本发明涉及航空领域，特别地，涉及一种基于状态预测的空中防撞方法。
背景技术：
随着航空事业的迅速发展，空中交通密度日益增加，为了保证飞机安全有序地飞行，需要在传统的空中交通管制(Air Traffic Control,ATC)系统的基础上为飞行员提供一种可靠的、机动的防碰撞措施。在有限的空域资源条件下，飞行量激增的后果主要表现在两个方面：一方面局部空域出现拥挤，致使航班大量延误，给航空公司造成巨大的经济损失和不良社会影响；另一方面飞行冲突次数增加，使得相关空中交通服务和安全保障系统高负荷运行，安全形势不容乐观。
此外，各种新型飞行器特别是高空高速长航时无人机的广泛应用，增加了空域密度和复杂度，对传统航空安全构成严重威胁；空中交通管理(Air Traffic Management,ATM)领域“自由飞行”概念的提出，要求以最大限度地允许飞行员对航线进行自主导航，这无疑增加了飞行中航线不固定性，提高了飞行冲突概率。
针对现有技术中飞行器数量提高与航线不确定导致飞行安全得不到保障的问题，目前尚未有有效的解决方案。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于状态预测的空中防撞方法，能够有效降低飞行冲突的概率与次数，保障飞行安全。
基于上述目的，本发明提供的技术方案如下：
根据本发明的一个方面，提供了一种基于状态预测的空中防撞方法，包括：
持续通过本机检测局部空域中当前所有飞机的运动状态信息；
根据所有飞机的运动状态信息，计算未来指定时间长度内的所有飞机的飞行情况，并筛选出靠近本机的目标飞机；
判断目标飞机与本机是否构成冲突风险，若构成冲突风险则发出交通警戒信息；
判断构成冲突风险的目标飞机与本机是否构成碰撞威胁，若构成碰撞威胁则发出决策警告信息并提供避撞决策。
其中，局部空域被视为建立不考虑地球曲率的欧几里德空间模型；飞机的运动状态信息包括位置信息、速度信息与检测时间信息。
其中，根据所有飞机的运动状态信息，计算未来指定时间长度内的所有飞机的飞行情况，并筛选出靠近本机的目标飞机包括：
根据所有飞机的位置信息、速度信息与检测时间信息，获得所有飞机在欧几里德空间中的三维位置向量、三维速度向量、水平方向上的航向角与垂直方向上的俯仰角；
根据所有飞机在欧几里德空间中的三维位置向量、三维速度向量、水平方向上的航向角与垂直方向上的俯仰角，获得本机与其他飞机到达水平方向与垂直方向上最接近点的时间、本机与其他飞机在水平方向与垂直方向上的最接近点时速度与位置向量的夹角、本机与其他飞机在水平或垂直方向上的最接近点时的水平或垂直距离；
根据本机与其他飞机到达水平方向与垂直方向上最接近点的时间、本机与其他飞机在水平方向与垂直方向上的最接近点时速度与位置向量的夹角、本机与其他飞机在水平或垂直方向上的最接近点时的水平或垂直距离，筛选出靠近本机的目标飞机。
并且，判断目标飞机与本机是否构成冲突风险，若构成冲突风险则发出交通警戒信息包括：
获取交通警戒信息的时间激发阈值、交通警戒信息的水平距离与垂直距离激发阈值；
依次指定每一架目标飞机；
判断本机与被指定目标飞机到达水平方向上最接近点的时间是否小于交通警戒信息的时间激发阈值、本机与被指定目标飞机到达垂直方向上最接近点的时间是否小于交通警戒信息的时间激发阈值、本机与被指定目标飞机在最接近点时的水平距离是否小于交通警戒信息的水平距离激发阈值、本机与被指定目标飞机在最接近点时的垂直距离是否小于交通警戒信息的垂直距离激发阈值；
依次判断每一架目标飞机，对于任意一架目标飞机上述4个条件中有任意一个成立时，即判定该飞机对本机构成冲突风险，并发出交通警戒信息。
并且，判断构成冲突风险的目标飞机与本机是否构成碰撞威胁，若构成碰撞威胁则发出决策警告信息并提供避撞决策包括：
获取碰撞威胁信息的时间激发阈值、碰撞威胁信息的水平距离与垂直距离激发阈值；
依次指定每一架构成冲突风险的目标飞机；
判断本机与被指定冲突风险飞机到达水平方向上最接近点的时间是否小于碰撞威胁信息的时间激发阈值、本机与被指定冲突风险飞机到达垂直方向上最接近点的时间是否小于碰撞威胁信息的时间激发阈值、本机与被指定冲突风险飞机当前的水平距离是否小于碰撞威胁信息的水平距离激发阈值、本机与被指定冲突风险飞机当前的垂直距离是否小于碰撞威胁信息的垂直距离激发阈值；
依次判断每一架冲突风险飞机，对于任意一架冲突风险飞机，在上述4个条件中，前两个条件有任意一个成立、且后两个条件有任意一个成立时，即判定该飞机对本机构成碰撞威胁，发出碰撞威胁信息并提供避撞决策。
并且，提供避撞决策包括：
判断除了当前碰撞威胁飞机意外，是否还存在其他冲突风险飞机；
当不存在其他冲突风险飞机时，对本机与碰撞威胁飞机分别提供垂直方向上的避撞操作方案；
当存在其他冲突风险飞机时，对本机与碰撞威胁飞机分别设计与上一步骤完全相同的垂直方向上的避撞操作方案，并进一步判断该避撞操作方案是否会引发新的碰撞威胁：若是，则改为分别提供水平方向上的避撞操作方案，否则直接提供垂直方向上的避撞操作方案。
并且，当不存在其他冲突风险飞机时，对两机分别提供垂直方向上的避撞操作方案包括：
根据本机与碰撞威胁飞机当前的高度、垂直方向上的速度、本机与碰撞威胁飞机到达垂直方向上最接近点的时间，获得两机在最接近点垂直高度差；
获取本机与碰撞威胁飞机所在最接近点的最小高度限制，并根据最接近点的最小高度限制与最接近点垂直高度差分别计算出本机与碰撞威胁飞机的上行高度与下行高度；
获取飞机的初始加速度，并根据飞机的初始加速度、本机与碰撞威胁飞机到达垂直方向上最接近点的时间、上行高度与下行高度分别计算出本机与碰撞威胁飞机的爬升时间与下冲时间；
向本机与碰撞威胁飞机中垂直高度差大于零的一方发出避撞操作方案，使其连续向上爬升前述的爬升时间，并在到达垂直方向上最接近点的时间之内爬升上行高度；
向本机与碰撞威胁飞机中垂直高度差小于零的一方发出避撞操作方案，使其连续向下冲前述的下冲时间，并在到达垂直方向上最接近点的时间之内下冲下行高度。
同时，进一步判断该避撞操作方案是否会引发新的碰撞威胁包括：
依次指定每一架其他冲突风险飞机；
判断本机与被指定其他冲突风险飞机当前的水平距离是否小于碰撞威胁信息的水平距离激发阈值、本机与被指定其他冲突风险飞机当前的垂直距离是否小于碰撞威胁信息的垂直距离激发阈值；
依次判断每一架其他冲突风险飞机，对于任意一架其他冲突风险飞机，在上述两个条件均成立时，即判定该飞机会引发新的碰撞威胁。
并且，改为分别提供水平方向上的避撞操作方案包括：
根据本机与碰撞威胁飞机当前的水平位置、水平方向上的速度、本机与碰撞威胁飞机到达水平方向上最接近点的时间，获得两机在最接近点水平距离差；
获取本机与碰撞威胁飞机所在最接近点的最小水平距离限制，并根据最接近点的最小水平距离限制与最接近点水平距离差分别计算出本机与碰撞威胁飞机的水平偏移；
获取飞机的初始加速度，并根据飞机的初始加速度、本机与碰撞威胁飞机到达水平距离上最接近点的时间、两机的水平偏移分别计算出本机与碰撞威胁飞机的水平偏转时间；
向本机与碰撞威胁飞机中发出避撞操作方案，使两机连续向左侧或右侧偏转水平偏转时间，并在到达水平距离上最接近点的时间之内偏转水平偏移。
另外，当水平方向上的避撞操作方案仍然会会引发新的碰撞威胁时，生成状态空间并对本机与碰撞威胁飞机分别提供垂直与水平方向综合优化的避撞操作方案。
从上面所述可以看出，本发明提供的技术方案通过使用持续观测未来指定时间长度内的所有飞机的飞行情况，筛选出靠近本机的目标飞机，判断目标飞机与本机是否构成冲突风险或碰撞威胁，并提供避撞决策的技术手段，有效降低了飞行冲突的概率与次数，保障飞行安全。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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发明的一些实施例，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他的附图。
图1为根据本发明实施例的一种基于状态预测的空中防撞方法的流程图；
图2为根据本发明实施例的一种基于状态预测的空中防撞方法中，TCAS在两机冲突中使用的评估与决策模型图；
图3为根据本发明实施例的一种基于状态预测的空中防撞方法中，TCAS在多机冲突中诱发新冲突的模型图；
图4为根据本发明实施例的一种基于状态预测的空中防撞方法中，局部空域使用的欧几里德三维空间模型图；
图5为现有技术中局部空域使用的带有曲率的非欧空间模型图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，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一步进行清楚、完整、详细地描述，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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
空中防撞系统(Traffic Collision Avoidance System,TCAS)于20世纪80年代发展成熟并被广泛应用，它独立于陆基的ATC系统，通过获得邻近飞机的状态信息来判断飞机之间是否会存在潜在的冲突威胁或者碰撞风险，从而实现对邻近飞机的监视并根据自身情况进行机动避让，有效降低航空器相撞的可能性，确保飞行安全。
空中交通拥挤问题的产生是由于空中交通系统的容量与需求不平衡，解决该问题的基本思路为积极寻求增加空域容量的手段和方法，如缩小垂直间隔、减小纵向间隔、优化空域结构、灵活使用空域等。但同时，遭遇入侵机的风险也会随之增高，出现多机冲突态势的概率增多。因此，需要对TCAS进行有效改进从而提高避免碰撞的能力。
根据本发明的一个实施例，提供了一种基于状态预测的空中防撞方法。
如图1所示，根据本发明实施例提供的方法包括：
步骤S101，持续通过本机检测局部空域中当前所有飞机的运动状态信息；
步骤S103，根据所有飞机的运动状态信息，计算未来指定时间长度内的所有飞机的飞行情况，并筛选出靠近本机的目标飞机；
步骤S105，判断目标飞机与本机是否构成冲突风险，若构成冲突风险则发出交通警戒信息；
步骤S107，判断构成冲突风险的目标飞机与本机是否构成碰撞威胁，若构成碰撞威胁则发出决策警告信息并提供避撞决策。
其中，局部空域被视为建立不考虑地球曲率的欧几里德空间模型；飞机的运动状态信息包括位置信息、速度信息与检测时间信息。
其中，根据所有飞机的运动状态信息，计算未来指定时间长度内的所有飞机的飞行情况，并筛选出靠近本机的目标飞机包括：
根据所有飞机的位置信息、速度信息与检测时间信息，获得所有飞机在欧几里德空间中的三维位置向量、三维速度向量、水平方向上的航向角与垂直方向上的俯仰角；
根据所有飞机在欧几里德空间中的三维位置向量、三维速度向量、水平方向上的航向角与垂直方向上的俯仰角，获得本机与其他飞机到达水平方向与垂直方向上最接近点的时间、本机与其他飞机在水平方向与垂直方向上的最接近点时速度与位置向量的夹角、本机与其他飞机在水平或垂直方向上的最接近点时的水平或垂直距离；
根据本机与其他飞机到达水平方向与垂直方向上最接近点的时间、本机与其他飞机在水平方向与垂直方向上的最接近点时速度与位置向量的夹角、本机与其他飞机在水平或垂直方向上的最接近点时的水平或垂直距离，筛选出靠近本机的目标飞机。
并且，判断目标飞机与本机是否构成冲突风险，若构成冲突风险则发出交通警戒信息包括：
获取交通警戒信息的时间激发阈值、交通警戒信息的水平距离与垂直距离激发阈值；
依次指定每一架目标飞机；
判断本机与被指定目标飞机到达水平方向上最接近点的时间是否小于交通警戒信息的时间激发阈值、本机与被指定目标飞机到达垂直方向上最接近点的时间是否小于交通警戒信息的时间激发阈值、本机与被指定目标飞机在最接近点时的水平距离是否小于交通警戒信息的水平距离激发阈值、本机与被指定目标飞机在最接近点时的垂直距离是否小于交通警戒信息的垂直距离激发阈值；
依次判断每一架目标飞机，对于任意一架目标飞机上述4个条件中有任意一个成立时，即判定该飞机对本机构成冲突风险，并发出交通警戒信息。
并且，判断构成冲突风险的目标飞机与本机是否构成碰撞威胁，若构成碰撞威胁则发出决策警告信息并提供避撞决策包括：
获取碰撞威胁信息的时间激发阈值、碰撞威胁信息的水平距离与垂直距离激发阈值；
依次指定每一架构成冲突风险的目标飞机；
判断本机与被指定冲突风险飞机到达水平方向上最接近点的时间是否小于碰撞威胁信息的时间激发阈值、本机与被指定冲突风险飞机到达垂直方向上最接近点的时间是否小于碰撞威胁信息的时间激发阈值、本机与被指定冲突风险飞机当前的水平距离是否小于碰撞威胁信息的水平距离激发阈值、本机与被指定冲突风险飞机当前的垂直距离是否小于碰撞威胁信息的垂直距离激发阈值；
依次判断每一架冲突风险飞机，对于任意一架冲突风险飞机，在上述4个条件中，前两个条件有任意一个成立、且后两个条件有任意一个成立时，即判定该飞机对本机构成碰撞威胁，发出碰撞威胁信息并提供避撞决策。
并且，提供避撞决策包括：
判断除了当前碰撞威胁飞机意外，是否还存在其他冲突风险飞机；
当不存在其他冲突风险飞机时，对本机与碰撞威胁飞机分别提供垂直方向上的避撞操作方案；
当存在其他冲突风险飞机时，对本机与碰撞威胁飞机分别设计与上一步骤完全相同的垂直方向上的避撞操作方案，并进一步判断该避撞操作方案是否会引发新的碰撞威胁：若是，则改为分别提供水平方向上的避撞操作方案，否则直接提供垂直方向上的避撞操作方案。
并且，当不存在其他冲突风险飞机时，对两机分别提供垂直方向上的避撞操作方案包括：
根据本机与碰撞威胁飞机当前的高度、垂直方向上的速度、本机与碰撞威胁飞机到达垂直方向上最接近点的时间，获得两机在最接近点垂直高度差；
获取本机与碰撞威胁飞机所在最接近点的最小高度限制，并根据最接近点的最小高度限制与最接近点垂直高度差分别计算出本机与碰撞威胁飞机的上行高度与下行高度；
获取飞机的初始加速度，并根据飞机的初始加速度、本机与碰撞威胁飞机到达垂直方向上最接近点的时间、上行高度与下行高度分别计算出本机与碰撞威胁飞机的爬升时间与下冲时间；
向本机与碰撞威胁飞机中垂直高度差大于零的一方发出避撞操作方案，使其连续向上爬升前述的爬升时间，并在到达垂直方向上最接近点的时间之内爬升上行高度；
向本机与碰撞威胁飞机中垂直高度差小于零的一方发出避撞操作方案，使其连续向下冲前述的下冲时间，并在到达垂直方向上最接近点的时间之内下冲下行高度。
同时，进一步判断该避撞操作方案是否会引发新的碰撞威胁包括：
依次指定每一架其他冲突风险飞机；
判断本机与被指定其他冲突风险飞机当前的水平距离是否小于碰撞威胁信息的水平距离激发阈值、本机与被指定其他冲突风险飞机当前的垂直距离是否小于碰撞威胁信息的垂直距离激发阈值；
依次判断每一架其他冲突风险飞机，对于任意一架其他冲突风险飞机，在上述两个条件均成立时，即判定该飞机会引发新的碰撞威胁。
并且，改为分别提供水平方向上的避撞操作方案包括：
根据本机与碰撞威胁飞机当前的水平位置、水平方向上的速度、本机与碰撞威胁飞机到达水平方向上最接近点的时间，获得两机在最接近点水平距离差；
获取本机与碰撞威胁飞机所在最接近点的最小水平距离限制，并根据最接近点的最小水平距离限制与最接近点水平距离差分别计算出本机与碰撞威胁飞机的水平偏移；
获取飞机的初始加速度，并根据飞机的初始加速度、本机与碰撞威胁飞机到达水平距离上最接近点的时间、两机的水平偏移分别计算出本机与碰撞威胁飞机的水平偏转时间；
向本机与碰撞威胁飞机中发出避撞操作方案，使两机连续向左侧或右侧偏转水平偏转时间，并在到达水平距离上最接近点的时间之内偏转水平偏移。
另外，当水平方向上的避撞操作方案仍然会会引发新的碰撞威胁时，生成状态空间并对本机与碰撞威胁飞机分别提供垂直与水平方向综合优化的避撞操作方案。
TCAS根据两机距离和预计相遇时间进行逻辑判断，提供两个等级的告警信息。当入侵机进入威胁区域时造成了交通冲突风险，TCAS发出交通警戒信息(traffic advisory,TA)，使飞行员觉察并引起注意；当入侵机更接近，并且进入告警区时便构成碰撞威胁，TCAS发出决策警告信息(resolution advisory,RA)，建议飞行员为避免碰撞需要采取爬升或下降策略。TCAS主要采用本机和入侵机到达它们之间最接近点(closest point of approach,CPA)的时间，而不仅仅是依靠距离来决定是否发出TA和RA建议。TCAS根据本机和入侵机在最接近点的水平间隔(horizontal miss distance,HMD)和垂直间隔(vertical miss distance,VMD)来对入侵飞机进行威胁探测和评估，预测出两机到达CPA的时间Tau以及HMD和VMD。TCAS一般提供一个不穿越入侵机既定航线的RA建议，实现在CPA时双方的高度差值满足最小高度限制(altitude limit,ALIM)。但如果RA建议在CPA时双方的高度差值不满足ALIM，则TCAS会提供穿越入侵机既定航线的RA建议，如图2所示。
近年来，随着空中交通量不断上升，空域密度随之增加，发生双机、多机飞行冲突的可能性增大。图3示出的是均安装了TCAS的四架飞机诱发连锁碰撞的态势。飞机1与飞机2之间存在冲突1，飞机3与飞机4之间存在冲突2。变量表示相应飞机TA发生的时间，变量表示相应飞机RA发生的时间。仅考虑决策警告信息时，飞机1下降同时飞机2上升用以解脱冲突1，飞机3下降同时飞机4上升用以解脱冲突2；但是下降的飞机1和上升的飞机4会诱发一个新的冲突。
下面根据具体实施例进一步阐述本发明的技术方案。
如图4所示，本发明实施例对多机态势所在的局部空域进行建模是采用欧几里德三维空间(无曲度)模型，而非如图5所示的现有技术使用的考虑地球椭球面的非欧模型。对于操作级的TCAS防碰撞研究，时间跨度很小(通常小于一分钟)，飞机分布紧凑，因此可简化局部空域模型，构建经度、纬度和高度三维坐标系，大大减小了计算量。
TCAS采用本机和入侵机到最接近点CPA，即两机间的最小距离的时间来决定是否发出TA和RA信息，并根据本机和入侵机在CPA的水平间隔HMD和垂直间隔VMD来对相遇飞机进行冲突检测，不同高度层发出TA和RA的时间不同。下表具体地示出了不同高度条件下的参数设置。
当两架飞机航向相同且以很小的速度差慢慢靠近时，以到达CPA的时间来判断是非常危险的，因此需要考虑空间上的区域限制，即水平和垂直方向上的距离均小于相应的数值时(对应不同的高度层)才会发出TA或RA。此外，需要强调的是，两机发生碰撞事故不考虑时间上的标准，只考虑水平距离差和高度差是否同时达到了相应的阈值。
TCAS的防撞机制是通过TA和RA两级告警来实现的。机载TCAS通过对飞机在空域中的位置和速度信息进行计算，判断飞机之间是否达到TA告警阈值，如果态势不断恶化，临近的飞机不断靠近，就需要冲突解脱，即预测到将要发生碰撞时，规划出避免飞行碰撞的理想决策，使得飞行员能够按照提示的RA建议操纵飞机到达安全区域。
在时间t，Aircraft i相应的动态参数(位置和速度)可表示为：
其中，表示水平方向上的航向角，表示垂直方向上的俯仰角。
对于两机i与j，还有
其中，和被定义为Aircraft i和Aircraft j在时间t到达水平和垂直方向上CPA的时间；和分别为Aircraft i和Aircraft j速度与位置向量的夹角，且和分别为他们之间的水平和垂直距离；是他们之间在CPA时的水平距离而则为垂直距离。
在实际飞行过程中，由于在CPA时两机间的水平或垂直方向上的距离并未达到相应的阈值，因此并不是所有相互靠近的飞机都会触发TA和RA。同时TCAS在发出TA之后，由于飞机已经转变航向等原因，RA并不一定会出现。因此，如果满足以下条件将会触发有效的TA：
当两机继续靠近且满足以下条件时，TCAS将会发出RA建议：
其中，TimeTA和TimeRA分别为TA和RA激发的时间阈值；DMODRA和ZTHRRA分别为两机同航向上水平靠近时水平和垂直距离阈值。RA方向(爬升/下降)选择一般是根据水平方向上CPA时的垂直高度差来判定：
通常，和中值较大的飞机选择上升，较小的选择下降。飞行员一般设置在5s之内响应RA，初始加速度为av＝0.25g，并在垂直CPA时垂直距离至少达到ALIM。
对于Aircraft i相应的变化高度为：
此外，Aircraft i的加速时间为：
在相互协作的飞机冲突解脱中，两机加速时间和设置为相等。
多机冲突的风险可能会引发连锁碰撞事故。潜在的连锁碰撞即为本机Aircraft i、一架入侵机Aircraft j和另一架入侵机Aircraft k在未来某一时刻ta1时的水平与垂直方向上的距离均小于碰撞区域阈值：
为了给飞行员提供避免碰撞的决策咨询，TCAS必须在本机与入侵机到达最接近点之前，根据两机在空中的相对位置，预测出两机在当前时刻以及今后各个时刻的飞行轨迹点，然后根据预测的飞行轨迹来判断是否会发生飞行冲突并遵循TCAS防撞逻辑予以解脱，同时针对邻近的多机冲突判断是否存在连锁冲突，从而确定本机应该采取何种(垂直/水平方向)避让措施。
飞机优先采取垂直方向上的避碰策略，若垂直方向上可能引发连锁冲突风险甚至是碰撞态势，则采取水平方向上的避碰策略。通常，飞机选择远离水平CPA的方向进行航向偏转(向左/向右)。飞行员一般设置在5s之内响应RA，初始加速度为ah＝0.25g，并在CPA时水平距离至少达到最小水平距离限制HRES(Horizontal Restrict)。
对于Aircraft i，相应的变化水平距离为：
此外，Aircraft i的加速时间为：
在相互协作的飞机冲突解脱中，两机加速时间和设置为相等。
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过使用持续观测未来指定时间长度内的所有飞机的飞行情况，筛选出靠近本机的目标飞机，判断目标飞机与本机是否构成冲突风险或碰撞威胁，并提供避撞决策的技术手段，有效降低了飞行冲突的概率与次数，保障飞行安全。
所属领域的普通技术人员应当理解：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。