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专利名称：一种判定飞行航路偏离的方法
技术领域：
本发明涉及航路规划领域中的一种判定飞行航路偏离的方法，特别适用于空中航路偏离报警、飞行导航和监控、空域管理等应用领域。
背景技术：
随着技术的发展，空中飞行器数量快速增多，空域管理和飞行监控愈加重要，需要各飞行器沿着规划航路飞行。因此，航路偏离告警是重要考虑内容。而位置点及航路坐标一般为大地坐标，坐标间单位(经度和纬度采用度为单位，高度采用米为单位)不统一，不能直接用于计算。目前，空中航路偏离判定方法多采用和地面偏航判定类似的方法，将空中航线投影到地面，再转化为高斯直角坐标，进行判断。也有考虑时间有关性的判定方法，即根据指定时间是否到达指定位置进行判定。第一种方法在涉及航路跨高斯带时，计算误差较大，易造成虚假报警，且高度偏差还需另外计算，第二种方法适合执行应急任务时的特殊情况，难以普及应用。

发明内容
本发明所需解决的技术问题在于避免上述背景技术中的不足之处而提供一种基于空间直角坐标和三维立体几何算法的、与时间无关的判定空中航路偏离的方法。本发明具有算法简单易懂、可理解性强、易于实施的特点。本发明所要解决的技术问题是由以下技术方案实现的一种判定飞行航路偏离的方法，其特征在于包括以下步骤(1)将大地坐标系中飞行器当前位置点P转换为空间直角坐标系中的位置点P'；(2)将大地坐标系中航路位置点转换为空间直角坐标系中的航路位置点；(3)取空间直角坐标中航路的两个连续位置点A和B ；(4)使用立体几何算法，分别计算P'、A、B三点间的空间距离，即空间三角形 P' AB三条边的长度；(5)三条边中若有长度为0的边，则重合点作为最近位置点Pv，然后进入步骤(9)； 否则，进入步骤(6)；(6)若P'、A、B三点在一条直线上，根据三点间的位置关系，计算最近位置点Pv， 然后进入步骤(9)；否则，进入步骤(7)；(7)根据三角形余弦定理，计算角Z A和角Z B大小；(8)若角Z A、角Z B中有一为直角或钝角，则相应点作为最近位置点Pv;若角 Z A、角Z B均为锐角，则利用三角函数计算P'点在线段AB上的垂足M，作为最近位置点 Pv ；(9)将航路最近位置点的空间直角坐标Pv转换为大地坐标Pv'；(10)在大地坐标系下，计算当前位置点P和航路最近位置点Pv'间的大地水平距
离和高差；
(11)判定水平距离和高差是否在允许的偏差范围内，若均在容许范围内，则认为没有偏航；否则，重复步骤(3)至步骤(11)，直至航路所有位置点遍历完毕，若当前位置点不在任一段航路容许范围内，则判定为偏离了航线。其中，步骤(4)至步骤(8)中的航路最近位置点计算，采用的是空间直角坐标和立体几何算法。其中，步骤(10)中的计算水平距离和高差，是在大地坐标系下进行的。其中，步骤(1)中的大地坐标(L、B、H，分别为大地经度、大地纬度、大地高)换算为空间直角坐标(X、Y、Z，分别为空间三维直角坐标分量)的公式为-X= (N+H) cosB cosL, Y =(N+H) cosB sinL, Z = [N(l_e2)+H] sinB ；步骤(9)中的空间直角坐标换算为大地坐标的公式为L = arctan (Y/X)，B = arctan [Z/ (X2+Y2) * (l-e2N(N+H) “1]，H = (X2+Y2) 5/cosB_N。 其中，e为椭球的第一偏心率，e2 = (a2_b2)/a2，N为卯酉圈曲率半径，N = a/(l-e2sin2B) 5, a为椭球长半轴长，b为椭球短半轴长。本发明与背景技术相比具有如下优点1、本发明避免了航路坐标跨高斯带的影响，利用空间直角坐标和三维立体几何算法，进行最近位置点计算。2、本发明具有时间无关性，适用于大多数情况下的航路偏离判定。即不论何时，只要在航路容许的偏差范围内，则认为没有偏航。3、本发明具有算法精确、判定速度快、判定误差小的特点。采用三维坐标和立体几何算法，没有近似处理，同时将水平距离和高差求出，避免了高度偏离的额外计算。4、本发明还具有算法简便易懂，性能稳定可靠，适用范围广等优点。


图1是本发明使用的空间直角坐标系示意图。其中，0为坐标原点(椭球中心)，Z轴与椭球的旋转轴一致并指向北极，X轴位于起始大地子午面和赤道的交线上，Y轴与X轴、Z轴构成右手坐标系。图2是本发明中最近位置点计算时的一种示意图。其中，X、Y、Z分别为空间直角坐标系的三个坐标轴，P'为当前位置点，Α、Β为航路中两个连续的位置点，Pv为计算出的最近位置点，Ll为P'到点A的空间距离，L2为P'至IJ 点B的空间距离，L3为点A到点B的空间距离。
具体实施例方式下面，结合图1和图2对本发明作进一步说明。一种判定飞行航路偏离的方法，该方法原理为将飞行器当前位置点大地坐标和航路位置点大地坐标转换为空间直角坐标，采用三维立体几何算法，逐段计算当前位置点和航路的最短距离处坐标，并将最短距离处坐标逆转换为大地坐标，然后通过计算两个大地坐标点间的水平距离和高差，判定是否在航路容许的偏差范围内。本发明包括步骤(1)将大地坐标系中飞行器当前位置点P转换为空间直角坐标系中的位置点P'。 根据空间直角坐标(XYZ)与大地坐标(LBH)的转换公式，将当前位置点的大地坐标，记为P(L，B, H)，转换为空间直角坐标，记为P' (X，Y，Z)。(2)将大地坐标系中航路位置点转换为空间直角坐标系中的航路位置点，记为集合 R' = {pl，p2，......，pn}。(3)取空间直角坐标中航路的两个连续位置点A和B，记为A = pi,B = pj(l^i, j 彡 η) ο(4)使用立体几何算法，分别计算P'、A、B三点间的空间距离，即空间三角形 P' AB 三条边的长度。分别记为 Ll (P' ->pi)、L2(P' - > ρ j)和 L3 (pi-> pi)。(5)三条边中若有长度为0的边，则重合点作为最近位置点Pv，然后进入步骤(9)； 否则，进入步骤(6)。S卩，若Ll =0，则最近点Pv = pi ；若L2 = 0，则最近点Pv = pj ；若L3 =0，则最近点为Pi或Pj均可。(6)若P'、A、B三点在一条直线上，根据三点间的位置关系，计算最近位置点Pv， 然后进入步骤(9)；否则，进入步骤(7)。若P'在线段AB的左延长线上，则Pv = pi;在线段AB的右延长线上，则Pv = pj;若P'在线段AB上，Pv = P'。(7)根据三角形余弦定理，计算角Z A和角Z B大小。已知三条边长分别为Li、 L2 和 L3,则角 Z A = acos ((Ll2+L32-L22) / (2*L1*L3)),角 Z B = acos ((L22+L32-L12) / (2*L2*L3))。(8)若角Z Α、角Z B中有一为直角或钝角，则相应点作为最近位置点Pv ；若角 Z A、角Z B均为锐角，则利用三角函数计算P'点在线段AB上的垂足M，作为最近位置点 Pv0如根据角Z A 计算垂足坐标 M，则 Μ. χ = pi. x+(pj. x-pi. x)*Ll*cosA/L3，Μ. y = pi. y+(pj. y-pi. y) *Ll*cosA/L3, Iz = pi. z+(pj. ζ-pi. z) *Ll*cosA/L3,令 Pv = Μ。(9)将航路最近位置点的空间直角坐标Pv转换为大地坐标Pv'。根据空间直角坐标(XYZ)与大地坐标(LBH)的转换公式，将最近位置点的空间直角坐标，Pv(X, Y，Z)，转换为大地坐标Pv' (L，B，H)。(10)在大地坐标系下，计算当前位置点P和航路最近位置点Pv'间的大地水平距
离和高差。(11)判定水平距离和高差是否在允许的偏差范围内，若均在容许范围内，则认为没有偏航；否则，重复步骤(3)至步骤(11)，直至航路所有位置点遍历完毕，若当前位置点不在任一段航路容许范围内，则判定为偏离了航线。其中，步骤(1)中的大地坐标(L、B、H，分别为大地经度、大地纬度、大地高)换算为空间直角坐标(X、Y、Z，分别为空间三维直角坐标分量)的公式为-X= (N+H) cosB cosL, Y= (N+H)cosBsinL,Z = [N(l_e2)+H] sinB ；步骤(9)中的空间直角坐标换算为大地坐标的公式为L = arctan (Υ/Χ)，B = arctan [Z/ (X2+Y2) * (l-e2N(Ν+Η) Γ1]，H = (X2+Y2) 5/cosB-N。 其中，e为椭球的第一偏心率，e2 = (a2_b2)/a2，N为卯酉圈曲率半径，N = a/(l-e2sin2B) 5, a为椭球长半轴长，b为椭球短半轴长。
权利要求
1.一种判定飞行航路偏离的方法，其特征在于包括以下步骤(1)将大地坐标系中飞行器当前位置点P转换为空间直角坐标系中的位置点P'；(2)将大地坐标系中航路位置点转换为空间直角坐标系中的航路位置点；(3)取空间直角坐标中航路的两个连续位置点A和B；(4)使用立体几何算法，分别计算P'、A、B三点间的空间距离，即空间三角形P'AB三条边的长度；(5)三条边中若有长度为0的边，则重合点作为最近位置点Pv，然后进入步骤(9)；否则，进入步骤(6)；(6)若P'、A、B三点在一条直线上，根据三点间的位置关系，计算最近位置点Pv，然后进入步骤(9)；否则，进入步骤(7)；(7)根据三角形余弦定理，计算角ZA和角Z B大小；(8)若角ZA、角Z B中有一为直角或钝角，则相应点作为最近位置点Pv ；若角Z A、角 Z B均为锐角，则利用三角函数计算P ‘点在线段AB上的垂足M,作为最近位置点Pv ；(9)将航路最近位置点的空间直角坐标Pv转换为大地坐标Pv'；(10)在大地坐标系下，计算当前位置点P和航路最近位置点Pv'间的大地水平距离和高差；(11)判定水平距离和高差是否在允许的偏差范围内，若均在容许范围内，则认为没有偏航；否则，重复步骤(3)至步骤(11)，直至航路所有位置点遍历完毕，若当前位置点不在任一段航路容许范围内，则判定为偏离了航线。
2.根据权利要求1所述的一种判定飞行航路偏离的方法，其特征在于步骤(4)至步骤(8)中的航路最近位置点计算，采用的是空间直角坐标和立体几何算法。
3.根据权利要求1所述的一种判定飞行航路偏离的方法，其特征在于步骤(10)中的计算水平距离和高差，是在大地坐标系下进行的。
全文摘要
本发明公开了一种判定飞行航路偏离的方法，它涉及航路规划领域中的判定空中航路偏离的应用技术，该方法通过大地坐标与空间直角坐标间的转换关系，将飞行器当前位置点大地坐标和航路位置点大地坐标转换为空间直角坐标，采用三维立体几何算法，逐段计算当前位置点和航路的最短距离处坐标，并将最短距离处坐标逆转换为大地坐标，然后通过计算两个大地坐标点间的水平距离和高差，判定是否在航路容许的偏差范围内。本发明具有算法精确、判定速度快、误差小、性能稳定可靠等特点，特别适用于空中航路偏离报警、飞行导航和监控、空域管理等应用领域。
文档编号G01C21/24GK102506872SQ20111038556
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月28日 优先权日2011年11月28日
发明者刘让国, 彭会湘, 李峰, 韦二龙 申请人:中国电子科技集团公司第五十四研究所