CN1036184A - 对航迹响应的飞机风切变警戒及报警系统 - Google Patents

Abstract

本发明是有关一监流飞机航迹及飞机附近风切 变并根据风切变大小及飞机航迹向驾驶员提供辅助 或提醒性信息的风切变系统的。当飞机以正常航迹 飞行时，仅当存在较高的负风切变时才发出风切变警 告，若飞机的航迹不正常，比如下滑斜度过低或下降 太快，则在风切变值较低时也发出提醒性报警。报警 或警告的选择是要能向驾驶员提供描述所遇到的或 潜在危险的性质的信息。

Description

本发明涉及一种风切变探测和报警系统，它能在出现风切变的情况下向飞机驾驶员提供警告和警报。特别是涉及具有作为飞机航迹变化函数的警告参数的警告系统，它能根据航迹的变化提供报警和警告。当飞行的航迹使飞机特别容易受到风切变影响时，在发出警报之前先有一次警告。

已知有许多种风切变警报系统。在这些系统中将从惯性导出的加速度或速度与从气团导出的加速度或速度进行比较，当两者之差足以指示风切变存在时便向飞机驾驶员发出风切变警报。这种系统的例子见于美国专利申请第№.06/829，731中，其标题为“风切变探测及报警系统”（Wind    Shear    Detecting    cund    Alerting    System）（1986年2月13日由Hans    R.Muller提出申请，并转让给本发明的同一受让人）。其它风切变探测系统见于美国专利第4，012，713及4，079，905号中。

在前述各系统中，必须仔细选择向驾驶员发出警报的风切变水平。飞机正常飞行时，有许多低水平的风切变通常可由驾驶员纠正，许多情况下，驾驶员会在保持航迹的同时自动地纠正这类风切变，例如维持原下滑道斜率，并可能甚至没有意识到出现风切变情况。所以说当前的风切变警报系统的设计是，在出现低水平风切变时不发出警告，因为这种警告会令驾驶员烦燥和分心。同样这种警报还可能会被认为是讨厌的东西，因此许多驾驶员常常不予理彩，或甚至关掉警告系统。

为防止这种令人讨厌的警告，现存系统所设的警告阈值相对都比较高。为此飞机有相当多的一部分执行能力及能量要用于逃避风的切变。典型地，阈值设在大约120至150milli-G或2-3节/秒的尾部切变风，尾部切变的定义是正在减弱的顶头风或正在增强的尾部风或由顶头风到尾部风的变化。此外，尾风切变的量值在超过阈值水平后，必须达到一预定时间，典型时间为3-5秒，然后发出警告。尽管在大多数情况下阈值为反向2-3节/秒（即，尾风切变为2-3节/秒）的系统能及时发出警告使驾驶员能成功地执行逃避操作，但对以前的风切变事故的研究表明，低于阈值的风切变也会造成事故，特别是当飞机在非正常航迹上飞行时。这种低水平的风切变在阈值设为2-3节/秒反向风切变的系统中是不会触发风切变警报的。一个利用综合多个飞行参数发出警告的系统见于美国专利№.4，178，777，其中有一种称为模式1的警告系统，它能在气压高度下降率超过飞机正在飞行的无线电高度时（发出警报。发出警报所要求的下降率是变化的，它是空速变化率的一个函数。在别的实例中，模式1的报警标准是变动的，它是空速变化率与地速变化率之差的一个函数，或者作为空速速率与一纵向加速计信号之差的函数。但它们都没有向驾驶员发出风切变存在的警报。

因此，本发明目的之一是克服已有系统的许多缺点。

本发明目的之二是提供一风切变探测系统，当飞机在非正常航迹上飞行而出现较低水平的风切变时向驾驶员提供一提醒性的风切变警告。

本发明目的之三是当出现较低水平的风切变并且飞机所飞航迹使得可供逃避风切变的能量减少时，向飞行员提供一提醒性的风切变警告。

本发明目的之四是当飞机低于下滑斜度并且出现较低水平的风切变时向飞机驾驶员提供一提醒性警告。

本发明目的之五是当飞机迅速下降并处于较低水平的风切变时，向飞机驾驶员提供一提醒风切变警告。

本发明目的之六是向飞机驾驶员提供一能确定所遇到的危险状况或潜在危险状况的特殊信息。

按照本发明的一个优选实施例，其中给出了一个能监视飞机风切变、无线电高度、垂直速度及下滑斜度偏差的系统。此系统给驾驶员以四个显著信息。第一个信息是正常风切变警报，当风切变的量在尾风切变为2-3节/秒且切变持续了一预定时间，例如3-5秒时发出。通常，出现这样的警报时，驾驶员应当立即采取行动。

另一信息是在风剪切变的量在一较短时间，如2-3秒内超过顶风或尾风切变的2-3节/秒（即或为正向切变，或为反向切变）时发出。此信息属提醒或参考性的，甚至在顶风切变时也出现，因为顶风切变之后经常出现尾风切变。收到提醒信息后，驾驶员不必立即采取行动，但已经得知会出现潜在风切变的危险。

在第三种工作模式下，风切变信号与下滑斜度，接收机发出的信号合起来判断;以产生第三个参考信号，该信号是下滑斜度偏差及风切变的函数。在优选实施例中，风切变信号与下滑斜度信号一起提供另一指示飞机低于下滑斜度且存在风切变的参考信息。此信息在无风切变时也会给出，用于表示低于下滑斜度的偏差，当然这些偏差比那些被认为可出现危险的偏差要小的多，并且该信息可认为是另一提醒性信息，驾驶员不必立刻采取行动。

在第四种工作模式中，风切变信号与代表飞机垂直速度的信号被结合起来，估计以提供一个参考信息，该信息为垂直速度和风切变的一个函数，并且能指示飞机正以很快速率下降及风切变的存在。在优选实例中，将雷达高度与垂直速度及风切变比较，当垂直速度与风切变合起来大于飞机所飞行的雷达电高度时给出一信息。产生此信息要求存在风切变时的垂直速度比不存在风切变时的垂直速度小。

本发明的上述及其它目的和优点结合以下详细介绍及附图考虑可以看得很清楚。其中，

唯一的一张图是一根据本发明的系统的示意框图。

附图是一根据本发明的风切变警报系统示意框图，该系统一般以参照数10。系统10从一无线电测高计及一表示飞机垂直速度的信号源接收信号。垂直速度信号源14可通过对气压高度计（未示出出）输出微分获得气压的速率信号或通过对从惯性导航系统（未示出）发出的垂直加速信号积分以获得常称为Z速度信号的垂直速度信号。气压速率信号还可通过一气体数据计算机得到。

风切变探测器16用于提供量度从气团及从惯性获得的加速度或速度之差的“切变”信号。能提供“切变”信号的系统在前述美国专利申请№.06/829，731（1986年2月13日由Hans.R.Muller提交）中有介绍，在此仅作为参考文献。其它原有系统也可用于提供“切变”信号。

系统还利用下滑斜度接收机18接收地面发射机发出的下滑斜度波束，从而给出表示飞机偏离下滑斜度波束的偏差。一正或负2-3节/秒的参照信号源20及一负2-3节/秒的参照源也用于为“切变”信号提供比较参照。风切变探测器16的输出加到延迟电路24上，该延迟电路将“切变”信号延迟大约10秒钟。从风切变探测器16发出的“切变”信号还加到比较器26上，该比较器也接收正或负2-3节/秒的参照信号，一俟“切变”信号大小超过正或负2-3节/秒的参照信号就产生输出。比较器26的输出加到延迟电路28上，延迟电路28将比较器26的输出延迟大约2-3秒，风切变探测器16的输出还加到第二个比较器30上，该比较器也接收从参照源22发出的负2-3节/秒的参照信号，一俟切变信号大小超过负2-3节/秒便产生输出。比较器30的输出加到延迟电路32上，其具有约3-5秒的延迟时间并控制发声器34。延迟电路24的输出加到函数发生器36上，后者作为具有一死频带的限幅器。在所示实例中，只要延迟电路24的输出值小于正1/3节/秒或大于负1/3节/秒，函数发生器36的输出便为零。如果延迟电路24的输出超过正或负1节/秒，函数发生器的输出便达到最大值。介于正的或负的1/3-1节/秒之间时，函数发生器的输出逐渐从0变到最大值，如框36中的图所示。函数发生器36的功能还下面的特征部分还要更详细地讨论。

一下降率报警比较器38从无线电测高源12接收到代表需达高度或距地面高度的信号，此外比较器38还从垂直速度信号源14通过一求和结点40接收表示垂直速度的信号。求和结点40并接收函数发生器36的输出信号，并根据此输出给垂直速度信号加上偏压。下降率警报发生器对从求和结40发出的垂直速度偏压信号及从雷达高度信号源发出的雷达高度信号进行比较，如果前者对飞机正在飞行的高度来说过大的话便发出一输出信号。下降率警报发生器的例子见于美国专利Nos.3，947，808，4，060，793及4，215，334，此处仅作为参考文献。

下滑斜度警报比较器42还从雷达高度信号源12接收表示距地面的高度信号，称为雷达高度。此外该比较器还通过一求和结44接收发自下滑斜度接收机18的信号。求和结并接收函数发生器36的信号，并根据函数发生器36的信号对从下滑斜度接收机发出的信号加偏压。下滑斜度警报比较器42对偏压后的下滑斜度信号及雷达高度信号源的信号进行比较，当飞机对正在飞行的距地面高度来说过低于下滑斜度时发出输出。可当作比较器42的带有比较器的下滑斜度警告系统见于美国专利，Nos.3，925，751、3，946，358及3，988，713，在此也作为参考文献。下降率报警比较器38及下滑斜度报警比较器42的输出加到一优先电路46和一系列门电路48，50及52上。优先电路46及门电路48，50和52控制着发声器，以便基于各种飞行参数通过电声转换器54向驾驶员发出适当信息。

根据本发明的系统能向飞机驾驶员同时提供警报及提醒信息。产生警告信息的标准基于风切变探测器16产生的“切变”信号相对于负2-3节/秒参照器22产生的信号的大小，由比较器30确定。从风切变探测器16发出的“切变”信号大小由比较器30来监控，以发出风切变警报。只有负切变风，即倾向于降低飞机行为，如向下气流或从顶风变成顺风时的切变情况被考虑。切变信号由比较器30监控，在遇到较大切变，如由参照器22确定为负的2-3节/秒，的情况下，比较器30给出，表示较大负切变存在的输出。比较器30的输出加到延迟电路32上，后者可延迟大约3-5秒，延时电路32输出的延时信号然后加到发声器34上。接到延迟电路32的信号，发声器产生例如“风切变、风切变”的口头警报，随后还可加上一警笛声，此信号然后加至换能器54。接到警报后，驾驶员必须加大飞机能量，在着陆时要执行中断进场并复飞的操作。

然而如前所讨论的，若航迹不合适，例如飞机下降太快，或者低于下滑斜度，量值小于负2-3节/秒参照器22所设置的参照值的风切变也会对飞机造成威胁。但因为值太低，这样的风切变不会使风切变警报起作用。

为使驾驶员了解到具有潜在危险的低水平风切变的存在，系统要监控飞机飞行的某些方面，当低水平风切变与不正确或低能量航迹情况同时出现时产生一告诫或是提醒驾驶员的信息。此外，当切变行为加强，例如向上气流或逆风切变（此时风从顺风变成逆风）时，系统能产生一提醒信息。之所以要在风切变行为加强时给出提醒信息并非加强的切变行为本身对飞机构成危险，而是因为其后常接着出现减弱行为的切变，后者则可能是危险的。

前述提醒信号是由比较器26，正或负2-3节/秒的参照器20，延迟电路28及通过或门52从延迟电路28接收信号的发声器34所产生的。比较器26监控从风切变探测器16发出的“切变”信号量值，当超过由参照电路20提供的参照值，例如正或负的2-3节/秒时，比较器26便发出遇到较强的正或负风切变的信号。比较器26的输出送到延迟电路28，后者输出又通过“或”门52送到发声器34使之发出提醒性警报。提醒性信息可以是诸如“注意风切变”之类的信息。

延迟电路28比延迟电路32的延迟时间短。例如延迟电路28的时间延迟在2-3秒的量级。因此当风切变探测器16探测到的切变超过由参照电路20给出的值时，自探测到风切变起经过2-3秒钟发出提醒性信息。所遇切变若是渐强性能型的，即顶风切变的话，则不会再有其它信息产生。但若是减弱性能的切变，即顺风切变，在提醒性信息之后经过延迟电路32约3-5秒的延迟后还会有一个警报。因此提醒性信息就可以提醒驾驶员其后可能出现警报。如果没出现警报则驾驶员可以不管提醒性信息。但要是警告出现了则驾驶员应准备立即采取行动。

根据本发明的系统还对航迹进行监控。例如下降率比较器38能对飞机的垂直速度和其雷达高度进行比较。没有风切变的情况下，设定了一套标准，以便对飞机正在飞行的高度来说下降率过大时发出下降率过大警报。本发明中对报警标准作了改变，以在有风切变存在时能提早发出警告。因此与风切变不存在的情形相比，若存在低水平的风切变时发出提醒性信息时的垂直速度要低些。在本发明中，这一点是由用函数发生器36发出的输出信号给垂直速度信号源14发出的垂直速度信号加上偏压来实现的。其效果是在有风切变存在（在本实例中切变或为正或为负）时，将报警包络线向左移一给定量，如框38中图所示。

如函数发生器36内的图形它表示了函数发生器36的输出，它是从延迟电路24所输出延迟后的“切变”信号的函数，只要延迟后的“切变”信号大小在正或负的1/3节/秒之间，函数发生器的输出便为零。因此从下降率比较器38产生输出所需的标准无须作改动。但当延迟后的“切变”信号大小超过正或负的1/3节/秒时，函数发生器36的输出逐渐增大到正或负的1节/秒对应处的最大值。在所给出的实例中，此最大值相对应于100英尺/分钟。从函数发生器36发出的此最大值信号能比无任何信号的情况下更快地使下降率比较器在100英尺/秒的下降率时更快地产生输出。下降率比较器38的输出送到一优先电路46及-“或”门48。函数发生器36的输出还送到-“与”门50，后者还从“或”门48接收输出。优先电路46与门电路48、50和52合起来使发声器34发出指示存在低水平风切变及飞机下降率过大的声音信息。此类信息可以是“注意，风切变，下降率”。这样的信息能告诉驾驶员其飞机的下降率过大以及所在空域存在对当前下降率可能产生危险的低水平切变风。

此外，下滑斜度比较器42对从下滑斜度接收器18发出的下滑斜度偏差信号与从雷达高度信号源12发出的雷达高度信号进行比较。在低下滑斜度报警系统中，象前述美国专利№.3，925，791中的那样，当驾驶员以比低于下滑斜度一预定值更大的斜率下降时便会产生低下滑斜度指示。本系统中，此预定量在高度为150英尺以上时设置在低于下滑斜度1.3点。低于150英尺时，所允许的偏差可以大一些以减少警报的次数。这一系统中，只要经过延迟的“切变”信号大小低于正或负的1/3节/秒就无须改变报警标准。而当被延迟的“切变”信号的量值增加时，函数发生器36的输出也增加，直到达到在正的或负的1节/秒处的最大值。对1/3点的下滑斜度比较器而言，此最大值输出相应于报警标准有一偏移。这时下滑斜度报警包迹线左移1/3点，当切变风超过正或负的1节/秒时，下滑斜度仅向下偏移1点便出现低下滑斜度指示。下滑斜度比较器42的输出并送到“或”门48和优先电路46。一接收到来自下滑斜度比较器42的信号，优先电路46便与门48、50及52共同作用使发声器发出提醒性信息，象“注意”、切变风、下滑斜度”，以指示下滑斜度过低及在这种情况下可能造成危险的低水平切变风。当飞机下滑斜度偏低且下降率过大时，优先电路使这两个提醒性信息优先，提醒性警告可以是“注意”、“切变风”、“下降率”、“下滑斜度”。若下降率或下滑斜度偏移虽然过大，但切变风没超过正或负的1/3节/秒时，取决于下滑斜度偏移过量，还是下降率过大，警报可简化为“下滑斜度”或“下降率”。

尽管给出了本发明的一个特例，其实施却可以有各种方式。例如，在所述实例中可以给下滑斜度和垂直速度信号加上偏压以改变下降率及下滑斜度提醒标准;另一种做法是，不用给下滑斜度或垂直速度信号加偏压，只在两个报警比较器42和38的范围内改变下滑斜度及下降率参考标准。另外，发出提醒风切变信号的标准可变为不用诸如下降率及下滑斜度比较器38及42的比较器，而成为垂直速度和下滑斜度偏移的一个函数。例如，可将雷达高度、垂直速度及下滑斜度三个信号结合起来改变根据它们发出提醒性信号的阈值，在此阈值点给出的提醒性信号是作为雷达高度、垂直速度和下滑斜度这三个信号的一个函数，例如由参照器20给出的正或负2-3节/秒的参照值可改成一个随雷达高度、垂直速度及下滑斜度偏移而变的函数，以便当垂直速度或下滑斜度偏差过大时减小参照值的量值。再有，雷达高度、垂直速度及下滑斜度偏差信号可用来给切变风探测器16的切变信号或比较器26加上偏压，以在切变风小于2-3节/秒时产生提醒性指示。最后，本发明可用模拟电路或数字电路或两者的结合来实现。

Claims (11)

1、一用来告知飞机驾驶员出现危险飞行条件的报警系统，其包括：

用于接收风切变信号的装置；

用于接收有关飞机航迹函数信号的装置；

和能够根据所述风切变及航迹信号，在出现危险的风切变或航迹条件时向驾驶员发出一信息，以及出现当航迹及风切变条件合起来会造成危险时，发出一响应这两个信号的不同信息的装置。

2、如权利要求1中如述的报警系统，其中所述航迹信号接收装置包括能接收飞机低于下滑斜度偏移量信号的接收装置。

3、如权利要求2中所述的报警系统，其进一步包括监视下滑斜度偏移信号，并按照一套预定标准指示下滑道斜率偏移是否过大的装置。

4、如权利要求3中所述的报警系统，其进一步包括根据所述表示风切变的信号，改变预定的一套标准的装置。

5、如权利要求4中所述的报警系统，其中所述改变装置包括根据表示风切变的信号给出下滑道斜率偏移过大指示所要求的减小下滑斜度偏移的装置。

6、如权利要求5中所述的警报系统，其中所述用来减小给出下滑斜率偏移过大指示所要求的偏移量的装置是响应于用来减小给出下滑斜度偏移指示所要求的偏移量的正或负风切变信号的。

7、如权利要求1中所述的警报系统，其中所述航迹信号接收装置包括产生表示飞机下降率信号的装置。

8、如权利要求7中所述的警报系统，其进一步包括监视飞机下降率信号并给出此下降率对一套预定标准过大指示的装置。

9、如权利要求8中所述的警报系统，其进一步包括响应于所述表示风切变的信号，并根据此风切变信号改变一套预定标准的装置。

10、如权利要求9中所述的报警系统，其中所述改变装置包括减小根据表示风切变的信号给出下滑斜度过大指示所要求的飞机下降率大小的装置。

11、如权利要求10中所述的报警系统，其中所述减小指示下降率过大所要求的飞机下降率的量的装置是响应于用来减小指示下降率偏离过大所要求的下降率大小的正及负风切变信号的。