CN104331593B

CN104331593B - 用于地面预测航空器沿路径的定位的特征的设备和方法

Info

Publication number: CN104331593B
Application number: CN201410427608.2A
Authority: CN
Inventors: P·格梅雷克; J-D·佩里; A·吉耶
Original assignee: Airbus Operations SAS
Current assignee: Airbus Operations SAS
Priority date: 2013-07-22
Filing date: 2014-07-22
Publication date: 2018-12-18
Anticipated expiration: 2034-07-22
Also published as: US9377306B2; US20150219460A1; CN104331593A; FR3008818A1; FR3008818B1

Abstract

预测设备(1)包括计算元件(7)，其包括与航空器机载模型一致的性能和完整性模型(8)，所述第二计算元件(7)确定涉及航空器沿飞行和/或地面路径的定位的精度、完整性和可用性信息，所述完整性信息考虑了卫星定位系统的完整性和航空器上至少一个硬件完整性。

Description

用于地面预测航空器沿路径的定位的特征的设备和方法

技术领域

本发明涉及用于在地面上预测航空器、尤其是运输飞机沿路径的定位的特征(诸如精度、完整性和可用性)的设备和方法。

背景技术

已知的是，对运输飞机(在地面上和飞行中)进行定位的系统通常是基于与定位卫星相关的GPS/GNSS信号。信号的同步通过每颗卫星机载的原子钟而得到。机载安装在飞机上的接收器比较接收到的信号相对于接收器中本地生成的信号的偏移，并且因而测量自卫星的距离。这些测量在所有可见卫星上被重复(也就是说在针对其而言信号在飞机上被接收的所有卫星上)，并使得连续计算定位成为可能。

任何距离测量，不管所使用的系统(低地球轨道或对地同步卫星星群或本地信标)如何，都将(安置在飞机上的)接收器置于以发射器为中心的球体上。通过使用至少三个发射器，这些球体具有单个相交点。然而，这个简单的原理是复杂的。这是因为：

-接收器的本地时钟很少具有原子精度。因此，仅有时间差是精确的，这需要四个而不是三个信标或卫星以便定义点(如果高度已知，则三个信标足够)；

-接收器是可移动的，并且因此测量是在不同点处执行的；和

-用于信号传输的无线电波具有取决于它们通过的电离层而轻微可变化的速度。

定位信号接收器结合这些各种误差，通过使用来自各种卫星或信标的校正和测量，以及整合和滤波技术(诸如卡尔曼(Kalman)滤波器)，以便获得最可能的点和其经估计的精度和速度以及世界时(universal time)。

对于精度应用或过程、例如诸如RNP(所需导航性能)类型的过程，需要航空器导航的绝对安全(在直到0.1NM的受限狭长带(corridor)中的导航过程)，导航信号由所谓的“完整性”信号补充，这使得有可能消除来自暂时或在延长时段内有缺陷的发射器的任何测量。完整性是置信度的度量，用户可以在来自系统的输出(也就是说由系统提供的信息)的质量中具有它。

在飞机上，计算装置通常用于基于GPS/GNSS数据和IRS(惯性参考系统)类型的惯性数据之间的混成(hybridisation)来计算定位。GPIRS(全球定位/惯性参考系统)混成包括通过从GPS/GNSS数据得到的定位测量来阻尼或稳定化惯性导航单元的发散误差。

已知，在空中运输的上下文中，在起飞、进场、着陆阶段等中执行空中操作之前，按照现行规则，在RNP类型的特定操作中，航空公司被要求在被计划用于着陆航空器的区中和时间处进行混合定位可用性和相关联完整性的地面预测。

以常规方式，惯性单元的GPIRS卡尔曼滤波器的算法被建模在地面预测软件中。该地面预测软件于是使得有可能在航空器出发前对由GPIRS卡尔曼滤波器在给定(多个)点和给定(多个)时刻处计算出的飞机定位的精度、可用性和完整性进行预测。

然而，用于预测飞机定位的精度、完整性和可用性的常规工具(GPS/GNSS或GPIRS)具有不同的限制，特别是没有地面预测工具涵盖在定位的总体完整性的计算中对机载硬件完整性的监控。

发明内容

本发明涉及用于在地面上预测航空器沿路径的定位的特征(精度、完整性和可用性)的设备，这使得补救该缺点成为可能。

为此，根据本发明，所述预测设备显著之处在于它至少包括：

-路径生成单元，以便提供包括以下元素中至少之一的航空器路径：飞行路径和地面路径；

-中央单元，其至少包括：

·第一计算元件，其包括航空器模型并且确定航空器在路径上的动态；和

·第二计算元件，其包括与航空器机载模型一致的性能和完整性模型，其借助于所述性能和完整性模型，通过考虑航空器的动态，所述第二计算元件确定涉及航空器沿路径的定位的精度、完整性和可用性信息，所述完整性信息考虑了航空器使用的卫星定位系统的完整性和沿路径的航空器上的至少一个硬件完整性；以及

-用于向用户呈现所述精度、完整性和可用性信息的单元。

因此凭借本发明，得到一种设备用于在地面上预测航空器定位的特征(诸如精度、完整性和可用性)，其考虑机载硬件部分的完整性，这使得获得具有完整覆盖的预测设备成为可能。此外，由于预测设备的中央单元包含与航空器机载模型一致的性能和完整性模型，所以获得的预测特别精确并与航空器在飞行过程中将经历的相一致。

有利地，所述路径生成单元包括以下元件中至少之一，以便提供航空器路径：

-包含路径的数据库；和

-用于确定路径的计算单元。

此外，有利地，所述预测设备还可以包括以下元件中至少一些：

-至少一个地形数据库；

-至少一个辅助数据库，其包含卫星定位系统的涉及卫星的信息；

-外部接口；和

-用于与说明所计算的完整性的全局保护半径(global protection radius)的阈值进行比较的装置，和用于在所述阈值被所述全局保护半径超过的情况下触发警报的装置。

此外，所述预测设备可以包括以下特征中至少一些，单独地或组合地采取：

-中央单元的所述第二计算元件包括卫星掩蔽模型(masking model)，并且确定和提供沿路径的可见卫星的指示，这借助于地形信息和卫星定位系统的涉及卫星的信息；和

-中央单元的所述第一计算元件包括环境模型。

本发明还涉及用于在地面上预测航空器沿路径的定位的特征(精度、完整性和可用性)的方法。

根据本发明，所述预测方法至少包括在于以下各项的步骤：

a)接收包括以下元素中至少一个的航空器路径：飞行路径和地面路径；

b)确定航空器在路径上的动态；

c)借助于与航空器机载模型一致的性能和完整性模型并通过考虑航空器的动态，计算涉及航空器沿路径的定位的精度、完整性和可用性信息，所述完整性信息考虑了航空器使用的卫星定位系统的完整性和沿路径的航空器上至少一个硬件完整性；以及

d)向用户呈现所述精度、完整性和可用性信息。

在优选的实施例中，航空器定位和说明完整性的定位保护半径的预测是借助于下面的表达式来计算的：

X(k+1)＝F[Xm(k)，X(k)]

Xm(k)＝G[E(U(k))，M(U(k))]

其中：

-k是迭代；

-X是航空器的定位；

-U表示当前时刻在预测计算的输入处使用的状态矢量，涵盖了航空器及其环境的动态状态；

-G表示使用在定位和保护半径的预测的输入处的掩蔽M和传感器误差E的建模函数；和

-F表示用于计算航空器定位预测和定位保护半径的迭代处理。

此外，所述预测方法可以包括以下特征中至少一些，单独地或组合地采取：

-与说明计算的完整性的全局保护半径阈值进行比较的步骤，和在所述阈值被所述全局保护半径超过的情况下触发警报的步骤。

-说明完整性的全局保护半径被计算为至少以下半径的最大值：

·结合了空间中信号故障的保护半径；

·结合了定位计算器的硬件故障的保护半径；和

·结合了卫星信号接收器的硬件故障的保护半径；以及

-确定和提供沿路径的可见卫星的指示的步骤，这借助于地形信息和卫星定位系统的涉及卫星的信息，以及卫星掩蔽模型；

-导航误差的估计被添加到所估计的定位的导航误差上。

此外，有利地，在生成对应有效信息时的问题的情况下，信息的以下默认项中至少之一被提供：

-默认的标记角度；和

-默认的路径。

附图说明

附图中的单个图将使得能够很好地理解如何能眵实施本发明。该单个图示出了说明本发明实施例的预测设备的框图。

具体实施方式

在单个图上被示意性示出的和说明了本发明的设备1是用于在地面上自动预测(也就是说，飞行前)航空器(特别是运输飞机)沿路径的定位的精度、完整性和可用性的设备。

根据本发明，该预测设备1包括：

-路径生成单元2，以便提供包括飞行路径和/或地面路径的航空器路径(旨在被航空器遵循)；

-中央单元3，其通过链路4被连接到所述单元2，并且其至少包括：

·计算元件5，其包括航空器的常规模型6并且借助于该模型6来确定航空器在路径上的动态；和

·计算元件7，其包括性能和完整性模型8，其类似于航空器机载的常规模型(性能和完整性模型)并且与其一致。这样的常规模型是众所周知的。该计算元件7借助于航空器的动态和所述模型8来确定精度、完整性和可用性信息。所述完整性信息考虑了航空器使用的卫星定位系统的完整性和沿路径的航空器上至少一个硬件完整性这二者。该计算元件7检查与被设想用于航空器的过程(例如，RNP类型的过程)所需要的性能的顺应性；以及

-用于向用户呈现所述精度和完整性信息的单元9。

优选地，所述单元9包括显示单元10，其通过链路11被连接到中央单元3，并且其被配置为在显示屏12上呈现该信息。单元9可以同样地对应于用于呈现所述信息的任何其它常规装置。

此外，所述路径生成单元2包括以下元件中至少一个以便提供航空器的路径，如以下详述的：

-包含路径的数据库13；和

-用于确定路径的计算单元14。

此外，所述预测设备1还包括：

-至少一个地形数据库15(例如NDB(导航数据库)类型或AMDB(飞机场映射数据库)类型，如以下详述的)，其通过链路16被连接到中央单元3；

-至少一个辅助数据库17，其通过链路18被连接到中央单元3并且其包含卫星定位系统的涉及卫星的信息；和

-外部接口19，其也通过链路20被连接到中央单元3并且其旨在用于用户。

在特定的实施例中，所述预测设备1还包括：

-比较装置21，其例如被并入在中央单元3中，并且其将全局保护半径(说明完整性)与阈值进行比较；和

-用于触发警报的装置22，其通过链路23被连接到中央单元3(并连接到所述比较装置21)，并且其被配置以便在所述阈值被所述全局保护半径超过的情况下触发视觉和/或听觉类型的常规警报。

此外，在特定的实施例中：

-中央单元3的所述计算元件7还包括卫星掩蔽模型24，并且它被配置成确定并提供沿路径的可见卫星的指示，这借助于地形信息(从地形数据库15接收)和来自卫星定位系统的涉及卫星的信息(从辅助数据库17接收)；和

-中央单元3的所述计算元件5包括环境模型25(风速梯度、温度和/或压力、质量和/或定心等)。

因此，设备1是用于在地面上对包括机载硬件部分完整性的航空器定位的精度和完整性进行预测的工具，该预测考虑了由用户所提供的路径相关的信息(如果需要则包括在地面上的阶段)和相关联的地形掩蔽。

路径由连续地端对端放置的一组曲线和直线段表征，以便形成连续线，在其上航空器建立其导航。根据曲线(较大或较小的曲率半径、曲线段的数目、航向改变的数目、转动的强度)，定位计算器的误差估计发生变化并且应当被考虑在内以便计算不仅包括卫星星群的状态还包括机载硬件部分的保护半径。

沿路径始终，包括滑行、起飞、着陆、巡航阶段、进场、复飞等，并且尤其是在RNP阶段期间，包括机载硬件部分的预测设备1因此使得对于用户预期它是否能够执行所设想的操作成为可能，这通过考虑：

-航空器外部的参数：

·HIL_SIS(水平完整性限制：空间中信号)类型的、结合了空间中GPS/GNSS信号故障的保护半径(或完整性半径)的计算；

·考虑根据航空器定位的地形和实时计算地形掩蔽；

·考虑实际路径；

·考虑航空器的姿态(特别是转动)；

·考虑在该实际路径上GPS系统的卫星星群的状态；

·考虑航空器的高度；

·考虑在地面阶段和飞行中之间的区别；和

-机载参数：HIL_H/W(水平完整性限制：机载硬件)类型的、保护半径(或硬件完整性半径)计算和航空器定位计算器的误差估计。

由用户经由外部接口19将对预测有用的参数输入到预测设备1中，所述外部接口19即专用人/机接口或web接口(客户端/服务器架构)。

此外，导航数据库13(例如NDB(导航数据库)的)包含了对于产生飞行计划必要的所有信息，并且特别是：

-空中路线；

-航路点；

-机场；

-跑道；和

-无线电导航数据。

该信息是经由ARINC 424标准定义的。该数据库13规律地更新(在民航中一般是28天)，通常在飞行前在地面上进行。因此飞行计划包括一系列的点，其结构由诸如ARINC 424之类的标准定义。

因此已构造的地面和飞行路径的数据库13是可用的。

单元2还可以具有路径计算器14，以便基于由用户(飞行员或公司)输入的飞行计划来计算路径。该路径计算器14可以是专用计算器或称为FMS的常规飞行管理系统，适合于计算将在航空器上被遵循的路径。

基于被包含在例如AMDB(飞机场映射数据库)类型的机场数据库中的信息，(多个)表面路径的计算同样是可能的。

这些路径，其中每一个点是已知的(例如每秒一点)，向预测设备1提供关于以下各项的信息：

-航空器飞越(fly-by)点：日期/时间、纬度、经度、高度、姿态、速度、速率、航向、加速度等；

-对于曲线段的路径曲率半径；

-直线段的长度；和

-在航空器定位的精度和完整性估计中和因此在滑行、起飞、着陆、巡航、进场、复飞等期间引入的偏差和误差估计中所牵涉的惯性传感器的激励(stimulation)。

在优选的实施例中，航空器定位和说明了完整性的定位保护半径的预测是在预测设备1中借助于下面的表达式来计算的：

X(k+1)＝F[Xm(k)，X(k)]

Xm(k)＝G[E(U(k))，M(U(k))]

其中：

-k是迭代；

-X是航空器的定位；

-G表示使用在定位和保护半径HW(对于硬件完整性)和SIS(对于空间中信号完整性)的预测的输入处的掩蔽M和传感器误差E的建模函数(GPS、惯性等)；和

-F表示用于航空器定位预测和定位保护半径HW和SIS的计算的迭代处理。

为了表示航空器的实际行为和航空器机载导航功能的可用性，用于处理卫星故障和由此预测设备1的空间中信号(SIS)部分的算法是存在于计算航空器定位的机载装备中的用于计算完整性的常规算法的映像(image)。因此，预测设备1为即将到来的一个或多个操作的功能可用性产生早期分析。预测设备1能够以10^-7的保护水平来计算针对空间中信号故障(卫星故障)的保护。10^-7的保护水平意味着估计的点(GPIRS)在完整性的保护半径之外的概率小于10^-7。相关联的保护被称为水平完整性限制(HIL)，并将在卫星被检测和排除功能排除之前的卫星故障效应考虑在内。关于卫星故障的该保护被包括在全局完整性保护半径的计算中，如以下详述的。

因此，凭借对路径和其主要特征的了解，预测设备1使得有可能改善对在估计定位精度和完整性计算中所牵涉的惯性传感器的行为的了解。该算法同样使得有可能处理硬件完整性(定位计算器、GPS/GNSS接收器等)。该算法、机载算法的确切映像，结合了对沿路径的机载硬件完整性HIL_H/W的计算进行预测的能力。

预测设备1可以考虑多个完整性值，其取决于在估计该硬件完整性中牵涉的计算器的数目(对于定位计算器的HIL_H/W，对于GPS/GNSS接收器的HIL_H/W)。

因此，预测设备1的用户能够知道航空器是否将保持在要观测的警报限制(NSE(导航系统误差)类型的)内，以便执行操作。该警报限制对应于由比较装置21所使用的最大准许阈值，其考虑了空间中信号部分和机载硬件部分。

将指出的是，在排除硬件冗余之前(诸如在排除GPS/GNSS卫星故障之前)，完整性保护半径增大以便考虑故障的效应。一旦排除被实施，故障的效应就总是被结合并且半径总是大于如果未曾有故障时的半径。

说明完整性的全局保护半径(全局HIL)被计算为至少以下半径的最大值：

·结合了空间中信号故障的保护半径HIL_SIS；

·结合了定位计算器的硬件故障的保护半径HIL_H/W1；和

·结合了卫星信号接收器的硬件故障的保护半径HIL_H/W2。

如果比较装置21检测到全局HIL＞NSE，则警报由单元22发射并且用户被告知该过程不能被实施。

此外，由于地形和障碍(典型地在DO-272和DO-276标准的含义内)的掩蔽的计算可以基于TODB(地形和障碍数据库)类型的地形和障碍数据库中的可用信息来实施。

由计算元件7实施的该掩蔽计算可以沿路径始终在每个定义的点处被执行。掩蔽同样取决于航空器在路径上的高度和姿态，尤其是转动。因此，有必要通过航空器模型来表征航空器在路径上的行为。

结果可以被示出在常规路径显示器上，在其上显示：

-路径的部分(例如以红色示出)，对于其而言警报限制被完整性半径(SIS+H/W)超过；和

-路径的部分(例如以绿色示出)，对于其而言功能的可用性良好。

此外，在特定实施例中，所述预测设备1在路径的每个点上考虑默认掩蔽角度，例如5°。如果地形数据库15在给定路径上不可用，则默认的掩蔽角度可以被应用在所讨论的路径的每个点处。可用性于是稍微降低，因为默认的掩蔽是潜在地排除了卫星的保守值，而同时所述卫星在利用地形数据库15的预测中被考虑。

在特定实施例中，所述预测设备1还考虑基于DO 229标准的默认路径。如果路径没有被定义，或者如果不可能加载路径，则可能的是定义默认路径，向其应用默认的掩蔽角度。该回退(fall-back)方法具有以下优点：引入具有第一转然后半转的过程中的航空器的移动，因此引入导航单元中的保守偏差，并且使得用于管理硬件故障的算法能够在用于耦合到GPS/GNSS数据的输入处具有惯性增量。

此外，在另一特定实施例中，所述预测设备1还将导航误差考虑在内。为了更精确地确定用于RNP进场过程的精度狭长带中的条件，可能的是局部地估计风速梯度或温度/压力的变化或沿进场路径的航空器的质量和定心的变化。因此导航误差的估计是可用的，其被添加(作为平方和)到所估计的定位的导航误差上。于是可能的是重新估计条件以用于实现根据环境参数(风、温度、压力等)或其它参数(诸如质量或定心)的精度和完整性目标。

预测设备1具有以下特征和优点：

-它使得用户能够取消选定曾是通信主体(subject)的一个或多个故障卫星。预测于是在没有这个或这些卫星的情况下被计算；

-它能够以10^-7的保护水平来计算针对空间中信号故障(卫星故障)的保护。相关联的保护考虑在卫星被检测和排除功能排除之前卫星故障的效应。预测设备1采用用于监控GPS/GNSS完整性的算法，其等同于机场系统使用的算法。预测设备1同样包含一种算法，其涵盖机载硬件对定位计算的效应。它能够以适当的保护水平来计算机载硬件完整性保护；

-因此，它使得有可能计算包括硬件故障和卫星故障的完整性保护半径，然后将其与由用户固定的限制进行比较，例如是路径上要飞行的RNP狭长带的函数的限制；

-凭借数据库或包含世界上公开的路径的所有特征的特定装置(单元2)，它可以涵盖整个路径上的而不是仅仅单个点处或几个点处的预测。路径至少由大量的点来定义(其可以高达一个或多个点/秒)，对于所述点而言，要维持的纬度、经度、高度和潜在地速度是已知的。飞行路径同样是由曲线段(它的曲率半径和长度是已知的)和直线段来定义的；

-它尤其使得有可能在所计算的定位的完整性和精度的计算中区分地面阶段和飞行阶段；和

-凭借陆地和障碍数据库15，它使得有可能在路径上的任何点处计算取决于周围地形和障碍的掩蔽。掩蔽角度在路径的每个点处被更新，以便优化GPS/GNSS信号的预测。由于掩蔽角度同样取决于航空器的高度和姿态，所以预测设备1考虑航空器在路径上的高度和姿态(特别是转动)。

Claims

1.用于在地面上预测航空器沿路径的定位的特征的设备，其特征在于，其至少包括：

-飞行路径生成单元（2），以便提供包括以下元素中至少之一的航空器路径：飞行路径和地面路径；

-中央单元（3），其至少包括：

·第一计算元件（5），其包括航空器的模型（6）并且确定航空器在路径上的动态；和

·第二计算元件（7），其包括与航空器机载模型一致的性能和完整性模型（8），其借助于所述性能和完整性模型，通过考虑航空器的动态，来确定涉及航空器沿路径的定位的精度、完整性和可用性信息，所述完整性信息考虑了航空器使用的卫星定位系统的完整性，所述卫星定位系统的完整性被计算为空间中信号保护半径HIL_SIS，以及航空器机载定位计算器的硬件完整性被计算为第一硬件保护半径HIL_H/W1，以及航空器机载卫星信号接收器的硬件完整性被计算为第二硬件保护半径HIL_H/W2；以及

-用于向用户呈现所述精度、完整性和可用性信息的单元（9）；

其中将至少HIL_SIS、HIL_H/W1和HIL_H/W2中的最大值与导航系统误差相比较以指示是否可以执行航空器过程。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述路径生成单元（2）包括以下元件中至少之一，以便提供航空器的路径：

-包含路径的数据库（13）；和

-用于确定路径的计算单元（14）。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的设备，其特征在于，其还包括至少一个地形数据库（15）。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的设备，其特征在于，其还包括至少一个辅助数据库（17），所述辅助数据库包含卫星定位系统的涉及卫星的信息。

5.根据权利要求1或权利要求2所述的设备，其特征在于，所述第二计算元件（7）包括卫星掩蔽模型（24），并且确定和提供沿路径的可见卫星的指示，这借助于地形信息和卫星定位系统的涉及卫星的信息。

6.根据权利要求1或权利要求2所述的设备，其特征在于，其还包括外部接口（19）。

7.根据权利要求1或权利要求2所述的设备，其特征在于，其还包括装置（22），用于在所述导航系统误差被至少HIL_SIS、HIL_H/W1和HIL_H/W2中的最大值超过的情况下触发警报。

8.根据权利要求1或权利要求2所述的设备，其特征在于，所述第一计算元件（5）还包括环境模型（25）。

9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，航空器定位和说明了完整性的定位保护半径的预测是借助于下面的表达式来计算的：

X(k+1) = F[Xm(k), X(k)]

Xm(k)=G[E(U(k)), M(U(k))]

其中：

-k是迭代；

-X是航空器的定位；

-U表示当前时刻在预测计算的输入处使用的状态矢量，其涵盖了航空器及其环境的动态状态；

-F表示用于航空器定位预测和定位保护半径的计算的迭代处理。

10.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，说明完整性的全局保护半径被计算为至少以下半径的最大值：

-结合了空间中信号故障的保护半径；

-结合了定位计算器的硬件故障的保护半径；和

结合了卫星信号接收器的硬件故障的保护半径。

11.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，导航误差的估计被添加到航空器的估计的定位的导航误差上。

12.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，在生成信息时出现问题的情况下，信息的以下默认项中至少一个被提供给用户：

-默认的掩蔽角度；和

-默认的路径。