一種航空滅火輔助裝置和航空滅火方法

專利名稱：一種航空滅火輔助裝置和航空滅火方法
技術領域：
本發明涉及一種航空滅火裝置和方法，特別涉及機載航空電子設備、飛行計劃、導 航、輔助噴灑滅火物質，滅火飛行安全監控的航空滅火裝置和方法。
背景技術：
大范圍內擴散的火災通常難以控制，給人們的財產和生命安全造成嚴重的危害。 尤其是森林火災，借助風的作用可以迅速在草地和森林中蔓延，形成巨大的火場，而且火災 現場常常處于偏遠地區，加之地形險惡，使控制和撲滅火災非常困難。當前有許多種方式 來控制和阻止火的蔓延，包括傳統的地面消防隊員和設備，也包括使用飛機從空中直接噴 灑滅火物質。采用飛機直接從空中噴灑滅火物質的航空滅火技術，可以直接撲滅火災或形 成一段隔離帶，具有很好的效果，特別是對于地面滅火力量難以到達的地形，或者是遠距離 的火災現場，航空滅火的優勢更加明顯。然而由于火的形式多樣，加之地形、風的影響使得 火災現場的情況非常復雜，保證飛行的安全和滅火物質的有效投放是比較困難的，通常需 要飛行員具備高超的技術和豐富的經驗，否則會造成滅火效果不佳，甚至機毀人亡。美國 專利 U. S. No. 5，549，259 "Innovative airtankers and innovative methods for aerial fire fighting”提到了一種在煙霧朦朧和夜晚的條件下探測火災苗頭，并及時和準確地噴 灑液體來抑制火災的方式，但是該專利中不能針對滅火任務的特點制定有效的飛行計劃并 引導飛機飛行，對于液體的噴灑需要專門的加速液體裝置和專門的軍用瞄準裝置，造價高 昂，且對于一般的滅火飛機不通用。美國專利U. S. No. 5，878，819 "Device for assisting with the extinguishing of fires by water-bombing aircraft，，提出了一禾中探測并精 確定位火源，并根據飛機位置以及地形數據庫規劃噴灑飛行軌跡和離開火災現場的飛行軌 跡。該專利并沒有很好的解決滅火物質噴灑準確性的問題，特別是沒有以直觀的形式顯示， 提供飛行員參考決策，并且沒有與地面控制管理中心地有效配合，方式不靈活，不能更好地 發揮協同配合滅火的優勢。美國專利U. S. No. 2010/0036549Al“Methods And Systems For Display a predicted distribution of fire retardant material form an aircraft" 提出了一種使用飛行管理系統預測滅火物質落地區域的方法，能夠在地圖上預測滅火物質 的降落區域，輔助飛行員投放滅火物質，但是該方式沒有考慮飛機在垂直剖面上的情況，沒 有針對滅火飛行任務的特點進行性能建議，并且沒有考慮火的特點而制定優化的預測滅火 計劃。另外，當前的航空滅火技術也沒有在飛機上提供可以用于滅火飛機進行汲水的水源 信息，并且沒有針對滅火飛行任務的特點對滅火飛機進行監控，保障飛行安全的技術。

發明內容
為了改變當前航空滅火主要依據滅火飛行員的經驗，操作復雜，難于準確投擲滅 火物質，缺乏專門監控滅火飛行安全的技術現狀，本發明提供一種通用的航空滅火方法及 其輔助裝置，能夠幫助滅火飛行員迅速制定和執行滅火計劃，準確地進行滅火物質的投放， 從而提高航空滅火的能力，減輕駕駛員負擔，并且提供一種安全監控和告警機制，有效提高
4滅火飛行的安全性。為了實現本發明的發明目的，本發明采用如下技術方案一種航空滅火輔助裝置，該裝置為通用機載航空電子設備，包括導航及火源傳感 器，數據庫系統，語音通信系統，數據鏈，人機接口，顯示系統，數據接口系統和綜合任務處 理系統，所述導航及火源傳感器，數據庫系統，語音通信系統，數據鏈，人機接口，顯示系統， 數據接口系統均和綜合任務處理系統相連，其中，導航傳感器用來計算飛機飛行的必要導航信息；火源傳感器在一定距離內探測火災區域和等級；數據庫系統存儲機場、航路點、儀表飛行程序、可用水源等信息；語音通信系統，提供飛行員與地面控制中心、地面滅火力量、其它空中滅火力量之 間語言通信；數據鏈，傳輸火情、滅火飛行計劃和氣象條件等各種數據信息；人機接口，提供飛行員制定修改飛行計劃和輸入從語言通信系統中傳送的信息的 接口 ；顯示系統，提供飛行計劃信息，導航信息，火情態勢信息，噴灑建議的顯示；數據接口單元，提供本裝置與飛機上其它航空電子系統進行通信的接口 ；綜合任務處理系統，進行所述的各種計算和信息處理。所述火源傳感器為紅外傳感器或圖像傳感器或其它形式的傳感器。所述導航傳感器為航空滅火輔助裝置內置的GPS接收機，或者是飛機上已有的慣 性導航系統、無線電導航傳感器。所述顯示系統為多功能控制顯示器或者是飛機上的電子飛行儀表系統。所述數據接口單元是ARINC 429，CAN總線，MIL-STD-1553B等總線形式。所述數據庫系統包含標準的數據庫和自定義的數據庫。所述人機接口可以耦合飛機的存儲滅火物質裝置，對存儲滅火物質裝置的開關以 及投放過程中的流量進行控制。一種航空滅火的方法，包括如下步驟1)飛行員根據地面控制管理中心的派遣要求，利用導航數據庫中的機場、導航臺、 航路點、水源等數據制定飛往火災現場的飛行和汲水計劃；2)當飛行計劃激活后，顯示系統顯示飛行計劃信息和導航信息，并提供最快速度 建議，飛行員引導飛機迅速到達火災現場；3)到達火災現場后，利用傳感器探測火源并結合導航傳感器準確確定火災位置及 范圍，向飛行員顯示輔助信息并發送給其它滅火力量，飛行員根據輔助信息或通過接收地 面控制管理中心的部署計劃，制定滅火路徑計劃和退出火災現場的路徑計劃；4)根據當前飛機速度、高度、風等信息預測滅火物質的落地區域，并且根據火災區 域和滅火物質的落地預測區域提供輔助決策建議信息；5)根據飛機當前位置計算前方區域的地形，結合火的類型，計算出一個安全的飛 行包絡線，提供垂直剖面的顯示；6)飛行員參考決策建議信息，控制飛機沿著滅火路徑計劃以適當的高度、速度，在 適當的時機以合適的流量噴灑，形成防護帶或直接撲滅火。
在多次往返汲水的過程中，可以存儲自定義飛行計劃的路徑和航路點，多次往返 過程中直接調用并執行。在噴灑滅火物質完畢后，飛行員調用水源數據庫中的信息，選擇提 供的最近水源作為汲水目的地，制定并保持汲水計劃，重新汲水多次實施滅火作業。本發明基本原理是當火災發生時，地面控制管理中心部署航空滅火計劃并派遣滅 火飛機實施航空滅火，飛行員根據部署計劃制定有效的飛行計劃飛至指定的可用的水域進 行汲水，飛機完成汲水后飛至火災現場，通過機上的傳感器或通信系統確定飛機位置，風， 火情，飛行員確定火災類型，根據相應的性能提示，參考滅火決策信息的建議控制飛機實施 滅火物質的噴灑。在滅火任務執行過程中對飛行安全進行監控，增強任務執行的安全性。本發明具有如下優點a)在滅火過程中，實時進行空地通信，飛行員能夠知曉火情的變化，戰略部署的變 化。并且提供方便的機制迅速改變飛行計劃。b)通過在垂直剖面上監視飛機的狀態，可以提高飛行的安全性。c)通過保持飛行計劃的歷史數據，可以在多次往返汲水作業和噴灑滅火物質作業 過程中有效地減輕駕駛員的負擔，提高效率。d)通過建立水源分布數據庫，并提供最近的水源供選擇，方便制定最佳汲水飛行 計劃，節省寶貴的滅火時間和滅火成本。e)通過機上傳感器或數據鏈，以及相關經驗和性能計算，輔助飛行員以合適的高 度、速度進行滅火物質的準確噴灑，使滅火物質得到有效利用。總之，使用本專利可以顯著的提高航空滅火的效率，提高滅火飛行的安全性。


圖1為飛機實施航空滅火的示意圖。圖2為在火災現場水平剖面上的輔助滅火信息的顯示。圖3為選擇火災類型的人機接口頁面。圖4為輔助滅火性能建議的人機接口頁面。圖5為火災附近垂直剖面上的監控飛行計劃和飛行安全的頁面。圖6為航空滅火輔助裝置的結構圖。圖7為航空滅火輔助裝置的功能模塊圖。
具體實施例方式下面結合附圖1-圖7進一步說明本發明是如何實現的。實施例圖1說明了一種裝備了本發明裝置的滅火飛機101實施航空滅火的方法。當有火 災102發生時，地面控制管理中心103制定滅火部署計劃，然后派遣滅火飛機101實施航空 滅火，在派遣時，部署計劃也可通過數據鏈104a傳送給滅火飛機101。滅火飛機101在起飛 前根據地面控制管理中心103的部署計劃制定具體的包含途中汲水過程的飛行計劃105a， 然后飛行員根據飛行計劃105a引導滅火飛機101飛至水源106進行汲水，完成汲水后裝載 水的飛機飛至火災102實施航空滅火。飛機從空中噴灑滅火物質107，滅火物質107直接撲 滅火災102，或者形成火源隔離帶，配合地面人員進行滅火。
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飛行員在制定具體的飛行計劃105a時可以選擇利用存儲于導航數據庫中的機 場、導航臺、航線，也可以是自定義的經緯度航路點，特殊定位點。本發明還提供火災102附 近的可用水源106供選擇，飛行員根據具體的情況選擇合適的水源，從而制定出距離最短 的包含途中汲水的滅火飛行計劃105a。在飛往火災102的途中，顯示系統提供飛行計劃105a的顯示，并提供滅火飛機101 當前位置的顯示，為飛行員提供飛行引導的參考。本發明可以根據飛機性能，提供飛機最快 到達火災現場的速度建議。圖1中實施滅火的過程中，滅火飛機101不斷的通過數據鏈104b與地面控制管理 中心103進行通信，傳送現場火情給地面控制管理中心103，并接收新的部署計劃。在多次往返汲水的過程中，可以存儲自定義飛行計劃的路徑105b，多次往返過程 中直接調用并執行。為駕駛員減輕負擔。圖2說明了在到達火災201附近時顯示的輔助滅火信息示意圖。滅火飛機202上 的傳感器系統探測到火災的位置、形狀和范圍，本發明可以預測火的蔓延速度。導航傳感器確定滅火飛機202的位置，高度、速度等導航信息，其它傳感器可以探 測到風速、方向。飛行員可以根據這些輔助的信息制定出實施滅火物質噴灑的滅火戰術飛行計劃 203，如果火災201的范圍比較小，可以直接撲滅火災201，如果火災201范圍較大，則制定出 的戰術飛行計劃可以在地面上形成隔離帶，阻止火災201的擴散。本發明根據飛機的速度、高度、裝載的滅火物質重量、投放流量、風的速度和方向 預測出噴灑出的滅火物質的落地區域204。本發明根據輔助信息預估在飛越火災201時滅火物質的落地區域，如果預測落地 區域偏離預定的區域，則給出偏移量205提示，本發明提供直接對滅火戰術飛行計劃203進 行平行偏移設置的方式，飛行員可以方便地根據偏移量205提示在原來的滅火戰術飛行計 劃203的基礎上修改生成偏移的滅火戰術飛行計劃206。從而在橫向上保證滅火物質的準 確投放。本發明計算出最佳投放滅火物質時刻，并給出一個投放提示，飛行員根據投放提 示確認傾倒滅火物質，從而準確地將滅火物質噴灑至預定的區域。在另一種實施中，飛行員 根據滅火戰術飛行計劃203和落地區域204確定合適的投放滅火物質的時刻將滅火物質噴 灑至預定的區域。圖3提供了飛行員選擇火災類型的人機接口，將火災根據本身特性分成地面火， 頂部火，蔓延火，悶燃火，火炬火，驟燃火，斑點火，旋風火。飛行員根據觀測或其它外部力量 通信選擇火災類型。圖4給出了滅火性能建議的人機接口，本發明能夠根據選擇的火災類型計算合適 的飛行高度、速度、投放流量供飛行員參考。同時提供投放時間的建議和顯示，并提供剩余 滅火物質的顯示。飛行員參考飛機飛行垂直剖面控制飛機沿著滅火路徑計劃以適當的高 度、速度和滅火物質的流量噴灑，形成防護帶或直接撲滅火。圖4中的參數可以是本發明優化計算的，也可以通過飛行員手動輸入，它們將以 不同的顏色加以區分。圖5中給出了滅火實施過程中對滅火飛機202的監控和告警的顯示形式。顯示系
7統根據地形數據庫顯示出當前沿著滅火戰術飛行計劃205路徑的地形501，本發明能夠計 算出一個滅火飛行安全包絡線503，并且將沿著滅火戰術飛行計劃205的垂直剖面504和滅 火飛行安全包絡線503顯示出來，一種典型的顯示方式如圖5所示。當預測到飛機的沿著 滅火戰術飛行計劃205的垂直剖面504的高度低于滅火飛行安全包絡線503時，飛機將發 出告警，告警信息505可以顯示在顯示系統上，也可以以告警聲音的形式提供給飛行員。飛 行員根據告警，修改滅火戰術飛行計劃505，從而保障飛行安全。在計算滅火飛行安全包絡線503時，需要考慮沿滅火戰術飛行計劃205的地形 501、火災502情況、植被情況，當前氣象條件，以及飛機本身的性能特點。圖6所示為一種輔助航空滅火的裝置，包括火源傳感器601，能夠在一定距離內探測火源的區域和等級。可以是紅外傳感器， 也可以是圖像傳感器或其它形式的傳感器。導航傳感器602，計算飛機飛行的必要導航信息，包括飛機的位置、速度、高度等。 導航傳感器可以是本發明裝置內置的GPS接收機，也可以是飛機上已有的慣性導航系統、 無線電導航傳感器。語音通信系統603，提供飛行員與地面控制管理中心、地面滅火力量、其中空中滅 火力量之間的語言通信。數據鏈604，能夠傳輸火情、滅火飛行計劃，氣象條件等各種數據信息，信息形式可 為圖形和文本。可以是甚高頻(VHF)、高頻(HF)、衛星通信等形式。顯示系統605，提供飛行計劃信息，導航信息，火情態勢信息，噴灑建議等的顯示。 顯示的方式可以是圖形符號，文字提示。顯示系統可以是多功能控制顯示器，也可以是飛機 上的電子飛行儀表系統。數據接口單元606，提供本裝置與其它航空電子系統進行通信的接口。可以是 ARINC 429丄4^總線肩11^-510-15538等總線形式。總線接口也可以根據飛機平臺的特殊總 線進行配置。數據庫系統607，存儲機場、航路點、儀表飛行程序、可用水源等信息。數據庫系統 還包括地形數據。數據庫可以包含標準的數據庫，也包含自定義的數據庫，特別是水源數據庫。人機接口 608，提供飛行員制定飛行計劃，確定火情及各種任務操作的接口。一種 典型的人機接口是多功能控制顯示的形式。人機接口 608也可以耦合飛機的存儲滅火物質 裝置，對存儲滅火物質裝置的開關以及投放過程中的流量進行控制。綜合任務處理609，進行所述的各種計算和處理。圖7為所述的輔助航空滅火裝置的一種典型的功能模塊圖。火源探測701處理火 源傳感器601信息，確定火的形狀和范圍，濃度等，并且將處理的結果送給顯示處理710單 元。數字地圖702從數據庫607中提取地形數據進行處理，并將結果送給顯示處理710。導 航計算703根據導航傳感器602提供的導航信息，和人機接口 709提供的輸入進行導航管 理計算，提供合適的導航信息。大氣高度704根據大氣信息計算飛機的高度。數據鏈705處 理從地面控制管理中心103傳送的數據。接口處理706處理從飛機上其它航空電子設備交 聯的各種信息，包括輸入和輸出。滅火性能預測/建議707完成前面所述的滅火物質的落 地區域204的計算和圖4中性能建議的計算，并計算輔助決策信息。飛行計劃708完成前術飛行計劃205的建立和修改處理。人機接口 709處理滅火飛行員與本發 明的交互信息。顯示系統710將火源探測701、數字地圖702、導航計算703、雷達高度704、 數據鏈705、接口處理706、滅火性能預測/建議707、飛行計劃708、人機接口 709的處理結 果進行綜合顯示處理，將各種信息有清楚的呈現給飛行員，輔助飛行員進行決策。
權利要求
一種航空滅火輔助裝置，該裝置為通用機載航空電子設備，包括導航及火源傳感器，數據庫系統，語音通信系統，數據鏈，人機接口，顯示系統，數據接口系統和綜合任務處理系統，其特征在于所述導航及火源傳感器，數據庫系統，語音通信系統，數據鏈，人機接口，顯示系統，數據接口系統均和綜合任務處理系統相連，其中，導航傳感器用來計算飛機飛行的必要導航信息；火源傳感器在一定距離內探測火災區域和等級；數據庫系統存儲機場、航路點、儀表飛行程序、可用水源等信息；語音通信系統，提供飛行員與地面控制中心、地面滅火力量、其它空中滅火力量之間語言通信；數據鏈，傳輸火情、滅火飛行計劃和氣象條件等各種數據信息；人機接口，提供飛行員制定修改飛行計劃和輸入從語言通信系統中傳送的信息的接口；顯示系統，提供飛行計劃信息，導航信息，火情態勢信息，噴灑建議的顯示；數據接口單元，提供本裝置與飛機上其它航空電子系統進行通信的接口；綜合任務處理系統，進行所述的各種計算和信息處理。
2.根據權利要求1所述的一種航空滅火輔助裝置，其特征在于，所述火源傳感器為紅 外傳感器或圖像傳感器或其它形式的傳感器。
3.根據權利要求1所述的一種航空滅火輔助裝置，其特征在于，所述導航傳感器為航 空滅火輔助裝置內置的GPS接收機，或者是飛機上已有的慣性導航系統、無線電導航傳感ο
4.根據權利要求1所述的一種航空滅火輔助裝置，其特征在于，所述顯示系統為多功 能控制顯示器或者是飛機上的電子飛行儀表系統。
5.根據權利要求1所述的一種航空滅火輔助裝置，其特征在于，所述數據接口單元是 ARINC429, CAN 總線或 MIL-STD-1553B 總線形式。
6.根據權利要求1所述的一種航空滅火輔助裝置，其特征在于，所述數據庫系統包含 標準的數據庫和自定義的數據庫。
7.根據權利要求1所述的一種航空滅火輔助裝置，其特征在于，人機接口可以耦合飛 機的存儲滅火物質裝置，對存儲滅火物質裝置的開關以及投放過程中的流量進行控制。
8.一種航空滅火的方法，包括如下步驟1)飛行員根據地面控制管理中心的派遣要求，利用導航數據庫中的機場、導航臺、航路 點、水源等數據制定飛往火災現場的飛行和汲水計劃；2)當飛行計劃激活后，顯示系統顯示飛行計劃信息和導航信息，并提供最快速度建議， 飛行員引導飛機迅速到達火災現場；3)到達火災現場后，利用傳感器探測火源并結合導航傳感器準確確定火災位置及范 圍，向飛行員顯示輔助信息并發送給其它滅火力量，飛行員根據輔助信息或通過接收地面 控制管理中心的部署計劃，制定滅火路徑計劃和退出火災現場的路徑計劃；4)根據當前飛機速度、高度、風等信息預測滅火物質的落地區域，并且根據火災區域和 滅火物質的落地預測區域提供輔助決策建議信息；5)根據飛機當前位置計算前方區域的地形，結合火的類型，計算出一個安全的飛行包絡線，提供垂直剖面的顯示；6)飛行員參考決策建議信息，控制飛機沿著滅火路徑計劃以適當的高度、速度，在適當 的時機以合適的流量噴灑，形成防護帶或直接撲滅火。
9.根據權利要求8所述的一種航空滅火方法，其特征在于，在多次往返汲水的過程中， 存儲自定義飛行計劃的路徑和航路點，多次往返過程中直接調用并執行。
全文摘要
本發明公開了一種輔助飛機進行航空滅火的裝置和方法。該裝置是一個機載航空電子系統，包括導航及火源傳感器，數據庫系統，語音通信系統，數據鏈，人機接口，顯示系統，數據接口系統和綜合任務處理系統，所有系統均和綜合任務處理系統相連。利用該設備可以方便地制定飛往火災現場的飛行計劃、滅火戰術飛行計劃和往返汲水飛行計劃。同時該裝置可以進行火情顯示、滅火物質噴灑建議、滅火物質噴灑預測以及滅火飛行任務的監控和告警。本發明通過研究一種實施航空滅火的方法和裝置，可以有效地輔助飛行員滅火，提高滅火成功率，節約成本，增強任務執行過程中的安全性。
文檔編號B64D1/16GK101927068SQ201010223529
公開日2010年12月29日 申請日期2010年7月5日 優先權日2010年7月5日
發明者孫曉敏, 王娜, 齊林 申請人:中國航空無線電電子研究所