一种空中目标的冲突检测方法

1.一种空中目标的冲突检测方法，其具体方法如下：在本机周围设置保护区域，所述保护区域为圆柱体，本机内设置冲突检测模块，所述冲突检测模块检测是否有目标飞机进入或将进入本机保护区域，如果目标飞机进入或将进入本机保护区域，报警模块启动，发出报警信号，其中目标飞机将进入本机保护区域的阀值时间为T；
所述冲突检测模块的检测方法为：当目标飞机和本机相对垂直速度为0时，冲突产生的条件为目标飞机垂直方向上已处于本机保护区：-H＜sz＜H，且目标飞机水平方向上将进入本机保护区：t-0；
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其中： a=v，b=2(s·v)，c＝s-D，s=s0-s1，v
＝v0-v1，s0为本机位置，v0为本机速度，s1为目标飞机位置，v1为目标飞机速度；s0、s1、v0、v1均为三维分量，D为保护区域底面半径，H为保护区域垂直半高，sz为本机和目标飞机的垂直高度差。
2.如权利要求1所述的冲突检测方法，其特征在于所述冲突检测模块的检测方法为：
当目标飞机和本机相对垂直速度不为0，冲突产生的条件为目标飞机垂直方向及水平方向将进入本机保护区：t-0、tentry0，t-其中：tentry为目标飞机垂直方向进入本机保护区的时间，texit目标飞机垂直方向离开保护区的时间，
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a=v，b=2(s·v)，c＝s-D，s=s0-s1，v＝v0-v1，s0为本机位置，v0为
本机速度，s1为目标飞机位置，v1为目标飞机速度，vz为本机和目标飞机相对垂直速度；s0、s1、v0、v1均为三维分量，D为保护区域底面半径，H为保护区域垂直半高，sz为本机和目标飞机的垂直高度差。
3.如权利要求1或2所述的冲突检测方法，其特征在于所述圆柱体的保护区域底面半径D为5海里，垂直半高H为500英尺。
4.如权利要求2所述的冲突检测方法，其特征在于所述冲突检测方法还进一步包括计算产生冲突的时间，当目标飞机在垂直方向位于本机保护区内，且当水平方向进入保护区时，冲突时间等于水平方向进入保护区的时间：tcf=t-；当目标飞机在水平方向位于本机保护区，且当垂直方向进入保护区时，冲突时间等于垂直方向进入保护区的时间：tcf=tentry；
当垂直方向和水平方向都进入保护区时，冲突时间等于水平、垂直方向均位于保护区的时间，即tentry或t-的最大值。
5.如权利要求4所述的冲突检测方法，其特征在于所述冲突检测方法还进一步包括计算产生冲突的位置：根据本机的三维坐标位置（s0x，s0y，s0z）和x、y、z轴方向的速度（v0x，v0y，v0z），可得冲突位置：
xcf＝s0x+v0x×tcf
ycf＝s0y+v0y×tcf。
zcf＝d0z+v0z×tcf

一种空中目标的冲突检测方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及空中交通安全的冲突检测技术，属于空中交通管制领域，尤其涉及一种空中目标的冲突检测方法。 \n背景技术\n[0002] ADS（Automatic Dependent Surveillance自动相关监视）是ICAO（国际民用航空组织）在新航行系统中所推荐的一种新兴的监视技术。所谓自动相关监视系统，是指记载导航系统获得的导航信息，通过卫星数据链或甚高频空－地/空－空数据链，自动实时地发送到空中接收和处理系统，经过接收处理将周边空域交通态势信息提交飞行员感知。ADS-B是以广播的方式对外发送自动相关监视信息。\n[0003] 随着ADS-B技术在民航、通航和军航领域的发展和逐渐应用，极大地提高了空域允许容纳的飞行器数量，提高空域密度和使用效率。但是，随之而来的安全问题也逐渐突出，为了提高安全性能，增强飞行灵活性，以及满足日益增长的航空产业需要的系统运能，需要一种对空中ADS-B目标飞行冲突和碰撞可能性的定量计算方法，从而获知其它飞机目标对本机的威胁程度、冲突时间等信息。\n[0004] 而现有技术中并没有一种有效的对空中目标冲突的检测方法，导致飞行员难以获知飞机发生的冲突和碰撞的可能性。\n发明内容\n[0005] 针对现有技术中存在的没有一种有效的对空中目标冲突的检测方法，导致飞行员难以获知飞机发生的冲突和碰撞的可能性，因此有必要提供一种空中目标的冲突监测方法。\n[0006] 本发明公开了一种空中目标的冲突监测方法，其具体方法如下：在本机周围设置保护区域，所述保护区域为圆柱体，本机内设置冲突检测模块，所述冲突检测模块检测是否有目标飞机进入或将进入本机保护区域，如果目标飞机进入或将进入本机保护区域，报警模块启动，发出报警信号，其中目标飞机将进入本机保护区域的阀值时间为T。\n[0007] 上述突检测模块的检测方法具体为：当目标飞机和本机相对垂直速度为0时，冲突产生的条件为目标飞机垂直方向上已处于本机保护区： ，且目标飞机水平方向上将进入本机保护区： 0；\n[0008] 其中： ， ， ， ， ， \n， ， 为本机位置， 为本机速度， 为目标飞机位置， 为目标飞\n机速度； 、 、 、 均为三维分量，D为保护区域底面半径，H为保护区域垂直半高，为本机和目标飞机的垂直高度差。\n[0009] 上述突检测模块的检测方法具体为：当目标飞机和本机相对垂直速度不为0，冲突产生的条件为目标飞机垂直方向及水平方向将进入本机保护区： < T、 > 0、0， < ， < ；\n[0010] 其中： 为目标飞机垂直方向进入本机保护区的时间， 目标飞机垂直方向离开保护区的时间， ， ， ，\n， ， ， ， ， ， 为本机\n位置， 为本机速度， 为目标飞机位置， 为目标飞机速度， 为本机和目标飞机相对垂直速度； 、 、 、 均为三维分量，D为保护区域底面半径，H为保护区域垂直半高，为本机和目标飞机的垂直高度差。\n[0011] 优选地，上述圆柱体的保护区域底面半径D为5海里，垂直半高H为500英尺。\n[0012] 优选地，上述冲突检测方法还进一步包括计算产生冲突的时间，当目标飞机在垂直方向位于本机保护区内，且当水平方向进入保护区时，冲突时间等于水平方向进入保护区的时间 ： = ；当目标飞机在水平方向位于本机保护区，且当垂直方向进入保护区时，冲突时间等于垂直方向进入保护区的时间： = ；当垂直方向和水平方向都进入保护区时，冲突时间等于水平、垂直方向均位于保护区的时间，即 或 的最大值。\n[0013] 优选地，上述冲突检测方法还进一步包括计算产生冲突的位置：根据本机的三维坐标位置（ ， ， ）和x、y、z轴方向的速度（ ， ， ），可得冲突位置：\n[0014] 。\n[0015] 本发明的有益效果为：通过使用检测模块检测是否有目标飞机进入或将进入本机保护区域，使得飞行员较早获知飞机发生的冲突和碰撞的可能性，及时调整飞行方案，避免冲突发生。\n附图说明\n[0016] 图1为本发明的冲突检测方法的流程。\n[0017] 图2为本发明的3级冲突检测方法流程。\n具体实施方式\n[0018] 下面结合说明书附图详细描述本发明的具体实施方式。\n[0019] 本发明公开了一种空中目标的冲突检测方法，其具体方法如下：在本机周围设置保护区域，所述保护区域为圆柱体，本机内设置冲突检测模块，所述冲突检测模块检测是否有目标飞机进入或将进入本机保护区域，如果目标飞机进入或将进入本机保护区域，报警模块启动，发出报警信号，其中目标飞机将进入本机保护区域的阀值时间为T。通过使用检测模块检测是否有目标飞机进入或将进入本机保护区域，使得飞行员较早获知飞机发生的冲突和碰撞的可能性，及时调整飞行方案，避免冲突发生。\n[0020] 上述检测模块的具体检测方法为：当目标飞机和本机相对垂直速度为0时，冲突产生的条件为目标飞机垂直方向上已处于本机保护区： ，且目标飞机水平方向上将进入本机保护区： 0；\n[0021] 其中： ， ， ， ， ， \n， ， 为本机位置， 为本机速度， 为目标飞机位置， 为目标飞\n机速度； 、 、 、 均为三维分量，D为保护区域底面半径，H为保护区域垂直半高，为本机和目标飞机的垂直高度差。\n[0022] 冲突检测的建模使用以下概念：本机位置 ，本机速度 ，目标飞机位置 ，目标飞机速度 ，均为三维分量，如 。利用相对的系统概念，以本机为参考原点，目标飞机和本机两机相对位置为 ,相对速度为 。目标飞机处于\n坐标s，并以相对速度v向原点移动。飞行安全保护区域是水平半径D和垂直半高H的圆柱体，告警时间阀值为T。当垂直速度为0时，冲突产生条件为垂直方向上已处于保护区内，即，且水平方向上将进入保护区，即 式(1) \n[0023] 由式（1）可得 式（2）\n[0024] 式（2）中是一个关于t 的一元二次方程，其它量都为已知量或可测量。设[0025] 解该方程可得 ， 式（3）\n[0026] 为目标飞机水平方向进入本机保护区的时间，单位为秒，表示 秒后目标飞机将进入本机保护区；当该值为负时表示目标飞机已经处于本机的保护区内，且进入时间为秒（指以当前速度推测︳ ︳秒前目标飞机会进入本机保护区。 为目标飞机水平方向离开本机保护区的时间；当该值为负时表示目标飞机已经离开本机保护区，且离开时间为 秒（指以当前速度推测︳ ︳前目标飞机会离开本机保护区。\n[0027] 检测方法的目的是检测未来T秒内是否存在冲突（即进入对方保护区）。因此冲突条件需满足 < T和 > 0。 > T表示报警时间阀值内飞机未进入对方保护区， < 0表示飞机已经离开保护区。\n[0028] 上述检测模块的具体检测方法为：目标飞机和本机相对垂直速度不为0，冲突产生的条件为目标飞机垂直方向及水平方向将进入本机保护区： < T、 > 0、 0， < ， < ；\n[0029] 其中： 为目标飞机垂直方向进入本机保护区的时间， 目标飞机垂直方向离开保护区的时间， ， ， ，\n， ， ， ， ， ， 为本机\n位置， 为本机速度， 为目标飞机位置， 为目标飞机速度， 为本机和目标飞机相对垂直速度； 、 、 、 均为三维分量，D为保护区域底面半径，H为保护区域垂直半高，为本机和目标飞机的垂直高度差。(其中sign函数为符号函数，自变量为正值时，sign函数值为1，自变量为负值时，sign函数值为0)。\n[0030] 在目标飞机和本机垂直速度不为0时，需要同时考虑水平方向和垂直方向进入保护区的时间。垂直方向进入保护区的时间为 ，离开时间为 ：\n[0031] ， 式（4）\n[0032] 因为垂直半高H>0,所以 < ,即垂直方向进入保护区的时间总是小于离开时间。特殊情况下，两机的水平速度和方向相同，水平相对速度为0，即 =0， =0，此时产生冲突条件为水平方向已进入保护区，即 < ,且垂直方向进入保护区满足0。\n[0033] 因此，垂直速度不为0时产生冲突的条件为：目标在垂直和水平方向均将进入保护区，且某个时间段水平与垂直方向同时位于保护区内。即水平进入保护区时间 < T、水平离开保护区时间 > 0、垂直进入保护区时间 0，< ， < （表示目标飞机在本机水平和垂直冲突区内同时有一个时间段存在）。检测方法的流程如图1所示，其中判别式 。\n[0034] 优选地，上述圆柱体的保护区域底面半径D为5海里，垂直半高H为500英尺。此处如此设置保护区域可以让空间域比较宽广，让系统有充裕的时间检测到冲突；并在解决冲突过程中有冲突的时间处理；在解决冲突时可以让解决冲突的动作较小，改变的速度和角度较小，便于冲突解决操作。\n[0035] 上述保护区域是以飞机为中心点，包含水平安全间距和垂直安全间距的柱状区域。水平方向是以本机为中心，水平安全间距为半径的圆，是目标从水平方向与本机威胁的判断依据；垂直方向安全间距通过与高度差比较判断目标与本机在垂直方向的冲突。基于该原则，我们为飞机建立两个保护区域：间隔保护区PAZ（Protected Airspace Zone）和冲突避免区CAZ（Collision Avoidance Zone）。当目标飞机侵入不同区域即产生不同级别的告警。\n[0036] 所述保护区域根据保护区域的范围设置3级告警的机制：以目标飞机侵入本机CAZ区产生CAZ告警（最高告警级别），此时目标对本机威胁极为严重；侵入PAZ区产生PAZ告警；以及低级别告警。冲突检测的实现是根据当前和未来告警时间内，计算目标飞机与本机不同保护区域的相对位置，判断得到3级告警（PAZ告警、CAZ告警和低级别告警）。保护区域范围和告警级别的设置如表1和表2所示。\n[0037] 表1 保护区的区域值\n[0038] \n保护区域 水平半径 垂直半高\nPAZ 5海里 500英尺\nCAZ 0.15海里 300英尺\n[0039] 表2 告警级别\n[0040] \n报警级别 何时发出告警 告警时间\n低级别报警 进入PAZ区域前发生 大于300秒\nPAZ报警 如果不及时采取行动PAZ入侵将发生 300秒\nCAZ报警 如果不及时采取行动CAZ入侵将发生 60秒\n[0041] 本发明所述的冲突检测实现方法实现3级冲突检测，按照表1和表2的门限设定，目标在60秒内侵入CAZ保护区时触发CAZ告警；在300秒内进入PAZ保护区时触发PAZ告警；提供大于300秒的低级别告警。\n[0042] 在冲突检测实现方式上，3级冲突检测方法流程如图2所示。由于低级别和PAZ告警均为对PAZ区域的入侵检测，因此将冲突判决一并实现，有效减少计算量，提高了检测方法效率。CAZ告警的检测优先级较高,其产生必然同时存在PAZ告警，因此判决CAZ告警是检测到PAZ告警后的进一步判决，检测方法与PAZ告警的判决方式一致，仅保护区范围和时间等参数不同。\n[0043] 优选地，上述冲突检测方法还进一步包括当检测到存在冲突时，计算产生冲突的时间。当目标飞机在垂直方向位于本机保护区内，且当水平方向进入保护区时，冲突时间等于水平方向进入保护区的时间 ： = ；当目标飞机在水平方向位于本机保护区，且当垂直方向进入保护区时，冲突时间等于垂直方向进入保护区的时间， = ；当垂直方向和水平方向都进入保护区时，冲突时间等于水平、垂直方向均位于保护区的时间，即 或的最大值。\n[0044] 优选地，上述冲突检测方法还进一步包括当检测到存在冲突时，计算产生冲突的位置。根据冲突告警的时间 ，本机的三维坐标位置（ ， ， ）和x、y、z轴方向的速度（ ， ， ），可得冲突位置：\n[0045] 。\n[0046] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。