CN116884277A - 可配置的低空环境感知与防撞系统设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可配置的低空环境感知与防撞系统设计方法，包括：当设备通电时，自动运行上电自检过程；判断飞机的运行状态；接收来自驾驶舱内飞行员的控制指令和来自其他航电设备的飞行参数；当飞机配装一种以上的监视源时，则启动后续步骤；根据飞行员的控制指令以及配置的监视源与处理模块，启动相应的功能模块：判断中央处理单元是否满足功能启动条件，激励实现相应功能模块的数据处理；显示与告警处理；向上位机设备发送告警和系统运行状态信息。本发明具备气象、低空动目标、地形、障碍物等综合感知、威胁度评估以及避障引导等多种功能，并可根据用户需要灵活配置相应的软件驻留和硬件设备实现不同的功能，以保障低空飞行器的飞行安全。

Description

可配置的低空环境感知与防撞系统设计方法

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，具体涉及一种可配置的低空环境感知与防撞系统设计方法。

背景技术

近年来，直升机、无人机以及电动垂直起降(eVTOL)飞机等低空飞行器在应急救援和空中交通领域快速发展，同时也面临着复杂多变的低空环境威胁，环境感知和防撞需求显得尤为迫切。

机载感知和防撞(SAA)系统是保障低空飞行器在全航程飞行时能够探测、感知和避让空中交通冲突、低空障碍物撞击、可控飞行撞地或其他危险，并采取符合相关飞行规定规避行动的综合系统，以实现低空飞行器的自我安全隔离并防止碰撞，达到低空飞行环境感知和防撞运行所满足的可接受安全水平。

无人机、有人机以及eVTOL等飞行器共享低空融合空域飞行是未来的发展趋势。如何有效感知低空飞行环境，避免合作式/非合作式飞行器间、飞行器与低空障碍物的冲突碰撞危险以及飞行器遭遇威胁气象危险等是各类低空飞行器进入融合空域，实现安全和高效飞行，有效提高融合空域飞行器容量亟待解决的关键问题之一。

发明内容

有鉴于此，本说明书实施例提供一种可配置的低空环境感知与防撞系统设计方法，以达到保证低空飞行器的飞行安全的目的。

本说明书实施例提供以下技术方案：一种可配置的低空环境感知与防撞系统设计方法，包括：

当设备通电时，自动运行上电自检过程；

判断飞机的运行状态；

接收来自驾驶舱内飞行员的控制指令和来自其他航电设备的飞行参数；

当飞机配装一种以上的监视源时，则启动后续步骤；

根据飞行员的控制指令以及配置的监视源与处理模块，启动相应的功能模块：

判断中央处理单元是否满足功能启动条件，激励实现相应功能模块的数据处理；

显示与告警处理；

向上位机设备发送告警和系统运行状态信息。

进一步地，判断飞机的运行状态具备包括：

当飞机处于地面维护状态时，进入地面维护模式；

当飞机处于正常飞行状态时，运行主功能并持续运行周期自检。

进一步地，判断中央处理单元是否满足功能启动条件，激励实现相应功能模块的数据处理具体为：

当收到气象感知控制指令且配装支持蜂窝网络接收气象数据模块时，进入气象数据处理模式，完成对气象信息数据的接收和解译处理。

进一步地，判断中央处理单元是否满足功能启动条件，激励实现相应功能模块的数据处理具体为：当收到低空运动目标监视的控制指令且配装机载防撞雷达或ADS-B或TCAS-II时，进入动目标主被动感知数据处理模式，对接收的ADS-B或TCAS-II监视信息以及机载防撞雷达的主动探测信息进行单独或综合处理，完成对入侵运动目标的跟踪、航迹融合、属性判决和威胁度评估数据处理。

进一步地，判断中央处理单元是否满足功能启动条件，激励实现相应功能模块的数据处理具体为：

当收到障碍物探测控制指令且配装机载防撞雷达时，进入障碍物探测数据处理模式，利用机载防撞雷达主动探测，完成对威胁人造建筑物的探测和分类。

进一步地，判断中央处理单元是否满足功能启动条件，激励实现相应功能模块的数据处理具体为：

当收到地形感知探测控制指令且配装机载防撞雷达和/或TAWS系统时，进入地形数据综合处理模式；

当配装TAWS系统，利用TAWS的全球位置数据库和地形轮廓数据库完成地形三维或二维显示；

当配装机载防撞雷达时，利用雷达探测的地形点信息完成地形三维或二维显示；

当同时配装机载雷达系统和TAWS系统时，完成雷达探测地形点信息与TAWS地形轮廓数据库进行插值重构，进行完成重构地形的三维或二维显示。

进一步地，判断中央处理单元是否满足功能启动条件，激励实现相应功能模块的数据处理具体为：

当收到雷达和吊舱协同指令且同时配装机载防撞雷达和光学吊舱，进入雷达和吊舱协同控制数据处理模式，通过扫描、随动和图像跟踪的工作方式，完成雷达与光学吊舱的协同工作。

进一步地，判断中央处理单元是否满足功能启动条件，激励实现相应功能模块的数据处理具体为：

当收到定位控制指令且配装机载防撞雷达或ADS-B时，进入目标定位处理模式；

通过机载防撞雷达完成对前视方位±60°，俯仰±15°，5km范围的运动目标和障碍物的定位处理；

通过ADS-B接收到的信息，完成全空域60km范围内运动目标的定位处理。

进一步地，判断中央处理单元是否满足功能启动条件，激励实现相应功能模块的数据处理具体为：

当收到航路引导控制指令时，进入航迹引导处理模式，通过接收气象感知模块、低空动目标综合监视模块、地形/障碍物综合探测模块和雷达/吊舱协同模块的输出结果，根据感知到的运动目标和障碍物的位置信息、威胁度等级以及本机的飞行状态信息，完成飞行路径和飞行动作提前规划。

进一步地，判断中央处理单元是否满足功能启动条件，激励实现相应功能模块的数据处理具体为：

当收到辅助或自动着陆控制指令，飞机处于着陆阶段且同时配装机载防撞雷达、ADS-B和光学吊舱，进入辅助或自动着陆处理模式，通过采用基于机载防撞雷达、ADS-B和光学吊舱多传感器信息融合、视景增强显示、着陆场景3D重构与渲染技术，完成辅助或自动进近着陆飞行路径和飞行动作提前规划。

与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：

在保持系统架构的情况，监视源和功能模块可配置。根据飞机用户需要灵活地增减监视源及相应的处理模块，可快速、灵活地配置相应的功能。

感知的低空飞行安全威胁因素种类多，包括危险气象、入侵航空器/飞鸟、民航飞机、突变地形、低空障碍物等。

多源信息融合程度高，增强了低空飞行环境威胁感知的置信度。

自动化程度高，降低飞行员的工作强度。

实时性强，确保信息处理及时。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，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申请的一些实施例，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。

图1是可配置的低空环境感知与防撞系统设备的结构架构图；

图2是本发明实施例的设备运行逻辑框图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

一种可配置的低空环境感知与防撞系统设备位于飞机的航空电子系统中，通过航电总线接收来自导航系统、飞行管理系统、飞行控制系统和其他传感器的数据，获取飞机的姿态、飞行航迹等数据，SAA系统运行后将结果通过航电总线输出于位于驾驶舱的显示与控制系统，通过展示地形、低空障碍物、空中交通等信息和相应的告警来为飞行员提供低空环境感知与防撞能力。

该可配置的低空环境感知与防撞系统设备以机载防撞雷达为核心，主要由四个主要部分组成：监视源、中央处理单元、安装结构以及数据链路设备。如图1虚线框所示。

监视源主要包括：机载防撞雷达、地形感知与告警系统(TAWS)、光学吊舱系统、广播式自动相关监视系统(ADS-B)以及可选装的空中交通监视系统(包括TCAS II/ACAX-X和应答机(XPDR))、测高系统(包括激光雷达、雷达高度仪等)。

中央处理单元主要包括：气象感知模块、低空动目标监视模块、低空障碍物探测模块、地形综合感知模块、雷达/吊舱协同模块、定位模块、航迹引导模块、辅助/自动着陆模块(可配置)以及显示与告警模块。

安装结构，主要是指中央处理单元的外壳等结构件和安装件以及监视源的安装结构件等。

数据链路设备，主要是指监视源获取本机飞行状态数据的RS422总线、中央处理单元和显示与控制系统的数据交互的ARINC661、RS429总线。

飞机用户可根据使用场景和执行任务需要，灵活选配上述不同类型的监视源，选配中央处理单元相应的处理模块。

本发明还提供了一种可配置的低空环境感知与防撞系统设计方法：包括：

步骤一，当设备通电时，自动运行上电自检过程；

步骤二，判断飞机的运行状态；

步骤2-1，当飞机处于地面维护状态时，进入地面维护模式；

步骤2-2，当飞机处于正常飞行状态时，持续运行周期自检；

步骤2-3，当飞行处于正常飞行状态时，运行主功能；

步骤三，接收来自驾驶舱内飞行员的控制指令和来自其他航电设备的飞行参数；

步骤四，判断飞机是否配装一种以上的监视源，满足启动条件；

步骤五，根据飞行员的控制指令以及配置的监视源与处理模块，启动相应的功能模块；

步骤六，判断中央处理单元是否满足功能启动条件，激励实现相应功能的数据处理；

步骤6-1，当收到气象感知控制指令且配装支持蜂窝网络接收气象数据模块，进入气象数据处理模式，完成对气象信息数据的接收和解译处理；

步骤6-2，当收到低空运动目标监视的控制指令且配装机载防撞雷达或ADS-B或TCAS-II，进入动目标主被动感知数据处理模式，对接收的ADS-B或TCAS-II监视信息以及机载防撞雷达的主动探测信息进行单独或综合处理，完成对入侵运动目标的跟踪、航迹融合、属性判决、威胁度评估等数据处理；

步骤6-3，当收到障碍物探测控制指令且配装机载防撞雷达，进入障碍物探测数据处理模式，利用机载雷达主动探测，完成对高压线/塔、孤立障碍物、楼宇等威胁人造建筑物的探测和分类；

步骤6-4，当收到地形感知探测控制指令且配装机载防撞雷达或TAWS系统，进入地形数据综合处理模式。当配装TAWS系统，利用TAWS的全球位置数据库和地形轮廓数据库完成地形三维或二维显示；当配装机载防撞雷达时，利用雷达探测的地形点信息完成地形三维或二维显示；当同时配装机载雷达系统和TAWS系统时，完成雷达探测地形点信息与TAWS地形轮廓数据库进行插值重构，进行完成重构地形的三维或二维显示；

步骤6-5，当收到雷达/吊舱协同指令且同时配装机载防撞雷达和光学吊舱，进入雷达/吊舱协同控制数据处理模式，通过扫描、随动和图像跟踪等工作方式，完成雷达与光学吊舱的协同工作；

步骤6-6，当收到定位控制指令且配装机载防撞雷达或ADS-B时，进入目标定位处理模式，一方面，可以通过机载防撞雷达完成对前视方位±60°，俯仰±15°5km范围的运动目标和障碍物的定位处理；另一方面，也可以通过ADS-B接收到的信息，完成全空域60km范围内运动目标的定位处理；

步骤6-7，当收到航路引导控制指令，进入航迹引导处理模式，通过接收气象感知模块、低空动目标综合监视模块、地形/障碍物综合探测模块和雷达/吊舱协同模块的输出结果，根据感知到的危险气象、入侵航空器/飞鸟、突变地形、低空障碍物的位置信息、威胁度等级以及本机的飞行状态信息，完成飞行路径和飞行动作提前规划；

步骤6-8，当收到辅助/自动着陆控制指令，飞机处于着陆阶段且同时配装机载防撞雷达、ADS-B和光学吊舱，进入辅助/自动着陆处理模式，通过采用基于机载防撞雷达、ADS-B和光学吊舱等多传感器信息融合、视景增强显示、着陆场景3D重构与渲染等技术，完成辅助/自动进近着陆飞行路径和飞行动作提前规划；

步骤七，显示与告警处理，将步骤六的处理结果、飞机的飞行状态和姿态、控制指令以及航电参数在驾驶舱主飞行显示器进行显示；根据飞机当前的水平速度和无线电高度以及步骤六感知的气象、地形、障碍物和低空运动目标等信息计算告警包络，当飞机的高度和速度处于包络内时将触发相应的告警；

步骤八，向上位机设备发送告警和系统运行状态信息；

步骤九，当飞机处于地面维护状态时，执行数据机载或维护自检功能，进行状态维护，向上位机发送维护数据。

图2是本发明实施例的可配置的低空环境感知与防撞系统设计方法的运行逻辑框图，包含三种模式，分别是周期自检、主功能和地面维护。

步骤102是指设备上电后自动运行自检的过程，设备初始化整个系统，运行自检程序，校验当前配置信息，同时建立与其他航电设备和总线的通信关系。

步骤103是指设备运行正常后，判断飞机当前的飞行状态。若飞机处于地面维护状态，则自动运行地面维护程序，若飞机处于执飞的状态，则设备一方面运行周期自检程序，另一方面运行主功能。

步骤104是设备接收来自驾驶舱的控制指令和来自航电设备的参数。驾驶舱的控制指令可以选择开启或者禁用低空环境感知与防撞设备。

步骤105是设备在运行的过程中，不断判断飞机当前的飞行状态、驾驶舱指令和设备自身的状态是否满足低空环境感知与防撞设备的启动条件。若不满足，设备状态返回步骤104，若满足启动条件低空环境感知与防撞设备激活，设备运行步骤106、步骤108、步骤110、步骤112、步骤114、步骤116、步骤118和步骤120。

步骤106是设备判断是否收到的气象感知控制指令且配装支持蜂窝网络接收气象数据模块，若满足条件则进入步骤107气象数据处理，完成对气象信息数据的接收和解译处理，否则设备状态返回到步骤106；

步骤108是设备判断是否收到低空运动目标监视的控制指令且配装机载防撞雷达或ADS-B或TCAS-II，若满足条件则进入步骤109动目标主被动感知数据处理，对接收的ADS-B或TCAS-II监视信息以及机载防撞雷达的主动探测信息进行单独或综合处理，完成对入侵运动目标的跟踪、航迹融合、属性判决、威胁度评估等数据处理；

步骤110是设备判断是否收到障碍物探测控制指令且配装机载防撞雷达，若满足条件则进入步骤111障碍物探测数据处理，利用机载雷达主动探测，完成对高压线/塔、孤立障碍物、楼宇等威胁人造建筑物的探测和分类；

步骤112是设备判断是否收到地形感知探测控制指令且配装机载防撞雷达或TAWS系统，若满足条件则进入步骤113地形数据综合处理，当配装TAWS系统，利用TAWS的全球位置数据库和地形轮廓数据库完成地形三维或二维显示；当配装机载防撞雷达时，利用雷达探测的地形点信息完成地形三维或二维显示；当同时配装机载雷达系统和TAWS系统时，完成雷达探测地形点信息与TAWS地形轮廓数据库进行插值重构，进行完成重构地形的三维或二维显示，否则设备状态返回到步骤106；

步骤114是设备判断是否收到雷达/吊舱协同指令且同时配装机载防撞雷达和光学吊舱，若满足条件则进入步骤115雷达/吊舱协同控制数据处理，通过扫描、随动和图像跟踪等工作方式，完成雷达与光学吊舱的协同工作，否则设备状态返回到步骤106；

步骤116是设备判断是否收到定位控制指令且配装机载防撞雷达或ADS-B时，若满足条件则进入步骤117目标定位处理，一方面，可以通过机载防撞雷达完成对前视方位±60°，俯仰±15°5km范围的运动目标和障碍物的定位处理；另一方面，也可以通过ADS-B接收到的信息，完成全空域60km范围内运动目标的定位处理，否则设备状态返回到步骤106；

步骤118是设备判断是否收到航路引导控制指令，若满足条件则进入步骤119航迹引导处理模式，通过接收气象感知模块、低空动目标综合监视模块、地形/障碍物综合探测模块和雷达/吊舱协同模块的输出结果，根据感知到的危险气象、入侵航空器/飞鸟、突变地形、低空障碍物的位置信息、威胁度等级以及本机的飞行状态信息，完成飞行路径和飞行动作提前规划，否则设备状态返回到步骤106；

步骤120是设备判断是否收到辅助/自动着陆控制指令，飞机处于着陆阶段且同时配装机载防撞雷达、ADS-B和光学吊舱，若满足条件则步骤121进入辅助/自动着陆处理模式，通过采用基于机载防撞雷达、ADS-B和光学吊舱等多传感器信息融合、视景增强显示、着陆场景3D重构与渲染等技术，完成辅助/自动进近着陆飞行路径和飞行动作提前规划，否则设备状态返回到106；

步骤122是设备显示与告警处理，将步骤六的处理结果、飞机的飞行状态和姿态、控制指令以及航电参数在驾驶舱主飞行显示器进行显示；根据飞机当前的水平速度和无线电高度以及步骤六感知的气象、地形、障碍物和低空运动目标等信息计算告警包络，当飞机的高度和速度处于包络内时将触发相应的告警；

步骤122是设备收集并上报主功能的运行状态结果、飞行状态数据和低空环境感知与告警数据。

步骤002和步骤003是设备运行周期自检和系统状态维护，监测设备故障和软硬件的运行状态，将系统状态和故障信息及时上报给步骤122。

步骤202和步骤203是设备在地面维护状态下运行数据加载和维护自检，用于设备软硬件的日常地面维护和和软硬件版本的更新和升级。

步骤204和步骤205是设备在地面维护状态下维护状态的监测和发送，步骤205收集并上报数据加载的结果、维护状态和自检结果。

以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案之间、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。

Claims (10)

1.一种可配置的低空环境感知与防撞系统设计方法，其特征在于，包括：

当设备通电时，自动运行上电自检过程；

判断飞机的运行状态；

接收来自驾驶舱内飞行员的控制指令和来自其他航电设备的飞行参数；

当飞机配装一种以上的监视源时，则启动后续步骤；

根据飞行员的控制指令以及配置的监视源与处理模块，启动相应的功能模块：

判断中央处理单元是否满足功能启动条件，激励实现相应功能模块的数据处理；

显示与告警处理；

向上位机设备发送告警和系统运行状态信息。

2.根据权利要求1所述的可配置的低空环境感知与防撞系统设计方法，其特征在于，所述判断飞机的运行状态具备包括：

当飞机处于地面维护状态时，进入地面维护模式；

当飞机处于正常飞行状态时，运行主功能并持续运行周期自检。

3.根据权利要求2所述的可配置的低空环境感知与防撞系统设计方法，其特征在于，所述判断中央处理单元是否满足功能启动条件，激励实现相应功能模块的数据处理具体为：

当收到气象感知控制指令且配装支持蜂窝网络接收气象数据模块时，进入气象数据处理模式，完成对气象信息数据的接收和解译处理。

4.根据权利要求2所述的可配置的低空环境感知与防撞系统设计方法，其特征在于，所述判断中央处理单元是否满足功能启动条件，激励实现相应功能模块的数据处理具体为：当收到低空运动目标监视的控制指令且配装机载防撞雷达或ADS-B或TCAS-II时，进入动目标主被动感知数据处理模式，对接收的ADS-B或TCAS-II监视信息以及机载防撞雷达的主动探测信息进行单独或综合处理，完成对入侵运动目标的跟踪、航迹融合、属性判决和威胁度评估数据处理。

5.根据权利要求2所述的可配置的低空环境感知与防撞系统设计方法，其特征在于，所述判断中央处理单元是否满足功能启动条件，激励实现相应功能模块的数据处理具体为：

当收到障碍物探测控制指令且配装机载防撞雷达时，进入障碍物探测数据处理模式，利用机载防撞雷达主动探测，完成对威胁人造建筑物的探测和分类。

6.根据权利要求2所述的可配置的低空环境感知与防撞系统设计方法，其特征在于，所述判断中央处理单元是否满足功能启动条件，激励实现相应功能模块的数据处理具体为：

当收到地形感知探测控制指令且配装机载防撞雷达和/或TAWS系统时，进入地形数据综合处理模式；

当配装TAWS系统，利用TAWS的全球位置数据库和地形轮廓数据库完成地形三维或二维显示；

当配装机载防撞雷达时，利用雷达探测的地形点信息完成地形三维或二维显示；

当同时配装机载雷达系统和TAWS系统时，完成雷达探测地形点信息与TAWS地形轮廓数据库进行插值重构，进行完成重构地形的三维或二维显示。

7.根据权利要求2所述的可配置的低空环境感知与防撞系统设计方法，其特征在于，所述判断中央处理单元是否满足功能启动条件，激励实现相应功能模块的数据处理具体为：

当收到雷达和吊舱协同指令且同时配装机载防撞雷达和光学吊舱，进入雷达和吊舱协同控制数据处理模式，通过扫描、随动和图像跟踪的工作方式，完成雷达与光学吊舱的协同工作。

8.根据权利要求2所述的可配置的低空环境感知与防撞系统设计方法，其特征在于，所述判断中央处理单元是否满足功能启动条件，激励实现相应功能模块的数据处理具体为：

当收到定位控制指令且配装机载防撞雷达或ADS-B时，进入目标定位处理模式；

通过机载防撞雷达完成对前视方位±60°，俯仰±15°，5km范围的运动目标和障碍物的定位处理；

通过ADS-B接收到的信息，完成全空域60km范围内运动目标的定位处理。

9.根据权利要求2所述的可配置的低空环境感知与防撞系统设计方法，其特征在于，所述判断中央处理单元是否满足功能启动条件，激励实现相应功能模块的数据处理具体为：

当收到航路引导控制指令时，进入航迹引导处理模式，通过接收气象感知模块、低空动目标综合监视模块、地形/障碍物综合探测模块和雷达/吊舱协同模块的输出结果，根据感知到的运动目标和障碍物的位置信息、威胁度等级以及本机的飞行状态信息，完成飞行路径和飞行动作提前规划。

10.根据权利要求2所述的可配置的低空环境感知与防撞系统设计方法，其特征在于，所述判断中央处理单元是否满足功能启动条件，激励实现相应功能模块的数据处理具体为：

当收到辅助或自动着陆控制指令，飞机处于着陆阶段且同时配装机载防撞雷达、ADS-B和光学吊舱，进入辅助或自动着陆处理模式，通过采用基于机载防撞雷达、ADS-B和光学吊舱多传感器信息融合、视景增强显示、着陆场景3D重构与渲染技术，完成辅助或自动进近着陆飞行路径和飞行动作提前规划。