空中交通冲突预警管理系统

摘要

本发明公开了一种空中交通冲突预警管理系统，系统用于执行以下步骤：选择航空监测区域并将监测站点分布于航空监测区域内；在监测站点布设ADS‑B系统、雷达监测系统和卫星气象监测系统；监测系统并定时向飞行环境监测数据库中监测数据的汇总进行全局飞行环境数据库的构建；通过全局飞行环境数据库构建环境结果；以航空器为基础建立动态模型，通过将动态模型的当前状态映射到未来状态，以映射结果预测冲突是否会发生，得到预测结果；预测结果代入预设的冲突标准定义，以预设的参数标准将预测结果分为冲突探测和冲突解脱，预测到会发生冲突则结果为冲突探测，若预测到不会发生冲突则结果为冲突解脱；有效的实现实时监测空中交通冲突并进行及时预警。

说明书

技术领域

本发明涉及空中交通管理系统领域，具体是空中交通冲突预警管理系统。

背景技术

近年来，通用航空得到了快速发展。公务飞行、商用飞行、空中游览、私人驾照培训，正受到越来越多人的青睐，有了足够大的市场需求。统计数字表明，目前全世界约有通用飞机33.6万架，从事通用航空活动的飞行员达70万名。因此，通用飞机在国家经济中起着非常重要的作用。

在现行的空中交通管理系统下，航班计划的制定由航空公司完成，航空公司首要考虑的是航班计划的经济性和竞争力，关系到航班计划对空中交通安全性的并没有得到全面的、科学的评估。但随着空中交通需求的不断增长，对空域资源的需求增加，尤其是在基于四维航迹运行的背景下，允许航空器驾驶员在满足经过的航路点和各航路点到达时间的限制下自由地选择航迹，航迹选择自由度的增加给实时的航空器冲突探测与解脱工作带来了更大的挑战。所以，现在如何实时监测空中交通冲突并进行及时预警便成为空中交通管理系统领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术在监测空中交通时由于监测信息不全面反馈不及时的不足，提供了一种空中交通冲突预警管理系统，通过在系统中构建全局飞行环境数据库并及时综合航空器冲突的探测结果，有效的实现实时监测空中交通冲突并进行及时预警。

本发明的目的主要通过以下技术方案实现：

空中交通冲突预警管理系统，包括采用历史监测数据构建飞行环境监测数据库，所述飞行环境监测数据库中包括历史气象数据、历史地形数据和航空器性能数据，所述系统用于执行以下步骤：

S1：选择航空监测区域并将监测站点分布于航空监测区域内；

S2：在监测站点布设ADS-B系统、雷达监测系统和卫星气象监测系统；

S3：监测系统进行24小时不间断监测，并定时向飞行环境监测数据库中进行一次监测数据的汇总以更新监测结果，并将更新后的监测结果传送到飞行环境监测数据库进行全局飞行环境数据库的构建；

S4：通过全局飞行环境数据库构建环境结果；

S5：以航空器为基础建立动态模型，通过将动态模型的当前状态映射到未来状态，以映射结果预测冲突是否会发生，得到预测结果；

S6：将预测结果代入预设的冲突标准定义，以预设的参数标准将预测结果分为冲突探测和冲突解脱，若预测到会发生冲突则结果为冲突探测，若预测到不会发生冲突则结果为冲突解脱；

S7：若结果为冲突探测则发出冲突预警，若结果为冲突解脱则将结果返回环境结果中并重复S5～S6的步骤。

现有技术中通常采用即时监测即时分析的方式得到航空环境的监测结果并给出相应的预测，但是这样的方式对监测站点的依赖过重，若监测站点的设备出现故障，或是监测站点与站点附近的环境发生较大的突然变化，这种监测的方式不能及时的做出响应，并且监测站点的覆盖范围有限，仅凭借监测站点的数据不足以支持进行全区域内的空气质量结果分析和预测，得到的结果也会存在较大的误差，所以如何在系统中不过度依赖监测站点便成为空中冲突预警的关键，本发明中通过历史数据先构建一个初始的飞行环境监测数据库，并通过不断采集新的数据与历史数据进行比对校正，充实数据库，当监测数据与数据库中数据出现偏差时，即系统平均误差小于期望值时，会及时提取数据进行再比对，直到该数据被数据库认可，达到增加数据库的目的，如果是测量错误，便会省略掉该数据，同时监测数据识别率大于期望值的情况下，也会对数据库进行补充，在本发明中，监测的数据包括气象数据、地形数据和航空器性能数据，通过环境和航空器本身的数据，能够全方位立体的对空中冲突进行实时的预测，而通过卫星气象接收数据，能够有效地判断飞行环境变化的趋势，这样能够在有效地分析航空器飞行环境的基础上还对飞行环境的变化趋势做出有效预测，通过全局飞行环境数据库的大数据材料和全方位的监测数据，能够做出更加准确的空中冲突预测，并且通过有效的判断冲突以及冲突解脱的过程，能够有效的实现实时监测空中交通冲突并进行及时预警，本发明中预设冲突标准时以相应的行业标准为基础，结合飞行环境监测数据库的数据制定，以保障在执行该标准时航空器的冲突不会发生。

进一步的，所述全局飞行环境数据库的构建包括以下步骤：

S3.1：将飞行环境监测数据库的网络初始化得到含历史数据的初始数据库，并设置两个控制空气质量监测数据库增长的指标值：系统平均误差和监测结果识别率；

S3.2：将采集到的监测结果送入初始数据库的网络中，预设对比次数，在预设的比对次数内，判断初始数据库网络是否有收敛趋势，若网络不收敛，则在初始数据库的网络中添加一条能够消除必然误差的全局支路，及时调取监测数据进入新增支路并再次进行对比；若新增支路在对比后仍不收敛，再添加新支路，以此类推，直到添加某条支路时满足收敛条件，此时整个网络直到系统平均误差达到期望值，完成全局网络的扩展；若初始数据库的网络已经有收敛趋势，则不展开全局扩展，一直添加初始数据库的网络直到系统平均误差达到期望值；

S3.3：全局飞行环境数据库构建结束后，若监测数据的识别率未达到期望值，则展开局部扩展，即添加一条能够消除必然误差的局部支路，固定原有全局数据库的网络结构，只添加新增能够消除必然误差的局部支路，直到监测数据的识别率达到期望值，结束全局网络的空气质量数据库的构建；全局飞行环境数据库构建结束后，若监测数据的识别率达到期望值，则不展开局部扩展，此时全局飞行环境数据库即为整个数据库网络；

S3.4：在全局飞行环境数据库构建完成后，当新增监测数据时，在原数据库的基础上，添加新的能够消除必然误差的全局支路，按照步骤S3.1～步骤S3.3的方法对新增数据进行分析，即可完成全局飞行环境数据库的增加。

在本发明中判断初始数据库网络收敛的标准为初始数据库网络在对比中趋同，而若对比结果不趋同则说明环境数据还在进行较大的变化，此时便进行再次对比，直至对比结果趋同，本发明中的系统平均误差为根据历史数据总结出的相应时间段的环境数据误差的平均值，检测结果识别率为根据历史数据综合的检测结果识别成功的概率，这样在有效避免了系统误差误差以及检测结果识别率带来的误差，而通过能够消除必然误差的局部支路的重复对比，能够有效的保障监测结果的准确性。

进一步的，所述监测站点的布设按照地势的划分呈网格状分布。

所述ADS-B系统、雷达监测系统和卫星气象监测系统内部均设有数据传输单元，所述监测结果传输至飞行环境监测数据库；

所述飞行环境监测数据库接收所述监测结果并发送到全局飞行环境数据库中以提供整体数据展示。

进一步的，所述监测站点包括底座，在底座的上方固定有支撑杆，支撑杆的上端固定有驱动机构，驱动机构的上方设有延伸杆，延伸杆的下端与驱动机构固定，其上端固定有下表面设有开口的保护罩，所述驱动机构的侧面设有监测元件架，所述监测元件架能够在驱动机构的驱动下转动到保护罩内。由于本发明所处环境一般为外部环境中，而要达到预警的目的，需要对抗较为恶劣的自然环境，而在对抗自然环境的过程中，监测站点的监测元件就不可避免会遭到损坏，所以本发明中的监测元件架能够在监测到极为恶劣环境时在驱动机构的作用下，有效的收纳进入保护罩内，在恶劣环境下能够对监测元件提供保护，驱动机构的作用是驱动监测元件架进入保护罩，而监测元件全布设与监测元件架上。

进一步的，所述监测元件架包括若干个元件盒铰接座，若干个所述元件盒铰接座的几何中心设有中心铰接座，所述中心铰接座和若干的元件盒铰接座之间均设有连接杆，连接杆的两端分别用锥齿轮与中心铰接座和元件盒铰接座铰接，靠近所述驱动机构的元件盒铰接座上设有动力杆，所述动力杆的两端分别用锥齿轮与驱动机构和元件盒铰接座铰接，所述元件盒铰接座之间设有连接铰接座，元件盒铰接座和连接铰接座之间通过连接杆铰接，离驱动机构最远位置的两个元件盒铰接座之间设有边角铰接座，所述边角铰接座与位于其两侧的元件盒铰接座之间通过连接杆铰接，所述元件盒铰接座的上方固定有监测元件盒。本发明中连接杆的两端分别用锥齿轮与中心铰接座和元件盒铰接座铰接，采用锥齿轮进行铰接能够有效的控制铰接处的转动角度，并且在采用锥齿轮的铰接处可以通过安装电机的方式提供辅助的驱动力，无论是控制监测元件架的形态还是控制辅助监测元件架收纳进入保护罩，都能够起到有效的驱动作用，所述动力杆的两端分别用锥齿轮与驱动机构和元件盒铰接座铰接也是同理，并且驱动机构能够有效的对监测元件架提供支撑，使得监测元件架能够有效的装载监测元件。

进一步的，所述监测元件盒包括盒座，盒座内部中空，盒座的四个侧壁均开有进风口，在盒座内的中心位置固定有风轮，在盒座的上方固定有元件保护盒，元件保护盒的上方固定有信号支撑杆，信号支撑杆的上端固定有信号元件。本发明中的盒座内设置的风轮不仅能够收集风速信息，而且还能够有效的在风速过大时触发驱动机构将所述监测元件架收纳入保护罩内，本发明中的元件保护盒用于收纳监测所需的所有元件，并对元件提供保护，损伤元件保护盒内布设ADS-B系统、雷达监测系统和卫星气象监测系统中的一种或是几种监测元件，并保障在所有的元件保护盒中能够全面包括所有所需的监测元件，所述信号元件用于系统信号的收发，本发明在有效的保障监测元件正常工作的基础上，为监测元件提供有效的保护。

进一步的，所述风轮包括中心驱动轴，在中心驱动轴外套设转动轴，转动轴与中心驱动轴固定，在转动轴的外表面均匀的分布若干片倾斜叶片，所述倾斜叶片与转动轴轴线之间的夹角为锐角。本发明中的风轮采用倾斜叶片，既能够在受到风力作用下转动，也能够避免过大的风力折断倾斜叶片，本发明采用转动轴套设在中心驱动轴外的方式固定倾斜叶片，能够有利于叶轮的维护，并有利于对部分部件进行替换。

综上所述，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

(1)本发明通过全局飞行环境数据库的大数据材料和全方位的监测数据，能够做出更加准确的空中冲突预测，并且通过有效的判断冲突以及冲突解脱的过程，能够有效的实现实时监测空中交通冲突并进行及时预警。

(2)本发明通过连接杆的两端分别用锥齿轮与中心铰接座和元件盒铰接座铰接，采用锥齿轮进行铰接能够有效的控制铰接处的转动角度，并且在采用锥齿轮的铰接处可以通过安装电机的方式提供辅助的驱动力，无论是控制监测元件架的形态还是控制辅助监测元件架收纳进入保护罩，都能够起到有效的驱动作用。

(3)本发明采用转动轴套设在中心驱动轴外的方式固定倾斜叶片，能够有利于叶轮的维护，并有利于对部分部件进行替换。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明系统执行流程图；

图2为本发明监测站点结构示意图；

图3为本发明监测元件盒结构示意图；

图4为本发明叶轮结构示意图；

附图标记所表示的为：1-底座，2-支撑杆，3-驱动机构，4-延伸杆，5-保护罩，6-连接杆，7-边角铰接座，8-监测元件盒，9-元件盒铰接座，10-中心铰接座，11-连接铰接座，81-信号元件，82-信号支撑杆，83-元件保护盒，84-进风口，85-风轮，851-倾斜叶片，852-转动轴，853-中心驱动轴。

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，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1所示，本实施例涉及一种空中交通冲突预警管理系统，包括采用历史监测数据构建飞行环境监测数据库，所述飞行环境监测数据库中包括历史气象数据、历史地形数据和航空器性能数据，所述系统用于执行以下步骤：

S1：选择航空监测区域并将监测站点分布于航空监测区域内；

S2：在监测站点布设ADS-B系统、雷达监测系统和卫星气象监测系统；

S3：监测系统进行24小时不间断监测，并定时向飞行环境监测数据库中进行一次监测数据的汇总以更新监测结果，并将更新后的监测结果传送到飞行环境监测数据库进行全局飞行环境数据库的构建；本实施例中在构建全局飞行环境数据库的时候，系统中配置有中央处理器，通过中央处理器的分析处理使得全局飞行环境数据库的数据完整有序；

S3.1：将飞行环境监测数据库的网络初始化得到含历史数据的初始数据库，并设置两个控制空气质量监测数据库增长的指标值：系统平均误差和监测结果识别率；

S3.2：将采集到的监测结果送入初始数据库的网络中，预设对比次数，在预设的比对次数内，判断初始数据库网络是否有收敛趋势，若网络不收敛，则在初始数据库的网络中添加一条能够消除必然误差的全局支路，及时调取监测数据进入新增支路并再次进行对比；若新增支路在对比后仍不收敛，再添加新支路，以此类推，直到添加某条支路时满足收敛条件，此时整个网络直到系统平均误差达到期望值，完成全局网络的扩展；若初始数据库的网络已经有收敛趋势，则不展开全局扩展，一直添加初始数据库的网络直到系统平均误差达到期望值；

S3.3：全局飞行环境数据库构建结束后，若监测数据的识别率未达到期望值，则展开局部扩展，即添加一条能够消除必然误差的局部支路，固定原有全局数据库的网络结构，只添加新增能够消除必然误差的局部支路，直到监测数据的识别率达到期望值，结束全局网络的空气质量数据库的构建；全局飞行环境数据库构建结束后，若监测数据的识别率达到期望值，则不展开局部扩展，此时全局飞行环境数据库即为整个数据库网络；

S3.4：在全局飞行环境数据库构建完成后，当新增监测数据时，在原数据库的基础上，添加新的能够消除必然误差的全局支路，按照步骤S3.1～步骤S3.3的方法对新增数据进行分析，即可完成全局飞行环境数据库的增加；

S4：通过全局飞行环境数据库构建环境结果；

S5：以航空器为基础建立动态模型，通过将动态模型的当前状态映射到未来状态，以映射结果预测冲突是否会发生，得到预测结果；

S6：将预测结果代入预设的冲突标准定义，以预设的参数标准将预测结果分为冲突探测和冲突解脱，若预测到会发生冲突则结果为冲突探测，若预测到不会发生冲突则结果为冲突解脱；

S7：若结果为冲突探测则发出冲突预警，若结果为冲突解脱则将结果返回环境结果中并重复S5～S6的步骤。

所述监测站点的布设按照地势的划分呈网格状分布；所述ADS-B系统、雷达监测系统和卫星气象监测系统内部均设有数据传输单元，所述监测结果传输至飞行环境监测数据库；所述飞行环境监测数据库接收所述监测结果并发送到全局飞行环境数据库中以提供整体数据展示。

在本实施例中，监测的数据包括气象数据、地形数据和航空器性能数据，通过环境和航空器本身的数据，能够全方位立体的对空中冲突进行实时的预测，而通过卫星气象接收数据，能够有效地判断飞行环境变化的趋势，这样能够在有效地分析航空器飞行环境的基础上还对飞行环境的变化趋势做出有效预测，通过全局飞行环境数据库的大数据材料和全方位的监测数据，能够做出更加准确的空中冲突预测，并且通过有效的判断冲突以及冲突解脱的过程，能够有效的实现实时监测空中交通冲突并进行及时预警；本实施例中判断初始数据库网络收敛的标准为初始数据库网络在对比中趋同，而若对比结果不趋同则说明环境数据还在进行较大的变化，此时便进行再次对比，直至对比结果趋同，本发明中的系统平均误差为根据历史数据总结出的相应时间段的环境数据误差的平均值，检测结果识别率为根据历史数据综合的检测结果识别成功的概率，这样在有效避免了系统误差误差以及检测结果识别率带来的误差，而通过能够消除必然误差的局部支路的重复对比，能够有效的保障监测结果的准确性。

实施例2：

如图1～4所示，本实施例在实施例1的基础上，所述监测站点包括底座1，在底座1的上方固定有支撑杆2，支撑杆2的上端固定有驱动机构3，驱动机构3的上方设有延伸杆4，延伸杆4的下端与驱动机构3固定，其上端固定有下表面设有开口的保护罩5，所述驱动机构3的侧面设有监测元件架，所述监测元件架能够在驱动机构3的驱动下转动到保护罩5内；所述监测元件架包括若干个元件盒铰接座9，若干个所述元件盒铰接座9的几何中心设有中心铰接座10，所述中心铰接座10和若干的元件盒铰接座9之间均设有连接杆6，连接杆6的两端分别用锥齿轮与中心铰接座10和元件盒铰接座9铰接，靠近所述驱动机构3的元件盒铰接座9上设有动力杆，所述动力杆的两端分别用锥齿轮与驱动机构3和元件盒铰接座9铰接，所述元件盒铰接座9之间设有连接铰接座11，元件盒铰接座9和连接铰接座11之间通过连接杆6铰接，离驱动机构3最远位置的两个元件盒铰接座9之间设有边角铰接座7，所述边角铰接座7与位于其两侧的元件盒铰接座9之间通过连接杆6铰接，所述元件盒铰接座9的上方固定有监测元件盒8；所述监测元件盒8包括盒座，盒座内部中空，盒座的四个侧壁均开有进风口84，在盒座内的中心位置固定有风轮85，在盒座的上方固定有元件保护盒83，元件保护盒83的上方固定有信号支撑杆82，信号支撑杆82的上端固定有信号元件81；所述风轮85包括中心驱动轴853，在中心驱动轴853外套设转动轴852，转动轴852与中心驱动轴853固定，在转动轴852的外表面均匀的分布若干片倾斜叶片851，所述倾斜叶片851与转动轴852轴线之间的夹角为锐角。

本实施例中的驱动机构3包括支撑部和驱动部，支撑部用于支撑所述保护罩5与监测元件架的重量，而驱动部用于驱动连接杆6的摆动，从而能够有效的驱动监测元件架收纳进入保护罩5内。

本实施例中的连接杆的两端分别用锥齿轮与中心铰接座10和元件盒铰接座9铰接，采用锥齿轮进行铰接能够有效的控制铰接处的转动角度，并且在采用锥齿轮的铰接处可以通过安装电机的方式提供辅助的驱动力，无论是控制监测元件架的形态还是控制辅助监测元件架收纳进入保护罩，都能够起到有效的驱动作用，所述动力杆的两端分别用锥齿轮与驱动机构3和元件盒铰接座9铰接也是同理，并且驱动机构3能够有效的对监测元件架提供支撑，使得监测元件架能够有效的装载监测元件；本实施例中的倾斜叶片851与转动轴852轴线之间的夹角为锐角，能够在风力有效推动叶轮转动的基础上在纵向上分担风力作用，使得倾斜叶片851不会被大风折断，本实施例中通过叶轮的转速可以有效地触发驱动机构3的启动，从而有效的控制监测元件架收纳进入保护罩5，有效保护监测元件不在恶劣环境下被破坏。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，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。