一種合作駕駛航空器系統(tǒng)的設(shè)計方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種介于有人駕駛航空器和無人機(jī)系統(tǒng)的航空器，并集成為一種新型 航空器系統(tǒng)，屬于航空技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前的有人駕駛航空器技術(shù)，以飛行駕駛員為中心，主要表現(xiàn)是：1、飛機(jī)起飛離 地，飛行機(jī)組及飛行安全全權(quán)由機(jī)上的主駕駛員或機(jī)長負(fù)責(zé)；2、飛機(jī)離地期間，機(jī)長作出的 決定，地面及機(jī)場塔臺實施配合；3、飛機(jī)離地后，地面沒有強(qiáng)制管控飛行的手段。因此，飛機(jī) 在飛行期間的狀況，很大程度上取決于飛行駕駛員單方面的判斷和操控，如果介入了飛行 駕駛員的不安全因素，航空器的飛行安全問題變得復(fù)雜難以應(yīng)對，其中包括飛行駕駛員的 意外失誤、身體健康、駕駛主觀動機(jī)等因素。讓地面監(jiān)控人員對空中的飛行起到管控、補(bǔ)充、 替代等積極作用，將會提高飛行安全性。
[0003] 無人機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展，展示了無人化系統(tǒng)技術(shù)的先進(jìn)性合理性。在空中，無人機(jī)已經(jīng) 實現(xiàn)了高精度高可靠性的自動起飛、自動航線飛行、自動防相撞、航線高精度控制、航線重 置、自動著陸與復(fù)飛，無人機(jī)的飛行可以應(yīng)對復(fù)雜天候，也具備了各種復(fù)雜機(jī)場條件的安全 起飛著陸控制。在地面，地面監(jiān)控站已經(jīng)能夠在視距或超視距范圍持續(xù)監(jiān)控?zé)o人機(jī)的飛行 并隨時調(diào)整飛行航線，能夠及時處理飛行特情，并能夠?qū)嵤┑孛鎸o人機(jī)的人工遙控飛行， 飛行的狀況及數(shù)據(jù)能夠在地面提供實時報警并記錄。無人機(jī)的飛行控制方法與有人機(jī)的飛 行控制方法有不同，航線的生成需要預(yù)先制定，或者臨時快速生成，使用方法還不靈活，仍 然是先寫程序后裝到無人機(jī)系統(tǒng)中使用。這是典型的人機(jī)控制流程，即人給機(jī)器寫程序，再 由機(jī)器按程序執(zhí)行，總存在明顯的時間間隔。人駕駛飛行生成的航線特點是"想到即駕、隨 即生成"航線。新型航空器系統(tǒng)的技術(shù)可以初步實現(xiàn)多種自動航線生成方法，與人駕駛飛行 結(jié)合更能發(fā)揮飛行的靈活性與安全性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種合作駕駛航空器系統(tǒng)的設(shè)計方法及系統(tǒng)，結(jié)合有人駕 駛航空器和無人機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)，構(gòu)建空中和地面合作駕駛，提供易駕飛行與安全飛行的新 技術(shù)航空器系統(tǒng)。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下： 本發(fā)明的一種合作駕駛航空器系統(tǒng)的設(shè)計方法是這樣的：由航空器與地面的監(jiān)視控制 飛行的設(shè)備，共同組成空地之間信息與控制功能完整的新型航空器系統(tǒng)，全系統(tǒng)可以分為 三部分加以說明。一是航空器，機(jī)上為駕駛員配置電傳操縱系統(tǒng)。駕駛員可以使用電傳操縱 系統(tǒng)駕駛航空器飛行，電傳操縱系統(tǒng)以飛行管理計算機(jī)系統(tǒng)為核心，負(fù)責(zé)集成電傳操縱器， 參數(shù)傳感器和控制執(zhí)行系統(tǒng)，為駕駛員提供控制等級和多種駕駛飛行的控制模式，便于駕 駛員容易駕駛，并可以不依賴駕駛員的感覺進(jìn)行自動飛行，提高飛行安全性。同時，飛行管 理系統(tǒng)作為一種飛行任務(wù)管理系統(tǒng)，具有為航空器提供自動飛行控制的完整功能，因此，可 為機(jī)上駕駛員提供自動模式駕駛飛行的用途，而飛行管理系統(tǒng)的飛行管理計算機(jī)兼用于電 傳操縱系統(tǒng)，實現(xiàn)手動模式與自動模式的轉(zhuǎn)換通道。二是地面監(jiān)視與控制系統(tǒng)，簡稱地面監(jiān) 控站，是監(jiān)控人員通過數(shù)據(jù)鏈路及相應(yīng)設(shè)備，對航空器的飛行實施監(jiān)視與控制的工作環(huán)境 環(huán)境。三是連接航空器與地面監(jiān)控站的數(shù)據(jù)鏈路，即遙測遙控與信傳系統(tǒng)，是一種為空地之 間提供控制指令或數(shù)據(jù)信息鏈接的無線電鏈路，包含了信息，控制和通信等內(nèi)容。本發(fā)明的 航空器與地面監(jiān)控站共同構(gòu)成的一種合作駕駛航空器系統(tǒng)，簡稱合駕航空器或合駕飛機(jī)， 可以為機(jī)上駕駛員提供多種駕駛飛行的控制模式，包括機(jī)上的控制等級，以及手動模式，半 自動模式和自動模式，地面監(jiān)控站的監(jiān)控人員同樣可以不依賴機(jī)上駕駛員而對航空器實施 多種可選的飛行控制模式，也包括手動模式，半自動模式和自動模式。
[0006] 具體的，本發(fā)明的合作駕駛航空器系統(tǒng)包括如下部分： 1、總組成： 合作駕駛航空器系統(tǒng)包括的航空器具有兩種機(jī)上駕駛或控制飛行的方案。一是機(jī)上駕 駛員駕駛飛行的方案，其可以選擇多種模式實現(xiàn)駕駛飛行。選擇手動模式使用電傳操縱器 駕駛飛行是其中的一種。二是駕駛員選擇自動模式或半自動模式，由機(jī)上飛行管理系統(tǒng)自 動控制飛行的方案。
[0007] 合作駕駛航空器系統(tǒng)包括地面監(jiān)控站的監(jiān)控人員通過遙測遙控與信傳系統(tǒng)及地 面監(jiān)控站上有關(guān)設(shè)備，用遙控指令或數(shù)據(jù)對航空器進(jìn)行飛行控制的方案，具有比機(jī)上控制 飛行優(yōu)先的控制權(quán)。從而能夠代替機(jī)上駕駛員對航空器進(jìn)行飛行的控制，實現(xiàn)空中和地面 的合作駕駛。
[0008] 其中，遙測遙控與信傳系統(tǒng)是在航空器與地面監(jiān)控站之間構(gòu)建連接的無線電鏈路 設(shè)備，或稱復(fù)合數(shù)據(jù)鏈。通過復(fù)合數(shù)據(jù)鏈可將航空器的遙測數(shù)據(jù)信息下傳到地面監(jiān)控站，使 得地面監(jiān)控站能夠監(jiān)視航空器的飛行數(shù)據(jù)或控制狀態(tài)，而地面監(jiān)控站通過復(fù)合數(shù)據(jù)鏈可將 監(jiān)控人員的控制數(shù)據(jù)即遙控指令或可執(zhí)行的預(yù)定航線(含復(fù)飛航線）上傳到航空器的飛行 管理系統(tǒng)以進(jìn)行航空器飛行的控制。復(fù)合數(shù)據(jù)鏈可分為視距性能的和超視距性能的兩類， 一般采用衛(wèi)星中繼通信方法實現(xiàn)超視距性能。
[0009] 上述術(shù)語可執(zhí)行的表示可以由計算機(jī)執(zhí)行的指令程序或控制數(shù)據(jù)。根據(jù)航空器的 自動飛行原理，飛行管理系統(tǒng)通過對航行監(jiān)測系統(tǒng)中的導(dǎo)航設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，具有在 前個航點到當(dāng)前航點之間，由地理坐標(biāo)表達(dá)的位置偏離中，計算給出飛行航線并沿該航線 自動飛行的性能。
[0010] 2、系統(tǒng)構(gòu)成： 上述的飛行管理系統(tǒng)是航空器機(jī)載系統(tǒng)的中樞系統(tǒng)，主要由計算機(jī)及控制設(shè)備構(gòu)成。 由飛行管理系統(tǒng)中的飛行管理計算機(jī)及有關(guān)單元，與航空器上機(jī)載系統(tǒng)分類連接，構(gòu)成相 互輸入與反饋的主運(yùn)行系統(tǒng)。
[0011] 一是連接作為參數(shù)傳感器子系統(tǒng)的航行監(jiān)測系統(tǒng)，發(fā)動機(jī)參數(shù)傳感器，起落架/ 機(jī)輪參數(shù)傳感器，獲得有關(guān)監(jiān)測參數(shù)的數(shù)據(jù)信息的輸入。二是連接作為監(jiān)視/操縱子系統(tǒng) 的復(fù)合數(shù)據(jù)鏈和座艙綜合航電系統(tǒng)，互聯(lián)互通有關(guān)數(shù)據(jù)信息和控制數(shù)據(jù)并供機(jī)上顯示，輸 入操作，或下傳到地面監(jiān)控站供地面人員使用。三是連接作為執(zhí)行子系統(tǒng)的飛行控制系統(tǒng)， 推力控制系統(tǒng)和起降控制系統(tǒng)，輸出控制數(shù)據(jù)，對相應(yīng)的控制對象實施控制。四是機(jī)載各系 統(tǒng)與飛行管理系統(tǒng)計算機(jī)的連接使得飛行管理系統(tǒng)能夠獲得的機(jī)載各系統(tǒng)的參數(shù)和狀態(tài) 數(shù)據(jù)，從而為新的擴(kuò)展應(yīng)用提供接口，如地面檢測接口。
[0012] 在組合控制對象中，飛行控制系統(tǒng)包含電傳操縱器，飛行控制計算機(jī)，控制器，控 制機(jī)構(gòu)，連接控制對象氣動舵面，分別對各氣動舵面實施控制，實現(xiàn)對航空器飛行的航姿， 航線的控制。推力控制系統(tǒng)包含油門操縱器，推力控制計算機(jī)，控制器，控制機(jī)構(gòu)，連接控制 對象發(fā)動機(jī)油門，控制發(fā)動機(jī)推力，配合飛行控制系統(tǒng)實現(xiàn)對航空器航線剖面，飛行速度的 控制。起降控制系統(tǒng)包含起降操縱器及剎車操縱器，起降及剎車控制計算機(jī)，控制器，控制 機(jī)構(gòu)，連接控制對象起落架收放/機(jī)輪剎車，配合飛行控制系統(tǒng)實現(xiàn)對航空器著陸和滑行 的控制。飛行管理系統(tǒng)對所連接的飛行控制系統(tǒng)，推力控制系統(tǒng)和起降控制系統(tǒng)按照控制 等級進(jìn)行組合控制。飛行管理系統(tǒng)中的飛行管理計算機(jī)和飛行控制系統(tǒng)的飛行控制計算 機(jī)，以及推力控制計算機(jī)和起降控制計算機(jī)，可以分別，或者合并，還可以結(jié)合使用，以合理 利用機(jī)載計算機(jī)資源。
[0013] 連接航空器的復(fù)合數(shù)據(jù)鏈，可分為機(jī)載復(fù)合數(shù)據(jù)鏈和站載復(fù)合數(shù)據(jù)鏈兩部分并通 過無線鏈路連通為一體，與飛行管理系統(tǒng)及座艙綜合航電系統(tǒng)連接。
[0014] 上述的飛行管理系統(tǒng)與機(jī)載復(fù)合數(shù)據(jù)鏈連接，將飛行管理計算機(jī)所連接的機(jī)載各 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息和計算的控制數(shù)據(jù)通過機(jī)載復(fù)合數(shù)據(jù)鏈下傳到地面監(jiān)控站。相反，地面監(jiān) 控站與站載復(fù)合數(shù)據(jù)鏈連接，將地面監(jiān)控站的數(shù)據(jù)信息或控制數(shù)據(jù)通過站載復(fù)合數(shù)據(jù)鏈上 傳到飛行管理系統(tǒng)計算或分發(fā)到所連接的機(jī)載系統(tǒng)，從而構(gòu)成一種地空操縱方式。
[0015] 其中，座艙綜合航電系統(tǒng)接收飛行管理系統(tǒng)分發(fā)來的數(shù)據(jù)信息，并在駕駛員目視 和操作可達(dá)的位置布置顯示操作設(shè)備如選項顯示組件CDU用于顯示或操作，或者用計算機(jī) 器件，存儲器及顯示器設(shè)備的集成來實現(xiàn)控制和數(shù)據(jù)選項的顯示或操作，或者選用現(xiàn)役飛 機(jī)成熟的控制顯示組件CDU，飛行指引儀(用于顯示當(dāng)前航空器的位置和航姿)，以及其它電 子飛行儀表（EFIS)。使用電傳操縱器需要顯示或操作的數(shù)據(jù)，指令，可以使用選項顯示組件 CDU。選項顯示組件可用于控制模式，限制范圍，航線生成的顯示和操作。CDU設(shè)計成機(jī)上固 定或可移動的方式，不帶或自帶電源，以便在機(jī)上快捷安裝和與地面監(jiān)控站連接檢查。
[0016] 其中，連接氣動舵面并起布局支撐作用的平臺結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，連接發(fā)動機(jī)油門的動力 能源系統(tǒng)，連接起落架收放/機(jī)輪剎車并提供伺服能源的機(jī)電操縱系統(tǒng)，也都與飛行管理 系統(tǒng)連接并傳送數(shù)據(jù)信息即所包含的性能數(shù)據(jù)，自檢數(shù)據(jù)，運(yùn)行和報警狀態(tài)。同時，接收飛 行管理系統(tǒng)的控制數(shù)據(jù)并接受起動，自檢，轉(zhuǎn)換，關(guān)斷的控制。
[0017] 航空器上的電源供電系統(tǒng)一般由主電源和蓄電池組成，構(gòu)成不間斷供電，其最低 電壓高于各機(jī)載系統(tǒng)計算機(jī)重啟的最低電壓。主電源由一臺或多臺發(fā)電機(jī)構(gòu)成，可引入新 能電源如太陽能或燃料電池作為電源。
[0018] 在航空器座艙內(nèi)安裝觀察視頻系統(tǒng)，與飛行管理系統(tǒng)連接，用于駕駛員與地面監(jiān) 控站視頻對話，可用于地面監(jiān)控站觀察駕駛員工作狀態(tài)，特別在駕駛員異常狀態(tài)時，為監(jiān)控 人員提供控制或制定應(yīng)急處置方案使用。
[0019] 3、控制等級： 在飛行管理系統(tǒng)中構(gòu)建與地面監(jiān)控站的數(shù)據(jù)鏈連接，引入控制等級為飛行管理系統(tǒng)控 制其組合控制對象提供控制規(guī)律?？梢酝ㄟ^選項顯示組件為飛行管理系統(tǒng)設(shè)置三種可以轉(zhuǎn) 換的控制模式，即手動控制，半自動控制和自動控制，為駕駛員提供不同駕駛方式。對飛行 管理系統(tǒng)選擇手動模式時成為一種電傳操縱系統(tǒng)，選擇半自動模式和自動模式時成為一種 任務(wù)管理系統(tǒng)。
[0020] 上述的三種控制模式都通過飛行管理系統(tǒng)實現(xiàn)對控制對象的組合控制。一種實現(xiàn) 方法是，由地面人員給飛行管理系統(tǒng)裝訂控制等級，機(jī)上駕駛員可以選擇控制模式，使飛行 管理系統(tǒng)可依據(jù)駕駛員給出的控制數(shù)據(jù)和傳感器子系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息，對所連接的組合控制對 象(飛行控制系統(tǒng)，推力控制系統(tǒng)和起降控制系統(tǒng)）按照控制等級所給的控制規(guī)律及其控制 函數(shù)，協(xié)同實施并實現(xiàn)相應(yīng)的控制過程（以便按照符合控制等級的控制規(guī)律來響應(yīng)各控制 對象控制模式的操控指令，并按照預(yù)定的控制函數(shù)來實現(xiàn)控制過程)。
[0021] 使用電傳操縱器是手動模式的一種方法，優(yōu)選采用數(shù)字三軸多余度電傳操縱系 統(tǒng)，進(jìn)一步的數(shù)字化方法可選數(shù)字式全權(quán)限的系統(tǒng)，而保留機(jī)械化方法可選擇保留副翼的 機(jī)械傳動。電傳操縱器將機(jī)上駕駛員的操縱動作經(jīng)過變換器轉(zhuǎn)換為電信號的操縱指令傳送 到飛行管理計算機(jī)，結(jié)合控制等級的控制規(guī)律，經(jīng)過飛行管理計算機(jī)計算后生成動態(tài)航路 并分發(fā)管理，一路連接執(zhí)行子系統(tǒng)，對控制對象進(jìn)行符合本發(fā)明控制等級的組合控制，由此 構(gòu)成本發(fā)明擴(kuò)展的電傳操縱系統(tǒng)，另一路連接監(jiān)視子系統(tǒng)，將動態(tài)航路傳輸?shù)斤@示器或CDU 上顯示，并通過復(fù)合數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控站上顯示。駕駛員使用電傳操縱器控制飛行，其 可生成的動態(tài)航線受到飛行范圍和禁飛范圍的限制。
[0022] 而駕駛員以手動模式操縱與飛行管理系統(tǒng)構(gòu)成控制對象的油門操縱器，起降操縱 器及剎車操縱器的控制設(shè)備，將手動操縱生成的各控制指令通過共同連接的飛行管理計算 機(jī)計算，并分別接通/操作這些控制對象對應(yīng)的氣動舵面，或者發(fā)動機(jī)油門，或者起落架收 放/機(jī)輪剎車。飛行管理計算機(jī)也將按照預(yù)定的控制等級對這里的控制對象進(jìn)行組合控 制，使得航空器的飛行符合控制等級的規(guī)定。
[0023] 機(jī)上駕駛員選擇自動控制模式，并生成規(guī)劃航線的控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤w行管理系統(tǒng) 執(zhí)行飛行的自動控制。飛行管理系統(tǒng)將按照控制等級，依據(jù)傳感器子系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息，對所連 接的飛行控制系統(tǒng)，推力控制系統(tǒng)和起降控制系統(tǒng)進(jìn)行組合控制，實現(xiàn)飛行的自動控制。選 擇自動模式后，電傳操縱器的操縱指令不會被飛行管理系統(tǒng)接收，而飛行管理計算機(jī)自動 對各控制對象進(jìn)行任務(wù)管理，按照控制等級和預(yù)定航線進(jìn)行航空器飛行的自動控制。
[0024] 選擇半自動模式飛行時，飛行管理系統(tǒng)也按照預(yù)定的控制等級和控制數(shù)據(jù)之一的 預(yù)定航線實施飛行的自動控制，同時允許駕駛員在飛行范圍設(shè)定的航線范圍內(nèi)用電傳操縱 器進(jìn)行兩種調(diào)控，一是在空中階段可采用偏離調(diào)控輔助防相撞的方法，二是在著陸階段可 采用糾偏調(diào)控的方法進(jìn)行側(cè)風(fēng)修正，以不依賴地面監(jiān)控站而依靠機(jī)上駕駛員的人工智能干 預(yù)的方法，實現(xiàn)安全自動著陸。在半自動模式中，駕駛員的調(diào)控指令對飛行管理系統(tǒng)有優(yōu)先 的控制權(quán)限。
[0025] 在地面滑行中，可采用手動模式進(jìn)行滑行的轉(zhuǎn)向控制和剎車控制。
[0026] 對于地面監(jiān)控站的半自動模式，將空中階段和著陸階段合并都適用糾偏調(diào)控一種 方法。
[0027] 設(shè)計偏離調(diào)控的特點是，本發(fā)明利用未來新航行系統(tǒng)中RNPl的性能進(jìn)行"靈活航 路"設(shè)計，在設(shè)定航線的飛行范圍內(nèi)，可用手動操控電傳操縱器11或控制鍵的方式使航空 器偏離預(yù)定航線，釋放偏離的操作后能夠自動回歸預(yù)定航線飛行，調(diào)整釋放的快慢可以達(dá) 到緩慢回中效果。允許的偏離量由飛行范圍限制。偏離達(dá)到極限并保持時，偏離的航線將 會與預(yù)定航線同向同高等距飛行。主要適用于空中階段高密度空域交通環(huán)境，規(guī)避航線上 其它飛機(jī)，以及有利于空域容量的增加。
[0028] 設(shè)計糾偏調(diào)控的特點是，可用手動操控電傳操縱器或控制鍵的操縱方式，對航空 器在自動飛行中偏離預(yù)定航線進(jìn)行糾正，一次操縱產(chǎn)生一次糾偏指令，對應(yīng)航向的一個調(diào) 整量，根據(jù)具體航空器的氣動特性以及指令的脈沖持續(xù)時間，可以確定一次糾偏指令產(chǎn)生 的航向糾偏量。按鍵一次或電傳操縱器回中后重新操縱才會產(chǎn)生新的一次糾偏指令，連續(xù) 幾次累積的糾偏量可以達(dá)到航向較大改變，而通過航向的糾偏可達(dá)到對航線偏離的糾正。 累積允許的航向糾偏量可以設(shè)定范圍。主要適用于糾正側(cè)風(fēng)造成預(yù)定航線出現(xiàn)的偏離。
[0029] 4、地面監(jiān)控站： 地面監(jiān)控站及其控制飛行全過程的方法，是構(gòu)成合駕飛機(jī)完整飛行控制能力的獨有特 征，以下各細(xì)節(jié)簡稱項目，項目的敘述順序不表示操作順序。
[0030] 上述的地面監(jiān)控站的系統(tǒng)構(gòu)成：由站載復(fù)合數(shù)據(jù)鏈，若干個監(jiān)控席位及電腦顯示 器，特別是監(jiān)控人員共同注視的大屏幕綜合顯示器功