CN104764447A - 在接近着陆跑道期间垂直引导飞行器的方法和设备 - Google Patents

在接近着陆跑道期间垂直引导飞行器的方法和设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及在接近着陆跑道期间垂直引导飞行器的方法和设备。所述设备包括提取存储器中存储的线性地面轮廓(PT)、飞行器的当前距离(X)的地面高度(HT)的单元，使用由雷达高度计取得的至少一个测量结果确定飞行器(AC)关于地面的当前高度(RA)的单元，使用地面高度(HT)和当前高度(RA)计算飞行器(AC)的第一当前高程(A1)的单元，计算与接近剖面(PA)上此当前位置(Pc)的高程对应的飞行器(AC)第二当前高程的单元以及计算第一与第二当前高程之间的差(Δ)的单元，此差(Δ)被传送到引导单元以垂直地引导飞行器(AC)。

Description

在接近着陆跑道期间垂直引导飞行器的方法和设备
技术领域
本发明涉及在接近(进场)(approach)期间垂直引导飞行器尤其是运输机的方法和设备。
更确切地说，本发明适用于沿着横向接近轨迹对机场着陆跑道的接近。
背景技术
在为了在机场的着陆跑道上着陆的接近期间，有多种常规系统协助飞行器尤其是民用运输机的引导。尤其是，ILS(仪器着陆系统)类型的系统已公知。这样的ILS要求地面设施为每条着陆跑道都提供横向(定位信标)和垂直(滑行)引导轴，将沿着它们引导飞行器。
不过，这样的ILS并非安装在全部机场，以及用于全部着陆跑道。因此，为了在任何机场都能够使用，垂直引导设备必须能够不依赖地面设施而仅仅使用机载传感器进行垂直引导。
不仅如此，公知飞行器装备了导航系统，一般使用来自GPS(全球定位系统)类型的卫星定位系统的数据。这样的系统具有良好的横向准确度，对许多应用是足够的。不过，其垂直分量对于用于接近期间不够准确，正如本发明中所考虑，尤其是对于民用运输机。
因此，仅仅使用机载装置，即不使用地面设施，现有设备在接近期间将不能提供准确的垂直引导(与使用ILS的常规垂直引导相同量级的准确度)。
发明内容
本发明的目标是消除这种缺点，它涉及在沿着横向接近轨迹接近着陆跑道期间垂直引导飞行器的方法。
根据本发明，所述方法包括多个相继的步骤，在于自动地和重复地：
a)确定在飞行器的当前位置与着陆跑道的起点之间的对应于沿着横向接近轨迹的横向平面内的距离的当前距离；
b)从沿着横向接近轨迹定义的线性地面轮廓提取当前距离的地面高度，该地面高度相对于着陆跑道的起点的水平面被定义；
c)使用由至少一个机载雷达高度计在此当前位置取得的至少一个测量结果，确定飞行器关于地面的当前高度；
d)使用飞行器的当前高度和地面高度，计算飞行器关于着陆跑道起点的水平面的第一当前高程；
e)计算飞行器相对于着陆跑道起点的水平面的、与接近剖面上所述当前距离的高程对应的第二当前高程；
f)计算所述第一当前高程与所述第二当前高程之间的差；以及
g)使用此差来垂直地引导飞行器。
因此，使用了本发明，仅仅使用以下指定的常规机载装置(雷达高度计等)确定飞行器的理论垂直位置与当前垂直位置之间的差对应的高程差变为可能，它准确到足以能够用在飞行器由常规引导单元尤其是自动驾驶系统或飞行指挥仪的装置实施的垂直引导中。
在本发明的语境中，术语“高程”被理解为指关于着陆跑道的起点的高度，该起点用作基准点(即高程在起点被视为零)。
优选情况下，步骤a)包括子步骤，在于：
-使用由形成卫星定位系统一部分的机载接收机取得的若干测量结果来确定飞行器的当前位置；以及
-使用此当前位置和着陆跑道起点的存储的预定位置来计算当前距离。
不仅如此，在第一个简化的实施例中，步骤c)在于确定当前高度为由雷达高度计测出的高度。不仅如此，在第二个优选实施例中，步骤c)包括由实施以下相继子步骤来确定当前高度为混合高度，子步骤在于：
c1)使用低通滤波器，过滤由雷达高度计取得的测量结果，以获得第一值；
c2)测量飞行器的垂直速度，对此垂直速度积分并使用高通滤波器对其进行过滤，以获得第二值；以及
c3)对第一值和第二值求和以获得所述混合高度。
不仅如此，优选情况下，步骤e)包括子步骤，在于：
e1)计算接近剖面，该接近剖面对应于具有关于地平线的预定角度的半线并包括位于所述着陆跑道上关于所述着陆跑道起点预定距离处的端点；以及
e2)计算在距离着陆跑道的起点对应于所述当前距离的横向距离处此接近剖面的高程作为第二当前高程。
所述垂直引导方法能够也包括分别地或结合地采取的一个或多个以下特征：
-步骤d)在于对当前高度与地面高度求和以计算第一当前高程；
-在形成卫星定位系统一部分的机载接收机与机载雷达高度计之间关于飞行器位置的校正通过重复地使用飞行器的当前倾斜角、关于位于飞行器上的同一参考点参考由接收机取得的测量结果和由雷达高度计取得的测量结果来实施；
-当飞行器当前位置的准确度低于预定的准确度阈值时，在飞行器的驾驶舱中发出警报信号，所述当前位置和所述准确度使用形成卫星定位系统一部分的机载接收机确定；
-第一与第二当前高程之间的差以两条半线之间角偏离的形式表示；以及
-所述差在飞行器驾驶舱的屏幕上显示，优选情况下在主导航屏幕上。
不仅如此，优选情况下，垂直引导方法包括附加步骤，在于估计飞行器的当前距离中的偏差以及按此偏差校正当前距离。优选情况下，这个附加步骤在接近期间包括子步骤，在于：
α)使用所取得的测量结果估计所飞越地面的轮廓；以及
β)使所飞越地面的这个轮廓与存储器中存储的地面轮廓相关，以从中推导出偏差，所述步骤a)和b)迭代地重复，在每次迭代时考虑上次迭代时推导出的偏差。
本发明还涉及在沿着横向接近轨迹接近着陆跑道期间垂直引导飞行器的设备，所述垂直引导设备包括至少以下机载单元：使确定飞行器的当前位置成为可能的跟踪单元、至少一个雷达高度计和至少一个引导单元。
根据本发明，所述垂直引导设备另外包括以下机载单元：
-数据库，存储沿着横向接近轨迹定义的线性地面轮廓；
-第一计算单元，被配置为确定在飞行器的当前位置与着陆跑道的起点之间的、对应于沿着横向接近轨迹的横向平面内的距离的当前距离；
-第二计算单元，被配置为从数据库中存储的线性地面轮廓提取由第一计算单元确定的当前距离的地面高度，该地面高度相对于着陆跑道的起点的水平面被定义；
-第三计算单元，被配置为使用由雷达高度计在此当前位置取得的至少一个测量结果来确定飞行器关于地面的当前高度；
-第四计算单元，被配置为使用分别从所述第二和第三计算单元收到的地面高度和飞行器的当前高度，来计算飞行器关于着陆跑道起点的水平面的第一当前高程；
-第五计算单元，被配置为计算飞行器相对于着陆跑道起点的水平面的、与接近剖面上此当前位置的高程对应的第二当前高程；以及
-第六计算单元，被配置为计算分别从所述第四和第五计算单元收到的所述第一与第二当前高程之间的差，此差被传送到引导单元，该引导单元使用此差来垂直地引导飞行器。
附图说明
若干附图将给出如何能够产生本发明的清楚理解。在这些图示中，一致的引用号指明类似的要素。
图1是展示本发明实施例的垂直引导设备的框图；
图2以平面图示意地显示了横向接近轨迹；
图3是垂直引导设备的中心单元的具体实施例；
图4和图5讲解了对于本发明的具体实施例确定地面轮廓；
图6显示了实施本发明所用的传感器在飞行器上的位置；
图7是垂直引导设备的一个元件的具体实施例；
图8解释了跟踪误差的后果。
具体实施方式
在图1中示意地表示的并展示了本发明的设备1意在沿着横向接近轨迹TA接近着陆跑道2期间(图2)至少垂直地引导飞行器AC，尤其是民用运输机。尽管在图2中接近轨迹TA被表示为直线，但是本发明适用于任何类型的接近轨迹，包括一条或多条直线和/或弯曲段的结合。
为此，飞行器AC中嵌入的这种垂直引导设备1包括：
-常规跟踪单元3，使确定飞行器AC的当前位置PC成为可能。这种跟踪单元3包括至少一个接收机4，形成卫星定位系统的一部分，例如GPS类型；
-组合件5包括至少一个但是优选情况下多个雷达高度计6；以及
-至少一个常规引导单元7A、7B，优选情况下是自动驾驶系统7A和/或飞行指挥仪7B。
根据本发明，这种垂直引导设备1还包括数据库8，存储着沿着横向接近轨迹TA定义的线性地面轮廓PT；以及中心单元9，分别利用连接10、11、12和13连接到跟踪单元3、组合件5、引导单元7A、7B以及数据库8。在具体实施例中，数据库能够集成在中心单元9中。
根据本发明，如图3中表示，中心单元9包括：
-计算单元15，它被配置为确定与飞行器AC的当前位置PC与着陆跑道2的起点2A之间在沿着横向接近轨迹TA的地平线平面内的距离对应的当前距离X(图4)；
-计算单元16，它被配置为从数据库8中存储的线性地面轮廓PT提取由计算单元15确定的并经由连接17收到的当前距离X的地面高度HT；
-计算单元18，它被配置为使用由组合件5的至少一个雷达高度计6在此当前位置PC取得的并经由连接11收到的至少一个测量结果，确定飞行器AC关于地面的当前高度RA；
-计算单元19，它被配置为使用分别从所述计算单元16经由连接20收到的地面高度HT和从所述计算单元18经由连接21收到的飞行器AC的当前高度RA，计算飞行器AC的第一当前高程A1。计算单元19产生当前高度RA与地面高度HT之和以计算第一当前高程A1。如果地面高度HT关于以上指定的新水平面H指向上(如图4中由箭头B1展示)，它为正值，而如果此地面高度HT指向下(如图4中由箭头B2展示)，它为负值，正如在这幅图4中实例的情况；
-计算单元22，它被配置为计算飞行器AC的第二当前高程A2，对应于接近剖面(profile)PA上此当前位置PC的高程，正如以下指定的；以及
-计算单元23，它被配置为计算分别从所述计算单元19经由连接24收到的所述第一当前高程A1与从所述计算单元22经由连接25收到的所述第二当前高程A2之间的差Δ。
此差Δ经由连接12传送到引导单元7A、7B，以常规方式使用它来垂直地引导飞行器AC。
因此，根据本发明的垂直引导设备1能够仅仅使用机载装置(3、5、8、9)确定与理论垂直位置与当前垂直位置之间的差对应的高程差Δ，它准确到足以能够用在使用引导单元7A、7B实施的垂直引导飞行器AC中。
在本发明的语境中，术语“高程”被理解为指关于着陆跑道2的起点2A(位于水平面H)的高度。
对于给定机场上给定接近的跑道上游使用和定义的地面轮廓PT是沿着横向接近轨迹TA定义的一维轮廓。人们认为采取同一接近的一切飞行器都将沿着同一横向接近轨迹TA飞行。
计算单元15被配置为使用当前位置PC和着陆跑道2的起点2A的存储的预定位置，计算当前距离X，方式为把这些位置投影到地面(地平线平面)，尤其是根据地球曲率的平面或弯曲形状。
不仅如此，计算单元22还包括：
-计算单元27，它被配置为计算接近剖面PA，该接近剖面PA对应于具有关于地平线H的预定角度α(优选情况下3°)的半线以及包括端点28(位于着陆跑道2上关于着陆跑道2的起点2A预定距离D1处，如图5表示)。优选情况下，此接近剖面PA(类似于ILS束)对于标准接近具有在着陆跑道2的起点2A之上55英尺的高度H1；以及
-计算单元29，它利用连接30连接到计算单元27并且被配置为计算在此接近剖面PA上距离着陆跑道2的起点2A(朝向上游)与所述当前距离X对应的距离处的高程作为第二当前高程A2。
不仅如此，一般来说，跟踪单元3的GPS接收机4安装在飞行器AC比如运输机的顶部朝向前方，如图6中箭头F1所示，而雷达高度计6安装在底部朝向后方，正如箭头F2所示。
所以适于把这两个测量结果一起送到同一参照系中。为了这样做，使用飞行器AC的当前倾斜角θ，在机载GPS接收机4与一个或多个机载雷达高度计之间重复地实施对飞行器的位置校正。为了这样做，设备1包括计算单元31(图3)，它参考关于飞行器AC上的同一基准点由接收机4取得的测量结果和由雷达高度计6取得的测量结果，使用采用角度θ和若干天线的各自位置(它们的位置由图6中箭头F1和F2标注)的几何校正。此基准点可以是飞行器AC的重心、起落架轮胎的最低点、飞行员的位置、ILS天线的位置或飞行器AC的任何其他位置。
不仅如此，设备1还包括警报单元32，例如利用连接33连接到中心单元9(图1)并且能够在飞行器AC的当前位置PC的准确度低于预定的准确度阈值时在飞行器的驾驶舱中发出视觉或声音类型的警报信号。所述当前位置和所述准确度通常使用形成卫星定位系统一部分的机载接收机4确定。警报单元32包括比较单元(未表示，例如集成到中心单元9中)，它把从接收机4收到的准确度值与所述存储的准确度阈值对比。常规情况下，接收机4主要根据从不同卫星收到的全部信号的离差和全部卫星的相对位置计算所估计位置的准确度。
机组人员被如此警告后，能够采取必要的措施(手动驾驶、中断接近等)。
不仅如此，在具体实施例中，第一当前高程A1与第二当前高程A2之间的差Δ以两条半线之间角偏离β的形式表示，两条半线是与接近剖面PA对应的半线以及从点28开始并穿过由对应距离X处的高程A1定义的位置的半线34，如图5所示。
在具体实施例中，差Δ或(以角偏离的形式表示分离时的)角偏离β显示在PFD(主飞行显示)类型的主驾驶屏幕42上，它利用连接43连接到中心单元9(图1)。
不仅如此，在第一个简化实施例中，计算单元18简单地使用由雷达高度计6的组合件5测出的并经由连接11收到的高度作为当前高度RA。
不过，算出的垂直偏离可能受两种误差和/或噪声源影响：
-所用的地面轮廓PT为真实轮廓的近似，可能出现轻微的变化；以及
-雷达高度计6受测量噪声的影响并且能够检测到移动物体比如汽车或者可能受到环境中植被的影响。
这两种影响结合后，给定飞行器的惯常速度时，可能产生相对显著的高频噪声信号。为了降低这种高频噪声，在第二个优选实施例中，计算单元18确定混合高度作为当前高度。为了这样做，如图7所示，计算单元18包括：
-过滤单元35，使用低通滤波器过滤由雷达高度计6取得的测量结果，以获得第一值；
-计算单元36，对使用常规惯性传感器测出的飞行器AC的垂直速度积分；
-过滤单元37，利用连接38连接到计算单元35并且被配置为使用高通滤波器过滤积分的结果，以获得第二值；以及
-求和单元39，对分别经由连接40和41收到的第一个和第二值求和，以获得所述混合高度，它由连接21传送。
不仅如此，如图8所示，如果发现飞行器AC在距离X(位置P1)并且跟踪单元3认为在距离X+ΔX发现它：
-飞行器AC的第一个估计的当前高程稍微有误差，因为地面轮廓PT被用在稍微有误差的位置；以及
-关于接近剖面PA定义的第二个当前高程也稍微有误差。
为了校正这些误差，垂直引导设备1此外包括附加单元42，意在估计飞行器AC的当前距离的偏差1ΔX并且校正这个偏差ΔX的当前距离。这个附加单元42包括在接近期间实施以下步骤的装置：
α)使用所取得的测量结果估计所飞越地面的轮廓；以及β)使所飞越地面的这个估计的轮廓与存储器中存储的地面轮廓相关，以降低其中的偏差，所述步骤α)和β)迭代地重复，在每次迭代中考虑前一次迭代中降低的偏差。
估计的地面轮廓PT与存储的地面轮廓相关。相关最大值提供了偏差的估计。一旦进行过了这个第一次估计，便能够根据由附加数据完善的、雷达高度计的存储的轮廓再次计算新估计的地面轮廓。飞行器的估计高程因此变得越来越准确。在该接近期间自始至终迭代地执行本方法。只要飞越的地面轮廓PT充分地变化使相关能够提供位置误差的可靠估计，收敛便很快发生。
本发明具有许多优点，特别是：
-设备1使得有可能在接近期间仅仅使用商业飞行器上以通常方式安装的机载传感器提供非常准确的飞行器AC垂直引导(常规ILS的准确度量级)，所以不要求地面设施。这种解决方案因此降低了成本并且能够用在一切着陆跑道上；
-所用的地面轮廓PT为线性的(即沿着横向接近轨迹TA具有单一维度)，在数据库8中要存储的数据量有限，所以数据库能够集成在机载计算机(中心单元9)中。因此，不需要为了实施本发明而在飞行器AC上安装新的计算机；以及
-本发明适用于任何类型的接近(进场)，尤其是直线接近或者带有弯曲段或直线与弯曲段结合的接近。

Claims (15)

1.一种在沿着横向接近轨迹接近着陆跑道期间垂直引导飞行器的方法，
其中，所述方法包括多个相继的步骤，在于自动地和重复地：
a)确定在飞行器(AC)的当前位置(PC)与着陆跑道(2)的起点(2A)之间的对应于沿着横向接近轨迹(TA)的横向平面内的距离的当前距离(X)；
b)从沿着横向接近轨迹(TA)定义的线性地面轮廓(PT)提取当前距离(X)的地面高度(HT)，该地面高度(HT)相对于着陆跑道的起点(2A)的水平面(H)被定义；
c)使用由至少一个机载雷达高度计(6)在此当前位置(PC)取得的至少一个测量结果，确定飞行器(AC)关于地面的当前高度(RA)；
d)使用飞行器(AC)的当前高度(RA)和地面高度(HT)，计算飞行器(AC)关于着陆跑道起点(2A)的水平面(H)的第一当前高程(A1)；
e)计算飞行器(AC)相对于着陆跑道起点(2A)的水平面(H)的、与接近剖面(PA)上所述当前距离(X)的高程对应的第二当前高程；
f)计算所述第一当前高程与所述第二当前高程之间的差(Δ)；以及
g)使用此差(Δ)来垂直地引导飞行器(AC)。
2.根据权利要求1的方法，其中，
步骤a)包括子步骤，在于：
-使用由形成卫星定位系统一部分的机载接收机(4)取得的若干测量结果来确定飞行器(AC)的当前位置(PC)；以及
-使用此当前位置(PC)和着陆跑道(2)起点(2A)的存储的预定位置来计算当前距离(X)。
3.根据权利要求1和2之一的方法，其中，
步骤c)在于确定当前高度为由雷达高度计(6)测出的高度。
4.根据权利要求1和3之一的方法，其中，
步骤c)在于由执行以下相继子步骤来确定当前高度为混合高度，该子步骤在于：
c1)使用低通滤波器，过滤由雷达高度计(6)取得的测量结果，以获得第一值；
c2)测量飞行器(AC)的垂直速度，对此垂直速度积分并使用高通滤波器对其进行过滤，以获得第二值；以及
c3)对第一值和第二值求和以获得所述混合高度。
5.根据上述任一项权利要求的方法，其中，步骤d)在于对当前高度(RA)与地面高度(HT)求和以计算第一当前高程(A1)。
6.根据上述任一项权利要求的方法，其中，在形成卫星定位系统一部分的机载接收机(4)与机载雷达高度计(6)之间关于飞行器(AC)位置的校正通过重复地使用飞行器(AC)的当前倾斜角(θ)和飞行器(AC)的天线的相对位置、关于位于飞行器(AC)上的同一参考点参考由接收机(4)取得的测量结果和由雷达高度计(6)取得的测量结果来实施。
7.根据上述任一项权利要求的方法，其中，步骤e)包括多个子步骤，在于：
e1)计算接近剖面(PA)，该接近剖面(PA)对应于具有关于地平线(H)的预定角度(α)的半线并包括位于所述着陆跑道(2)上关于所述着陆跑道(2)起点(2A)预定距离(D1)处的端点(28)；以及
e2)计算在距离着陆跑道(2)的起点(2A)对应于所述当前距离(X)的横向距离处此接近剖面(PA)的高程作为第二当前高程。
8.根据上述任一项权利要求的方法，其中，当飞行器(AC)当前位置的准确度低于预定准确度阈值时，在飞行器(AC)的驾驶舱中发出警报信号，所述当前位置和所述准确度通过使用形成卫星定位系统一部分的机载接收机(4)来确定。
9.根据上述任一项权利要求的方法，其中包括附加步骤，在于估计飞行器(AC)的当前距离中的偏差以及按此偏差校正当前距离。
10.根据权利要求9的方法，其中，这个附加步骤包括多个子步骤，在于在接近期间：
α)使用所取得的测量结果估计所飞越地面的轮廓；以及
β)使所飞越地面的这个轮廓与存储器中存储的地面轮廓相关，以从中推导出偏差，
所述步骤α)和β)迭代地重复，在每次迭代时考虑上次迭代中推导出的偏差。
11.根据上述任一项权利要求的方法，其中，第一当前高程与第二当前高程之间的差(Δ)以两条半线(PA、34)之间角偏离(β)的形式表示。
12.根据上述任一项权利要求的方法，其中包括附加步骤，在于在驾驶舱的屏幕(42)上显示所述差(Δ)。
13.一种在沿着横向接近轨迹接近着陆跑道期间垂直引导飞行器的设备，所述垂直引导设备(1)包括至少以下机载单元：使确定飞行器(AC)的当前位置(PC)成为可能的跟踪单元(3)、至少一个雷达高度计(6)和至少一个引导单元(7A、7B)，其中，所述设备还包括以下机载单元：
-数据库(8)，存储沿着横向接近轨迹(TA)定义的线性地面轮廓(PT)；
-第一计算单元(15)，被配置为确定在飞行器(AC)的当前位置(PC)与着陆跑道(2)的起点(2A)之间的、对应于沿着横向接近轨迹(TA)的横向平面内的距离的当前距离(X)；
-第二计算单元(16)，被配置为从数据库(8)中存储的线性地面轮廓(PT)提取由第一计算单元(15)确定的当前距离(X)的地面高度(HT)，该地面高度(HT)相对于着陆跑道的起点(2A)的水平面(H)被定义；
-第三计算单元(18)，被配置为使用由雷达高度计(6)在此当前位置(PC)取得的至少一个测量结果来确定飞行器(AC)关于地面的当前高度(RA)；
-第四计算单元(19)，被配置为使用分别从所述第二和第三计算单元(16、18)收到的地面高度(HT)和飞行器(AC)的当前高度(RA)，来计算飞行器(AC)关于着陆跑道起点(2A)的水平面(H)的第一当前高程(A1)；
-第五计算单元(22)，被配置为计算飞行器(AC)相对于着陆跑道起点(2A)的水平面(H)的、与接近剖面(PA)上此当前位置(Pc)的高程对应的第二当前高程；以及
-第六计算单元(23)，被配置为计算分别从所述第四和第五计算单元(19、22)收到的所述第一与第二当前高程之间的差(Δ)，此差(Δ)被传送到引导单元(7A、7B)，该引导单元使用此差(Δ)来垂直地引导飞行器。
14.根据权利要求13的设备，其中，所述引导单元包括以下单元中的至少一个：自动驾驶系统(7A)和飞行指挥仪(7B)。
15.一种飞行器，其中包括例如在权利要求13和14中任一项所述的垂直引导设备(1)。
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