基于性能优化的飞机垂直剖面避撞方法、系统和介质与流程

1.本技术涉及飞行器的航电设备领域，更具体而言，涉及一种基于性能优化的飞机垂直剖面避撞方案。


背景技术：

2.随着航空业的蓬勃发展，在同一空域中飞行的飞机也越来越多，如何保障那么多飞机在同一空域的安全飞行以避免发生冲突(即碰撞)，一直是航空业研究的重点。
3.目前用于飞机的空中冲突解决机制，主要依托于机载交通告警防撞系统，可简称为“机载避撞系统”，例如tcas系统。所述机载交通告警防撞系统是指安装在飞机上与空中交通管制应答器配套工作，自发识别报告，使相邻飞机之间能互相发现和避让的机载电子设备。其工作原理为，按空中交通管制信标格式以每秒平均一次的随机速率自动发送本机识别信号，当收到邻机的自发识别报告后，通过协调通信，互相辨认并确定和对方的相对位置关系，进行冲突解算，生成冲突告警信息。其指示的信息包括两种：一为平面位置信息，可以显现本机和邻机之间在水平面内投影的相对位置关系；二为垂直解脱信息，它和升降速度表结合，指出解脱方向和本机升降速度及其适宜的范围。
4.其执行的冲突解算的基本思路是：设置不同等级的防护区域，然后通过计算最近点以及预计进入时间tau(即入侵飞机到达与本机相遇点的时间)识别是否存在冲突(不同的灵敏度tau时间也有差异，通常在15s到35s之间)。当有冲突时，尤其是垂直方向冲突，避撞指令一般采用1500ft/min的高度变化率，如该指令无法解除冲突，则采用2500ft/min的高度变化率，即所述冲突解算处理采用的是固定的垂直速度避撞指令。
5.在下面的表1中示出了一个示例的tcas系统的告警包线。
6.飞行高度(ft)灵敏度等级ta预留时间ra预留时间无线电高度＜5002级20s/无线电高度500～25004级35s20s气压高度2500～100005级40s25s气压高度10000～200006级45s30s气压高度＞200007级48s35s
7.表1
8.其中，ta是交通咨询，ra是决断咨询或称解脱咨询。这个表里中所显示的时间意思是：如果不采取避撞机动，按当前的运动方式，距离相撞还有多少时间。基于这个告警包线，可以确定飞机采取避让动作的时机。
9.例如，在技术文献cn102184647b中提出了采用圆柱形保护区域，新的告警级别(60s)。对于冲突解决，尤其是垂直冲突解决还是以保护区域为限得到垂直速度值，该值依赖于其设置的保护区域。并且，不同的飞机采用的保护区域是固定的。
10.综上所述，现有技术及文献中对于飞机空中冲突，尤其是垂直剖面冲突解决，均以保护区域为限采用固定垂直速度避撞指令，而未考虑飞行器本身的性能层面。这就导致无
法根据飞机的性能来个性化定制垂直剖面冲突解决方案。
11.因此，存在一种需求，希望能够提供一种基于性能优化的飞机垂直剖面避撞方案，以实现安全前提下更经济的飞行避让。


技术实现要素：

12.本技术涉及一种基于性能优化的飞机垂直剖面避撞方案，即一种用于在飞机飞行时在垂直剖面发生交通冲突时的避撞机制。与现有交通告警防撞系统工作结果相比，实现了既安全又经济的飞行避让。
13.根据本技术的第一方面，提供了一种本技术涉及一种基于性能优化的飞机垂直剖面避撞方案。所述方案包括：确定飞行避让的边界条件；确定飞行中空中交通冲突对象；基于所述飞机的性能，利用飞机运动的状态方程和性能优化指标来生成优化的飞机爬升和/或下降阶段的高度变化率并生成相应的垂直速度指令vsp；将基于性能优化生成的垂直速度指令vsp与来自交通告警防撞系统固定的垂直速度指令进行比较，并根据比较结果输出最终的垂直速度指令。
14.根据本技术的第二方面，提供了一种基于性能优化的飞机垂直剖面避撞系统，包括：交通告警防撞系统，被配置用于确定飞行避让的边界条件、确定飞行中空中交通冲突对象以及传送包括固定的垂直速度指令的冲突告警信息；飞行管理系统，包括飞行管理主程序模块以及空中冲突解算模块，其中：所述空中冲突解算模块被配置为基于所述飞机的性能，利用飞机运动的状态方程和性能优化指标来生成优化的飞机爬升和/或下降阶段的高度变化率并生成相应的垂直速度指令vsp；所述飞行管理主程序模块被配置为将基于性能优化生成的垂直速度指令vsp与来自交通告警防撞系统固定的垂直速度指令进行比较，并根据比较结果输出最终的垂直速度指令。
15.根据本技术的第三方面，提供了一种存储有指令的计算机可读存储介质，当所述指令被执行时使得机器执行如第一方面所述的飞机垂直剖面避撞方法。
16.提供本概述以便以简化的形式介绍以下在详细描述中进一步描述的一些概念。本概述并不旨在标识所要求保护主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护主题的范围。
附图说明
17.为了描述可获得本发明的上述和其它优点和特征的方式，将通过参考附图中示出的本发明的具体实施例来呈现以上简要描述的本发明的更具体描述。可以理解，这些附图只描绘了本发明的各典型实施例，并且因此不被认为是对其范围的限制，将通过使用附图并利用附加特征和细节来描述和解释本发明，在附图中：
18.图1a示出了一种基于飞机a动而飞机b不动的相向避撞机动方案中的示例避撞过程。
19.图1b示出了另一种基于飞机a动而飞机b不动的相向避撞机动方案中的示例避撞过程。
20.图2示出了一种基于飞机b动而飞机a不动的同向避撞机动方案中的示例避撞过程。
21.图3示出了根据本技术的一个实施例的一种基于性能优化的飞机垂直剖面避撞方法的示例流程图。
22.图4示出了根据本技术的一个实施例的一种基于性能优化的飞机垂直剖面避撞系统的示例系统环境框图。
具体实施方式
23.如前所述，现有的机载交通告警防撞系统采用的是固定垂直速度避撞指令，也即一般以例如1500ft/min或2500ft/min两种垂直速度来进行避让。这种固定垂直避让速度可能远大于实际需要的避让速度，不仅增加了能源消耗还可能引起乘客的不适。
24.因此，本发明的目的是提供一种用于飞机在飞行时发生冲突时能够基于飞机的性能来优化垂直避让速度的避撞机制，与现有交通告警防撞系统相比，实现了安全前提下更经济的避让。
25.首先，根据本技术的实施例的基于性能优化的飞机垂直剖面避撞方法的特点如下：
26.1)以传统交通告警防撞系统为基础平台，即采用现有的告警包线作为飞机性能优化机动避撞的时机；
27.2)在飞行管理系统中增加了空中冲突解算模块，所述空中冲突解算模块被配置为计算出在当前飞机状态约束条件下的性能最优的垂直速度指令，该指令一方面被传递给交通告警防撞系统，用于飞机之间的协调通信；另一方面被传递给本机的自动飞行系统，用于本机的避撞机动。
28.基于性能优化的基本原理
29.根据飞机避让中的各种条件参数，可以将基于性能优化的避让解决方案表示为一个需要在边界限制和约束条件下求出目标函数(即成本函数)的最小值的最优控制问题。要利用最优控制理论解决在确保避让成功的前提下如何对飞机性能进行优化问题，就必须对性能优化问题进行建模，给出构成最优控制问题的基本条件。
30.基于上述理论，所述方案可以包括下述几步：
31.a)确定边界条件：
32.一是飞机起点、终点的目标高度和目标速度(例如，在之后的举例中，将爬升高度暂定1000ft、下降高度也暂定1000ft)，这可以根据实际情况来设定。
33.二是交通告警防撞系统的固定爬升(速)率，根据设备技术特点，所述固定高度变化率一般为1500ft/min或2500ft/min。
34.b)确定飞行中空中交通冲突对象。在此假设为飞机a、飞机b。通过利用例如tcas系统的数据交换功能来交换可能发生碰撞的双方的飞行性能和状态数据，可以决定哪架飞机进行避让。具体而言，避撞策略可分为两种，即a动b不动，和a不动b动，也即使得一架飞机的飞行状态保持不变，而另一架飞机则采取避撞机动飞行。至于哪架飞机保持不动，而哪架飞机采取机动避让措施则根据哪架飞机避让时能量消耗更低来确定。
35.随后，可将避撞机动飞机的避撞航段分为三段：爬升(或下降)、平飞、下降(或爬升)。
36.如图1a和1b中所示，其示出了基于飞机a动而飞机b不动的相向避撞机动方案中的
具体避撞过程。
37.其中，在图1a中示出了飞机a采取先爬升再平飞后下降的避撞方式的示例避撞过程。
38.如图所示，飞机a和b处于相向平飞过程中，并且有可能在保护区内相撞。交通告警防撞系统(例如tcas系统)可以在飞机a的航线上设定一个保护区。并且，飞机a会向邻近(在一预定范围内)的飞机(例如飞机b)发出询问信号，以获得入侵飞机b的代码、高度、航向和其他数据，并在驾驶舱内的显示器上以不同颜色的图形显示出来。如果预测到有其他飞机，例如飞机b，将马上闯入飞机a的保护区并有相撞危险时，tcas系统就会用颜色变化的ta信号来向飞行员发出咨询提示，或发出垂直机动(在此图中为“爬升”)指令，以指导驾驶员避免在保护区内与入侵飞机b发生冲突。在飞机a按照垂直机动指示在保护区内爬升到与飞机b保持安全间隔hs的指定安全高度(例如1000ft)后，飞机a继续保持平飞，直至与飞机b相遇并继续飞行以分隔开预定安全距离。当与飞机b分开到预定距离之后，tcas系统会给飞机a发送反向垂直机动(在此图中为“下降”)指令，以将飞机恢复到预定航迹，继续正常飞行。
39.而在图1b中示出了飞机a采取先下降再平飞后上升的避撞方式的示例避撞过程。
40.与图1a的不同之处在于，在图1b中，tcas系统在避撞时向飞机a发出的垂直机动指令是“下降”，而在完成避撞后，发出的则是“上升”垂直机动指令。
41.而在图2中，示出了基于飞机b动而飞机a不动的同向避撞机动方案中的具体避撞过程。
42.如图所示，在该图中，飞机a和飞机b向同一方向飞行，并且飞机a处于巡航状态，而飞机b却处于下降状态。如果保持这样飞行状态不变，则两飞机很可能在保护区内相撞。当tcas系统预测到飞机b下降将马上闯入到飞机a的保护区并有相撞危险时，tcas系统就会用颜色变化的ta信号来向飞行员发出咨询提示，并指令飞机b的tcas系统发出垂直平飞机动指令以指导飞机b的驾驶员中断下降过程，并与飞机a保持安全间隔hs，以避免在保护区内与飞机a发生冲突。飞机b一直保持平飞直至与飞机a分隔开预定安全距离。当与飞机a分开到预定距离之后，飞机b的tcas系统会给飞机b发送继续下降的指令，以将飞机恢复到预定航迹，继续下降。
43.可以理解，与图2相类似的还可以有同向中的飞机b在下方爬升而飞机a在上方平飞的避撞情况，其流程与图2类似，飞机b在保护区中终止上升保持平飞，并在离开安全距离后继续爬升，在此不再详述。
44.为了方便说明，在此处以飞机a动而飞机b不动的避撞机动方案为例，进行说明。
45.在了解了几种飞机的避撞方式的具体过程之后，下面结合具体示例来阐述如何基于飞机的性能来优化在上述各种避撞方式中在飞机爬升和/或下降阶段的高度变化率，以在确保安全的前提下实现更经济的飞行避让。
46.从整体上来说，飞行避让中的性能优化问题可以表示为一个需要在边界限制和约束条件下求解目标函数(即成本函数)最小值的最优控制问题。要利用最优控制理论解决飞机性能优化问题，就必须对性能优化问题进行建模，给出构成最优控制问题的基本条件。具体而言：
47.(1)首先，列写飞机运动的状态方程。在垂直航迹优化中，一般只考虑飞机纵向的俯仰运动和位移运动，因此，采用的飞机运动模型可以为五阶质点运动方程，如下述各式：
[0048][0049][0050][0051][0052][0053]
上式中：
[0054]
方程1：飞机航迹方向动力学方程；
[0055]
方程2：飞机垂直方向动力学方程；
[0056]
方程3：飞机垂直方向质点运动方程；
[0057]
方程4：飞机航迹方向质点运动方程；
[0058]
方程5：飞机质量变化方程。
[0059]
在其中，m
‑
飞机质量，
‑
燃油流率，v
‑
飞行空速，v
w
‑
风速，t
‑
推力，d
‑
阻力，l
‑
升力，α
‑
飞机迎角，γ
‑
航迹角，x
‑
飞行距离，h
‑
飞行高度，g
‑
重力加速度，dv/dt
‑
速度变化率，dh/dt
‑
高度(垂直)变化率，dx/dt
‑
距离(水平)变化率，dm/dt
‑
质量变化率。
[0060]
(2)其次，确定性能优化的具体指标。性能优化指标可根据实际需求确定，主要需求可以包括：燃油最省、时间最短、航程最大、爬升最快等。不同的需求可以有不同的性能优化函数。性能优化的方法目前有能量状态法、奇异摄动法和动态规划法等各种方案，本技术采用的是能量状态法。并且，为了说明方便，在实施例中选取了图1a中所述的避让方式进行举例说明，即假设a飞机与b飞机存在空中冲突，解决冲突需要a飞机先爬升到某高度并进行一段时间平飞，再回到原飞行高度继续飞行。简化后，假设本次垂直避撞机动时间为t，a飞机在垂直剖面的避撞机动将包括爬升段(tc)、平飞段(t
‑
tc
‑
td)、下降段(td)三部分。但应该理解的是，实施例中所述的方案也适用于其他避让方式，并不局限于图1的情形。
[0061]
从飞行安全角度来考虑，本技术推荐使用的性能优化指标是最小直接操作成本。最小直接操作成本定义为式：
[0062][0063]
其中，t0，t1分别代表飞机运动的开始时间和结束时间，c
f
是单位质量的燃油成本系数，是发动机燃油流率，c
t
单位时间成本系数，p是单位时间总成本系数，dt是时间的微分，所述j可以作为性能指标。
[0064]
(3)将避撞机动的飞行航迹划分为爬升段
‑
平飞段
‑
下降段，计算当前条件下避撞的最优成本：
[0065]
[0066]
其中，上述公式右边三项依次表示爬升成本，平飞成本和下降成本，性能指标j为此三项成本之和。其中，λ为平飞单位距离成本，简称平飞成本；d为总飞行航程；d
up
、d
dn
分别为爬升段和下降段的飞行距离；t
c0
与t
c1
分别为平飞开始时刻(即爬升结束时刻)和平飞结束时刻(即下降开始时刻)。
[0067]
根据本领域的常识，飞机单位质量的等效总能量可定义为式：对上式求导数，并结合上述五阶质点方程可得：
[0068][0069]
其中，w代表飞机重量。
[0070]
将代入上述五阶质点方程中第4个式子可得：
[0071][0072]
其中，x
up
为爬升段水平距离，x
c
为平飞段距离，而x
dn
为下降段水平距离。
[0073]
假设平飞段高度和速度保持不变，则飞机总能量保持不变，只有爬升段和下降段存在能量变化，则上式可变为：
[0074][0075]
上式即为最优航迹问题中的系统状态方程。
[0076]
同样，性能指标式可变换为：
[0077][0078]
至此，性能优化问题可简化为已知系统状态方程式(式1)，对性能指标式(式2)相应的汉密尔顿函数求全局最小值。
[0079]
性能指标式相应的汉密尔顿函数为：
[0080][0081]
式中，ψ(e)为伴随变量，v
up
为爬升速度，v
wup
为爬升段风速，v
dn
为下降速度，而v
wdn
为下降段风速。
[0082][0083]
将ψ带入哈密顿函数可得式：
[0084]
[0085]
其中，h
up
为爬升段汉密尔顿函数，h
dn
为下降段汉密尔顿函数。
[0086]
使式中h
up
取最小值则相应得到最优爬升航迹，式中h
dn
取最小值则可得到最优下降航迹。
[0087]
考虑平飞段成本，设平飞段开始结束时间分别为t
c0
和t
c1
，则有关系式：
[0088][0089]
进一步得到
[0090]
针对目标高度，在不同速度下，对λ进行寻优，即以目标高度和不同速度参数反复迭代计算所述λ，从中找到最优平飞成本(对应最优λ)。
[0091]
综上所述，对于特定的飞机，根据上述公式基于其特定的发动机性能、气动性能寻找出最优平飞成本λ和目标高度下对应的平飞速度，这也是进行爬升和下降优化的基础。
[0092]
(4)根据与最优平飞成本相关联的平飞高度和平飞速度(将其作为目标高度和目标速度)，求出与性能优化(在此为“最优成本”)相关联的高度变化率，并生成相应的垂直速度指令vsp；
[0093]
同样，在诸如图1b的下降避撞方案中，也可以根据所述最优平飞成本相关联的平飞高度和平飞速度，计算出与最优成本相关联的下降速度并生成对应的垂直速度指令vsp。
[0094]
具体而言，可以根据最优平飞成本相关联的平飞高度和平飞速度计算出与性能优化相关联的在飞机爬升阶段的最优高度变化率和/或在飞机下降阶段的最优高度变化率，并据此生成相应的垂直速度指令vsp。
[0095]
(5)通过将基于性能优化生成的垂直速度指令vsp与交通告警防撞系统(例如tcas)固定的冲突解决的垂直速度指令(例如如前所述一般为1500ft/min或2500ft/min)进行比较后，输出最终的垂直速度(目标爬升或下降)指令。
[0096]
所述比较过程可以包括下述几种情况：
[0097]
·
当vsp小于1500ft/min时，按照vsp指令实施冲突解脱，也即输出vsp指令。比系统固定的1500ft/min更低的垂直速度vsp可以带来更好的燃油经济性。
[0098]
·
当vsp大于1500ft/min且小于2500ft/min时，按照vsp实施冲突解脱，也即输出vsp指令。原本当1500ft/min无法避免碰撞时，系统自动采用2500ft/min作为避撞的高度变化率，但在使用本技术的方案后，比2500ft/min更低的vsp可以在确保避让成功的情况下提供更好的燃油经济性。
[0099]
·
当vsp大于2500ft/min时，按照2500ft/min实施冲突解脱，也即输出交通告警防撞系统固定的紧急垂直速度指令。在这种情况，以保障飞行安全为首要目标。
[0100]
(6)输出垂直速度指令。如上所述，该指令可能是本方案提供的垂直速度指令vsp(大多数情况下)，也可能是系统固定的垂直速度指令。该指令一方面被传递给交通告警防撞系统，用于飞机之间的协调通信；另一方面被传递给自动飞行系统，用于本机避撞机动。
[0101]
在了解了本技术的方案的基本原理之后，下面结合图3来具体说明下根据本技术的一个实施例的一种基于性能优化的飞机垂直剖面避撞方法。
[0102]
如图所示，所述方法包括：
[0103]
在步骤302，确定飞行避让的边界条件。例如一是确定飞机起点、终点的目标高度
和目标速度(例如，将飞机间的安全间隔高度设定为1000ft)，这可以根据实际情况来设定。二是确定交通告警防撞系统的固定(默认)高度变化(速)率，根据业内习惯，所述固定高度变化率一般为1500ft/min或2500ft/min。
[0104]
随后，在步骤304，确定飞行中空中交通冲突对象。如前所述，通过例如tcas系统交换可能发生碰撞的双方的飞行性能和状态数据，可以确定由避让耗能较小的飞机执行避让操作。
[0105]
然后，在步骤306，基于飞机的性能，利用飞机运动的状态方程和性能优化指标来生成优化的飞机爬升和/或下降阶段的高度变化率。如前所述，在这一步骤中，本方案利用了五阶质点运动方程和最小直接操作成本函数来计算出最优平飞成本下的目标平飞高度和目标平飞速度。随后，再基于所述目标平飞高度和目标平飞速度，计算与性能优化相关联的高度变化率，并生成相应的垂直速度指令vsp。具体的运算过程在前述原理实施例中已经详细说明，在此不再重复描述。
[0106]
最后，在步骤308，通过将基于性能优化生成的垂直速度指令vsp与交通告警防撞系统(例如tcas)固定的垂直速度指令(例如如前所述一般为1500ft/min或2500ft/min)进行比较后，根据比较结果输出最终的垂直速度指令。所述比较过程也在上述原理实施例中有详细说明。随后，将该最终的垂直速度指令传送给交通告警防撞系统和自动飞行系统。
[0107]
至此，实现了一种基于性能优化飞机垂直剖面避撞的方法。
[0108]
在图4中，示出了根据本技术的一个实施例的一种基于性能优化的飞机垂直剖面避撞系统的示例系统环境框图。
[0109]
如图所示，飞机垂直剖面避撞系统主要包括交通告警防撞系统410和飞行管理系统430。
[0110]
其中，所述交通告警防撞系统410可以采用传统的交通告警防撞系统，例如tcas系统，该系统可以具有两种固定的避撞指令，即普通避撞指令1500ft/min，和在普通避撞指令无法解除冲突采用的紧急避撞指令2500ft/min。
[0111]
所述交通告警防撞系统410可以与大气数据系统420相连，以采集实施避让时所需的大气环境数据。
[0112]
另外，尽管未示出，但应该理解，所述交通告警防撞系统410还可以与可能碰撞的飞机的交通告警防撞系统彼此通信以交换各自的飞机的飞行数据，以用于协调避撞。
[0113]
如前所述，在飞行过程中，交通告警防撞系统410按空中交通管制信标格式以例如每秒平均一次的随机速率自动发送本机识别信号，并且当收到邻机的自发识别报告后，通过空中通信，互相辨认并确定和对方的相对位置关系。随后，在确定了飞行避让的边界条件和飞行中空中交通冲突对象的信息之后，进行冲突解算，生成冲突告警信息。并将所述冲突告警信息传递给飞行管理系统430。
[0114]
飞行管理系统430可包括飞行管理主程序模块432以及空中冲突解算模块434。
[0115]
如前所述，相比较于传统避撞方案，在本技术的方案中另外配置了一个空中冲突解算模块434，所述空中冲突解算模块434主要的作用是计算出在当前飞机状态约束条件下的性能最优的垂直速度指令，也即基于所述飞机的性能，利用飞机运动的状态方程和性能优化指标来生成优化的飞机爬升和/或下降阶段的高度变化率并生成相应的垂直速度指令vsp。该指令随后被传递给飞行管理主程序模块432。所述计算过程在先前结合飞机运动的
状态方程和性能优化指标(最小直接操作成本)的原理部分中已经详细进行了说明，在此不再进行详述。
[0116]
所述飞行管理主程序模块432则被配置为将所述性能最优的垂直速度指令和来自交通告警防撞系统410的冲突告警信息中的固定避撞指令进行比较，并根据比较结果生成最终的垂直速度指令。所述最终的垂直速度指令一方面被传递给交通告警防撞系统410，用于飞机之间的协调通信；另一方面被传递给本机的自动飞行系统440，用于本机的避撞机动。具体的比较过程可以参见在前述原理内容中所述的示例说明。在此不再进行详述。
[0117]
应该理解，所述示例系统环境中的各个部件可以通过有线(例如电缆)/无线(例如wifi、互联网、专用航空链路等等)的通信链路和技术来相互传递信息。
[0118]
与现有垂直避让技术中只有两种固定的垂直速度指令的一刀切方案相比，本发明的方案可以在当前飞机状态约束条件下使用性能最优的垂直速度指令来执行避让操作，在确保安全的同时，大大节省了燃料的消耗，降低飞行成本。
[0119]
虽然以上描述了不同的实施例，但应当理解的是它们只是作为示例而非限制。(诸)相关领域的技术人员将领会，在不偏离如所附权利要求书所定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节方面进行各种修改。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。