專利名稱：用于飛行器的備用儀器的制作方法
用于飛行器的備用儀器 本發(fā)明涉及一種用于飛行器的駕駛(piloting of aircraft)的備用(standby)儀器。很多飛機(jī)，尤其是軍用飛機(jī)都具有被稱為平視顯示器的顯示系統(tǒng)，為飛行員顯示來自飛行器主要系統(tǒng)的很多信息。這種信息是以符號的形式提供的，這些符號被顯示為可以穿過飛行器座艙玻璃幕墻看到的地形的疊加圖像。 如果這種顯示系統(tǒng)出現(xiàn)故障，飛行員必須使用備用儀表設(shè)備完成任務(wù)或返回基地。然后飛行員使用飛行器儀表面板上通常提供的并且包括高度計(jì)、風(fēng)力計(jì)和人工陀螺水平儀的機(jī)電儀表設(shè)備或組合了上述機(jī)電儀器的組合備用儀器。 在兩種情況下，備用儀表設(shè)備都以與平視系統(tǒng)顯示的信息不同的方式顯示可用信息。飛行員失去了他用以操作的指導(dǎo)觀念。此外，不再有特定的信息，例如飛行器速度矢量的表示，這種情況迫使飛行員改變其綜合可用參數(shù)以正確駕駛其飛行器的方式。這樣以來越發(fā)棘手，因?yàn)樵谝呀?jīng)非常危急的飛行階段中，失去主要顯示系統(tǒng)常常是與飛行器的主要故障相關(guān)聯(lián)的，因此會給飛行員帶來額外壓力。 在平視顯示系統(tǒng)中，速度矢量的表示是基于源自傾角和偏航(ded6r即age/side-slip)探頭的信息確定的。速度矢量尤其是由其在三個(gè)軸，即一個(gè)垂直軸和兩個(gè)水平軸上的方向定義的。這些探頭通常未連接到備用儀器，這就使得備用儀器無法確定速度矢 本發(fā)明的目的是提出一種允許飛行員保持與平視顯示類似的顯示的備用儀器，以解決上述問題中的一些或全部。 因此，本發(fā)明的主題是一種用于飛行器的備用儀器，包括用于測量飛行器周圍空氣流的靜壓、總壓的模塊，慣性測量模塊，用于計(jì)算和顯示飛行器海拔高度、速度和姿態(tài)的模塊，其特征在于還包括用于計(jì)算和顯示飛行器速度矢量的模塊。 有利地，用于計(jì)算速度矢量的模塊基于來自測量靜壓、總壓和測量慣性的模塊的數(shù)據(jù)來計(jì)算這個(gè)矢量。無需利用飛行器的空氣動力學(xué)偏航和傾角的測量值來計(jì)算速度矢量。用于測量傾角和偏航的探頭存在于飛行器的外表上，供飛行器的主要系統(tǒng)使用。本發(fā)明使得即使在傾角和/或偏航探頭發(fā)生故障或不可用時(shí)也能夠計(jì)算和顯示飛行器的速度 換言之，備用儀器包括僅借助于備用儀器中通常有的模塊，即用于測量飛行器周圍空氣流靜壓和總壓的模塊和用于慣性測量的模塊，來確定和顯示飛行器速度矢量的模塊。 閱讀作為范例給出的實(shí)施例的詳細(xì)描述以及附圖示出的說明，本發(fā)明將得到更好理解，并會發(fā)現(xiàn)其它優(yōu)點(diǎn)。在這些附圖中

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的備用儀器屏幕上的顯示范例； 圖2以方框圖形式示出了用于確定圖1中所示屏幕上顯示的各種符號的模塊。
為了清楚的目的，在各圖中相同元件將帶有相同的附圖標(biāo)記。 裝配到飛行器儀表面板上的備用儀器包括基于主要屬于備用儀器的傳感器提供的數(shù)據(jù)來計(jì)算和顯示飛行信息的模塊。
備用儀器包括用于測量飛行器周圍空氣流的靜壓和總壓的模塊。用于測量壓力的 模塊連接到位于飛行器外表的壓力頭。備用儀器不包括用于測量傾角或空氣動力學(xué)偏航的 模塊。備用儀器還包括用于慣性測量的模塊，使其能夠在飛行器三個(gè)軸，縱向、橫向和垂直 軸上測量飛行器的加速度?？v向加速度標(biāo)記為Ax，橫向加速度標(biāo)記為Ay，垂直加速度標(biāo)記 為Az。 備用儀器尤其用于飛行器儀表面板上裝配的主要顯示屏發(fā)生故障的情況。備用儀 器包括計(jì)算模塊以及諸如液晶屏幕的屏幕。該儀器以公知的方式在其屏幕右部分上顯示飛 行器的海拔高度，在屏幕左部分上顯示飛行器的速度，并在屏幕中央顯示飛行器的姿態(tài)。通 過飛行器機(jī)翼相對于可移動地平線以符號形式表示飛行器的姿態(tài)。 在平視顯示系統(tǒng)中，如在已知的備用儀器中那樣，飛行器的飛行員擁有關(guān)于飛行 器速度、海拔高度和姿態(tài)的信息。飛行員還具有飛行器的速度矢量顯示，這是已知備用儀器 的屏幕上未顯示的矢量。在平視顯示系統(tǒng)中，尤其基于從飛行器外表上安裝的傾角探頭接 收的信息來計(jì)算速度矢量。這些探頭屬于飛行器的主要系統(tǒng)，通常不為備用儀器做冗余處 理。本發(fā)明使飛行員即使在沒有諸如傾角探頭的特定傳感器的情況下也能夠恢復(fù)如平視系 統(tǒng)中存在的相同信息，尤其是飛行器速度矢量的顯示。 圖1示出了平視系統(tǒng)中通常有的信息在備用儀器屏幕1上的顯示范例。該屏幕上 出現(xiàn)的是附圖標(biāo)記IO，表示飛行器的軸并位于顯示器的中心。附圖標(biāo)記10在屏幕1上固定 不動。 飛行器的速度矢量11在文獻(xiàn)中稱為地速矢量或"飛行路線"，以另一附圖標(biāo)記的 形式被符號化表示，可以隨著飛行器速度矢量11相對于大地的方向在屏幕上變化。表示速 度矢量11的附圖標(biāo)記位置代表速度矢量11在垂直于飛行器縱軸的平面中的方向。
有利地，用于計(jì)算速度矢量11的模塊基于來自測量靜壓、總壓和測量慣性的模塊 的數(shù)據(jù)計(jì)算該矢量，無需使用飛行器的空氣動力學(xué)偏航和傾角的測量值。更確切地說，基于 總壓Pt和靜壓Ps測量值之間的差異，定義文獻(xiàn)中公知為"常規(guī)空速"的飛行器常規(guī)速度矢 量的CAS模量。由分別連接到位于飛行器外表的總壓頭和靜壓頭的壓力傳感器給出總壓Pt 和靜壓Ps?；诔Ｒ?guī)速度CAS和飛行器周圍空氣的靜態(tài)溫度來獲得在文獻(xiàn)中公知為"真實(shí) 空速"的飛行器地速TAS?？梢酝ㄟ^假定被稱為標(biāo)準(zhǔn)的大氣來估計(jì)用于對相對于空速的地 速進(jìn)行估計(jì)所必需的靜態(tài)溫度。換言之，假設(shè)靜態(tài)溫度隨著海拔高度線性變化。
利用靜壓測量值Ps能夠確定氣壓高度，也稱為壓力高度，基于這些各種要素計(jì)算 軌跡上的空速估計(jì)值。然后通過將先前估計(jì)的空速投射到水平面上來獲得地速TAS。
有利地，用于計(jì)算速度矢量11的模塊基于慣性測量模塊，尤其是基于對飛行器橫 滾和俯仰角的判斷來計(jì)算速度矢量ll的方向。更確切地講，慣性測量模塊例如包括加速度 計(jì)和陀螺儀，加速度計(jì)測量鏈接到飛行器的導(dǎo)向圖(guideline)中的三個(gè)加速度，Ax、Ay和 Az，陀螺儀測量圍繞鏈接到飛行器的三個(gè)導(dǎo)向圖軸的飛行器的三個(gè)角速度Gx、Gy和Gz。
有利地，通過雙重估計(jì)確定垂直速度Vz，一方面是壓力高度的漂移，另一方面是慣 性加速度Az減去重力加速度的積分。有利地，通過被稱為氣壓慣性環(huán)路的常規(guī)測量技術(shù)進(jìn) 行這種雙重估計(jì)。 然后可以按照如下關(guān)系來定義飛行器的爬升角P :
P = arc sin(Vz/TAS) (1)
按照常規(guī)的方式，用人體工程學(xué)符號表示圖1中的速度矢量ll，一方面通過相對 于其在垂直面中的位置的爬升角P，另一方面通過相對于其在水平面中的位置的橫向加速 度Ay，確定其在圖l平面上的位置。有利地，備用儀器包括用于計(jì)算和顯示飛行器預(yù)測速 度矢量12的模塊。基于符號11位置的變化(或漂移)計(jì)算預(yù)測速度或趨勢矢量12。趨 勢12表示飛行器軌跡改變的方向。屏幕1上的趨勢位置12例如示出了速度矢量11在一 定時(shí)間結(jié)束時(shí)的將來位置。 備用儀器還包括用于基于飛行器的爬升角P和速度矢量11來計(jì)算和顯示飛行器 勢能W的模塊。更確切地講，勢能W被定義為『-sin(尸)+丄^fi^) (2) 在該公式中，g表示重力加速度。 鉤形13表示飛行器的勢能值或總爬升角。該值對應(yīng)于飛行器在保持其速度的同 時(shí)在當(dāng)前推力時(shí)可以采用的爬升角。當(dāng)鉤形13與表示速度矢量11的符號對齊時(shí)，飛行器 的速度是恒定的。 有利地，該儀器包括用于計(jì)算和顯示地平線14的模塊，該地平線對應(yīng)于備用儀器 上通常顯示的地平線并根據(jù)飛行器的姿態(tài)而傾斜。為了確定飛行器的姿態(tài)，例如可以參考 以SFENA的名義提交的法國專利申請F(tuán)R2614694。將地平線14顯示成分隔彩色的2個(gè)半平 面的線，如果必要的話，這兩個(gè)半平面的顏色可以不同，以便快速區(qū)分它們。例如，將天空顯 示為藍(lán)色或灰色，將大地顯示為褐色或黑色。此外，可以在地平線14的中央位于天空一側(cè) 顯示圓弧(圖1中未示出)，從而能夠迅速識別出飛行器是處于機(jī)腹還是機(jī)背位置。地平線 14利用與符號10的差異提供飛機(jī)的姿態(tài)。地平線14和速度矢量11之間的差異被鏈接到 傾角和飛行器的偏航。 備用儀器有利地包括用于計(jì)算和顯示傾角極限值的模塊。更確切地講，屏幕1上 顯示的是極限傾角鉤15，使飛行員能夠弄清飛行器不能超過的最大傾角，從而沒有失速的 危險(xiǎn)。該最大傾角的值可以是固定值或飛行器常規(guī)速度的函數(shù)。 地平線14沿航向具有刻度。在圖1中，有兩個(gè)刻度值針對350°航向的35和針 對北方的N。以標(biāo)記16的形式顯示飛行器遵循的航向，標(biāo)記16可以沿地平線14移動。
有利地，備用儀器包括用于計(jì)算和顯示表示飛行器著陸階段中所期望的進(jìn)場軌跡 (trajectoire d，即proche/即proach trajectory)的進(jìn)場框(doited，即proche/即proach box)17的模塊。例如，借助文獻(xiàn)中公知為ILS("儀器著陸系統(tǒng)")的著陸輔助系統(tǒng)來定義 該軌跡。進(jìn)場框17還告知飛行員圍繞所期望的軌跡在垂直和水平方向的調(diào)整角容限。在 進(jìn)場階段中，飛行員必需要將表示速度矢量11的符號放在進(jìn)場框17中，以便將飛行器置于 正確的進(jìn)場軌跡上。在符號在進(jìn)場框之外時(shí)，進(jìn)場框17的輪廓是以虛線繪示的，一旦將符 號放入框17中，虛線就轉(zhuǎn)換成實(shí)線。 備用儀器在備用儀器的輸入，通常是數(shù)字輸入上從飛行器的主要系統(tǒng)接收用來顯 示航向標(biāo)記16和進(jìn)場框17所必需的信息。 在屏幕1的右部分顯示表示飛行器海拔高度的第一刻度尺18，在屏幕1的左部分 顯示表示飛行器速度的第二刻度尺19?？潭瘸?9上顯示的飛行器速度表示速度矢量相對 于空氣的模量，而由其符號表示的速度矢量11代表飛行器相對于大地的方向或軌跡。
有利地，備用儀器包括用于確定飛行器橫滾和偏航的模塊。在按角度例如每5?？?度的導(dǎo)向圖35中，在屏幕1的頂部顯示這兩項(xiàng)信息。形式為三角形36的第一標(biāo)記能夠顯 示飛行器的橫滾。通過對飛行器繞其縱軸的角速度Gx積分來確定橫滾。平行四邊形37形 式的第二標(biāo)記能夠顯示從飛行器橫向加速度Ay確定的飛行器偏航。以平行四邊形37和三 角形36之間的偏移的形式顯示偏航。 圖2以方框圖形式示出了用于確定屏幕l上顯示的各種符號的各模塊。在方框21 中設(shè)置的是慣性測量模塊和用于測量飛行器周圍空氣流靜壓Ps和總壓Pt的模塊。慣性測 量模塊通過在方框22中執(zhí)行慣性計(jì)算，能夠在方框23中確定飛行器的姿態(tài)，以便顯示地平 線14。此外，用于測量壓力的模塊能夠在方框24中定義(尤其是)常規(guī)速度CAS以及飛行 器的地速TAS的估計(jì)值。在方框25中利用在方框24中計(jì)算的姿態(tài)數(shù)據(jù)和風(fēng)壓數(shù)據(jù)確定速 度矢量11。通過在方框26中對速度矢量11的變化求導(dǎo)定義趨勢12。
在方框26中計(jì)算的爬升角P和方框24中估計(jì)的TAS值使得能在方框27中計(jì)算 勢能W。與速度矢量11的模量相關(guān)聯(lián)的極限傾角表28使得能夠定義極限傾角鉤15。
有利地，備用儀器包括用于計(jì)算和顯示進(jìn)場框17的模塊，進(jìn)場框定義著陸期間飛 行器軌跡的導(dǎo)向圖。更確切地講，在方框29中表示接收飛行器所循航向信息的備用儀器的 輸入，這樣能夠界定航向標(biāo)記16的顯示。源于ILS并示于方框30中的另一輸入使得能夠 界定進(jìn)場框17。 ILS是一種無線電系統(tǒng)，這種無線電系統(tǒng)給出飛行器能夠著陸的跑道軸的 信息。直接由來自ILS的信息給出這一進(jìn)場框17的中心。這種信息在文獻(xiàn)中是公知的，垂 直角位置的名稱為GLIDE，水平角位置的名稱為L0C。由于角表示的原因，方框的尺寸是恒 定的，并通過屏幕1的用戶友好性加以定義。
權(quán)利要求
一種用于飛行器的備用儀器，包括用于測量所述飛行器周圍空氣流的靜壓(Ps)和總壓(Pt)的模塊，慣性測量模塊，用于計(jì)算和顯示所述飛行器的海拔高度(18)、速度(19)和姿態(tài)(14)的模塊，其特征在于所述備用儀器還包括用于基于來自用于測量靜壓(Ps)、總壓(Pt)和用于慣性測量的模塊的數(shù)據(jù)來計(jì)算和顯示所述飛行器的速度矢量(11)的模塊。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的備用儀器，其特征在于用于計(jì)算所述速度矢量(ll)的模塊計(jì)算這個(gè)矢量而不使用所述飛行器的空氣動力學(xué)偏航和傾角測量值。
3. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的備用儀器，其特征在于用于計(jì)算所述速度矢量(11)的模塊基于所述總壓(Pt)和所述靜壓(Ps)之間的測量值差異來計(jì)算所述飛行器的空速矢量的模量，根據(jù)借助于所述靜壓(Ps)的測量值和所述飛行器周圍的空氣溫度測量值確定的所述飛行器的海拔高度來校正所述空速矢量的模量，以便獲得地速矢量(TAS)的模量。
4. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的備用儀器，其特征在于用于計(jì)算所述速度矢量(11)的模塊借助于慣性測量模塊來計(jì)算所述飛行器的速度矢量(11)的方向。
5. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的備用儀器，其特征在于所述備用儀器包括用于計(jì)算和顯示所述飛行器的預(yù)測速度矢量(12)的模塊。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的備用儀器，其特征在于所述備用儀器包括用于基于所述飛行器的爬升角(P)和所述速度矢量(11)來計(jì)算和顯示所述飛行器的勢能(13)的模塊。
7. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的備用儀器，其特征在于所述備用儀器包括用于計(jì)算和顯示傾角極限值(15)的模塊。
8. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的備用儀器，其特征在于所述備用儀器包括用于計(jì)算和顯示根據(jù)所述飛行器的姿態(tài)傾斜的地平線(14)的模塊，其特征還在于在所述地平線(14)上顯示所述飛行器遵循的航向(16)。
9. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的備用儀器，其特征在于所述備用儀器包括用于計(jì)算和顯示界定著陸期間所述飛行器軌跡的導(dǎo)向圖的進(jìn)場框(17)的模塊。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于駕駛飛行器的備用儀器，這種備用儀器使飛行員能夠在平視顯示器發(fā)生故障時(shí)恢復(fù)與其類似的顯示。根據(jù)本發(fā)明，備用儀器包括僅借助于備用儀器中通常有的模塊，即用于測量飛行器周圍空氣流靜壓和總壓的模塊和用于慣性測量的模塊，來確定和顯示飛行器速度矢量(11)的模塊。
文檔編號G01C23/00GK101779101SQ200880102436
公開日2010年7月14日 申請日期2008年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月17日
發(fā)明者H·勒布隆, J·帕皮諾, L·科洛 申請人:塔萊斯公司