用于飛行器引導(dǎo)的方法和系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及通過飛行管理系統(tǒng)對(duì)飛行器進(jìn)行引導(dǎo)的方法和系統(tǒng)。更具體地，本發(fā)明涉及這樣的引導(dǎo)方法:通過在飛行管理系統(tǒng)核心外部的自主引導(dǎo)模塊執(zhí)行該方法中的某些步驟。
【背景技術(shù)】
[0002]飛行計(jì)劃是在計(jì)劃飛行的框架內(nèi)飛行器跟隨的路線的詳細(xì)描述。飛行計(jì)劃通常通過被稱作“飛行管理系統(tǒng)”(其在后文中被稱作FMS)的系統(tǒng)，而在民航飛機(jī)上進(jìn)行管理，所述FMS部署路線，以給出在由機(jī)上人員處置時(shí)和由其他機(jī)上系統(tǒng)處置時(shí)遵循。通過顯示對(duì)飛行員有用的信息，或通過與自動(dòng)駕駛系統(tǒng)對(duì)飛行引導(dǎo)命令進(jìn)行通信，這種FMS系統(tǒng)還允許輔助導(dǎo)航。
[0003 ]圖1為顯示了現(xiàn)有技術(shù)已知的FMSO的結(jié)構(gòu)的概括圖。已知的FMSO類型系統(tǒng)具有人機(jī)接口MMI (所述人機(jī)接口MMI包括例如鍵盤和顯示屏，或僅僅觸摸屏)和至少這樣的功能(通過相關(guān)的模塊采用一般方式進(jìn)行顯示并且采用ARINC702標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行描述):
[0004].導(dǎo)航LOC根據(jù)地理定位裝置GEOLOC來執(zhí)行飛行器的最優(yōu)定位，所述地理定位裝置GEOLOC例如，基于地理定位或GPS的衛(wèi)星、VHF無線電導(dǎo)航信標(biāo)以及慣性單元。該模塊與前述地理定位裝置進(jìn)行通信。因此，模塊LOC計(jì)算空間中的飛行器的位置(瑋度、經(jīng)度和海拔)和速度。
[0005].飛行計(jì)劃FPLN輸入構(gòu)成要遵循的路線的概略的地理要素，例如，出發(fā)和到達(dá)過程所應(yīng)用的點(diǎn)，路徑點(diǎn)和航路點(diǎn)；
[0006].導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)NAVDB包括航路點(diǎn)、地理路徑、過程和信標(biāo)。
[0007].性能數(shù)據(jù)庫(kù)PERFDB包括飛行器的空氣動(dòng)力性能和發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)；
[0008]?橫向軌跡TRAJ利用飛行器的性能，同時(shí)按照約束限制(RNP)基于飛行計(jì)劃的點(diǎn)，通過計(jì)算來構(gòu)建連續(xù)的軌跡。
[0009]?預(yù)測(cè)PRED對(duì)橫向軌跡構(gòu)建優(yōu)化的垂直廓線，并且在飛行計(jì)劃的每個(gè)點(diǎn)處對(duì)經(jīng)過時(shí)間、燃料剩余量、海拔和速度方面提供預(yù)測(cè)。
[0010].引導(dǎo)⑶ID基于計(jì)算出的軌跡和位置來建立飛行引導(dǎo)命令、以在橫向平面、垂直平面和速度飛行目標(biāo)上對(duì)飛行器進(jìn)行引導(dǎo)，以在跟隨其三維軌跡的同時(shí)優(yōu)化飛行器速度。飛行引導(dǎo)命令傳送給自動(dòng)駕駛儀。當(dāng)飛行器裝配有自動(dòng)駕駛儀PA并且自動(dòng)駕駛儀PA工作時(shí)，其將飛行引導(dǎo)命令改變?yōu)轱w行控制指令。
[0011 ].數(shù)字化數(shù)據(jù)鏈路DATALINK與空中交通控制中心、地面操作中心進(jìn)行通信，以及在未來與其他飛行器13進(jìn)行通信。
[0012]基于包括在導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，通過飛行員或者通過數(shù)據(jù)鏈路來輸入飛行計(jì)劃。
[0013]隨后，飛行員輸入以下飛行器參數(shù):質(zhì)量、飛行計(jì)劃、巡航水平的跨度、以及一個(gè)或多個(gè)最優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)，例如成本指數(shù)Cl。這些輸入使得模塊TRAJ和PRED可以分別計(jì)算橫向軌跡和垂直廓線(即，在海拔和速度方面的飛行廓線，從而例如最小化了最優(yōu)標(biāo)準(zhǔn))。
[0014]因此，在傳統(tǒng)方式中，飛行管理系統(tǒng):
[0015]-基于從下列機(jī)載傳感器得到的數(shù)據(jù)來計(jì)算飛行器的位置(LOC)。
[0016]根據(jù)基于NAV DB而限定的飛行計(jì)劃，利用數(shù)據(jù)庫(kù)PERF DB來確定軌跡(TRAJ/PRED豐旲塊)O
[0017]-基于位置和軌跡來提供飛行引導(dǎo)命令(⑶ID模塊)，從而跟隨該軌跡。在傳統(tǒng)方法中，計(jì)算出的飛行器位置使得可以識(shí)別與軌跡可能的偏差或即將發(fā)生的軌跡改變(轉(zhuǎn)彎、爬升、加速或減速)。在該橫向偏差的基礎(chǔ)上，GUID將采用下述傳統(tǒng)方式建立飛行引導(dǎo)命令CG:滾轉(zhuǎn)、航向或橫向跟蹤、俯仰、速度、垂直速度、海拔或垂直斜率、速度或關(guān)于速度的推力水平。本申請(qǐng)的下文中，術(shù)語“引導(dǎo)命令”涉及上文限定的一系列飛行引導(dǎo)命令。
[0018]具體而言，F(xiàn)MS的GUID模塊基于飛行器的位置來計(jì)算所計(jì)算出的飛行器當(dāng)前飛行所沿的軌跡和自動(dòng)駕駛儀中存在的引導(dǎo)規(guī)章的一部分并且通常針對(duì)每個(gè)飛行器的飛行引導(dǎo)命令。在自動(dòng)駕駛儀的規(guī)章(law)中，F(xiàn)MS使用例如橫向的航向保持、垂直的斜率保持、海拔的捕獲和保持、關(guān)于速度的速度保持或推力保持。
[0019]由FMS計(jì)算出的軌跡包括三個(gè)分量:
[0020]-橫向軌跡(經(jīng)度、瑋度)
[0021]-垂直軌跡或廓線
[0022]-速度廓線-縱向軸線
[0023]無論飛行器如何，計(jì)算的軌跡總是相同的，然而該軌跡上的操縱將依據(jù)每個(gè)類型的飛行器的特性。
[0024]引導(dǎo)特性如下:用于飛行器的橫向引導(dǎo)的沿著橫向軸線的引導(dǎo)、用于關(guān)于飛行器海拔引導(dǎo)的沿著垂直軸線的引導(dǎo)、以及用于關(guān)于速度引導(dǎo)的縱向軸線的引導(dǎo)。
[0025]由FMS計(jì)算出的飛行器軌跡由有序的一系列部段組成，其前進(jìn)(progress)時(shí)飛行器進(jìn)行跟隨。一般而言，根據(jù)飛行計(jì)劃的ARINC424標(biāo)準(zhǔn)航段(legs)建立部段。飛行器目前飛行所沿的當(dāng)前部段稱為活躍部段。
[0026]在計(jì)算的軌跡的活躍部段上執(zhí)行操縱(S卩，飛行器的實(shí)際引導(dǎo))?！芭判颉敝傅氖腔钴S部段的識(shí)別。由FMS執(zhí)行的該識(shí)別對(duì)于與活躍部段相關(guān)的飛行引導(dǎo)命令的產(chǎn)生是必要的。
[0027]如圖2所示，由FMS的GUID模塊生成的飛行引導(dǎo)命令被傳輸給自動(dòng)駕駛儀PAJA將飛行引導(dǎo)命令轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯討?yīng)用于飛行器的飛行控制CV(在圖2中由AC表示)。在傳統(tǒng)方式中，自動(dòng)駕駛儀產(chǎn)生用于副翼和升降舵的位置(角度)、用于發(fā)動(dòng)機(jī)的推力等并且選擇性地發(fā)送至飛行器的控制表面。
[0028]此外，這些飛行控制通過飛行指引儀DV采用例如垂直條和橫向條的形式而在顯示器DISP上呈現(xiàn)給飛行員(在自動(dòng)駕駛儀未使用時(shí)，飛行員應(yīng)當(dāng)試圖手動(dòng)跟隨)。
[0029]自動(dòng)駕駛儀PA使得可以在飛行引導(dǎo)命令的基礎(chǔ)上自動(dòng)地導(dǎo)引飛行器，由飛行員(“戰(zhàn)術(shù)的”)通過稱為FCU(空客)或MCP(波音)的接□(稱為“選擇”模式)或由FMS類型的系統(tǒng)(“戰(zhàn)略的”，稱為“管理”模式)提供所述飛行引導(dǎo)命令。本文主要關(guān)于基于FMS的引導(dǎo)。在傳統(tǒng)的方式中，自動(dòng)駕駛儀確定飛行器的當(dāng)前姿態(tài)(滾轉(zhuǎn)、俯仰)和期望的飛行引導(dǎo)命令(飛行員選擇或FM的引導(dǎo)控制)之間的偏差，并且基于飛行規(guī)章而產(chǎn)生飛行控制指令CV。
[0030]自動(dòng)駕駛儀根據(jù)各個(gè)模式(依據(jù)PA和飛行員之間的引導(dǎo)分配)進(jìn)行工作。
[0031]在手動(dòng)模式中，飛行員通過利用其手柄提供飛行控制而橫向和垂直地導(dǎo)引飛行器，并且飛行員通過利用節(jié)流閥提供推力控制而引導(dǎo)飛行器的速度。
[0032]PA并不稱為聯(lián)接。當(dāng)PA聯(lián)接時(shí)，稱為“連接(engage)”。
[0033]在所謂的“選擇模式”中，飛行員將飛行器的引導(dǎo)委派給自動(dòng)駕駛儀和自動(dòng)節(jié)流閥。飛行員通過控制面板選擇飛行引導(dǎo)命令(航向、海拔、斜率、速度)，該飛行引導(dǎo)命令被自動(dòng)駕駛儀改變?yōu)橛糜跈M向和垂直的飛行控制，并且改變?yōu)橛糜谒俣鹊耐屏Α?br>[0034]在“管理”模式中，術(shù)語“橫向、垂直和速度管理”也稱為“完全管理”，在橫向軌跡的基礎(chǔ)上執(zhí)行橫向引導(dǎo)，在垂直廓線的基礎(chǔ)上執(zhí)行關(guān)于瑋度的垂直引導(dǎo)，在速度廓線的基礎(chǔ)上執(zhí)行關(guān)于速度的引導(dǎo)。飛行員將飛行引導(dǎo)命令的選擇委派給FM，以遵循下述飛行計(jì)劃的。FM自動(dòng)選擇用于下述飛行計(jì)劃的飛行引導(dǎo)命令，并且將飛行引導(dǎo)命令發(fā)送給自動(dòng)駕駛儀和自動(dòng)節(jié)流閥(其將飛行引導(dǎo)命令改變?yōu)轱w行控制和推力控制)。
[0035]根據(jù)“橫向管理、垂直選擇、速度選擇”模式，PA的管理引導(dǎo)為基于橫向軌跡的單獨(dú)的橫向引導(dǎo)，飛行員保留對(duì)飛行器的海拔和速度的控制。
[0036]根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，存在下列差不多詳細(xì)的各個(gè)類型的自動(dòng)駕駛儀:某些自動(dòng)駕駛儀僅接受來自FMS的滾轉(zhuǎn)和俯仰輸入。除了這些基本輸入，另外某些自動(dòng)駕駛儀支持實(shí)現(xiàn)更高的飛行目標(biāo)，例如，航向、海拔和斜率。但是，其他的PA負(fù)責(zé)所有的操縱規(guī)章，包括:FMS通常用于提供滾轉(zhuǎn)和俯仰，而后FMS僅提供關(guān)于參考軌跡的偏差。
[0037]因此，現(xiàn)今，大部分的FMS設(shè)計(jì)為在整個(gè)參考軌跡上自動(dòng)地準(zhǔn)備和操縱飛行器(參照上文所述的“管理”模式)。但是，盡管從一個(gè)飛行器至另一個(gè)飛行器的完整軌跡(也稱為4D廓線)仍以連續(xù)的直線或曲線部段為特點(diǎn)，但是在該軌跡上的操縱與上文中所述顯著不同。因此，當(dāng)前飛行管理系統(tǒng)必須仍然修改其引導(dǎo)功能，從而不僅考慮飛行器性能的細(xì)節(jié)還考慮飛行器制造商的特點(diǎn)(其以飛行管理系統(tǒng)和自動(dòng)駕駛系統(tǒng)之間的接口為特點(diǎn))的細(xì)節(jié)以及因此對(duì)這些系統(tǒng)的每一個(gè)所認(rèn)可的范圍的細(xì)節(jié)。
[0038]由此產(chǎn)生的問題是:每次針對(duì)新的飛行器或新的飛行器制造商開發(fā)FMS時(shí)，不僅需要修改引導(dǎo)功能以適應(yīng)新環(huán)境，而且由于該功能在該系統(tǒng)內(nèi)部，還需要完全再次檢定FMS。
[0039]在飛行器的引導(dǎo)中，某些程序要求更高水平的精度。例如，朝向巡航階段的末端和開始降落前的幾分鐘，飛行員通過FMS選擇他將使用的進(jìn)場(chǎng)程序，以將飛行器降落在他目標(biāo)機(jī)場(chǎng)的降落跑道上。某些機(jī)場(chǎng)的進(jìn)場(chǎng)程序是RNP AR類型的，其中RNP〈0.3匪。
[0040]RNP概念用于航空工業(yè)，其包括:一方面，飛行器導(dǎo)航系統(tǒng)的能力，以監(jiān)測(cè)其性能(精度)并且在操作期間通知飛行員是否堅(jiān)持操作要求(錯(cuò)誤)；另一方面，基于飛行器的導(dǎo)航性能而對(duì)進(jìn)場(chǎng)程序進(jìn)行優(yōu)化。此概念可以將巡航時(shí)的飛行器和在終端區(qū)域中的飛行器之間的間距減小，以優(yōu)化起飛和降落程序。還可以在非精確進(jìn)場(chǎng)和傳統(tǒng)的RNAV進(jìn)場(chǎng)中均將與進(jìn)場(chǎng)程序相關(guān)的最小值減小。
[0041 ] RNP程序指的是特定的程序或空間塊。例如，RNP程序XX表示飛行器的導(dǎo)航系統(tǒng)必須可以在XX Nm的圓內(nèi)計(jì)算飛行器的位置，例如，RNP 0.3是在0.3Nm的圓內(nèi)。
[0042]RNP AR類型的進(jìn)場(chǎng)要求引導(dǎo)的連續(xù)性和完整性，即使在簡(jiǎn)單的故障后。除了傳統(tǒng)FMS系統(tǒng)中固有的問題，飛行器適飛軌跡的