CN106969765A - 用于计算飞行器在飞行中的轨迹表示的方法 - Google Patents

用于计算飞行器在飞行中的轨迹表示的方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及用于计算飞行器在飞行中的轨迹表示的方法。本发明的总体领域在于用于对飞行器(A0,A1)在飞行中的轨迹进行三维表示的方法，所述方法在飞行器的导航系统中实现。飞行器的飞行计划包括强加的参考地理坐标的轨迹和预测的非参考地理坐标的轨迹。当飞行器的轨迹取决于非参考地理坐标的飞行设定点时，三维表示方法是包括以下步骤的迭代处理：从在确定的距离或者持续时间内延伸的至少一个计算轨迹(TCT0,TCT1)计算预测轨迹；从预测轨迹计算平滑轨迹以获得所得轨迹；计算显示轨迹(TP1)，所述轨迹等同于所得轨迹，所述所得轨迹针对恒定的偏差(EAT1)或者依据飞行指引器的设定点的应用的偏差进行校正；显示所述显示轨迹。

Description

用于计算飞行器在飞行中的轨迹表示的方法
技术领域
本发明的领域在于在合成视觉系统(SVS)中图形化地表示飞行器在飞行中的三维轨迹。
背景技术
在现代的飞行器中，主飞行显示屏目前包括外部环境的三维合成表示。这些表示可以包括飞行器所遵循的飞行计划的指示符。较旧的表示是“天空公路(highway in thesky)”类型的。图1示出了这些表示中的一种。飞行器A的轨迹由中心路径1象征性地表示。该路径1由表示“隧道”界限的一系列矩形2来构建，所述隧道表示三维轨迹1。轨迹在地面上的踪迹由阴影3来表示。
这些表示很好地用于完全限定在地面参考框架内的轨迹。它们被称作为“参考地理坐标的”。可惜的是，不能够使飞行器的整体轨迹完全地参考地理坐标。当轨迹未完全地限定在地面参考框架内时，未限定在地面参考框架内的轨迹的隧道部分随后产生间断(如图1中所示)。
具体地，在飞行计划中，轨迹可以限定成各种形式。如上所述，最简单的方式是通常由飞行管理系统计算的、计划且参考地理坐标的轨迹。
然而，在飞行的某些阶段中，飞行员实施使飞机远离该计划轨迹的飞行模式。
借助于第一示例，空中交通控制可能要求机组人员保持特定的航向或者下降至特定的高度。在这种情况下，轨迹的表示不再清楚。图2示出了在航向模式下引导飞机的情况下的俯视图。必须朝航向C引导飞行器A。有效遵循的轨迹T为包括朝向目标航向重整、然后保持航向的部分的预测。因为航向表示机鼻的方向，而不是路径的方向，所以该预测需要考虑风。因此，结果可能是不精确的。散列部分表示取决于风强度的轨迹中的变化T'。
借助于第二示例，图3表示飞越地形的俯视图，其示出了取决于是否装备了导航模式的轨迹差异。在“装备”模式下，当飞机靠近计划轨迹TP时，该轨迹成为引导的参考。因此，飞行器的轨迹T的整体预测包括第一预测部分T1和第二部分T2，所述第二部分T2限定在参考地理坐标的参考框架内，并且相邻于计划轨迹TP。如果未装备导航模式，则飞行器继续遵循其初始航向，并且其轨迹T包括不同于部分T2的第二部分T'2。
借助于第三示例，飞行的某些部分可以采取称作为“性能”模式的模式，在该模式中，发动机转速固定，并且所得的地面坡度可以根据风来变化。
结合横向轨迹解释的以上理念对于垂直轨迹也是有效的。例如，可以在“垂直速度”模式(即，飞行器的垂直速度保持在精确值的模式)下引导飞行器。这里同样通过考虑风来影响预测。一般地，在结束下降或者上升的设定点高度处衔接垂直模式。飞行器的预测轨迹然后稳定在该高度。
因而，当轨迹未完全地限定在地面参考框架内时，未限定在该地面参考框架内的轨迹的隧道部分产生间断(如图1中所示)。
发明内容
根据本发明的方法不具有这些缺点。本发明能够使飞行器的整体未来轨迹显示成三维表示。该显示轨迹是一系列分段，每个分段对应于预测轨迹部分或者对应于称作为强加轨迹的轨迹。在第一种情况下，从非参考地理坐标的飞行设定点确定分段。在第二种情况下，从参考地理坐标的飞行设定点确定分段。此外，根据本发明的方法管理轨迹中的偏差和从“预测”分段至“强加”分段的转换。更具体地，本发明的主题是用于对飞行器在飞行中的轨迹进行三维合成表示的方法，所述方法在飞行器的飞行和导航系统中实施，所述飞行和导航系统包括：至少一个导航系统、表示飞越地形的一个地图数据库、三维图像计算机以及使得计算的合成图像被显示的显示系统，飞行器的飞行计划包括参考地理坐标的轨迹(称作为强加轨迹)和非参考地理坐标的轨迹(称作为预测轨迹)。
其中，当飞行器的轨迹依据非参考地理坐标的飞行设定点时，所述三维合成表示方法为迭代处理，每次迭代至少包括以下步骤：
-从在确定的距离或者持续时间内延伸的至少一个计算轨迹中计算预测轨迹；
-从预测轨迹中计算平滑轨迹以获得所得轨迹；
-计算显示轨迹，所述轨迹等同于针对恒定的偏差或者取决于来自飞行指引器的设定点的应用的偏差进行了校正的所得轨迹。
-显示所述显示轨迹。
有利地，预测轨迹是飞行器的三个连续轨迹的函数，所述连续轨迹被称作为计算轨迹，在以恒定的持续时间分开的至少三个连续的时刻处计算，三个轨迹中的每个开始于所述三个时刻中的一个，每个轨迹在确定的距离或者持续时间内延伸。
有利地，预测轨迹为计算轨迹的二次插值。
有利地，当飞行器的轨迹在当前时间取决于非参考地理坐标的飞行设定点，而在未来时间取决于参考地理坐标的飞行设定点时，将未来时间与当前时间分开的持续时间(其对应于飞行器行进的距离)小于或等于确定阈值，所得轨迹取决于计算轨迹并且取决于用于衔接所述参考地理坐标的飞行设定点的条件。
有利地，当在所得轨迹与显示轨迹之间存在计算偏差时，在当前时间显示的偏差为针对取决于飞行指引器的跟踪性能的函数进行了校正的在之前时间显示的偏差之和，或者在之前时间显示的偏差与旨在降低该偏差的确定系数的乘积。
有利地，显示轨迹采取确定宽度的路径的形式，根据计算偏差而横向定位，并且在所得轨迹上方确定的高度处，所述路径通过间隔开确定距离的边界标记符来限制。
有利地，边界标记符的形状、颜色或者尺寸根据在横向平面中轨迹是被强加或者预测而不同。
有利地，边界标记符的形状、颜色或者尺寸根据在垂直平面中轨迹是被强加或者预测而不同。
附图说明
通过阅读以下描述和附图，将更好地理解本发明，并且其它的优点将变得显然，以下描述借助于非限制性示例给出，其中：
图1示出根据现有技术的轨迹的立体图；
图2示出根据现有技术的航向模式的飞行器轨迹的俯视图；
图3示出根据现有技术的“装备”模式的飞行器轨迹的俯视图；
图4示出根据本发明的计算和显示轨迹随时间的变化的俯视图；
图5示出了在显示设备的屏幕上根据本发明的方法显示的轨迹；
图6至图9示出根据计算的轨迹类型显示轨迹的界限的示例性表示。
具体实施方式
根据本发明的用于对飞行器在飞行中的轨迹进行三维合成表示的方法在飞行器的飞行和导航系统中实现。
飞行和导航系统包括：至少一个导航系统、表示飞越的地形的一个地图数据库、三维图像计算机以及使得计算出的合成图像显示的显示系统。
飞行器的航空轨迹包括：位于水平平面的横向分量和位于垂直平面内的垂直分量。飞行器的飞行计划包括参考地理坐标的轨迹部分(称作为强加部分)和非参考地理坐标的轨迹部分(称作为预测部分)。当然，轨迹的每个横向或者垂直分量可以被强加或者预测，即，四个可能场景。
即使引导模式通常对应于参考地理坐标的轨迹(例如，“导航”类型)，有时也遵循非参考地理坐标的轨迹。例如，即使自动驾驶横向模式为“导航”，出发过程的某些分段也需要飞机遵循航向。同样地，即使引导模式不是“导航”类型的，也遵循参考地理坐标的轨迹。
根据本发明的方法在参考地理坐标的轨迹与非参考地理坐标的轨迹之间进行区分，而与自动驾驶的下级模式无关。
当轨迹取决于强加的设定点时，将理解的是，轨迹的图形表示未造成任何特定的问题。以与周围地形相同的方式，在轨迹应该在的地方精确地显示轨迹。
当飞行器的轨迹取决于非参考地理坐标的飞行设定点时，轨迹不再被强加，而是必须根据例如限定轨迹的飞行设定点(例如，设定点航向)、风和飞行器的当前速度来计算。因此，该计算导致理想轨迹的预测。该理想轨迹从不准确地对应于实际遵循的轨迹并且必须被周期性地计算。因而，在每个计算周期内，必须计算新的轨迹。轨迹计算的起点实质上是飞机的当前位置。然而，源自飞机的轨迹的永久表示不一定是令人满意的，特别是在飞行员不执行遵循飞行设定点所需的命令的情况下。
因而，根据本发明的用于预测轨迹的三维合成表示的方法是迭代过程，每个迭代包括以下具体解释的四个步骤。
在第一步骤，计算机计算预测轨迹。该轨迹的起点为飞机，并且对应于如果完全地应用命令并且完全地考虑全部的参数的话实际上将遵循的轨迹。例如，难以完全知晓风的强度和方向。例如，利用以下方法来执行该计算。
在第一示例中，在由恒定的持续时间分开的至少三个连续时刻T0、T1和T2，计算机计算飞行器的三个连续轨迹TT0、TT1和TT2(称作为计算轨迹)，三个轨迹中的每个开始于所述三个时刻中的一个，每个轨迹在确定的距离或者持续时间内延伸。举例来说，将两个连续时间分开的平均持续时间具有秒的数量级。在对应于几海里的距离上计算轨迹。计算机不是必须在每个时间T0计算三个新轨迹。具体地，如果在前一时间T-1，计算机计算出对应于时间T-1、T0和T1的三个轨迹TT-1、TT0和TT1，则可以仅计算对应于时间T2的单个新轨迹TT2，而仍保持对应于连续时间T0和T1的旧轨迹TT0和TT1。以这种方式，容易地节省计算时间。
在第二示例中，计算机以确定的频率为位于第一时间T0与第二时间T1之间的当前时间T确定预测轨迹TRT，所述预测轨迹取决于所述计算轨迹。RT表示等于(T–T0)/(T1–T0)的比值。其在0与1之间。确定频率与显示系统的刷新速率相关。其典型地为大约15赫兹。
对于计算该预测轨迹TRT，存在各种方法。例如，基于系数RT，利用二次插值，从连续轨迹TT0、TT1和TT2中的一个或多个相应点对轨迹中的每个点进行插值。所用的公式对于本领域的技术人员是已知的。可选地，针对轨迹在水平面上的位置的插值与针对垂直位置的插值完全脱离，以确保轴的绝对分离。当然，除了二次插值之外的方法也可以用于该计算。
在第二步骤中，计算机将潜在地平滑预测轨迹，以出于获得所得轨迹的目的而使得其形成直线。将航向设定点作为一个示例。当该设定点激活时，飞机通过进入转弯而开始，结束于航向等于设定点航向时。严格地说，航向从不准确地等于设定点航向。因此，所得轨迹始终是沿着直线分段的微转向。该步骤包括当几乎准确地遵循飞行设定点时，使得所得轨迹形成直线。例如，当飞行器航向非常接近等于设定点航向时。
在第三步骤，计算机计算在时间T的显示轨迹TPT，所述轨迹等同于针对取决于飞行指引器的过去和当前应用的设定点的偏差以及位置偏差进行了校正的所得轨迹。具体地，预测轨迹的起点可以为飞行器的当前位置。然而，即使飞行员不遵循设定点，该完美轨迹的表示也给飞行员其飞行器始终正确地以正确轨迹为中心的印象。例如，如果必须在精确的航向上遵循当前轨迹分段，并且飞行员没有采取朝向该航向重新定向的动作，则该表示必须向飞行员指示某些事情尚未正确地进行。因此，需要显示轨迹偏离飞行器的位置。该偏离必须遵循根据飞行员的动作的不固定进展。
在这种情况下，在时间T，显示轨迹相对于预测轨迹偏移显示偏差EAT。该偏差采用以下方式来计算：
在时间Ti-1，已计算出所得轨迹。然后，ETi表示飞行器在时间Ti的实际位置与在时间Ti-1计算出的在时间Ti的预测位置之间的偏差。此外，在时间Ti-1，计算出显示偏差EATi-1，其对应于飞行器的实际位置与显示轨迹之间的偏差。在应用算法的第一循环中，该偏差为零。
在时间Ti，采用以下方式来计算显示偏差EATi：
-如果飞行员未遵循飞行指引器，则根据如下标准(例如，必须将来自飞行指引器的命令整合，以获得值Idv，EATi＝EATi-1+f(ETi,Idv))，该偏差限制于最大偏差值；
-否则，该偏差的值为EATi＝k*EATi-1*g，k为小于1的系数，g为控制参数的值与其设定点之间的偏差的函数。例如，如果分段为航向设定点分段，则g为当前航向与航向设定点之间的偏差的函数。这意味着，如果飞行员遵循飞行指引器，则偏差将逐步地降低。以相同的方式，如果控制参数返回至设定点值，则偏差逐步地降低。
图4示意性地示出利用根据本发明的方法计算出的各种轨迹。在该图中，显视为黑色的飞行器A0表示在时间T0处飞行器的真实位置。来自该飞行器A0的虚曲线表示在时间T0的计算轨迹TCT0，以黑色圆形式的标记符表示轨迹在各个连续时间的位置。
白色飞行器A1表示飞行器在时间T1的真实位置。来自该飞行器A1的虚曲线表示在时间T1的计算轨迹TCT1，以白色圆形式的标记符表示轨迹在各个连续时间的位置。在时间T1，飞行器的实际位置距离计算轨迹TCT0移动偏差ET1。如上所述，该偏差没有全面地反映在显示器上，而仅实际地显示部分EAT1，如图4所示。
由带圆圈的十字标记的虚曲线表示在时间T1的实际显示轨迹TP1。
在第四步骤，轨迹通常显示在一种仪表板显示屏上。通常，如图5所示，显示轨迹TP采取确定宽度的路径R的形式，根据计算偏差横向定位，并且位于所得轨迹上方确定的高度处，所述路径通过间隔开确定距离的边界标记符B来限制。在图5中，该路径R示为透视图。
有利地，边界标记符的形状、颜色或者尺寸根据在横向或者垂直平面中轨迹是被强加或者预测而不同。借助于非限制性示例，边界标记符可以由两个分段组成，如图6至图9所示。第一分段SV为水平的，并且表示轨迹的垂直分量，第二分段SL为倾斜的，并且表示轨迹的横向分量。第一分段连接至第二分段的中点处。当分段表示强加轨迹的部分时，分段示为实线。当分段表示预测轨迹的部分时，分段示为虚线。
图6至图9随后图示了利用该符号表示来示出路径的边界标记符的各种方式。在图6中，路径在横向和垂直方向上都为预测轨迹。在图7中，路径在水平方向上为预测轨迹，在垂直方向上为强加轨迹。在图8中，路径在垂直方向上为预测轨迹，在水平方向上为强加轨迹。最后，在图9中，路径在垂直方向和水平方向上都为强加轨迹。

Claims (8)

1.一种用于对飞行器(A,A0,A1)在飞行中的轨迹进行三维合成表示的方法，所述方法在飞行器的飞行和导航系统中实施，所述飞行和导航系统包括：至少一个导航系统、表示飞越地形的一个地图数据库、三维图像计算机以及使得计算的合成图像被显示的显示系统，飞行器的飞行计划包括：称作为强加轨迹的参考地理坐标的轨迹和称作为预测轨迹的非参考地理坐标的轨迹；
其特征在于，当飞行器的轨迹取决于非参考地理坐标的飞行设定点时，所述三维合成表示方法为迭代处理，每次迭代至少包括以下步骤：
-从在确定的距离或者持续时间内延伸的、在当前时间(T)之前的时间(T0)计算的至少一个轨迹(TCT0,TCT1)，计算在当前时间(T)的预测轨迹；
-从预测轨迹计算平滑轨迹以获得所得轨迹；
-计算显示轨迹(TP1)，所述轨迹等同于针对取决于飞行指引器的设定点的应用的偏差(EAT1)进行了校正的所得轨迹；
-显示所述显示轨迹。
2.根据权利要求1所述的用于对飞行器(A,A0,A1)在飞行中的轨迹进行三维合成表示的方法，其特征在于，预测轨迹是飞行器的三个连续轨迹的函数，所述三个连续轨迹被称作为计算轨迹，在以恒定的持续时间分开的至少三个连续的时刻处计算，三个轨迹中的每个开始于所述三个时刻中的一个，每个轨迹在确定的距离或者持续时间内延伸。
3.根据权利要求2所述的用于对飞行器(A,A0,A1)在飞行中的轨迹进行三维合成表示的方法，其特征在于，预测轨迹为计算轨迹的二次插值。
4.根据权利要求1所述的用于对飞行器(A,A0,A1)在飞行中的轨迹进行三维合成表示的方法，其特征在于，当飞行器的轨迹在当前时间取决于非参考地理坐标的飞行设定点，而在未来时间取决于参考地理坐标的飞行设定点时，将未来时间与当前时间分开的持续时间对应于飞行器行进的距离，且小于或等于确定阈值，所得轨迹取决于计算轨迹并且取决于用于衔接所述参考地理坐标的飞行设定点的条件。
5.根据权利要求1所述的用于对飞行器(A,A0,A1)在飞行中的轨迹进行三维合成表示的方法，其特征在于，当在所得轨迹与显示轨迹之间存在计算偏差时，在当前时间显示的偏差为针对取决于飞行指引器的跟踪性能的函数进行了校正的在之前时间显示的偏差之和，或者在之前时间显示的偏差与旨在降低该偏差的确定系数的乘积。
6.根据前述权利要求中的一项所述的用于对飞行器(A,A0,A1)在飞行中的轨迹进行三维合成表示的方法，其特征在于，显示轨迹采取确定宽度的路径(R)的形式，根据计算偏差而横向定位，并且在所得轨迹上方确定的高度处，所述路径通过间隔开确定距离的边界标记符(B)来限制。
7.根据权利要求6所述的用于对飞行器(A,A0,A1)在飞行中的轨迹进行三维合成表示的方法，其特征在于，边界标记符的形状、颜色或者尺寸根据在横向平面中轨迹是被强加或者预测而不同。
8.根据权利要求6所述的用于对飞行器(A,A0,A1)在飞行中的轨迹进行三维合成表示的方法，其特征在于，边界标记符的形状、颜色或者尺寸根据在轨迹在垂直平面上是被强加或者预测而不同。
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