一種直升機(jī)近地告警方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種直升機(jī)近地告警方法，包括設(shè)計(jì)下降率過(guò)大告警、地形接近率過(guò)大告警、起飛或復(fù)飛后掉高過(guò)大告警、不安全超障高度告警和下滑道偏離過(guò)大告警；對(duì)于每一種告警模式，首先基于該直升機(jī)型號(hào)的基本設(shè)計(jì)參數(shù)和性能參數(shù)通過(guò)直升機(jī)性能分析程序計(jì)算得到與直升機(jī)近地告警相關(guān)的主要性能指標(biāo)；在基準(zhǔn)點(diǎn)所限制的告警范圍內(nèi)選取若干設(shè)計(jì)點(diǎn)，并分別計(jì)算每個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)的告警邊界值；由告警邊界基準(zhǔn)點(diǎn)、告警邊界基準(zhǔn)點(diǎn)所限制的告警范圍內(nèi)的設(shè)計(jì)點(diǎn)以及各個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)處的告警邊界值進(jìn)行曲線擬合便可以得到完整的GPWS告警邊界曲線進(jìn)一步對(duì)上述通過(guò)曲線擬合得到告警邊界進(jìn)行簡(jiǎn)化和剪裁最終得到實(shí)用的基于直升機(jī)逃逸軌跡的GPWS告警邊界。
【專利說(shuō)明】
一種直升機(jī)近地告警方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種直升機(jī)技術(shù)，特別是一種直升機(jī)復(fù)雜氣象條件下低空飛行的地形 防撞告警的實(shí)現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在航空飛行中，由于缺乏對(duì)飛行器周圍地形的感知而發(fā)生墜毀事故的情況被稱為 可控飛行撞地(controlled flight into terrain，CFIT)，可控飛行撞地一直以來(lái)都是現(xiàn) 代商用航空飛行事故的主要原因之一。為此，工業(yè)界研究發(fā)明了近地告警系統(tǒng)（ground proximity warning system，GPWS)以減少CFIT事故。經(jīng)過(guò)美國(guó)聯(lián)邦航空局（federal aviation administration,FAA)和國(guó)際民航組織的推廣，目前，幾乎所有的商用噴氣飛機(jī) 均裝備了 GPWS。隨著推廣使用，CFIT事故明顯減少。
[0003] 直升機(jī)常飛行于地理環(huán)境復(fù)雜的低空區(qū)域，CFIT也是重要的事故原因。GPWS在固 定翼飛機(jī)上的成功使用，使得人們自然地想到要把GPWS安裝到直升機(jī)上，以減少CFIT事故 的發(fā)生。然后直升機(jī)與固定翼飛機(jī)在機(jī)械結(jié)構(gòu)、機(jī)動(dòng)方式和飛行性能等方面都有著很大的 不同，直接將固定翼飛機(jī)上的GPWS安裝在直升機(jī)上不但不能有效地提供地形防撞告警，還 會(huì)帶來(lái)虛警率過(guò)大等一系列問(wèn)題，因此根據(jù)直升機(jī)的飛行特點(diǎn)研究合理有效的GPWS告警算 法對(duì)于減少直升機(jī)可控飛行撞地具有重要的意義。
[0004] 在此背景下，以美國(guó)Honeywell公司為首的航電廠商開(kāi)始研制應(yīng)用于直升機(jī)的 GPWS。根據(jù)FAA的要求，GPWS至少包括五種告警模式，即下降率過(guò)大告警、地形接近率過(guò)大告 警、起飛或復(fù)飛后掉高過(guò)大告警、不安全超障高度告警和下滑道偏離過(guò)大告警。各航電廠商 的GPWS的算法資料多處于非公開(kāi)狀態(tài)，只有Honeywell公司公開(kāi)了其MKXXI型GPWS的算法資 料。Honeywell公司GPWS包括6種告警模式，其在FAA要求的5種告警模式的基礎(chǔ)上增加了高 度提示告警。對(duì)于每一種告警模式，首先確定該告警模式的告警邊界，當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)穿過(guò)告警 邊界進(jìn)入告警區(qū)域時(shí)，則觸發(fā)該模式的告警，系統(tǒng)告警時(shí)同時(shí)給出燈光告警和語(yǔ)音告警。然 而該算法為了考慮通用性，其告警邊界設(shè)計(jì)較為保守，告警范圍較大，因此具有虛警率較高 的缺點(diǎn)。對(duì)于機(jī)動(dòng)能力較強(qiáng)的軍用直升機(jī)尤其是武裝直升機(jī)，該算法的告警范圍過(guò)大，提前 告警時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，因而會(huì)大大限制直升機(jī)性能的發(fā)揮。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供了一種直升機(jī)近地告警方法，該方法可以對(duì)直升機(jī)飛行過(guò)程中潛在的 地形威脅提供防撞告警，提醒飛行員采取必要的機(jī)動(dòng)措施，以避免撞地事故。
[0006] 一種直升機(jī)近地告警方法，包括：
[0007] 基于直升機(jī)參數(shù)，選取下降率過(guò)大告警、地形接近率過(guò)大告警、起飛或復(fù)飛后掉高 過(guò)大告警、不安全超障高度告警和下滑道偏離過(guò)大告警在內(nèi)的邊界，及
[0008] 觸發(fā)不同告警邊界時(shí)發(fā)出相應(yīng)警報(bào)。
[0009] 采用上述方法，所述下降率過(guò)大告警邊界的選取具體包括以下步驟：
[0010] 步驟1.1，選取兩個(gè)告警基準(zhǔn)點(diǎn)，其中一基準(zhǔn)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的下降率為直升機(jī)起落架結(jié) 構(gòu)強(qiáng)度限制的直升機(jī)最大垂直接地速度，另一基準(zhǔn)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的下降率為直升機(jī)所能達(dá)到的 最大的下降率；
[0011] 步驟1.2,在兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)之間選取若干設(shè)計(jì)點(diǎn)，分別計(jì)算每一設(shè)計(jì)點(diǎn)處的逃逸掉高 將其作為告警臨界高度，所述每一設(shè)計(jì)點(diǎn)處的逃逸掉高《 = 化，其中ho為告警高度，1!2為 設(shè)定的飛行員在接到警告后反應(yīng)一段時(shí)間Tr后做出相應(yīng)操作后直升機(jī)下降率減為0的下降 高度；
[0012] 步驟1.3,對(duì)告警臨界高度進(jìn)行曲線擬合得到告警邊界曲線；
[0013] 步驟1.4，對(duì)告警邊界曲線進(jìn)行直線化處理得的告警上邊界；
[0014]步驟1.5,設(shè)定告警下邊界；
[0015] 改變?cè)O(shè)定的飛行員在接到警告后反應(yīng)時(shí)間Tr，獲取不同Tr下的下降率過(guò)大告警邊 界，且Tr越大告警臨界高度越大。
[0016] 采用上述方法，所述地形接近率過(guò)大告警邊界的選取包括直升機(jī)處于工作巡航階 段和直升機(jī)起飛著陸階段形接近率過(guò)大告警邊界的選取，兩種模式下的選取步驟相同，但 直升機(jī)空速設(shè)定不同，處于直升機(jī)起飛著陸階段的空速低于直升機(jī)處于工作巡航階段時(shí)的 空速，具體包括以下步驟：
[0017] 步驟2.1，選取兩個(gè)告警基準(zhǔn)點(diǎn)，其中一基準(zhǔn)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的地形接近率為直升機(jī)以一 定角度下滑著陸所對(duì)應(yīng)的地形接近率，另一基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地形接近率為直升機(jī)達(dá)到的最大 地形接近率；
[0018] 步驟2.2,在兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)之間選取若干設(shè)計(jì)點(diǎn)，分別計(jì)算各個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)處的告警臨界 值系= ￡tan0-A，L為直升機(jī)當(dāng)前位置至直升機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡與上升地形相切處的水平距離，0 為地形斜率，h為直升機(jī)爬升未撞地所需要的最小爬升高度；
[0019] 步驟2.3,對(duì)告警臨界高度進(jìn)行曲線擬合得到告警邊界曲線；
[0020] 步驟2.4，對(duì)告警邊界曲線進(jìn)行直線化處理得的告警上邊界；
[0021 ]步驟2.5，設(shè)定告警下邊界；
[0022] 對(duì)于步驟2.5,直升機(jī)處于不同階段告警下邊界不同，直升機(jī)起飛著陸階段告警下 邊界的設(shè)定大于直升機(jī)處于工作巡航階段的告警下邊界。
[0023] 采用上述方法，所述起飛或復(fù)飛后掉高過(guò)大告警邊界的選取具體包括以下步驟：
[0024] 步驟3.1，選取兩個(gè)告警基準(zhǔn)點(diǎn)，一基準(zhǔn)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的高度損失為氣壓高度計(jì)的最大 誤差，另一基準(zhǔn)所對(duì)應(yīng)高度損失為直升機(jī)所允許的最大高度損失；
[0025] 步驟3.2,在兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)之間選取若干設(shè)計(jì)點(diǎn)，分別計(jì)算無(wú)線電高度積分臨界值S 作為該設(shè)計(jì)點(diǎn)處的告警臨界值截，h(t)為無(wú)線電高度函數(shù)，Ti為直升機(jī)起落架收 T' 起時(shí)刻，12為直升機(jī)飛行至最高點(diǎn)時(shí)刻，T3為直升機(jī)位于告警高度的時(shí)刻；
[0026] 步驟3.3,對(duì)告警臨界高度進(jìn)行曲線擬合得到告警邊界曲線；
[0027]步驟3.4，對(duì)告警邊界曲線進(jìn)行直線化處理得的告警上邊界；
[0028]所述步驟3.2,中T3選取滿足飛行員在接到報(bào)警時(shí)作出反應(yīng)的時(shí)間Tr和做垂直減速 操作時(shí)間之和內(nèi)直升機(jī)未與地面撞擊。
[0029] 采用上述方法，所述不安全超障高度告警邊界選取包括直升機(jī)工作在巡航或著陸 階段且起落架收起的情形、工作在巡航或著陸階段且起落架放下的情形和工作在起飛階段 不安全超障高度告警邊界選取，具體地
[0030] (1)直升機(jī)工作在巡航或著陸階段且起落架收起情形不安全超障高度告警邊界包 括三個(gè)邊界，分別為:近地告警系統(tǒng)的最小安全高度、直升機(jī)著陸時(shí)決斷點(diǎn)速度和直升機(jī)最 大飛行速度；
[0031] (2)直升機(jī)工作在巡航或著陸階段且起落架放下情形的不安全超障高度告警邊 界包括直升機(jī)著陸時(shí)的決斷高度和直升機(jī)最大飛行速度，其中無(wú)線電高度告警臨界值隨空 速的增加線性變化；
[0032] (3)直升機(jī)工作在起飛階段情形的不安全超障高度告警邊界選取包括以下步驟：
[0033] 步驟4.3.1，在起飛階段定義一個(gè)高度濾波值，高度濾波值的大小等于直升機(jī)無(wú)線 電高度的C%，以C%作為告警上邊界的斜率，且上邊界的最大值為無(wú)線電高度濾波值最大 值的C% ;
[0034]步驟4 ? 3 ? 2，設(shè)定告警下邊界。
[0035]采用上述方法，所述下滑道偏離過(guò)大告警邊界獲取具體包括以下步驟：
[0036]步驟5.1，設(shè)定一下滑道偏離度為邊界；
[0037]步驟5.2，設(shè)定告警上邊界：當(dāng)下降率為0設(shè)定一無(wú)線電高度作為告警上邊界;設(shè)定 下降率增加時(shí)的最大無(wú)線電高度作為下降率非〇時(shí)的告警上邊界；
[0038]步驟5.3,設(shè)定告警下邊界。
[0039] 本發(fā)明基于直升機(jī)飛行動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算直升機(jī)的逃逸軌跡，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì) GPWS的告警邊界，逃逸軌跡是直升機(jī)在遇到潛在的地形威脅時(shí)采取機(jī)動(dòng)措施后的運(yùn)動(dòng)軌 跡，地形與直升機(jī)逃逸軌跡觸碰瞬間是直升機(jī)能否逃逸成功的時(shí)間臨界點(diǎn)，過(guò)早告警將引 起虛警，過(guò)晚告警將導(dǎo)致告警失敗。因此以逃逸軌跡為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)GPWS告警邊界可以最小化 虛警率并最大化告警成功率。仿真計(jì)算結(jié)果表明本發(fā)明的告警方法，告警成功率可以達(dá)到 98%，虛警率可以降至4%。
[0040] 下面結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述。
【附圖說(shuō)明】
[0041 ]圖1所示為本發(fā)明GPWS告警邊界設(shè)計(jì)流程圖。
[0042] 圖2所示為本發(fā)明下降率過(guò)大告警邊界設(shè)計(jì)示意圖。
[0043] 圖3所示為本發(fā)明直升機(jī)逃逸掉高示意圖。
[0044] 圖4所示為本發(fā)明地形接近率過(guò)大告警邊界設(shè)計(jì)示意圖。
[0045] 圖5所示為本發(fā)明直升機(jī)逃逸爬升示意圖。
[0046] 圖6所示為本發(fā)明起飛或復(fù)飛后掉高過(guò)大告警邊界設(shè)計(jì)示意圖。
[0047] 圖7所示為本發(fā)明直升機(jī)起飛后掉高示意圖。
[0048] 圖8所示為本發(fā)明實(shí)施例模式1告警內(nèi)邊界示意圖。
[0049] 圖9所示為本發(fā)明實(shí)施例模式2A告警邊界示意圖。
[0050] 圖10所示為本發(fā)明實(shí)施例模式2B告警邊界示意圖。
[0051] 圖11所示為本發(fā)明實(shí)施例模式3告警邊界示意圖。
[0052]圖12所示為本發(fā)明實(shí)施例模式4A告警邊界示意圖。
[0053]圖13所示為本發(fā)明實(shí)施例模式4B告警邊界示意圖。
[0054]圖14所示為本發(fā)明實(shí)施例模式4C告警邊界示意圖。
[0055] 圖15所示為本發(fā)明實(shí)施例模式5告警邊界示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0056] 本發(fā)明提出了一種直升機(jī)近地告警方法，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明提出的一種直升 機(jī)近地告警方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0057]根據(jù)FAA對(duì)GPWS告警的要求設(shè)計(jì)5種告警模式，即下降率過(guò)大告警、地形接近率過(guò) 大告警、起飛或復(fù)飛后掉高過(guò)大告警、不安全超障高度告警和下滑道偏離過(guò)大告警。對(duì)于每 一種告警模式，首先基于該直升機(jī)型號(hào)的基本設(shè)計(jì)參數(shù)（102)和性能參數(shù)（101)通過(guò)直升機(jī) 性能分析程序（104)計(jì)算得到與直升機(jī)近地告警相關(guān)的主要性能指標(biāo)（106)，如:最大下降 率，經(jīng)濟(jì)速度，最大垂直下降率等以此作為設(shè)計(jì)告警邊界的基礎(chǔ)。根據(jù)上述獲得的直升機(jī)性 能指標(biāo)中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)作為將要建立的與直升機(jī)性能相關(guān)的告警邊界的基準(zhǔn)點(diǎn)（108)。在基 準(zhǔn)點(diǎn)所限制的告警范圍內(nèi)選取若干設(shè)計(jì)點(diǎn)，并分別計(jì)算每個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)的告警邊界值(109)，這 些告警邊界值可通過(guò)逃逸軌跡（105)中的逃逸掉高（107)和正常軌跡（105)中的撞地剩余時(shí) 間（107)，并參照美國(guó)航空標(biāo)準(zhǔn)D0-309和TS0-194C中的規(guī)范要求（103)共同確定。由告警邊 界基準(zhǔn)點(diǎn)、告警邊界基準(zhǔn)點(diǎn)所限制的告警范圍內(nèi)的設(shè)計(jì)點(diǎn)以及各個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)處的告警邊界值 進(jìn)行曲線擬合便可以得到完整的GPWS告警邊界曲線（110)，進(jìn)一步對(duì)上述通過(guò)曲線擬合得 到告警邊界進(jìn)行簡(jiǎn)化和剪裁（111 )，最終得到實(shí)用的基于直升機(jī)逃逸軌跡的GPWS告警邊界 (112)。系統(tǒng)工作時(shí)，GPWS通過(guò)串口通信獲得來(lái)自大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)的直升機(jī)飛行參數(shù)，將這 些飛行參數(shù)與告警邊界相比較，若進(jìn)入告警區(qū)域則觸發(fā)該模式的告警。不同的告警模式之 間以一定的順序確定優(yōu)先級(jí)關(guān)系，若多個(gè)告警模式同時(shí)觸發(fā)告警，則優(yōu)先給出優(yōu)先級(jí)較高 的告警模式的告警。附圖1所示為GPWS告警邊界設(shè)計(jì)流程圖，具體包括以下步驟：
[0058] 1)根據(jù)直升機(jī)型號(hào)獲得與直升機(jī)近地告警相關(guān)的主要性能指標(biāo)。主要的性能指標(biāo) 包括直升機(jī)最大下降率、起落架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度限制的最大垂直接地速度、經(jīng)濟(jì)速度、巡航速度、 最大前飛速度。這些參數(shù)可由直升機(jī)廠商直接提供，也可以基于具體型號(hào)直升機(jī)的設(shè)計(jì)參 數(shù)和性能參數(shù)建立性能分析程序求解得到。
[0059] 2)根據(jù)步驟1)獲得的相關(guān)性能指標(biāo)設(shè)計(jì)模式1下降率過(guò)大的告警邊界。GPWS告警 模式一為下降率過(guò)大告警，防止直升機(jī)過(guò)快下降導(dǎo)致撞地事故。該模式主要的狀態(tài)參數(shù)為 無(wú)線電高度和下降率，由這兩個(gè)參數(shù)確定的告警邊界是告警判斷的主要依據(jù)。附圖2所示為 下降率過(guò)大告警邊界設(shè)計(jì)示意圖。首先由直升機(jī)的特性參數(shù)確定兩個(gè)告警基準(zhǔn)點(diǎn)，即圖中 的201點(diǎn)和202點(diǎn)。201點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的下降率為直升機(jī)起落架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度限制的直升機(jī)最大垂直 接地速度，202點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的下降率為直升機(jī)所能達(dá)到的最大的下降率，201點(diǎn)和202點(diǎn)共同確 定了下降率的告警范圍。直升機(jī)飛行過(guò)程中不同的下降率對(duì)應(yīng)不同的逃逸軌跡，也對(duì)應(yīng)著 不同的逃逸掉高和逃逸時(shí)間。在201點(diǎn)至202點(diǎn)的下降率范圍內(nèi)，選取若干設(shè)計(jì)點(diǎn)（203、204、 205、206、207點(diǎn)），分別計(jì)算各個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)處的逃逸掉高將其作為告警臨界高度。附圖3所示為 直升機(jī)逃逸掉高的示意圖，圖中曲線301至302段為直升機(jī)逃逸軌跡，逃逸軌跡指的是直升 機(jī)以當(dāng)前飛行狀態(tài)為基礎(chǔ)采取一定的機(jī)動(dòng)措施后的運(yùn)動(dòng)軌跡。從圖中可以看出逃逸軌跡分 為三個(gè)階段mSTs為飛行員反應(yīng)階段，對(duì)應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間為T(mén)r，直升機(jī)高度由ho降至^至 T3為垂直減速階段，下降率由HD0T0減為0,直升機(jī)高度由In降至h2,該階段的末端直升機(jī)達(dá) 到最低點(diǎn)。T 3至T4為爬升階段，該階段直升機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由下降變?yōu)榕郎?。第一階段和第二階 段統(tǒng)稱為掉高階段，這個(gè)階段直升機(jī)下降的高度稱為直升機(jī)逃逸掉高。逃逸掉高可以表示 為：
[0060] k = hQ - k2 ( a J
[0061] 從附圖3中可以看出若直升機(jī)在ho高度處，系統(tǒng)給出告警，飛行員施加進(jìn)行適當(dāng)?shù)?逃逸機(jī)動(dòng)直升機(jī)將能夠安全逃逸，而不會(huì)發(fā)生撞地危險(xiǎn)。因此以直升機(jī)逃逸掉高值作為下 降率過(guò)大的告警臨界值是合理。在附圖2的各個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)（203、204、205、206、207點(diǎn)）處，分別 計(jì)算對(duì)應(yīng)下降率的直升機(jī)逃逸軌跡，并進(jìn)一步計(jì)算得到逃逸掉高，作為該設(shè)計(jì)點(diǎn)處的告警 臨界值。然后將這些告警臨界值進(jìn)行曲線擬合得到告警邊界曲線，最后為簡(jiǎn)化告警邊界對(duì) 告警邊界曲線進(jìn)行直線化處理得到最終的告警上邊界?？紤]到在低高度時(shí)無(wú)線電高度表的 測(cè)量誤差，告警下邊界設(shè)為10英尺。告警上邊界和告警下邊界共同構(gòu)成了最終的"下降率過(guò) 大"告警邊界。需要說(shuō)明的是，模式1下降率過(guò)大告警邊界分為內(nèi)邊界和外邊界，告警外邊界 的設(shè)計(jì)流程與告警內(nèi)邊界完全一致，區(qū)別只在于反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，因此逃逸掉高更大，相應(yīng)的 告警臨界值也更大。附圖8所示為本發(fā)明實(shí)施例模式1告警內(nèi)邊界示意圖。
[0062] 3)根據(jù)步驟1)獲得的相關(guān)性能指標(biāo)設(shè)計(jì)模式2地形接近率過(guò)大的告警邊界。GPWS 告警模式2為地形接近率過(guò)大告警，主要是為了防止地形上升過(guò)快導(dǎo)致撞地事故。地形接近 率過(guò)大告警根據(jù)直升機(jī)飛行階段不同分為模式2A和模式2B。模式2A工作巡航階段，模式2B 工作在起飛和著陸階段。模式2A主要的狀態(tài)參數(shù)為無(wú)線電高度和地形接近率，由這兩個(gè)參 數(shù)確定的告警區(qū)域是告警判斷的主要依據(jù)。附圖4所示為基于逃逸軌跡的地形接近率過(guò)大 告警邊界設(shè)計(jì)示意圖。首先由直升機(jī)的特性參數(shù)確定兩個(gè)告警基準(zhǔn)點(diǎn)，即圖中的401點(diǎn)和 402點(diǎn)。401點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地形接近率為直升機(jī)以一定角度下滑著陸所對(duì)應(yīng)的地形接近率，402點(diǎn) 對(duì)應(yīng)的地形接近率為直升機(jī)可能達(dá)到的最大地形接近率。401點(diǎn)和402點(diǎn)共同確定了地形接 近率的告警范圍。在401點(diǎn)至402點(diǎn)的地形接近率范圍內(nèi)，選取若干設(shè)計(jì)點(diǎn)（405、406、407、 408、409、410點(diǎn)），分別計(jì)算各個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)處的告警臨界值。模式2A的告警臨界值并不簡(jiǎn)單等 于直升機(jī)逃逸掉高，實(shí)際上當(dāng)直升機(jī)水平飛行或爬升飛行時(shí)并不存在逃逸掉高。假設(shè)直升 機(jī)水平飛行，地形一定斜率上升，附圖5所示為直升機(jī)逃逸爬升示意圖。逃逸爬升分為兩個(gè) 階段，T^T 2為飛行員反應(yīng)階段，對(duì)應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間為T(mén)r，T2ST3為爬升階段，若逃逸軌跡爬升 角度等于地形坡度時(shí)直升機(jī)仍未撞地則認(rèn)為直升機(jī)逃逸成功，直升機(jī)在該過(guò)程中增加的高 度稱為爬升高度h，L是直升機(jī)當(dāng)前位置至直升機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡與上升地形相切處的水平距離。 確保直升機(jī)逃逸成功的初始高度臨界值即為模式2A的告警臨界值，告警臨界值可以表示 為：
[0063] h~L\.<xnO-h b
[0064] 若直升機(jī)在高度處系統(tǒng)給出告警，將能夠確保直升機(jī)逃逸成功，因此以該值作為 模式2A告警臨界值是合理的。在附圖4的各個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)（405、406、407、408、409、410點(diǎn)）處，分 別計(jì)算對(duì)應(yīng)地形接近率的直升機(jī)逃逸軌跡和爬升高度，并進(jìn)一步計(jì)算I作為該設(shè)計(jì)點(diǎn)處的 告警臨界值。然后將這些告警臨界值進(jìn)行曲線擬合得到告警邊界曲線，最后為簡(jiǎn)化告警邊 界對(duì)告警邊界曲線進(jìn)行直線化處理得到最終的告警上邊界?？紤]到在低高度時(shí)無(wú)線電高度 表的測(cè)量誤差，告警下邊界設(shè)為10英尺。告警上邊界和告警下邊界共同構(gòu)成了最終的"地形 接近率過(guò)大"告警邊界。需要說(shuō)明的是模式2A的告警上邊界是隨著空速動(dòng)態(tài)變化的，因?yàn)閷?duì) 于相同的地形坡度，直升機(jī)空速越大地形接近率也越大，告警臨界值也應(yīng)相應(yīng)增大。根據(jù)本 文的計(jì)算結(jié)果，當(dāng)空速小于直升機(jī)經(jīng)濟(jì)速度時(shí)告警上邊界為575英尺(403)，當(dāng)空速增加至 直升機(jī)最大平飛速度時(shí)告警上邊界線性增加至1250英尺(404)，若空速繼續(xù)增加，告警上邊 界保持1250英尺不變。當(dāng)直升機(jī)處于起飛階段或著陸階段時(shí)，模式2自動(dòng)切換至模式2B。模 式2B主要的狀態(tài)參數(shù)也是無(wú)線電高度和地形接近率，但是為了減少起飛或著陸階段的虛警 模式2B的告警區(qū)域應(yīng)小于模式2A，此外起飛著陸階段無(wú)線電高度值常出現(xiàn)跳變的現(xiàn)象，同 樣為了減少虛警，模式2B的告警上邊界設(shè)為300英尺，下邊界設(shè)為100英尺。告警邊界設(shè)計(jì)方 法和模式2A相同。附圖9所示為本發(fā)明模式2A告警邊界示意圖，附圖10所示為本發(fā)明實(shí)施例 模式2B告警邊界示意圖。
[0065] 4)根據(jù)步驟1)設(shè)計(jì)模式3起飛或復(fù)飛后掉高過(guò)大的告警邊界。GPWS告警模式三為 起飛后掉高過(guò)大，主要是為了防止直升機(jī)在起飛或復(fù)飛階段掉高過(guò)大導(dǎo)致撞地事故。起飛 后掉高過(guò)大主要的狀態(tài)參數(shù)為高度損失和無(wú)線電高度積分。但這兩個(gè)參數(shù)并不能由傳感器 直接得到，而是由無(wú)線電高度、飛行時(shí)間、氣壓高度等參數(shù)計(jì)算得到。由這兩個(gè)參數(shù)確定的 告警區(qū)域是告警判斷的主要依據(jù)。附圖6所示為模式3告警邊界設(shè)計(jì)示意圖。首先確定兩個(gè) 告警基準(zhǔn)點(diǎn)，即圖中的601點(diǎn)和602點(diǎn)。601點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的高度損失為氣壓高度計(jì)的最大誤差， 602點(diǎn)所對(duì)應(yīng)高度損失為直升機(jī)所允許的最大高度損失，601點(diǎn)和602點(diǎn)共同確定了高度損 失的告警范圍。在601點(diǎn)至602點(diǎn)的高度損失范圍內(nèi)，選取若干設(shè)計(jì)點(diǎn)（603、604、605、606、 607、608點(diǎn)），分別計(jì)算各個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)處的告警臨界值。附圖7所示為直升機(jī)起飛后掉高示意 圖，直升機(jī)從706點(diǎn)起飛，從h時(shí)刻（701)開(kāi)始計(jì)算無(wú)線電高度積分(無(wú)線電高度積分并不 是從直升機(jī)起飛時(shí)刻開(kāi)始計(jì)算，而是從直升機(jī)起落架收起時(shí)刻開(kāi)始計(jì)算）。到達(dá)最高點(diǎn)702 時(shí)的高度為ho，隨后開(kāi)始掉高。當(dāng)直升機(jī)運(yùn)動(dòng)到圖中703點(diǎn)時(shí)（即T 3時(shí)刻)系統(tǒng)給出告警，隨后 的逃逸過(guò)程分為兩個(gè)階段，T3至T4為飛行員反應(yīng)階段，對(duì)應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間為T(mén) R(3T4至1~5為垂直減 速階段，直升機(jī)高度降至h2,該階段的末端直升機(jī)達(dá)到最低點(diǎn)。為保證直升機(jī)逃逸成功，直 升機(jī)逃逸軌跡最低點(diǎn)的高度11 2應(yīng)不小于0，h2 = 0所對(duì)應(yīng)的703點(diǎn)高度為告警臨界高度，對(duì)應(yīng) 的高度損失為：
[0066] hi〇ss = h〇-hi (c)
[0067] 對(duì)應(yīng)的無(wú)線電高度積分告警臨界值可以表示為：
[0068] S = J//(/) d! (d) n
[0069] H(t)是無(wú)線電高度函數(shù)，在附圖6的各個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)（603、604、605、606、607、608點(diǎn)） 處，分別計(jì)算對(duì)應(yīng)高度損失111。；^的直升機(jī)逃逸軌跡和逃逸掉高，并進(jìn)一步計(jì)算無(wú)線電高度 積分臨界值S作為該設(shè)計(jì)點(diǎn)處的告警臨界值。然后將這些告警臨界值進(jìn)行曲線擬合得到告 警邊界曲線，最后為簡(jiǎn)化告警邊界對(duì)告警邊界曲線進(jìn)行直線化處理得到最終的告警邊界。 附圖11所示為本發(fā)明實(shí)施例模式3告警邊界示意圖。
[0070] 5)設(shè)計(jì)模式4不安全超障高度的告警邊界。GPWS告警模式四為不安全超障高度告 警，主要是為了防止直升機(jī)飛行高度較低導(dǎo)致撞地事故。模式4主要的狀態(tài)參數(shù)為計(jì)算空速 和無(wú)線電高度以及起落架形態(tài)。模式4包括3個(gè)子模式，分別為模式4六、48、4(：。模式44工作在 巡航或著陸階段且起落架收起的情形下;模式4B工作在巡航或著陸階段且起落架放下的情 形下;模式4C工作在起飛階段。附圖12為本發(fā)明實(shí)施例模式4A告警邊界示意圖，告警上邊界 設(shè)為150英尺(1201)，該值與等于近地告警系統(tǒng)的最小安全高度。計(jì)算空速的告警最大值等 于直升機(jī)最大飛行速度（1203)。以直升機(jī)著陸時(shí)決斷點(diǎn)速度（1202)為界，計(jì)算空速大于該 值時(shí)對(duì)地形進(jìn)行告警，計(jì)算空速小于該值時(shí)對(duì)起落架進(jìn)行告警。1201、1202、1203這三個(gè)特 征數(shù)值共同確定了模式4A的告警邊界。附圖13為本發(fā)明實(shí)施例模式4B告警邊界示意圖，告 警上邊界設(shè)為100英尺(1301)，該值等于直升機(jī)著陸時(shí)的決斷高度。計(jì)算空速的告警最大值 等于直升機(jī)最大飛行速度（1302)，為了減少虛警，無(wú)線電高度告警臨界值隨空速的增加線 性變化，此處在空速80和120之間線性變化。附圖14為本發(fā)明實(shí)施例模式4C告警邊界示意 圖，模式4C工作在起飛階段，防止起飛階段由于地形上升引起的撞地事故，直升機(jī)起落架收 起或空速大于50節(jié)將激活模式4C，模式4C是對(duì)模式2的補(bǔ)充。在起飛階段定義一個(gè)高度濾波 值，高度濾波值的大小等于直升機(jī)無(wú)線電高度的75%，因此模式4C告警上邊界的斜率為 0.75。隨著無(wú)線電高度的增大，該高度濾波值也相應(yīng)增大。當(dāng)無(wú)線電高度減小時(shí)(這一點(diǎn)可 由無(wú)線電高度變化率的極性判斷得到），高度濾波值保有其最大值并存儲(chǔ)在系統(tǒng)中，隨后若 無(wú)線電高度進(jìn)一步減小至小于該高度濾波值系統(tǒng)將觸發(fā)告警。同模式2B-樣為減少虛警， 無(wú)線電高度濾波值的最大值設(shè)為300英尺的75%，即225英尺。
[0071] 6)設(shè)計(jì)模式5下滑道偏離過(guò)大的告警邊界。GPWS告警模式五為下滑道偏離過(guò)大告 警，主要是為了防止直升機(jī)著陸階段偏離下滑道過(guò)大導(dǎo)致撞地事故。模式5主要的狀態(tài)參數(shù) 為下滑道偏離度、無(wú)線電高度和下降率。為確保安全著陸，下滑道偏離度不得大于1.3dots (1501 )，下降率為0時(shí)告警上邊界設(shè)為500英尺（1502)，若下降率增大至2.5m/s，告警上邊界 也線性增加至1000英尺（1503)，當(dāng)下降率進(jìn)一步增加時(shí)告警上邊界保持1000英尺不變。為 了減少虛警，無(wú)線電高度小于150英尺時(shí)，可以允許較大的下滑道偏離度，不能大于 2.7dots，告警下邊界為50英尺。附圖15為本發(fā)明實(shí)施例模式5告警邊界示意圖，圖中1505部 分對(duì)應(yīng)的告警邊界的方程為:y = 243-71.43x。模式5告警邊界也分為告警內(nèi)邊界和告警外 邊界，告警內(nèi)邊界的設(shè)計(jì)流程與告警外邊界類似，下滑道偏離度不得大于2dots，上邊界設(shè) 為300英尺，較大的下滑道偏離度不能大于3.4dots，下邊界設(shè)為50英尺，圖中1506部分對(duì)應(yīng) 的方程為:y = 293-71.43x。
[0072] 7)撞地威脅判斷。GPWS工作時(shí)，大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)通過(guò)串口通信提供告警判斷所需 的飛行參數(shù)，當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)穿過(guò)上述模式1-模式5的告警邊界時(shí)，系統(tǒng)給出燈光告警和語(yǔ)音告 警。為防止多個(gè)告警模式同時(shí)告警造成互相干擾，不同模式之間設(shè)定一定的優(yōu)先級(jí)關(guān)系，當(dāng) 多個(gè)告警模式同時(shí)告警時(shí)以優(yōu)先級(jí)較高的模式的告警為準(zhǔn)。告警優(yōu)先級(jí)參考美國(guó)航空標(biāo)準(zhǔn) TS0-C151b中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行確定
[0073]下表所示為本發(fā)明各個(gè)模式告警優(yōu)先級(jí)示意
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種直升機(jī)近地告警方法，其特征在于，包括： 基于直升機(jī)參數(shù)，選取下降率過(guò)大告警、地形接近率過(guò)大告警、起飛或復(fù)飛后掉高過(guò)大 告警、不安全超障高度告警和下滑道偏離過(guò)大告警在內(nèi)的邊界，及 觸發(fā)不同告警邊界時(shí)發(fā)出相應(yīng)警報(bào)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述下降率過(guò)大告警邊界的選取具體包括 W下步驟： 步驟1.1，選取兩個(gè)告警基準(zhǔn)點(diǎn)，其中一基準(zhǔn)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的下降率為直升機(jī)起落架結(jié)構(gòu)強(qiáng) 度限制的直升機(jī)最大垂直接地速度，另一基準(zhǔn)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的下降率為直升機(jī)所能達(dá)到的最大 的下降率； 步驟1.2,在兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)之間選取若干設(shè)計(jì)點(diǎn)，分別計(jì)算每一設(shè)計(jì)點(diǎn)處的逃逸掉高將其 作為告警臨界高度，所述每一設(shè)計(jì)點(diǎn)處的逃逸掉高義=4-/?，其中ho為告警高度，h2為設(shè)定 的飛行員在接到警告后反應(yīng)一段時(shí)間Tr后做出相應(yīng)操作后直升機(jī)下降率減為0的下降高 度； 步驟1.3，對(duì)告警臨界高度進(jìn)行曲線擬合得到告警邊界曲線； 步驟1.4，對(duì)告警邊界曲線進(jìn)行直線化處理得的告警上邊界； 步驟1.5,設(shè)定告警下邊界； 改變?cè)O(shè)定的飛行員在接到警告后反應(yīng)時(shí)間Tr,獲取不同Tr下的下降率過(guò)大告警邊界，且 Tr越大告警臨界高度越大。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述地形接近率過(guò)大告警邊界的選取包括 直升機(jī)處于工作巡航階段和直升機(jī)起飛著陸階段形接近率過(guò)大告警邊界的選取，兩種模式 下的選取步驟相同，但直升機(jī)空速設(shè)定不同，處于直升機(jī)起飛著陸階段的空速低于直升機(jī) 處于工作巡航階段時(shí)的空速，具體包括W下步驟： 步驟2.1，選取兩個(gè)告警基準(zhǔn)點(diǎn)，其中一基準(zhǔn)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的地形接近率為直升機(jī)W-定角 度下滑著陸所對(duì)應(yīng)的地形接近率，另一基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地形接近率為直升機(jī)達(dá)到的最大地形 接近率； 步驟2.2,在兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)之間選取若干設(shè)計(jì)點(diǎn)，分別計(jì)算各個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)處的告警臨界值 片二L tan 0-/;，L為直升機(jī)當(dāng)前位置至直升機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡與上升地形相切處的水平距離，0為 地形斜率，h為直升機(jī)爬升未撞地所需要的最小爬升高度； 步驟2.3，對(duì)告警臨界高度進(jìn)行曲線擬合得到告警邊界曲線； 步驟2.4，對(duì)告警邊界曲線進(jìn)行直線化處理得的告警上邊界； 步驟2.5,設(shè)定告警下邊界； 對(duì)于步驟2.5,直升機(jī)處于不同階段告警下邊界不同，直升機(jī)起飛著陸階段告警下邊界 的設(shè)定大于直升機(jī)處于工作巡航階段的告警下邊界。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，對(duì)于直升機(jī)處于工作巡航階段地形接近率 過(guò)大告警上邊界設(shè)定一闊值，所選取的地形接近率過(guò)大告警上邊界不超過(guò)該闊值。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述起飛或復(fù)飛后掉高過(guò)大告警邊界的選 取具體包括W下步驟： 步驟3.1，選取兩個(gè)告警基準(zhǔn)點(diǎn)，一基準(zhǔn)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的高度損失為氣壓高度計(jì)的最大誤 差，另一基準(zhǔn)所對(duì)應(yīng)高度損失為直升機(jī)所允許的最大高度損失； 步驟3.2,在兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)之間選取若干設(shè)計(jì)點(diǎn)，分別計(jì)算無(wú)線電高度積分臨界值S作為 該設(shè)計(jì)點(diǎn)處的告警臨界值^無(wú)線電高度函數(shù)，Tl為直升機(jī)起落架收起時(shí) 亥IJ，T2為直升機(jī)飛行至最高點(diǎn)時(shí)刻，T3為直升機(jī)位于告警高度的時(shí)刻； 步驟3.3，對(duì)告警臨界高度進(jìn)行曲線擬合得到告警邊界曲線； 步驟3.4，對(duì)告警邊界曲線進(jìn)行直線化處理得的告警上邊界； 所述步驟3.2,中T3選取滿足飛行員在接到報(bào)警時(shí)作出反應(yīng)的時(shí)間Tr和做垂直減速操作 時(shí)間之和內(nèi)直升機(jī)未與地面撞擊。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述不安全超障高度告警邊界選取包括直 升機(jī)工作在巡航或著陸階段且起落架收起的情形、工作在巡航或著陸階段且起落架放下的 情形和工作在起飛階段不安全超障高度告警邊界選取，具體地 (1) 直升機(jī)工作在巡航或著陸階段且起落架收起情形不安全超障高度告警邊界包括= 個(gè)邊界，分別為:近地告警系統(tǒng)的最小安全高度、直升機(jī)著陸時(shí)決斷點(diǎn)速度和直升機(jī)最大飛 行速度； (2) 直升機(jī)工作在巡航或著陸階段且起落架放下情形的不安全超障高度告警邊界包括 直升機(jī)著陸時(shí)的決斷高度和直升機(jī)最大飛行速度，其中無(wú)線電高度告警臨界值隨空速的增 加線性變化； (3) 直升機(jī)工作在起飛階段情形的不安全超障高度告警邊界選取包括W下步驟： 步驟4.3.1，在起飛階段定義一個(gè)高度濾波值，高度濾波值的大小等于直升機(jī)無(wú)線電高 度的C%，WC%作為告警上邊界的斜率，且上邊界的最大值為無(wú)線電高度濾波值最大值的 C%; 步驟4.3.2,設(shè)定告警下邊界。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述下滑道偏離過(guò)大告警邊界獲取具體包 括W下步驟： 步驟5.1，設(shè)定一下滑道偏離度為邊界； 步驟5.2,設(shè)定告警上邊界：當(dāng)下降率為O設(shè)定一無(wú)線電高度作為告警上邊界;設(shè)定下降 率增加時(shí)的最大無(wú)線電高度作為下降率非加寸的告警上邊界； 步驟5.3,設(shè)定告警下邊界。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，為了減少虛警，下滑道偏離過(guò)大告警邊界 在選取時(shí)，重新設(shè)定告警下邊界的下滑道偏離度，并設(shè)定一無(wú)線電高度，在此高度W下，滑 道偏離度隨無(wú)線電高度線性變化，該斜率作為邊界斜率。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，改變下滑道偏離度，獲取不同下滑道偏離 度下的下滑道偏離過(guò)大告警邊界。10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，設(shè)定告警優(yōu)先級(jí)。
【文檔編號(hào)】G08G5/04GK105913694SQ201610347514
【公開(kāi)日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年5月24日
【發(fā)明人】陸洋, 周成中, 許細(xì)策, 劉以?shī)^, 衛(wèi)瑞智
【申請(qǐng)人】南京航空航天大學(xué)