基于双层隐马尔可夫算法的民机机载防撞预警系统

基于双层隐马尔可夫算法的民机机载防撞预警系统

吴春阳 刘玉冰

中航空管系统装备有限公司

上海中航光电子有限公司

摘要: 为解决基于鱼群算法的预警系统在实际应用中，造成民机飞行轨迹偏差过大，影响飞行安全问题，开展基于双层隐马尔可夫算法的民机机载防撞预警系统研究。通过MCU主控芯片、数据存储器等硬件设计和基于双层隐马尔可夫算法的民机短距离测算、设定防碰撞安全预警范围及飞行航迹动态调整等软件设计，提出一种全新的预警系统，实验结果表明，新预警系统可以提高民机飞行的安全性。

关键词：双层隐马尔可夫算法；民机机载；防撞预警；

中图分类号:TP393文献标识码:A

0引言

当前国际贸易以及旅游行业的发展速度不断提升，进一步促进中国民航业的发展。航空旅行逐渐成为商务人士和一些旅游爱好者的主要旅行方式^[1]。由于当前市场需求不断增加，航空业创造的价值不容忽视，且中国航空业产值已位居世界第二。但与此同时，随着航线和航班的排列密集程度不断增加，对于民用航空调度工作造成了前所未有的挑战。且现有国内民用飞机大多数采用C模式应答机飞机，其主要是对飞机的高度信息进行跟踪，但该类飞机存在一定弊端，目标跟踪不准确，识别行不强，导致目标轨迹预测出现失误。在该领域中，民航飞机的安全飞行以及近距离碰撞一直是研究人员重点关注的话题，对于保障乘客安全和维护民用航空公司的利益具有十分重要的意义。双层隐马尔可夫算法当前普遍应用于车辆行驶轨迹的预测当中，同时在自然语言处理和生物信息等领域当中也均有着十分突出的表现^[2]。该算法最大的作用是通过观测变量的方式对不可观测的变量进行预测。基于该算法的应用优势，开展民机机载防撞预警系统设计研究。

1系统硬件设计

考虑到民机飞行过程中其高空应用场景的复杂性，为实现对民机飞行速度、飞行距离的精准测量，选用并应用识别率更高的1Ghz频段的无源收发天线实现^[3]。同时，针对系统当中距离测算模块进行优化和创新，引入双层隐马尔可夫算法，在提高测算精度同时，进一步降低系统的算法代价，图1为本文基于双层隐马尔可夫算法的民机机载防撞预警系统的硬件结构组成示意图。

图1 本文防撞预警系统硬件结构组成示意图

在上述硬件结构中，针对1Ghz频段的无源收发天线探测采用仿生学原理，通过1Ghz频段的无源收发天线探测装置，在民机飞行过程中，向前端及左右两侧持续不断地发送和接收信号，并通过信号调制装置对信号电路放大，确保能够将所有信号接收，实现对信号功能的进一步放大。为了满足本文预警系统在应用性能上的总体需要，选择将功能强大、功耗低的STM123F52A23型号MCU芯片作为本文预警系统的主控芯片。该型号MCU主控芯片采用LQFP48封装格式；工作温度范围在-40°C~105°C；运行过程中产生的动态功耗为120μA/MHz，电流动态功耗为120μA/MHz；CPU主频最大为72MHz，功耗为60μA/MHz，VDD工作电压为2.0~5.5V，DMA为5通道。当前STM123F52A23型号MCU主控芯片已经被应用于工业设备、医疗仪器、汽车汽配等领域中^[4]。将该芯片应用到本文预警系统中，通过ADC装置与信号调制电路，实现芯片与1Ghz频段的无源收发天线探测模块的连接，对从外部接收到的信号进行处理。若在有效控制区域范围内存在障碍物，则通过1Ghz频段的无源收发天线探测模块发出相应的预警，并自动生成相应的应急预案。

在系统运行过程中，除了需要通过主控芯片完成程序调动和修正以外，数据的存储也是十分重要的环节。为满足本文预警系统在运行过程中产生的海量数据进行存储的功能，本文引入GCAN-402型号数据存储器，通过该装置对所有采集到的空间数据进行存储，并为后续软件部分运行提供随时调用的数据服务。同时，该型号数据存储器的内存为128GB，能够充分满足空间数据存储量，同时接收数据流量速率为8000fps/秒，可进一步提高本文预警系统的运行效率。

2系统软件设计

2.1基于双层隐马尔可夫算法的民机短距离测算

在民机冲突中，需要明确民机飞行过程中纵向和横向的间隔，通常情况下，民机在飞行过程中的航迹夹角应当在0-正180度和0到-180度范围内，以此保证民机飞行的安全距离。在此基础上，为了能够实现对民机短距离的测算，引入双层隐马尔可夫算法^[5]。首先，构建一个马尔科夫链，其表达式为：X=x₁，x₂，x₃，……，x_n，其中x_n表示为在某一时段n中民机飞行所处的状态。将x_n+1看作是过去状态条件概率分布函数，则将其代入到双层隐马尔可夫算法中，得到如下表达式：

（1）

公式（1）中， 表示为双层隐马尔可夫函数。在一个含有N个不同状态的马尔可夫中，出于对民机飞行的安全考虑，在其飞行的过程中不可在短时间和短距离内产生过高的转移概率，因此采用上述双层隐马尔可夫算法在民机不同时刻对其空间位移变化进行测算，并根据当前时刻的位置对下一时刻位置进行预测。

2.2设定防碰撞安全预警范围及飞行航迹动态调整

为了保证民机在飞行的过程中能够始终保持在一定空间范围内，为其碰撞预警范围进行设定，利用拟合方式，将民机在飞行过程中安全飞行轨迹拟合线段之和作为不会出现碰撞问题的安全预警方位，其表达式为：

（2）

公式（2）中， 表示民机在飞行过程中安全飞行轨迹拟合线段之和； 表示民机飞行中每一段空间位移变化量的控制系数； 表示某一分k的分隔线段。按照上述公式（2）计算得出防碰撞安全预警范围。若在民机飞行过程中，预警系统通过运行监测出下一时段中民机的飞行轨迹不在安全预警范围内时，则可通过对民机飞行轨迹改写的方式进行调整，其改写的表达式为：

（3）

公式（3）中， 表示为分段拟合函数，此时由于民机在飞行时的轨迹是由若干的数据点（x_i，y_i）组成的动态集合，则可将其认为是上述构建的分段拟合函数，通过对民机在飞行过程中的距离和角度进行不断调整，达到躲避前方或左右两侧障碍物的目的，从而避免碰撞问题产生。

3实验

使用MATLAB仿真软件，对本文上述设计的预警系统的实际应用效果进行检验，并通过将其与基于鱼群算法的预警系统应用效果对比的方式，进一步验证本文系统的优势。分别对两种预警系统进行仿真实验，假设两台模拟民机在没有碰撞物影响的情况下，飞行轨迹完全相同，分别在其对应的飞行航线上设置相同的障碍物，选择2架相同型号模拟飞机作为障碍飞机，已知目标飞机的飞行起点为（0m，0m），2架障碍飞机的起点为（0m,10000m）和（0m,20000m）。在相同飞行条件下完成飞行任务，并将两种预警系统航线纠偏总路径延误数据进行记录，如表1所示。

表1 两种预警系统实验结果对比

从表1可以看出本文预警系统的偏差数值明显小于基于鱼群算法的预警系统，因此证明本文上述提出的防撞预警系统，可以有效保障民机在飞行过程中对障碍物的避让，并且确保其航线不会出现过大偏差，提高民机飞行安全性。

4结束语

一般来说，民用飞机的既定航线在空间经度和纬度上有一定的变化。且民用飞机在近程区域的航路控制与飞行安全密切相关。因此，实现民用飞机机载防撞预警系统的建设对于保障飞机安全非常重要。通过本文研究提出了一种全新的预警系统，将其应用到民机飞行当中，可为其飞行安全提供保障。

参考文献

[1] 林建勇. 高速路雾多路段行车安全智能诱导及防撞预警系统的研究[J]. 电子技术与软件工程,2020(24):72-73.

[2] 林晗. 安全智能诱导及防撞预警系统在政永高速公路的应用[J]. 福建交通科技,2021(3):97-103.

[3] 成岩军. 矿井蓄电池电机车防撞预警系统研究[J]. 机械管理开发,2021,36(6):225-227.

[4] 黎其真,谢进光,郑德财,等. 深海半潜水产养殖场船舶防撞预警系统研发[J]. 中国航海,2021,44(2):27-31+37.

[5] 张远洋,张跃进. 基于分段拟合算法的民用航空机载防撞预警系统设计[J]. 西安工程大学学报,2019,32(2):218-224.

尊敬的审稿人与编辑老师：

您好！首先非常感谢您在百忙之中审阅此稿，针对您提出的问题，本人已经对文章内容进行了详细的修改，望老师查看，所有修改之处均已标红显示。具体修改说明如下：

1. 图一，是不是超声波雷达探测要改成雷达测试或天线测试
   2、0~π/2范围内或3π/2~2π范围内是什么意思？不太理解，航迹夹角不应该是0-正180度和0到-180度吗？
   3、“已知目标飞机的飞行起点为（0m，0m），2架障碍飞机的起点为（0m,24m）和（0m,62m）”，如果靠近速度够快，防撞系统一般在10海里左右就开始告警了，二十几米的距离已经无法避撞了。是不是要把间隔距离拉大一些？

回复：您好，根据您的建议，将超声波雷达探测改为无源收发天线测试，0~π/2范围内或3π/2~2π范围内改为0-正180度和0到-180度，将2架障碍飞机的起点为（0m,24m）和（0m,62m）改为2架障碍飞机的起点为（0m,10000m）和（0m,20000m）。