一种直升机编队飞行安全提示方法

1.本发明属于直升机飞行安全技术领域，具体涉及一种直升机编队飞行安全提示方法。


背景技术：

2.直升机凭借其超机动和超低空的飞行能力，成为空中力量的重要保障。在直升机执行任务时，通常不会仅以一个独立的个体存在，当单架直升机执行任务时，容易出现视野范围有限、攻击范围有限等问题，大多数情况下是以直升机编队的形式出现，相对于单架直升机而言，直升机编队在执行任务时具有较高的任务完成效率、成功率和质量。
3.直升机编队飞行是指两架或两架以上直升机按照规定的间隔、交叉角和高度截距保持编队飞行，由于实际飞行中各种因素的影响，编队直升机之间的间隔、距离和高度差不可能一直保持不变，当直升机距离过进时容易引发相撞，而距离过远时容易造成掉队，尤其对于高速直升机，处理不当将导致严重的后果。
4.在直升机机载设备中，驾驶舱交通信息显示和自动相关监视-广播系统可以提供以直升机为中心的一定空域范围内的交通态势信息以及编队中其他直升机的位置信息。地形感知和告警系统与空中防撞系统可以评估直升机周围的安全状况，并提示飞行员避免碰撞。然而，对于直升机编队来说，必须按照规定的间隔沿一定空域长时间飞行，但直升机间隔远小于空中防撞系统设定的告警阈值，如果将传统的直升机空中防撞系统直接应用于直升机编队，会造成误报警率高等一系列问题。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本发明公开了一种直升机编队飞行安全提示方法，旨在解决直升机编队在队形保持和编队防撞地问题。
6.本发明的技术方案如下：
7.一种直升机编队飞行安全提示方法，其特征在于，包括以下步骤：
8.步骤1，确定直升机编队的调整机制，在编队中设定一个参考直升机；
9.步骤2，基于直升机编队中任意相邻两架直升机间的相对运动以及保持区域的特征尺寸以确定直升机队形保持的安全阈值；基于直升机在当前飞行状态下的逃逸轨迹，得到直升机前视告警边界以确定直升机编队防撞地安全阈值；
10.步骤3，当编队中的直升机超出队形保持安全阈值或编队防撞地安全阈值，则告警；若同时超出队形保持安全阈值和编队防撞地安全阈值，则进入步骤4；
11.步骤4，确定直升机编队综合避碰方法，进行复合逃生机动。
12.作为优选，队形保持的安全阈值为所有相邻的直升机都满足保持区域的限制条件时形成的空间范围；保持区域为：根据被参考直升机的实际位置和队形的基本参数确定编队中其余每架直升机的保持区域中心，向外辐射一定几何空间区域，若其余直升机偏离该几何区域，直升机编队将发出队形保持告警；基于任意相邻两架直升机之间的相对运动分
别进行垂直碰撞分析和纵向碰撞分析，以确定保持区域的特征尺寸。
13.作为优选，保持区域的特征尺寸包括高度和半径，保持区域高度的垂直安全阈值hw表示为hw＝h0，其中，h0表示编队中两个相邻直升机之间的预定垂直距离；基于相邻两架直升机的垂直碰撞分析判断相邻两架直升机间的垂直距离是否小于垂直安全阈值hw。
14.作为优选，基于相邻两架直升机的横向碰撞分析确定保持区域的半径 rw，式中，d0表示编队中两个相邻直升机之间的横向距离，即两架直升机保持区域中心对地垂直投影间的距离，k为安全系数，δv为相邻两架直升机的地速差，g为重力加速度，t为飞行员反应时间，α为俯仰角；由两架相邻直升机的飞行状态参数确定保持区域的半径，以此确定安全阈值。
15.作为优选，前视告警边界包括纵向告警边界和横向告警边界，其中纵向告警边界为：基于直升机逃逸轨迹，在该逃逸轨迹下方预留最小安全高度δh后所形成的轨迹；横向告警边界为与前方距离相关的、具有一定宽度的告警边界。
16.作为优选，横向告警边界具体为：在直升机横向告警边界起始宽度的基础上，以一定的偏斜角ξ向前延伸得到前视告警的侧边界，直升机前方一定距离x处的横向告警边界宽度l可表示为：l＝l0+2x tanξ。
17.作为优选，步骤3中判断直升机编队是否超出编队维护的安全阈值的方法为：以一定频率实时监测各直升机的飞行状态及是否处于安全状态，当编队中直升机偏离确定的保持区域时，发出队形保持告警信号；当直升机前视告警边界与地形相交时，发出告警信号。
18.作为优选，步骤4中基于人工势能场法确定直升机编队综合避碰方法，其中，人工势能场法具体为：构造表示人工势能场的人工势能函数，将其应用在同时发出地形防撞告警与队形保持告警的直升机上；其中，人工势能场包括吸引势场和排斥势场，对编队保持区域中心产生吸引力，对编队防撞地中检测到的障碍物产生排斥力。
19.作为优选，吸引力大小表示为：式中，表示重力势场的负梯度，kf为引力势场增益系数，ρ(q,qc)＝q
c-q为直升机与编队保持区中心的相对距离；排斥力大小表示为：
20.式中，表示将负梯度作为引力，k0为斥力势场增益系数，ρ(q,q0)＝q
0-q为直升机与障碍物间的相对距离，ρ0为障碍物的影响半径；则直升机所受的合外力为： f
total
＝ff+f0，基于f
total
实现对直升机的机动控制。
21.作为优选，对直升机受到的两个分力进行加权，使地形防撞的优先级高于队形保持的优先级，以保证直升机复合逃逸过程中的安全。
22.有益效果：
23.(1)本发明提出的一种直升机编队飞行提示方法采用“领航者-跟随者”飞行模式，
24.只需给出“领航者”的机动轨迹即可控制整个编队，算法简单有效，反应速度快；
25.(2)本发明提出的一种直升机编队飞行提示方法相对于传统的直升机飞行安全系统，具有较低的虚警率，可以有效防止直升机编队与地形发生碰撞及编队中两架直升机间的碰撞，提高了直升机编队的飞行安全。
附图说明
26.图1所示为本发明提出的一种直升机编队飞行安全提示方法流程图；
27.图2所示为本发明提出的直升机编队维护安全阈值示意图；
28.图3所示为本发明提出的直升机前视告警边界示意图；
29.图4所示为本发明提出的基于人工势场法的直升机编队成员受力图；
30.图5所示为本发明的实施例的无障碍物时直升机编队飞行轨迹水平面投影图；
31.图6所示为本发明的实施例的直升机编队维护和防碰撞飞行轨迹水平面投影示意图。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.本发明公开了一种直升机编队飞行安全提示方法，针对直升机编队在“领航者-跟随者”模式下的队形保持和编队系统防撞地问题，讨论了直升机编队飞行过程中队形保持和编队防撞地的安全阈值，提出了一种安全提示方法。该方法是基于人工势场法进行编队维护，防止直升机编队与地形发生碰撞，并避免直升机编队成员间发生碰撞。该方法在直升机遇到障碍物并偏离编队保持区时，将自动执行复合逃生机动，大大提高了飞行安全。
34.如图1所示，本发明公开了一种直升机编队飞行安全提示方法，包括以下步骤：
35.步骤1，确定直升机编队的调整机制。
36.在直升机编队中，为了保证编队的完整性，必须要有一个编队调整机制，即直升机编队飞行队形。直升机编队飞行的队形是根据编队直升机的具体飞行任务来决定的，不同的飞行任务编队队形有所差别，且不同类型的直升机编队队形也不一样。常见的直升机编队飞行队形有三种：“领航者-跟随者”队形、方形队形、三角队形。本实施例优选直升机飞行编队采用“领航者-跟随者”飞行模式，不同的直升机位于参考点的不同位置，从而形成一定的阵型。基于“领航者-跟随者”飞行模式，只需给出“领航者”的机动轨迹即可控制整个编队，算法简单有效，反应速度快。
37.直升机编队“领航者-跟随者”飞行模式中将直升机分为两个互补的角色：“领航者”和“跟随者”。“领航者”决定飞行路线，“跟随者”在一定的位置和角度跟随“领航者”以保持编队。在队形的保持过程中，各“跟随者”尽量使自己的相对位置保持在应该处于的位置上，以使运动过程中偏离最优位置的积累误差最小，系统整体目标则是平衡各个体的位置以及速度，使系统整体性能达到最优。
38.步骤2，基于直升机编队中任意相邻两架直升机之间的相对运动以及保持区域的特征尺寸确定直升机队形保持的安全阈值。基于直升机在当前状态下的逃逸轨迹，得到直
升机前视告警边界以确定直升机编队防撞地安全阈值。
39.具体的，
40.步骤2.1，确定直升机队形保持的安全阈值：
41.直升机队形保持需要检测整个编队的位置，并根据当前环境信息确定直升机在编队中的正确位置。考虑到导航定位精度有限，直升机跟随飞行需要限制在一定的队形保持区域内，参考atc标准tcas的保护空域，可将编队中每架直升机的保持区域范围设为圆柱，编队中所有飞机的保持区域范围共同构成队形保持区域范围，当“跟随者”偏离该区域时，将发出保持编队警告。其中，保持区域为：根据“领航者”的实际位置和队形的基本参数确定编队中每架直升机的保持区域中心，向外辐射一定几何空间区域形成的队形保持区域，若“跟随者”偏离该几何区域，直升机编队将发出队形保持告警。此外，直升机队形保持的安全阈值可以通过分析相邻两架直升机间的相对运动和编队保持区的特征尺寸来确定，队形保持的安全阈值应当包括编队中相邻两架直升机的垂直高度和相对距离。
42.根据相邻两架直升机的垂直碰撞分析，可以确定保持区域的高度。
43.如图2所示，两架相邻的直升机均位于各自的保持区域内，其中上方直升机保持区域的下边界与位于下方的直升机保持区域的上边界恰好重合时视为最危险的情况。其中，保持区域高度为编队中相邻两架直升机预定高度差，直升机编队保持区域的垂直安全阈值hw可表示为：
44.hw＝h045.规定编队中相邻的上下两架直升机最小垂直距离，该距离即为预定垂直距离h0。
46.根据横向碰撞分析，可以确定保持区域的半径。如图2所示，假设发生该告警的原因是后方直升机的速度大于前方直升机，逃逸机动则为减速至与前方直升机相同的速度，该逃逸过程的前进距离应包括反应时间内的前飞距离和减速过程前进的距离。
47.直升机匀减速期过程的飞行距离s可表示为：
[0048][0049]
式中，s为减速至悬停的距离，a是减速的加速度，t是减速过程所需时间。
[0050]
把δv视为相邻两架直升机的地速差，可以得到：
[0051][0052]
假设直升机在减速过程中机头保持俯仰角α，逃逸过程的前进距离可以表示为：
[0053][0054]
式中，g为重力加速度，t为飞行员反应时间。
[0055]
通过考虑安全系数k，最终得到直升机两个保持区域之间的距离ds为：
[0056][0057]
直升机编队保持区域的半径rw可表示为：
[0058][0059]
式中，d0表示编队中两个相邻直升机之间的横向距离，即两架直升机保持区域中心对地垂直投影间的距离，k为安全系数，δv为相邻两架直升机的地速差，g为重力加速度，t为飞行员反应时间，α为俯仰角。由两架相邻直升机的飞行状态参数确定保持区域的半径，以此确定安全阈值。
[0060]
步骤2.2，确定直升机编队防撞地安全阈值：
[0061]
实时计算出直升机在当前飞行状态下的逃逸轨迹，并在此基础上计算出直升机前视告警边界作为直升机编队防撞地安全阈值。
[0062]
具体的，确定以htaws的前视告警边界作为地面避碰的安全阈值，如图 3所示，在直升机飞行过程中，实时计算出直升机在当前状态下的逃逸轨迹，并在此基础上计算出直升机前视告警边界，直升机前视地形告警边界一般由为纵向告警边界和横向告警边界组成。
[0063]
其中，纵向告警边界为逃逸轨迹后加预留的最小安全高度所形成的轨迹。过高精度直升机飞行动力学模型获得直升机的逃逸轨迹后，还应在其下方留出一段安全距离，这就是最小安全高度(δh)，根据tso-194c中的要求可将最小安全高度设为150米，但是在起飞或着陆阶段，直升机往往飞行高度很低，此时为减少虚警，最小安全高度值应相应减小。最小安全高度值与直升机飞行速度、起落架形态、直升机距最近跑道距离有关。
[0064]
优选的，当直升机以较低高度飞越山脊时，为了避免虚警，前视告警边界需进行额外的边界剪裁。在进行边界剪裁时，系统预设定一个角度上限值θ
sx
、一个角度基准值δ和一个偏置距离h。剪裁角度可以表示为：θ
jc
＝min(γ,θ
sx
)-δ。
[0065]
横向告警边界为与前方距离相关的、具有一定宽度的范围的告警边界。直升机飞行过程中所处的位置具有一定的横向不确定性，因此告警边界应具有一定宽度。前方越远处直升机位置不确定性越大，因此前方越远处告警边界的宽度也应该越大。为此，在起始宽度的基础上，以一定的偏斜角ξ向前延伸即得到前视告警的侧边界。直升机前方一定距离x处的横向边界宽度l可表示为：
[0066]
l＝l0+2xtanξ
[0067]
步骤3，进行编队维护判断，编队维护主要包括两部分：1.直升机编队间的队形保持2.直升机编队防撞地。当直升机编队超出队形保持的安全阈值或编队防撞地安全阈值，则告警；若同时超出队形保持的安全阈值和编队防撞地安全阈值，则进入步骤4。
[0068]
具体的，
[0069]
检测直升机编队是否超出队形保持的安全阈值：
[0070]
在直升机编队飞行过程中，由“领航者”位置确定各“跟随者”的安全范围中心，由两架相邻直升机的飞行状态参数确定告警范围大小，以一定频率实时监测各直升机的飞行状态及是否处于安全状态，当监测到“跟随者”飞出队形保持区域范围时则发出告警。
[0071]
检测直升机编队是否超出编队防撞地安全阈值：
[0072]
将前视地形告警边界与地形数据库中的高程数据进行比较，当两者相交时，系统将发出告警信号，提示飞行员进行机动改出。
[0073]
当检测直升机编队若同时超出队形保持的安全阈值和编队防撞地安全阈值，则进入步骤4进行综合避碰机动处理。
[0074]
步骤4，确定直升机编队综合避碰方法，当直升机编队同时触发队形保持告警和地面避碰告警时，采用人工势能场法进行复合逃生机动。
[0075]
具体的，结合确定的队形保持及防撞地安全阈值提出一种直升机编队综合避碰方法，如果同时触发队形保持和地形防撞告警，则采用人工势能场法进行复合逃逸机动，可以有效防止直升机编队撞地事故和编队成员间碰撞的发生。
[0076]
将吸引势场应用于编队保持区域中心，排斥势场应用于编队防撞地中检测到的障碍物，当地形防撞告警与队形保持告警同时发生时，则对发生告警的直升机产生一个与距离有关的函数，称其为人工势能函数。人工势能场下“跟随者”的受力图如图4所示，其中编队保持区中心产生吸引力，障碍物产生排斥力。
[0077]
构造吸引势场函数，可表示为：
[0078][0079]
式中，kf为引力势场增益系数，ρ(q,qc)＝q
c-q为直升机与编队保持区中心的相对距离。
[0080]
相应的吸引力大小可以用重力势场的负梯度表示为：
[0081][0082]
构造排斥势场函数，可表示为：
[0083][0084]
式中，k0为斥力势场增益系数，ρ(q,q0)＝q
0-q为直升机与障碍物间的相对距离，ρ0为障碍物的影响半径。
[0085]
把负梯度作为引力，排斥函数可表示为：
[0086][0087]
直升机编队在吸引力和排斥力合力作用下运动，直升机所受的合外力可表示为：f
total
＝ff+f0，基于f
total
实现对直升机的机动控制。
[0088]
此外，设置地形防撞的优先级高于队形保持的优先级，使用加权平均法对直升机受到的两个分力进行加权，使优先级高的分力权重更高，以保证直升机复合逃逸过程中的安全。即在实际编队飞行过程中，出现同时超出编队维护的安全阈值和编队防撞地安全阈值的情况时，直升机编队进行逃逸机动，此时先进行防撞地控制，当直升机前视告警边界脱离防撞地告警边界，即前视告警边界与高程数据不交叉时，解除地形告警，同时在人工势能场中移除障碍物斥力，仅保留队形保持的引力，优先全部解除地形告警，之后再恢复编队队形。
[0089]
为验证本发明提出的一种直升机编队飞行安全提示方法的有效性和正确性，通过
数值算例进行仿真验证。设置直升机编队采用“领航者-跟随者”飞行模式，其中，“领航者”的数量为1，“跟随者”的数量为4，“领航者”与“跟随者”初速度相同。
[0090]
基于仿真场景模拟直升机编队在无障碍物和有障碍物时的飞行轨迹，直升机编队在无障碍物时的飞行轨迹水平面投影如图5所示。当直升机编队飞行进入障碍物碰撞区域时，跟随者的飞行轨迹会发生偏离，摆脱障碍物后，编队成员在引力的作用下，经过一段时间后返回编队保持区，直升机队形保持和防碰撞飞行轨迹水平面投影如图6所示。仿真结果表明，本发明提出的一种直升机飞行安全提示方法能够实现直升机编队防撞地和队形保持，大大提高了直升机编队的飞行安全。
[0091]
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。