本发明属于空中交通管理领域，特别涉及一种基于几何视景模型的短期飞行冲突检测与避免方法。
背景技术：
机载防撞系统是每架飞机飞行必不可少的航空电子设备。作为机载防撞系统的关键部分，飞行冲突检测与避免技术不断发展和完善。尤其是随着空中交通流量的持续增长，快速实用的飞行冲突检测与避免技术在最近几十年得到了越来越深入的研究，引起了国内外众多专家和学者的关注。目前，常用的飞行冲突检测方法主要分为概率法和几何法。常用的飞行冲突避免方法包括最优化方法、基于规则的冲突避免方法及基于力场的避免方法。国内外众多学者在这几类方法中提出了较多具体算法，这些算法的主要优点是能够处理复杂情况，但是计算量非常大，无法保证实时性。对于短期飞行冲突检测与避免来说，重点是利用机载设备监视到的数据，进行简单计算比对快速识别冲突并提出避免方案，计算效率要求较高，过于复杂的算法会影响计算效率，进而延误处置时机。
技术实现要素：
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于几何视景模型的短期飞行冲突检测与避免方法，包括如下步骤：
步骤1、计算短期飞行冲突检测参数；
步骤2、飞行冲突检测；
步骤3、生成飞行冲突避免策略；
步骤4、进行航线跟随计算。
其中，步骤1包括：
步骤1-1，定义待检测飞行器a与障碍飞行器b之间几何视景夹角φ和碰撞预测时间tc的二元组为短期飞行冲突检测参数；
步骤1-2，计算飞行冲突预测时间；
步骤1-3，计算几何视景夹角；
步骤1-4，计算几何视景夹角的微分。
步骤1-2中，计算飞行冲突预测时间的公式如下：
d＝||pb-pa||-r，
其中，
步骤1-3中，计算几何视景夹角，即计算飞行器的飞行方向与飞行员视野内的动态障碍飞行器存在的几何夹角φ，公式如下：
其中，
步骤1-4中，计算几何视景夹角的微分，用单位时间内φ的变化来近似表示，单位时间为飞行冲突检测计算时间步长，
其中，t表示仿真单位时间步长。
步骤2包括：
步骤2-1、设定几何视景夹角微分的判断阈值γ为：
步骤2-2、进行飞行冲突判断；
步骤2-3、进行冲突类型判断。
步骤2-2包括：
当待检测飞行器a与障碍飞行器b之间几何视景夹角微分接近于0且冲突预测时间为正数时，判断飞行冲突即将发生，其判别公式为：
其中，
步骤2-3包括：不考虑垂直方向的相对运动，按照飞行器的相对飞行方向将民航飞行器之间的飞行冲突分为三种：正面冲突、侧面冲突、背面冲突，正面冲突的判断公式如下：
其中θ表示判断待检测飞行器a与障碍飞行器b共线的阈值(一般取值为±5°)；ψ表示待检测飞行器a与障碍飞行器b的飞行方向夹角；
背面冲突的判断公式是：
如果非正面冲突，并且非背面冲突，则判断为侧面冲突。
步骤3包括：
步骤3-1、生成飞行冲突避免策略(速度小于200km/h判定为低速，速度大于200km/h且小于900km/h判定为高速)：
当tcmin≤0.5s时：
障碍飞行器b状态是低速，碰撞类型是正面冲突，策略为待检测飞行器a减速与转向；
障碍飞行器b状态是低速，碰撞类型是背面冲突，策略为待检测飞行器a减速与转向；
障碍飞行器b状态是低速，碰撞类型是侧面冲突，策略为待检测飞行器a减速与转向；
障碍飞行器b状态是高速，碰撞类型是正面冲突，策略为待检测飞行器a与障碍飞行器b同时减速与转向；
障碍飞行器b状态是高速，碰撞类型是背面冲突，策略为待检测飞行器a与障碍飞行器b保持同速；
障碍飞行器b状态是高速，碰撞类型是侧面冲突，策略为随机选择待检测飞行器a或者障碍飞行器b进行减速；
当0.5s＜tcmin≤3s时，障碍飞行器b状态是低速，碰撞类型是正面冲突，策略为待检测飞行器a转向；
障碍飞行器b状态是低速，碰撞类型是背面冲突，策略为待检测飞行器a转向；
障碍飞行器b状态是低速，碰撞类型是侧面冲突，策略为待检测飞行器a减速与转向；
障碍飞行器b状态是高速，碰撞类型是正面冲突，策略为待检测飞行器a与障碍飞行器b同时减速与转向；
障碍飞行器b状态是高速，碰撞类型是背面冲突，策略为待检测飞行器a减速或者转向；
障碍飞行器b状态是高速，碰撞类型是侧面冲突，策略为待检测飞行器a与障碍飞行器b同时减速与转向；
当tcmin＞3s时：障碍飞行器b状态是低速，碰撞类型是正面冲突，策略为待检测飞行器a转向；
障碍飞行器b状态是低速，碰撞类型是背面冲突，策略为待检测飞行器a转向；
障碍飞行器b状态是低速，碰撞类型是侧面冲突，策略为待检测飞行器a转向；
障碍飞行器b状态是高速，碰撞类型是正面冲突，策略为待检测飞行器a与障碍飞行器b同时转向；
障碍飞行器b状态是高速，碰撞类型是背面冲突，策略为无反应；
障碍飞行器b状态是高速，碰撞类型是侧面冲突，策略为无反应；
步骤3-2、计算冲突避免决策参数：
如果是减速运动，计算公式如下：
其中，vnew表示飞行器a下一帧的飞行速度；va表示飞行器a当前速度；tcmin表示最快发生的碰撞的预测时间；
如果是加速运动，即飞行器在情况允许下，以最大飞行速度vmax(根据机型不同，如波音747最大飞行速度为960km/h)超越；
如果是飞行方向调整，即飞行器通过左转或右转的方式，给其自身增加一个合适的角速度，其计算公式如下：
其中，
步骤4包括：
步骤4-1、转向计算，即根据飞行器理想飞行方向与其实际飞行方向，计算其转向，分为如下三种情况：
第一种情况，当飞行器a所需要调整角度小于阈值(根据机型决定，如战斗机转向角速度阈值为20度每秒)时，即差向量长度较小，此时飞行器a能够在单帧内完成方向的调整，则航线飞行方向直接成为飞行器的下一帧a的飞行方向
其中，
第二种情况，当飞行器所需要调整角度大于阈值时，采用中间方向作为下一帧的运动方向
其中，
第三种情况，当飞行器a的实际方向与理想方向夹角为钝角时，引入当前方向的正交向量参与其下一帧方向的计算：
其中，
结合上述公式，飞行器下一帧的飞行方向
式中：
步骤4-2、运动速度控制，建立平面直角坐标系，横坐标轴为x轴，向右(向东)为正；纵坐标轴为y轴，向上(向北)为正，根据飞行器飞行方向在x、y轴的分量，计算下一帧飞行速度，公式如下：
其中，
本发明与现有技术相比，其显著优点如下：(1)利用机载ads-b设备即可获取冲突检测所需的相关原始数据，计算简单，计算效率高；(2)基于规则的冲突避免方法，实施简单，可方便进行规则修改与扩展。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是飞行冲突检测模型示意图。
图2是航空器飞行冲突避免轨迹示意图。
图3是本发明方法流程图。
具体实施方式
如图2、图3所示，本发明提供了一种基于几何视景模型的短期飞行冲突检测与避免方法，具体包含如下步骤：
步骤1、短期飞行冲突检测参数计算。建立飞行冲突检测模型，如图1所示。定义待检测飞行器a与障碍飞行器b之间几何视景夹角φ和碰撞预测时间tc的二元组为短期飞行冲突检测参数。结合飞行器a与b之间的相对运动关系，对飞行冲突检测参数进行计算，其具体计算步骤如下：
(1)飞行冲突预测时间计算：障碍飞行器b相对于待检测飞行器a的相对速度可以表示为：
式中：
将
d＝||pb-pa||-r
式中：
(2)几何视景夹角计算：设飞行器的飞行方向与飞行员视野内的动态障碍飞行器存在几何夹角φ。本方法认为φ的时间微分为0或接近于0(考虑飞行器的体积)，则在不久的将来二者会发生冲突。其几何视景夹角计算公式如下：
式中：
(3)几何视景夹角微分计算：将几何视景夹角的微分用单位时间内φ的变化来近似表示，单位时间为飞行冲突检测计算时间步长。
式中：t表示仿真单位时间步长。
步骤2：飞行冲突检测计算。结合步骤1计算得到的短期飞行冲突计算参数，进一步认定当tc＞0时，如果φ的微分接近于0，判断飞行冲突将会发生。根据飞行器的相对飞行方向，判断飞行冲突所属类型。其具体计算步骤如下：
(1)检测阈值计算：考虑到通常情况下较晚发生冲突的飞行器之间距离较远，影响较小，而即将发生冲突的飞行器之间距离较近，冲突的影响范围较大，设定几何视景夹角微分的判断阈值为：
式中：γ表示几何视景夹角微分的判断阈值。
(2)飞行冲突判断：当待检测飞行器a与障碍飞行器b之间的几何视景夹角微分接近于0且冲突预测时间为正数时，二者会发生飞行冲突，因此飞行冲突检测的判别公式为：
式中：
(3)冲突类型判断：不考虑垂直方向的相对运动，按照其相对飞行方向将民航飞行器之间的飞行冲突分为三种：正面冲突、侧面冲突、背面冲突。按照飞行器之间的运动方向角度之差区分正面冲突与背面冲突，并考虑飞行器的体积，飞行方向的角度差在180度的θ邻域范围内判为正面冲突，则可以给出正面冲突的判断公式如下：
式中：θ表示判断待检测飞行器a与障碍飞行器b共线的阈值(一般取值为±5°)；ψ表示待检测飞行器a与障碍飞行器b的飞行方向夹角；
同上，背面冲突的判断公式是：
步骤3：飞行冲突避免策略生成。根据飞行冲突预测时间与冲突类型判断，制定基于规则的冲突避免决策表，并计算对应的决策实施参数，其具体实施步骤如下：
(1)飞行冲突避免决策生成。针对不同冲突预测时间以及冲突类型判断，制定基于规则的冲突避免决策表如下：
表1飞行冲突避免决策表a(tcmin≤0.5s)
表2飞行冲突避免决策表b(0.5s＜tcmin≤3s)
表3飞行冲突避免决策表c(tcmin＞3s)
(2)冲突避免决策参数计算。根据飞行器a的飞行方法，设定减速、转向等策略的计算公式如下：
减速运动：飞行器a在正常情况下会按照其理想速度行走，当其判断冲突即将发生时，会采取减速的办法，其公式如下：
式中：va表示飞行器a当前速度；tcmin表示最快发生的碰撞的预测时间。
加速运动：飞行器在情况允许下，以vmax超越。
飞行方向调整：飞行器通过左转或右转的方式，给其自身增加一个合适的角速度。对于越快发生的碰撞，旋转的角速度
步骤4：转向控制计算。控制飞行器单帧的旋转率以及飞行速度，以生成更加平滑的飞行轨迹。即根据飞行器当前的飞行方向以及理想飞行方向的差值，确定飞行器的转向控制。分解飞行器运动方向的x轴与y轴的速度场分量，计算飞行器下一时刻的飞行速度，其具体实施步骤如下：
(1)转向计算。飞行器正常情况下应沿着航线方向前进，根据其理想飞行方向与其实际飞行方向，计算其方向差向量为：
式中：
根据飞行器当前的飞行方向以及理想飞行方向的差值，确定飞行器的转向控制，分为如下三种形式：
1、当飞行器所需要调整角度很小时，即差向量长度较小，此时飞行器可在单帧内完成方向的调整，则航线飞行方向可直接成为飞行器的下一帧的飞行方向：
2、当飞行器所需要调整角度较大但为仍为锐角时，采用中间方向作为下一帧的运动方向：
式中：
3、当飞行器的实际方向与理想方向夹角为钝角时，引入当前方向的正交向量参与其下一帧方向的计算：
其中，
综上，飞行器下一帧的飞行方向为：
式中：
(2)飞行速度控制：飞行器的速度由其飞行方向的x轴与y轴的速度场分量决定。根据飞行方向在x、y轴的分量，下一帧运动速度计算公式如下：
式中：
本发明提供了一种基于几何视景模型的短期飞行冲突检测与避免方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
1.一种基于几何视景模型的短期飞行冲突检测与避免方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、计算短期飞行冲突检测参数；
步骤2、飞行冲突检测；
步骤3、生成飞行冲突避免策略；
步骤4、进行航线跟随计算。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1包括：
步骤1-1，定义待检测飞行器a与障碍飞行器b之间几何视景夹角φ和碰撞预测时间tc的二元组为短期飞行冲突检测参数；
步骤1-2，计算飞行冲突预测时间；
步骤1-3，计算几何视景夹角；
步骤1-4，计算几何视景夹角的微分。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤1-2中，计算飞行冲突预测时间的公式如下：
d＝||pb-pa||-r，
其中，
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤1-3中，计算几何视景夹角，即计算飞行器的飞行方向与飞行员视野内的动态障碍飞行器存在的几何夹角φ，公式如下：
其中，
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤1-4中，计算几何视景夹角的微分，用单位时间内φ的变化来近似表示，单位时间为飞行冲突检测计算时间步长，
其中，t表示仿真单位时间步长。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤2包括：
步骤2-1、设定几何视景夹角微分的判断阈值γ为：
步骤2-2、进行飞行冲突判断；
步骤2-3、进行冲突类型判断。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤2-2包括：
当待检测飞行器a与障碍飞行器b之间几何视景夹角微分接近于0且冲突预测时间为正数时，判断飞行冲突即将发生，其判别公式为：
其中，
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤2-3包括：不考虑垂直方向的相对运动，按照飞行器的相对飞行方向将民航飞行器之间的飞行冲突分为三种：正面冲突、侧面冲突、背面冲突，正面冲突的判断公式如下：
其中θ表示判断待检测飞行器a与障碍飞行器b共线的阈值；ψ表示待检测飞行器a与障碍飞行器b的飞行方向夹角；
背面冲突的判断公式是：
如果非正面冲突，并且非背面冲突，则判断为侧面冲突。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤3包括：
步骤3-1、生成飞行冲突避免策略：
当tcmin≤0.5s时：
障碍飞行器b状态是低速，碰撞类型是正面冲突，策略为待检测飞行器a减速与转向；
障碍飞行器b状态是低速，碰撞类型是背面冲突，策略为待检测飞行器a减速与转向；
障碍飞行器b状态是低速，碰撞类型是侧面冲突，策略为待检测飞行器a减速与转向；
障碍飞行器b状态是高速，碰撞类型是正面冲突，策略为待检测飞行器a与障碍飞行器b同时减速与转向；
障碍飞行器b状态是高速，碰撞类型是背面冲突，策略为待检测飞行器a与障碍飞行器b保持同速；
障碍飞行器b状态是高速，碰撞类型是侧面冲突，策略为随机选择待检测飞行器a或者障碍飞行器b进行减速；
当0.5s＜tcmin≤3s时，障碍飞行器b状态是低速，碰撞类型是正面冲突，策略为待检测飞行器a转向；
障碍飞行器b状态是低速，碰撞类型是背面冲突，策略为待检测飞行器a转向；
障碍飞行器b状态是低速，碰撞类型是侧面冲突，策略为待检测飞行器a减速与转向；
障碍飞行器b状态是高速，碰撞类型是正面冲突，策略为待检测飞行器a与障碍飞行器b同时减速与转向；
障碍飞行器b状态是高速，碰撞类型是背面冲突，策略为待检测飞行器a减速或者转向；
障碍飞行器b状态是高速，碰撞类型是侧面冲突，策略为待检测飞行器a与障碍飞行器b同时减速与转向；
当tcmin＞3s时：障碍飞行器b状态是低速，碰撞类型是正面冲突，策略为待检测飞行器a转向；
障碍飞行器b状态是低速，碰撞类型是背面冲突，策略为待检测飞行器a转向；
障碍飞行器b状态是低速，碰撞类型是侧面冲突，策略为待检测飞行器a转向；
障碍飞行器b状态是高速，碰撞类型是正面冲突，策略为待检测飞行器a与障碍飞行器b同时转向；
障碍飞行器b状态是高速，碰撞类型是背面冲突，策略为无反应；
障碍飞行器b状态是高速，碰撞类型是侧面冲突，策略为无反应；
步骤3-2、计算冲突避免决策参数：
如果是减速运动，计算公式如下：
其中，vnew表示飞行器a下一帧的飞行速度；va表示飞行器a当前速度；tcmin表示最快发生的碰撞的预测时间；
如果是加速运动，即飞行器在情况允许下，以最大飞行速度vmax超越；
如果是飞行方向调整，即飞行器通过左转或右转的方式，给其自身增加一个合适的角速度，其计算公式如下：
其中，
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤4包括：
步骤4-1、转向计算，即根据飞行器理想飞行方向与其实际飞行方向，计算其转向，分为如下三种情况：
第一种情况，当飞行器a所需要调整角度小于阈值时，即差向量长度较小，此时飞行器a能够在单帧内完成方向的调整，则航线飞行方向直接成为飞行器a的下一帧的飞行方向
其中，
第二种情况，当飞行器a所需要调整角度大于阈值时，采用中间方向作为下一帧的运动方向
其中，
第三种情况，当飞行器a的实际方向与理想方向夹角为钝角时，引入当前方向的正交向量参与其下一帧方向的计算：
其中，
飞行器下一帧的飞行方向
式中：
步骤4-2、运动速度控制，建立平面直角坐标系，横坐标轴为x轴，向右为正；纵坐标轴为y轴，向上为正,根据飞行器飞行方向在x、y轴的分量，计算下一帧飞行速度，公式如下：
其中，
