CN105701090B - 一种飞行管理系统的模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种飞行管理系统FMS的模拟装置，其包括：导航数据库和性能数据库；显示部分；以及水平剖面部分和垂直剖面部分，其中，所述水平剖面部分和垂直剖面部分利用导航数据库和性能数据库，提供使用者指定的航路的水平航路信息和垂直航路信息；其中，所述显示部分与水平剖面部分和垂直剖面部分相互整合。

Description

一种飞行管理系统的模拟装置

技术领域

本发明涉及航空技术领域，特别地涉及一种飞行管理系统的模拟装置。

背景技术

飞行管理系统FMS(Flight Management System)是大型飞机数字化电子系统的核心，它可以组织、协调和综合多个机载电子系统。通常情况下，飞机在FMS的控制下，可以实现全自动导航，从而以最佳的飞行路径、最佳的飞行剖面和最省油的飞行方式完成从起飞到进近着陆的整个飞行过程。因此，在飞行员的培训过程中，大约1/3或更多的训练时间会用来完成对FMS的熟练使用。

对于飞行管理这个涉及大量实际操作的系统，依赖于课堂教学和看手册是不能熟练掌握设备使用方法的，必需花费大量时间和精力进行练习。然而，固定模拟机FTD(FlightTraining Device)和全动模拟机FFS(Full Flight Simulator)价格昂贵，飞行员练习飞行管理等系统时无法大量使用。因此，开发一种成本较低，使用方便的飞行训练系统的训练器就是非常必要的。

Aerosim Inc.开发了一种桌面模拟器VSIM(Virtual Simulator)，即PC-PrimusEpic^TM系统。VSIM采用了霍尼韦尔(Honeywell)公司生产的真实的PrimusFMS，并且设计了与之配合的显示软件。然而，虽然采用真实的FMS所得出的结果更为准确，但是，这一方面增加了计算机的计算负担，不利于这种训练器推广到计算资源更为有限的装置上；也同时增加了训练器的成本。

发明内容

针对以上技术问题，本申请提出了一种飞行管理系统FMS的模拟装置，包括：导航数据库和性能数据库；显示部分；以及水平剖面部分和垂直剖面部分，其中，所述水平剖面部分和垂直剖面部分利用导航数据库和性能数据库，提供使用者指定的航路的水平航路信息和垂直航路信息；其中，所述显示部分与水平剖面部分和垂直剖面部分相互整合。

如上所述的FMS的模拟装置，其中所述显示部分包括控制显示组件CDU界面。

如上所述的FMS的模拟装置，其中所述显示部分包括：一个或多个显示页面；页面数据库，其包括一个或多个数据条目，每个显示页码都有对应的数据条目；以及调用工具，其调用所述页面数据库中的所述一个或多个数据条目并提供到对应的一个或多个显示页面。

如上所述的FMS的模拟装置，每个页面包括多个用来显示内容的可变区域，所述页面数据库的对应数据条目下包括多个内容，其中至少一个所述可变区域可以根据所述页面数据库中对应数据条目下的内容而更新。

如上所述的FMS的模拟装置，所述调用工具包括至少一个调用子工具，所述调用子工具实时计算并更新至少一个所述可变区域。

如上所述的FMS的模拟装置，所述水平剖面部分包括用于计算垂直剖面的垂直剖面航路(leglistVertical)，其中每个航路中都包括一个或多个航路点的水平航路点信息。

如上所述的FMS的模拟装置，所述水平剖面部分进一步包括用于存储修改中的临时航路(leglistTemp)、用于存储执行后的生效航路(leglistFinal)和用于存储整个飞行阶段的飞行航路点的全套航路(leglistFull)。

如上所述的FMS的模拟装置，所述垂直剖面部分包括：起飞子部分、爬升子部分、巡航子部分、下降子部分、着陆子部分和复飞子部分，其中每个子部分包括一个或多个预定点，所述垂直剖面部分计算每个所述预定点的垂直剖面信息。

如上所述的FMS的模拟装置，对于所述起飞和进近子部分，每隔1秒钟设置一个预定点。

如上所述的FMS的模拟装置，所述垂直剖面部分通过迭代的方式计算起飞子部分、爬升子部分、巡航子部分、下降子部分、着陆子部分和复飞子部分的预定点的垂直剖面信息。

如上所述的FMS的模拟装置，所述垂直剖面部分通过查表的方式简化爬升子部分、巡航子部分和下降子部分的预定点的迭代计算。

如上所述的FMS的模拟装置，所述垂直剖面部分通过插值的方式计算起飞子部分和进近子部分的预定点的垂直剖面信息。

如上所述的FMS的模拟装置，所述垂直剖面部分包括进离场数据库。

如上所述的FMS的模拟装置，所述进离场数据库包括按进离场条件分类的多个数据表。

如上所述的FMS的模拟装置，所述进离场数据库包括按某一飞机初始性能参数分类的多个数据子表。

如上所述的FMS的模拟装置，所述数据子表包括多个垂直剖面数据，每个垂直剖面数据与一个或多个飞机初始性能参数的特定值相对应。

如上所述的FMS的模拟装置，所述一个或多个飞机初始性能参数的特定值包括最大值和最小值。

如上所述的FMS的模拟装置，其中所述垂直剖面部分根据垂直航路信息更新所述水平剖面部分的水平航路信息。

如上所述的FMS的模拟装置，其中所述垂直剖面部分在航路点发生变化时，利用至少部分已经计算的垂直剖面。

根据本发明的另一个方面，提供一种训练器，其包括如上所述的FMS模拟装置。

附图说明

下面，将结合附图对本发明的优选实施方式进行进一步详细的说明，其中：

图1是飞机执行一次飞行的全过程的示意图；

图2是根据本发明的一个实施例的飞行管理系统的模拟装置的示意图；

图3是CDU界面的示意图；

图4是根据本发明的一个实施例的FMS模拟装置的显示部分的示意图；

图5是根据本发明的一个实施例的水平剖面部分的示意图；

图6是根据本发明的一个实施例的垂直剖面部分的示意图；

图7是根据本发明的一个实施例的计算垂直剖面的方法的流程图；

图8是根据本发明的一个实施例的计算垂直剖面的优化方法的流程图；

图9是示出了根据本发明的一个实施例的进离场数据库的结构示意图；以及

图10是根据本发明的另一个实施例的计算垂直剖面的方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明是通过提供一个飞行管理系统的模拟器从结构上和功能上实现飞行管理器的模拟。本发明的FMS模拟器保留大部分的导航计算和性能计算功能；保留与控制显示组件CDU(Control Display Unit)有关的输入和输出功能；去除其他的与飞行员在地(on-ground)训练无关或关系不紧密的功能。本发明的FMS模拟器可以是硬件装置，也可以作为软件而运行在个人计算机PC上，笔记本上，平板电脑上(例如ipad等)，手机上，或其他计算装置上。

另一个方面，本发明提供了一种FMS与CDU的训练器。飞行员可以通过操作本发明的训练器而在地面上或者任何地点练习使用FMS和CDU，从而大幅度地降低了飞行员的培训成本。

图1是飞机执行一次飞行的全过程的示意图。如图1所述，飞机的一次飞行包括起飞、爬升、巡航、下降、进近和降落的过程。期间，飞机在爬升过程中由于高度限制或速度限制会包括多个爬升过程；而在以最佳速度和最佳高度巡航时，也会经过多个航路点；在下降点之后，飞机依次完成下降、进近和降落。因此，在一次飞行过程中，飞机会形成两个剖面，一个是垂直剖面；一个是水平剖面。而，FMS能够提供飞行的时间、距离、速度、经济剖面和高度的预测，提高效率，省掉许多以前通常由驾驶员执行的日常操作，使飞机既安全又经济地飞行。本发明的一个实施例的模拟器则也可以实现上述预测功能。

无论是真实的FMS和CDU，还是先有的训练装置，FMS和CDU之间采用的都是服务器-客户端模式。即，CDU作为一个独立的显示装置或界面与FMS通过数据链连接。然而，这增加了系统的复杂性而且容易由于传输故障而导致系统无法运行。为了达成简化的目的，根据本发明的某些实施例的FMS模拟器(包括模拟装置和模拟方法)采用了整合的方式而将FMS和CDU的功能统一到一个功能实体或应用程序中。这不但可以方便数据交换，也非常有利于模拟器性能的提升。

图2是根据本发明的一个实施例的飞行管理系统的模拟装置的示意图。如图2所示，FMS模拟装置200包括：显示部分201、水平剖面部分202和垂直剖面部分203。显示部分201包括一个如图3所示的CDU界面300。这个CDU界面300上的显示屏和按键部分与真实的CDU一致，以达到真实的模拟效果。具体而言，CDU界面300可以是包括显示屏和按键的硬件装置，也可以是包括显示部分和虚拟按键部分的软件界面。根据本发明的一个实施例，CDU界面300是例如ipad的平板电脑上显示的界面。使用者可以通过接触平板电脑的面板上虚拟按键的对应位置而达到输入该按键对应内容的功能。CDU界面300是使用者本发明的模拟器之间交互的接口。举例而言，CDU界面300包括：显示区域、行选键、功能方式键、字母数字键、发光通告器等。

根据本发明的一个实例，FMS模拟装置200还可以包括按键部分，用来接收用户对于FMS模拟器的设置。按键部分可以是实际的按键，也可以是显示部分201上面的虚拟按键。

水平剖面部分202用于提供水平航路信息。具体而言，水平剖面部分202用于获得、存储和提供与飞行过程中所经过或预计经过的航路点信息以及与该航路点有关的速度、高度、时间、航向和距离等信息。这些航路点信息共同定义出飞机飞行的水平剖面。

垂直剖面部分203是用于提供飞行过程的垂直剖面信息。具体而言，根据飞机所处的不同的飞行阶段，计算飞机在预定点的飞行状态信息，包括但不限于预计速度、预计高度、预计时间和预计剩余燃油量。预定点的选取根据飞机所处的飞行阶段的不同而有所不同。例如，在爬升阶段，每1000英尺或更少距离设置一个预定点；而在巡航阶段，每5海里或更短设置一个预定点。根据本发明的一个实例，为了简化计算，在计算量最为集中的起飞和进近阶段，每隔1秒钟设置一个预定点。这样可以极大地减少计算量，减轻计算负担。这些预定点的信息共同定义出飞机飞行的垂直剖面。

根据本发明的一个实施例，FMS模拟装置包括导航数据库和性能数据库204。导航数据库是为了飞机从起飞到着陆整个过程都具备自动导航能力而设计的，其存储了整个区域的导航信息，包括：飞机飞行区域的机场、航路点、导航台的地理位置、频率以及航路组成结构等。

具体而言，导航数据库的数据可以分成两大类：一类是对各航空公司都适用的标准数据，其可以与美国杰普逊(Jeppeson)航图发行公司签订合同，由杰普逊公司定期提供。另一类是仅与航空公司飞行航线的航路结构有关的数据。这一部分可以由使用本发明的模拟器的航空公司提供。具体而言，导航数据库的数据可以包括：导航设备信息(包括：导航台的标识、位置、频率、标高等)、机场信息(包括：机场的位置、机场标高、跑道长度、跑道方位等)、航路信息(包括：航路类型、高度、航向、航段距离和航路点说明等)、公司航路(例如由航空公司负责飞行的固定航线数据)以及终端区域程序(包括：标准离场SID、标准进场STAR、程序转弯、等待、复飞、进近程序等)。

性能数据库是飞机性能管理的基础，用于完成性能优化计算，包含对飞机垂直剖面的计算所需的有关数据。性能数据库可分为两方面的数据：一类是详细的飞机空气动力模型；另一类是装在飞机上的发动机数据模型。举例而言，飞机空气动力模型包括：机翼面积、飞行包线、升力特性曲线以及飞机极曲线。发动机数据模型包括：燃油消耗特性曲线、飞行各阶段推力数据以及发动机噪音数据。

在获得了飞机飞行的水平和垂直剖面以后，水平剖面部分202和垂直剖面部分203将水平和垂直剖面信息提供给显示部分201，从而显示在CDU界面300的相应位置。

图4是根据本发明的一个实施例的FMS模拟装置的显示部分的示意图。如图4所示，显示部分400包括显示页面410、页面数据库420以及调用工具430。根据本发明的一个实施例，显示页面410包括起始/基准索引页面、识别页面、位置起始页面、位置基准页面、位置飘移页面、航路页面、离场/进场索引页面、离场页面、进场页面、性能起始页面、性能极限页面、N1极限页面(地面)、起飞基准页面(2页)、爬升页面(ECON)、航路航段页面、N1极限页面(空中)、单发爬升页面、巡航页面(ECON)、航路数据(RTE DATA)页面、进程页面(4页)、等待页面、单发巡航页面、下降页面(ECON)、进近基准页面、下降预报页面等29个显示页面(Page)。与此对应地，页面数据库410针对每一个页面包括一个对应的数据行。而调用工具430用于调用页面数据库410中的数据，从而将页面数据库410某个数据行中的数据正确地显示到对应显示页面中。

根据本发明的一个实例，显示界面由38个可变区域组成。具体而言，每个显示界面包括标题栏、草稿栏以及6行组成，其中每一行由标题和正文的2子行组成，而每一子行则由左、中、右3个可变区域组成，共38个可变区域。举例而言，显示界面以文本的方式进行显示，而可变区域为文本框。

在以上的实施例中，本发明的FMS模拟器的显示部分通过数据库调用的方式实现了CDU界面300的显示。这种显示方式的一个显而易见的好处就在于待显示内容可以预先存储在页面数据库420中。特别是一些需要计算的内容，本发明的FMS模拟器可以在用户未显示包括这些需要计算的内容的页面时，预先完成这些内容的计算并存储在页面数据库420中。这样可以很大幅度地节约计算资源，提高显示速度。

对于显示页面的更新也可以方便地进行。例如，某个例如文本框的可变区域的内容可以通过修改PAGE数据库来改变。更为特别地，当前显示页面的某一个可变区域所显示的内容会随着其它参数的改变而改变时，调用工具包括针对部分可变区域的具体针对某个可变区域需要显示的内容的子工具。该子工具会在调取该页面时实时计算应该在这个文本框显示的内容。换句话说，对于实时变化的可变区域，调用工具包括针对该可变区域的子工具。举例而言，该子工具能够基于垂直剖面实时计算该可变区域的显示内容。

图5是根据本发明的一个实施例的水平剖面部分的示意图。如图5所示，水平剖面部分包括4个航路列表leglist。航路点列表leglist可以采用数组、链表等数据结构实现，也可以采用存储单元或寄存器等方式实现。4个航路点列表leglist分别是用于存储修改中的临时航路(leglistTemp)、用于存储执行后的生效航路(leglistFinal)、用于存储整个飞行阶段的飞行航路点的全套航路(leglistFull)、和用于计算垂直剖面的垂直剖面航路(leglistVertical)。在每个航路中存储的数据元素，即水平航路点信息，包含11个信息：航路点名称、航路点经纬度、航路点高度和速度限制、预计到达航路点的速度高度和时间、飞往航路点的航向、上一航路点距离当前航路点的距离、航路点的风数据、和航路点所属航路(route)名称。

临时航路(leglistTemp)主要用于支持回退功能。例如：在用户输入了新的航路点信息而未确认时，新的航路点信息暂存在leglistTemp中。根据本发明的一个实例，如果系统具有足够的计算能力，则开始计算航路点加入或删除后的水平剖面和垂直剖面信息。

生效航路(leglistFinal)用于存储生效后的航路点信息。即用于已经确认执行的航路信息。根据本发明的一个实例，系统直接计算生效航路中新航路点加入或删除后的水平剖面和垂直剖面信息。在空中阶段时，飞过的点会从所显示的生效航路里自动删除。

全套航路(leglistFull)用于存储飞过航路点的航路与当前待飞航路的集合，即飞机飞行的全套航路。leglistFull存储了飞机从起飞、爬升、巡航、下降和进近的全套航路信息，使用者可以在各个阶段中随意切换。

垂直剖面航路(leglistVertical)用于存储用于计算垂直剖面的航路。有些航路点不需要计算垂直剖面，比如等待点。但是，有些航路点必须加入到垂直剖面的计算当中，比如空中阶段时，飞过的点会从所显示的生效航路里自动删除，但是这些点对于垂直剖面的计算至关重要，必须加入进来。垂直剖面航路(leglistVertical)不同于全套航路(leglistFull)。

通过以上的水平剖面的结构，在给使用者带来方便的同时，也减少了数据频繁读取和实时计算的需求，提高了本发明的模拟器运行效率和反应速度。

根据本发明的一个实施例，水平剖面部分由leglist类来搭建。该类存储了水平航路点信息，包含11个信息：航路点名称、航路点经纬度、航路点高度和速度限制、预计到达航路点的速度高度和时间、飞往航路点的航向、上一航路点距离当前航路点的距离、航路点的风数据、和航路点所属航路(route)名称。该类有4个实现，即4个leglist数组：临时航路(leglistTemp)、生效航路(leglistFinal)、全套航路(leglistFull)、和垂直剖面航路(leglistVertical)。

根据本发明的一个实例，水平剖面部分202和显示部分201直接进行数据交换。例如，leglistFinal里面的航路点会存储入显示页面PAGE数据库；也可以通过调取调用工具显示CDU的RTE LEG页面来查看所有生效的航路点。每一个航路点的11个信息中，部分可以从导航数据库查到(比如航路点名称和航路名称)，其它水平剖面信息需要计算得到。

以下以起飞航路点为例，具体说明一个计算航路点实例。为了简化计算过程，做出如下设定：机场A、海拔0米、跑道S、方向正北0°、离场阶段、飞机重量M、重心位置G、起飞襟翼θ、风速为静风、温度为标准温度ISA以及飞机成本指数C。起飞第一航路点离场高度410英尺，不考虑巡航高度。具体计算包括以下步骤：

a.计算410英尺处经纬度；

b.根据性能数据库的内容，计算起飞剖面；

c.计算速度、水平距离、油耗、到达时间；

d.重新计算距离；

e.重新计算经纬度；

f.重复步骤b-e，直到两次迭代之间的误差小于预定值；以及

g.在得出了离场高度410英尺的航路点的信息后，可以计算下一点航路点的速度、水平距离、油耗、到达时间。

图6是根据本发明的一个实施例的垂直剖面部分的示意图。如图6所示，垂直剖面部分600包括：起飞子部分601、爬升子部分602、巡航子部分603、下降子部分604、着陆子部分605和复飞子部分606。每个子部分包括一个或多个预定点。如前面所介绍的，对于不同的子部分预定点的选取方式并不相同。预定点包括水平航路点。

根据本发明的一个实施例，垂直剖面的部分600计算每个预定点的预计速度、高度、时间和剩余燃油量，并且将计算的结果存储在相应的子部分中，从而得出各个子部分的垂直剖面。

图7是根据本发明的一个实施例的计算垂直剖面的方法的流程图。如图7所示，计算垂直剖面的方法700包括：在步骤710，判断飞机所处的飞行阶段。飞行阶段分为起飞、爬升、巡航、下降、着陆和复飞。由于不同阶段有不同的算法，在步骤720，根据当前的飞行阶段选择相应的算法。步骤720也可以在以下其他步骤之后，具体执行计算之前进行。

接下来，在步骤730，分析飞行阶段所有航路点的速度和高度限制，然后根据此限制计算飞到这些航路点的预计速度和高度。然后，在步骤740，以当前飞行阶段所有航路点为基础，根据该飞行阶段预定点的设置方式和所选择的算法，继续计算该飞行阶段中的飞机到达所有预定点的垂直剖面信息，包括但不限于预计速度、预计高度、预计到达时间和预计剩余燃油量。

根据本发明的一个实例，在起飞阶段，从地面增速、离地、收起起落架、收起襟翼等过程都是在这一阶段完成的。因为起飞过程中飞机的气动外形发生多次变化从而影响起飞剖面的计算，所以在起飞阶段的预定点的选取一般会非常密集，以准确地反映出飞机的气动特性。根据本发明的一个实例，每隔10英尺或更小的高度设置预定点。根据本发明的另一个实例，为了减少计算量，每隔1秒钟设置预定点。根据本发明的一个实例，进近阶段采用与起飞阶段相同的预定点设置方式。根据本发明的一个实例，起飞和进近的预定点设置可以参考导航数据库中的内容。上面的实施例中给出了410英尺的实例，该方法也可以用于起飞阶段其他预定点的计算。在进近过程中，以落地点反推计算预定点的垂直剖面信息，其方法与起飞类似。

爬升阶段和下降阶段类似，预定点的设置采用高度步长。根据本发明的一个实例，爬升阶段从1500英尺开始到限制高度或者巡航高度，而下降阶段从巡航高度下降到进近高度(例如外信标限制高度)。在爬升阶段和下降阶段，每隔1000英尺或更小的距离设置预定点。

在巡航阶段，飞机的飞行状态比较平稳。根据本发明的一个实例，以5海里或更短距离的步长设置预定点。在一次飞行过程中，飞机可能经过几次爬升和平飞或巡航过程。在每个过程中采用其各自的算法来计算预定点的垂直剖面信息，从而得出整个航路的垂直剖面。

以下以爬升为例，具体说明如何根据本发明的一个实施例计算预定点的垂直剖面信息。

假定起始爬升点是1500英尺，目标高度是巡航高度或下一高度限制点。使用数值积分计算爬升到目标高度的速度、耗油量、升力、阻力等相关参数。

由于是爬升阶段，选取积分步长为1000英尺。先计算中间高度2000英尺(1500+1000/2)上的相关参数，中间高度即1500英尺到2500英尺的平均值，然后根据平均值推算2500英尺的数据。具体算法包括：

a.假设2000英尺的重力W等于升力L，由此可以算出升力系数CL；

b.根据CL，可以计算修正后的阻力系数，再计算此高度下的推力和加速因数；

c.根据此高度下的推力和加速因数，就可以计算爬升轨迹角γ；

d.根据γ，可以计算爬升率R/C，再根据R/C计算爬升1000英尺的所需时间steptime；

e.根据step time，可以计算距离和耗油量，从而就可以修正2000英尺高度的W，再根据γ修正L，

f.有了修正后的W和L，就可以重新计算CL；

g.重复步骤b-f，直到两次迭代的W的差异小于预定阈值。

具体而言，每一个循环都能得出一个W，而且每次的W都和上次的W越来越接近。当它们的差小于允许误差(即预定阈值)时，就认为这个W是可以接受的最终的W。这样就计算了2000英尺的垂直剖面信息的相关数据，然后以此方式去推算2500英尺的数据；再以此类推去计算其它高度的数据，直到目标高度。

如果爬升阶段有高度限制，则当达到该高度时飞机应改平，以平飞通过具有此高度限制的航路点。然后，再继续爬升。对于速度限制的处置方法与此类似。

由于以上的算法涉及迭代计算。对于很多计算资源不足的设备而言，迭代计算会非常耗时，从而带来不好的用户体验。为了减少对于计算资源的需求，根据本发明的一个实例，引入以爬升轨迹角γ分类的多个数据表。具体而言，爬升轨迹角γ的范围从20°到5°，每间隔0.1°设置一个数据表。该数据表中存储该爬升轨迹角下不同重量、成本指数、温度对应的飞机的速度、高度、水平距离和时间。假设定速爬升的轨迹角γ随高度上升线性减小，从而可以直接通过查表的方式获得不同高度下飞机的速度、高度、水平距离、时间和剩余油量等垂直剖面数据。从而避免迭代对于计算资源的占用。

在步骤750，根据垂直剖面计算得到的更为准确的垂直剖面信息，例如速度、高度、时间和剩余燃油量，更新水平剖面中航路点的水平剖面信息，并重新计算剩余航路点的水平剖面信息。

在完成了全部的各个飞行阶段的垂直剖面的计算以后，就可以获得整个飞行过程的完整的垂直剖面。垂直剖面和水平剖面的交联之处在于距离，有了距离就能根据距离计算到达下一航路点的速度高度等信息。根据本发明的一个实例，得到了到达该航路点的速度和高度，就可以计算转弯飞向下一个航路点所需的转弯半径等数据，从而可以修正到达本航路点的距离以及到达下一个航路点的距离，这样就重新更新了水平剖面。

根据本发明的一个实例，如果在飞行过程中更改了航路点，为了节省计算资源，尽可能重复利用之前的计算结果。

例如，如果飞机的起飞重量、成本指数、巡航高度和备份油不变，只是航路点发生了变化。那么首先要分析变化发生在哪个阶段，如果在巡航段，且总航程没变，那么爬升、下降和巡航段变化前的航路点的垂直剖面没有发生变化，可以直接调取，然后再计算变化后的航路点的垂直剖面数据即可；如果变化发生在下降段，则爬升的垂直剖面没有发生变化，可以直接调取，下降和巡航段的垂直剖面需要重新计算；如果变化发生在爬升段，且速度高度限制没有影响到变化前航路点，则爬升段变化前航路的垂直剖面没有发生变化，可以直接调取，变化后航段和巡航、下降阶段的垂直剖面需要重新计算。这样通过尽量调取已存的数据就可以尽量避免重新计算整个航路的垂直剖面，降低整体计算时间。

根据本发明的一个实例，航路部分的优化也可以基于初始参数进行，即起飞重量、成本指数、巡航高度、备份油、航路点、高度和速度限制、总航程。例如，将当前航路最新计算的垂直剖面存入航路数据库中，以方便以后的垂直剖面的计算。

图8是根据本发明的一个实施例的计算垂直剖面的优化方法的流程图。该方法涉及进场和离场程序，即涉及飞机起飞和进近阶段。这是垂直剖面里面计算量最大的部分。如果能优化这部分计算，则可以很大程度上解决运算资源有限的问题。

如图8所示，优化方法800包括：在步骤810，创建进离场数据库。进离场数据库用于存储给定进离场和给定初始性能数据下计算的垂直剖面数据。这样如果用户下次输入同样的进离场和初始数据，就可以直接调取数据库存储的垂直剖面数据，从而省去了大量的计算量。

这种方法面临的一个困难是，飞机的初始性能数据很多而进离场的条件也有上万条。如果将进离场条件和飞机的初始数据组合，可能有多达十万或更多种。因此，不可能将所有的这些组合的垂直剖面数据都存储到数据库里。这样过于浪费存储空间，而且使得数据库的建立和更新都面临更多难题。

图9表示出了根据本发明的一个实施例的进离场数据库的结构示意图。如图9所示，进离场数据库900包括离场数据库和进场数据库。以离场数据库为例，针对每个机场或者每个机场的每个跑道建立一个单独的数据表。例如，图9示出了北京首都机场、上海虹桥机场、上海浦东机场和杭州萧山机场等四个数据表。本领域技术人员应当理解，数据表还可以更多或者以其他的形式呈现。

更进一步地，对于每个机场的数据表，根据飞机起飞襟翼的不同再分为多个子表。例如，图9示出了北京首都机场的数据表包括襟翼为1、5、10、和15四个子表。本领域技术人员应当理解，数据子表还可以更多或者以其他的形式呈现。

更进一步地，每个数据子表中存储飞机的4个初始性能参数所对应的垂直剖面数据。根据本发明的一个实例，如果4个参数的可选取范围分别是A(0，1)，B(0，1)，C(0，1)，D(0，1)，在数据子表中存储16组数据所对应的垂直剖面数据。这16组数据所需格式应为1110、1111、1101、1011、1001、1000、1010、1100、0110、0111、0101、0011、0001、0000、0010、0100。例如，1011所代表的就是当A取1，B取0，C和D取1的飞行垂直剖面数据；0101所代表的就是当A取0，B取1，C取0和D取1的飞行垂直剖面数据。

根据本发明的一个实例，初始性能数据有4个参数：飞机的起飞重量、重心、巡航高度和成本指数。改变任意一个初始性能参数都会使最终的垂直剖面数据发生改变。

为了减小计算量，避免迭代运算，根据本发明的一个实例，基于进离场数据库中存储的飞机初始性能参数所对应的垂直剖面数据，利用插值算法，直接插值得出飞机当前进离场时的垂直剖面。由于进离场数据库中飞机初始性能参数有4个变量，在预先存储的16组初始数据下，就可以插值出该条进离场任意初始条件下的垂直剖面数据。

根据本发明的一个实施例，采用线性插值的方法计算垂直剖面数据。进一步地，根据本发明的另一个实施例，针对起飞重量和重心采用split曲线插值或其他曲线插值方法计算；对于巡航高度和成本指数仍采用线性插值。

根据本发明的一个实施例，进离场数据库的数据子表中，还存储取值范围以外的其他飞机初始性能参数所对应的垂直剖面数据。在进行插值计算时，可以利用距离最近的数据点进行插值，也可以利用多个数据点进行插值，例如进行多个点的线性或曲线插值。这样，数据子表中存储的垂直剖面数据越多，插值计算的结果也就更为准确。

在优化方法800中，在步骤820，接收使用者输入的进离场条件和飞机初始性能数据。具体而言，用户可以在CDU界面直接输入起飞机场和跑道、目的地机场和跑道，以及飞机初始性能数据，包括：无油重量，备份油，成本指数，巡航高度，起飞襟翼，和重心。

进近程序的某些初始条件是不能直接输入的。比如，进近时的重量。因为该重量会受到巡航高度、成本指数等数据影响，但是又不能把这些影响因素都加入初始参数，因为这样会使初始参数变成5个或者更多。这样会增加初始存储的数据量，增加了数据库的规模和创建难度，不利于用户体验。根据本发明的一个实例，利用巡航高度、成本指数等数据对进近时的重量的影响进行分析，然后对该重量进行模糊处理，例如：对重量数值采用“四舍五入”的近似方式处理，并且将个位数向偶数靠齐，使其满足插值计算的输入格式。

由于进离场条件可能有上万条，如果这些航路中的每一个都创建初始数据并存储在进离场数据库中也不是最佳方案。根据本发明的一个实施例，进离场数据库包括最常用的进离场条件下的垂直剖面数据。

进一步地本发明的FMS模拟器具有通信模块，可以通过有线或者无线的方式与另外的服务器、计算机或者互联网通信。当用户输入的进离场条件不包含在进离场数据库中时，FMS模拟器可以连接到包含该进离场条件下飞机初始性能参数所对应的垂直剖面数据的另外的服务器、计算机或者互联网下载这部分垂直剖面数据。根据本发明的另一个实施例，使用者可以自行创建进离场数据库中的内容，上传垂直剖面数据到进离场数据库中。

根据本发明的一个实例，提供专门用于存储所有的垂直剖面的服务器。当用户联网时，服务器会可以与FMS模拟器上的进离场数据库同步。既支持用户从服务器端下载所需的进离场垂直剖面数据，也能够收集该用户的特有进离场的垂直剖面。这样就相当于所有的使用者共同创建和维护进离场数据库，极大地提高了用户体验。

考虑到以上的扩展进离场数据库的方式以及进离场数据库中可以存储历史垂直剖面数据的功能，进离场数据库会随着使用者的使用不断扩大，使用者会觉得本发明的FMS模拟器越用越快，越用就越准确。即：本发明的FMS模拟器具有自我学习的功能。

在步骤830，根据进离场数据库中所存储的飞机初始性能数据对应的垂直剖面数据，直接通过插值计算出相应的垂直剖面数据。在步骤840，将计算得出的垂直剖面数据存储到FMS模拟器的垂直剖面部分的起飞或者进近子部分中。

图10是根据本发明的另一个实施例的计算垂直剖面的方法的流程图。如图10所示，计算垂直剖面的方法100包括：在步骤1010，接收用户输入的航段信息。如果用户输入起飞机场和目的地机场，则从起飞的第一个航段开始计算垂直剖面。然后接下来完成其他的航段的垂直剖面的计算。

在步骤1020，判断飞机所处的飞行阶段，即飞机是否处于起飞、爬升、巡航、下降或进近中。如果飞机处于起飞或进近阶段，在步骤1030，判断飞机的进离场条件是否包含在进离场数据库中。如果进离场数据库中存在该进离场条件下的垂直剖面数据，则在步骤1040，通过插值计算直接得出飞机起飞或进近的进离场垂直剖面数据。如果进离场数据库中不存在该进离场条件下的垂直剖面数据，则在步骤1050中获取该进离场条件下的飞机初始性能数据所对应的垂直剖面数据。根据以上的介绍，所获取的数据包括针对飞机的4项飞机初始性能数据的取值范围所对应的16种组合情况下的垂直剖面数据。然后，在步骤1040中，通过插值计算得出飞机起飞或进近的垂直剖面数据。利用插值计算的方式，避免了频繁的迭代计算，从而可以极大地减少对计算能力的需求，提高计算速度，提升用户体验。而且，比较插值计算的结果与迭代计算的结果会发现二者之间的差异并不大。因此，插值计算的结果是完全可以满足训练要求的。

如果飞机处于爬升、巡航或下降阶段，则通过积分循环的方式得出整个航段的垂直剖面数据。在步骤1060，设置循环终止条件。终止条件包括：(1)高度限制，即达到预定的限制高度；(2)巡航高度，即达到了指定的巡航高度；(3)速度限制，即达到了预定的速度；(4)距离限制，即飞机已经飞过了预定的距离，例如到达了预定的航路点。根据本发明的实例，还可以设定其他的循环终止条件，由此可以更加灵活地计算垂直剖面。

在步骤1070，根据飞机所处的飞行阶段和/或计算垂直剖面的具体要求，选择积分步长。如上所介绍的，对于爬升或下降阶段，可以选择500英尺或1000英尺为积分步长；对于巡航阶段，可以选择5海里或10海里为积分步长。

在步骤1080，根据飞机所处的飞行阶段，采用相应的积分算法，按照积分步长所确定的预定点，循环计算飞机的垂直剖面，直到遇到终止条件。

接下来，在步骤1090，判断本航段的垂直剖面是否已经计算完成。如果没有完成，则返回重新计算。如果已经完成，则在步骤1100，判断是否将垂直剖面的计算结果存入数据库中。如果需要保存，在步骤1120，将垂直剖面的计算结构存入数据库中。例如，对于起飞和进近的垂直剖面可以保存在进离场数据库中。对于其他飞行阶段的垂直剖面，可以按使用者的要求或者航段飞行的频繁度选择是否保存垂直剖面，以方便以后的计算。

在步骤1130，判断是否已经完成了本飞行阶段。如果已经完成，则返回步骤1010，计算下一航段。否则，返回重新计算未完成部分的垂直剖面的计算。

以下通过一个具体的实例说明本发明的优化算法的技术效果：采用iPad作为测试工具，运行本发明的FMS模拟器。测试内容为从上海(ZSSS)飞杭州(ZSHC)，使用跑道36R，离场NXD2D，飞往笕桥(CJ)，然后飞往党山(DSH)，使用ILS15进近，DSH过渡。性能数据：无油重量550000KG，备份油2000KG，成本指数35，巡航高度13800英尺，起飞襟翼5，重心20％。

此航路空中航路段很短，主要由进离场组成，特别适用于测试此优化方案的性能。不使用优化方案，计算各航路点速度和高度需用时间：3分30秒；而使用优化方案，计算各航路点速度和高度需用时间：35秒。

参考图2-图6，根据本发明的一个实施例，提供一种FMS和CDU训练器。该训练器包括外壳、电路部分和CDU界面。其中电路部分位于所述外壳中，而CDU界面与电路部分相连。其中，电路部分包括计算单元和存储单元。

根据本发明的一个实施例，FMS和CDU训练器包括硬件的CDU界面和专用于计算水平剖面和垂直剖面的计算单元以及用于存储导航数据库和性能数据库以及水平剖面和垂直剖面的存储单元。根据本发明的另一个实施例，FMS和CDU训练器是类似于iPad的平板电脑或其他可移动设备，其中CDU界面是平板电脑的触摸屏。

上述实施例仅供说明本发明之用，而并非是对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此，所有等同的技术方案也应属于本发明公开的范畴。

Claims (17)

1.一种飞行管理系统FMS的模拟装置，包括：

导航数据库和性能数据库；

显示部分，包括控制显示组件CDU界面；以及

水平剖面部分和垂直剖面部分，其中，所述水平剖面部分和垂直剖面部分利用导航数据库和性能数据库，提供使用者指定的航路的水平航路信息和垂直航路信息；

所述垂直剖面部分至少包括起飞子部分和进近子部分，所述起飞子部分和进近子部分包括多个预定点，各所述预定点每隔1秒设置一个，每个所述预定点均含有所述垂直剖面信息；

其中，所述显示部分与水平剖面部分和垂直剖面部分相互整合，所述水平剖面部分和垂直剖面部分将水平航路信息和垂直剖面信息提供给所述显示部分，从而显示在所述CDU界面的相应位置；所述垂直剖面部分通过插值的方式计算起所述飞子部分和进近子部分的所述预定点的所述垂直剖面信息。

2.如权利要求1所述的FMS的模拟装置，其中所述显示部分包括：

一个或多个显示页面；

页面数据库，其包括一个或多个数据条目，每个显示页码都有对应的数据条目；以及

调用工具，其调用所述页面数据库中的所述一个或多个数据条目并提供到对应的一个或多个显示页面。

3.如权利要求2所述的FMS的模拟装置，每个页面包括多个用来显示内容的可变区域，所述页面数据库的对应数据条目下包括多个内容，其中至少一个所述可变区域可以根据所述页面数据库中对应数据条目下的内容而更新。

4.如权利要求3所述的FMS的模拟装置，所述调用工具包括至少一个调用子工具，所述调用子工具实时计算并更新至少一个所述可变区域。

5.如权利要求1所述的FMS的模拟装置，所述水平剖面部分包括用于计算垂直剖面的垂直剖面航路，其中每个航路中都包括一个或多个航路点的水平航路点信息。

6.如权利要求5所述的FMS的模拟装置，所述水平剖面部分进一步包括用于存储修改中的临时航路、用于存储执行后的生效航路和用于存储整个飞行阶段的飞行航路点的全套航路。

7.如权利要求1所述的FMS的模拟装置，所述垂直剖面部分包括：爬升子部分、巡航子部分、下降子部分、着陆子部分和复飞子部分，其中每个子部分包括一个或多个预定点，所述垂直剖面部分计算每个所述预定点的垂直剖面信息。

8.如权利要求7所述的FMS的模拟装置，所述垂直剖面部分通过迭代的方式计算起飞子部分、爬升子部分、巡航子部分、下降子部分、着陆子部分和复飞子部分的预定点的垂直剖面信息。

9.如权利要求8所述的FMS的模拟装置，所述垂直剖面部分通过查表的方式简化爬升子部分、巡航子部分和下降子部分的预定点的迭代计算。

10.如权利要求1所述的FMS的模拟装置，所述垂直剖面部分包括进离场数据库。

11.如权利要求10所述的FMS的模拟装置，所述进离场数据库包括按进离场条件分类的多个数据表。

12.如权利要求11所述的FMS的模拟装置，所述进离场数据库包括按某一飞机初始性能参数分类的多个数据子表。

13.如权利要求12所述的FMS的模拟装置，所述数据子表包括多个垂直剖面数据，每个垂直剖面数据与一个或多个飞机初始性能参数的特定值相对应。

14.如权利要求13所述的FMS的模拟装置，所述一个或多个飞机初始性能参数的特定值包括最大值和最小值。

15.如权利要求1所述的FMS的模拟装置，其中所述垂直剖面部分根据垂直航路信息更新所述水平剖面部分的水平航路信息。

16.如权利要求1所述的FMS的模拟装置，其中所述垂直剖面部分在航路点发生变化时，利用至少部分已经计算的垂直剖面。

17.一种训练器，其包括如权利要求1-16任一项所述的FMS模拟装置。