CN102542847A - 用于自动监视航空器的侧向引导命令的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于自动监视航空器的侧向引导命令的方法和设备。监视设备（1）包括用于在多个设备（E1,E2,E3）生成的引导命令之间实现比较从而能够关于航空器（AC）的侧向引导命令的生成来检测设备的故障的装置（8）。

Description

用于自动监视航空器的侧向引导命令的方法和设备

技术领域

本发明涉及用于自动监视航空器、尤其是运输机的侧向引导命令的方法和设备。

背景技术

其应用于监视为航空器的飞行控制系统提供的以及由用于航空器引导系统的侧向引导命令的计算级生成的侧向引导命令。此类计算级通常更具体地包括：

- 大反馈环，根据引导参数来确定对应于滚转控制命令的转弯开始命令；以及

- 小反馈环，根据所述滚转控制命令来确定提供给所述飞行控制系统的航空器的侧向引导命令。

尽管不排他，但是本发明更特别地应用于利用所需授权的RNP AR（《Required Navigation Performance with Authorization Required》）类型的具有需要的导航性能的操作。这些RNP AR操作基于RNAV（《aRea NAVigation》）类型的地表（surface）导航并基于RNP（《Required Navigation Performance》）类型的需要的导航性能操作。它们具有需要用于能够在航空器上实现的特殊授权的特定特征。

RNAV类型地表导航允许航空器从一个航路点（waypoint）飞向另一个航路点，并且不再从（NAVAID 类型的无线电导航装置的）地面站（ground station）飞向其他地面站。

如所知道的那样，RNP概念对应于地表导航，针对其（在航空器机上）添加了监视和警告装置，这允许确保航空器在参考航迹（trajectory）周围保持在空中走廊（corridor）中（称作RNP），并且授权考虑弯曲的航迹。在该空中走廊之外，可能潜在地存在地貌（relief）或其他航空器。RNP操作类型所需的性能由表示参考航迹周围的空中走廊的半个宽度（以海里为单位：NM）的RNP值定义，在操作期间，航空器应该保持在其中95%的时间。还定义了一半宽度是RNP值两倍的第二空中走廊（在参考航迹周围）。航空器移出该第二空中走廊的概率每飞行小时应该低于10-7。

RNP AR操作的概念仍旧甚至更严厉。RNP AR程序真正的特征在于：

- RNP 值：

· 在进场（approach）中低于或等于0.3NM，并且可能下降到0.1NM；以及

·在启动时和加速（throttling up）期间严格地低于1NM，并且也可以下降到0.1NM；

- 最终进场段，其可以是弯曲的；以及

- 障碍物（山脉、交通、…），可以关于参考航迹位于两倍于RNP值处，但是对于通常的RNP操作，提供关于障碍的附加裕度。

航空管理局（air authority）已经定义了每操作10-7的安全TLS的目标水平，而不论类型是什么。在RNP AR操作的情况中，由于RNP值可以下降到0.1NM，并且障碍物可以位于两倍于参考航迹的RNP值处，所以该目标导致航空器移出半宽度空中走廊D=2.RNP的每程序不应超过10-7的概率。

如果不提供减缓（mitigation）操作装置（包括用于检测和管理可能的破坏的装置），则航空器机上嵌入的设备（飞行管理系统、惯性单元、用于更新GPS数据的装置和用于引导自动驾驶仪的装置）以及通常的架构不允许达到安全性的目标水平。这就是该类型的操作需要特殊授权的原因，从而确保操作程序和飞行员的训练允许达到安全性的目标水平。而且，由于空勤人员（crew）应该负责某些破坏，所以当空勤人员不能够在人工驾驶中满足性能要求时，航空器如今不能够在破坏情况中保证0.1NM的RNP值。

在当前的航空器上，借助于两个通常的功能实现了RNP AR操作的监视：即：

- 第一功能，其监视位置计算的准确性和完整性：

·将位置的准确性与RNP值比较一次；

·将完整性与RNP值比较两次；以及

·如果两个参数之一，准确性或完整性超过了分配（allot）的预制，则发出警告并且空勤人员应该采取适当的动作；以及

- 第二功能，允许空勤人员监视航空器的引导：

·显示并且向空勤人员示出航空器关于参考航迹的侧向和竖直偏差；

·空勤人员监视与分配给每个偏差的预算进行比较的偏差。如果空勤人员检测到过度偏差，则其应该将航空器再次保持在控制之下并且采取足够的修正性动作。

如上所述，当前的航空器不能够在破坏情况中保证0.1NM的RNP值，并且空勤人员应被针对飞行RNP AR程序特别地训练。空勤人员确实应该能够充分地检测并处理能够损害正在进行的操作的破坏。

未来航空器的目的是能够利用直到0.1NM的RNP值来飞行RNP AR程序，并且这在启动、进场和加油阶段没有限制（在正常情况中和在破坏的情况中）。为此，空勤人员应该不再被视为用于检测和处理破坏的主要手段。

如上所述，通常为航空器提供引导系统，该引导系统包括用于引导命令的至少一个计算级，引导命令旨在用于航空器的飞行控制系统。现在，为了航空器具有飞行特定程序并且包括RNP AR程序的能力，需要能够从引导环移除用于引导命令的计算的错误源，从而抵消其对于航空器航迹的可能影响。

发明内容

本发明目的在于提供允许检测侧向引导命令的计算的错误源的此类解决方案。其涉及一种用于自动监视航空器、尤其是运输机的侧向引导命令的方法，为航空器提供用于引导命令的至少一个计算级，引导命令旨在用于航空器的飞行控制系统。

为此，根据本发明，用于监视航空器的侧向引导命令的所述方法，为所述航空器提供用于侧向引导命令的至少一个计算级，所述计算级包括：

- 至少一个大反馈环，根据引导参数来确定对应于滚转控制命令的转弯开始命令；以及

- 至少一个小反馈环，根据所述滚转控制命令来确定旨在用于飞行控制系统的航空器的侧向引导命令，

值得注意的是：

- 在用于侧向引导命令的所述计算级上提供一种架构，该架构包括至少N件设备，为每件设备至少提供一个大反馈环并且每件设备能够在关联的大反馈环出口（outlet）中生成滚转控制命令，N是高于或等于3的整数；

- 自动地并且重复地进行比较，在所述N件设备生成的滚转控制命令的两两之间进行比较；

- 如果适用，则根据这些比较，关于航空器的侧向引导命令的生成确定具有故障的一件设备；以及

- 当一件设备已经故障时，在航空器的座舱（cockpit）中发出至少一个对应的警告。

因此，归功于本发明，在所述N件设备生成的滚转控制命令之间进行比较，从而只要发生错误,即只要一件设备关于侧向引导命令的生成故障就能够检测到扩散（diverging）源。此外，如下详细所述，该故障的检测是可靠的。

对错误的侧向引导命令的源的确定和排除更具体地允许满足以下目的，其由以下内容组成：

- 通知空勤人员关于具有故障（或缺陷）的那件设备；

- 对于证实的故障，避免继续使用源；以及

- 准备维护操作，该维护操作用于替换具有故障的该件设备。

有利地，对于每件设备：

- 计算该件设备生成的滚转控制命令与其他件设备中每个生成的每个控制命令之间的偏差；

- 将每个因此计算的偏差与监视阈值进行比较；以及

- 如果所有对应的偏差都高于所述监视阈值，则认为所述件设备具有故障。

此外，在优选实施例中，针对所述大反馈环的至少一个入口参数提供对故障检测的预期（anticipation），附加地实现以下操作：

- 进行比较，在所述设备分别使用的相对于所述入口参数的值两两之间进行比较；以及

- 如果适用，则根据这些比较，预期地关于航空器的侧向引导命令的生成确定一件设备故障。

在该优选实施例中，有利地，针对每件设备：

- 计算被认为是该件设备使用的入口参数的值与每个其他件设备使用的所述入口参数的每一个值之间的偏差；

- 将因此计算的偏差中的每个与辅助监视阈值进行比较；以及

- 如果所有对应的偏差都高于所述辅助监视阈值，则认为所述件设备具有故障。

优选地，使用以下入口参数中的至少一个：

- 航空器关于航迹的位置的偏差，这影响用于修正该偏差的滚转控制命令；

- 航空器关于航迹的朝向的偏差，这也影响滚转控制命令；以及

- 标称（nominal）滚转，表示默认适用于下一转弯的滚转控制命令。

与下一转弯比较，以相位超前计算所述标称滚转。其监视允许预期航迹的构建故障。该信息可以用于使有缺陷的那件设备在其可以生成错误的滚转控制命令之前无效。

在特定实施例中，同时分析若干所述入口参数的值用于关于侧向引导命令的生成来监视一件设备。通过图示，如果将对上述位置和朝向偏差的监视进行组合，则对上述位置和朝向偏差的监视允许识别飞行平面或从其构建的航迹的定义的问题。它们的影响对于滚转控制命令是瞬时的。

此外，有利地，当检测到有缺陷的那件设备时，向维护装置通知关于该故障，从而更具体地准备用于替换或修理具有故障的该件设备的维护操作。

此外，有利地，如果认为所有的相应偏差都高于阈值（监视阈值或辅助监视阈值）持续预定的时段，则认为一件设备一定故障。

本发明还涉及一种用于自动监视航空器、尤其是运输机的侧向引导命令的设备，为航空器提供用于为航空器的飞行控制系统提供的侧向引导命令的至少一个计算级。

根据本发明，所述类型的设备包括用于侧向引导命令的至少一个计算级，所述计算级包括：

- 至少一个大反馈环，根据引导参数来确定转弯开始命令；以及

- 至少一个小反馈环，根据所述转弯开始命令来确定提供给飞行控制系统的航空器的侧向引导命令，

值得注意的是：

- 所述计算级具有一种架构，该架构包括至少N件设备，为每件设备至少提供一个大反馈环并且每件设备能够在关联的大反馈环出口中生成滚转控制命令，N是高于或等于3的整数；

- 所述设备还包括监视装置，形成该监视装置从而自动地并且重复地进行比较，在所述N件设备生成的滚转控制命令的两两之间进行比较，并且如果适用，则根据这些比较，关于航空器的侧向引导命令的生成确定一件设备故障；以及

- 警告装置，用于当一件设备被视作具有故障时，在航空器的座舱中发出至少一个对应的警告。

在优选实施例中，所述监视装置包括预期装置，用于如果适用则预期地确定(关于航空器的侧向引导命令的生成)一件设备故障。

优选地，形成所述预期装置从而针对所述大反馈环的至少一个入口参数进行比较，例如位置或朝向偏差或标称滚转，在所述件设备分别使用的相对于所述入口参数的值两两之间进行比较，以及如果适用则根据这些比较预期地关于航空器的侧向引导命令的生成确定一件设备故障。

本发明还涉及：

- 引导系统，包括诸如本文上面提及的监视设备；和/或

- 航空器，尤其是运输机，为其提供此类引导系统和/或此类监视设备。

附图说明

附图的图将更好地解释本发明可以如何实现。在这些图中，同样的参考数字涉及同样的部件。

图1和2是根据本发明的设备的两个不同实施例的框图。

具体实施方式

根据本发明的并且在图1和2中示意性示出的设备1旨在用于自动地监视航空器AC、尤其是运输机的侧向引导命令。

航空器A机上的设备1包括用于侧向引导命令的至少一个计算级3，该侧向引导命令旨在用于航空器的通常的飞行控制系统，如图上的链接4所示。特别地，可以使用设备1，从而利用需要的导航和引导性能帮助执行空中操作，并且更具体的是RNP AR操作。

用于侧向引导命令的计算级3通常包括：

- 至少一个大反馈环，通常根据引导参数来确定对应于滚转控制命令的转弯开始命令。经由链接7从用于管理航迹的通常的装置6接收这些引导参数。这些装置6针对它们的处理使用经由链接9由通常的装置8接收的飞行平面以及如由图1上的混合线中的链接10所示的、从传感器和通常的计算装置接收的航空器的姿态和位置的数据；以及

- 至少一个小反馈环12，通常根据所述滚转控制命令并且根据来自于致动器和传感器（如由混合线中的链接13所示的）的数据来确为飞行控制系统提供的航空器AC的所述侧向引导命令。

因而，根据飞行平面中呈现的信息和更具体地反映航空器AC关于期望的航迹的位置的数据，大侧环5的传递函数计算航空器AC的转弯开始命令。之后向小环12的传递函数传输该命令用于支配（slave）航空器AC。

此外，在特定实施例中，在下面进一步详述的钝化（passivation）装置14被布置在反馈环5和12之间，它们分别经由链接15和16链接到装置14。

监视设备1是航空器AC的引导系统2的部分。已知通常引导系统2除了用于引导命令的所述计算级3之外还包括至少以下后继级（未具体示出）：

- 用于航空器位置的一个计算级；

- 用于航空器的飞行平面的一个管理级；

- 用于航空器位置的一个计算级；以及

- 用于偏差的一个计算级。

根据本发明，并且如图1所示：

- 用于侧向引导命令的所述计算级3具有一种架构，该架构包括至少N件设备E1、E2、E3，为每件设备至少提供一个大反馈环5并且每件设备能够在关联的大反馈环5的出口中生成滚转控制命令，N是高于或等于3的整数。该冗余的引入允许产生若干可比较的滚转控制命令；以及

- 所述设备1还包括监视装置18。此类监视装置18包括包含集成元件（未示出）的单元17：

·用于自动地并且重复地进行比较，在所述件设备E1、E2、E3的所述N个大反馈环5生成的与经由链接19（链接到链接15）接收的滚转控制命令之间进行比较；以及

·用于如果适用，则根据这些比较关于航空器AC的侧向引导命令的生成确定一件设备故障，其是不再能够生成有效（无错误）的侧向引导命令的设备；以及

- 警告装置20，经由链接21链接到所述监视装置18并且形成该警告装置20从而在一件设备被所述监视装置18视作具有故障时，在航空器AC的座舱中发出至少一个（可视的或声音）警告。

因此，根据本发明的设备1在所述N件设备E1、E2、E3的N个大反馈环5生成的滚转控制命令之间进行比较，从而只要发生错误,即只要一件设备关于侧向引导命令的生成故障就能够检测到扩散源。此外，该故障的检测是可靠的。

根据本发明的用于检测和隔离具有故障的设备或系统的架构因此依赖于三重（triplex）架构原理（或利用N件设备（N≥3））并且使用三个源（E1到E3设备）或更多个源以至少计算级3的水平提供的用于在航迹上支配航空器的引导命令，这允许以该级3的水平自动检测并隔离故障。此外，该级3可以由相同的设备（对称级）或不同的设备（不对称级）组成。

在优选的未示出的实施例中，引导系统2的上述级中的每个具有包括至少N件设备的此类架构。

此外，当监视装置18确定一件设备故障时，它们经由链接21关于该故障来通知维护装置22，这允许更具体地准备用于替换具有故障的该件设备的维护操作。

此外，在特定实施例中，钝化装置14实现对来自于每个计算链的命令的分析。这些钝化装置14目标在于比较来自于每个引导串的命令并且隔离缺陷值。它们之后向反馈环12传输有效命令。该已知原理允许忽略引导串的任何简单故障对于航空器AC的航迹的影响。利用该类架构，钝化错误的引导命令使得错误的引导命令不影响航空器AC的航迹是可能的。然而，该钝化解决方案不识别错误的源，这在另一方面由根据本发明的监视装置18实现。

对错误的侧向引导命令的源的确定和排除更具体地允许满足以下目的，该目的由以下内容组成：

- 借助于警告装置20通知空勤人员关于该件设备的故障；

- 对于证实的故障，更具体地借助于钝化装置14避免继续使用源；以及

- 作为向装置22提供信息的结果，准备维护操作，该维护操作用于替换具有故障的该件设备。

在图1的基本实施例中，通过监视N个大反馈环5生成的滚转控制命令，其具有对航空器的航迹的直接影响，一旦可直接观察到故障，监视装置18就能够识别故障。

为了预期异常的发生，在图2的优选实施例中提供一种附加机制。其原理涉及监视大反馈环5的传递函数的至少一个入口参数。

在该优选实施例中，所述监视装置18包括预期装置23，用于如果适用，则预期地关于航空器AC的侧向引导命令的生成确定一件设备故障。

在该优选实施例中，所述监视装置18经由链接24链接到设备E1到E3的大反馈环5的入口，用于恢复一个或多个入口参数的值，如图2所示。为了清楚的原因，在该图2上没有示出链接10和13以及装置8，但是它们也存在于系统2上。

所述预期装置23包括用于针对设备E1到E3中的每件实现以下操作的集成元件（未示出），该操作由以下内容组成：

- 计算该件设备生成的滚转控制命令与其他件设备中每个生成的每个控制命令之间的偏差；

- 将每个因此计算的偏差与辅助监视阈值进行比较；以及

- 如果所有对应的偏差都高于所述辅助监视阈值，则认为所述件设备具有故障。

优选地，预期装置23使用以下入口参数中的至少一个：

- 航空器AC关于航迹的位置的偏差，这影响用于修正该偏差的滚转控制命令；

- 航空器AC关于航迹的朝向的偏差，这也影响滚转控制命令；以及

- 标称滚转，表示默认适用于下一转弯的滚转控制命令。

与下一转弯比较，以相位超前计算所述标称滚转。其监视允许预期航迹的构建故障。该信息可以用于使有缺陷的设备在其可以生成错误的滚转控制命令之前无效。

在特定实施例中，所述预期装置23同时分析若干所述入口参数的值，用于关于侧向引导命令的生成来监视一件设备。通过图示，如果将对上述位置和朝向偏差的监视进行组合，则对上述位置和朝向偏差的监视允许识别飞行平面或从其构建的航迹的定义的问题。它们的影响对于滚转控制命令是瞬时的。

此外，监视装置18认为：

- 只要源移出预定义的监视阈值就将其视作（至少临时地）具有故障；以及

- 只要确认超过阈值（监视阈值或辅助监视阈值）还持续预定义的时段就最终将源视作具有故障。

在优选实施例中，如图1和2所示：

- 所述件设备E1、E2、E3中的每个集成在FMS（《Flight Management System》）类型的飞行管理系统S1、S2、S3中；以及

- 所述监视装置18集成在FCGS（《Flight Control and Guidance System》）类型的至少一个飞行控制和引导系统S4中。

在RNP-AR上下文中，对这些参数之一上的异常的检测导致向维护系统22通知缺陷（飞行管理）系统S1、S2、S3并且在座舱中触发警告（装置20）以便通知空勤人员。架构和上述不同的监视功能因此允许航空器AC满足对于RNP AR操作而言固有的安全性要求，其能够自动检测、识别并隔离具有故障的系统。

根据本发明的监视机制因此：

- 基本上（图1）根据转弯开始的命令在大引导环的传递函数的出口中；以及

- 此外（图2），根据大引导环的传递函数的入口参数；

操作。

应该替代地注意到：

- 在上述特点实施例中描述的三重架构可以被由针对函数的每个组成部分（contributor）的大量冗余替换；以及

- 每个组成部分还具有内部架构，令其冗余不基于相同的系统。

Claims (12)

1. 一种用于自动监视航空器（AC）的侧向引导命令的方法，为所述航空器（AC）提供用于侧向引导命令的至少一个计算级（3），所述侧向引导命令被提供给飞行控制系统，所述计算级（3）包括：

- 至少一个大反馈环（5），根据引导参数来确定对应于滚转控制命令的转弯开始命令；以及

- 至少一个小反馈环（12），根据所述滚转控制命令来确定所述航空器的所述侧向引导命令，

在方法中：

- 在所述计算级（3）上，提供包括至少N件设备（E1，E2，E3）的架构，为每件设备至少提供一个大反馈环（5）并且所述每件设备能够在关联的大反馈环（5）的出口中生成滚转控制命令，N是高于或等于3的整数；

- 自动地并且重复地进行比较，在所述N件设备（E1，E2，E3）生成的所述滚转控制命令的两两之间进行比较；

- 如果适用，则根据这些比较，关于所述航空器的侧向引导命令的生成确定一件设备故障；以及

- 当一件设备具有故障时，在所述航空器（AC）的座舱中发出至少一个对应的警告，

在方法中，此外，针对所述大反馈环（5）的至少一个入口参数：

- 进行比较，在所述件设备分别使用的相对于所述入口参数的值两两之间进行比较；以及

- 如果适用，则根据这些比较，预期地关于所述航空器（AC）的侧向引导命令的生成确定一件设备故障。

2. 根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，针对每件设备：

- 计算该件设备生成所述滚转控制命令与每个其他件设备生成的每个控制命令之间的偏差；

- 将因此计算的偏差中的每个与监视阈值进行比较；以及

- 如果所有对应的偏差都高于所述监视阈值，则认为所述件设备具有故障。

3. 根据权利要求1和2中任一项所述的方法，

其特征在于，针对每件设备：

- 计算在被认为由该件设备使用的入口参数的值与每个其他件设备使用的所述入口参数的每一个值之间的偏差；

- 将因此计算的偏差中的每个与辅助监视阈值进行比较；以及

- 如果所有对应的偏差都高于所述辅助监视阈值，则认为所述件设备具有故障。

4. 根据权利要求1至3中任一项所述的方法，

其特征在于使用以下入口参数中的至少一个：

- 所述航空器（AC）关于所述航迹的位置的偏差；

- 所述航空器（AC）关于所述航迹的朝向的偏差；以及

- 标称滚转。

5. 根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于同时分析若干入口参数的值用于关于侧向引导命令的生成来监视一件设备。

6. 根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，当确定一件设备故障时，向维护装置（22）通知关于该故障。

7. 根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于如果所有对应的偏差都高于对应的监视阈值持续了预定的时段，则认为一件设备一定具有故障。

8. 一种用于自动监视航空器的侧向引导命令的设备，所述设备（1）包括用于侧向引导命令的至少一个计算级（3），所述侧向引导命令被提供给飞行控制系统，

所述计算级（3）包括：

·至少一个大反馈环（5），根据引导参数来确定转弯开始命令；以及

·至少一个小反馈环（12），根据所述转弯开始命令来确定所述航空器的所述侧向引导命令，

- 所述计算级（3）具有一种架构，所述架构包括至少N件设备（E1，E2，E3），为每件设备至少提供一个大反馈环（5）并且所述每件设备能够在关联的大反馈环（5）的出口中生成滚转控制命令，N是高于或等于3的整数；

所述设备（1）还包括监视装置（18），形成所述监视装置（18）从而自动地并且重复地进行比较，在所述N件设备（E1，E2，E3）生成的所述滚转控制命令的两两之间进行比较，并且如果适用，则根据这些比较，关于所述航空器（AC）的侧向引导命令的生成来确定一件设备故障，以及警告装置（20），用于当一件设备具有故障时，在所述航空器（AC）的座舱中发出至少一个对应的警告；

所述监视装置（18）包括预期装置（23），其用于如果适用则预期地关于所述航空器（AC）的侧向引导命令的生成来确定一件设备故障，形成所述预期装置（23）从而针对所述大反馈环的至少一个入口参数进行比较，在所述件设备分别使用的相对于所述入口参数的值两两之间进行比较，以及如果适用则根据这些比较预期地关于所述航空器（AC）的侧向引导命令的生成确定具有故障的一件设备。

9. 一种航空器的引导系统，所述引导系统（2）包括用于侧向引导命令的至少一个计算级（3），所述侧向引导命令被提供给航空器（AC）的飞行控制系统，

其特征在于其包括诸如在权利要求8中指定的监视设备（1）。

10. 根据权利要求9所述的系统，

其特征在于所述监视装置（18）集成在所述引导系统（2）的引导和控制计算器（S4）中。

11. 一种航空器，

其特征在于其包括诸如在权利要求8中指定的监视设备（1）。

12. 一种航空器，

其特征在于其包括诸如在权利要求9和10的任一项中指定的引导系统（2）。

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