CN102346487B - 用于使用到达时间控制的垂直导航的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明名称为“用于使用到达时间控制的垂直导航的方法和系统”。提供了一种用于控制交通工具(10)的飞行路径的控制系统(108)。该系统包括：配置成接收用于交通工具的速度储备值的输入装置(114)、通信地耦合到输入装置的处理器(104)。将处理器编程为自动确定比交通工具的空载飞行路径更浅的、交通工具的飞行路径，并使用接收的速度储备来生成配置成保持确定的飞行路径的飞行控制面控制信号，以及通信地耦合到处理器的输出装置，输出装置配置成向交通工具的飞行控制系统传送飞行控制面控制信号。

Description

用于使用到达时间控制的垂直导航的方法和系统

技术领域

一般地，本发明的领域涉及基于交通工具时间的管理系统，更具体地，涉及用于使用到达时间控制的垂直导航的方法和系统。

背景技术

按常规，飞行器在三维(纬度、经度和高度)中进行控制。近来，在第四维(时间)中控制飞行器的能力已经显示出使能了导致增加容量的高级空域管理。使用基于时间的到达管理促进了较早的着陆时间指配以及更有效的使用跑道。如果各飞行器能够使用它的最佳燃料飞行剖面图来确定其预期着陆时间，则这还导致了经济效益。但是，在缺乏定义的几何下降剖面图或几何爬升剖面图的情况下，当前垂直导航控制算法使用在保持固定油门设定(典型为空载)的同时将升降舵控制到预定垂直路径或垂直速度的规则。使用这种控制方法，允许速度在大范围值上波动，导致在飞行器下游的点处的、变化的且不准确的估计的到达时间(ETA)。这不利地影响飞行器对时间限制(典型地称作要求的到达时间(RTA)或控制的到达时间(CTA))的遵守。

飞行器下降轨道或爬升轨道典型地通过机载飞行管理系统(FMS)、从目的地到下降开始的点(称作下降起点(T/D))向后构成。这种计算的轨道的垂直部分由三个一般部分组成：

1)进场段-这是下降的最低部分，并且包含：到最后着陆速度的减速连同高升力装置和起落架的放下(extension)。

2)几何段-这是下降的中间部分，并且计算为尝试承兑所有高度限制的航线的几何序列。如果不存在要求它的高度限制，则这个段可以不存在。

3)空载段-这是下降的上面部分，并且假定下降的目标速度和空载推力来计算。在这个段的计算中假定估计的(“预测”)风和温度。

当飞行器正航行在轨道的空载段时，油门固定在空载设定，并且算法将升降舵控制到预定义的垂直路径(VPATH)。在这种控制策略中，允许速度波动。当用于构成下降路径的估计的参数(最值得注意的是风和温度)匹配实际参数时，飞行器的速度将匹配预计的目标速度。但是，很可能估计的参数将不同于飞行中遇到的实际值，并且又引起飞行器的速度偏离目标空速。

用于空载段的传统垂直导航策略将允许实际空速偏离目标空速某个预设值(典型值为15节)。当偏离超过预设阈值时，系统将尝试增加推力或者阻力(drag)，以使实际空速与目标空速之间的差置零。对于欠速情况，系统将尝试通过使油门处于速度控制模式(A/T啮合)或者通过提示飞行人员来增加推力。对于超速情况，系统将尝试自动地或者通过提示飞行人员来增加阻力；当今大多数系统不支持自动增加阻力。这种设计的最初目的是确保实际空速不超过机组人员、导航规程或航空主管部门实行的飞行器的性能极限和/或速度限制。在满足速度限制和极限的同时最小化模式转变的愿望驱动了在目标速度附近使用相对大的速度储备(speed margin)。但是，允许速度波动相对大的速度储备使得很难提前准确地满足飞行器的时间限制。

一备选方法最近已由美国专利申请US 2005/0283306提出。在这种方法中，垂直导航控制策略是保留空载推力设定，并且使用升降舵来控制速度，只要实际飞行器高度处于当前横向位置处指定的垂直路径位置的某个范围之内。当实际高度偏离超过这个值时，控制策略修改成在保持目标速度的同时重新获得指定的垂直路径。不幸的是，如果高度范围过大，则这种方法也将对到达时间控制具有负面影响，因为地速(它直接影响到达时间)不只依赖于空速，而且还依赖于高度。相反，如果高度范围过小，则飞行器的俯仰(pitch)可持续变化，并且负面影响飞行器乘客的舒适度。应当注意，这种方法在要求附加阻力来处理预测参数中误差的状况下没有真正解决能量问题。它只不过允许误差自身显现为高度误差而不是速度误差。它没有真正解决四维的要求的导航性能(4D RNP)问题。

另一种备选方法已由美国专利6507782提出。这个专利提升下降路径的构成，它采用较浅的下降路径段取代空载路径段。由于路径比空载更浅，所以油门能够用于在大多数情况下控制速度，因而提高控制系统在下降时满足时间限制的能力。建议了用于构成比空载更浅的路径的两种方法：(1)假定升降舵上的速度来构成下降段，但使用空载推力加某个油门增量(空载+Δ)而不是纯空载推力，或者(2)采用比空载更浅的恒定飞行路径倾角(FPA)取代空载段。这两种思路都不是特别新，并且都具有其相对的缺点。例如，空客A320/A340FMS具有用于恒定速度空载段的空载+Δ推力路径的概念。A320/A340设计的意图是当减速板要求机组人员干预时增加一些速度储备，以允许FMS经由油门来自动控制速度偏离。该专利中呈现的空载+Δ概念的问题在于，与A320/A340设计相似，它必须根据经验导出并且存储在各飞行器的性能数据库中。与可修改FPA相比，它还导致相当静态的速度储备。同样地，恒定FPA方式是本行业已经呈现并作为过去内部研发规划的一部分已经实现的思路。这种方式的问题包括：(a)它可引起更长的减速，(b)它在燃料使用方面可能非常昂贵，以及(c)它可能难以找到适于给定飞行器的一系列条件工作的、单个合理的FPA。

发明内容

在一个实施例中，用于控制交通工具的飞行路径的控制系统包括：配置成接收交通工具的速度储备的输入装置和通信地耦合到输入装置的处理器，其中，将处理器编程为自动确定比交通工具的空载飞行路径更浅的、交通工具的飞行路径，并使用接收的速度储备来生成配置成保持确定的飞行路径的飞行控制面控制信号。该控制系统还包括：通信地耦合到处理器的输出装置。输出装置配置成向交通工具的飞行控制系统传送飞行控制面控制信号。

在另一个实施例中，在下降期间控制飞行器的方法包括：接收用于控制飞行器的速度储备输入，使用飞行控制处理器自动确定比飞行器的空载飞行路径更浅的、飞行器的第一飞行路径，使用接收的速度储备来生成配置成保持确定的飞行路径的飞行控制面控制信号，以及向飞行器的飞行控制面控制系统传送飞行控制面控制信号。

在又一个实施例中，交通工具包括：配置成接收速度储备输入的输入装置，包括通信地耦合到输入装置的处理器的控制系统。将处理器编程为：自动确定比交通工具的空载飞行路径更浅的交通工具的飞行路径，并使用接收的速度储备来生成配置成保持确定的飞行路径的飞行控制面控制信号。交通工具还包括：通信地耦合到处理器的输出装置。输出装置配置成向飞行控制面控制系统传送飞行控制面控制信号。

附图说明

图1-图3示出了本文描述的方法和设备的示范实施例。

图1是诸如飞行器的交通工具的侧面正视图；

图2是交通工具速度控制系统的示意框图；以及

图3是在下降期间控制飞行器的方法的流程图。

具体实施方式

作为举例而不是作为限制，下面的详细描述示出了本发明的实施例。预期本发明一般应用于控制工业应用、商业应用和住宅应用中的交通工具的系统实施例和方法实施例。

如本文所使用的，以单数叙述并作为不定冠词“一”的继续的元件或步骤应该理解为不排除复数个元件或步骤，除非明确叙述了此种排除。此外，引用本发明的“一个实施例”无意于被解释为排除还并入叙述特征的额外实施例的存在。

图1是按照本公开一实施例的、诸如飞行器的交通工具10的侧面正视图。飞行器10包括耦合到机身14的一个或多个推进发动机12、机身14中的座舱16、机翼部件18、包括一个或多个升降舵飞行面21的尾翼部件20、着陆部件22、控制系统(不可见)、以及使得交通工具10能够适当操作的多个其它系统和子系统。

图2是按照本发明一示范实施例的、交通工具速度控制系统100的示意框图。在多个实施例中，交通工具速度控制系统100可以是飞行管理系统(FMS)(未示出)的一部分。在多个其它实施例中，交通工具速度控制系统100可以是独立系统。在示范实施例中，交通工具速度控制系统100包括：包含通信地耦合到存储器装置106的处理器104的控制器102。控制器102通信地耦合到飞行器控制系统108，飞行器控制系统108配置成生成使用尾翼部件20上的升降舵21来控制飞行器的飞行路径的升降舵控制信号。控制器102配置成接收来自一个或多个输入装置114或者来自其它交通工具系统115的输入信号。输入装置114可包括人工输入装置116，以及例如提供与发动机的参数110或交通工具相关联的信号的传感器118。如本文所使用的，人工输入装置116指的是直接与人进行交互的计算机装置，非限定性地例如是：键盘、鼠标、跟踪球、触摸垫、指点杆(pointing stick)、图形输入板、操纵杆、驾驶或飞行模拟器装置、变速杆、方向盘、脚踏板、触觉手套、以及手势接口。

在操作期间，处理器104接收来自输入装置114、交通工具系统115、和/或存储器装置106的输入，以生成使用升降舵21来控制飞行器10的飞行路径的信号。此外，生成的信号可用于控制燃气轮机的推力、液压致动器的位置、电动机的转矩和/或速度、或者内燃机的功率输出。

在示范实施例中，其中Δ推力基于预期速度储备的空载+Δ飞行路径用于生成理论下降路径，理论下降路径用于控制飞行器的下降。更浅的空载+Δ飞行路径在RTA操作期间用于代替空载飞行路径。此外，航行这个飞行路径，其中升降舵21控制垂直路径并且油门控制速度，从而实现更严格的速度控制和增强的RTA准确度。示范实施例不要求增加根据经验导出的、对各飞行保持为静态的FMS性能数据库表。代替地，将Δ指定为速度储备的预期量(例如，10KCAS)，并且可由机组人员在飞行期间经由直接输入或间接输入来修改。因此，空载+Δ中的Δ与预期速度储备(ΔV)直接相关。在示范实施例中，缺省ΔV由FMS来计算，其然后可通过机组人员输入来改写。缺省ΔV可简单地由数据库来提供；或者它可基于RTA算法所需的速度储备量来计算，以一致地在预期准确度之内满足时间限制。在这后一种情况下，到缺省ΔV计算中的输入可包括：预测风和温度的估计的不确定性、预期RTA准确度、到RTA航点(waypoint)的距离或时间、存在或缺乏其它性能条目、以及RTA算法本身的特性。在一些实施例中，ΔV可以只是内部值。

按如下所示来导出示范实施例中示出的算法。对于未加速飞行的能量交换方程表示为：

$\mathrm{VS}=\frac{T-D}{W}\·V_T---\left(1\right)$

其中

VS是飞行器的爬升率或垂直速度，

T是推力，

D是阻力，

W是飞行器的总重，以及

V_T是飞行器的真正空速。

以不同形式重写，得到：

$\frac{T-D}{W}=\frac{\mathrm{VS}}{V_T}---\left(2\right)$

方程能够陈述为：潜在的飞行路径倾角等于对于未加速飞行的实际飞行路径倾角。问题是计算比预期飞行速度要慢ΔV的空载飞行路径的飞行路径倾角(或VS)，并且然后计算以要求的飞行速度航行那个飞行路径倾角所需的推力。

航行具体飞行路径所需的推力如下给出：

$T=D+\frac{\mathrm{VS}}{V_T}\·W---\left(3\right)$

上式中需要的VS是慢ΔV的飞行路径的VS。这通过下式给出：

${\mathrm{VS}}_{-\mathrm{\ΔV}}=\frac{T_{-\mathrm{\ΔV}}-D_{-\mathrm{\ΔV}}}{W}\·V_{T-\mathrm{\ΔV}}---\left(4\right)$

代入，则：

$T=D+\frac{\frac{T_{-\mathrm{\ΔV}}-D_{-\mathrm{\ΔV}}}{W}\·V_{T-\mathrm{\ΔV}}}{V_T}\·W---\left(5\right)$

其可简化成：

$T=D+\frac{V_{T-\mathrm{\ΔV}}}{V_T}\·[T_{-\mathrm{\ΔV}}-D_{-\mathrm{\ΔV}}]---\left(6\right)$

在这个方程中：

T是空载+Δ推力解，

D是在你预期速度的阻力，

V_T是等同你预期速度的真正空速(TAS)，

V_T-ΔV是等同比你预期速度少ΔV的TAS，

T_-ΔV是在比预期速度少ΔV的空载推力，以及

D_-ΔV是在比预期速度少ΔV的阻力。

最后，这种方法具有除RTA之外的应用。建议的方法作为无需导出附加性能数据库表而并入空载+Δ下降路径的节省成本方式，对改进型规划是有用的。同样，这种方法具有作为降低爬升剖面图并支持路径爬升操作的发展的方式的应用。

图3是按照本发明一示范实施例的、在下降期间控制飞行器的方法300的流程图。方法300包括：接收302用于控制飞行器的速度储备输入，使用飞行控制处理器自动确定304比飞行器的空载飞行路径更浅的、飞行器的第一飞行路径，使用接收的速度储备来生成306配置成保持确定的飞行路径的升降舵控制信号，以及向飞行器的升降舵控制系统传送308升降舵控制信号。

如本文所使用的，术语处理器指的是中央处理器、微处理器、微控制器、精简指令集电路(RISC)、专用集成电路(ASIC)、逻辑电路、以及能够执行本文描述的功能的任何其它电路或处理器。

如本文所使用的，术语“软件”和“固件”是可互换的，并且包括存储器中存储的、供处理器104执行的任何计算机程序，存储器包括RAM存储器、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、和非易失性RAM(NVRAM)存储器。上面的存储器类型只是示范性的，因而并不限于可用来存储计算机程序的存储器的类型。

基于前面的说明书将意识到的，本公开的上述实施例可使用包括计算机软件、固件、硬件或者它们的任何组合或子集的计算机编程或工程技术来实现，其中，技术效果是：通过在将飞行器保持在可选速度储备之内的同时调整飞行器升降舵，而在下降期间控制飞行器，以保持确定的飞行路径。此外，要求保护的本发明的实施例具有优于现有技术的优点，包括不需要附加性能数据库表，并且准许能够由机组人员来修改的变量Δ。这为机组人员和航空公司提供在到达时间准确度与燃料消耗之间进行适当折衷的灵活性。此外，变量Δ能够指定为ΔV，这允许与到达时间准确度的良好相关性。最后，本发明的示范实施例的方法提供优于单个恒定FPA的许多操作益处(例如，更短的减速、更为灵活、较少的飞行器依赖)，同时在并入现有FMS功能性中的简易性方面是相当的。

具有计算机可读代码装置的任何此种结果程序可具体实现或提供在一个或多个计算机可读媒体之内，从而根据本公开讨论的实施例，制成计算机程序产品，即，制造的物品。计算机可读媒体可以非限定地例如是：固定(硬)驱动、磁盘、光盘、磁带、诸如只读存储器(ROM)的半导体存储器、和/或诸如因特网或其它通信网络或链接的任何传送/接收媒体。可通过执行直接来自一个媒体的代码、通过将代码从一个媒体复制到另一个媒体、或通过在网络上传送代码，来制成和/或使用包含计算机代码的、制造的物品。

交通工具飞行路径控制的方法和系统的上述实施例提供了用于使用飞行控制面(例如，升降舵)来沿预定飞行路径动态调整飞行器位置的、节省成本的和可靠的装置。更具体地，本文描述的方法和系统促进保持定义的垂直剖面图。因此，本文描述的方法和系统促进了：在飞行的下降阶段期间，以节省成本的和可靠的方式自动调整飞行器的速度，从而保持预定飞行路径。

本书面描述使用示例来公开本发明，其中包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何并入的方法。本发明的可专利范围由权利要求来定义，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这类其它示例具有与权利要求的字面语言并无不同的结构元件，或者如果它们包括具有与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构元件，则它们规定为落入权利要求的范围之内。

配件表

10交通工具

12推进发动机

14机身

16座舱

18机翼部件

20尾翼部件

21升降舵

22着陆部件

100交通工具速度控制系统

102控制器

104处理器

106存储器装置

108飞行器控制系统

110发动机的参数

114输入装置

115交通工具系统

116人工输入装置

118传感器

300方法

302接收用于控制飞行器的速度储备输入

304使用飞行控制处理器，自动确定比飞行器的空载飞行路径更浅的、飞行器的第一飞行路径

306使用接收的速度储备来生成配置成保持确定的飞行路径的推力控制信号

308向飞行器的速度控制系统传送推力控制信号

Claims (10)

1.一种用于控制交通工具(10)的飞行路径的控制系统(108)，所述系统包括：

输入装置(114)，配置成接收用于所述交通工具的速度储备值；

处理器(104)，通信地耦合到所述输入装置，将所述处理器编程为：

自动确定比所述交通工具的空载飞行路径更浅的、所述交通工具的飞行路径；和

使用所接收的速度储备值来生成配置成保持所确定的飞行路径的飞行控制面控制信号；以及

输出装置，通信地耦合到所述处理器，所述输出装置配置成向所述交通工具的飞行控制系统传送所述飞行控制面控制信号；

其中，所述飞行路径所需的推力为：

$T=D+\frac{V_{T-\mathrm{\Δ}V}}{V_T}\·\[T_{-\mathrm{\Δ}V}-D_{-\mathrm{\Δ}V}\]$

其中，

T是空载+Δ推力解，Δ为变量，

D是在预期速度的阻力，

V_T是等同预期速度的真正空速，

V_T-ΔV是等同比预期速度少ΔV的真正空速，ΔV为预期速度储备，

T_-ΔV是在比预期速度少ΔV的空载推力，以及

D_-ΔV是在比预期速度少ΔV的阻力。

2.如权利要求1所述的控制系统(108)，其中，所述输入装置(114)配置成接收来自以下至少之一的所述速度储备值：由用户使用用户接口手工输入和从计算值存储单元自动传送。

3.如权利要求2所述的控制系统(108)，其中，所述输入装置(114)配置成接收来自要求的到达时间(RTA)算法的所述速度储备值。

4.如权利要求1所述的控制系统(108)，其中，所述输出装置配置成向升降舵控制系统传送所述飞行控制面控制信号。

5.如权利要求1所述的控制系统(108)，其中，将所述处理器(104)编程为：当所述交通工具的飞行速度在所述速度储备值之外时确定新的飞行路径。

6.如权利要求1所述的控制系统(108)，其中，所述飞行路径是爬升路径。

7.如权利要求1所述的控制系统(108)，其中，使用预测风和温度的估计的不确定性、预期RTA准确度、到下一个RTA航点的距离或时间、以及RTA算法的特性来确定所述速度储备值。

8.一种交通工具(10)，包括：

输入装置(114)，配置成接收速度储备值输入；

控制系统(108)，包括通信地耦合到所述输入装置的处理器(104)，将所述处理器编程为：

自动确定比所述交通工具的空载飞行路径更浅的、所述交通工具的飞行路径；和

使用所接收的速度储备值来生成配置成保持所确定的飞行路径的飞行控制面控制信号；以及

输出装置，通信地耦合到所述处理器，所述输出装置配置成向飞行控制面控制系统传送所述飞行控制面控制信号；

其中，所述飞行路径所需的推力为：

$T=D+\frac{V_{T-\mathrm{\Δ}V}}{V_T}\·\[T_{-\mathrm{\Δ}V}-D_{-\mathrm{\Δ}V}\]$

其中，

T是空载+Δ推力解，Δ为变量，

D是在预期速度的阻力，

V_T是等同预期速度的真正空速，

V_T-ΔV是等同比预期速度少ΔV的真正空速，ΔV为预期速度储备，

T_-ΔV是在比预期速度少ΔV的空载推力，以及

D_-ΔV是在比预期速度少ΔV的阻力。

9.如权利要求8所述的交通工具(10)，其中，将所述处理器(104)编程为：

使用所述接收的速度储备值来生成配置成保持所述确定的飞行路径的阻力控制信号；以及

向所述飞行控制面控制系统传送所述阻力控制信号。

10.如权利要求8所述的交通工具(10)，其中，所述输入装置配置成接收来自以下至少之一的所述速度储备值：由用户使用用户接口手工输入和从计算值存储单元自动传送。