专利名称：确定活动飞行器之间的碰撞路径的方法和相关系统及计算机软件程序产品的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及防撞系统，更具体地说涉及确定活动飞行器之间的碰撞路径的方法、系统和计算机软件程序产品。
背景技术：
随着投入使用的飞机的数目持续增长，空中交通不断增加。旅行需求和空中货运的趋向也增大了在空中飞行的飞机的数目。因此，随着大量空中交通的跟踪变得越来越困难，飞机之间的空中避撞已变得非常重要。现代飞机的速度和大小是影响跟踪进程的难度的因素，尤其是当涉及多个飞机时。当空域变得有限并且当时间距离和分隔距离减小时，近似法可能不再可接受。另外，关于用“自由飞行”系统替换目前的空中交换管制系统的提议需要以飞机-飞机通信为基础的可靠碰撞报警。
某些情况下，用于确定相对于地球的飞机位置的设备可能存在不精确的问题。诸如全球定位系统(“GPS”)设备之类的全球导航卫星系统(“GNSS”)在本领域中众所周知，并且通常用于确定采用这种设备的活动飞行器的地理经度和纬度坐标。为了简化起见，这里将以GNSS的一个例子的形式讨论GPS设备，其中术语“GNSS”和“GPS”可互换使用。但是，根据本发明的精神和范围，本领域的技术人员会明白，本发明并不局限于GPS设备，可适用于其它GNSS类型的设备。
借助GPS设备，利用已知的三边测量技术分析从若干卫星传送给GPS接收器的信息信号，以便确定接收器的大地坐标，其中通常以纬度和经度的形式提供大地坐标。但是，由于大气条件，选择的卫星可用性，以及卫星相对于卫星的观察视线的相对位置的缘故，大地坐标(纬度和经度)的精确性会发生变化。通常与GPS精度方面的这种变化相关的是完整性确定，如果确定对于导航来说，GPS精度不够而不能信赖，则产生报警。因此，在提供GPS完整系统的情况下，可确定最大水平位置误差(也称为“水平保护等级”(“HPL”))，并将其与许可的径向误差(也称为“水平报警极限”(“HAL”))进行比较。如果发现HPL超过HAL，则发出由于精度的缘故，不应依赖大地坐标的报警。
在其它情况下，GPS设备可与其它导航设备连接，其中为了提供位置坐标及位置精度和/或完整性信息，也依赖于GPS设备。例如，如同本领域已知那样，GPS可通过处理器与ModeS应答器连接，同时应答器被配置成从GPS设备接收位置完整性或位置精确性信息。位置精确性或完整性信息被转换成数据流中的对应代码，所述数据流随后由应答器发送。应答器发送的数据指示携带GPS设备的飞行器的位置，以及位置信息的完整程度和/或精确程度。
其它因素也会影响飞机避撞系统中的不精确性。例如，一般根据平坦地面模型计算水平间距。对于赤道附近的短距离来说，这种平坦地面模型只产生较小的误差。但是，由于地球的形状更象球状体，因此随着纬度离开赤道，误差的量值增大。从而，在两极或者在两极附近，平坦地面模型会存在不精确的问题，并且一般不能用于计算其水平间距或者水平距离。
从而，需要能够确定飞机或者其它飞行器之间的碰撞飞行路径的技术，所述技术能够考虑确定分隔距离中的误差来源，例如飞行器使用的导航设备中的误差来源和地球的建模中的误差，以便获得和地理纬度和经度无关的有效避撞系统，所述避撞系统被配置成促进导航效率和用户友好性。
发明内容
本发明满足了上述及其它需要，在一个实施例中，本发明提供一种确定第一飞行器和第二飞行器之间的碰撞飞行路径的方法。首先，分别确定第一飞行器和第二飞行器的位置和速度矢量。随后围绕第一飞行器确定圆柱体，以致所述第一飞行器被布置在所述圆柱体的中心。随后利用大圆地球模型，至少部分根据各个飞行器的位置和速度矢量，确定在选择的时间，第一飞行器和第二飞行器之间的间距。之后，确定关于每个飞行器的位置的精度因素。利用精度因素修正确定的间距。随后确定在某一时段内，修正后的间距是否在围绕第一飞行器的圆柱体内，以便确定飞行器之间是否存在碰撞飞行路径。
本发明的另一有利方面包括确定第一飞行器和第二飞行器之间的碰撞路径的系统。所述系统包括放置在第一飞行器上的计算机设备。所述计算机设备还包括分别确定第一飞行器和第二飞行器的位置和速度矢量的处理部分。另一处理部分确定围绕第一飞行器的圆柱体，其中所述第一飞行器被布置在所述圆柱体的中心。又一个处理部分利用大圆地球模型，确定在选择的时间，第一飞行器和第二飞行器之间的间距。另一处理部分确定关于每个飞行器的位置的精度因素。再一个处理部分利用精度因素修正确定的间距。另一个处理部分确定在某一时段内，修正后的间距是否在围绕第一飞行器的圆柱体内，以便确定飞行器之间是否存在碰撞飞行路径。
本发明的又一有利方面包括可被计算机设备执行的，以便确定第一飞行器和第二飞行器之间的碰撞飞行路径的计算机软件程序产品。所述计算机软件程序产品包括能够分别确定第一和第二飞行器的位置和速度矢量的可执行部分。另一可执行部分能够确定围绕第一飞行器的圆柱体，以致所述第一飞行器被布置在所述圆柱体的中心。又一可执行部分能够利用大圆地球模型，确定在选择的时间，第一飞行器和第二飞行器之间的间距。另一可执行部分能够确定关于每个飞行器的位置的精度因素。随后另一可执行部分利用精度因素修正确定的间距。又一可执行部分能够确定在某一时段内，修正后的间距是否在围绕第一飞行器的圆柱体内，以便确定飞行器之间是否存在碰撞飞行路径。
从而，本发明的实施例提供一种确定飞机或者其它飞行器之间的碰撞飞行路径的方法、系统和计算机软件程序产品。本发明的实施例还能够考虑误差来源，例如存在于飞行器所使用的导航设备中的误差源以及存在于地球建模中的误差源，以便提供与地理纬度和地理经度无关的有效避撞系统，所述避撞系统被配置成透明地考虑误差，以便促进避撞系统的用户友好性。于是，和其它避撞系统相比，本发明的实施例具有明显的优点。
上面陈述了本发明的一些优点，当结合附图继续进行说明时，本发明的其它优点将是显而易见的，所述附图不必按比较绘制，其中图1示意表示了包含根据本发明一个实施例的碰撞情形察觉和距离监视系统(CSA/RM)的系统结构。
图2A-2C示意表示了根据本发明一个实施例的碰撞检测情形的例子。
图3示意表示了选择时间对根据本发明一个实施例的碰撞检测情形的例子的影响。
图4示意表示了监视飞机和目标飞机的位置和速度矢量，以及在根据本发明一个实施例使用大圆地球模型的情况下，对所述位置和速度矢量的必要修改。
具体实施例方式
下面将参考其中表示本发明的优选实施例的附图，更充分地说明本发明。但是，可以不同的形式体现本发明，本发明不应被理解为局限于这里陈述的实施例；相反，提供这些实施例是为了使本公开更彻底更完整，并且向本领域中的技术人员完整通报本发明的范围。附图中，相同的附图标记代表相同的部件。
图1示意地说明了表示根据本发明的一个实施例，确定活动飞行器之间的碰撞路径的系统的系统结构，所述系统结构由附图标记100表示。系统结构100规划第一飞行器(“监视飞机”)200和第二飞行器(“目标飞机”)300之间碰撞飞行路径的分析，其中本领域的技术人员会认识到为了简便起见，这里的说明局限于单个目标飞机300，但是本发明的实施例可适用于若干目标飞机300。一般来说，监视飞机200和目标飞机300包括确定并广播和特定飞机的状态(例如位置和位置确定的完整性)有关的信息的系统400。这样的系统400可包括，例如本领域技术人员已知的自动相关监视-广播(“ADS-B”)系统400。在某些情况下，ADS-B系统400还可实现用于确定相应飞机的导航信息的装置，例如全球导航卫星系统(“GNSS”)装置500，其中这种GNSS装置500可包括全球定位系统(“GPS”)装置。通过ADS-B系统400确定的信息一般显示在或者由用户界面600显示，例如交通信息的座舱显示器(“CDTI”)。系统结构100的这些所述组件与碰撞情形察觉和距离监视(“CSA/RM”)模块700合作，从而提供根据本发明的一个实施例，确定活动飞行器之间的碰撞路径的系统。注意，虽然CSA/RM模块700被表示成第一飞行器200的一个组件，不过在本发明的精神和范围之内，CSA/RM模块700可包含在采用ADS-B系统400或等同物的任意飞机中，或者可被实现成能够如这里所述那样工作，并且能够与采用ADS-B系统400或等同物的任意飞机通信的独立系统。
本发明的一个特别有利的方面包括构成CSA/RM模块700提供的碰撞检测功能的基础的方法学。一般来说，CSA/RM模块700被配置成能够与ADS-B系统400交换数据，其中ADS-B系统400可能还需要恰当的修改，以便包含CSA/RM模块700，从而扩展其组合的能力。如图1中所示，CSA/RM模块700还包括CSA/RM预处理器720，CSA处理器740，RM处理器760和报警模块780。
首先，根据背景技术并且如前所述，提供位置坐标及位置准确性和/或完整性信息，通常取决于具有GNSS装置的ADS-B系统400。例如，在ADS-B系统400中，GPS装置可通过处理器与ModeS应答器连接，其中如本领域中已知那样，应答器被配置成从GPS装置接收位置完整性或者位置准确性信息。这种位置准确性或完整性信息随后由应答器转换成数据流中的对应代码并被发射。发射的数据可被ADS-B配置的接收器接收，以便向所述接收器指示发射飞机的导航细节。应答器发射的数据指示携带GPS装置的飞机的位置以及位置信息的完整度和/或准确度。
因此，ADS-B系统400可通过不同的数据链路，并且可能以不同的格式接收来自于或者和目标飞机有关的信息，其中由于接收质量的缘故，通过这些数据链路的数据的质量可能发生变化。这种情况下，可区别正常的ADS-B报告和降质的ADS-B报告，其中就数据的质量而论，正常的ADS-B报告更有利。ADS-B报告被分成降质报告，如果其关于位置的导航不确定性等级(“NUCP”)数值小于4；不具有任意位置、速度或NUCP信息；具有无效的位置、速度或NUCP信息；根据先前的ADS-B报告推定；或者是删除的或者惯性(coasting)ADS-B报告。注意要明白本领域的技术人员会理解关于ADS-B系统的描述和操作，以及应用ADS-B系统确定有效并且有用报告所使用的术语，这里不对其进行更详细的说明。
因此，CSA/RM预处理器720处理来自监视飞机200和目标飞机300两者的ADS-B系统400的恰当导航数据，以便使目标飞机300和监视飞机200位置和速度矢量与共同的时间基准发生联系。时间基准相关确保相应飞机的记录位置准确对应于其的报告的实时位置，从而降低虚假碰撞报警的可能性，以及减少对真实碰撞报警的忽略。起因于从具有不同适用性时间(“TOA”)的不同数据链路接收的目标飞机信息的不一致使时间基准相关成为必要。在某一Mode-S应答器在一秒的开始不传送TOA的情况下会发生这样的情况。此外，由于某些ADS-B系统使用的RF接收的不可预见性，目标飞机300可保存并保持在目标飞机文件中以便分析，其中根据信息的接收时间，和各个目标飞机相关的信息可具有不同的时间基准。另外，在目标飞机300的TOA和CSA/RM模块700处理目标飞机数据的时间之间存在短暂的差异。
在系统结构100考虑检查多个目标飞机300的情况下，也可实现确定关心的目标飞机300的层次顺序或者其它顺序的系统功能，从而最重要或者最关键的目标飞机300可被赋予处理优先级。于是，为了保证及时报告可能的碰撞，CSA/RM预处理器720还可包括在把目标飞机数据转发给CSA处理器740之间，按照规定的标准对多个目标飞机300分类的功能。这种分类标准可包括，例如按照目标飞机300和监视飞机200之间的距离对目标飞机300分类。随后根据重要性排序方案赋予目标飞机优先级，所述重要性排序方案至少可部分由特定目标飞机300的数据的类型、格式和/或质量来确定。注意，在这方面，本领域的技术人员将明白并理解在本发明的精神和范围之内，根据数据的不同特性，可实现多种不同的分类和排序方案。另外，CSA/RM预处理器720也可被配置成根据需要，把关于多个目标飞机300的恰当数据传送给CSA处理器740和/或RM处理器760，同时优先传送具有最高处理优先级排序的目标飞机300的数据。为了完成所述功能，CSA/RM预处理器720最少需要来自于监视飞机200和目标飞机300两者的ADS-B系统400的某些信息。所需的信息包括，例如目标飞机200的ICAO地址，监视飞机200和目标飞机300的三维位置，监视飞机200和目标飞机300的三维速度，监视飞机200和MS的位置和速度的相关有效性，和它们的相应TOA。
一旦CSA/RM预处理器720接收并处理了所述必要信息，则该信息被发送给CSA处理器740，以便实现碰撞检测功能。根据本发明的一个实施例，并且根据这里的进一步说明，CSA处理器740的实际实现一般需要关于监视飞机200和目标飞机300的有效ADS-B信息，例如包括水平位置、压力高度、水平速度(真轨迹角和地速)，压力高度比率、不确定性数据(NUCP)及其空/地状态。但是，为了简化说明，将按照作为应用恰当原理的一个例子的更基本途径，说明这里应用的方法学。
根据本发明的一个实施例，监视飞机200和目标飞机300的当前三维位置和速度矢量包括CSA处理器740实现碰撞检测功能所需的信息。注意本领域的技术人员会明白并认识到，可用软件、硬件或软件和硬件的组合实现这里描述的功能，这里所述的方法只是实现所需功能的方法的一个例子。因此，可利用具有用于实现根据本发明的实施例的相关方法的一个或多个处理部分的计算机设备实现这样的功能。本领域的技术人员会明白并认识到，这样的计算机设备可包括能够实现这里所述功能的恰当的芯片级处理器，桌上型个人计算机，膝上型个人计算机，服务器，路由器，主计算机或类似设备，或者它们的组合。此外，本领域的技术人员也会明白和认识到，这里结合用于实现方法学的计算机设备描述的方法也可附带有能够与之配合的相应计算机软件程序产品，所述计算机软件程序产品具有一个或多个完成，执行或指令指定功能和方法的可执行部分。
这里在说明碰撞检测功能中，术语X，Y和Z分别用于表示经度位置、纬度位置和高度位置，术语E，N和V分别用于表示东-西方向，南-北方向和垂直方向的速度。因此，下面的碰撞检测功能和方法可由，例如CSA处理器740实现。
一般来说，当前时间的监视飞机200的三维位置和速度矢量可表示成(X0，Y0，Z0)和(E0，N0，V0)但是，监视飞机200可更一般地表示成时间T的函数(X0+E0*T，Y0+N0*T，Z0+V0*T)。
类似地，目标飞机300的位置可表示成(Xt+Et*T，Yt+Nt*T，Zt+Vt*T)。
如图2A-2C中所示，有时候希望通过确定围绕监视飞机200的受保护空域(“PAZ”)250，在距监视飞机200的一定距离范围内监视具有碰撞飞行路径的飞机。某些情况下，PAZ250可被定义成具有规定半径S的直立圆柱体，监视飞机200为其中心。这种圆柱体的轴对应于，例如贯穿监视飞机200的地心轴。因此，在监视飞机200和目标飞机300之间，碰撞检测功能可被配置成检查这两架飞机之间的水平(x，y)和垂直(z)间距。
一般来说，在任意时间T，监视飞机和目标飞机之间的水平距离H可表示成H2＝((X0+E0*T)-(Xt+Et*T))2+((Y0+N0*T)-(Yt+Nt*T))2(1)如果把下述替代项代入等式(1)ΔX＝X0-XtΔY＝Y0-YtΔE＝E0-EtΔN＝N0-Nt则等式(1)可重写为H2＝(ΔX+ΔE*T)2+(ΔY+ΔN*T)2(2)或者H2＝T2*(ΔE2+ΔN2)+2*T*(ΔX*ΔE+ΔY*ΔN)+(ΔX2+ΔY2) (3)根据该分析，飞机之间所需的水平间距S对应于，例如围绕监视飞机200确定的PAZ圆柱体250的半径。从而，对于发生水平碰撞(或者“侵犯”)来说，飞机之间的水平距离H必须等于或者小于所需的水平间距S。于是，当H＝S或者H2-S2＝0时，开始发生侵犯。因此，侵犯可被分析成如下表述的抛物线函数T2*(ΔE2+ΔN2)+2*T*(ΔX*ΔE+ΔY*ΔN)+(ΔX2+ΔY2)-S2＝0 (4)如果把下述替代项代入等式(4)A＝ΔE2+ΔN2B＝(ΔX*ΔE+ΔY*ΔN)*2C＝r2-S2，这里r＝(ΔX2+ΔY2)1/2(监视飞机和目标飞机之间的初始距离)，如等式(4)中表示的水平侵犯函数可重写为AT2+BT+C＝0 (5)根据等式(5)，如果B2-4*A*C≥0，则发生侵犯。即，在(-B±(B2-4*A*C)1/2)/(2*A)确定的时期中会发生水平侵犯。从而，水平侵犯时期的起点和终点可被分别表示为h和h′。在两架飞机以相同的水平速度飞机的情况下，A为零。这种情况下，等式(5)无解，从而如果(ΔX2+ΔY2)1/2-S≤0成立，则h＝0，h′＝∞。即，如果监视飞机200和目标飞机300之间的当前水平距离H小于或等于这些条件下的理想水平间距S，则不确定地存在水平侵犯(碰撞飞机路径)。但是，如果监视飞机200和目标飞机300之间的当前水平距离H大于所需的水平间距S，则不会发生水平侵犯。这种情况下，当(ΔX2+ΔY2)1/2-S＞0时，h＝h′＝-∞。
图2A-2C图解说明了在描述的推理下，可能发生的不同情况的几个例子，其中相对于关于监视飞机200的本地坐标系统图解说明所述不同情况。更具体地说，图2A图解说明B2-4AC＜0，并且最接近点(“CPA”)275产生于PAZ250之外的情况。这种情况下，在监视飞机200和目标飞机300的飞机路径之间不存在任何冲突。但是，图2B图解说明了B2-4AC＞0的情况。这种情况下，CPA275在PAZ250之内，从而指示监视飞机200和目标飞机300之间的碰撞情况。图2C也图解说明了B2-4AC＞0的情况。但是，这种情况下，目标飞机300的速度矢量VV指向远离监视飞机200的方向。从而，该例子举例说明在过去某一时刻，在监视飞机200和目标飞机300之间发生的冲突情况，但是目前不再存在这样的情况。在确定碰撞情形的情况下，CSA处理器740把恰当的信息转发给报警模块780，其中本领域的技术人员会明白并认识到，通过用户界面600，可以各种方式更彻底地指示该情形。
此外，也可指定监视飞机200和目标飞机300之间的理想垂直间距υ，以便产生用于检查垂直碰撞条件的另一抛物线函数T2*ΔV2+2*T*(ΔZ*ΔV)+ΔZ2-υ2)＝0 (6)按照和水平侵犯情形相似的分析，垂直碰撞时期的起点和终点可分别表示成v和v′。因此，在两架飞机以相同的垂直速度飞机的情况下，等式(6)无解。这种情况下，如果ΔZ-υ≤0成立，则v＝0，v′＝∞。但是，如果ΔZ-υ＞0，则v＝v′＝-∞。
当同时考虑水平侵犯情形和垂直侵犯情形时，如果v≤h′并且h≤v′，则可能产生PAZ圆柱体250的预测穿透。如果预测到穿透，则穿透时期分别开始和终止于c和c′，这里c＝MAX(h，v)
c′＝MIN(h′，v′)MAX和MIN分别是返回对应参数的最大值和最小值的函数。但是，如图2C中所示，PAZ圆柱体250的预测穿透并不自动暗示两架飞机之间的碰撞情形。在过去某一时刻或者在晚于指定规定超前时间(“SLAT”)的时期的未来某一时刻发生预测穿透的情况下，会发生这种情形。因此，CSA处理器740可被配置成分析在由SLAT指示的预定时段内，提供的侵犯数据。在SLAT被定义成L秒的持续时间的情况下，如果(1)v≤h′并且h≤v′(穿透保护圆柱体)(2)0≤v′并且v≤L，或者(3)0≤h′并且h≤L，则将指示飞机之间的碰撞飞机路径，这里条件(2)和(3)可被合并成单一条件0≤c′并且c≤L。
图3中图解表示了SLAT概念。因此，如果PAZ250的预测穿透时期完全发生于当前时间I之前，或者晚于当前时间加上SLAT的时间II，则不报告侵犯A。相反，如果预测的穿透时期开始于当前时间I或者在当前时间I之前开始，则当前存在侵犯B。此外，当预测的穿透时期在当前时间I之后，但是在当前时间加上SLAT的时间II之前开始时，预测侵犯C。
从而，前面描述的碰撞检测功能比较所需间距S和监视飞机200与目标飞机300之间的实际间距。如果所需间距S和实际间距之间的差值小于或等于零，则宣布侵犯(这里，该差值也可表示成“”)。前述方法以监视飞机200和目标飞机300的报告位置和速度精确地与飞机的真实位置和速度相关的设相为依据。但是，在实际应用中，情况并不必然如此。通常，相应飞机的ADS-B系统400和/或GNSS装置500提供的导航数据包括与大地坐标或其它信息相关的不确定信息。
实际上，不确定信息的实际影响在于监视飞机200和目标飞机300的报告位置会与它们各自的真实位置相差一个误差值。这样的误差值可被报告成，例如ADS-B广播消息中的NUCP值。为了补偿该误差值，可利用偏移量恰当地修改监视飞机00和目标飞机300之间的间距。在U代表对应于报告的NUCP值的HPL(水平保护极限)的上限(海里)，H代表监视飞机200和目标飞机300之间的实际间距，在H±U的情况下，发生监视飞机200和目标飞机300之间间距的最坏情况，这里U＝U0+Ut。U0和Ut分别代表监视飞机200和目标飞机300的水平不确定信息。因此，＝H±U-S。从而，当＝0时，开始水平间距侵犯。但是，由于H，U和S都是正值，因此当H-U-S＝0时，发生最早的侵犯。即，在考虑不确定信息之后，监视飞机200和目标飞机300之间的理想间距为S+U。，其中进行不确定性修改后的理想间距还可恰当地应用于等式(4)。
以通常把地球看作平面的平坦地面模型为基础，提出前述方法。但是，虽然平坦地面模型是对于赤道附近的短距离产生极小误差量的有效近似，但是在朝着地球两极的更高纬度下，误差的量值会显著增大。因此，由于在两极或两极附近经线的会聚，平坦地面模型不能提供两极附近水平距离的有效确定。从而，本发明的实施例最好采用大圆地球模型。
根据该模型并且如图4中所示，从监视飞机200到目标飞机300的水平距离r可表示为r＝R*ω＝R*cos-1(sinY0sinYt+cosY0cosYtcos(X0-Xt))，这里R是代表地球的球体的半径，ω是监视飞机200到目标飞机300之间的大圆弧所对的圆心角。从而，项ΔX和ΔY可被计算成ΔX＝r*cosθ，ΔY＝r*sinθ，这里θ是在监视飞机200的位置，相对于正北N测量的从监视飞机200起的目标飞机300的方位。如同按照大圆地球模型修改的那样，随后可把项ΔX和ΔY代入等式(4)中所示的侵犯函数中。因此，该侵犯函数也按照大圆地球模型被修改，从而提供飞机之间位置关系的更准确确定。
此外，根据该模型，当两架飞机接近赤道时，从监视飞机200看来的东-西方向和南-北方向分别基本上平行于从目标飞机300看来的东-西方向和南-北方向。但是，由于这两架飞机的南-北方向将在两极会聚，因此在这两架飞机移向更高纬度的情况下，这些相应方向不再平行。即，如果两架飞机都飞向各自的正北，则这两架飞机最终会到达北极N。于是，仅仅根据相应垂直矢量之间的差值，即可确定目标飞机300相对于监视飞机200的相对速度的南-北分量或者东-西分量。从而，本发明的实施例把位于监视飞机200位置的地北用作基准方向。因此，使目标飞机300的速度矢量VVt旋转角度γ，以补偿高纬度下子午线的会聚。但是，在一些情况下，即使在位于距离极地区很远的中纬度下，这种校正也很重要。
就确定旋转角γ来说，首先注意，根据平坦地面模型，目标飞机300的正北(从T到T′)将平行于监视飞机200的正北。但是，由于按照地圆地球模型，地球可被表征为扁球体，因此目标飞机300的正北应在北极N和监视飞机200的正北会聚。即，即使从目标飞机300看来，也必须相对于具有其自身速度矢量VV0的监视飞机200的正北旋转目标飞机300的速度矢量VVt，目标飞机300看来仿佛是准确地沿正北飞行。因此，为了确定旋转角γ，确定相对于监视飞机200的正北测量的从监视飞机200起的目标飞机300的方位角θ。另外，确定相对于目标飞机300的正北测量的从目标飞机300起的监视飞机200的方位角α，这里α′＝360-α。从而，旋转角γ的角度可被表示成γ＝180-θ-α′ (7)从而，从监视飞机200看来，目标飞机300的水平速度可表示成Nt′＝Etsinγ+Ntcosγ(8)Et′＝Etcosγ-Ntsinγ(9)从而，项Nt′和Et′代表依据大圆地球模型修改的目标飞机300的水平速度分量。因此，这些项可分别替换等式(4)中所示的侵犯函数中的Nt和Et。于是，和大圆地球模型一致，当被代入如等式(4)中所示的侵犯函数中时，修改后的位置分量(ΔX＝r*cosθ，ΔY＝r*sinθ)和修改后的水平速度分量(如等式(8)和(9)中所示)提供更准确的飞行器的飞行路径的表达，并且通过考虑地球的形状，允许更有效地确定碰撞情形。
根据本发明的一些实施例，根据如下面在表1中举例说明的监视飞机200的无线电高度或压力高度，动态确定SLAT和/或PAZ250。例如，考虑到这种飞机的常见巡航高度内的空中交通，可适当地增大SLAT和/或PAZ250。
表1如同本发明的实施例中实现的那样，CSA处理器740按照监视飞机200的高度，动态改变PAZ250和SLAT。但是，如果供给监视飞机200的高度的信息源(无线电/压力)发生故障，则PAZ250和SLAT均被设置成如表1中最后一列中所示的保守值。一般来说，根据本发明的实施例，并不相对于地面目标应用这里描述的碰撞检测方法。实际情况下，当监视飞机200在地面时，至少CSA/RM模块700被停用。从而，例如在检测目标，并且空中/地面状态未知的情况下，对CSA/RM模块700来说，该目标被看作飞行中的目标。此外，在某些情况下，来自监视飞机200的无线电测高计的高度信息优于来自气压高度表的信息。从而，如果无线电测高计发生故障，则使用默认灵敏度值的设定值。如果无线电测高计超出使用距离，则使用气压高度表来确定恰当的灵敏度等级。
根据本发明的其它实施例，结合碰撞检测功能或者作为碰撞检测功能的替换，还可实现距离监视功能。如图1中所示，在监视飞机200和选择的目标飞机300具有有效水平位置的情况下，也可把适当的导航信息从CSA/RM预处理器720传送给RM处理器760，以便提供监测监视飞机200和目标飞机300之间的当前水平距离的能力。一般来说，RM处理器760需要通过CDTI上的距离圈设置，输入所需的水平间距。另外，根据本发明的实施例，RM处理器760的实际实现一般需要关于监视飞机200和选择的目标飞机300的有效ADS-B信息，例如包括水平位置和该信息的有效性。因此，如果监视飞机200和选择的目标飞机300之间的水平距离小于由RM处理器760确定的理想间距，则把距离极限报警转发给报警模块780，并通过用户界面显示所述距离极限报警。
根据本发明的一个实施例，在R是从用户界面600接收的理想间距，H是监视飞机200和选择的目标飞机300之间的当前距离的情况下，如果H′＜R，则起动距离极限报警，这里H′是对应于H的四舍五入到小数点后一位的数值。例如，如果输入3海里的理想间距，并且监视飞机200和选择的目标飞机300之间的当前间距为2.94海里，则由于H＝2.94海里，R＝3海里，并且H′＜R，因此起动距离极限报警。但是，按照类似的方式，如果H≥2.95海里，就不会起动距离极限报警，因为H′会等于3.0海里。根据本发明的其它实施例，由于距离监视功能检测飞机之间的当前水平间距，而不是飞机之间的投影间距，并且由于距离监视功能通常应用于在监视飞机200附近的选择的目标飞机300，因此由于其效果有限，RM处理器760可不被配置成对距离监视功能提供水平不确定信息。但是，根据前面分析的原因，RM处理器760一般把大圆地球模型应用于距离监视功能。另外，由于只监测监视飞机200和选择的目标飞机300之间的当前水平间距，因此SLAT概念一般不适用。此外，距离监视功能一般在空-空情形下适用，于是，只适用于在空中的选择目标飞机300，同时监视飞机200本身也在空中。
一旦CSA处理器740和/或RM处理器760处理了恰当的信息，并且分别产生了PAZ侵犯或距离极限报警，则报警模块780处理并分析报警条件，以便确定恰当的报警标志，并且确定是否将其提供给用户界面600。在某些情况下，由于就其本性而言，CSA碰撞报警(“CSA报警”)和距离极限报警(“RM报警”)一般较为短暂，因此报警模块780可执行报警潜伏，以使提供给用户界面600的错误报警降至最少。因此，本领域的技术人员会明白并认识到，可采用不同的方法来检查从CSA处理器740和/或RM处理器760接收的信息。此外，本领域的技术人员还会认识到，可以各种方式及变化实现根据报警模块780提供给用户界面600的信息，通过用户界面600的报警或其它信息的显示、广播或者其它分发，尤其是通过用户界面600，用户友好地显示、广播或分发报警或其它信息，这里不作进一步的分析。
根据本发明的一些实施例，只对CDTI的用户已在用户界面600上选择的选择目标飞机300产生RM报警。从而，报警模块780一般不在用户界面600上提供关于选择的目标飞机300的可视报警。但是，当针对目标飞机300发出CSA报警时，可通过改变CDTI上的目标图标，产生可视报警。另外，对于CSA报警和RM报警，可通过用户界面600提供听觉报警。
从而，本发明的实施例提供一种确定飞机或者其它飞行器之间的碰撞飞行路径的方法、系统和计算机软件程序产品。本发明的实施例还能够考虑误差来源，例如存在于飞行器所使用的导航设备中的误差源以及存在于地球建模中的误差源，以便提供与地理纬度和地理经度无关的有效避撞系统，所述避撞系统被配置成透明地考虑误差，以便促进避撞系统的用户友好性。于是，和其它避撞系统相比，本发明的实施例具有明显的优点。
根据前述说明和附图中给出的教导，本发明所属领域的技术人员会想起本发明的许多修改和其它实施例。于是，本发明并不局限于公开的具体实施例，本发明的各种修改和其它实施例包含在附加权利要求的范围之内。虽然这里采用了特殊的术语，不过只是在一般及说明的意义上使用这些术语，并不是用于对本发明的限制。
权利要求
1.一种确定第一飞行器和第二飞行器之间的碰撞飞行路径的方法，所述方法包括分别确定第一飞行器和第二飞行器的位置和速度矢量；确定围绕第一飞行器的圆柱体，所述第一飞行器被布置在所述圆柱体的中心；利用大圆地球模型，至少部分根据各个飞行器的位置和速度矢量，确定在选择的时间，第一飞行器和第二飞行器之间的间距；确定关于每个飞行器的位置的精度因素；利用精度因素修正确定的间距；及确定在某一时段内，修正后的间距是否在围绕第一飞行器的圆柱体内，以便确定在第一飞行器和第二飞行器之间是否存在碰撞飞行路径。
2.按照权利要求1所述的方法，其中每个飞行器包括具有全球导航卫星系统(GNSS)设备的自动相关监视-广播(ADS-B)系统，并且确定位置和速度矢量还包括利用相应的GNSS设备确定各个飞行器的位置和速度矢量。
3.按照权利要求2所述的方法，其中确定精度因素还包括利用相应的ADS-B系统确定关于每个飞行器的位置的精度因素。
4.按照权利要求1所述的方法，其中确定围绕第一飞行器的圆柱体还包括确定围绕第一飞行器的圆柱体，同时所述圆柱体具有贯穿第一飞行器的地心轴。
5.按照权利要求1所述的方法，还包括如果修正后的间距在圆柱体内，则指示要发出报警，以便指示第一飞行器和第二飞行器之间的碰撞飞行路径。
6.按照权利要求1所述的方法，其中确定位置和速度矢量还包括利用全球定位系统(GPS)设备确定各个飞行器的位置和速度矢量。
7.按照权利要求2所述的方法，其中确定精度因素还包括利用相应的ADS-B系统确定各个飞行器的精度因素，至少一个ADS-B系统具有GPS设备。
8.按照权利要求1所述的方法，还包括确定相对于第一飞行器和第二飞行器的共同时间基准。
9.按照权利要求1所述的方法，其中确定间距还包括确定随着时间而变的第一飞行器和第二飞行器之间的间距，以便确定每个飞行器的飞行路径。
10.按照权利要求1所述的方法，其中确定间距还包括通过使第一飞行器的位置和速度矢量与极地基准相关，随后用相对于极地基准的飞行器间的角距，修正第二飞行器的位置和速度矢量，利用大圆地球模型确定间距。
11.按照权利要求2所述的方法，其中确定精度因素还包括从相应的ADS-B系统确定每个飞行器的位置导航不确定性等级(NUCP)因素。
12.按照权利要求2所述的方法，其中修正间距还包括从相应的ADS-B系统，利用和每个飞行器的位置导航不确定性等级(NUCP)因素对应的水平保护极限(HPL)因素的上限修正间距。
13.按照权利要求1所述的方法，还包括确定在所述时段前的某一时间，修正后的间距是否在围绕第一飞行器的圆柱体内。
14.按照权利要求1所述的方法，还包括确定在晚于所述时段的某一时间，修正后的间距是否会在围绕第一飞行器的圆柱体内。
15.按照权利要求1所述的方法，还包括根据第一飞行器的高度，调整圆柱体和时段。
16.按照权利要求1所述的方法，其中确定圆柱体还包括对应于第一飞行器和第二飞行器之间的所需间距，确定围绕第一飞行器的圆柱体。
17.按照权利要求2所述的方法，其中指示要发出报警还包括指示发出带有按照和优先级条件列表中的优先级条件对应的优先级等级确定的警报特性的报警，该优先级等级至少部分地从每个飞行器的ADS-B系统确定，并且报警包括视觉报警和听觉报警至少之一。
18.按照权利要求1所述的方法，还包括如果修正后的间距在圆柱体之内，则监视第一飞行器和第二飞行器之间的间距，以便确定第一飞行器和第二飞行器之间的碰撞飞行路径的状态。
19.按照权利要求1所述的方法，还包括改变第一飞行器的飞行路径，直到修正后的间距在圆柱体之外为止。
20一种确定第一飞行器和第二飞行器之间的碰撞飞行路径的系统，所述系统包括放置在第一飞行器上的计算机设备，所述计算机设备包括分别确定第一飞行器和第二飞行器的位置和速度矢量的处理部分；确定围绕第一飞行器的圆柱体的处理部分，所述第一飞行器被布置在所述圆柱体的中心；利用大圆地球模型，并且至少部分根据每个飞行器的位置和速度矢量，确定在选择的时间，第一飞行器和第二飞行器之间的间距的处理部分；确定关于每个飞行器的位置的精度因素的处理部分；利用精度因素修正间距的处理部分；及确定在某一时段内，修正后的间距是否在围绕第一飞行器的圆柱体内，以便确定第一飞行器和第二飞行器之间是否存在碰撞飞行路径的处理部分。
21.按照权利要求20所述的系统，还包括安装在每个飞行器上的自动相关监视-广播(ADS-B)系统，每个ADS-B系统能够与计算机设备通信。
22.按照权利要求21所述的系统，还包括与各个ADS-B系统通信的全球导航卫星系统(GNSS)设备。
23.按照权利要求22所述的系统，其中至少一个GNSS设备还包括全球定位系统(GPS)设备。
24.按照权利要求21所述的系统，其中安装在第一飞行器上的ADS-B系统还包括能够从安装在第二飞行器上的ADS-B系统接收ADS-B广播的子系统。
25.按照权利要求22所述的系统，其中确定位置和速度矢量的处理部分还能够利用相应的GNSS设备确定位置和速度矢量。
26.按照权利要求21所述的系统，其中确定精度因素的处理部分还能够利用相应的ADS-B系统确定精度因素。
27.按照权利要求20所述的系统，其中确定圆柱体的处理部分还能够确定围绕第一飞行器的圆柱体，以致所述圆柱体具有贯穿第一飞行器的地心轴。
28.按照权利要求20所述的系统，其中计算机设备还包括如果修正后的间距在圆柱体内，则指示要发出报警，以便指示第一飞行器和第二飞行器之间的碰撞飞行路径的处理部分。
29.按照权利要求20所述的系统，其中计算机设备还包括确定相对于第一飞行器和第二飞行器的共同时间基准的处理部分。
30.按照权利要求20所述的系统，其中确定间距的处理部分还能够确定随着时间而变的间距，以便确定每个飞行器的飞行路径。
31.按照权利要求20所述的系统，其中确定间距的处理部分还能够通过使第一飞行器的位置和速度矢量与极地基准相关，随后用相对于极地基准的飞行器间的角距，修正第二飞行器的位置和速度矢量，利用大圆地球模型确定间距。
32.按照权利要求21所述的系统，其中确定精度因素的处理部分还被配置成从相应的ADS-B系统确定每个飞行器的位置导航不确定性(NUCP)因素。
33.按照权利要求21所述的系统，其中修正间距的处理部分还被配置成从相应的ADS-B系统，利用和每个飞行器的位置导航不确定性(NUCP)因素对应的水平保护极限(HPL)因素的上限修正间距。
34.按照权利要求20所述的系统，其中计算机设备还包括至少确定下述之一的处理部分在所述时段前的某一时间，修正后的间距是否在围绕第一飞行器的圆柱体内；和在晚于所述时段的某一时间，修正后的间距是否会在围绕第一飞行器的圆柱体内。
35.按照权利要求20所述的系统，其中计算机设备还包括根据第一飞行器的高度，调整圆柱体和所述时段的处理部分。
36.按照权利要求20所述的系统，其中确定圆柱体的处理部分还被配置成对应于第一飞行器和第二飞行器之间的所需间距，确定围绕第一飞行器的圆柱体。
37.按照权利要求28所述的系统，其中指示要发出报警的处理部分还被配置成指示发出带有按照和优先级条件列表中的优先级条件对应的优先级等级确定的警报特性的报警，所述报警包括视觉报警和听觉报警至少之一。
38.按照权利要求20所述的系统，其中计算机设备还包括如果修正后的间距在圆柱体之内，则监视第一飞行器和第二飞行器之间的间距，以便确定第一飞行器和第二飞行器之间的碰撞飞行路径的状态的处理部分。
39.按照权利要求20所述的系统，其中计算机设备还包括指示改变第一飞行器的飞行路径，直到修正后的间距在圆柱体之外为止的处理部分。
40.一种能够被计算机设备执行，从而确定第一飞行器和第二飞行器之间的碰撞飞行路径的计算机软件程序产品，所述计算机软件程序产品包括能够分别确定第一飞行器和第二飞行器的位置和速度矢量的可执行部分；能够确定围绕第一飞行器的圆柱体，以致所述第一飞行器被布置在所述圆柱体的中心的可执行部分；能够利用大圆地球模型，至少部分根据每个飞行器的位置和速度矢量，确定在选择的时间，第一飞行器和第二飞行器之间的间距的可执行部分；能够确定关于每个飞行器的位置的精度因素的可执行部分；能够利用精度因素修正所述间距的可执行部分；及能够确定在某一时段内，修正后的间距是否在围绕第一飞行器的圆柱体内，以便确定第一飞行器和第二飞行器之间是否存在碰撞飞行路径的可执行部分。
41.按照权利要求40所述的计算机软件程序产品，其中每个飞行器包括具有全球导航卫星系统(GNSS)设备的自动相关监视-广播(ADS-B)系统，所述GNSS设备与所述ADS-B通信，并且计算机软件程序产品还包括能够指导每个飞行器的计算机设备和AIDS-B系统间的通信的可执行部分。
42.按照权利要求41所述的计算机软件程序产品，其中能够确定位置和速度矢量的可执行部分还能够处理来自于相应GNSS设备的信息，以便确定对应飞行器的位置和速度矢量。
43.按照权利要求41所述的计算机软件程序产品，其中能够确定精度因素的可执行部分还能够处理来自于相应ADS-B系统的信息，以便确定对应飞行器的精度因素。
44.按照权利要求40所述的计算机软件程序产品，其中能够确定圆柱体的可执行部分还能够确定具有贯穿第一飞行器的地心轴的圆柱体。
45.按照权利要求40所述的计算机软件程序产品，还包括如果修正后的间距在圆柱体内，能够指示要发出报警，以便指示第一飞行器和第二飞行器之间的碰撞飞行路径的可执行部分。
46.按照权利要求41所述的计算机软件程序产品，其中确定位置和速度矢量的可执行部分还能够从至少一个包含全球定位系统(GPS)设备的GNSS设备确定位置和速度矢量。
47.按照权利要求41所述的计算机软件程序产品，其中确定精度因素的可执行部分还能够处理由安装在第一飞行器上的ADS-B系统接收的ADS-B广播信息，从而确定精度因素。
48.按照权利要求40所述的计算机软件程序产品，还包括能够确定相对于第一飞行器和第二飞行器的共同时间基准的可执行部分。
49.按照权利要求40所述的计算机软件程序产品，其中能够确定间距的可执行部分还能够确定随着时间而变的间距，从而确定每个飞行器的飞行路径。
50.按照权利要求40所述的计算机软件程序产品，其中确定间距的可执行部分还能够通过使第一飞行器的位置和速度矢量与极地基准相关，随后用相对于极地基准的飞行器间的角距，修正第二飞行器的位置和速度矢量，利用大圆地球模型确定间距。
51.按照权利要求41所述的计算机软件程序产品，其中确定精度因素的可执行部分还能够从相应的ADS-B系统确定每个飞行器的位置导航不确定性(NUCP)因素。
52.按照权利要求41所述的计算机软件程序产品，其中能够修正间距的可执行部分还能够从相应的ADS-B系统，利用和每个飞行器的位置导航不确定性(NUCP)因素对应的水平保护极限(HPL)因素的上限修正间距。
53.按照权利要求40所述的计算机软件程序产品，还包括至少能够确定下述之一的可执行部分在所述时段前的某一时间，修正后的间距是否在围绕第一飞行器的圆柱体内；和在晚于所述时段的某一时间，修正后的间距是否会在围绕第一飞行器的圆柱体内。
54.按照权利要求40所述的计算机软件程序产品，还包括能够根据第一飞行器的高度，调整圆柱体和时段的可执行部分。
55.按照权利要求40所述的计算机软件程序产品，其中能够确定圆柱体的可执行部分还能够对应于第一飞行器和第二飞行器之间的所需间距，确定围绕第一飞行器的圆柱体。
56.按照权利要求45所述的计算机软件程序产品，其中指示要发出报警的可执行部分还能够指示发出带有按照和优先级条件列表中的优先级条件对应的优先级等级确定的警报特性的报警，所述报警包括视觉报警和听觉报警至少之一。
57.按照权利要求40所述的计算机软件程序产品，还包括如果修正后的间距在圆柱体之内，能够监视第一飞行器和第二飞行器之间的间距，从而确定第一飞行器和第二飞行器之间的碰撞飞行路径的状态的可执行部分。
58.按照权利要求40所述的计算机软件程序产品，还包括能够指示改变第一飞行器的飞行路径，直到修正后的间距在圆柱体之外为止的可执行部分。
全文摘要
提供一种确定第一和第二飞行器之间的碰撞飞行路径的方法，其中每个飞行器包括具有导航设备的飞机－飞机导航通信系统。首先，确定每个飞行器的位置和速度矢量。随后确定围绕第一飞行器的圆柱体。利用大圆地球模型，确定选择时刻的飞行器之间的间距。之后确定每个飞行器位置的精度因素。随后利用精度因素修正所述间距。之后确定在某一时段内，修正后的间距是否在围绕第一飞行器的圆柱体内，从而确定在飞行器之间是否存在碰撞飞行路径。另外还提供了相关的系统和计算机软件程序产品。
文档编号G01S7/00GK1592919SQ01814035
公开日2005年3月9日 申请日期2001年7月9日 优先权日2000年7月10日
发明者琴·莱 申请人:美国联合包裹服务公司