CN103295089A - 在飞行中调整飞行计划的方法 - Google Patents
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Abstract
一种在飞行中调整飞行器的飞行计划以提供低成本飞行的方法（100）基于：至少基于飞行器沿着飞行计划的当前状态数据、飞行器的性能数据以及飞行计划数据来预测完成飞行的轨迹（102），并且计算完成飞行计划（104）的成本。
Description
背景技术
现代的飞行器包括实现飞行计划的飞行管理系统（FMS），飞行管理系统可以考虑多种因素和数据，数据可在飞行器在飞行时通过通信系统从地面站上传至FMS或通过飞行员输入。FMS可通过考虑特定于飞行器和特定于飞行状况（诸如有效载荷、飞行器重量、机载燃料量、温度、风、高度等）的参数，以及通过空中交通控制施加的时间约束的参数，来生成飞行计划。飞行计划可以用在每个航路点的高度和对应的速度来描述飞行器将通过的所有航路点或位置。近来，FMS也已经配置成考虑经济准则；然而，在发展飞行计划时，这些系统仅仅考虑燃料成本对时间相关成本（诸如劳动力或人员成本）的相对权重。
发明内容
在一个实施例中，在飞行中调整飞行器的飞行计划以提供低成本的飞行的方法包括：至少基于飞行器沿着飞行计划的当前状态数据、飞行器的性能数据以及飞行计划数据来预测完成飞行的轨迹；计算完成飞行计划的成本；改变当前状态数据、性能数据和飞行计划数据的至少其中之一，以限定一组可接受的预测轨迹和对应的成本；以及从可接受的预测轨迹的该组中选择成本轨迹并使飞行器沿着所选择的轨迹飞行。
在另一个实施例中，在飞行中调整飞行器的飞行计划以提供低成本的飞行的方法包括：a）至少基于飞行器沿着飞行计划的当前状态数据、飞行器的性能数据和飞行计划数据来预测完成飞行的轨迹，b）通过使飞行器沿着所预测的轨迹飞行来计算完成飞行计划的成本，c）将约束应用至预测的轨迹，该约束包括调度约束和成本约束的至少其中之一，d）如果预测的轨迹满足约束，则接受预测的轨迹，e）改变当前状态数据、性能数据和飞行计划数据的至少其中之一并重复步骤a-d，以限定一组可接受的预测轨迹和对应的成本，且其中，步骤a-d的重复的数量受时间或迭代的至少其中之一限制，f）从可接受的预测轨迹的该组中选择最低成本轨迹并根据所选择的轨迹更新飞行计划数据，以及g）使飞行器沿着选择的轨迹飞行。
附图说明
附图中：
图1为包括根据本发明的实施例的飞行路径的飞行器的飞行路径的示意图示；
图2为示出根据本发明的实施例的、在飞行中调整飞行器的飞行计划的方法的流程图；以及
图3为示出根据本发明的另一个实施例的、在飞行中调整飞行器的飞行计划的方法的流程图。
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
100 方法
102 预测轨迹
104 计算成本
106 确定
108 接受预测的轨迹
110 更新数据
200 方法
202 预测轨迹
204 计算成本
206 确定
208 确定
210 返回飞行计划和性能数据
212 确定
214 更新飞行计划和数据。
具体实施方式
飞行器的飞行路径通常包括爬升、巡航和降落。最现代的飞行器包括用于生成飞行路径轨迹10并使飞行器沿着飞行路径轨迹10飞行的FMS。FMS可基于命令、航路点数据以及诸如天气数据的附加的信息（所有这些可从航线操作中心、空中交通控制或从飞行员接收）自动地生成用于飞行器的飞行路径轨迹10。这种信息可手动地输入或利用通信链路发送至飞行器。通信链路可以是包括但不限于分组无线电和卫星上行链路的多种多样的通信机制。通过非限制性示例的方式，飞行器通信寻址和报告系统（ACARS）为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。信息也可通过飞行员输入。
图1为采用飞行器轨迹10的形式的飞行器的飞行路径的示意图。轨迹开始于起点12，诸如出发机场，并结束于终点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以及降落阶段20，它们都包括在轨迹10中。
爬升、巡航和降落阶段16、18和20通常输入至FMS或通过FMS根据符合飞行器性能的输入（诸如优选的速度、巡航高度、以及路线选择）来预测。这个预测创建通过特定的数据点的轨迹。为了本说明的目的，术语数据点可包括任何类型的数据点，包含航路点、航线上的航路点以及高度，且不限于特定的地理位置。例如，数据点可仅为高度，或者它可以是可由诸如经度和纬度的任何坐标系统表示的特定地理位置。通过非限制性示例的方式，数据点可为3D或4D的；飞行器轨迹10的四维描述限定飞行器在任何给出的时间点在3D空间中位于何处。数据点的每个可包括相关的信息，诸如可包括温度数据和风数据（有或没有风向）的天气数据。
对于爬升，可基于计算的或假定的爬升速率预测对应于在爬升的顶部22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；且对于降落阶段20，可输入多种高度作为飞行轨迹必须通过的约束。在起飞之后，飞行器通常保持在爬升阶段16直到爬升的顶部22，且然后飞行器在巡航阶段18期间循着航线上的航路点到降落的顶部24，然后在此它开始降落阶段20。在爬升阶段16和降落阶段20中的高度A是计算的或虚拟的航路点，就在这些阶段期间飞行器使其轨迹10达到这样的高度的意义来说。可基于沿着飞行器的轨迹10的地面导航辅助设备（助航设备）的位置选择航线上的航路点B。伪航路点（pseudo-waypoint）P也可包括在轨迹10中，并且是为了与轨迹10的参数有关的某些目的而创建的人工参考点，并且不限于地面导航辅助设备。可在轨迹的建立数据点已经设定之前或之后限定伪航路点P。伪航路点P能够以多种方式限定，诸如通过纬度和经度，或通过沿着当前轨迹的特定距离，诸如沿径航路点。
为了说明的方便，对阶段的每个，飞行计划示出为直线，而实际上不会是这种情况。例如，在巡航阶段18期间，在高度上可能有一些变化，尤其是对于横跨大陆的飞行，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。FMS可能仅允许一个风级，这阻碍了基于风和重量在机上计算风最优的巡航高度或最佳阶跃爬升点，而导致恒定高度巡航或没有充分利用风和温度的巡航高度变化。一些远程的飞行器可在各个航路点在多达5个飞行水平处获取风，允许计算风最优的巡航高度，以及用以优化到更高的巡航水平的巡航阶跃的单一位置。在巡航阶段18期间利用自动油门上的恒定推力设定来改变高度可创建巡航爬升，其中巡航轨迹不会处于固定的高度，而是会随着环境风和温度状况变化而变化，从而影响达到的实际推力。
本发明的实施例包括在飞行中调整飞行器的飞行计划以提供低成本飞行的方法。按照本发明的实施例，图2示出方法100，其可用于根据预定的指导路线在飞行中调整飞行器的飞行计划，方法100在实施例中示出为提供低成本飞行。
方法100通过预测用于完成特定的飞行器的飞行的轨迹而开始于102。这种预测可至少基于当前状态数据、飞行器的性能数据以及飞行计划数据。当前状态数据可包括关于沿着飞行计划的飞行器的信息，且可包括飞行器的当前操作状态和/或飞行器的当前位置状态。例如，当前状态数据可包括飞行器位置数据且可包括纬度、经度、高度、飞行阶段以及在飞行计划上的位置的至少其中之一。在飞行计划上的位置可包括相对于飞行计划的航路点的位置。飞行器沿着飞行计划的当前状态数据也可包括时间信息、燃料信息以及飞行器的速度。
飞行器的性能数据可以是与飞行有关的飞行器特定的数据，诸如成本指数、机身引擎组合、重量以及唯一尾号。重量信息可以是总重量、零燃料重量以及机载燃料重量的任一个。唯一尾号可与燃料流量、推力、阻力和飞行器的操作包络有关。性能数据也可包括航速、高度、油门设置、巡航速度、成本指数、燃料消耗率、阻力和操作包络。
性能数据也可包括包含当前天气状况的气象数据。能够从诸如国家海洋和大气局快速更新循环网格化二进制（National Oceanic and Atmospheric Association Rapid Update Cycle Gridded Binary）的天气网格源直接地访问气象数据。这种气象数据可包含实时气象数据或预测的气象数据。这种气象数据可包括关于某些与天气有关的现象（例如，风速、风向、温度等）的数据，以及与能见度（例如，有雾、多云等）、降水（雨、冰雹、雪、冻雨等）以及诸如对流天气单元或湍流的其它气象信息有关的数据。因为必须在轨迹计算中考虑空气温度和风以确保飞行器能够精确地符合所期望的轨迹，所以气象数据可包括3D实时温度和局部空域的风模型以及4D预测数据。天气数据库可存储在特定的纬度、经度以及高度处的这种实时或预测的气象数据。
飞行计划数据可指定飞行器应该遵循的路线，诸如公司路线或定制路线。飞行计划数据可包括出发机场、到达机场、出发时间、估计的到达时间、登机（gate arrival）时间、航线上的航路点、空中航线、航路点风数据、以及航路点温度数据的至少一个。这个数据可包括导航数据库，导航数据库可提供关于飞行计划数据的补充信息，诸如纬度和经度或任何速度或高度约束。导航数据库可包含诸如是否必须以特定的速度或高度穿越航路点、航路点是在航线上还是在机场空域的信息，关于怎样从一个航路点转换至另一个上、跑道长度和航向的信息，以及关于空域结构的信息，诸如不同区段的边界，或在机场周围的机场空域形状的限定。飞行计划数据可以以标准化的格式输入，诸如采用ICAO格式的飞行计划串。
然后这个信息用来预测飞行器的剩余飞行的轨迹。在102处的轨迹预测可考虑到多种上列信息。包括越多的信息且信息更精确，则轨迹的预测就更精确。
在104处，可计算通过使飞行器沿着预测的轨迹飞行来完成飞行计划的成本。这种计算可包括操作成本和调度成本。操作成本可包括这样的成本，诸如操作飞行的燃料成本、劳动力成本以及其它基于时间的操作成本。附加的基于时间的操作成本可包括诸如引擎折旧或其它间接的操作成本。
调度相关的成本可考虑与调度有关的成本，其可包括以下内容，诸如偏离限定的调度的成本，超过某一时间后是否应用超时成本，在特定的时间块之前或之后是否需要附加的地勤人员或登机口人员，或者在超过某一时间后是否会需要补偿错过的乘客连接（passenger connection）。设想的是，这些成本也可分级；例如，到国际航班的错过的头等舱乘客连接可能比国内经济舱错过的连接代价更高。照这样，可考虑诸如乘客连接次数、机务人员连接次数、最早舱门可用时间、安排的到达时间、安排的出发时间以及实际出发时间的调度信息，并且多种成本可与此关联。
在确定与轨迹有关的飞行的成本中，调度相关的成本可能是复杂的、非线性的且重要的。示例可包括，如果乘客的第一子集会错过连接，则成本为C1。如果更大群的乘客会错过连接，则成本为C2。如果更加大量的乘客会错过连接，则成本为C3。如果机务人员会错过连接或下一个飞行器会为机务人员保持，则成本为C4。如果机务人员会违背最大工作小时，则成本为C5。如果飞行器会晚点1到14分钟，则成本为C6。如果飞行器会晚点大于14分钟，则成本为C7。成本C7可显著的高于成本C6，因为FAA的准时统计是相对于晚点15分钟或者更多的，因此对应的成本在那时可增加。调度相关的成本也可通过诸如处罚因子的机制来纳入考虑。例如，在最早的舱门可用性之前飞行器不应该到达，或在成本计算时至少应该对到达那里太早进行处罚。备选地，仅仅可用约束来约束解。方法100可以能够按美元或一些其它标准单位输出当前指定的预测的轨迹的成本。
在104处计算成本之后，一个或者多个约束可应用于预测的轨迹。这种约束可包括至少一个调度约束和成本约束。调度约束可包括抵达门（arrival gate）可用性和机组人员可用性。更具体地，约束可包括抵达门是否在某一段期间内不可使用，机组人员的合法的飞行时间是否会被预测的轨迹超过，允许的飞行水平，离当前飞行水平的最大偏差，给定空域不可用的时间，最小/最大速度，与当前速度的最大偏差，机场将关闭的时间（例如由于噪声宵禁），跑道将关闭的时间（例如因为积雪清理）、燃料重量约束等。成本约束可包括燃料成本和机务人员成本。如果预测的轨迹满足这些约束，那么可在108处接受它。如果预测的轨迹不满足约束，那么可在110处更新飞行计划和性能数据，并且方法可在102处继续，其中基于更新的数据预测轨迹。
设想的是，可接受的预测的轨迹的数量可按这一方式确定。更具体地，一组可接受的预测的轨迹和对应的成本可通过改变当前状态数据、性能数据以及飞行计划数据的至少其中之一并且重复方法100来限定。然后可从可接受的预测轨迹的该组中选择成本轨迹的其中之一，并且可根据选择的轨迹更新飞行计划数据，且飞行器可相应地沿着选择的轨迹飞行。
将理解的是，在飞行中调整的方法是灵活的，并且示出的方法仅仅用于说明性的目的。例如，描绘的步骤的顺序仅仅由于说明性的目的，并不意在以任何方式限制方法100，因为理解的是，步骤可用不同的逻辑次序进行，或者可包括附加的或中间的步骤而不损害本发明。例如，可对调度员呈现具有相关的成本信息的备选轨迹的排序组，以做出关于选择什么样的轨迹的决定。另外，可呈现成本的明细，这样，调度员可理解选择一种飞行修正而不是另一个的含义。
图3示出根据本发明的实施例的、在飞行中调整飞行器的飞行计划以提供低成本飞行的方法的第二实施例。第二实施例与第一实施类似，并且理解的是，第一实施例的相同部件的描述适用于第二实施例，除非另外指出。将理解的是，在飞行中调整的方法200仅仅用于说明性目的。所描绘的步骤的顺序仅仅用于说明性目的，并不意在以任何方式限制方法200，因为理解的是，步骤可用不同的逻辑次序进行，或者可包括附加的或中间的步骤而不损害本发明。
正如第一实施例那样，在202处预测轨迹，在204处计算预测轨迹的成本，并且在206处确定轨迹是否满足约束。如果预测的轨迹满足这些约束，那么方法可前进至208，其中可确定在204处计算的成本是否满足成本阈值。如果预测的轨迹不满足约束，那么方法可前进至在212处确定是否已经达到最大迭代次数。
在208处，可确定在204处计算的成本是否满足成本阈值。为了这样做，在204处计算的成本可与预定的成本阈值比较。本文使用的术语“满足”阈值表示在204处计算的成本满足预定阈值，诸如等于或小于阈值。将理解的是，这样的确定可容易地改变以通过正/负比较或真/假比较来满足。预定的成本阈值可通过航线控制或飞行员设置为驾驶剩余的飞行的可接受的成本，或驾驶飞行的总成本。设想的是，预定的成本阈值可以是预定的成本范围，并且当在204处计算的成本落入预定的成本范围时可满足预定的成本阈值。设想的是，可能有多个预定的成本阈值，并且在比较期间，可确定满足了多个成本阈值的哪一个。
如果确定在204处计算的成本满足成本阈值，那么飞行计划和性能数据可在210处作为可接受的选项返回。设想的是，可重复预测轨迹、计算预测的轨迹的成本以及确定轨迹是否满足约束，以找到低成本选项。步骤a-d的重复的数量可受迭代数限制。因此，如果在206处预测的轨迹不满足约束，或者在204处计算的成本在208处不满足成本阈值，那么方法可前进至在212处确定是否已经达到最大迭代次数。例如，有可能的是，在所希望的成本阈值之内没有遵从所有约束的航班参数的组合。在这种情况下，必须避免无限循环情况。如果在212处确定已经超过了指定的最大迭代数，那么可在210处将飞行计划和性能数据作为可接受的选项返回。如果还没有超过指定的最大迭代数量，则可在214处更新飞行计划和性能数据，并且方法可在202处继续，基于更新的数据来预测轨迹。
备选地，已经确定的是，预测轨迹、计算所预测轨迹的成本、确定轨迹是否满足约束以及接受所预测的轨迹可受时间而不是迭代限制。例如，方法200可具有目标响应时间，且如果还没有超过目标响应时间，那么方法200可继续迭代。
在214处，数据可更新以反映在飞行期间的飞行器的运动。对每次迭代，可更新当前状态数据和性能数据的至少其中之一。同样设想的是，优化函数可用来确定新飞行计划和将用来预测轨迹的性能数据。照这样，方法200可用来确定具有最低成本和最高巡航高度的一组预测的轨迹，或用以在巡航爬升期间改变高度的最佳高度和位置。用户可输入在计算可接受的轨迹的组中应该包括这些中的哪一个，以及可选择可接受的预测轨迹的该组以找到这些的组合，如用户指定的那样。同样设想的是，方法的输出可包括低成本轨迹信息，以及成本指数、巡航高度以及巡航爬升阶跃高度和位置，如果这样的信息是可应用的。
设想的是，方法200可以能够输出若干低成本轨迹。更具体地，一组可接受的预测轨迹和对应的成本可通过改变当前状态数据、性能数据以及飞行计划数据的至少其中之一和重复方法200来限定。例如，方法200可输出五个最低成本备选方案，连同成本和相对当前计划的飞行的节约一起输出。然后可从可接受的预测轨迹的组中选择成本轨迹的其中之一，且可根据选择的轨迹更新飞行计划数据，并且飞行器可相应地沿着选择的轨迹飞行。选择的轨迹可与最低成本轨迹关联或可按照另一种方式选择，诸如优化最高巡航高度或巡航阶跃高度和位置。在飞行期间可重复多次确定低成本轨迹以及使飞行器按照该低成本轨迹飞行。例如，它可在飞行期间不断地重复，使得飞行器总是以低成本的方式飞行。
对于以上实施例，设想的是，可通过合适的计算机或处理器在地面上确定计算这种低成本轨迹，并且通过诸如无线通信系统的通信系统提供至飞行器。备选地，这种低成本轨迹的确定可由计算机、处理器、或飞行器本身的机载FMS完成。设想的是，低成本轨迹的确定可在连接至诸如飞行计划系统、机务人员和乘客调度系统以及天气预报系统的其它系统的处理器上完成，使得许多输入可直接地来自这种源而不是来自直接操作者输入。同样设想的是，用户可直接与过程交互以指定或修改输入，使得多种输出可接近实时地显示或者可根据多种输入优化轨迹。
以上实施例的技术效果在于，在飞行期间，可基于成本信息以及其它多种约束和输入来更新飞行器的轨迹和飞行计划，以最小化飞行的成本。以上实施例提供多种益处，包括能够基于多种约束管理飞行器的飞行以沿着具有对应的低成本的轨迹飞行。这个可允许飞行中的整体成本节约，以及允许航线更有效地管理其机群。可在飞行期间使用上述实施例，以最小化诸如天气或空中交通拥堵的干扰的成本。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，以及还使本领域任何技术人员能实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统及执行任何结合的方法。本发明的可取得专利的范围由权利要求限定，且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有与权利要求字面语言没有不同的结构要素，或者如果该示例包括与权利要求字面语言无实质不同的等效结构要素，则它们意于在权利要求的范围之内。
Claims (15)
1. 一种在飞行中调整飞行器的飞行计划以提供低成本飞行的方法，所述方法包括：
a）至少基于所述飞行器沿着所述飞行计划的当前状态数据、所述飞行器的性能数据以及飞行计划数据来预测完成所述飞行的轨迹；
b）计算沿着所预测的轨迹完成所述飞行计划的成本；
c）应用约束至所预测的轨迹，所述约束包括调度约束和成本约束的至少其中之一；
d）如果所预测的轨迹满足所述约束，则接受所预测的轨迹；
e）改变当前状态数据、性能数据以及飞行计划数据的至少其中之一并且重复步骤a-d，以限定一组可接受的预测轨迹和对应的成本；
f）从可接受的预测轨迹的所述组中选择成本轨迹，并根据所选择的轨迹更新飞行计划数据；以及
g）使飞行器沿着所选择的轨迹飞行。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中，步骤a-g在所述飞行期间重复多次。
3. 根据权利要求2所述的方法，其中，步骤a-g在所述飞行期间不断地重复。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中，步骤a-d的重复的数量受时间或迭代的至少其中之一限制。
5. 根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤a-d的所述重复期间更新所述当前状态数据和所述性能数据的至少其中之一，以反映所述飞行器在所述飞行期间的运动。
6. 根据权利要求5所述的方法，其中，对于所述预测的轨迹的每次迭代，更新所述当前状态数据和所述性能数据的至少其中之一。
7. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述当前状态数据包括飞行器位置数据。
8. 根据权利要求7所述的方法，其中，所述飞行器位置数据包括纬度、经度、高度、飞行阶段以及在所述飞行计划上的位置的至少其中之一。
9. 根据权利要求8所述的方法，其中，在所述飞行计划上的所述位置包括相对于所述飞行计划的航路点的位置。
10. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述性能数据包括空气速度、高度、油门设置、巡航速度、成本指数、总重、零燃料重量、机载燃料重量、尾号、燃料消耗率、阻力和操作包络以及当前天气状况的至少其中之一。
11. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述飞行计划数据包括出发机场、到达机场、出发时间、估计到达的时间、登机时间、航线上的航路点、空中航线、航路点风数据以及航路点温度数据的至少其中之一。
12. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述应用所述约束包括应用所述调度约束和所述成本约束两者。
13. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述调度约束包括抵达门可用性和机组人员可用性的至少其中之一。
14. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述成本约束包括燃料成本和机务人员成本的至少其中之一。
15. 一种在飞行中调整飞行器的飞行计划以提供低成本飞行的方法，所述方法包括：
a）至少基于所述飞行器沿着飞行计划的当前状态数据、所述飞行器的性能数据以及飞行计划数据来预测完成所述飞行的轨迹；
b）计算沿着所预测的轨迹完成所述飞行计划的成本；
c）应用约束至所预测的轨迹，所述约束包括调度约束和成本约束的至少其中之一；
d）如果所预测的轨迹满足所述约束，则接受所预测的轨迹；
e）改变当前状态数据、性能数据以及飞行计划数据的至少其中之一并且重复步骤a-d，以限定一组可接受的预测轨迹和对应的成本，并且步骤a-d的重复数量受时间或迭代的至少其中之一限制；
f）从可接受的预测轨迹的所述组中选择最低成本轨迹并且根据所选择的轨迹来更新飞行计划数据；以及
g）使飞行器沿着所选择的轨迹飞行。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130911 |