專利名稱：控制航空器垂直避開一個區(qū)域的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及自動控制航空器垂直避開區(qū)域的方法，諸如危險的氣象區(qū)或對飛行舒適與安全有危險影響的區(qū)。
它特別適用但不局限于避開看不見的區(qū)域，例如晴朗空氣旋渦等強旋渦或有明顯結冰危險的區(qū)。這一區(qū)域由大范圍的水平輪廓及上下垂直極限分界。這種信息是例如由航空器用諸如數(shù)據鏈路等數(shù)據傳輸設備接收的，并且是由地面站有可能根據裝有ADS(自動相關觀察)系統(tǒng)的鄰近飛行器傳輸?shù)男畔l(fā)送的。
當前，依靠駕駛員通過在該區(qū)的視線范圍內進行避開或采取冒險穿過該區(qū)來手動處理氣象問題，這些操作必須考慮大量參數(shù)，具體地，所穿過的空域內的現(xiàn)行規(guī)定、航空器的性能及其油箱中的燃料重量。此外，假定所謂的晴朗天氣氣象現(xiàn)象就其定義而言是不可見的，通常駕駛員只有進入這一現(xiàn)象所在的區(qū)域非常短的時間以前才接到這一現(xiàn)象的警告，在許多情況中，這一時間不足以使他能考慮所有必要參數(shù)來確定最佳避開航線。
本發(fā)明的目的為克服這一缺點及減輕駕駛員的工作任務。為這一目的，提出了自動控制航空器垂直避開具有預定的幾何輪廓的固定區(qū)域的方法，該航空器裝備有自動駕駛儀，已將預定的路徑、巡航飛行高度及向預定跑道降落的點的位置輸入到其中。
按照本發(fā)明，這一方法的特征在于它包括下述連續(xù)的步驟-以水平輪廓及上下高度的形式獲取要避開的區(qū)域的界限，及用水平輪廓與上下高度分界的柱體體積建立要避開的區(qū)域的模型，-相對于航空器的預定路徑定位該柱體體積以便確定這一路徑是否穿過該柱體體積，-如果預定的路徑穿過該柱體體積，確定預定的路徑在柱體體積中的進入與出口點，-計算航空器能達到的最佳與最大高度，并考慮航空器的當前重量計算通過進入點時的重量，及為了達到這一點的燃料消耗，-為垂直避開該區(qū)域作為該區(qū)域的上下界限的高度、航空器的當前的、最大與最佳高度、及從該柱體體積預定的出口點的位置與航空器降落點的位置的函數(shù)的計算新的飛行高度，及計算為了到達避開該高度而改變高度的點，以及-更新新飛行高度，及輸入改變高度點的位置到自動駕駛儀中。
依靠這些措施，完全從駕駛員身上消除了為了避開危險區(qū)而修改飛行計劃與控制航空器的負擔。
按照本發(fā)明的特定特征，當該區(qū)的頂部高度位于航空器能在進入點到達的最大高度以上時，或者當預定的降落點位于柱體體積內時，便通過在下面飛行來避開該區(qū)。
按照本發(fā)明的另一特定特征，避開高度最好等于航空器在進入點上的最佳高度。
下面用非限制性示例方式參照附圖描述按照本發(fā)明的方法的實施例，附圖中

圖1用圖形表示包含旨在實現(xiàn)按照本發(fā)明的方法的計算機的航空器的電子設備；圖2用圖形表示穿過包圍要避開的區(qū)域的柱體體積的航空器的航線的透視圖；圖3示出相對于包圍要避開的區(qū)域的柱體[sic]體積的航空器的初始預定航線及可能的避開航線的通過垂直面的剖視圖；圖4、5a與5b用圖形示出為了處理關于要避開的區(qū)域的界限的信息所執(zhí)行的算法。
如圖1中所示，按照本發(fā)明的避開方法是專門為安裝在航空器上的計算機4執(zhí)行而設計的，計算機4用稱作“飛機總線”的數(shù)據傳輸總線5耦合在包含自動駕駛儀14與導航設備16的導航裝置上；諸如數(shù)據鏈路等數(shù)字數(shù)據傳輸裝置15上；及包括控制部件與諸如安裝在駕駛室中的顯示屏7與揚聲器8等發(fā)信號部件的人/機接口裝置(MMI)6上。
以已知的方式，自動駕駛儀14包括在其中記錄有包含水平航線與垂直輪廓的航空器的預定航線的存儲器。水平航線包含由起飛點與目的地點之間的一系列直線線段及使一段有可能連接在另一段上的過渡航線構成的路徑。垂直輪廓具體指示巡航高度及向預定跑道降落的點的位置。
由諸如數(shù)據鏈路通信系統(tǒng)組成的數(shù)據傳輸裝置15能接收來自地面站或位于無線電范圍內的航空器的氣象信息。這一信息使它有可能定位諸如強旋渦或明顯的結冰條件的氣象活動區(qū)。
當收到這種信息時，計算機4便執(zhí)行圖4中所示算法。這一算法包括首先在步驟21中采集數(shù)據傳輸裝置15發(fā)布的數(shù)據，以及用水平輪廓與上下高度定義的柱體體積10界定該氣象區(qū)(圖2)。
在步驟22中，計算機4相對于該氣象區(qū)定位預定飛行計劃規(guī)定的路徑2。為了做到這一點，計算機4訪問例如存儲在自動駕駛儀14中的預定飛行計劃的規(guī)定。
如果航空器不會進入該氣象區(qū)，便返回到算法的起點20繼續(xù)分析數(shù)據傳輸裝置15提供的信息。在相反的情況中，在步驟23中計算機4發(fā)送去往顯示器7的報文以便警告駕駛員航空器1行進的路徑2要穿過氣象活動區(qū)10。這一信息可用在屏幕7上顯示飛行區(qū)的地圖，上面疊加該區(qū)的界限來補充。
然后需要確定避開的航線，諸如在柱體體積10上方通過的A1-A2-A3-A4或在柱體體積下方通過的B1-B2-B3-B4，這些示出在圖3中。這些航線由從初始預定的航線的退出點A1、B1、以便符合避開高度的高度改變階段A1-A2、B1-B2、及在避開高度上的不變高度階段A2-A3、B2-B3、以及返回到預定航線的降落階段A3-A4、B3-B4及返回到預定航線上的點A4、B4定義的。
應指出，在一些情況中，這一返回點可位于初始預定的降落點T后面，避開航線在避開高度上直接與降落航線2’會合。
在步驟24中，計算機4觸發(fā)避開航線的確定。在這一步驟中，它確定具體的避開高度，其計算算法示例示出在圖5a與5b中，并確定從預定航線的退出點A1、B1以便到達指定的避開高度(圖3)。
這一點是通過計入航空器的特征、規(guī)定最大爬升或降落速率的航空管制、以及航空器1的當前高度與要到達的避開高度之間的差來計算的。
在步驟25中，計算機4等待駕駛員確認包含在步驟24中確定的避開航線在內的新飛行計劃，一直等到經過了從初始預定的路徑2的退出點A1、B1為止(步驟26)。在等待時，計算機4計算與顯示這一退出點A1、B1與航空器1的當前位置的距離值，定期刷新這一值(步驟27)。
如果在這一等待期間，駕駛員確認了新飛行計劃，將后者發(fā)送到自動駕駛儀14來替換初始預定的路徑2(步驟28)。然后計算機4再次由在步驟21中的新信息備用。
如果在通過退出點A1、B1之前駕駛員未確認新飛行計劃，則在步驟29中計算機4發(fā)送報文給駕駛員說明已經過了這一退出點而避開該區(qū)現(xiàn)在已不可能。隨即在步驟30中，它計算航空器1的當前位置與進入用柱體體積10界定的區(qū)域的進入點Z之間的距離。只要航空器1尚未到達點Z，始終顯示這一距離并定期刷新(步驟31)。經過這一點Z之后，計算機4發(fā)出報警報文通知駕駛員航空器1已在氣象區(qū)10中(步驟32)。然后計算機4在返回到步驟21采集數(shù)據及擦除報警報文之前，等待從柱體體積10界定的區(qū)中出來，這要考慮從這一區(qū)的出口點Z的位置以及參照航空器1的當前位置與速度(步驟33)。
圖5a中，避開高度的確定從考慮航空器的當前重量與燃料消耗而計算進入要避開的區(qū)的進入點Z的位置以及從航空器1的當前位置到這一點之間的距離與航空器在這一點上的重量入手(步驟41)。
在步驟42中，計算機4考慮到航空器的重量與性能以及從這一點到航空器的距離，確定航空器1在點Z上的最佳(alt.opti)與最大(alt.max)高度。如果要避開的區(qū)的上限高度(alt.upp.zone)不大于航空器1能在點Z上到達的最大高度(alt.max)(步驟43)，計算機4便進入圖5b中所示的步驟58。否則向上避開(在區(qū)域上方)是不可能的，從而必須向下避開(在區(qū)域下方)，而計算機4進入步驟44，在其中它檢驗要避開的區(qū)10的下限高度(alt.low.zone)是否滿足取決于原來的飛行計劃給定的原來高度及最小允許高度(alt.min)的條件。這一最小高度可以是諸如MEA(最小航線高度)與MORA(最小離開航線高度)高度等規(guī)定性來源的或者是操作性來源的(對應于諸如FL195平面以上的規(guī)定性飛行平面的最小操作性高度)。
例如，該區(qū)的下限高度必須大于最小允許高度，并必須大于從初始高度減去某一預定值得出的值(alt.D)。
如果該區(qū)的下限高度并不滿足這些條件，自動避開該區(qū)是不可能的而處理從步驟29繼續(xù)進行。否則，計算機4在步驟45中檢驗該區(qū)的下限高度(alt.low.zone)是否大于在步驟42中計算的最佳高度(alt.opti)。如果是，滿足(alt.avoid)的避開高度對應于最佳高度(步驟46)，而如果否，則避開高度剛剛位于區(qū)10下面用一定安全系數(shù)計算的高度(步驟47)。
下面的保證算法包含確定著陸降落起點。
為了做到這一點，在步驟48中計算機4確定預定的路徑2從柱體體積10的出口點Z’的位置，以及該點與預定的向跑道降落的點T之間的距離。如果這一距離大于閾值，例如100海里，這表示航空器能在預定的高度上滿足降落點T(步驟50)。否則，航空器1不滿足這一降落點T，但將保持在前面計算的避開高度上直到它滿足預定航線的降落階段Z’。然后計算機4確定對應于下或上避開航線在避開高度上滿足初始預定的降落航線2’的點的新的降落點T’或T’’(步驟51)。完成步驟50與51時，執(zhí)行通過步驟25繼續(xù)進行。
如果在步驟43中，區(qū)10的上方高度(alt.upp.zone)小于在步驟42中計算的航空器1能到達的最大高度(alt.max)，在步驟58中計算機4確定預定的降落點T是否位于區(qū)10中，這是通過比較航空器1的當前位置與點Z’與T之間的距離確定的(圖5b)。如果點T位于區(qū)域內，向上避開是不可能的而計算機4通過進入在其中檢驗是否有可能向下避開的步驟59來進行向下避開計算。否則，在步驟60中計算機通過將區(qū)10的下方高度(alt.low.zone)與最小允許高度(alt.min)及值(alt.D)(通過減去原來的飛行計劃所給定的一定預定高度值得出的)比較來確定是否可能向下避開。如果向下避開不可能，便通過該區(qū)上方來避開。
如果通過在該區(qū)上方與下方飛行都可能避開，且如果航空器1的當前高度(alt.aircraft)小于最佳高度(alt.opti)(步驟64)，則進行向上避開，否則實行向下避開。
在步驟59中，向上避開不可能而計算機通過如已描述過的將區(qū)10的下方高度(alt.low.zone)與最小高度值(alt.min與alt.D)比較來確定是否有可能向下避開。如果向下避開不可能，處理從步驟29繼續(xù)進行。
為了在步驟60或64之后進行向上避開，計算機4將最佳高度(alt.opti)與區(qū)10的上方高度(alt.upp.zone)比較(步驟65)。如果最佳高度大于區(qū)10的上方高度，避開高度(alt.avoid)對應于最佳高度(alt.opti)(步驟66)，否則，避開高度對應于帶有安全系數(shù)的區(qū)10的上方高度(alt.upp.zone)(步驟67)。為了確定向跑道的降落點T或T’’的位置，算法的執(zhí)行通過步驟48繼續(xù)進行。
類似地，為了實行步驟56或64后面的向下避開，計算機4檢驗最佳高度(alt.opti)是否小于區(qū)10的下方高度(alt.low.zone)(步驟68)，避開高度(alt.avoid)對應于帶有安全系數(shù)的區(qū)10的下方高度(步驟69)，否則對應于最佳高度(70)。
然后計算機進入上面描述的步驟48以便確定向跑道的降落點T或T’。
實踐中，要求航空器遵守的高度是以飛行平面的形式計算的，飛行平面相隔100英尺(30.48米)。從而，在步驟42中，計算機還通過將計算的高度舍入成整數(shù)到最接近的、相應地較低的飛行平面上來確定最佳的、各自的最大飛行平面。在步驟43中，實際上將該區(qū)的上方高度與最大飛行平面比較。在步驟44與60中，將該區(qū)的下方高度與通過從初始預定的飛行平面中例如減去三個飛行平面的高度后得出的值alt.D及與最大飛行平面FL195比較的。
類似地，避開高度是用飛行平面與步驟47、67及69中所用的對應于飛行平面的安全系數(shù)計算的。
權利要求
1.自動控制航空器垂直避開帶有預定的幾何輪廓的固定區(qū)域的方法，航空器(1)裝有已將預定的路徑(2,2’)及包含巡航飛行高度及向預定跑道降落的點(T)的垂直航線輪廓輸入其中的自動駕駛儀(14)，其特征在于該方法包括下述連續(xù)步驟-以水平輪廓及上(alt.upp.zone)下(alt.low.zone)高度的形式采集(21)要避開的區(qū)域的界限，及用水平輪廓與上下高度分界的柱體體積建立要避開的區(qū)域的模型，-相對于航空器(1)的預定路徑(2,2’)定位該柱體體積(10)以便確定這一路徑是否穿過該柱體體積，-如果預定路徑(2,2’)穿過柱體體積(10)，確定(41)預定路徑(2,2’)在柱體體積(10)中的進入點(Z)與出口點(Z’)，-計算(42)航空器(1)能到達的最佳(alt.opti)與最大(alt.max)高度，及計入航空器的當前重量及為了達到這一點所消耗的燃料的航空器在通過進入點(Z)時的重量，-為垂直避開該柱體體積(10)作為要避開的區(qū)域的下(alt.low.zone)與上(alt.upp.zone)界限的高度、航空器(1)的當前(alt.aircraft)、最大(alt.max)與最佳(alt.opti)高度、及航空器(1)的預定出口(Z’)與降落(T)點的位置函數(shù)的計算新的飛行高度(alt.avoid)，及改變高度點(A1,B1)以便到達避開高度(alt.avoid)，以及-更新(28)新飛行高度(alt.aircraft)，及輸入改變高度點(A1,B1)的位置到自動駕駛儀(14)中。
2.按照權利要求1的方法，其特征在于，當該區(qū)的下方高度(alt.low.zone)大于一定的預定極限(alt.D,alt.min)時，及當該區(qū)的上方高度(alt.upp.zone)位于航空器在進入該區(qū)的進入點(Z)上能到達的最大高度(alt.max)以上時，或者當預定的降落點位于柱體體積(10)中時，該方法包括通過在柱體體積(10)下面飛行來避開(46、47、69、70)該區(qū)域。
3.按照權利要求1或2的方法，其特征在于在進入點(Z)上，避開高度(alt.avoid)最好等于航空器(1)的最佳高度(alt.opti)。
4.按照前面的權利要求之一的方法，其特征在于還包括定期計算與顯示(27)航空器(1)的當前位置與從預定的路徑(2)退出到避開航線(A1-A4)的退出點(A1)之間的距離，如果所選擇的避開航線受到操作員的確認便起動(28)包含執(zhí)行所選擇的避開航線的新路徑。
5.按照權利要求4的方法，其特征在于，還包括如果已通過了退出點(A1)而新路徑未被確認，便定期計算與顯示(31)航空器(1)的當前位置與要避開的區(qū)域(10)之間的距離，以及在航空器(1)進入要避開的區(qū)(10)時顯示(32)警告報文。
6.按照前面的權利要求之一的方法，其特征在于，在要避開的區(qū)域下面飛行來作避開的情況中，且如果預定的路徑(2,2’)從柱體體積(10)的出口點(Z’)與預定的降落點(T)之間的距離小于預定的閾值，此方法包括計算(51)對應于避開航線在避開高度(alt.avoid)上滿足初始預定的降落航線(2’)的點的新的降落點(T’)。
7.按照前面的權利要求之一的方法，其特征在于，如果有可能在上面與下面飛行避開該區(qū)域，此方法包括選擇(64)位于相對于航空器(1)在最佳高度(alt.opti)方向上的避開航線。
8.按照前面的權利要求之一的方法，其特征在于，要避開的區(qū)域為危險氣象區(qū)，尤其是晴空旋渦、結冰區(qū)。
全文摘要
為了自動控制航空器垂直避開固定的區(qū)域,按照本發(fā)明的方法包括連續(xù)地:采集(21)要避開的區(qū)域的界限,及用該區(qū)域的水平輪廓與上下高度界定的柱體體積(10)建立該區(qū)域的模型,相對于航空器(1)的預定路徑(2,2’)定位該體積(10),確定(41)預定路徑(2,2’)在柱體體積(10)中的進入(Z)及出口(Z’)點,為垂直避開該區(qū)域(10)計算新的飛行高度及為了到達避開高度的改變高度點(A1,B1),以及更新(28)新的飛行高度,及將改變高度的點(A1,B1)的位置輸入到自動駕駛儀中。
文檔編號G05D1/04GK1222983SQ9719570
公開日1999年7月14日 申請日期1997年6月3日 優(yōu)先權日1997年6月3日
發(fā)明者居伊·德凱爾 申請人:塞克斯丹航空電子公司