CN103294062A - 用于沿着飞行路径驾驶飞行器的方法 - Google Patents

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CN103294062A CN2013100567652A CN201310056765A CN103294062A CN 103294062 A CN103294062 A CN 103294062A CN 2013100567652 A CN2013100567652 A CN 2013100567652A CN 201310056765 A CN201310056765 A CN 201310056765A CN 103294062 A CN103294062 A CN 103294062A
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Abstract

本发明的名称为：“用于沿着飞行路径驾驶飞行器的方法”。一种基于如下步骤来沿着飞行路径驾驶具有相关联的性能包络的飞行器的方法：基于飞行器的性能包络，确定沿着飞行路径的巡航爬升的高度分布图；以及沿着飞行路径驾驶飞行器，以接近高度分布图。

Description

用于沿着飞行路径驾驶飞行器的方法
背景技术
在驾驶当代飞行器时，可考虑沿着飞行器飞行路径的航路点（waypoint）处的气象数据，以确定估计抵达时间，以及在飞行器的飞行期间的燃料燃烧。一般而言，天气数据和风数据(在高度处的方向和速度)和温度数据(在高度处的温度)特别地对飞行成本有显著影响。特别地，所消耗的燃料和飞行的持续时间显著地受风速、风向和大气温度的影响。飞行管理系统(FMS)可能考虑在飞行器飞行时通过通信系统从地面站上载到FMS的风速和温度数据，或者由飞行员输入的风速和温度数据。虽然可用的气象数据量大，而且可包括沿着飞行器飞行路径或在飞行器飞行路径附近的多个点，但对这个大量数据的实时使用有实际限制。例如，FMS可在可输入天气数据的数据点的数量方面受到限制。
发明内容
在一个实施例中，一种沿着飞行路径驾驶具有相关联的性能包络(envelope)的飞行器的方法，包括：基于飞行器的性能包络，确定沿着飞行路径的巡航爬升(cruise-climb)的高度分布图(profile)；确定沿着飞行路径的合法飞行水平(flight level)；以及沿着飞行路径在合法飞行水平之间以阶跃方式驾驶飞行器，以接近服从合法飞行水平之间的阶跃中的至少一个约束的高度分布图。
附图说明
在图中：
图1是包括根据本发明的实施例的飞行路径的、飞行器的若干飞行路径的示意性图解；
图2是根据本发明的实施例的方法的结果的示意性图解；以及
图3是根据本发明的实施例的方法的结果的示意性图解。
部件列表
10 飞行路径轨迹
12 起点
14 终点
16 爬升阶段
18 巡航阶段
20 降落阶段
22 爬升
24 降落
30 恒定高度巡航
32 理论巡航爬升分布图
34 阶跃爬升安排
40 巡航爬升高度分布图
42 最大额定高度
46 合法飞行水平
48 合法飞行水平
50 合法飞行水平
52 合法飞行水平
54 飞行路径
56 危险
58 降落分布图
60 点
62 点
64 阶跃
66 阶跃
130 巡航高度
140 巡航爬升高度分布图
142 最大高度
146 合法飞行水平
148 合法飞行水平
150 合法飞行水平
152 合法飞行水平
154 飞行路径
156 危险
160 阶跃
164 阶跃降落。
具体实施方式
飞行器的飞行路径大体包括爬升、巡航和降落。当代大多数飞行器包括用于产生飞行路径轨迹10以及沿着飞行路径轨迹10驾驶飞行器的FMS。FMS可基于命令、航路点数据和诸如天气数据的附加信息(所有这些都可接收自航空公司运行中心或飞行员)自动地为飞行器产生飞行路径轨迹10。可使用通信链路将这种信息发送给飞行器。通信链路可为任何各种各样的通信机制，包括(但不限于)分组无线电和卫星上行链路。以非限制性示例的方式，飞行器通信寻址和报告系统(ACARS)是用于通过无线电或卫星在飞行器和地面站之间传输消息的数字数据链路系统。信息也可由飞行员输入。
图1是飞行器的、呈飞行器轨迹10的形式的飞行路径的示意图。轨迹始于起点12，诸如出发机场，并且止于终点14，诸如目的地机场。在起点12和终点14之间的横穿包括爬升阶段16、巡航阶段18和降落阶段20，它们都包括在轨迹10中。
爬升阶段16、巡航阶段18和降落阶段20通常作为数据点输入到FMS中。为了此描述的目的，术语数据点可包括任何类型的数据点，包括航路点、航线上的航路点和高度，而且不限于特定的地理位置。例如，数据点可以只是高度，或者可为特定的地理位置，地理位置可由任何坐标系表示，诸如经度和纬度。以非限制性示例的方式，数据点可为3D或4D的；飞行器轨迹10的四维描述限定了在3D空间中，飞行器在任何给定时间点处于何处。各个数据点可包括相关联的信息，诸如天气数据，天气数据可包括温度数据以及有风向或没有风向的风数据。
对于爬升，可输入对应于爬升的顶部22处的高度A的数据点，对于巡航阶段18，可输入航线上的航路点B；而对于降落阶段20，可输入各种高度。在起飞之后，飞行器典型地保持在爬升阶段16中直到爬升的顶部22，且然后在巡航阶段18期间遵从航线上的航路点直到降落的顶部24，在此处，飞行器开始降落阶段20。在飞行器在这些阶段期间完成其到达这样的高度的轨迹10的意义上，爬升阶段16和降落阶段20中的高度A是航路点。可基于地面助航设备(Navaids)的位置，沿着飞行器的轨迹10选择航线上的航路点B。轨迹10中也可包括伪航路点(pseudo-waypoint)P，而且伪航路点P是为了与轨迹10的参数有关的一些目的而创建的人工参考点，并且不限于地面助航设备。在轨迹的建立的数据点设定好之前或之后，可限定伪航路点P。可用各种方式限定伪航路点，诸如通过纬度和经度，或者通过沿着当前轨迹的特定距离，诸如沿轨线航路点。
针对任何数据点，可输入天气数据，诸如在高处的风和温度。这种天气数据改进FMS飞行预测。可从天气数据库中获得天气数据，天气数据库可包含实时天气数据或预测天气数据。这样的天气数据库可包含关于某些与天气有关的现象(除了别的之外，例如风速、风向、温度)的数据，以及与可见度(例如多雾、多云等)、降水(雨、冰雹、雪、冻雨等)和其它气象信息有关的数据。因为在计算轨迹时必须考虑空气温度和风，以确保飞行器能准确地遵从期望轨迹，所以天气数据库可包括局部空域的3D实时温度和风模型以及4D预测数据。天气数据库可存储在特定纬度、经度和高度处的这种实时或预测天气数据。
提供飞行器的轨迹附近的天气分布图的更好表示的准确天气数据将产生更准确的FMS预测，从而使飞行器燃料使用和抵达时间的估计得到改进。用来准备天气分布图的更多天气数据将典型地产生更准确的天气分布图，天气数据也将是更加新的。但是，从地面站将所有相关天气数据从天气数据库提交给FMS的能力可受到FMS本身的限制，因为FMS典型地限制飞行轨迹上的、可输入天气数据以及最终用于轨迹预测的数据点的数量。在许多FMS中，容许数据点的总数量小于10，而对于轨迹天气数据库可具有数百个相关数据点。
可理解的是，在巡航阶段18期间，在高度上可能有一些变化，尤其是横跨大陆的飞行，其中，飞行器可改变其仰角以利用盛行风(诸如急流)或者最小化盛行风的影响，以在燃料燃烧时爬升到更高的高度，或者避开湍流。航空公司如今典型地提出包括仅单个巡航高度的飞行计划。但是，在大多数飞行中，在燃料燃烧以及风和温度状况改变时改变巡航高度在成本上更有效。一些更先进的FMS在飞行器上提供用以确定何时阶跃(step)到新巡航高度更有益的功能性；但是，许多FMS不具有这个功能性，而且就是提供该功能性的那些FMS在执行这些计算时也无法估计空域约束(诸如与其它飞行器的潜在冲突)，以及典型地计算仅仅一个阶跃位置。此外，巡航高度变化典型地需要与航空公司的飞行调度员配合，调度员没有这个现成的信息。
大多数现代FMS允许仅由巡航航路点输入巡航风。另外，当代FMS可仅允许FMC中有一个风级，这会妨碍在机上基于风和重量来计算对于风最优的巡航高度或者最佳阶跃爬升点，以及导致恒定高度巡航30。一些长距离飞行器在各个航路点在多达5个飞行水平处获取风，从而允许计算对于风最优的巡航高度和用以优化到达更高的巡航水平的巡航阶跃的单一位置。但是，如果风在飞行的巡航部分中显著地改变，将需要沿着飞行路径限定多个航路点，以规定待用于FMS中的风。此外，许多FMS能仅在当前限定的巡航水平处使用风，使得在飞行器上确定对于风最优的巡航水平是不可能的。另外，任何巡航高度优化的益处依赖于预测的风数据的准确性，预测的风数据依赖于用来获得它的天气预报服务而显著地改变。
理论巡航分布图将使用自动油门上的恒定推力设置，这将引起大体连续的爬升分布图(假设天气状况恒定)，随着最大高度的接近，爬升速率减小。这个最大高度随着飞行器总重减小而提高，直到达到绝对最大飞行水平为止。在这点处，稳定的巡航轨迹将不在固定高度处，而随环境风和温度状况变化而改变，从而影响达到的实际推力。这可产生巡航爬升，巡航爬升被认为是最有效的爬升方式。典型地，巡航爬升是基于以下步骤的：将发动机的推力设定在其最有效位置处(该推力通常是最大连续推力水平(thrust level))，且然后让飞行器在其燃烧燃料时自然地爬升。当在固定推力中存在固定力时，将引起固定提升，而且随着飞行器由于燃烧掉燃料而减轻重量时，固定提升将使飞行器增加高度(爬升)到更稀薄的空气中，这会减少提升。因而，在巡航爬升时，飞行器自然地基于飞行器的推力设置和当前重量来寻找均衡高度。示意性地示出了这种理论巡航爬升分布图32。由于目前的飞行器飞行控制系统、空中交通的限制以及为了分离而由空中交通控制分配的飞行水平，理论巡航爬升分布图32目前是无法实现的。应当注意的是，起飞和降落在很大程度上受当地空中交通控制管制。
理论巡航爬升分布图最有效但在实际上不可行；已经确定的是，可使用受约束的阶跃式爬升方法来实现对这个理论巡航爬升分布图32的接近。本发明的实施例计算理论巡航爬升分布图32的多个阶跃位置和巡航高度，并且考虑空中交通控制程序和约束，而且可产生在有适用的约束的情况下接近巡航爬升的阶跃爬升安排34。本发明的实施例包括沿着飞行路径驾驶具有相关联的性能包络的飞行器的方法。将理解的是，除了别的之外，性能包络可包括飞行器的恒定推力水平。这可包括飞行器的最大爬升推力和/或最大恒定推力。方法包括：基于飞行器的性能包络来确定巡航爬升的高度分布图，确定沿着飞行路径的合法飞行水平，以及沿着飞行路径以阶跃方式在合法飞行水平之间驾驶飞行器，以接近服从在合法飞行水平之间的阶跃的至少一个约束的巡航爬升分布图。术语合法飞行水平指的是ATC容许的、针对给定轨迹的飞行水平。为了确保飞行器分隔，通常的做法是容许在某些预定飞行水平处的巡航飞行。例如，东西交通可具有一组合法飞行水平，而南北交通可具有不同的一组合法飞行水平，而且这两组不重叠，这趋向于防止空中碰撞。其它因素也可限制合法飞行水平。
确定沿着飞行路径的巡航爬升的高度分布图可包括计算理论巡航爬升分布图32或其它类似的恒定巡航爬升分布图。通过使用对于熟悉飞行器轨迹计算领域的那些人来说熟知的运动等式，可针对给定的推力设置来计算飞行器的竖向轨迹。一个这种方法将使用等式1中示出的一般飞行器运动等式，该等式基于应用于沿着飞行器轨迹的两个点的能量守恒原理。这有时被称为能量交换等式。在这个等式中，                                               
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
表示真实空气速度随着高度的变化。
       (1)
其中：
VS=以英尺/秒(fps)为单位的竖向速度，
T=以磅为单位的推力，
D=以磅为单位的阻力，
W=以磅为单位的重量，
V T =以英尺/秒为单位的真实空气速度，
G=重力加速度
Figure DEST_PATH_IMAGE006A
=惯性速度随着高度的变化，根据对地速度的变化计算得出
CTMP=能量交换温度系数。
等式2改为使用真实空气速度随着时间的变化dVT/dt表示能量交换等式，
Figure 514274DEST_PATH_IMAGE008
      (2)
任何一个等式都可用来确定巡航爬升高度分布图。巡航爬升的高度分布图可包括在以恒定推力水平驾驶飞行器时，飞行器沿着飞行路径的高度。例如，在这些等式中，所使用的推力(T)或者可为最大爬升推力，或者可为基于待驾驶的飞行器的性能包络的最大恒定推力。潜在地，可使用它们的组合，其中，在给定高度(诸如原始巡航高度)之下使用最大爬升推力，并且在那个高度之上使用最大恒定推力。来自飞行器发动机的推力以及机身阻力随温度而改变，所以竖向速度将在温度改变时显著地改变。这可导致巡航爬升高度分布图40具有非常非线性的竖向路径，如图2中示出的那样。巡航爬升高度分布图40也可受到最大额定高度42的限制。也就是说，如果巡航爬升高度分布图40最终达到规定的最大高度42，则巡航爬升高度分布图40应当稳定在那个高度，而非继续爬升。
考虑到空中交通约束，构想到的是，可确定沿着飞行路径的合法飞行水平。这样的合法飞行水平已经示意性地被示为合法飞行水平46、48、50和52。这些合法飞行水平46、48、50和52限定飞行器出于空中交通许可目的而可飞行的高度。最大额定高度42也可为出于空中交通许可目的的合法飞行水平。虽然已经示出四个中间合法飞行水平，但构想到的是，沿着飞行路径可确定任何数量的合法飞行水平。另外，这样的合法飞行水平可取决于飞行路径而改变。然后可沿着飞行路径以阶跃方式在合法飞行水平46、48、50和52之间驾驶飞行器，直到最大额定高度42，以接近巡航爬升高度分布图40。照这样，合法飞行水平46、48、50和52限定飞行器随着整个飞行中的重量、风和温度变化可阶跃(在高度之间爬升或者降落)到的可能中间巡航高度。
如示意性地被示为飞行路径54那样以阶跃方式驾驶飞行器可服从在合法飞行水平之间的阶跃中的至少一个约束。例如，一个约束可为在阶跃到另一个合法飞行水平之前，沿着合法飞行水平飞行预定距离。例如，可为合乎需要的是，在爬升或降落到新高度之前，各个中间巡航高度保持至少50海里，以避免燃料浪费。可通过在离之前的巡航高度的起点为预定最小值的点处搜索新阶跃点来实现这一点。
另一个约束可以为，在沿着飞行路径用阶跃方式飞行时，飞行必须在巡航爬升高度分布图40之下的合法飞行水平处进行。可通过确定下一个合法飞行水平来实现这一点，该下一个合法飞行水平完全低于巡航爬升高度分布图40达至少为50海里的预定最小值。在这样的确定期间可进阶到(step through)合法飞行水平，以确定它们是否符合这种约束。
又一个约束可为，必须构建飞行路径54，使得飞行器必须在低于巡航爬升高度分布图40的最高合法飞行水平处飞行。构想到的是，在确定飞行路径54的阶跃中，在这样的确定期间可进阶到合法飞行水平以确定它们是否符合给定约束。如果在巡航爬升高度分布图40之下不存在更高的巡航高度，而且飞行器可在这种最高合法飞行水平处飞行至少50海里，则最终可确定合法飞行水平对于飞行路径的下一阶跃是有效的飞行水平，并且该高度可用作新的中间巡航高度。
沿着飞行路径54用阶跃方式驾驶飞行器可受到又一个约束的影响：必须避开飞行路径上的危险，诸如危险56。危险56可包括诸如以下的事件：例如当飞行器将小于离另一个飞行器的限定的最小分隔距离时与其它飞行器的冲突，湍流或其它天气危险。构想到的是，这种危险56也可以是基于概率的，也就是说，那个危险必须高于实际发生的某个概率或可能性从而值得被看作实际危险。如果针对飞行计划的阶跃估计的合法飞行水平处发生这种危险56，则合法飞行高度对于飞行计划的下一阶跃无效。如果被估计的合法飞行水平是最高合法飞行水平，可估计下一个更低的合法飞行水平。如果在合法飞行水平处发生危险，而且该危险离阶跃的起点大于50海里的预定最小量，仍然可认为试验高度对于飞行路径的下一阶跃有效，并且该高度可用作新的中间巡航高度。
当确定合法飞行水平对巡航高度变化有效时，阶跃(可为爬升或者降落)到新高度作为巡航阶跃点，并且记录新的中间巡航高度。可针对飞行计划的整个巡航部分来确定这样的关于飞行计划的各个阶跃的新高度的确定。
构想到的是，可沿着飞行器的飞行路径确定降落分布图58。可从目的机场/飞机跑道(未显示)后向计算降落分布图58，直到它与或者预先限定的最大高度42或者巡航爬升高度分布图40相交为止。这将限定在没有任何类型的空中交通约束的情况下可飞行的真实最佳分布图。可沿着飞行路径54用阶跃方式驾驶飞行器，直到达到这样的交点为止，在这点处，可根据降落分布图58来操作飞行器，以使其降落。
继续参照图2，可理解的是，恒定高度巡航30等于合法飞行水平46。确定在飞行计划54期间在什么合法飞行水平驾驶飞行器的初始迭代可确定在点60处可对合法飞行水平48执行阶跃爬升。在点60后面的50海里的预定最小量(其已被示意性地示为点62)处，可作出关于沿着飞行路径54的下一阶跃的确定。可尝试合法飞行水平50来看看是否有效；但是，沿着合法飞行水平50存在危险56，使得合法飞行水平50的区段被宣布不再合法，并且继续进行确定。虽然超过危险56后合法飞行水平50将是合法和有效的高度，但过程确定合法飞行水平52在超过点62后也是合法和有效的，而且由于它是更高的高度，所以过程确定合法飞行水平52应当用作在沿着飞行路径54的阶跃64处的合法飞行水平。可理解的是，如果在合法飞行水平52处也存在危险，则可能已经选择合法飞行水平50作为开始超过危险56的阶跃的巡航高度。在示出的示例中，从合法飞行水平52开始，最大高度42变成选定的下一个合法和有效的高度，而且在飞行计划中可包括在66处的从52到最大高度42的阶跃。在这点上，不再存在要估计的合法高度，而且沿着最终高度不存在危险，所以确定阶跃的过程终止。可沿着这种飞行路径用确定的阶跃方式驾驶飞行器，以接近巡航爬升高度分布图40。
图3示出根据本发明的实施例的、驾驶飞行器的方法的第二实施例。第二实施例类似于第一实施例；因此，将用增加了100的相似标号标识相似部件，要理解的是，对第一实施例的相似部件的描述适用于第二实施例，除非另有说明。如同第一实施例一样，在130处标明原始巡航高度，已经确定了巡航爬升高度分布图140，已经确定了沿着飞行路径的合法飞行水平146、148、150和152，并且已经在142处标明最大高度。对于飞行路径154，可确定的是，合法飞行水平148是合法和有效的中间巡航高度，并且沿着飞行路径154可包括在160处的到这个中间巡航的阶跃，因为它是在巡航爬升高度分布图140之下的最高高度。虽然在这个高度处存在危险156，但它离开在合法飞行水平148处的中间巡航的160处的起点大于预定最小距离（诸如50海里），从而可在合法飞行水平148处驾驶飞行器，直到到达危险156为止。因为在巡航爬升高度分布图140之下不存在更高的合法飞行水平，所以要求高度更低的合法飞行水平146避开危险156。因而，在飞行路径154中可包括在164处到合法飞行水平146的阶跃降落，以避开危险156。在合法飞行水平146处的至少预定最小距离之后，可再次估计备选合法飞行水平。因为在超过新搜索起点166时在合法飞行水平148上不存在危险，以及因为它对于预定最小距离而言是巡航爬升高度分布图140之下的最高水平，所以在飞行路径154中可包括在166处巡航阶跃爬升到合法飞行水平148。因为在合法飞行水平148处不存在更多危险，而且在巡航爬升高度分布图140下面不再估计更多更高的合法高度，所以过程终止，并且可根据飞行路径154用阶跃方式驾驶飞行器。
将理解的是，可用以上方式确定阶跃飞行计划，并且可用这种阶跃方式驾驶飞行器。构想到的是，可在地面上通过适当的计算机或处理器来确定计算这样的多个阶跃位置和巡航高度来确定阶跃爬升安排或阶跃飞行计划，并且通过通信系统(诸如无线通信系统)而将其提供给飞行器。备选地，在飞行之前或者在飞行期间，这种阶跃飞行计划的确定可由飞行器本身上的计算机、处理器或FMS完成。也可将这种阶跃飞行计划提供给航空公司航班调度员或空中交通控制。以上实施例的技术效果在于，可计算理论巡航分布图的多个阶跃位置和巡航高度，使得可确定阶跃飞行计划，以及可用比目前能够进行的更有效的阶跃方式驾驶飞行器。
以上实施例提供许多好处，包括快速计算用以在合法飞行水平之间驾驶飞行器的阶跃方式的方法，其中产生的飞行路径没有冲突。飞行器的这种飞行可导致燃烧更少燃料，这可显著地降低运行成本。另外，上面描述的实施例不需要多组巡航高度，这显著地改进在确定驾驶飞行器的阶跃方式的处理速度。此外，通过基于飞行器的性能包络来确定沿着飞行路径的巡航爬升的高度分布图，所确定的阶跃方式比现有的FMS方法更好。最后，通过考虑空中交通控制约束（诸如合法高度和空域约束），上面描述的实施例提供很可能得到空中交通控制准许的解决方案。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及实行任何结合的方法。本发明的可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例具有不异于权利要求的字面语言的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等效结构要素，则它们意于处在权利要求的范围之内。

Claims (15)

1. 一种沿着飞行路径驾驶具有相关联的性能包络的飞行器的方法，所述方法包括：
基于所述飞行器的所述性能包络，确定沿着所述飞行路径的巡航爬升的高度分布图；
确定沿着所述飞行路径的合法飞行水平；以及
沿着所述飞行路径在所述合法飞行水平之间以阶跃方式驾驶所述飞行器，以接近服从在所述合法飞行水平之间的阶跃中的至少一个约束的所述高度分布图。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述性能包络包括所述飞行器的恒定推力水平。
3. 根据权利要求2所述的方法，其中，巡航爬升的所述高度分布图包括在以所述恒定推力水平驾驶所述飞行器时所述飞行器沿着所述飞行路径的高度。
4. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括确定沿着所述飞行路径的降落分布图。
5. 根据权利要求4所述的方法，进一步包括确定所述高度分布图和所述降落分布图的交点。
6. 根据权利要求5所述的方法，其中，基于所确定的交点停止以阶跃方式沿着所述飞行路径驾驶所述飞行器。
7. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个约束包括沿着所述飞行路径以低于所述高度分布图的飞行水平飞行。
8. 根据权利要求7所述的方法，其中，所述至少一个约束进一步包括沿着飞行水平飞行至少预定距离。
9. 根据权利要求8所述的方法，其中，所述预定距离为50英里。
10. 根据权利要求8所述的方法，其中，所述至少一个约束进一步包括避免所述飞行路径上的危险。
11. 根据权利要求10所述的方法，其中，所述至少一个约束进一步包括以最高合法飞行水平飞行。
12. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个约束包括沿着飞行水平飞行至少预定距离。
13. 根据权利要求12所述的方法，其中，所述预定距离为50英里。
14. 根据权利要求12所述的方法，其中，所述至少一个约束包括避免所述飞行路径上的危险。
15. 根据权利要求14所述的方法，其中，所述至少一个约束进一步包括以最高合法飞行水平飞行。
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