CN108860631A - 一种基于固定翼飞机的性能管理系统 - Google Patents

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    • B64D43/00—Arrangements or adaptations of instruments
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
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    • G01C23/005—Flight directors

Abstract

本发明涉及一种基于固定翼飞机的性能管理系统。所述的系统包括人机交互模块、处理模块和存储模块，存储模块内预存有性能数据库，处理模块根据人机交互模块输入的飞机初始性能数据，计算或查表获取飞行包线和/或优化的飞行参考数据。本发明依据飞机性能手册，构建了机载性能数据库，依靠软件实现性能数据自动查表，实时进行性能数据计算，并利用数据库管理工具，在飞行过程中为机组人员提供性能查询服务，和最优轨迹参考，能够有效减轻飞行员负担，降低操作错误率，提高飞行效率，节约飞行成本。

Description

一种基于固定翼飞机的性能管理系统
技术领域
本发明涉及一种基于固定翼飞机的性能管理系统。
背景技术
性能管理是飞行管理系统的基本功能之一，飞行管理系统应能利用飞行计划和性能数据库计算出在显示设备上显示的相关性能参数，并完成飞机性能计算，以便实现垂直航迹预测和垂直引导等功能。性能管理对于提高飞机的安全性和经济性有着重要的作用。
目前，民机和军用飞机的性能管理主要依靠飞行员人工查阅飞机性能手册，使得飞行前准备时间长，操作繁琐，容易出错。飞行管理系统中集成的性能计算功能不够完善，不能提供垂直航迹预测和垂直引导所需的全部内容。
发明内容
本发明解决的技术问题为：提供一种针对固定翼飞机高效、自动的性能管理系统。
本发明的技术方案：一种基于固定翼飞机的性能管理系统，其特征为：所述的系统包括人机交互模块、处理模块和存储模块，存储模块内预存有性能数据库，处理模块根据人机交互模块输入的飞机初始性能数据，计算或查表获取飞行包线和/或优化的飞行参考数据。
优选地，所述的飞行包线包括最大起飞重量、推力限制、起飞速度和单发停车性能。
优选地，所述的飞行参考数据包括经济巡航速度、最大燃油距离、最大巡航高度、最佳巡航高度、爬升顶点和下降顶点。
优选地，针对以离散量的形式存储查询量的性能数据库，采取拉格朗日线性插值法查询数据库中没有出现的中间值。
优选地，根据查询量维度的不同，使用拉格朗日线性插值法对数据表进行二次或三次插值。
优选地，所述的飞机初始性能数据包括输入飞机重量、燃油重量、载荷和巡航高度，以及巡航风信息和ISA信息。
本发明的有益效果：本发明依据飞机性能手册，构建了机载性能数据库，依靠软件实现性能数据自动查表，实时进行性能数据计算，并利用数据库管理工具，在飞行过程中为机组人员提供性能查询服务，和最优轨迹参考，能够有效减轻飞行员负担，降低操作错误率，提高飞行效率，节约飞行成本。
具体实施方式
本发明应用于固定翼飞机的飞行管理计算机中，系统由储存模块、人机交互模块和处理模块组成，各部分具体实施方式如下：
储存模块
储存模块预存了与机型相对应的性能数据库，构建性能数据库的方法是将航空公司提供的《飞行机组操作手册》和《飞行计划与性能手册》中的性能数据提取出来，用适合机载的嵌入式数据库进行管理，保留原始查询逻辑，数据内容涵盖飞行包线数据、发动机数据和空中性能数据三个方面。
人机交互模块
人机交互模块是性能管理系统与外界进行信息输入/输出的接口，飞行员可以通过控制显示单元(CDU)的性能初始化界面输入飞机重量、燃油重量、载荷和巡航高度，以及输入巡航风信息和ISA信息。
同时，性能管理系统所计算出的飞行包线和/或优化的飞行参考数据也将显示在CDU的性能页面，供飞行员查询调用。
处理模块
处理模块根据人机交互模块输入的飞机初始性能数据，调用储存模块中的性能数据，查询并计算飞行包线和/或优化的飞行参考数据，并将计算结果输出给人机交互模块。
由于性能数据库中的查询量都是以离散量的形式存储，需要用插值的方法来查询性能数据库中没有出现的中间值，本系统采取拉格朗日线性插值法，公式如下：
式中，x为查询量，x0为数据库中记载的稍小于x的离散值，x1为数据库中记载的稍大于x的离散值，f0是x0对应的查询结果，f1是x1对应的查询结果，p(x)为x对应的查询结果。
根据查询量维度的不同，可以用此公式对性能数据表进行二次或三次插值。
●飞行包线计算
计算最大起飞重量；
根据输入的起飞机场和跑道，在导航数据库中查询跑道长度、坡度和海拔高度，根据坡度和输入的风分量来修正可用跑道长度。以可用跑道长度、环境温度、襟翼开度和机场标高为查询条件，在性能数据库中查询场地限制起飞重量。
以导航数据库中记录的障碍物高度、跑道长度、海拔高度、输入的环境温度和风分量为查询条件，在性能数据库中查询障碍限制起飞重量。
以输入的环境温度、襟翼开度和导航数据库中记录的机场气压高度为查询条件，在性能数据库中查询轮胎速度限制起飞重量。
校验飞行员输入的飞机总重量，如果超过上述任一起飞重量限制，则在CDU中显示告警信息。
计算推力限制；
以环境温度和机场气压高度为查询条件，在性能数据库中查询起飞％N1的参考取值，并将查询结果显示在CDU的起飞页面，供飞行员参考。
计算起飞速度；
以输入的飞机总重量、襟翼开度为查询条件，在性能数据库中查询起飞速度V1，V2，VR的参考值，并用环境温度、机场气压高度、跑道坡度和风分量对起飞速度进行修正。
将计算出的V1，VR和V2显示在CDU的起飞界面，供飞行员参考确认。
单发停车性能计算；
飞机发动机出现故障，需要及时进行单发停车的性能计算，按照上述步骤，在性能数据库中查询单发停车条件下的最大巡航高度、经济巡航速度、最大燃油距离，并显示在CDU的发动机页面，供飞行员参考。
●优化的飞行参数计算
计算经济巡航速度；
利用选定的速度计划模式，获取巡航马赫数，以巡航高度和飞机松刹车重量为查询条件，在性能数据库中查询该巡航速度下的指示空速，并输出给自动驾驶仪。
计算最大燃油距离；
利用输入的巡航高度为查询条件，在性能数据库中查询输入的燃油重量对应的空中距离，并利用风分量修正，得到对应的地面距离。
将获取的最大燃油距离显示在CDU的巡航界面，供飞行员参考。
计算最大巡航高度；
根据输入的起飞总重量和ISA信息，在性能数据库中查询得到最大巡航高度，对输入的巡航高度进行校验，如果输入的巡航高度超过最大巡航高度，则在CDU中显示告警信息。
计算最佳巡航高度；
根据输入的起飞总重量和ISA信息，在性能数据库中查询得到长航程最优巡航高度，显示在CDU的性能页面，作为飞行员的输入参考。
计算爬升顶点和下降顶点；
根据输入的巡航高度，在下降性能数据表中查询下降距离，并将下降距离反馈给飞行管理系统的轨迹预测模块，由轨迹预测模块计算爬升顶点和下降顶点的位置。由导航模块获取飞机当前位置，利用大圆航迹的距离公式计算当前位置与爬升顶点和下降顶点的距离，公式如下：
式中，为起点纬度，为终点纬度，Δλ为起终点经度差，R为地球平均半径，D为地理上两点的大圆距离。
将当前飞机位置与爬升顶点和下降顶点的距离，以及到达下降顶点的预测地速显示在CDU的进程页面上。
当飞行计划发生更改时，重新计算爬升顶点和下降顶点的位置，并更新距离信息。
实施例一：最大起飞重量计算实例
假设由人机交互模块输入的飞机初始状态信息如表1所示：
表格1人机交互输入信息
根据人机交互模块输入的起飞机场和跑道标识，在导航数据库中查询对应的跑道长度、坡度和机场海拔高度，结果如表2所示：
表格2导航数据库查询信息
根据坡度和输入的风分量来修正可用跑道长度。性能数据库中，相关数据如表3所示：
表格3坡度、风分量修正的跑道长度性能表格
跑道长度3200m≈10499ft，由于跑道坡度为0％，所以坡度修正的跑道长度为10499ft,风分量为-8KTS，那么可以用拉格朗日线性插值公式进行如下插值计算：
式中，LW＝-10为风分量为-10KTS时的坡度和风修正跑道长度，LW＝-5为风分量为-5KTS时的坡度和风修正跑道长度，L为经过二次插值得到坡度和风分量修正的跑道长度，本例中卫9387.1ft。接着，以襟翼开度、修正的跑道长度、环境温度和机场标高为查询条件，可以在性能数据库中查询场地限制起飞重量，相关性能表单如表4所示。
表格4场地限制的最大起飞重量
首先，利用差值公式，对修正的跑道长度进行插值，分别计算海平面22℃和26℃的对应限制最大重量，计算结果为82.25×103kg和81.75×103kg，对温度进行二次插值，可得海平面处跑道和温度限制的最大重量MATL＝MSL为：
同理可得，在海拔高度为2000ft处的跑道和温度限制的最大重量为MATL＝2000ft＝77.285×103kg。最后，对机场海拔高度进行三次插值，ZBAA机场海拔高度为33m≈108ft
由此可得机场场地限制的最大起飞重量MZBAA为81627kg。
实施例二：下降顶点计算：
为了准确降落至目标机场，需要根据飞机的下降性能，提前计算飞机结束巡航进入下降阶段的下降顶点坐标位置。
假设由人机交互模块输入的信息如表5所示：
表格5人机交互界面输入-TOD
首先，根据输入的巡航高度，在下降性能数据表中查询下降距离，相关性能数据如表6所示：
根据输入的APCH程序在导航数据库中查询最终进近点的期望高度为1503m≈4931ft，输入的巡航高度为9000m≈29528ft，着陆重量取巡航重量60000kg，从表6中插值计算从巡航高度下降至最终进近点的下降距离：
D＝99.848-19.783＝80.065(nmile)≈148.28km
式中，D为下降距离，DATL＝Cruise为从巡航高度下降至海平面的距离，DATL＝2000ft为从2000ft下降至海平面的距离，得到下降距离后，分别计算输入的STAR和APCH中每一航段的长度，结果如表6所示：
表格6下降阶段各航段长度
由表6可以明显看出，下降顶点位于航路点BOBAK和D009Z之间，且BOBAK点到下降顶点之间的距离为155.137-148.28＝6.857km，由于此航段为TF航段，即两个航路点之间的直线航段，所以根据两航路点经纬度坐标可以计算出下降顶点坐标。
航路点 经度 纬度
BOBAK 116.4047222 39.1263889
D009Z 116.2274222 39.4735111
可得下降顶点的经度为：
下降顶点的纬度为：
计算出下降顶点位置后，在人机交互模块显示飞机当前位置与下降顶点的距离，计算方法为：
由导航模块获取飞机当前位置，利用大圆航迹的距离公式计算当前位置与爬升顶点和下降顶点的距离，公式如下：
式中，为起点纬度，为终点纬度，Δλ为起终点经度差，R为地球平均半径，D为地理上两点的大圆距离。

Claims (6)

1.一种基于固定翼飞机的性能管理系统，其特征为：所述的系统包括人机交互模块、处理模块和存储模块，存储模块内预存有性能数据库，处理模块根据人机交互模块输入的飞机初始性能数据，计算或查表获取飞行包线和/或优化的飞行参考数据。
2.根据权利要求1所述的一种基于固定翼飞机的性能管理系统，其特征为：所述的飞行包线包括最大起飞重量、推力限制、起飞速度和单发停车性能。
3.根据权利要求1所述的一种基于固定翼飞机的性能管理系统，其特征为：所述的飞行参考数据包括经济巡航速度、最大燃油距离、最大巡航高度、最佳巡航高度、爬升顶点和下降顶点。
4.根据权利要求1所述的一种基于固定翼飞机的性能管理系统，其特征为：针对以离散量的形式存储查询量的性能数据库，采取拉格朗日线性插值法查询数据库中没有出现的中间值。
5.根据权利要求4所述的一种基于固定翼飞机的性能管理系统，其特征为：根据查询量维度的不同，使用拉格朗日线性插值法对数据表进行二次或三次插值。
6.根据权利要求1所述的一种基于固定翼飞机的性能管理系统，其特征为：所述的飞机初始性能数据包括输入飞机重量、燃油重量、载荷和巡航高度，以及巡航风信息和ISA信息。
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