CN102163062A - 自动防止飞行器过大下降速率的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种自动防止飞行器过大下降速率的方法和装置。所述装置(1)包括用于产生保护命令和将该保护命令应用到飞行器(AC)上以避免过大下降速率的飞行的装置。
Description
技术领域
本发明涉及一种自动防止包括运输机在内的飞行器过大下降速率的方法及装置。
背景技术
在本发明的范围内，“过大下降速率”指的是这样一种情况，即在下降过程中，在给定的对地高度下，飞行器的(下降)竖直速度对于该高度而言过大。特别地，由于存在与地面碰撞的危险，飞行器原则上在该高度上不允许以这种竖直速度飞行。
众所周知，很多的飞行器都设有碰撞报警装置，用于当飞行器存在与地面相撞的危险时，发出报警信号。至于报警装置，它可以具体是TAWS(“地面察觉报警系统”)类型、EGPWS(“增强型地面迫近报警系统”)类型、或者GCAS(“地面碰撞避免系统”)类型的装置。
所述TAWS碰撞报警系统通常能发出不同类型的警报，其基于不同的算法和信息源而被触发，即：
-主要基于飞行器机载无线电高度表提供的信息而被触发的警报。存在着不同类型的警报，被称为“模式1”、“独立模式1”，其检测飞行器与地面的所有潜在碰撞危险，但是基于由不同的测量链(measurement chain)提供的信息而被触发。因此，触发模式1的反应警报(reactive alarm)既取决于由飞行器的无线电高度表确定的飞行器在地面上方的高度，又取决于机载惯性系统提供的飞行器的竖直速度。相反，触发独立模式1的警报，一方面取决于GPS(全球定位系统)定位装置以及给出地面海拔的地面数据库所确定的飞行器在地面上方的高度，另一方面也取决于所述的GPS定位装置提供的飞行器竖直速度。
-所谓的“预测性”警报，基于包含在一个或多个数据库(如地面、障碍物、机场跑道类型等的数据库)中的信息而被触发。
当这种(针对与飞行下方的地面的碰撞危险的)警报被触发时，机务人员应当在很短的时间内分析情况，做出决定并采取行动，以便抬起机头和可选地再次放平机翼。
发明内容
本发明的目的在于克服上述提及的缺陷。本发明涉及一种自动保护飞行器(包括运输机)以避免过大下降速率的方法。
为此，根据本发明，所述的自动防止飞行器过大下降速率的方法，其特征在于，下述一连串的连续操作自动进行：
a)测量被称为当前飞行参数的、飞行器相对于地面的当前竖直速度和当前高度；
b)将这些当前飞行参数与至少一个被称为安全包线的飞行包线进行比较，其中安全包线取决于未许可的飞行包线，所述未许可的飞行包线定义了多对竖直速度和高度，其说明了过大下降速率并且对于所述飞行器来说是不许可的，至少在所述当前飞行参数位于所述安全包线内时，触发保护；
c)如果触发了所述保护，则：
-产生保护命令以便控制作用于飞行器竖直速度的飞行器控制表面，所述保护命令使得，当它们被应用于所述控制表面时，飞行器将避免位于所述未许可的飞行包线内；并且
-将所述保护命令应用于所述控制表面。
因此，由于本发明，如果出现过大下降速率，保护就会被触发并被实施，从而在短期内避免了飞行器位于所述未许可的飞行包线内，这或者防止飞行器进入所述未许可的飞行包线内，或者如果必要的话，使之从所述未许可的飞行包线出来，如下所述。
这种具有限制飞行器下降速度效果的保护允许机务人员，如果必要的话，察觉到实际情况并能实施这种情况下需要的操作，包括为避免与地面发生碰撞而进行的操作。当通常的碰撞危险警报发出的时候，这种保护也许能避免一些与地面的碰撞。
在第一个实施例中，所述安全包线对应于所述未许可的飞行包线，并在其上加有安全裕度，并且在步骤c)中，产生保护命令，使得当保护命令被应用于所述控制表面时，它们防止飞行器进入所述未许可的飞行包线中，即它们防止当前竖直速度和当前高度与在所述未许可的飞行包线内所定义的数值对相对应。
在这种情况下，优选地，在步骤c)中：
-通过下面的公式，确定表示竖直加速度值λz的中间命令：
γz＝(Vz2-Vmax2)/(2.h)
其中：
·Vz是所测量的飞行器的当前竖直速度；
·Vmax是根据所述未许可的飞行包线，而在当前高度下所允许的最大竖直速度；以及
·h是所测量的当前高度；并且
-将这样的中间命令转化为表示所述保护命令的、所述控制表面的偏转角。
在第二个实施例中，所述安全包线表示所述未许可的飞行包线，并且在步骤c)中，确定保护命令，使得当它们被应用到所述控制表面时，它们避免飞行器停留在所述未许可的飞行包线内，使飞行器从所述未许可的飞行包线内出来。
在此(应用到飞机上的)第二个实施例中，优选地，在步骤c)中，另外还控制侧向操作，使得飞机机翼被再次放平。
优选地，本发明应用于与诸如以上提及的警报的警报相对应的(过大下降速率)警报，所述警报主要基于由飞行器的无线电高度表和/或与地面数据库相关联的GPS系统所提供的信息而被触发，更具体地，应用于“模式1”和“独立模式1”的警报。
应该注意的是：
-触发“模式1”的反应警报取决于飞行器在地面上方的高度和飞行器的竖直速度，其中飞行器在地面上方的高度由飞行器的无线电高度表确定，飞行器竖直速度由机载惯性系统提供；以及
-触发“独立模式1”的警报一方面取决于由GPS(“全球定位系统”)定位装置以及给出地面海拔的地面数据库所确定的飞行器在地面上方的高度，另一方面也取决于也由所述GPS定位装置提供的飞行器竖直速度；并且
在特定的实施例中：
-在步骤a)中，另外还测量被称为当前辅助飞行参数的、飞行器相对于地面的当前辅助竖直速度和当前辅助高度；
-在步骤b)中，另外还将这些当前辅助飞行参数与至少一个辅助安全包线(类似于所述安全包线)相比较，并且，如果以下同时发生，则触发保护：
·所述当前飞行参数为所述安全包线的一部分；以及
·所述当前辅助飞行参数是所述辅助安全包线的一部分。
因此，在这样的特定实施例中，将两个不同的(过大下降速率)警报相结合，从而允许有效地检测飞行器的过大下降速率，其中所述警报优选是独立的警报，尤其是“模式1”的反应警报和“独立模式1”的警报。特别地，如果这种保护是从源于不同且独立的测量串(measurement string)的信息而实现的，那么这种保护就会减少不合时宜触发操作的次数。
此外，有利地，当引起其触发的条件不再满足的时候，停用初步触发的保护。
本发明也涉及一种装置，其包括：
-第一装置，用于自动测量被称为当前飞行参数的、飞行器的当前竖直速度和当前高度；
-能发出保护触发信号的第二装置，所述第二装置包括：用于将所述当前飞行参数与至少一个被称为安全包线的飞行包线相比较和用于至少在所述当前飞行参数为所述安全包线的一部分时发出触发信号的元件，其中安全包线取决于未许可的飞行包线，所述未许可的飞行包线定义了多对竖直速度和高度，其说明了过大下降速率并且对所述飞行器来说是不许可的；
-第三装置，用于在发出了触发信号的情况下，产生保护命令以便控制作用于飞行器竖直速度的飞行器控制表面，所述保护命令使得，当它们被应用到所述控制表面时，飞行器将避免位于所述未许可的飞行包线内；以及
-第四装置，用于自动将所述保护命令应用到所述控制表面。
在特定的实施例中，所述第二装置还包括第一辅助元件和第二辅助元件，其中第一辅助元件用于测量被称为当前辅助飞行参数的、飞行器相对于地面的当前辅助竖直速度和当前辅助高度，并用于将这些当前辅助飞行参数与辅助安全包线进行比较，而第二辅助元件用于在下列情况同时发生时发出触发信号：
-所述当前飞行参数是所述安全包线的一部分；以及
-所述当前辅助飞行参数是所述辅助安全包线的一部分。
此外，有利地：
-所述第二装置或者被集成在包括所述第三装置的计算器内，或者(至少部分地)是独立的；
-所述装置还包括用来使机务人员，如果合适的话，注意到保护触发信号的发出的装置。
本发明也涉及设有上述这种装置的飞行器。
附图说明
附图可以更好地解释本发明是如何实施的。在附图中，相同的附图标记指代相同的部件。
图1和2是根据本发明的自动保护装置的两个特定实施例的框图。
具体实施方式
根据本发明的并在图1和2中示意性示出的装置1是自动保护飞行器AC，尤其是运输机，免于过大下降速率的装置。
在本发明的范围内，术语“过大下降速率”是指飞行器AC的这样一种飞行状况，即在下降时，在给定的相对于地面的高度下，飞行器AC的(下降)竖直速度对于该高度来说过大。特别低，由于存在与地面碰撞的危险，飞行器AC原则上在这种高度上是不允许以这种竖直速度飞行的。
图1和图2中，所述的装置1(出于在附图中简化的原因)被示出为位于飞行器AC的外部(在本例中的飞行器为运输机)，而实际上它是安装在飞行器上的。
根据本发明，所述机载装置1包括：
-信息源组2，包括用于自动测量飞行器AC的当前竖直速度的惯用装置(未具体显示)和用于自动测量飞行器的当前对地高度的惯用装置(亦未具体显示)；
-如下所述能够发出保护触发信号的装置3。该装置3包括装置4，装置4用于将由所述信息源组2测量(并从未示出的连接装置接收)或使用未示出的合适装置测量的当前飞行参数(当前竖直速度和高度)与被称为安全包线的至少一个飞行包线进行对比。该安全包线取决于未许可的飞行包线。所述未许可的飞行包线通常定义多对竖直速度和高度，其说明了过大下降速率且原则上对所述飞行器AC来说是不许可的。所述的装置3进一步包括：通过连接装置6、22与所述装置4相连的装置5、21，装置5、21构造成至少在所述当前飞行参数是所述安全包线的一部分时，发出保护触发信号。
-计算单元8，其通过连接装置9、10分别与所述信息源组2和所述装置3相连，并且设置用来在触发信号(被所述装置3)发出的情况下，自动产生保护命令以控制作用于飞行器竖直速度的、飞行器AC的控制表面G1和G2；以及
-一组惯用操作设备11，分别与飞行器的所述控制表面G1和G2相关联，并且构造为将(通过连接装置13)接收到的(控制)命令，包括所述的保护命令，如图所示经由点划线所示的连接装置12，自动应用到所述的控制表面G1和G2，在本发明的范围内，上述控制表面G1和G2从而作用于飞行器AC的竖直速度。
根据本发明，所述计算单元8构造成可以产生保护命令，使得当它们被应用到所述控制表面G1和G2时，它们允许使飞行器AC避免位于所述未许可的飞行包线内。
因此，如果出现过大下降速率，根据本发明的装置1就触发并实施保护，这在短期(几秒的量级)内将使飞行器AC避免位于所述未许可的飞行包线内，这或者防止飞行器进入所述未许可的飞行包线内，或者如果必要的话，使飞行器从所述未许可的飞行包线出来，如下所述。
这种具有限制下降速度效果的保护允许机务人员，如果必要的话，察觉到实际情况并能实施这种情况下需要的操作，包括为避免与地面发生碰撞而进行的操作。
此外，根据本发明的保护由所述装置1自动实施，以使飞行器AC的飞行员的工作负担不被增加。
在优选的实施例中，所述的装置4包括至少一个碰撞报警装置，如TAWS类型的，用于监测飞行器AC相对于周围地面的飞行。在若维持当前飞行特性(速度、坡度)则飞行器AC与所述地面的高出物有碰撞危险的时候，这一碰撞报警装置能发出警报。该碰撞报警装置能使用信息源组2测量的飞行参数，或者与用于测量飞行参数的特定装置相关联。
明显地，尽管这种优选实施例有这些特性，但本发明并不仅仅局限于地面附近的飞行。
在本发明的范围内：
-所述控制表面中的至少一些G1可以表示飞行器AC(在本例中为飞机)的升降舵，该升降舵位于该飞机的后部。对这些升降舵G1的作用从而会引起飞机的竖直速度被间接操控；以及
-所述控制表面中的至少一些G2可以表示通常安装在飞机的机翼A1、A2上的扰流板。这些扰流板G2对于升力有直接作用，允许控制飞行器AC的竖直速度。
在特定的实施例中，所述的计算单元8包括：
-装置14，构造成运用由信息源组2测量的当前竖直速度和当前高度，来实时确定中间命令；以及
-装置15，通过连接装置16被连接到所述装置14，并构造成将中间命令转化成所述控制表面G1和G2的偏转角。这些偏转角表示所述保护命令，并因此(经由连接装置13)被传递到所述操作设备11，以控制飞行器AC的竖直速度。
所述装置1进一步地包括：通过连接装置18被连接到所述计算单元8的指示装置17。当根据本发明的保护被触发并实施时，指示装置17允许飞行器AC的飞行员得到报警。这一指示可包括一则显示在显示屏幕(例如安装在飞行器AC的驾驶舱中)上的可视信息和/或声音警报。此外，它们也可以允许在碰撞报警装置发出警报的时候，发出可视警报和/或声音警报。
所述装置1进一步地包括集成装置(未具体示出)，该集成装置用于当引发其被触发的条件不再满足的时候，停用初步触发的保护。
在第一个变型中，所述安全包线对应于所述未许可的飞行包线，并在其上加了安全裕度。这种情况下，当飞行器AC进入安全包线时，即在进入未许可的飞行包线之前，保护被触发，所述装置8于是产生保护命令，使得当保护命令被应用到所述控制表面G1和G2时，它们防止飞行器AC进入所述未许可的飞行包线，也就是说，它们防止飞行器的当前竖直速度和当前高度与所述未许可的飞行包线中定义的数值对相对应。
此外，在第二个变型中，所述安全包线表示所述未许可的飞行包线。这种情况下，当飞行器AC进入未许可的飞行包线时，保护就会被触发，所述装置8然后确定保护命令，使得当保护命令被应用到所述控制表面G1和G2时，它们防止飞行器AC停留在所述未许可的飞行包线内，使飞行器从所述未许可的飞行包线内出来。在此第二个变型中，优选地，装置1包括集成装置(图中未示出)，集成装置用于另外地控制使得飞机的机翼再次放平的侧向操作，尤其是用于增强飞机的竖直飞行能力。也可以在上述提及的第一变型中使机翼再次放平。
在第一个实施例(图1所示)中，所述的装置3仅包括，用来查看当前飞行参数是否是安全包线的一部分的所述装置4。
在此第一个实施例中，所述的装置14运用下面的公式确定作为中间命令的竖直加速度值γz：
γz＝(Vz2-Vcons2)/(2.h)
其中：
-Vz是由信息源组2测量并通过连接装置9接收的、飞行器AC的所述当前竖直速度；
-h是也由信息源组2所测量的飞行器AC的当前高度；
-Vcons是根据所述未许可的飞行包线而在当前高度上所允许的最大竖直速度。
为了将该竖直加速度值γz转化成控制表面G1和G2的偏转角，装置15可使之与一个增益相乘，该增益取决于飞行器AC的特性，例如其质量、其速度、其平衡和/或其几何构造。这种中间命令也可通过一个稳定自动环路被发出，然后计算达到相对应的竖直加速度目标所需的所述保护命令。
在第一实施例的第一变型中，所述装置4是独立的，并且表示例如在上文中提及的惯用碰撞报警装置，而在第二变型中，所述装置4被集成到在飞行器AC的飞行控制和指令中所涉及的计算装置(包括所述装置3和8)内。
在第二实施例(图2所示)中，除所述装置4之外，所述装置3还包括辅助装置20：
-用于测量或者获取飞行器AC对地的当前辅助竖直速度和当前辅助高度，它们被称为当前辅助飞行参数；以及
-用于将这些当前辅助飞行参数与辅助安全包线相比较。
所述装置3进一步包括装置21，装置21包括“与”逻辑门，通过连接装置22和23分别连接到所述装置4和20，并且构造成如果以下同时发生，则发出触发信号：
-所述的当前飞行参数是所述安全包线的一部分；以及
-所述的当前辅助飞行参数是所述辅助安全包线的一部分。
如果所述的飞行器AC设有至少一个无线电高度表、惯性系统和GPS类型的定位装置，那么分别由装置4和20实施的警报对中的其中一个警报，可以是通常的模式1的反应警报，其基于由所述无线电高度表所确定的飞行器AC离地高度以及由所述惯性系统提供的所述飞行器AC的竖直速度而被触发。此外，在这种情况下，另一个警报可以是通常的独立模式1的警报，其一方面基于由所述GPS定位装置所确定的飞行器AC的离地高度以及给出地面海拔的地形数据库，另一方面基于所述GPS定位装置提供的所述飞行器AC的竖直速度(海拔的导数)而被触发。
因此，该第二实施例——将分别由装置4和20实施的两个不同的警报(优选为模式1警报和独立模式1警报)相结合——允许有效检测飞行器AC的过快下降，以使得根据本发明的保护被触发。
优选地，所述的装置4和20运用由不同且独立的测量串实现的飞行参数的测量值，更具体地，允许减少不合时宜触发操作的次数。
在该第二实施例的第一变型中，所述的装置4和20是独立的，并各自表示一个例如上文提到的通常的碰撞报警装置，而在第二变型中，所述装置4和20被集成到在飞行器AC的飞行控制和指令中所涉及的计算装置(包括所述装置3和8)内。
Claims (12)
1.一种自动防止飞行器过大下降速率的方法，其特征在于，自动进行下述的一连串连续操作：
a)测量被称为当前飞行参数的、飞行器(AC)相对于地面的当前竖直速度和当前高度；
b)将这些当前飞行参数与至少一个被称为安全包线的飞行包线进行比较，其中安全包线取决于未许可的飞行包线，所述未许可的飞行包线定义了多对竖直速度和高度，其说明了过大下降速率并且对所述飞行器来说是不许可的，至少在所述当前飞行参数位于所述安全包线内时，触发保护；以及
c)如果触发了所述保护，则：
-产生保护命令以便控制作用于飞行器竖直速度的飞行器(AC)控制表面(G1，G2)，所述保护命令使得，当它们被应用于所述控制表面(G1，G2)时，飞行器(AC)将避免位于所述未许可的飞行包线内；并且
-将所述保护命令应用于所述控制表面(G1，G2)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述安全包线对应于所述未许可的飞行包线，并在其上加了安全裕度；在步骤c)中，产生保护命令，使得当它们被应用于所述控制表面(G1，G2)时，它们防止飞行器(AC)进入所述未许可的飞行包线中。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤c)中：
-依靠下面的公式，确定表示竖直加速度值γz的中间命令：
γz＝(Vz2-Vmax2)/(2.h)
其中：
·Vz是所测量的飞行器(AC)的当前竖直速度；
·Vmax是根据所述未许可的飞行包线，而在当前高度下所允许的最大竖直速度；以及
·h是所测量的飞行器(AC)的当前高度；并且
-将这样的中间命令转化为表示所述保护命令的、所述控制表面(G1，G2)的偏转角。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述安全包线表示所述未许可的飞行包线，并且在步骤c)中，产生保护命令，使得当它们被应用到所述控制表面(G1，G2)时，它们使飞行器避免停留在所述未许可的飞行包线内，使飞行器从所述未许可的飞行包线内出来。
5.根据权利要求4所述的方法，其被应用到飞机(AC)上，其特征在于，在步骤c)中，另外还控制侧向操作，使得飞机(AC)的机翼(A1，A2)被再次放平。
6.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于：
-在步骤a)中，另外还测量被称为当前辅助飞行参数的、飞行器(AC)相对于地面的当前辅助竖直速度和当前辅助高度；以及
-在步骤b)中，另外还将这些当前辅助飞行参数与至少一个辅助安全包线相比较，并且，如果以下同时发生，则触发保护：
·所述当前飞行参数为所述安全包线的一部分；以及
·所述当前辅助飞行参数是所述辅助安全包线的一部分。
7.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于，当引起其触发的条件不再满足的时候，停用初步触发的保护。
8.一种自动防止飞行器过大下降速率的装置，其特征在于，包括：
-第一装置(2)，用于自动测量被称为当前飞行参数的、飞行器的当前竖直速度和当前高度；
-能发出保护触发信号的第二装置(3)，所述第二装置(3)包括：用于将所述当前飞行参数与至少一个被称为安全包线的飞行包线相比较和用于至少在所述当前飞行参数为所述安全包线的一部分时发出触发信号的元件(4)，其中安全包线取决于未许可的飞行包线，所述未许可的飞行包线定义了多对竖直速度和高度，其说明了过大下降速率并且对所述飞行器(AC)来说是不许可的；
-第三装置(8)，用于在发出了触发信号的情况下，产生保护命令以便控制作用于飞行器竖直速度的飞行器(AC)控制表面(G1，G2)，所述保护命令使得，当它们被应用到所述控制表面(G1，G2)时，飞行器(AC)将避免位于所述未许可的飞行包线内；以及
-第四装置(11)，用于自动将所述保护命令应用到所述控制表面(G1，G2)。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第二装置(3)还包括第一辅助元件(20)和第二辅助元件(21)，其中第一辅助元件(20)用于测量被称为当前辅助飞行参数的、飞行器相对于地面的当前辅助竖直速度和当前辅助高度，并用于将这些当前辅助飞行参数与辅助安全包线进行比较，而第二辅助元件(21)用于在下列情况同时发生时发出触发信号：
-所述当前飞行参数是所述安全包线的一部分；以及
-所述当前辅助飞行参数是所述辅助安全包线的一部分。
10.根据权利要求8或9所述的装置，其特征在于，所述第二装置(3)至少部分地是独立的。
11.根据权利要求8或9所述的装置，其特征在于，所述第二装置(3)被集成在包括所述第三装置(8)的计算器内。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括用来使机务人员，如果合适的话，注意到保护触发信号的发出的装置(17)。
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