CN106951700A - 一种基于能量管理的进近稳定性评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于能量管理的进近稳定性评估方法，包括如下步骤：S1，进行飞行数据采集，提取用于进近稳定性评估的参数；S2，利用飞行高度和地速两个参数计算能量高度；S3，计算飞机从进近到落地过程中的能量转换边界条件函数；S4，通过飞机进近到落地过程中，能量高度与能量转换边界条件函数的差值判断进近的稳定性。该方法利用能量管理的理念设计稳定进近的评估标准以及不稳定进近与能量的关系，为不安全事件监测和风险识别提供依据，可以有效提高不稳定进近的识别准确性，为飞行风险识别和飞行员训练提供参考，有效提升安全管理水平和训练效率。

Description

一种基于能量管理的进近稳定性评估方法

技术领域

本发明涉及一种进近稳定性评估方法，尤其涉及一种基于能量管理的进近稳定性评估方法；属于飞行品质监控技术领域。

背景技术

随着社会的发展和人民生活水平的提高，飞机出行变得越来越普遍，人们对飞行安全的要求也越来越高。飞行品质监控是航空公司飞行和安全管理部门安全保证的重要工具和手段，可实现飞行操纵和操作环境的持续监测，定量度量并有效预测安全风险或风险控制措施的变化和偏差，监测已知安全风险，探测正在出现的安全风险，确定必要的纠正措施，为评定安全管理体系的有效性和监测安全目标的实现情况提供客观依据。

重着陆和偏出跑道等事故风险是飞行品质监控中非常重要的监控对象，而稳定进近是防范重着陆和偏出跑道等事故风险的重要关口。在进近过程中，当航空器在高度、航迹、空中姿态、空速、航空器构型、下降率和动力设置等诸多方面与稳定进近的任一标准出现偏差的时候即可视为航空器处于不稳定进近。稳定进近的标准根据不同运行环境略有差异。飞行安全基金会根据全球航空运行情况提出了一个稳定进近的运行标准,我国所采用的标准亦源于此。为了实现良好的着陆，通常要求达到稳定进近的最低高度：仪表飞行状态下，高出地面至少1000ft；目视飞行状态，至少500ft。

为提升安全管理水平，航空公司对飞行数据进行分析，根据自身安全管理原则，基于运行手册、训练大纲和风险评估程序设定超限事件监控标准，进行超限事件探测以及数据统计分析。在咨询通告《飞行品质监控(FOQA)实施与管理》(AC-121/135-FS-2012-45R 1)中规定，与进近稳定性相关的超限事件包括：进近滚转角大、进近速度小和进近速度大等，仅对单一参数进行独立监控，难以准确反映进近稳定性状况。因此，为了提高进近稳定性评估的准确性和有效性，提升飞行品质监控水平，为航空公司的安全管理提供有效依据，发现一种高效准确的进近稳定性评估方法成为人们的迫切需求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于能量管理的进近稳定性评估方法。

为实现上述发明目的，本发明采用下述的技术方案：

一种基于能量管理的进近稳定性评估方法，包括如下步骤：

S1，进行飞行数据采集，提取用于进近稳定性评估的参数；

S2，利用飞行高度和地速两个参数计算能量高度；

S3，计算飞机从进近到落地过程中的能量转换边界条件函数；

S4，通过飞机进近到落地过程中，能量高度与能量转换边界条件函数的差值判断进近的稳定性。

其中较优地，在步骤S2中，所述利用飞行高度和地速两个参数计算能量高，采用如下公式：

其中，h为飞机飞行高度；v_g为航天器的地速，g为重力加速度。

其中较优地，在步骤S2中，所述能量转换边界条件函数E_b，采用如下公式计算

E_b＝∑ΔE_b·v_g；

其中，v_g为航空器的地速，ΔE_b为能量转换边界条件函数在前后两个采样周期之间的差值。

其中较优地，能量转换边界条件函数在前后两个采样周期之间的差值ΔE_b采用如下公式计算：

ΔE_b＝tan(γ)·v_cas/v_g+a_g/g；

其中，γ为下滑角，v_cas为空速，a_g为水平加速度，v_g为航空器的地速。

其中较优地，在飞机进近到落地过程中，所述能量转换边界条件函数为分段函数。

其中较优地，在步骤S4中，通过飞机进近到落地过程中，能量高度与能量转换边界条件函数的差值判断进近的稳定性，包括如下步骤：

通过对历史飞行数据进行分析确定稳定进近阈值；

计算能量高度与能量转换边界条件函数的差值；

判断能量高度与能量转换边界条件函数的差值与稳定进近阈值的大小，如果所述差值小于稳定进近阈值，则为不稳定进近；如果所述差值大于等于稳定进近阈值，则为稳定进近。

本发明所提供的基于能量管理的进近稳定性评估方法，根据飞行数据中的飞行高度和地速两个参数计算能量高度；然后，计算飞机从进近到落地过程中的能量转换边界条件函数；通过飞机进近到落地过程中，能量高度与能量转换边界条件函数的差值判断进近的稳定性。本发明利用能量管理的理念设计稳定进近的评估标准以及不稳定进近与能量的关系，可以有效提高不稳定进近的识别准确性，为飞行风险识别和飞行员训练提供参考，有效提升安全管理水平和训练效率。

附图说明

图1为本发明所提供的基于能量管理的进近稳定性评估方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容进行详细具体的说明。

为了使飞机顺畅地进入平飘和降落的过程，进近阶段须严格遵守标准操作程序(SOP)，本发明提供的基于能量管理的进近稳定性评估方法，利用能量管理的理念设计稳定进近的评估标准，以及不稳定进近与能量的关系。通过选取飞行数据中与进近稳定性相关联的参数，建立稳定性评估计算公式，对不稳定进近状态进行识别，为不安全事件监测和风险识别提供依据。本发明可以有效提高不稳定进近的识别准确性，为飞行风险识别和飞行员训练提供参考，有效提升安全管理水平和训练效率。

如图1所示，本发明所提供的基于能量管理的进近稳定性评估方法，包括如下步骤：首先，对于设定的机型和机场执飞的航班进行飞行数据采集，提取用于进近稳定性评估的参数；其次，利用飞行高度和地速两个参数计算能量高度；然后，计算飞机从进近到落地过程中的能量转换边界条件函数；最后，通过飞机进近到落地过程中，能量高度与能量转换边界条件函数的差值判断进近的稳定性。下面对这一处理过程进行详细说明。

S1，对于设定的机型和机场执飞的航班进行飞行数据采集，提取用于进近稳定性评估的参数。

对于设定的机型和机场执飞的航班进行飞行数据采集，例如：选取空客A319飞机在某机场进行仪表进近的航班数据，通过对飞行数据进行计算分析可以判定飞机进近稳定性。进而对不稳定进近状态进行识别，为不安全事件监测和风险识别提供依据。采集飞行数据之后，提取用于进近稳定性评估的参数。在本发明中，用于进近稳定性评估的参数包括：地速(v_g)、目标下降率、目标下滑角、目标推力设置、目标轨迹、着陆构型和参考高度。

用于评估进近稳定性的这些参数和标准不是相互独立的，例如地速和下滑角(FPA)确定后，假设分别为Vapp和-3°，那么下降率(ROD)、推力和着陆构型都是可以推导得出的。再例如，如果飞机按照目标下滑角进近，那么参考高度完全可以等效替换为参考距离。但是，如果飞机达到参考高度后，实际的下滑角(FPA)与目标值存在差异，那么，参考距离就无法替代参考高度了。着陆构型的变化按照手册的具体要求，是与航空器的高度相关联的。同理，下降率(ROD)和地速确定后，FPA也是可以进行推导的。通过对用于进近稳定性评估的参数进行分析推导，可以得到后续用于计算能量高度和能量转换边界条件函数的变量值，进而得到进近稳定性。

S2，利用飞行高度和地速两个参数计算能量高度。

进近稳定性主要利用以下三个参数进行评判：参考距离、参考高度、空速。这三个参数都直接对应着飞机的能量值，飞机的总能量由势能和动能共同组成，势能是质量、参考高度和g的乘积，动能与空速的平方成正比，与此同时，参考高度和空速直接关联参考距离。

由于不同的飞机的总重量存在差异，为了提高进近稳定性的判断准确度引入能量高度Es的定义，Es等于能量与质量和g的商值，这样，可推出飞机的能量高度E_s。利用飞行高度h和地速v_g两个参数计算能量高度E_s：

此时，即使不同的飞机的总重量存在差异，通过定义飞机的能量高度可以将不同的飞机进行比较，增加了判断的便捷性，提高了判别效率。本发明所提供的方法在计算过程中加入了一个前提假设，并未将飞机姿态加入公式中，即忽略俯仰角的变化对稳定进近的影响。

S3，计算飞机从进近到落地过程中的能量转换边界条件函数。

下降和进近规划管理实际上等效于能量管理问题，从巡航过程的高度高和速度快到最终进近时的高度低和速度慢，为接地过程做准备，不同的能量状态可以用能量高度来描述。这个过程可以通过能量图表进行表示，燃油提供推力，阻力使能量减小，飞机高度的升降完成了动能和势能的转换。

在能量减小的过程中，阻力是大于推力的，距离是对应的约束条件，定量表示这个与能量变化相关的指标，定义为能量高度的变化值与地面距离变化值的比值，即能量转换边界条件函数E_b。

E_b＝∑ΔE_b·v_g；

其中，v_g为航空器的地速，累加范围可设定为从进近到落地的全过程。ΔE_b为能量转换边界条件函数在前后两个采样周期之间的差值。

其中，ΔE_b＝tan(γ)·v_cas/v_g+a_g/g，这里，γ为下滑角，v_cas为空速，a_g为水平加速度。按照制造商、航空公司的手册以及机场的进近程序设定下滑角和着陆构型等参数的限制条件。

在本发明中，能量转换边界条件函数的边界值是分段函数，根据进近到落地过程中，下降高度的不同，可以分为以下四段：

1)当飞机从10000ft下降到4000ft过程中，飞机推力为零，空速250km/h，飞机放起落架，进行减速。零风速下降角为负10°，下降率ROD+/-5000fpm。能量转换边界条件函数E_b＝∑ΔE_b·v_g，而ΔE_b＝tan(γ)·v_cas/v_g+a_g/g；将下滑角γ和空速v_cas带入得：

ΔE_b＝tan(-10°)*250/v_g+a_g/g；

当飞机从10000ft下降到4000ft过程中，通过实时获取地速v_g和水平加速度a_g，得到ΔE_b组成的曲线，将ΔE_b带入能量转换边界条件函数E_b，得到飞机从10000ft下降到4000ft过程中的能量转换边界条件函数曲线。

2)当飞机下降到4000ft时，飞机空挡降速到220km/h，保持起落架和减速状态；将下滑角γ和空速v_cas得：

ΔE_b＝tan(-10°)*220/v_g+a_g/g；

当飞机从下降到4000ft时，空速降速到220km/h，ΔE_b曲线的计算公式发生变化，通过实时获取地速v_g和水平加速度a_g，得到飞机下降到4000ft时，ΔE_b的值，将ΔE_b带入能量转换边界条件函数E_b，得到飞机下降到4000ft时的能量转换边界条件函数。

3)飞机下降到4000ft后，从4000ft下降到600ft过程中，保持3°仰角，零推力，定位，保持起落架放下，零风速下降角为负8.5°，下降率ROD+/-3000fpm；直至空速降速到Vapp，设置接地构型。将下滑角γ得：

ΔE_b＝tan(-8.5°)*v_cas/v_g+a_g/g；

当飞机下降到4000ft后，从4000ft下降到600ft过程中，下降角为负8.5°，空速从220km/h在阻力作用下下降，ΔE_b曲线的计算公式发生变化，通过实时获取地速v_g、水平加速度a_g和空速v_cas，得到飞机从4000ft下降到600ft时，ΔE_b的值，将ΔE_b带入能量转换边界条件函数E_b，得到飞机从4000ft下降到600ft时的能量转换边界条件函数。通过飞行员的操作控制，当飞机下降到600ft时，空速下降为Vapp。Vapp是飞机运行手册规定飞机下降到600ft时的进近速度，通过查询可以获得。

4)当飞机从600ft下降到50ft过程中，保持空速为Vapp和下滑角为3°。将下滑角γ和空速v_cas带入得：

ΔE_b＝tana(3°)*v_app/v_g+a_g/g；

当飞机从600ft下降到50ft过程中，通过实时获取地速v_g和水平加速度a_g，得到ΔE_b组成的曲线，将ΔE_b带入能量转换边界条件函数E_b，得到飞机从600ft下降到50ft过程中的能量转换边界条件函数曲线。

以上四段共同组成飞机从进近到落地过程中的能量转换边界条件函数的曲线。

S4，通过飞机进近到落地过程中，能量高度与能量转换边界条件函数的差值判断进近的稳定性。

通过飞机进近到落地过程中，能量高度与能量转换边界条件函数的差值判断进近的稳定性，具体包括如下步骤：

首先，通过对历史飞行数据进行分析确定稳定进近阈值。通过对历史飞行数据进行分析总结，可以得到历史飞行过程中，能量高度与能量转换边界条件函数的差值在哪些数值范围内，满足稳定进近的要求；能量高度与能量转换边界条件函数的差值在哪些数值范围内，不满足稳定进近的要求，通过对这些数据进行挖掘，得到稳定进近阈值。

然后计算能量高度与能量转换边界条件函数的差值，即E_s-E_b的值。

判断能量高度与能量转换边界条件函数的差值与稳定进近阈值的大小，当能量高度与能量转换边界条件函数的差值小于稳定进近阈值时，为不稳定进近；当能量高度与能量转换边界条件函数的差值大于等于稳定进近阈值时，为稳定进近。

在本发明所提供的实施例中，如果该能量高度与能量转换边界条件函数的差值构成的曲线在高度为600ft时，该差值小于设定的稳定进近阈值，则为不稳定进近，否则为稳定进近。该稳定进近阈值可设置为-300。

本发明提供的进近稳定性评估方法相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1)本发明是一种自动的进近稳定性评估方法，提高了自动化程度，不用依赖于飞行员的人工识别即可筛选出不稳定进近的航段；

2)本发明与监控滚转角或者速度等单一参数的方法相比，准确性高，且不依赖与飞机重量的计算，降低了计算的复杂性，较少了系统误差的干扰。

综上所述，本发明所提供的基于能量管理的进近稳定性评估方法，对于设定的机型和机场执飞的航班进行飞行数据采集，提取用于进近稳定性评估的参数；根据飞行数据中的飞行高度和地速两个参数计算能量高度；然后，计算飞机从进近到落地过程中的能量转换边界条件函数；通过飞机进近到落地过程中，能量高度与能量转换边界条件函数的差值判断进近的稳定性。本发明利用能量管理的理念设计稳定进近的评估标准，以及不稳定进近与能量的关系。通过选取飞行数据中与进近稳定相相关联的参数，建立稳定性评估计算公式，对不稳定进近状态进行识别，为不安全事件监测和风险识别提供依据，可以有效提高不稳定进近的识别准确性，为飞行风险识别和飞行员训练提供参考，有效提升安全管理水平和训练效率。

上面对本发明所提供的基于能量管理的进近稳定性评估方法进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (6)

1.一种基于能量管理的进近稳定性评估方法，其特征在于包括如下步骤：

S1，进行飞行数据采集，提取用于进近稳定性评估的参数；

S2，利用飞行高度和地速两个参数计算能量高度；

S3，计算飞机从进近到落地过程中的能量转换边界条件函数；

S4，通过飞机进近到落地过程中，能量高度与能量转换边界条件函数的差值判断进近的稳定性。

2.如权利要求1所述的基于能量管理的进近稳定性评估方法，其特征在于：

在步骤S2中，所述利用飞行高度和地速两个参数计算能量高，采用如下公式：

$E_s=h+v_g^2/\left(2g\right);$

其中，h为飞机飞行高度；v_g为航天器的地速，g为重力加速度。

3.如权利要求1所述的基于能量管理的进近稳定性评估方法，其特征在于：

在步骤S2中，所述能量转换边界条件函数E_b，采用如下公式计算

E_b＝ΣΔE_b·v_g；

其中，v_g为航空器的地速，ΔE_b为能量转换边界条件函数在前后两个采样周期之间的差值。

4.如权利要求3所述的基于能量管理的进近稳定性评估方法，其特征在于：

能量转换边界条件函数在前后两个采样周期之间的差值ΔE_b采用如下公式计算：

ΔE_b＝tan(γ)·v_cas/v_g+a_g/g；

其中，γ为下滑角，v_cas为空速，a_g为水平加速度，v_g为航空器的地速。

5.如权利要求1所述的基于能量管理的进近稳定性评估方法，其特征在于：

在飞机进近到落地过程中，所述能量转换边界条件函数为分段函数。

6.如权利要求1所述的基于能量管理的进近稳定性评估方法，其特征在于在步骤S4中，通过飞机进近到落地过程中，能量高度与能量转换边界条件函数的差值判断进近的稳定性，包括如下步骤：

通过对历史飞行数据进行分析确定稳定进近阈值；

计算能量高度与能量转换边界条件函数的差值；

判断能量高度与能量转换边界条件函数的差值与稳定进近阈值的大小，如果所述差值小于稳定进近阈值，则为不稳定进近；如果所述差值大于等于稳定进近阈值，则为稳定进近。