CN108733071B - 用于将飞行参数从引领飞行器传输至闯入飞行器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于将飞行参数从引领飞行器(L)传输到至少一个闯入飞行器(I)的方法。根据本发明，该传输是借助于TCAS类型的防碰撞系统实现的。引领飞行器(L)的应答器被配置成用于测量从闯入飞行器(I)接收的询问信号的频谱并且用于将所述频谱的功率与阈值功率进行比较。如果所述询问信号的所述功率大于或等于所述阈值功率，则所述闯入飞行器(I)有资格从所述引领飞行器接收飞行参数以便能够计算由所述引领飞行器(L)生成的尾涡流(14L，15L)的中心位置或循环力。仅从所述引领飞行器到有资格的闯入飞行器的飞行参数交换可以不超过最大自动通信带宽容量。

Description

用于将飞行参数从引领飞行器传输至闯入飞行器的方法
技术领域
本发明涉及一种用于将飞行参数从飞行器(被称为引领飞行器)传输到至少一个其他飞行器(被称为闯入飞行器)的方法以便使所述闯入飞行器能够准确地计算由所述引领飞行器产生的尾涡流的中心位置和/或循环力。
背景技术
飞行中的飞行器在其尾流中生成两个尾涡流。从机翼开始，涡流首先倾向于彼此接近，然后在彼此之间维持或多或少恒定的距离，同时相对于涡流生成的高度而降低高度。
已知，由飞行器生成的涡流的中心位置和循环力可以根据飞行器的飞行参数(比如重量、高度、滚转角、空气动力构型、翼展、飞行点处的空气密度、速度等)来计算。
有利的是，飞行器(被称为闯入飞行器)能够计算由引领飞行器生成的尾涡流的中心位置，以便：
-通过使来自涡流的上升气流的益处最大化来在引领飞行器后面编队飞行以减少其燃料消耗；或者
-避免遭受由涡流引起的湍流。
由引领飞行器生成的尾涡流的循环力的计算还允许以下飞行器了解相对于尾涡流的中心的上升气流的力的分布，并且因此允许闯入飞行器安置其本身以便有效地受益于所述涡流。
发明内容
为此，本发明涉及一种用于将飞行参数从引领飞行器传输到至少一个闯入飞行器的方法，每个飞行器包括：
-防碰撞系统，所述防碰撞系统被配置成用于检测与在所述飞行器的周围分布的监视空域内飞行的其他飞行器碰撞的可能性，所述系统包括询问器以及连接至天线的应答器；
-飞行管理系统，所述飞行管理系统收集所述飞行器的所述飞行参数，所述防碰撞系统被连接至所述飞行管理系统；
所述方法包括以下相继的步骤：
-询问，其中，所述闯入飞行器的所述询问器传输包括对至少一个飞行参数的请求的询问信号；
-接收，其中，所述引领飞行器的所述应答器经由所述天线接收由所述闯入飞行器的所述询问器传输的所述询问信号；
-确定，其中，所述引领飞行器的所述应答器执行以下子步骤：
●在分析子步骤中，对所接收的所述询问信号的频谱进行分析并且确定所述信号的功率；
●在比较子步骤中，将所接收的所述询问信号的所述功率与阈值功率进行比较；并且
●在监视和确定子步骤中，如果所述询问信号的所述功率大于或等于所述阈值功率，则确定所述闯入飞行器有资格接收所请求的所述至少一个飞行参数，否则，确定所述闯入飞行器没有资格接收所述至少一个飞行参数；
-传输，其中，所述引领飞行器的所述应答器响应于所述询问信号而将响应信号发送给有资格的闯入飞行器的所述询问器，所述响应信号包含由所述闯入飞行器在所述询问步骤中所请求的所述引领飞行器的所述至少一个飞行参数，反之，没有资格的闯入飞行器不会响应于其请求从所述引领飞行器接收任何飞行参数。
本发明的优点之一是将引领飞行器的飞行参数发送限制于位于引领飞行器的一定距离内的(有资格的)闯入飞行器，这个距离与闯入飞行器传输的询问信号的功率相关。因此，可以将飞行参数从引领飞行器传输至闯入飞行器而不超过自动通信带宽容量，因为仅有有限数量的飞行器有资格从引领飞行器接收飞行参数。
附图说明
通过阅读关于附图所给出的对示例性实施例的以下说明，本发明的以上所提及的特征以及其他特征将变得更加明显，在附图中：
-图1是根据本发明的飞行器的示意性表示，该飞行器包括允许实施根据本发明的用于传输飞行参数的方法的多个嵌入式系统，该多个嵌入式系统包括防碰撞系统以及飞行管理系统；
-图2是根据本发明的实施例的管理系统与防碰撞系统之间的连接的细节的示意性表示，该防碰撞系统包括应答器；
-图3是根据本发明的实施例的图2的应答器的呈逻辑框的形式的示意性表示；
-图4是如图1中所展示的两个飞行器的编队的示意性表示，这两个飞行器包括生成尾涡流的引领飞行器以及在该引领飞行器的尾流中编队飞行的闯入飞行器；
-图5是类似于图4的视图，其中闯入飞行器横过引领飞行器的尾流；
-图6是在图4或图5的情况下根据本发明的实施例的用于在引领飞行器与闯入飞行器之间传输飞行参数的方法的步骤的示意图；
-图7是根据本发明的另一个实施例的图2的应答器的呈逻辑框的形式的示意性表示；
-图8是类似于图6的视图，表示在图4或图5的情况下根据本发明的实施例的用于在引领飞行器与闯入飞行器之间传输飞行参数的方法的步骤。
具体实施方式
关于图1，飞行器L、I包括两个机翼1L、2L、以及在其机身11L、11I中的多个嵌入式系统，该多个嵌入式系统包括FMS类型的飞行管理系统4L、4I以及连接至飞行管理系统4L、4I的防碰撞系统5L、5I。
飞行管理系统4L、4I编制飞行器的飞行参数(即，重量、高度、滚转角、空气动力构型、翼展、飞行点处的空气密度、速度)。防碰撞系统5L、5I被连接至飞行管理系统4L、4I，该防碰撞系统从该飞行管理系统接收飞行器的飞行参数。
已知，防碰撞系统5L、5I向飞行器的机组人员警示与在飞行器的周围(360°上)分布的监视空域内飞行的其他飞行器碰撞的可能性并且监视空域的尺寸取决于飞行器L、I的速度。
参照图2，防碰撞系统是TCAS(交通防碰撞系统)类型的有源装置、并且出于这个目的包括：
-中央处理单元类型的询问器6L、6I，该询问器被连接至安装在飞行器上的至少一个定向天线7L、7I(被称为询问器天线)；
-中央处理单元类型的应答器8L、8I(或航空术语中的XPDR)，该应答器被连接至安装在飞行器上的至少一个(例如，全向性)天线9L、9I(被称为应答器天线)。
在整个说明书中，中央处理单元应该被理解为是指包括至少一个处理器以及存储器的装置，该至少一个处理器包括布尔电路或逻辑电路(逻辑门、比较器)。处理器执行中央处理单元的存储器中包含的指令。
在TCAS类型的有源装置的操作原理中，飞行器I的询问器6I以1030MHz的固定频率和规律的间隔(例如，每秒)传输询问信号。
接收询问信号的另一个飞行器L的应答器8L通过将响应信号传输至传输询问信号的飞行器I来进行响应。响应信号包含引领飞行器L的标识符，并且允许闯入飞行器的飞行管理系统4I在对所述信号进行分析之后估算碰撞时间并且采取措施来消除任何碰撞风险。
根据本发明的方法将在图3至图6中进行说明。考虑了在其两个机翼1L、2L中的每个机翼上生成尾涡流14L、15L(对应地左舷-右舷)的飞行器L(被称为引领飞行器)以及在该引领飞行器L的监视空域内飞行的多个闯入飞行器I。
图4和图5中表示了仅一个闯入飞行器I：在图4中，闯入飞行器I在引领飞行器L后面的编队飞行，或者在图5中，闯入飞行器I横过引领飞行器L的尾流，其航向基本上与引领飞行器L的航向成直角。
如以上所描述地装备了引领飞行器L或闯入飞行器I中的每一者。附图中的参考号后缀L表示引领飞行器或者I表示闯入飞行器。
-在询问步骤E1中，闯入飞行器的询问器6I经由询问器天线7I例如以1030MHz在四个90°方位区段中的每一者中周期性地传输(例如，每10秒或每30秒)询问信号。所传输的询问信号包含闯入飞行器I的地址以及对至少一个飞行参数的请求(由飞行管理系统4I制定的请求)；
-在接收步骤E2中，在闯入飞行器的监视空域内飞行的引领飞行器L的应答器8L经由其天线9L接收来自闯入飞行器I的询问信号；
-在确定步骤E3中，应答器8L确定闯入飞行器I是否有资格从引领飞行器L接收飞行参数：
●在分析子步骤E3a中，应答器8L的处理器30实施在应答器的存储器(未表示)中存储的信号频谱分析程序31，以便对从闯入飞行器I接收的询问信号的频谱进行分析并且确定所述信号的功率(在闯入飞行器I的询问器6I的传输频率下)；
●在比较子步骤E3b中，引领飞行器的应答器8L经由应答器8L的比较器32来将在之前子步骤中确定的信号的功率与阈值功率进行比较。当由引领飞行器L接收的询问信号的功率大于或等于阈值功率时，来自比较器32的输出信号从第一状态切换到第二状态(例如，从0状态切换到1状态)，否则保持在第一状态下；
●在监视和确定子步骤E3c中，应答器8L监测去到比较器32的输出信号的第二状态的过渡，并且确定闯入飞行器I是否有资格接收在询问步骤E1中请求的至少一个飞行参数：
ο如果应答器8L已经检测到去到比较器32的输出信号的第二状态的过渡(询问信号的功率大于或等于阈值功率)，则闯入飞行器I是有资格的；
ο如果应答器8L尚未检测到去到比较器32的输出信号的第二状态的过渡(询问信号的功率小于阈值功率)，则闯入飞行器I是没有资格的。
由于由应答器8L接收的询问信号的功率与其传播距离直接相关(信号的功率随着其传播距离减小)，因此确定步骤E3背后实施的原理相当于确定从闯入飞行器I到引领飞行器L的距离，并且将该距离与预定范围C进行比较，然后如果该闯入飞行器I处于小于或等于预定范围C的距离处则确定其有资格接收所请求的至少一个飞行参数，否则确定闯入飞行器没有资格。通过以62dBm的阈值功率为例，预定范围C为约3nm＝5.55km。
-在传输步骤E4中，响应于来自闯入飞行器I的询问信号，引领飞行器L的应答器8L经由应答器天线9L以例如1090MHz将响应信号发送给有资格的闯入飞行器I的询问器。响应信号由一连串脉冲构成，这些脉冲包含引领飞行器L的标识符以及闯入飞行器I在询问步骤E1中所请求的引领飞行器L的至少一个飞行参数。
另一方面，如果闯入飞行器是没有资格的，则引领飞行器L的应答器8L不会响应于来自闯入飞行器I的请求而从引领飞行器L传输任何飞行参数。例如，应答器8L不会对来自没有资格的闯入飞行器I的询问信号发送响应信号。
-在接收步骤E5中，有资格的闯入飞行器I接收响应信号，所述响应信号由询问器6I处理。通过知晓引领飞行器L的飞行参数或多个参数，闯入飞行器的飞行管理系统4I能够计算由引领飞行器L生成的尾涡流14L、15L的中心位置和/或所述涡流的循环力。
涡流的中心位置是通过计算所述涡流的下降速度Wv来获得的，例如，该下降速度是使用以下关系来计算的：
Figure BDA0001636068540000061
循环力Γ是例如使用以下关系来计算的：
Figure BDA0001636068540000062
其中，
m是生成涡流的飞行器的重量(kg)
g是重力加速度(9.81m/s2)
ρ是飞行点处的空气密度(kg.m3)
V是生成涡流的飞行器的速度(m.s1)
bv是2个涡流(m)之间的间距＝生成涡流的飞行器的翼展
nz是飞行器所承受的装载系数(g)
φ是生成涡流的飞行器的滚转角(deg)。
重量是仅有的不能被估算的飞行参数，并且需要知晓该飞行参数闯入飞行器I的飞行管理系统4I才能够经由例如以上所提及的公式来计算与引领飞行器的尾涡流14L、15L相关的数据。因此，为了计算与引领飞行器的尾涡流14L、15L相关的数据，在询问步骤E1中传输的来自闯入飞行器I的询问信号至少包含重量请求。
引领飞行器L的其他飞行参数(比如，速度)对于它们的部分来说可以通过对在引领飞行器L的TCAS类型的防碰撞系统5L与闯入飞行器I的TCAS类型的防碰撞系统5I之间的数据通信过程中交换的询问/响应信号进行分析来获得，并且可以进行估算(翼展或装载系数的情况)、或者可以由闯入飞行器I的传感器进行测量(重力加速度、飞行点处的空气密度、滚转角的情况)。
以上所描述的一系列步骤在由引领飞行器L的应答器8L每次接收到新的询问信号之后重新开始。
本发明的优点之一是限制从引领飞行器L发送给位于引领飞行器L的预定范围C(图4和图5)内的闯入飞行器I的飞行参数。因此，可以将飞行参数从引领飞行器L传输至有资格的闯入飞行器而不超过自动通信带宽容量，因为仅有有限数量的飞行器有资格从引领飞行器L接收飞行参数。
有利地，在传输步骤E4中，当闯入飞行器I没有资格时，引领飞行器的应答器8L针对来自闯入飞行器I的询问信号发送响应信号，这个响应信号包含指示，根据该指示用于获得至少一个飞行参数的来自闯入飞行器I的请求被拒绝。
在本发明的变体中，为了使引领飞行器L的飞行参数仅对有资格从引领飞行器L接收飞行参数的闯入飞机I可用，在传输步骤E4中由引领飞行器L的应答器8L传输的响应信号的波以限定功率传输，从而使得该波不能传播超出大于预定范围的距离(在误差范围内以便考虑不利的波传播条件)。有利地，传输功率与在分析子步骤E3a中由应答器8L的处理器30确定的询问信号的功率基本上相同(5％之内)。
这个变体是有利的，因为它可以确保传输至闯入飞行器I的飞行参数不被不良意图的个人所截获。
根据另一个实施例，为了确保传输至闯入飞行器I的引领飞行器L的飞行参数可以不被个人截获、尤其不被地面上的个人截获，并且关于图7和图8，如果询问信号的功率大于或等于阈值功率，并且如果引领飞行器的高度大于或等于阈值高度，则应答器8L确定闯入飞行器I是有资格的，否则，确定闯入飞行器是没有资格的。
阈值高度为例如等于约6000m的20000英尺(与飞行水平面FL200相对应)。
根据这个变体，应答器8L包括用于将引领飞行器的高度与阈值高度进行比较的比较器33以及AND逻辑门34，该逻辑门作为输入来接收将询问信号的功率与阈值功率进行比较的比较器32的输出信号以及将引领飞行器的高度与阈值高度进行比较的比较器33的输出信号。
如以上所描述的方法被修改：
-在于，确定步骤E3包括在监视和确定子步骤E3c之前实施的检验子步骤E3d，在该检验子步骤中，引领飞行器L的应答器8L的处理器30经由比较器33来实施引领飞行器L的高度与阈值高度之间的比较。如果引领飞行器的高度大于或等于阈值高度，则比较器33的输出信号从第一状态切换到第二状态(例如，从0到1)；否则，它保持第一状态(例如，0)；并且
-在于，在监视和确定子步骤E3c中，应答器确定：
●如果AND逻辑门34的输出信号切换到第二状态(例如，设置为1)，该第二状态对应于将询问信号的功率与阈值功率进行比较的比较器32的输出信号的状态变化与(AND)将引领飞行器的高度与阈值高度进行比较的比较器33的输出信号的状态变化都发生，则闯入飞行器I是有资格的。
●如果AND逻辑门34的输出信号保持在第一状态(例如，0)下，也就是说，将询问信号的功率与阈值功率进行比较的比较器32的输出信号没有状态变化，将引领飞行器的高度与阈值高度变化的状态进行比较的比较器33的输出信号也没有状态变化，则闯入飞行器I是没有资格的。
在本发明的变体中，代替对接收的询问信号的功率的测量，应答器8L的处理器30对所接收的询问信号的信噪比(也就是说，信号的质量)进行分析并且将这个比率与预定阈值进行比较。对所接收的询问信号的质量的测量可以确定从闯入飞机I到引领飞行器L的距离。

Claims (5)

1.一种用于将飞行参数从引领飞行器(L)传输到至少一个闯入飞行器(I)的方法，每个飞行器包括：
防碰撞系统(5L，5I)，所述防碰撞系统被配置成用于检测与在所述飞行器的周围分布的监视空域内飞行的其他飞行器碰撞的可能性，所述系统包括询问器(6L，6I)以及连接至天线(9L，9I)的应答器(8L，8I)；
飞行管理系统(4L，4I)，所述飞行管理系统收集所述飞行器的所述飞行参数，所述防碰撞系统被连接至所述飞行管理系统；
其特征在于，所述方法包括以下相继的步骤：
询问(E1)，其中，所述闯入飞行器的所述询问器(6I)传输包括对至少一个飞行参数的请求的询问信号；
接收(E2)，其中，所述引领飞行器(L)的所述应答器(8L)经由所述天线(9L，9I)接收由所述闯入飞行器(I)的所述询问器(6I)传输的所述询问信号；
确定(E3)，其中，所述引领飞行器的所述应答器(8L)执行以下子步骤：
在分析子步骤(E3a)中，对所接收的所述询问信号的频谱进行分析并且确定所述信号的功率；
在比较子步骤(E3b)中，将所接收的所述询问信号的所述功率与阈值功率进行比较；并且
在监视和确定子步骤(E3c)中，如果所述询问信号的所述功率大于或等于所述阈值功率，则确定所述闯入飞行器有资格接收所请求的所述至少一个飞行参数，否则，确定所述闯入飞行器没有资格接收所述至少一个飞行参数；
传输(E4)，其中，所述引领飞行器的所述应答器(8L)响应于所述询问信号而将响应信号发送给有资格的闯入飞行器(I)的所述询问器(6I)，所述响应信号包含由所述闯入飞行器(I)在所述询问步骤(E1)中所请求的所述引领飞行器(L)的所述至少一个飞行参数，反之，没有资格的闯入飞行器(I)不会从所述引领飞行器(L)接收响应于其请求的任何飞行参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，飞行参数是从以下数据中选择的数据：高度、重量、滚转角、空气动力构型、飞行器翼展、飞行点处的空气密度、速度。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的方法，其特征在于，
所述确定步骤(E3)包括在所述监视和确定子步骤(E3c)之前实施的检验子步骤(E3d)，在所述检验子步骤中，所述引领飞行器(L)的所述应答器(8L)将所述引领飞行器(L)的高度与阈值高度进行比较；
并且其特征在于，
在所述监视和确定子步骤(E3c)中，如果所述询问信号的所述功率大于或等于所述阈值功率，并且如果所述引领飞行器的所述高度大于或等于所述阈值高度，则所述引领飞行器的所述应答器(8L)确定所述闯入飞行器(I)有资格接收所请求的所述至少一个飞行参数，否则，确定所述闯入飞行器(I)没有资格。
4.根据权利要求1和2中任一项所述的方法，其特征在于，在所述传输步骤(E4)中，没有资格的闯入飞行器(I)的所述询问器(6I)从所述引领飞行器(L)的所述应答器(8L)接收对所述询问信号的响应信号，所述响应信号包含指示，根据所述指示用于获得至少一个飞行参数的来自所述闯入飞行器(I)的请求被拒绝。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述传输步骤(E4)中，没有资格的闯入飞行器(I)的所述询问器(6I)从所述引领飞行器(L)的所述应答器(8L)接收对所述询问信号的响应信号，所述响应信号包含指示，根据所述指示用于获得至少一个飞行参数的来自所述闯入飞行器(I)的请求被拒绝。
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