一种飞行冲突检测系统的研究与设计

2015-03-11ResearchandDesignoftheFlightConflictDetectionSystem

自动化仪表 2015年7期

关键词：航迹气压飞行器

Research and Design of the Flight Conflict Detection System

杨新　高春燕　王　智

(中国民航大学空中交通管理学院，天津　300300)

一种飞行冲突检测系统的研究与设计

Research and Design of the Flight Conflict Detection System

(中国民航大学空中交通管理学院，天津300300)

摘要：针对小型飞行器的飞行冲突问题，提出了一种飞行冲突预测的算法。结合该飞行冲突的预测算法，设计了一种基于GPS/IMU的飞行冲突检测系统。该系统以STM32为核心处理单元，采用GPS/IMU作为飞行器的位置和姿态传感器，接收其他飞行器的飞行位置信息、航向、高度等信息;通过飞行冲突预测算法计算飞行冲突概率，判断是否存在飞行冲突。模型机试验结果证明，该系统可以实现飞行冲突的预先判断，能够及时检测到小型飞行器的飞行冲突。

关键词：飞行冲突冲突检测冲突概率STM32GPS/IMU

Abstract：Aiming at the flight conflict problem of small aircrafts, the prediction algorithm of flight conflict is proposed. Combining with this prediction algorithm, the flight conflict detection system based on GPS/IMU is designed. With STM32 as the core processing unit, and GPS/IMU as the position and attitude sensors for the aircraft, the information of other aircrafts, including position, heading, altitude, etc., can be received by the system. Then the flight conflict probability is calculated through flight conflict prediction algorithm, thus the existence of the flight conflict can be judged. The model machine experimental results prove that the system can prejudge the flight conflict, and promptly detect the flight conflict of small aircrafts.

Keywords：Flight conflictConflict detectionConflict probabilitySTM32GPS/IMU

0引言

飞行冲突探测是指预测两架或者多架飞行器在某个同高度的地点出现相遇的情况。目前，飞行冲突探测一般是通过民航客机的大型机载计算机或者监视雷达实现的，不适用于小型或者微型飞行器。随着小型飞行器和无人机的应用越来越广泛，飞行冲突的检测成为了一项关键技术。它是保证飞行安全的前提。

本文提出一种基于飞行冲突预测算法的飞行冲突检测系统的设计方案。该系统的创新点在于可以实现飞行冲突探测系统的小型化，通过冲突预测算法实现飞行冲突探测，从而更好地实现风险隔离。该设计用STM32作为核心处理器系统，采用GPS和惯性导航模块、气压高度测量模块等作为信息源，利用无线模块与对方交互飞行信息，并通过飞行冲突预测算法，计算飞行冲突概率，判断是否存在飞行冲突。

1系统设计

飞行冲突探测系统主要由STM32系统、GPS模块、气压传感器模块、空速测量模块、无线传输模块组成。系统框图如图1所示。

图1　系统框图

处理器系统采用了STM32F103VET6 的32位72 MHz主频的处理器，主要用于飞行器姿态提取、位置消息提取、飞行速度和飞行高度解算、飞行数据接收、飞行冲突检测等。GPS模块用于收集飞行器的经纬度位置和速度，IMU模块、气压传感器、空速管用于采集飞行器航向、气压传感器、飞行速度等信息。

1.1　GPS模块设计

GPS模块采用的是UM220芯片。和芯星通的低功耗GNSS芯片，是目前市场上尺寸最小的完全国产化的北斗/GPS模块混合定位模块，集成度高、功耗低，非常适合对尺寸、功耗要求高的北斗规模应用[1]。整个GPS模块还包括AMS1117-3.3电源芯片，提供3.3 V的工作电压；SMA有源天线接口，保证获取位置的精确度。UM220原理如图2所示。

图2　UM220原理图

1.2　气压传感器模块设计

为了提高气压传感器的精度，模块采用MS5611芯片作为气压传感器。通过MS5611气压传感器内部出厂校验的6个补偿系数和未经过补偿的温度和气压测量数值，实现温度和气压数值的校正，提高气压测量的精度。其原理图如图3所示。

图3　MS5611原理图

1.3　IMU模块和空速测量模块设计

IMU模块采用MPU6050和HMC5883L，实现飞行姿态和航向的测量，以及飞行的控制，从而达到冲突解除的目的。空速测量模块使用的是MPXV7002压阻式传感器。该传感器应用范围广泛，特别适用于那些采用带A/D输入的微控制器或微处理器，能够满足STM32系统的设计需求。

IMU模块原理如图4所示。

图4　IMU模块原理图

2软件设计

软件设计部分主要包括系统初始化、参数设置、飞行姿态解算、飞行高度测量、飞行冲突检测、飞行数据接收等部分。系统的初始化是读取SD卡的初始化数据，并在初始化中对其赋值；姿态解算采用四元数算法实现，与欧拉角相比，四元数算法不仅计算简单，而且避免了欧拉角的奇异性问题，从而实现飞行器全姿态工作的能力[2]；飞行高度测量使用二阶温度补偿的方法计算气压高度数值；飞行冲突的预测是通过预测最大冲突概率点实现的。

2.1　程序流程

飞行冲突探测系统的程序设计主要包括系统的初始化、数据采集、数据处理、信息接收与发送、冲突检测等。其流程图如图5所示。

图5　系统流程框图

首先，对系统进行初始化，配置STM32工作时钟频率，并配置I2C接口，初始化IMU模块；配置串口模块，读取GPS模块的数据；配置系统定时器，用来获取时间，计算姿态数据；最后，配置无线模块，读取和发送模块数据。

系统通过定时器读取各个模块的数据，并通过相应的算法计算飞行器当前的状态和位置；接收对方飞行器的飞行数据，并进行数据的校验和验证，判断是否存在飞行冲突。

2.2　飞行冲突预测算法

如果两架飞行器高度相差不大，并且飞行航线存在交叉点，则会出现飞行交叉的现象，有可能出现飞行冲突。

为了计算飞行冲突的概率，本文提出了飞行冲突的预测算法，即通过计算航迹交叉相遇时刻，得到飞行冲突最大概率的时刻，并通知是否冲突报警。该算法分为以下几个步骤：计算飞行交叉点、计算飞行距离和预计到达时刻、计算飞行冲突概率。

(1) 飞行交叉点的计算

假设两架飞行器的航迹上的两个点分别为P1A(N11,E11)、P1B(N12,E12)和P2A(N21,E21)、P2B(N22,E22)，交叉点为P(N,E)。转换为球坐标系为θ11、φ11、θ12、φ12、θ21、φ21、θ22、φ22和θ、φ。

球坐标示意图如图6所示。

图6　球坐标示意图

(1)

φ=E

(2)

假设地球半径为R，则中心点O到点P1A、P1B、P2A、P2B矢量分别为：

r11=Rsinθ11cosφ11i+Rsinθ11sinφ11j+Rcosθ11k

r12=Rsinθ12cosφ12i+Rsinθ12sinφ11j+Rcosθ12k

r21=Rsinθ21cosφ21i+Rsinθ21sinφ21j+Rcosθ21k

r22=Rsinθ22cosφ22i+Rsinθ22sinφ22j+Rcosθ22k

r=Rsinθcosφi+Rsinθsinφj+Rcosθk

由其矢量关系可以计算得到：

A1Dsinθcosφ-B1sinθsinφ+C1cosθ=0

(3)

A2sinθcosφ-B2sinθsinφ+C2cosθ=0

(4)

Ai=sinθi1sinφi1cosθi2-sinθi2sinφi2cosθi1i取1或2

Bi=sinθi1sinφi1cosθi2-sinθi2cosφi2cosθi1i取1或2

Ci=sinθi1cosφi1sinθi2cosφi2-

sinθi2cosφi2sinθi1cosφi1i取1或2

(5)

通过上式计算得到θ、φ ，进而计算出P(N，E)。

(2) 飞行距离计算

为了计算飞行器当前的位置与航迹交叉点的距离，采用了以下方法进行距离的计算。假设P1点纬经度(N1, E1)和P2点纬经度(N2， E2)[3]，则:

式中：Δ为P1和P2的距离。

(3) 飞行冲突的概率模型

飞行器的飞行存在诸多的影响因素，飞行位置可能会受到各种噪声的干扰。建立一个飞行器运动航迹的模型：

Dt=Dt-1+VΔt+vt-1+nt

(6)

式中：Dt为不同飞机在t 时刻的航迹位置；V为飞行速度；vt为测量误差；nt为飞行器飞行过程中的干扰误差。同理，可以测算出各个飞行器预计到达相遇点的交叉时间td。

Pt=∫p(lt)dltlt≤Δ

(7)

式中：Δ为飞行器保护圈范围；p(lt)为其概率密度函数。

根据文献[4]和[5]可以获知，经过线性变换之后，其对应的冲突概率密度为标准正态分布。又由于航迹在三维空间中为独立的函数，所以该时间段内的冲突概率如下：

式中：ψ()为标准正态分布的概率分布函数；lti为lt在i轴的投影分量；Δi为i轴的规避范围。

(4)由步骤(3)中计算得到的到达航迹交叉点的时刻，获取飞行冲突概率，并判断是否冲突警告。

2.3　冲突检测流程

冲突检测流程图如图7所示。冲突检测设计主要包含了数据的校验，保障接收到的数据为真实有效的数据；通过对方飞行器的两个飞行点以及飞行器本身的飞行位置点的坐标计算两者的交叉地点，并根据自己的飞行速度来计算相遇的飞行时间，进而计算飞行概率。如果飞行概率大于预定值，则产生冲突报警。

图7　冲突检测流程图

3仿真测试

为了验证冲突算法的可行性，本文利用Matlab对冲突算法进行了仿真测试。航迹与飞行冲突概率曲线如图8所示。

图8　航迹与飞行冲突概率

假设飞行器A以0.7单位的速度由点(1，10)飞往点(16,12)，飞行器B以1单位的速度由点(2,2)飞往点(12,16)，如图8(a)所示。由该方法可以确定两者航迹相交于点(8.42,10.98)，并且飞行器的规避保护圈为4个单位。其仿真结果如图8(b)所示。由于飞行器相交于点(8.42,10.98)，飞行器B最先到达，则A、B之间的飞行冲突主要集中于B飞行器达到时刻，则飞行冲突主要预测B到达预定地点的时刻。

为了验证外界因素对冲突概率的影响，本文在仿真结果中加入了一个风的影响因子，其中顺风和逆风因子均为0.15。不同情况下的冲突概率比较如图9所示。由图9看出，在不同影响因素下，其冲突预测概率是不一样的，在逆风条件下，两者的飞行速度减慢，飞行冲突时间增大。

图9　不同情况下的冲突概率比较

4结束语

本文在提出飞行冲突预测算法的基础上[6-7]，设计了基于GSP/IMU的飞行冲突检测系统。利用GSP和IMU模块检测飞行器的飞行状态，并通过接收对方飞行器的飞行信息，计算两架飞行器存在飞行冲突的概率。本文利用Matlab软件验算了飞行冲突预测算法，并在该基础上设计相关的硬件仿真软件，验证了该系统能够及时识别飞行冲突的有效性。

参考文献

[1] 怀洋,邵琼玲,路振民.北斗/GPS混合定位模块UM220应用研究[J].国外电子测量技术,2014(3)：76-79.

[2] 乔相伟.基于四元数非线性滤波的飞行器姿态确定算法研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2011.

[3] 韩忠民.知经纬度计算两点精确距离[J].科技传播,2011(11).

[4] Hu J H,Lygeros J,Prandidi M.Aircraft conflict prediction and resolution using brownian motion[C]//IEEE Conference Decision Control,1999.

[5] 曾艳,周杰,吴耀国.基于UPF的中程飞行冲突探测[J].四川大学学报:自然科学版,2008,45(6):1299-1303.

[6] 曹平军,杨昌茂,王晓峰,等.飞行体姿态测量误差校正方法研究[J].自动化仪表,2014(2):20-23.

[7] 刘欣,翟成瑞,张会新.多路隔离信号采集存储系统设计[J].自动化仪表,2014(8):27-30.

《自动化仪表》邮发代号： 4-304, 2015年定价： 18.00元，全年价： 216.00元；国外代号： M 721

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中图分类号：TH7;TP368

文献标志码：A