CN100481154C - 航空器地形回避和警告的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

设备(1)包括获知至少是航空器前方地形轮廓的第一装置(2)；确定回避轨道的第二装置(3)；与所述第一和第二装置(2，3)连接、确证是否存在航空器与地形发生碰撞危险的第三装置(4)；在第三装置(4)检测到碰撞危险时发出警告信号的第四装置(7)；至少一个与航空器能按照特殊飞行参数飞行的回避机动飞行坡度有关的航空器性能数据库(Bi)；以及在航空器飞行过程中确定特殊参数有效值的第五装置(9)，其中，第二装置(3)构作成能按照从所述数据库(Bi)和第五装置(9)接收的信息确定回避轨道。

Description

航空器地形回避和警告的方法和设备
技术领域
本发明涉及航空器、特别是运输机的一种地形回避和警告的方法和设备。
背景技术
众所周知，比方说TAWS(地形回避和警告系统)型或GPWS(近地警告系统)型的这类设备的目的是检测航空器与周围地形发生碰撞的危险，在检测到这一危险时警告机组人员，使得机组人员然后能进行地形回避机动飞行。这类设备一般包括：
-获知至少是航空器前方地形轮廓的第一装置；
-确定航空器回避轨道的第二装置；
-与第一和第二装置连接、确证是否存在航空器与地形发生碰撞危险的第三装置；以及
-在所述第三装置检测到碰撞危险时发出警告信号的第四装置。
一般来说，不管航空器是什么类型也不管航空器的性能如何，所述第二装置利用具有固定不变的值，对运输机来说为6°的坡度确定回避轨道(第三装置用该回避轨道检测与地形发生碰撞的危险)。
当然，这种计算方式对航空器实际性能的估计有过高或过低的危险，从而造成对碰撞危险的检测过迟或误警告。因此这种计算方式不很可靠。
专利EP-0 750 238公开了上述类型的一种地形回避设备。该设备可确定两轨道，两轨道然后与在上面飞过的地形进行比较，所述两轨道之一为航空器的预定有效轨道，另一轨道特别相当于预定的上升轨道。该专利在预定这些轨道时考虑到了航空器的机动飞行能力，但没表明这些轨道的实际计算或预测方式。
发明内容
本发明涉及一种可弥补上述缺点的航空器地形回避和警告方法。
为此，按照本发明，所述方法的特征在于：
I)在一预备步骤中，形成航空器性能的至少一个数据库，该性能与航空器能飞行的回避控制坡度有关，它是飞行参数的函数；以及
II)在航空器其后飞行过程中：
a)确定所述飞行参数的有效值；
b)根据所述飞行参数的这些有效值和所述数据库确定一回避轨道；
c)借助所述回避轨道和至少位于航空器前方的地形轮廓，进行检查以确证是否存在所述航空器与所述地形发生碰撞的危险；以及
d)如存在发生碰撞的危险，发出相应的警告信号。
因此，本发明不是如上所述使用固定不变的坡度值，而是根据所述数据库的特性和对所述有效值的测量，通过考虑航空器的实际性能来确定回避轨道。因此，对与地形发生碰撞的危险的检测考虑了航空器的有效能力，从而可特别避免误警告和进行特别可靠的监控。应该指出，上述专利EP-0 750 238无法确定、使用根据飞行参数有效值得出的(回避轨道的)坡度。
为形成该数据库，确定所述坡度的许多值，这些值在各场合下代表所述飞行参数的不同值。最好是，所述飞行参数包括航空器下述参数的至少某些参数：
-航空器质量；
-航空器速度；
-航空器飞行高度；
-环境温度；
-航空器对中心；
-航空器主起落架的位置；
-空气动力学形态；
-空调系统的开动；
-防冰系统的开动；以及
-发动机的可能故障。
此外，最好是，对于至少一个飞行参数而言使用预定固定值形成所述数据库，从而可减小数据库的大小。此时，一飞行参数的预定固定值最好使用该飞行参数的对航空器的坡度产生最不利效果的值。例如，航空器的对中心可固定在最不利的前限制值上。
在一优选实施例中，对于速度而言，使用航空器在发出碰撞危险警告时通常在标准地形回避程序下飞行的已知的稳定最小速度，也即对应于航空器飞行控制的速度方向上的保护值的固定值。
在一用于监控航空器低空飞行的变形中，所使用的速度最好为对应于最佳坡度的速度的预定值而不是对应于上例中的最小速度。
此外，为形成所述数据库，在一发动机故障时，根据表示航空器所有发动机正常工作(无故障)的最小坡度减去该航空器坡度，在该坡度上施加取决于通常故障的扣减部分。最好是，用模型化所述名义坡度(所有发动机工作时航空器的坡度)的多项式函数算出所述扣减部分。
本发明还涉及航空器、特别是运输机的一种地形回避和警告设备，所述设备为这样的类型，包括：
-获知至少是航空器前方地形轮廓的第一装置；
-确定回避轨道的第二装置；
-与第一和第二装置连接、确证是否存在航空器与地形发生碰撞危险的第三装置；以及
-在所述第三装置检测到碰撞危险时发出警告信号的第四装置。
众所周知，一般来说，所述第二装置确定回避轨道时计算航空器当前速度下的回避坡度，该当前速度大于航空器发出警告后通常在标准地形回避程序下飞行的最小速度。因此，该回避坡度与机动飞行期间实际飞行的坡度不同。这种计算方式会由于起初过低估计航空器的实际性能而造成误警告。
特别为弥补这些缺点，按照本发明，上述类型的所述装置的特征在于，它还包括：至少一个航空器性能数据库，该性能与航空器能飞行的回避机动飞行坡度有关，它是飞行参数的函数；以及在航空器飞行过程中确定所述飞行参数的有效值的第五装置；所述第二装置构作成能确定所述回避轨道，该回避轨道为分别从所述数据库和所述第五装置接收的信息的函数。
所述数据库的设计因此考虑到航空器上升以避开地形的性能的预测能力。此外，由于确定回避阶段的速度(如下所述最小速度)以其后得出有关坡度，因此无须航空器的当前速度(该速度必然大于所述最小速度)，从而可稳定本发明设备算出的回避坡度，从而避免误警告。
在一优选实施例中，本发明设备包括分别与各种类航空器有关的多个数据库和一从这些数据库中选择与装有所述设备的航空器有关的一数据库的选择装置，所述第二装置使用所选择的数据库中的信息确定所述回避轨道。
所述种类中的每一个包括：
-一种类型的航空器；
-比方说性能相当、归于同一种类下的一组类型的航空器。
附图说明
各附图示出本发明的实施方式。在这些附图中，相同部件用同一标号表示。
图1和2为本发明地形回避和警告设备两不同实施例的示意图。
图1和2所示本发明设备1的目的是检测航空器、特别是运输机与周围地形发生碰撞的危险并在检测到这一危险时警告机组人员，使得机组人员可进行地形回避机动飞行。
具体实施方式
装在航空器上的比方说TAWS(地形回避和警告系统)型或GPWS(近地警告系统)型的这类设备一般包括：
-获知至少是航空器前方地形轮廓的装置2，为此该装置2包括比方说地形的数据库和/或检测地形的装置如雷达；
-确定回避轨道的装置3
-经连线5和6与所述装置2和3连接、根据所述装置2和3发出的信息确证是否存在航空器与地形发生碰撞危险的装置4；以及
-经连线8与所述装置4连接、在所述装置4检测到碰撞危险时发出警告信号(可听到和/或可看到的警告信号)的装置7。
按照本发明：
-所述设备1进一步包括：
·航空器的性能的至少一个数据库Bi，B1、B2、Bn，该性能与航空器所能飞行的回避机动飞行坡度有关，是下述飞行参数的函数，以及
·在航空器飞行过程中确定所述飞行参数的有效值的装置9；以及
-所述装置3经连线10和11分别与所述数据库Bi，B1、B2、Bn和所述装置9连接并且构作成能确定所述回避轨道，该回避轨道是从所述数据库Bi，B1、B2、Bn和所述装置9接收的信息的函数。
此外，按照本发明，在航空器飞行前以如下所述方式在准备步骤中在地面上形成所述数据库。
特别是，为形成所述数据库Bi，B1、B2、Bn，确定所述坡度的许多值，这些值分别代表所述飞行参数的许多不同值。这些飞行参数包括与航空器飞行特性有关的参数(速度、质量等)、与航空器系统有关的参数(空调、防冰等)以及与航空器外部环境有关的参数(温度)。所述飞行参数最好包括航空器下述参数的至少某些参数：
-航空器质量；
-航空器速度；
-航空器飞行高度；
-环境温度；
-航空器对中心；
-航空器主起落架的位置；
-空气动力学形态(即，对飞机来说为机翼上前缘缝翼和襟翼的位置)；
-航空器标准空调系统是否开动；
-航空器标准防冰系统是否开动；以及
-航空器的发动机的可能故障。
在一优选实施例中，根据从经过飞行试验重新装备的航空器模型得出的航空器性能标准文件(例如飞行手册)以标准方式算出作为所述飞行参数的函数的所述坡度。
此外，为了减小数据库Bi，B1、B2、Bn的大小，对上述飞行参数中的至少一个参数来说，使用预定固定值来形成所述数据库Bi，B1、B2、Bn。此时，作为飞行参数的预定固定值最好使用该飞行参数的对航空器的坡度产生最不利效果的值。例如，航空器的对中心可固定在最不利的前限值上，空气提取结构(防冰和空调)可被固定成使得相对航空器的性能空气提取结构维持保守(conservatrice)。
在一优选实施例中，对于速度来说，使用与航空器飞行控制的速度保护值对应的固定值，即航空器在发出警告后在标准地形回避机动飞行下正常飞行的最小值、例如速度Vαmax(最大迎角速度)或(“失速警告”型的)速度VSW。确切说，大家知道，对于用常用计算器防止其飞行状态范围失速的航空器来说，标准回避机动飞行导致航空器的上升坡度与由这些计算器维持的最小速度对应，使得航空器不能超过与该最小速度对应的迎角。因此，正是该(稳定的上升坡度)起初被由上述飞行参数(速度除外)的构造限定的任何可能状态确定，然后模型化以便集成到数据库中。
因此，根据本发明：
-由于回避阶段的速度被预定以便其后得出相应坡度，因此数据库Bi，B1、B2、Bn的设计引入预测力。因此不受航空器的当前速度(该速度必然大于该最小速度)束缚，从而允许稳定用设备1算出的回避坡度。如不使用这一模型，设备1应计算航空器当前速度下的回避坡度，该回避坡度因此不同于机动飞行中实际飞行的坡度(随同航空器减速会接近后一坡度)。这种计算会由于起初低估航空器的实际性能造成误警告。上述本发明模型因此提供设备1的稳定的计算坡度(计及该坡度的计算速度)，从而防止误警告；
-该参数(速度)的集成可大大减小数据库Bi，B1、B2、Bn的大小；
-按规定构作数据库Bi，B1、B2、Bn(最小速度下的坡度为合格数据)，因此能方便地制定符合“DO-200A”标准的(因此就该标准来说是合格的)数据生成过程，保证数据库的集成性水平。
还应指出，本发明的互补方案的目的是根据所有发动机运行时的坡度和加上一由多项式函数模型化的(负)坡度扣减部分ΔP模型化发动机故障时可飞行的最大坡度。该模型化可大大减小存储数据库Bi，B1、B2、Bn数据的存储器的大小(存储器的大小原则上可减小的系数为2或3)。该坡度扣减部分ΔP可表为：
ΔP＝K1.PO+K2
其中：
-PO对应所有发动机运行时的坡度；以及
-K1和K2表示可用于结构类似的一整族航空器的常数。
还可把上述本发明外推应用于监控航空器的低空飞行。与上述说明的主要不同之处在于所模型化的坡度不再是对最小速度的模型化而是在下文所述特殊速度(条件是发动机故障)的坡度模型化。此时模型化的目的是使得航空器在发动机故障时安全飞行(低空飞行时)。与上述地形碰撞回避程序不同，用于发动机故障时(低空飞行时)的程序的目的是使得航空器的速度成为最佳坡度的速度。最佳坡度的速度指速度飞行范围内可在最小距离中获得最大飞行高度的速度。另一方面，上述原理保持不变，因为最佳坡度的速度为一预定的速度，它是上述飞行参数(质量、飞行高度等等)中的至少某些参数的函数。
应该指出，可用性能数据库Bi，B1、B2、Bn实时计算航空器在高度上回避其前方和/或沿所遵循的飞行平面中的任何障碍的能力。因此，本发明设备1确定回避轨道时用所述数据库的特性和对所述有效值的测量考虑航空器的有效性能。因此，对与地形碰撞的危险的检测考虑航空器的有效能力，从而可特别防止误警告和进行特别可靠的监控。
在图2所示一特殊实施例中，本发明设备1包括：
-分别与n种类不同航空器有关的一组12数据库B1，B2，...Bn，n为大于1的正整数；以及
-分别经连线l1、l2到ln与数据库B1、B2到Bn连接并且用于从这些数据库B1，B2，...Bn中选择与其上装有所述设备1的航空器有关的数据的选择装置13。经连线10与所述选择装置13连接的所述装置3只使用所述选择装置13选择的数据库中的信息来确定所述回避轨道。
所述种类的航空器都包括同一类型的航空器(因此种类即类型)或是包括比方说性能相当、从而归于同一种类下的一组类型(因此每一种类包括若干类型)的航空器。
最好是，用针脚编程(programmation par broches)实现由选择装置13实施的对代表航空器的数据库的选择(所述针脚编程即用航空器与设备1之间的连接器的接头按照航空器种类与0或1逻辑电平对应)。从而可把同一类型的设备(设备1)用于所有不同种类(或类型)的航空器，从而由该设备本身确定它装在其上的航空器的种类。该编程也可用软件实现；选择装置13经一数据线接收一视航空器种类而定的数据值后根据所收到的数字值作出选择。

Claims (11)

1、一种航空器地形回避和警告方法，其特征在于：
I)在一预备步骤中，形成至少一个航空器性能的数据库(Bi，B1、B2、Bn)，该性能涉及航空器可飞行的回避机动飞行坡度，它是飞行参数的函数；为形成该数据库(Bi，B1、B2、Bn)，确定分别对应于所述飞行参数的不同值的许多坡度值，以及
II)在航空器其后飞行过程中：
a)确定所述飞行参数的有效值；
b)根据所述飞行参数的这些有效值和所述数据库(Bi，B1、B2、Bn)确定一回避轨道；
c)借助所述回避轨道和至少位于航空器前方的地形轮廓，确证是否存在所述航空器与所述地形发生碰撞的危险；
d)如存在发生碰撞的危险，发出警告信号；以及，
e)对至少一个飞行参数而言使用预定固定值形成所述数据库(Bi，B1、B2、Bn)。
2、按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述飞行参数包括航空器的下述参数中的至少某些参数：
-航空器质量；
- 航空器速度；
- 航空器飞行高度；
- 环境温度；
- 航空器对中心；
- 航空器主起落架的位置；
- 空气动力学形态；
- 空调系统的开动；
- 防冰系统的开动；以及
- 一发动机的可能故障。
3、按权利要求1所述的方法，其特征在于，作为飞行参数的预定固定值，使用对航空器的坡度产生最不利效果的飞行参数的值。
4、按权利要求2所述的方法，其特征在于，对所述速度而言，使用对应于在地面回避过程时航空器正常飞行的稳定的最小速度的预定值。
5、按权利要求2所述的方法，其特征在于，对于该速度而言，使用对应于最佳坡度的速度的预定值，该速度使得在速度飞行范围内可在最小距离中获得最大飞行高度。
6、按上述任一权利要求所述的方法，其特征在于，在一发动机故障时，由表示航空器所有发动机正常工作的名义坡度推出航空器的坡度将视所述名义故障而定的扣减部分施加到所述名义坡度上。
7、按权利要求6所述的方法，其特征在于，用所述名义坡度的多项式函数算出所述扣减部分。
8、一种航空器地形回避和警告设备(1)，包括：
- 获知至少是航空器前方地形轮廓的第一装置(2)；
- 确定回避轨道的第二装置(3)；
- 与所述第一和第二装置(2，3)连接、确证是否存在航空器与地形发生碰撞危险的第三装置(4)；
- 在所述第三装置(4)检测到碰撞危险时发出警告信号的第四装置(7)，
其特征在于，还包括：至少一个航空器性能数据库(Bi，B1、B2、Bn)，该性能与航空器能飞行的回避机动飞行坡度有关，该坡度为飞行参数的函数，所述数据库(Bi，B1、B2、Bn)包括分别对应于所述飞行参数的不同值的许多所述坡度的值；以及在航空器飞行过程中确定所述飞行参数的有效值的第五装置(9)；所述第二装置(3)构造成能确定所述回避轨道，该回避轨道为分别从所述数据库和所述第五装置接收的信息的函数；以及
- 对至少一个飞行参数而言使用预定固定值形成所述数据库(Bi，B1、B2、Bn)。
9、按权利要求8所述的设备，其特征在于，该设备包括分别与各种类航空器有关的多个数据库(Bi，B1、B2、Bn)和用于从这些数据库(Bi，B1、B2、Bn)中选择与装有所述设备(1)的航空器有关的数据库的选择装置(13)，所述第二装置(3)使用所选择的数据库(Bi，B1、B2、Bn)中的信息确定所述回避轨道。
10、一种航空器，其特征在于，包括能实施按权利要求1-7中任一权利要求所述的方法的设备(1)。
11、一种航空器，其特征在于，包括按权利要求8和9之一所述那样的设备(1)。
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