CN109540153A - 一种微波着陆系统引导飞机折线进场的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波着陆系统引导飞机折线进场的方法。建立机场着陆点直角坐标系，以机场着陆点为原点建立直角坐标系，该坐标系的X轴为跑道中心线，指向跑道尾端为正，Y轴与X轴在同一水平面，Z轴指向天空，在飞机折线进场过程中，获取飞机的方位、仰角和距离信息：根据规划的航线，微波着陆系统分段进行着陆引导；此阶段飞机选择下滑角度的延长线与X轴或Y轴的交点为此阶段的虚拟着陆点，并计算出飞机相对于该虚拟着陆点的仰角，联合飞机相对于机场着陆点的方位和距离信息报送给飞行员和飞控系统以供参考。本发明为利用微波着陆系统引导飞机进行折线进场提供了方法；适合于飞机沿既定着陆航线进场的情景，特别契合自动驾驶或无人机着陆的需求。

Description

一种微波着陆系统引导飞机折线进场的方法

技术领域

本发明属于陆基导航领域，涉及微波着陆系统，目的是发明一种利用微波着陆系统引导飞机进行折线进场的方法。

背景技术

微波着陆系统是一种为飞机提供全天候着陆引导服务的精密引导系统，可以为飞机提供相对于各个地面引导台站的方位、仰角、距离信息。目前的应用中，飞机在利用微波着陆系统进行着陆引导是以一个相对于着陆点的固定下滑角进行进近。但是，在一些场合，飞机在进近过程中以固定下滑角着陆并不能满足飞机的航路规划需求，飞机必须要以多段折线下滑的路线进行进近，现有的微波着陆系统引导方式便不再适用于该情景。本文将重点解决飞机折线进场情境下，如何利用微波着陆系统进行进近引导的问题。

目前，利用微波着陆系统进行飞机的折线进场引导尚属空白，未发现利用微波着陆系统进行飞机的折线进场引导的相关文献报导。本文提出了一种利用微波着陆系统引导飞机进行折线进场的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微波着陆系统引导飞机折线进场的方法，以解决上述技术问题。

为实现上述目的本发明采用以下技术方案：

一种微波着陆系统引导飞机折线进场的方法，包括如下步骤：

(1)建立着陆点直角坐标系，以着陆点为原点建立直角坐标系n，该坐标系的X轴为跑道中心线，指向跑道尾端为正，Y轴与X轴在同一水平面，Z轴指向天空，着陆点坐标(x₀＝0，y₀＝0，z₀＝0)；

(2)在飞机折线进场过程中，获取下列信息：

飞机的实时方位角实时仰角θ和实时斜距ρ；

飞机在不同的进场阶段的选择下滑角度θ_i(i＝1…n)；

(3)根据规划的航线，微波着陆系统分段进行着陆引导，在着陆过程中，微波着陆系统不再只计算飞机相对于机场着陆点的方位、仰角和距离，而是以此阶段飞机选择下滑角度的延长线与X轴或Y轴的交点为此阶段的虚拟着陆点，并计算出飞机相对于该虚拟着陆点的仰角，联合飞机相对于机场着陆点的方位和距离信息报送给飞行员和飞控系统以供参考；在飞机的第1下滑阶段，微波着陆系统提供相对于虚拟着陆点1的仰角偏差；依次类比，建立虚拟着陆点i，微波着陆系统提供相对于虚拟着陆点i的仰角偏差；在第n下滑阶段，微波着陆系统提供相对于机场着陆点的仰角偏差，这样提供给飞行员和飞控系统的引导信息必然与规划航线相符，在此过程中，虚拟着陆点的坐标位置需要算出。

作为本发明进一步的方案，虚拟着陆点的坐标位置计算方法如下：

设虚拟着陆点1的坐标(x₁，y₁，z₁)，计算虚拟着陆点1坐标时分为以下两种情况：

A)飞机的选择下滑角θ₁≠0°时，虚拟着陆点1落在X轴上，其中飞机到着陆点的斜距ρ，飞机相对于着陆点的下滑角θ，由此计算出β₁＝θ₁-θ，根据正弦定理，确定如下关系：由此计算出因此，虚拟着陆点1的坐标(x₁，y₁，z₁)为：

B)飞机的选择下滑角θ₁＝0°时，即飞机平飞时，虚拟着陆点1坐落在Y轴上，已知信息包括飞机到着陆点的斜距ρ，飞机相对于着陆点的下滑角θ，由此计算出此时β₁＝θ；

因此虚拟着陆点1的坐标(x₁，y₁，z₁)为：

作为本发明进一步的方案，当飞机处于还未对准机场着陆点的第i段下滑时，依次类推出虚拟着陆点i的坐标(x_i，y_i，z_i)；当飞机处于第n段下滑时，飞机对准了机场着陆点，着陆点即为机场着陆点(0,0,0,)。

4、如权利要求1所述的一种微波着陆系统引导飞机折线进场的方法，其特征在于，若要计算出飞机相对于虚拟着陆点的仰角，先得到飞机在坐标系中的实时坐标(x，y，z)，其方法如下：

A)获取微波着陆系统地面台站的位置信息，如下：方位台相对于着陆点的距离D1、方位台天线高度H1、DME/P台相对于跑道中心线横偏距离D2、DME/P台相对于着陆点的距离D3、DME/P台天线高度H2、仰角台相对于跑道中心线横偏距离D4、仰角台天线高度H3；

B)计算在直角坐标系n下飞机的坐标位置[x y z]^T，算法如下：

(a)在坐标系n下各台站的位置，设方位台站在坐标系n下的位置为仰角台站在坐标系n下的位置为[x_{L_θ} y_{L_θ} z_{L_θ}]^T，DME/P台站在坐标系n下的位置为[x_{L_D} y_{L_D} z_{L_D}]^T，则根据步骤(1)中的机场信息计算得到以上三个台站的位置坐标如下：

方位台的坐标为：

仰角台的坐标为：

DME/P台的坐标为：

(b)计算飞机的坐标，已知：

飞机相对于DME/P台的斜距ρ，它等于：

ρ＝[(x-x_{L_D})²+(y-y_{L_D})²+(z-z_{L_D})²]^1/2 (1)；

飞机相对于方位台站的方位角它等于：

飞机相对于仰角台站的仰角θ，它等于：

tanθ＝(z-z_{L_θ})/[(x-x_{L_θ})²+(y-y_{L_θ})²]^1/2 (3)；

对上述三个公式加以变换，解出飞机的高度分量：

z＝z_{L_θ}+[(x-x_{L_θ})²+(y-y_{L_θ})²]^1/2tanθ

给x、y以初值x₀、y₀，则

z_i+1＝z_{L_θ}+[(x_i-x_{L_θ})²+(y_i-y_{L_θ})²]^1/2tanθ

i＝0，1，2，…

同理，由式(1)、式(2)得：

i＝0，1，2，…

x_i+1＝x_{L_D}+[ρ²-(y_i+1-y_{L_D})²-(z_i+1-z_{L_D})²]^1/2

i＝0，1，2，3，4；

利用旋转高斯—让德坐标迭代解算算法通过坐标系的平移和旋转消除了飞机纵轴方向上的位移，而后以上面三个公式为基础实现其具体迭代解算过程，经过五次迭代得到利用MLS测量信息解算的飞机在着陆点坐标系n下的位置[x y z]^T。

作为本发明进一步的方案，计算飞机相对于规划航线的仰角偏差方法如下：

a)计算出飞机相对于着陆点(虚拟着陆点)(x_i y_i z_i)的仰角θ_T；

θ_T＝tan^-1((z-z_i)/[(x-x_i)²+(y-y_i)²]^1/2) (4)；

b)计算出飞机相对于规划航线的仰角偏差θ_E；

θ_E＝λ-θ_T (5)。

(1)本发明的有益效果是：本发明提出利用着陆航线上的“虚拟着陆点”来解决微波着陆系统在飞机以折线方式进场情境下各个下滑阶段(以下滑角分阶段)的仰角偏差错误问题，从而为利用微波着陆系统引导飞机进行折线进场提供了方法；

(2)本发明适合于飞机沿既定着陆航线进场的情景，特别契合自动驾驶或无人机着陆的需求。

本发明原理简单，可操作性强，满足实际应用的要求，具有较强的工程应用性。

附图说明

图1为本发明飞机以固定下滑角进场情景示意图；

图2为本发明飞机折线(三段)进场情景示意图；

图3为本发明方法流程图；

图4实例中仿真飞机进场航线；

图5为实例中仿真飞机相对于机场着陆点的仰角值；

图6为实例中仿真飞机相对于着陆航线的仰角偏差值；

图7为选择下滑角时，虚拟着陆点1坐标示意图；

图8为选择下滑角时，虚拟着陆点1坐标示意图；

图9为虚拟着陆点的坐标位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细阐述。

目前，微波着陆系统的着陆引导应用局限于在飞机对准跑道的情况下以相对于着陆点的固定下滑航线进行着陆进场引导，着陆情景如下图1所示。该情境下，微波着陆系统已知一确定的着陆点坐标，能够通过一系列算法，将微波着陆系统测量得到的飞机相对于地面台站的方位、仰角、距离信息转换为飞机相对于着陆点的方位、仰角、距离数据，由此得出飞机相对于进场航线的方位偏差、仰角偏差和距离并报送飞行员和飞控系统。

但是在多段折线进场情境下，飞机的下滑角不再全程保持一个固定角度。如图2所示，在着陆进场阶段，飞机对准跑道后以多个不同的下滑角进行进近着陆。

在该情境下，如果微波着陆系统仍然按照原来的算法以某固定不变的下滑角提供飞机相对于机场着陆点的方位、仰角、距离信息，那么计算出的飞机相对于预定航线的方位角偏差和距离不受影响，但是计算出的飞机相对于预定航线的仰角偏差将会出现很大误差，必然会造成报送飞行员的结果与规划航线出现严重偏离。因此特提出以下解决方案，一种微波着陆系统引导飞机折线进场的方法：

如图3所示，本发明方法流程图，包括如下步骤：

(1)建立着陆点直角坐标系，以着陆点为原点建立直角坐标系n，该坐标系的X轴为跑道中心线，指向跑道尾端为正，Y轴与X轴在同一水平面，Z轴指向天空。着陆点坐标(x₀＝0，y₀＝0，z₀＝0)。

(2)在飞机折线进场过程中，获取下列信息：

飞机的实时方位角实时仰角θ和实时斜距ρ；

飞机在不同的进场阶段的选择下滑角度θ_i(i＝1…n)。

(3)根据规划的航线，微波着陆系统分段进行着陆引导。在着陆过程中，微波着陆系统不再只计算飞机相对于机场着陆点的方位、仰角和距离，本发明提出以此阶段飞机选择下滑角度的延长线与X轴或Y轴的交点为此阶段的虚拟着陆点，并计算出飞机相对于该虚拟着陆点的仰角，联合飞机相对于机场着陆点的方位和距离信息报送给飞行员以供参考。如图9所示，在飞机的第1下滑阶段，微波着陆系统提供相对于虚拟着陆点1的仰角偏差；一次类比，建立虚拟着陆点i，微波着陆系统提供相对于虚拟着陆点i的仰角偏差；在第n下滑阶段，微波着陆系统提供相对于机场着陆点的仰角偏差。这样提供给飞行员的引导信息必然与规划航线相符。在此过程中，虚拟着陆点的坐标位置需要算出。

(5)设虚拟着陆点1的坐标(x₁，y₁，z₁)，计算虚拟着陆点1坐标时分为以下两种情况：

A)飞机的选择下滑角θ₁≠0°时，虚拟着陆点1落在X轴上。由已知信息可建立如图7所示的三角形关系(图中黑粗线所示)，其中飞机到着陆点的斜距ρ，飞机相对于着陆点的下滑角θ，由此计算出β₁＝θ₁-θ。根据正弦定理，确定如下关系：由此计算出

因此，虚拟着陆点1的坐标(x₁，y₁，z₁)为：

B)飞机的选择下滑角θ₁＝0°时(即飞机平飞时)，虚拟着陆点1坐落在Y轴上，如图8所示。已知信息包括飞机到着陆点的斜距ρ，飞机相对于着陆点的下滑角θ，由此计算出此时β₁＝θ。

因此虚拟着陆点1的坐标(x₁，y₁，z₁)为：

(6)当飞机处于还未对准机场着陆点的第i段下滑时，按照步骤(5)的方法可以依次类推出虚拟着陆点i的坐标(x_i，y_i，z_i)；当飞机处于第n段下滑时，飞机对准了机场着陆点，着陆点即为机场着陆点(0,0,0,)。

(7)若要计算出飞机相对于虚拟着陆点的仰角，需要先得到飞机在坐标系中的实时坐标(x，y，z)，方法如下：

A)获取微波着陆系统地面台站的位置信息，如下：方位台相对于着陆点的距离D1、方位台天线高度H1、DME/P台相对于跑道中心线横偏距离D2、DME/P台相对于着陆点的距离D3、DME/P台天线高度H2、仰角台相对于跑道中心线横偏距离D4、仰角台天线高度H3；

B)计算在直角坐标系n下飞机的坐标位置[x y z]^T。算法如下：

(a)在坐标系n下各台站的位置，如图2。设方位台站在坐标系n下的位置为仰角台站在坐标系n下的位置为[x_{L_θ} y_{L_θ} z_{L_θ}]^T，DME/P台站在坐标系n下的位置为[x_{L_D} y_{L_D} z_{L_D}]^T，则根据步骤(1)中的机场信息可以计算得到以上三个台站的位置坐标如下：

方位台的坐标为：

仰角台的坐标为：

DME/P台的坐标为：

(b)计算飞机的坐标。已知：

飞机相对于DME/P台的斜距ρ，它等于：

ρ＝[(x-x_{L_D})²+(y-y_{L_D})²+(z-z_{L_D})²]^1/2 (1)；

飞机相对于方位台站的方位角它等于：

飞机相对于仰角台站的仰角θ，它等于：

tanθ＝(z-z_{L_θ})/[(x-x_{L_θ})²+(y-y_{L_θ})²]^1/2 (3)；

对上述三个公式加以变换，解出飞机的高度分量：

z＝z_{L_θ}+[(x-x_{L_θ})²+(y-y_{L_θ})²]^1/2tanθ

给x、y以初值x₀、y₀，则

z_i+1＝z_{L_θ}+[(x_i-x_{L_θ})²+(y_i-y_{L_θ})²]^1/2tanθ

i＝0，1，2，…

同理，由式(1)、式(2)可得：

i＝0，1，2，…

x_i+1＝x_{L_D}+[ρ²-(y_i+1-y_{L_D})²-(z_i+1-z_{L_D})²]^1/2

i＝0，1，2，3，4；

利用旋转高斯—让德坐标迭代解算算法通过坐标系的平移和旋转消除了飞机纵轴方向上的位移，而后以上面三个公式为基础实现其具体迭代解算过程，经过五次迭代得到利用MLS测量信息解算的飞机在着陆点坐标系n下的位置[x y z]^T。

(9)计算飞机相对于规划航线的仰角偏差；

a)计算出飞机相对于着陆点(虚拟着陆点)(x_i y_i z_i)的仰角θ_T。

θ_T＝tan^-1((z-z_i)/[(x-x_i)²+(y-y_i)²]^1/2) (4)；

b)计算出飞机相对于规划航线的仰角偏差θ_E。

θ_E＝λ-θ_T (5)；

图4～图6为利用一个实例给出本发明的数字仿真情况。图4为仿真的飞机进场航线，航线的进场阶段分为三段，飞机从离机场20Km距离开始以4°下滑角进场，当飞机离机场10Km时进入平飞阶段，当飞机离机场5Km时开始以3°下滑角进场并着陆。

图5为微波着陆系统测量的飞机相对于机场着陆点的仰角值。

图6为使用本发明前后微波着陆系统输出的飞机相对于规划航线的仰角偏差。

本实施例飞机从距离机场20公里的地方开始着陆的飞行轨迹，方位台在坐标系n下的位置为[-3200 0 1.5]^T，仰角台在坐标系n下的位置为[0 -110 2.2]^T，DME/P台在坐标系n下的位置为[-3200 10 2]^T。

从以上实施例中可以看出，本方法可以使微波着陆系统应用到折线进场的情境下，能够为飞行员提供准确的飞行状态指示。

以上所述为本发明较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种微波着陆系统引导飞机折线进场的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)建立着陆点直角坐标系，以着陆点为原点建立直角坐标系n，该坐标系的X轴为跑道中心线，指向跑道尾端为正，Y轴与X轴在同一水平面，Z轴指向天空，着陆点坐标(x₀＝0，y₀＝0，z₀＝0)；

(2)在飞机折线进场过程中，获取下列信息：

飞机的实时方位角实时仰角θ和实时斜距ρ；

飞机在不同的进场阶段的选择下滑角度θ_i(i＝1…n)；

(3)根据规划的航线，微波着陆系统分段进行着陆引导，在着陆过程中，微波着陆系统不再只计算飞机相对于机场着陆点的方位、仰角和距离，以此阶段飞机选择下滑角度的延长线与X轴或Y轴的交点为此阶段的虚拟着陆点，并计算出飞机相对于该虚拟着陆点的仰角，联合飞机相对于机场着陆点的方位和距离信息报送给飞行员和飞控系统以供参考；在飞机的第1下滑阶段，微波着陆系统提供相对于虚拟着陆点1的仰角偏差；依次类比，建立虚拟着陆点i，微波着陆系统提供相对于虚拟着陆点i的仰角偏差；在第n下滑阶段，微波着陆系统提供相对于机场着陆点的仰角偏差，这样提供给飞行员和飞控系统的引导信息必然与规划航线相符，在此过程中，虚拟着陆点的坐标位置需要算出。

2.如权利要求1所述的一种微波着陆系统引导飞机折线进场的方法，其特征在于，虚拟着陆点的坐标位置计算方法如下：

设虚拟着陆点1的坐标(x₁，y₁，z₁)，计算虚拟着陆点1坐标时分为以下两种情况：

A)飞机的选择下滑角θ₁≠0°时，虚拟着陆点1落在X轴上，其中飞机到着陆点的斜距ρ，飞机相对于着陆点的下滑角θ，由此计算出β₁＝θ₁-θ，根据正弦定理，确定如下关系：由此计算出因此，虚拟着陆点1的坐标(x₁，y₁，z₁)为：

B)飞机的选择下滑角θ₁＝0°时，即飞机平飞时，虚拟着陆点1坐落在Y轴上，已知信息包括飞机到着陆点的斜距ρ，飞机相对于着陆点的下滑角θ，由此计算出此时β₁＝θ；

因此虚拟着陆点1的坐标(x₁，y₁，z₁)为：

3.如权利要求2所述的一种微波着陆系统引导飞机折线进场的方法，其特征在于，当飞机处于还未对准机场着陆点的第i段下滑时，如步骤2依次类推出虚拟着陆点i的坐标(x_i，y_i，z_i)；当飞机处于第n段下滑时，飞机对准了机场着陆点，着陆点即为机场着陆点(0,0,0,)。

4.如权利要求1所述的一种微波着陆系统引导飞机折线进场的方法，其特征在于，若要计算出飞机相对于虚拟着陆点的仰角，先得到飞机在坐标系中的实时坐标(x，y，z)，其方法如下：

A)获取微波着陆系统地面台站的位置信息，如下：方位台相对于着陆点的距离D1、方位台天线高度H1、DME/P台相对于跑道中心线横偏距离D2、DME/P台相对于着陆点的距离D3、DME/P台天线高度H2、仰角台相对于跑道中心线横偏距离D4、仰角台天线高度H3；

B)计算在直角坐标系n下飞机的坐标位置[x y z]^T，算法如下：

(a)在坐标系n下各台站的位置，设方位台站在坐标系n下的位置为仰角台站在坐标系n下的位置为[x_{L_θ} y_{L_θ} z_{L_θ}]^T，DME/P台站在坐标系n下的位置为[x_{L_D} y_{L_D} z_{L_D}]^T，则根据步骤(1)中的机场信息计算得到以上三个台站的位置坐标如下：

方位台的坐标为：

仰角台的坐标为：

DME/P台的坐标为：

(b)计算飞机的坐标，已知：

飞机相对于DME/P台的斜距ρ，它等于：

ρ＝[(x-x_{L_D})²+(y-y_{L_D})²+(z-z_{L_D})²]^1/2 (1)；

飞机相对于方位台站的方位角它等于：

飞机相对于仰角台站的仰角θ，它等于：

tanθ＝(z-z_{L_θ})/[(x-x_{L_θ})²+(y-y_{L_θ})²]^1/2 (3)；

对上述三个公式加以变换，解出飞机的高度分量：

z＝z_{L_θ}+[(x-x_{L_θ})²+(y-y_{L_θ})²]^1/2tanθ

给x、y以初值x₀、y₀，则

Z_i+1＝Z_{L_θ}+[(x_i-x_{L_θ})²+(y_i-y_{L_θ})²]^1/2tanθ

i＝0，1，2，…

同理，由式(1)、式(2)得：

x_i+1＝x_{L_D}+[ρ²-(y_i+1-y_{L_D})²-(z_i+1-z_{L_D})²]^1/2

i＝0，1，2，3，4；

利用旋转高斯—让德坐标迭代解算算法通过坐标系的平移和旋转消除了飞机纵轴方向上的位移，而后以上面三个公式为基础实现其具体迭代解算过程，经过五次迭代得到利用MLS测量信息解算的飞机在着陆点坐标系n下的位置[x y z]^T。

5.如权利要求1所述的一种微波着陆系统引导飞机折线进场的方法，其特征在于，计算飞机相对于规划航线的仰角偏差方法如下：

a)计算出飞机相对于着陆点(虚拟着陆点)(x_i y_i z_i)的仰角θ_T；

θ_T＝tan^-1((z-z_i)/[(x-x_i)²+(y-y_i)²]^1/2) (4)；

b)计算出飞机相对于规划航线的仰角偏差θ_E；

θ_E＝λ-θ_T (5)。