(jì)較為保守，因此具有虛警率較高的缺點(diǎn)。對(duì)于機(jī)動(dòng)能力較強(qiáng)的軍用直升機(jī)尤其是武裝 直升機(jī)，該算法的告警范圍過大，提前告警時(shí)間過長(zhǎng)，因而會(huì)大大限制直升機(jī)性能的發(fā)揮。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種直升機(jī)前視地形告警方法，該方法可以對(duì)直升機(jī)飛行 航線上的地形提供防撞告警，提醒飛行員采取必要的機(jī)動(dòng)措施，以避免地形碰撞事故。此 外，該方法還提供地形顯示功能，將至直升機(jī)周邊的地形以一定的方式顯示在顯示器上，使 得飛行員對(duì)周邊地形有更直觀的了解。
[0007] 本發(fā)明包括以下步驟：
[0008] 1)根據(jù)直升機(jī)初始運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及性能數(shù)據(jù)確定改出機(jī)動(dòng)方式，并代入直升機(jī)飛行動(dòng) 力學(xué)模型求解直升機(jī)正常軌跡和逃逸軌跡。直升機(jī)飛行過程中以一定頻率實(shí)時(shí)計(jì)算直升機(jī) 正常軌跡和逃逸軌跡。正常軌跡為一條直線，從當(dāng)前位置開始，沿著當(dāng)前速度方向向前延伸 即為正常軌跡。逃逸軌跡與直升機(jī)所采取的改出機(jī)動(dòng)方式有關(guān)，常見的改出機(jī)動(dòng)方式有兩 種:滾轉(zhuǎn)至水平拉起爬升和直接拉起爬升。滾轉(zhuǎn)至水平拉起爬升指的是直升機(jī)首先滾轉(zhuǎn)至 水平再拉起爬升，對(duì)應(yīng)的逃逸軌跡稱為垂直改出軌跡(vertical recovery trajectory， VRT);直接拉起爬升指的是直升機(jī)以當(dāng)前滾轉(zhuǎn)角拉起爬升，對(duì)應(yīng)的逃逸軌跡稱為傾斜改出 軌跡(oblique recovery trajectory，ORT)。本發(fā)明同時(shí)計(jì)算這兩種逃逸軌跡，將直升機(jī)飛 行參數(shù)和機(jī)動(dòng)方式代入直升機(jī)飛行動(dòng)力學(xué)模型分析程序，計(jì)算直升機(jī)的操縱響應(yīng)，包括直 升機(jī)法向加速度響應(yīng)、直升機(jī)俯仰角速率響應(yīng)和直升機(jī)滾轉(zhuǎn)角速率響應(yīng)。將操縱響應(yīng)代入 直升機(jī)運(yùn)動(dòng)方程即可以得到直升機(jī)的逃逸軌跡。給定不同的機(jī)動(dòng)措施就可以計(jì)算得到垂直 改出軌跡和傾斜改出軌跡。
[0009] 2)以步驟1)得到的直升機(jī)正常軌跡和逃逸軌跡為基礎(chǔ)確定直升機(jī)前視告警邊界。 直升機(jī)飛行過程中應(yīng)該在其下方留出一段安全距離，這就是最小安全高度（AH)，直升機(jī)正 常飛行應(yīng)不低于這一高度，因此前視告警邊界首先需要確定最小安全高度，然后根據(jù)TSO-194C對(duì)提前告警時(shí)間的要求確定前視告警邊界的前視距離，直升機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡(包括正常軌 跡和逃逸軌跡）、最小安全高度和前視距離共同決定了縱向告警邊界。此外，當(dāng)直升機(jī)以較 低高度飛越山脊時(shí)，為了避免虛警，下視邊界需進(jìn)行額外的邊界剪裁。經(jīng)過邊界剪裁的縱向 邊界即為最終的縱向告警邊界。直升機(jī)飛行過程中所處的位置具有一定的橫向不確定性， 因此告警邊界應(yīng)具有一定寬度。前方越遠(yuǎn)處直升機(jī)位置不確定性越大，因此前方越遠(yuǎn)處告 警邊界的寬度也應(yīng)該越大。為此，在起始寬度的基礎(chǔ)上，以一定的偏斜角向前延伸即得到前 視告警的側(cè)邊界。縱向告警邊界，側(cè)邊界共同組成了前視告警邊界。前視告警邊界分為內(nèi)外 兩層，分別對(duì)應(yīng)不同的緊急情況，內(nèi)層邊界和外層邊界設(shè)計(jì)流程完全一致，區(qū)別僅在于確定 前視距離時(shí)所對(duì)應(yīng)的提前告警時(shí)間不一樣，內(nèi)層邊界對(duì)應(yīng)的提前告警時(shí)間較短，外層告警 邊界對(duì)應(yīng)的提前告警時(shí)間較長(zhǎng)。對(duì)于正常軌跡、垂直改出軌跡和傾斜改出軌跡均按照上述 方法進(jìn)行處理，每條軌跡分別對(duì)應(yīng)內(nèi)外兩層告警邊界，因此共得到六條告警邊界。
[0010] 3)基于步驟2)構(gòu)建的前視告警邊界和地形數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行告警威脅判斷。將前視告警 邊界與地形數(shù)據(jù)庫(kù)中的地形數(shù)據(jù)信息進(jìn)行比較，從而進(jìn)行告警判斷。六條前視告警邊界同 時(shí)與地形數(shù)據(jù)信息進(jìn)行比較。三條外邊界（正常軌跡外邊界、垂直改出軌跡外邊界、傾斜改 出軌跡外邊界）同時(shí)與地形碰撞時(shí)，告警模塊給出警戒告警，告警燈光為黃色，若垂直改出 軌跡遲于傾斜改出軌跡與地形碰撞，告警語音為"滾轉(zhuǎn)拉起"；若傾斜改出軌跡遲于垂直改 出軌跡與地形碰撞，告警語音為"拉起"。三條內(nèi)邊界(正常軌跡內(nèi)邊界、垂直改出內(nèi)邊界、傾 斜改出內(nèi)邊界）同時(shí)與地形碰撞時(shí)，告警模塊給出警告告警，告警燈光為紅色，若垂直改出 軌跡遲于傾斜改出軌跡與地形碰撞，告警語音為"滾轉(zhuǎn)拉起"；若傾斜改出軌跡遲于垂直改 出軌跡與地形碰撞，告警語音為"拉起"。告警邊界以一定頻率(0.5s)實(shí)時(shí)更新，告警威脅判 斷也以相應(yīng)頻率(0.5s)實(shí)時(shí)進(jìn)行。
[0011] 4)基于直升機(jī)當(dāng)前位置與地形數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行地形顯示。多功能顯示器通過串口通信 獲得直升機(jī)周邊的地形數(shù)據(jù)信息，并將以直升機(jī)為中心的周圍10海里范圍內(nèi)地形顯示在顯 示器上。地形顯示為分層顯示，即不同高度的地形顯示為不同的顏色。障礙物和高壓線用特 殊的符號(hào)進(jìn)行表示，并在標(biāo)示在顯示器對(duì)應(yīng)位置處。
[0012] 本發(fā)明以直升機(jī)逃逸軌跡作為前視告警邊界的基礎(chǔ)，逃逸軌跡是直升機(jī)在遇到潛 在的地形威脅時(shí)采取機(jī)動(dòng)措施后的運(yùn)動(dòng)軌跡，地形與直升機(jī)逃逸軌跡觸碰瞬間是直升機(jī)能 否逃逸成功的時(shí)間臨界點(diǎn)，過早告警將引起虛警，過晚告警將導(dǎo)致告警失敗。因此以逃逸軌 跡為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)前視告警邊界可以最小化虛警率并最大化告警成功率。仿真計(jì)算結(jié)果表明本 發(fā)明的告警方法，告警成功率可以達(dá)到99%，虛警率可以降至5%。
[0013] 下面結(jié)合說明書附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述。
【附圖說明】
[0014] 圖1所示為本發(fā)明前視告警邊界設(shè)計(jì)流程圖。
[0015] 圖2所示為本發(fā)明前視告警原理圖。
[0016]圖3所示為本發(fā)明實(shí)施例直升機(jī)正常軌跡、逃逸軌跡的示意圖。
[0017]圖4為本發(fā)明的方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 本發(fā)明提出的一種前視地形告警方法根據(jù)直升機(jī)當(dāng)前飛行狀態(tài)以一定頻率實(shí)時(shí) 計(jì)算直升機(jī)的正常軌跡和逃逸軌跡。為了解決直升機(jī)地形防撞的難題，本發(fā)明基于高精度 的直升機(jī)飛行動(dòng)力學(xué)模型、地形數(shù)據(jù)庫(kù)、衛(wèi)星定位、綜合顯示等技術(shù)提出了一種基于直升機(jī) 性能模型的地形防撞告警方法。首先根據(jù)直升機(jī)當(dāng)前飛行狀態(tài)以一定頻率實(shí)時(shí)計(jì)算直升機(jī) 的正常軌跡和逃逸軌跡，正常軌跡指的是直升機(jī)以當(dāng)前飛行狀態(tài)為基礎(chǔ)不采取任何機(jī)動(dòng)措 施繼續(xù)飛行的運(yùn)動(dòng)軌跡，逃逸軌跡指的是直升機(jī)以當(dāng)前飛行狀態(tài)為基礎(chǔ)采取一定的機(jī)動(dòng)措 施后的運(yùn)動(dòng)軌跡。然后以正常軌跡和逃逸軌跡為基礎(chǔ)，考慮安全裕度，數(shù)據(jù)誤差等因素進(jìn)行 適當(dāng)處理得到前視告警邊界。將前視告警邊界與地形數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行比較，若前 視告警邊界與地形碰撞，系統(tǒng)將給出燈光告警和語音告警。同時(shí)多功能顯示器通過串口通 信獲得直升機(jī)周邊的地形數(shù)據(jù)信息，并將以直升機(jī)為中心的周圍10海里范圍內(nèi)地形顯示在 顯示器上。
[0019] 以正常軌跡和逃逸軌跡為基礎(chǔ)，考慮安全裕度，數(shù)據(jù)誤差以及橫向位置不確定性 等因素進(jìn)行適當(dāng)處理得到前視告警邊界。附圖1為本發(fā)明前視告警邊界設(shè)計(jì)流程圖。將前視 告警邊界與地形數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行比較，若前視告警邊界與地形碰撞，系統(tǒng)將給出 燈光告警和語音告警。同時(shí)多功能顯示器通過串口通信獲得直升機(jī)周邊的地形數(shù)據(jù)信息， 并將以直升機(jī)為中心的周圍10海里范圍內(nèi)地形顯示在顯示器上。本發(fā)明主要涉及高精度的 直升機(jī)飛行動(dòng)力學(xué)模型、地形數(shù)據(jù)庫(kù)、衛(wèi)星定位、綜合顯示等技術(shù)。詳細(xì)的技術(shù)方案包括如 下步驟，如圖4所示。
[0020] 1)根據(jù)直升機(jī)初始運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及性能數(shù)據(jù)確定改出機(jī)動(dòng)方式，并代入直升機(jī)飛行動(dòng) 力學(xué)模型求解直升機(jī)正常軌跡和逃逸軌跡。直升機(jī)飛行過程中以一定頻率實(shí)時(shí)計(jì)算直升機(jī) 正常軌跡（122)和逃逸軌跡（120)。本發(fā)明根據(jù)直升機(jī)飛行參數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算正常軌跡、垂直改 出軌跡和傾斜改出軌跡。正常軌跡為一條直線，從當(dāng)前位置開始，根據(jù)提前告警時(shí)間（121) 沿著當(dāng)前速度方向向前延伸即為正常軌跡。本發(fā)明同時(shí)計(jì)算垂直改出軌跡和傾斜改出軌跡 (逃逸軌跡），根據(jù)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（105)、航姿系統(tǒng)（106)、全球定位系統(tǒng)（107)和大氣數(shù)據(jù)計(jì) 算機(jī)（108)中的數(shù)據(jù)信息得到直升機(jī)的初始運(yùn)動(dòng)狀態(tài)量（I11)。根據(jù)直升機(jī)性能計(jì)算程序 (109)和直升機(jī)廠商提供的直升機(jī)性能數(shù)據(jù)（110)得到直升機(jī)的經(jīng)濟(jì)速度（113)，根據(jù)直升 機(jī)初始飛行速度與經(jīng)濟(jì)速度的關(guān)系確定拉起爬升動(dòng)作（112)，若直升機(jī)初始飛行速度大于 經(jīng)濟(jì)速度，拉起爬升動(dòng)作為后拉桿加提總距;若直升機(jī)初始飛行速度小于經(jīng)濟(jì)速度，拉起爬 升動(dòng)作為提總距?；谥鄙龣C(jī)飛行動(dòng)力學(xué)仿真程序（101)或直升機(jī)飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)（102)可以 得到與直升機(jī)初始運(yùn)動(dòng)狀態(tài)量(111 )、改出動(dòng)作（112)相對(duì)應(yīng)的逃逸過程俯仰角速率時(shí)間歷 程曲線（103)和逃逸過程法向加速度時(shí)間歷程曲線（104)。將直升機(jī)初始運(yùn)動(dòng)狀態(tài)量（I11) 和俯仰角速率時(shí)間歷程曲線（103)代入如下的直升機(jī)運(yùn)動(dòng)方程組：
[0021]
(a)
[0022] 可以得到p、q機(jī)體三軸角速度預(yù)測(cè)值（114)和機(jī)體姿態(tài)角預(yù)測(cè)值（115)，結(jié)合法向 加速度時(shí)間歷程曲線（104)可以得到機(jī)體三軸加速度（116)，經(jīng)過坐標(biāo)變化可以得到地軸系 下三軸的加速度（I 17 )，進(jìn)一步進(jìn)行積分計(jì)算可以得到地軸系下三軸速度（118)和地軸系下 三軸位移（119)從而得到直升機(jī)的逃逸軌跡（120)。進(jìn)行改出機(jī)動(dòng)操縱時(shí)，滾轉(zhuǎn)至水平再拉 起爬升計(jì)算得到的逃逸軌跡為垂直改出軌跡;直接拉起爬升計(jì)算得到的逃逸軌跡為傾斜改 出軌跡。附圖3為本實(shí)施例計(jì)算的直升機(jī)正常軌跡和逃逸軌跡，包括提前告警時(shí)間較短的垂 直改出軌跡(302 )、提前告警時(shí)間較長(zhǎng)的垂直改出軌跡(304 )、提前告警時(shí)間較短的傾斜改 出軌跡（301)、提前告警時(shí)間較長(zhǎng)的傾斜改出軌跡（303)、提前告警時(shí)間較長(zhǎng)的正常軌跡 (305)和提前告警時(shí)間較短的正常軌跡(306)。
[0023] 2)以步驟1)得到的直升機(jī)正常軌跡和逃逸軌跡為基礎(chǔ)確定直升機(jī)前視告警邊界。 直升機(jī)飛行過程中應(yīng)該在其下方留出一段安全距離，這就是最小安全高度（124)，直升機(jī)正 常飛行應(yīng)不低于這一高度，前視告警邊界首先確定最小安全高度，最小安全高度設(shè)為50米 (相當(dāng)于將正常軌跡和逃逸軌跡豎直向下平移50米），起飛或著陸階段為了減少虛警該值應(yīng) 該相應(yīng)減小。因此最小安全高度可以表示為：
[0024]
(b)
[0025]式中，D為直升機(jī)距最近跑道距離(單位海里）。根據(jù)TS0-194C的要求，警告告警至 少提前20秒，警戒告警至少提前30秒。根據(jù)這一規(guī)定警告前視距離（123)為直升機(jī)以當(dāng)前狀 態(tài)飛行20秒通過的距離，警戒前視距離（123)為直升機(jī)以當(dāng)前狀態(tài)飛行30秒通過的距離。正 常軌跡和逃逸軌跡均向前延伸到前視距離處終止。直升機(jī)正常軌跡、逃逸軌跡、最小安全高 度和前視距離共同確定了前視縱向告警邊界。
[0026] 當(dāng)直升機(jī)以較低高度飛越山脊時(shí)，為了避免虛警，前視告警邊界需進(jìn)行額外的邊 界剪裁（126)。在進(jìn)行邊界剪裁時(shí)，系統(tǒng)預(yù)設(shè)定一個(gè)角度上限值0 SX、一個(gè)角度基準(zhǔn)值δ和一個(gè) 偏置距離h。剪裁角度可以表示為：
[0027] 0jc=min( γ , θ8Χ)-δ (c)
[0028] 其中γ為直升機(jī)航跡傾斜角。邊界剪裁從直升機(jī)正下方一定偏置距離h處開始，沿 著剪裁角M勺方向向前延伸直至與原有前視告警邊界相交。經(jīng)過邊界剪裁的縱向邊界即為 最終的縱向告警邊界（125)。
[0029] 直升機(jī)飛行過程中所處的位置具有一定的橫向不確定性，因此告警邊界應(yīng)具有一 定寬度。前方越遠(yuǎn)處直升機(jī)位置不確定性越大，因此前方越遠(yuǎn)處告警邊界的寬度也應(yīng)該越 大。為此，在起始寬度的基礎(chǔ)上，以一定的偏斜角向前延伸即得到前視告警的側(cè)邊界（127)。 縱向告警邊界（125)，側(cè)邊界（127)共同組成了前視告警邊界（129)。
[0030] 為最大程度的減少直升機(jī)在最后著陸階段因高度誤差、地形數(shù)據(jù)庫(kù)分辨率及精度 誤差引起的虛警，引入"剪裁高度（128)"這一概念。剪裁高度分為相對(duì)于跑道的剪裁高度 H r、相對(duì)于直升機(jī)的剪裁高度&和絕對(duì)剪裁高度Hjc。
[0031] 相對(duì)于跑道的剪裁高度是一個(gè)固定值，其大小與最近機(jī)場(chǎng)跑道的海拔高度有關(guān)， 可具體Hr可以表示為H r = Hre+Hs。其中，Hre為機(jī)場(chǎng)跑道海拔;Hs為預(yù)設(shè)定值，典型值為100米。 H a可以表示為Ha = Hae- Δ H-Hb。其中，Hae為直升機(jī)瞬時(shí)海拔高度；Δ H為地形最小安全高度;Hb 為可調(diào)Γ 旦-&可以表示為：
[0032] <d)
[0033]式中，D為直升機(jī)距最近跑道距離。當(dāng)直升機(jī)海拔高度小于絕對(duì)剪裁高度時(shí)，系統(tǒng) 不進(jìn)行任何告警。
[0034] 前視告警邊界分為內(nèi)外兩層，分別對(duì)應(yīng)警告告警和警戒告警，內(nèi)層邊界和外層邊 界設(shè)計(jì)流程完全一致，區(qū)別僅在于確定前視距離時(shí)所對(duì)應(yīng)的提前告警時(shí)間不一樣，內(nèi)層邊 界對(duì)應(yīng)的提前告警時(shí)間較短，外層告警邊界對(duì)應(yīng)的提前告警時(shí)間較長(zhǎng)。對(duì)于正常軌跡、垂直 改出軌跡和傾斜改出軌跡均按照上述方法進(jìn)行處理，每條軌跡分別對(duì)應(yīng)內(nèi)外兩層告警邊 界，因此共得到六條告警邊界。
[0035] 3)基于步驟2)構(gòu)建的前視告警邊界和地形數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行告警威脅判斷。撞地威脅判 斷模塊(203)基于前視告警邊界（201)和地形數(shù)據(jù)庫(kù)（202)進(jìn)行告警判斷。六條前視告警邊 界同時(shí)與地形數(shù)據(jù)信息進(jìn)行比較。三條外邊界同時(shí)與地形碰撞時(shí)，告警模塊給出警戒告警， 告警燈光（205)為黃色，若垂直改出軌跡遲于傾斜改出軌跡與地形碰撞，告警語音（206)為 "滾轉(zhuǎn)拉起"；若傾斜改出軌跡遲于垂直改出軌跡與地形碰撞，告警語音(206)為"拉起"。三 條內(nèi)邊界同時(shí)與地形碰撞時(shí)，告警模塊給出警告告警，告警燈光(205)為紅色，若垂直改出 軌跡遲于傾斜改出軌跡與地形碰撞，告警語音(206)為"滾轉(zhuǎn)拉起"；若傾斜改出軌跡遲于垂 直改出軌跡與地形碰撞，告警語音(206)為"拉起"。
[0036] 4)基于直升機(jī)當(dāng)前位置與地形數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行地形顯示。多功能顯示器通過串口通信 獲得直升機(jī)周邊的地形數(shù)據(jù)信息，并將以直升機(jī)為中心的周圍10海里范圍內(nèi)地形顯示在顯 示器上。地形顯示(204)為分層顯示，當(dāng)?shù)匦闻c直升機(jī)的相對(duì)高度大于150米時(shí)，地形顯示為 紅色(50%飽和度），此時(shí)地形高度大于直升機(jī)飛行高度，直升機(jī)存在潛在的撞地危險(xiǎn)，飛行 員應(yīng)格外注意。當(dāng)?shù)匦闻c直升機(jī)的相對(duì)高度介于O至150米之間時(shí)，地形顯示為黃色(50%飽 和度），此時(shí)地形高度也大于直升機(jī)飛行高度。對(duì)于其他高度小于直升機(jī)飛行高度的地形也 以一定的方式分層顯示，地形相對(duì)于直升機(jī)高度為-75米一 0時(shí)，顯示為黃色(25%飽和度）， 地形相對(duì)于直升機(jī)高度為-150米一-75米時(shí)，顯示為綠色(50%飽和度），地形相對(duì)于直升機(jī) 高度為-450米一-150米時(shí)，顯示為綠色（16%飽和度）當(dāng)?shù)匦闻c直升機(jī)相對(duì)高度小于-450米 時(shí)，地形威脅較小，對(duì)于此類地形統(tǒng)一顯示為黑色。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種直升機(jī)前視地形告警方法，其特征在于，包括W下步驟： 步驟1，根據(jù)直升機(jī)初始運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及性能數(shù)據(jù)確定改出機(jī)動(dòng)方式，并代入直升機(jī)飛行動(dòng) 力學(xué)模型求解直升機(jī)正常軌跡和逃逸軌跡，所述逃逸軌跡包括垂直改出軌跡和傾斜改出軌 跡； 步驟2，獲取直升機(jī)前視告警邊界，所述前視告警邊界包括前視縱向告警邊界和前視橫 向告警邊界，其中前視縱向告警邊界由直升機(jī)正常軌跡、逃逸軌跡和設(shè)定的最小安全高度、 前視距離共同確定，前視橫向告警邊界為在設(shè)定的起始寬度的基礎(chǔ)上W-定的偏斜角向前 延伸的邊界;所述前視距離為告警后直升機(jī)W當(dāng)前狀態(tài)飛行設(shè)定的時(shí)間的距離； 步驟3,構(gòu)建的前視告警邊界和地形數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行告警威脅判斷，若前視告警邊界與地形 碰撞時(shí)，發(fā)出警告。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟1的具體過程為： 步驟1.1，獲取直升機(jī)的初始運(yùn)動(dòng)狀態(tài)量； 步驟1.2,獲取直升機(jī)的經(jīng)濟(jì)速度，根據(jù)直升機(jī)初始飛行速度與經(jīng)濟(jì)速度的關(guān)系確定改 出動(dòng)作； 步驟1.3,獲取直升機(jī)初始運(yùn)動(dòng)狀態(tài)量、改出動(dòng)作相對(duì)應(yīng)的逃逸過程俯仰角速率時(shí)間歷 程曲線、滾轉(zhuǎn)角速率時(shí)間歷程曲線和逃逸過程法向加速度時(shí)間歷程曲線； 步驟1.4,根據(jù)俯仰角速率時(shí)間歷程曲線和滾轉(zhuǎn)角速率時(shí)間歷程曲線可W獲得繞機(jī)體 Ξ軸角速率，將直升機(jī)初始運(yùn)動(dòng)狀態(tài)量(此處具體指初始姿態(tài)角)和繞機(jī)體Ξ軸角速率代入 下式可獲得姿態(tài)角速率預(yù)測(cè)值其中，Pi、qi為繞機(jī)體X軸和Y軸角速率，為前一時(shí)刻姿態(tài)角，4、：捉為姿態(tài) 角速率預(yù)測(cè)值，i為時(shí)刻索引值； 步驟1.5,姿態(tài)角速率預(yù)測(cè)值經(jīng)過積分計(jì)算即可得到姿態(tài)角預(yù)測(cè)值，進(jìn)一步結(jié)合法向加 速度時(shí)間歷程曲線可W得到體軸系下機(jī)體Ξ軸加速度； 步驟1.6,將體軸系下機(jī)體Ξ軸加速度轉(zhuǎn)化到地軸系下即可得到地軸系下Ξ軸加速度； 步驟1.7，通過積分和迭代計(jì)算得到直升機(jī)的逃逸軌跡。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述改出動(dòng)作，對(duì)于滾轉(zhuǎn)至水平再拉起爬 升計(jì)算得到的逃逸軌跡為垂直改出軌跡;對(duì)于直接拉起爬升計(jì)算得到的逃逸軌跡為傾斜改 出軌跡。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述軌跡根據(jù)提前告警時(shí)間的不同而不 同，軌跡包括提前告警時(shí)間較短的垂直改出軌跡、提前告警時(shí)間較長(zhǎng)的垂直改出軌跡、提前 告警時(shí)間較短的傾斜改出軌跡、提前告警時(shí)間較長(zhǎng)的傾斜改出軌跡、提前告警時(shí)間較長(zhǎng)的 正常軌跡和提前告警時(shí)間較短的正常軌跡。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，起飛或著陸階段，為減少虛警，最小安全高 度設(shè)置為其中B為最小安全高度的最大取值，D為直升機(jī)距最近跑道距離，單位為海里。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，當(dāng)直升機(jī)W較低高度飛越山脊時(shí)，為避免 虛警，對(duì)前視縱向告警邊界進(jìn)行剪裁，剪裁角度為e^ = min(丫，θ3χ)-δ，其中0SX為設(shè)定的角 度上限值，S為設(shè)定的角度基準(zhǔn)值，丫為直升機(jī)航跡傾斜角，邊界剪裁從直升機(jī)正下方一定 偏置距離h處開始，沿著剪裁角的方向向前延伸直至與原有前視告警邊界相交。7. 根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的方法，其特征在于，設(shè)定一剪裁高度，當(dāng)直升機(jī)海拔高度小 于絕對(duì)剪裁高度時(shí)，系統(tǒng)不進(jìn)行任何告警，具體包括： (1 )相對(duì)于跑道的剪裁高度Hr = Hre+出，Hre為機(jī)場(chǎng)跑道海拔;出為預(yù)設(shè)定值； (2) 相對(duì)于直升機(jī)的剪裁高度Ha = Hae-A H-Hb，Hae為直升機(jī)瞬時(shí)海拔高度，Δ Η為地形最 小安全高度，化為可調(diào)偏置量； (3) 絕對(duì)剪裁高度，0為直升機(jī)距最近跑道距，單位海里。
【文檔編號(hào)】G08G5/04GK105844972SQ201610349054
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年5月24日
【發(fā)明人】陸洋, 周成中, 陳廣永, 劉以奮, 許細(xì)策, 衛(wèi)瑞智, 魏序, 劉健
【申請(qǐng)人】南京航空航天大學(xué), 中國(guó)航空無線電電子研究所