CN103884339A - 配置运载工具导航参数值的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种运载工具导航参数值配置设备，包括如下类别的元件：多个传感器(210)，获得与运载工具的至少一个导航参数有关的测量信息；多个计算机(230)，处理由传感器获得的测量信息，并计算所述导航参数；多个网络(220、240)，将传感器(210)与计算机(230)相连，并将计算机(230)与所述参数的用户系统(250)相连；网络(220、240)将获得的所有测量信息传送给计算机(230)；计算机(230)利用唯一公共合并算法(300)，计算每个导航参数的值和相关的误差估计值。

Description

配置运载工具导航参数值的设备
技术领域
本发明涉及一种配置运载工具导航参数值的设备，更具体地说，涉及其架构。
背景技术
运载工具上有许多系统使用导航参数(位置、速度、关于环境的数据，等等)。这些参数必须足够精确、完整，以供用户系统或驾驶员配置。
精确度指的是相对于待测参数真实值(理论值)的偏差。用误差的绝对值或百分比值来定义精确度会更加方便。完整性指的是提供相对于现实的正确参数值，甚至在故障状态下也如此。
基于这样的考虑，故障分为两类：“简单”故障，即发生在一个特定的硬件上的故障；“属类”故障或“共模”故障，会影响同类型的或采用相似技术的所有硬件或软件。
例如，共模故障源自于硬件设计或程序的缺陷、极端环境条件(高温、振动，等等)、或者源自于安装、维护方面的失误或器材的老化。
当前的系统和功能架构基于如下元件和算法：
传感器，可以获得运载工具导航参数的测量信息；
计算机，安装有合并算法，可以处理传感器传来的冗余测量信息，这些计算机同时处于某些传感器中和参数值的用户系统中并被集中；
连接或网络，可以将传感器与安装了合并算法的用户系统连接起来。
未来飞机的设计需满足两个主要的要求：降低飞机的环境影响；飞机上更加自动化，以减轻驾驶员的工作量(例如：自动导航领域的扩展)。
为了满足第一个目的，必须要减轻仪器的重量。针对于此，可能有效的办法就是减少机载仪器的数量、电缆的数量，优化各系统之间的通信。为了满足第二个目的，必须与当前技术相比进一步延展飞行参数的可用性。
对此而言，当前技术的弊病在于多个导航参数合并算法安装在各个不同的系统中，这些不同的系统需要输入不同的导航参数测量结果。
现有设备使用安装在计算机中的多个合并算法，计算机既存在于传感器中也存在于用户系统中，每个算法都有其专用特性(输入、比较阈值、确认时间，等等)。因此其性能必然不一致。
此外，当为了得到给定的参数而需要修改时，则需要在每个传感器或用户系统中复制修改，时间成本或资源成本巨大。
发明内容
本发明的目的就是解决这些弊病中的至少一个，改进运载工具导航参数值配置设备的结构。
为此，本发明涉及一种运载工具导航参数值的集中配置设备，包括如下类别的元件：
多个传感器，获得关于至少一个运载工具导航参数的测量信息；
多个计算机，处理由传感器获得的测量信息，并计算所述导航参数；
多个网络，将传感器与计算机相连，并将计算机与所述参数的用户系统相连；
本发明的设备的特征在于网络将获得的所有测量信息传送给计算机；计算机利用所传送的测量信息和所述多个计算机中的每一个计算机上安装的唯一合并算法，计算和配置每个导航参数的值和与所述导航参数相关的误差估计值，以用于用户系统的使用。。
由于有了对误差的数字化估计，每个导航参数用户系统收到关于参数性能的质量的信息，每个参数都如此。
因此，用户系统能够管理由于参数性能降低而产生的状况。具体地说，用户系统能够根据其对该参数性能的需要而决定是否使用该参数。
因此，在参数性能临时降低的情况下，可以继续计算并传输该参数。
事实上，由于有了相应的误差的数字化估计，用户系统就可以实时地评估和监视其性能质量。因此，一个参数的误差并不必然导致被拒以及相应的运行功能的损失。
根据本发明的设备的另一个优点在于只使用唯一一个合并算法。
除了在故障时运载工具上的信息保持统一以外，所有的导航参数用户系统都直接存取由安装了唯一合并算法的计算机传来的导航参数值，而不是读取由中间算法转送的值。
另外，唯一合并算法拥有并接收飞机上所有可能的、可用的信息，具有对可能的测量信息进行最佳合并的装置。
最后，当为了获得导航参数值而需要修改计算时，只需要修改一次，大大降低了修改的时间成本和资源成本。
根据一种具体的实施方式，每个类别的每个元件都与一个孪生元件相关联，该孪生元件以不同的运行方式执行同样的功能，使得影响两个孪生元件之一的共模故障不引起另一个孪生元件发生故障。
现在重复一下“简单”故障与“属类”故障或“共模”故障之间的区别。“简单”故障即发生在一个特定硬件上的故障；“属性”故障或“共模”故障影响同类型的、或采用相似技术的所有硬件或软件。
根据本发明的设备配置运载工具导航参数值具有更高的可用性。
事实上，其元件，即传感器、计算机和网络在硬件上不相似，而同类型元件的功能丧失并不会影响不相似类型的元件，从而可以使功能保持可用。
根据一个可能的特征，为了提高导航参数的可用性，所述设备还包括估计器，可以根据运载工具的其它参数估计导航参数值。
使用估计器的意义尤其在于可以借助于联系各导航参数之间的的关系(例如飞行力学方程)检验来自传感器的测量信息。使用估计器可以给所述设备提供冗余，或者对不能由传感器直接测量的参数值进行估计。
估计器可以包括侧滑估计器、速度估计器、一致性估计器。
本文中，一致性估计器指的是这样的估计器：可以监视由理论方程联系的、或由共同原因影响的多个测量结果和/或估计量。
本发明当然并不局限于这些类型的估计器，还可以使用另外类型的估计器。
根据一种可能的特征，合并算法包括组合函数，该组合函数被配置为根据多个测量信息提供唯一一个导航参数值。
也可以在无故障时提供该参数的误差估计值。该参数有时被称作PLFF(英文：Protection Level Fault Free，无故障保护等级)，或FOM(英文：Figure of Merit，性能指数)。
根据一种可能的特征，合并算法包括监视函数，该监视函数被配置为检测测量信息中可能出现的测量误差，并钝化（passiver）或排除相关测量信息。
也可以在故障时提供参数的误差估计值。该参数有时被称作PLFD(英文：Protection Level Fault Detected，故障时保护等级)，或IL(英文：Integrity Limit，完整性极限)。
为了尽可能多地涵盖运载工具移动过程中可能发生的情形，针对无故障和/或有故障，与每个导航参数相关的测量误差估计值都被配置。
根据一种优选实施方式，为了提高导航参数的可用性，也为了当安装有唯一合并算法的计算机出现故障时保持所述设备的运行，这些计算机采用的是不相似的技术。
例如，这些计算机是模块化航空电子设备类型IMA(英文：Integrated Modular Avionics)和可替换单元类型LRU(英文：LineReplaceable Unit)。
唯一合并算法最好复制到两个IMA类型的计算机中以及两个LRU类型的计算机中。
根据一种可能的特征，网络采用的是不相似的技术，例如AFDX(英文：Avionics Full DupleX switched ethernet，航空电子全双工交换式以太网)类型，和ARINC429或Erebus类型。
关于Erebus类型网络可以从文档FR2952261A1了解。
关于不相似网络可以从文档FR2943036A1了解。
对于每种类型的网络，供考虑的网络的数量不定，通常为一两个。
根据一种可能的特征，配置参数值的运载工具是航空器。
对于每种类型的网络，供考虑的传感器的数量不定，通常为一至四个，但也可以考虑任何其它数量。
根据一种可能的特征，用户系统适于根据与所述导航参数相关的误差估计值决定是否使用一个给定的参数。
最后，本发明涉及一种航空器，该航空器包括根据本发明的导航参数值配置设备。
附图说明
其它特征和优点将会在下文的描述中显示出来，下文的描述是作为非限制性例子给出的，参照了附图：
图1示意性地表示了根据本发明一种实施方式的运载工具导航参数值配置设备的架构；
图2示意性地表示了根据本发明一种实施方式的合并算法的运行。
具体实施方式
图1示意性地表示了根据本发明一种实施方式的运载工具(航空器)导航参数配置设备200的架构。
所述设备包括一组传感器210、测量信息(来自传感器的原始数据)传输网络220、一组计算机230、已处理信息(即已合并的信息或数据)传输网络240和一组航空器导航参数用户系统250。
传感器210包括如下类型的传感器：
-高度及导航控制或AHRS(英文：Altitude and HeadingReference System，高度及航向参照系统)。
-惯性中控类型或IRS(英文：Inertial Reference System，惯性参照系统)，测量如下导航参数：位置(水平和垂直)、地面速度(水平和垂直)、轨迹角度(水平和垂直)、姿态角(倾侧、俯仰)、航向角、线性加速度(三个轴向)、旋转速度(三个轴向)。
-卫星定位系统类型或GNSS(英文：Global Navigation SatelliteSystem，全球导航卫星系统)、GPS或伽利略，测量例如如下导航参数：位置(水平和垂直)、速度(水平和垂直)、轨迹角度(水平和垂直)。
-传统的风速测定法的数据参照系统类型或ADR(英文：AirData Reference，大气数据参照)，和/或激光遥测的或LIDAR(英文：Light Detection and Ranging，光探测与测距)，基于压力探测器、迎角探测器、侧滑探测器和温度探测器，测量如下导航参数：气流速度(计算值、显示值和真实值)、高度、垂直速度、温度(总温、静温)、攻角、侧滑角。
-无线电高度计类型或RA(英文：Radio Alimeter，无线电高度计)，传统的和/或LIDAR，基于地面对无线电波的反射时间并测量距地面高度参数。
-无线电导航类型或Radio Nav，基于地面航标，并给出距离或航向角信息，并测量水平位置参数。
-仪表辅助着陆或超高频着陆系统类型ILS/MLS(英文：Instrument Landing System，Microwave Landing System，仪表着陆系统，微波着陆系统)，基于地面航标，并给出相对于着陆轴线的偏差，测量相对于参照轴线的偏差参数。
-GLS(英文：Global Landing System，全球着陆系统)着陆系统类型，基于GNSS系统，给出相对于着陆轴线的偏差，并测量相对于参照轴线的偏差参数。
-转速计；
-摄像机；
-导航参数估计器。
如图1所示，为了获得一个特定导航参数的测量信息，连接了两个运行方式不同的传感器，或是结构不同、或是元件不同、或是采用的技术不同。
传感器210采集的测量信息通过测量信息传输网络220传到计算机230。
这种网络由至少两个子网络构成，即第一测量信息传输子网255和第二测量信息传输子网257。
当然可以考虑更多的测量信息传输子网络。
无论如何，测量信息传输子网都有不同的运行方式，或是结构不同、或是元件不同、或是采用的技术不同。
因此，根据本文所示的实施方式，第一测量信息传输子网255例如是得益于Erebus类型的技术。
而第二测量信息传输子网257则例如是冗余航空电子以太网或AFDX(英文：Avionics Full DupleX switched ethernet，航空电子全双工交换式以太网)。
测量信息传输子网络之间的这种技术差异使得一个属类故障不能影响整个测量信息传输网络220。
接下来，测量信息传输网络220输出的信息被传给至少一个计算机230。
根据图1所示的具体实施方式，出于冗余的考虑，计算机有四个，两两分组。
这样，第一组计算机275包括两个集成模块航空电子IMA(英文：Integrated Modular Avionics)类型的计算机230，第二组计算机285包括两个航线可更换单元LRU(英文：Line Replaceable Unit)类型的计算机230。
这些计算机230中的每一个都有一个阈值和同一个合并算法300，该算法总共被复制了四次。
与测量信息传输网络一样，也可以只配备两个计算机230或多于四个计算机230，不过前提是至少要有两个计算机具备不同的技术，以防止一个属类故障影响所有计算机230。
图2表示了安装于计算机230中的合并算法300的主要函数。
符合ATA34标准的传感器310和符合其它ATA标准的传感器315发出的测量信息先被收集到一起，然后被分为两类：测量的数据320和估计的数据330。
对于估计的数据330，也就是将某些测量的数据320组合，然后借助于约束所寻求的导航参数之间的关系得到估计值330。
例如，估计器可以采用侧滑估计器、速度估计器、一致性估计器类型。
然后，合并算法300形成两个不同的、并行的函数：组合(英文：combination)函数340和监视(英文：monitoring)函数350。
组合函数340组合、处理测量的数据320和估计的数据330，以便提供一个与期望导航参数相对应的唯一值。
而监视函数350则检测测量的数据320中可能出现的测量误差。
根据这种检测，钝化函数355可以钝化(排除)可疑的测量值，并同时向组合函数340和监视函数350发出钝化信息。
利用这个信息，监视函数350借助于其完整性估计子函数370为每个因故障而这样排除的参数值提供一个误差估计值，该故障无论是简单故障还是共模故障。该误差估计值例如是一个反映参数误差概率或幅度的数字或百分比。
这种参数因此被称为故障保护等级PLFD(英文：ProtectionLevel Fault Detected)。
在这种情况下，利用钝化信息，组合函数340进行到表决365，该表决释放要传输的导航参数值，并通过已处理信息传输网络240将其传输给用户250。
组合函数340采用的表决算法可以是：双表决类型；两、三、或四个测量值的平均值或中值类型；固定加权表决类型；可变加权表决类型。
组合函数340借助于与表决环节365并列的精确度估计子函数360为每个这样提供的参数提供误差估计。
这样的参数因此被称为无故障保护等级PLFF(英文：ProtectionLevel Fault Free)。
误差估计参数值PLFD和/或PLFF，以及传感器收集到的、再经过数据处理的导航参数值都经过已处理信息传输网络240传到用户系统250。
与测量信息传输网络一样，已处理信息传输网络240也分为两个子网络：第一已处理信息传输子网295和第二已处理信息传输子网297。
例如，这两个子网络分别采用Erebus类型的技术和AFDX类型的技术。
根据这样的设计，所述设备的优点在于实现了合并算法的集中化，换言之，就是整个运载工具只采用唯一一个合并算法。
例如，由于得到了误差估计参数值，用户系统250还可以管理由于例如暂时故障而引起的参数性能的可能下降。
事实上，利用这些估计值或等级，用户系统250可以根据对参数的具体性能的需求来决定是否使用一个所给的参数值，而不是只要一检测到误差就直接拒绝该参数值。
除了算法300集中方面的优点以外，导航参数值配置设备200还可以抵抗一种技术功能的丧失，因为导航参数值配置设备200的各元件之间存在技术差异。
本文描述的实例只是本发明的可能的实施方式，本发明不局限于本文描述的实例。

Claims (13)

1.一种运载工具导航参数值集中配置设备，包括如下类别的元件：
多个传感器(210)，获得与运载工具的至少一个导航参数有关的测量信息；
多个计算机(230)，处理由传感器获得的测量信息，并计算所述导航参数；
多个网络(220、240)，将传感器(210)与计算机(230)相连，并将计算机(230)与所述参数的用户系统(250)相连；
所述设备的特征在于：
网络(220、240)将获得的所有测量信息传送给计算机(230)；
计算机(230)利用所传送的测量信息和所述多个计算机(230)中的每一个计算机上安装的唯一合并算法(300)，计算和配置每个导航参数的值和与所述导航参数相关的误差估计值，以用于用户系统(250)的使用。
2.根据权利要求1的导航参数值配置设备，其特征在于：每个类别的每个元件都与一个孪生元件相关联，该孪生元件以不同的运行方式执行同样的功能，使得影响两个孪生元件之一的共模故障不引起另一个孪生元件发生故障。
3.根据权利要求1或2的导航参数值配置设备，其特征在于：唯一合并算法(300)包括组合函数(340)，该组合函数被配置用于根据多个测量信息(320、330)提供一个唯一的导航参数值。
4.根据上述任一项权利要求的导航参数值配置设备，其特征在于：唯一合并算法(300)包括监视函数(350)，该监视函数被配置用于检测测量信息中可能发生的测量误差，并钝化(355)或排除相关的测量信息。
5.根据上述任一项权利要求的导航参数值配置设备，其特征在于：与每个导航参数相关的测量误差估计值在无故障和/或有故障时都被配置。
6.根据权利要求4的导航参数值配置设备，其特征在于：有故障时误差估计值同时考虑元件的简单故障和共模故障。
7.根据上述任一项权利要求的导航参数值配置设备，其特征在于：计算机(230)采用的是不相似的技术，例如，一方面为IMA类型的和另一方面为LRU类型的。
8.根据上述任一项权利要求的导航参数值配置设备，其特征在于还包括用来根据运载工具的其它参数估计导航参数的估计器。
9.根据权利要求8的导航参数值配置设备，其特征在于：估计器包括侧滑估计器、速度估计器和一致性估计器。
10.根据上述任一项权利要求的导航参数值配置设备，其特征在于：网络(220、240)采用的是不相似的技术，例如，一方面为AFDX类型的和另一方面为Erebus类型的。
11.根据上述任一项权利要求的导航参数值配置设备，其特征在于：运载工具是航空器。
12.根据上述任一项权利要求的导航参数值配置设备，其特征在于：用户系统(250)适于根据与所述导航参数相关的误差估计值决定是否使用所给的参数。
13.一种航空器，包括根据上述任一项权利要求的导航参数值配置设备。
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