CN110275541B - 利用自动起飞改进噪声的优化轨迹 - Google Patents
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Abstract
利用自动起飞改进噪声的优化轨迹。自动优化飞机起飞轨迹以最小化感知噪声水平。飞行计算机自动执行使飞机起飞的所有动作，并确保其真实的起飞轨迹符合优化的起飞轨迹。通过飞行员在起飞过程中动作的自动化和确保最佳轨迹，消除了轨迹的可变性。所述系统还允许起飞期间的动作和空气动力学配置改变的同时性。
Description
相关申请的交叉引用
无
关于联邦政府资助的研究或开发的声明
无
技术领域
本文的技术涉及性能、噪声削减和飞机自动化。
背景技术
航空领域中喷气式发动机的出现提高了飞机的巡航速度以及每次飞行的有效载荷能力，从运营商的角度来看这是非常感兴趣的。另一方面，喷气式发动机产生的噪声比其前代更多。随着社会和监管机构越来越意识到航空的环境影响，特别是在靠近机场的地区，噪声排放认证的规定变得越来越严格。
发明内容
本文的示例性非限制性技术提供了用于在起飞期间优化轨迹的方法和系统，以最小化在操作离场程序期间的噪声产生，并因此作为自动化噪声消减程序降低机场附近的相关噪声足迹。
除了噪声排放认证规定外，世界上还有一些重要的机场对噪声排放有特定的操作规范。伦敦城市机场(LCY)就是一个典型的例子。它是作为伦敦纽汉区皇家码头复兴计划的一部分而建造的，这一地区是伦敦市东部人口非常稠密的地区。
自建造以来，机场与当地社区签订了正式合同，规定了受限的运营时间，并限制运营型飞机起飞和降落期间的年平均噪声排放水平。未达到这些限制的惩罚可能是这种飞机不能在该机场运营。
LCY机场的飞越噪声规则是某型号飞机一年内不得超过94.5PNL的平均水平。这里，PNL表示感知噪声水平(Perceived Noise Level)。感知到的噪声被定义为衡量声音不受欢迎、令人反感、令人不安或不愉快的度量。PNL标度允许对不同频率的不同人类敏感度。PNL由测量和数学计算的组合确定，包括频谱分析。根据ICAO附件16，PNL根据在机场运行的麦克风的信号以标准方式计算。参见国际民用航空组织航空环境保护委员会的环境技术手册第I卷“飞机噪声认证程序”，SGAR 1(CAEP9指导小组3批准修订)，基于Doc 9501，第I卷，第1版)，在此通过引用并入。
为了遵守这些限制性规范，制造商必须为飞行员制定在这个机场和其它机场的起飞和降落期间须遵守的具体程序。例如，美国国家公务航空协会推荐遵守以下降噪措施：
具有高密度机场选项的NBAA推荐噪声消减离场程序
1.在起飞推力的起飞配置中，以不超过V2+20KIAS(最大俯仰，姿态20度)的最大实际速率爬升至1,000英尺AAE(高密度交通机场为800英尺AAE)。
2.在800到1000英尺AAE之间，开始加速到最终段速度(VFS或VFTO)并收回襟翼。降低到安静爬升功率设置，同时保持符合IFR离场程序所需的爬升率，否则最大1,000FPM空速不超过190KIAS，直到在高密度交通机场达到3,000英尺AAE或1,500英尺AAE。如果ATC要求在达到NADP终止高度之前平飞，则必须降低功率以使其不超过190KIAS。
3.高于3,000英尺AAE(高密度机场1,500英尺)，则恢复正常爬升计划，逐步施加爬升功率。
4.确保始终符合适用的IFR爬升和空速要求。
在起飞期间某种飞机类型的情况下，巴西航空工业公司创建了一种程序，该程序包括一系列手动动作，飞行员应在起飞时以高精度执行，以遵循优化的噪声轨迹。下面列出了其中一些动作：
·飞机精确地以@VR(拉起速度)拉起
·俯仰率q等于或高于5deg/s
·俯仰θ最终≥18deg
·适当的推力管理。
飞行员通常没有可直接显示俯仰率的飞行仪表。因此，这通常仅仅取决于飞行员基于飞行技术和经验来控制这种行为的能力。还值得一提的是，诸如重心位置和惯性之类的飞机调度特性与这种行为具有一阶相关性，使得人类完全不可能以高精度预测性地控制该现象。
如果飞行员没有以所需精度执行这些动作中的至少一个动作，则感知到的噪声水平的结果受到损害。例如，如果拉起延迟到VR之后(如图1所示)，则飞机将以较低的高度飞越麦克风，更高的噪声将被检测到。
由需要这种精确度的手动动作组成的程序的固有特征在于很难一致地遵循该程序。图2示出了在LCY机场运行的某一飞机类型的特定机群的实际起飞飞行路径的集合。最佳和最差执行的起飞飞行路径(对于43000kg到43500kg之间的TOW)之间的比较揭示了在噪声测量麦克风位置之上高度为400英尺的差异。这种高度差异对应于大约2PNdB的感知噪声水平的升高。
图2中所示的起飞飞行路径中的偏差可以通过手动执行噪声消减程序而导致的与优化的降噪轨迹有关的主要起飞参数的偏差来解释。图3a示出了飞机在拉起时的实际速度对VR的分布，并指示了拉起时的实际速度与VR之间的折衷(拉起的最佳速度值)。如果明显低于VR发生拉起，则失去安全性，如果明显高于VR发生拉起，则噪声增加。图3b示出了实际数据与俯仰率q的最佳数据之间的比较，并且指示类似的高斯分布。图3c示出了在实际俯仰数据和最佳俯仰θ数据的比较中的类似高斯分布。大多数起飞落在可接受的噪声消减最佳VR范围内(图3a)，但是关于俯仰和俯仰率(图3b和图3c)不会出现相同的情况，其是远低于最佳值地执行。在诸如伦敦城市机场等严格噪声消减强化的情况下，这些异常值(outlier)可能导致机场禁止某些类型、型号或类别的飞机使用机场，从而降低了那些飞机对制造商、业主和运营商的价值。另外，这种异常操作可能会对起飞飞行路径上或附近的住宅、企业和其它人造成烦扰。
起飞参数，尤其是与飞行路径相关的参数的偏差因而直接影响感知噪声水平的平均值，因此影响机场与当地社区的关系以及某种飞机类型在机场运行的可行性。例如，图4a和4b示出俯仰率q的仅仅1deg/s的变化充分影响到感知噪声水平。
虽然过去已经做了很多工作，但进一步的改进是可能的，也是期望的。
附图说明
应结合附图阅读以下关于例证性非限制性说明性实施例的详细说明，在图中：
图1示出延迟拉起效应：当拉起延迟时，飞机以较低的高度飞过麦克风，因此，麦克风检测到更高的噪声。
图2示出伦敦城市机场的起飞飞行路径：虽然在起飞过程中有非常详细和清晰的降低感知噪声水平的程序，但真实的飞行路径显示在操作过程中很难保持与这种程序一致。
图3a示出实际数据与VR的最佳数据之间的比较：该图示出在VR方面存在10kts的偏差。
图3b示出实际数据与俯仰率q的最佳数据之间的比较：实际数据示出飞行员始终低于推荐的俯仰率地执行飞机的拉起。
图3c示出实际数据与俯仰θ的最佳数据之间的比较：在俯仰方面明显缺乏操作一致性，当飞机在麦克风之上飞过时，这会在感知噪声水平方面带来损失。
图4a和4b示出感知噪声水平中的俯仰率效应：如果低于推荐的俯仰率每秒一度执行拉起，则在感知噪声水平方面存在几乎2dB的损失。
图5示出示例性非限制性控制系统。
图6示出示例性非限制性参数发展。
图7示出示例性非限制性数据评价和系统决策过程的示意图。
具体实施方式
示例性非限制性实施例提供了优化起飞轨迹以最小化感知噪声水平的方法和设备，及自动执行使飞机起飞的所有动作并确保其真实起飞轨迹符合优化的起飞轨迹的系统。这种示例性非限制性实施例通过飞行员在起飞期间的动作的自动化和确保最佳轨迹来消除轨迹的可变性。示例性非限制性实施例还允许起飞期间的动作和空气动力学配置改变的同时性。
示例性非限制性系统架构
图5示出了示例性非限制性自动起飞系统以及与其它飞机系统的接口的概述。如图5所示，飞机100包括传统传感器和投票阵列102，其监视诸如温度、压力高度、速度、高度和俯仰角之类的参数，并向俯仰引导子系统104提供感测(投票)值。传感器/投票阵列102因而能够测量飞机对来自飞行控制系统106的控制输入的响应，例如升降舵位置。俯仰引导子系统104还接收包括VR、重量和N1的导航输入108。另外，俯仰引导子系统104从配置子系统110接收起落架和襟翼信息。俯仰引导子系统104因而从飞机传感器102和飞行员输入108装置获得信息，同时自动起飞系统的输出被发送到飞行控制系统106。对于俯仰引导指示，俯仰目标也被发送到飞机显示器112。
俯仰控制子系统114从俯仰引导子系统104接收俯仰角、俯仰目标和拉起触发信息。俯仰控制子系统114应用噪声优化的起飞计算，以向飞机提供计算能力并且提供自动起飞选项，以遵循根据由适用的飞机几何限制约束的实际起飞辐射(在考虑调度的条件下)的最佳起飞俯仰引导。
俯仰引导子系统104和俯仰控制子系统114每个都可包括至少一个处理器，该处理器联接到处理器所执行的非暂时性存储指令，以执行诸如图7中所示的程序控制的操作。诸如硬件、混合硬件和软件、专用集成电路等其它实施也是可能的。
在一个示例性非限制性实施例中，俯仰引导子系统104使用估计的重量、天气参数(温度和风力)和机场数据(跑道信息)来计算相关的推力和V速度。通过参数输入(重量、推力、起飞配置(襟翼位置)和V速度)，计算出最佳俯仰率和/或最佳俯仰，以提供升空后的最佳轨迹，并且在适当时提供用于推力减少和恢复的最佳高度。在一些实施例中，图5的控制系统包括用于直接控制这种喷气式发动机推力减少和恢复的附加输出。
图6示出了由图5的控制系统执行的示例性非限制性多级处理。在图6中，方框202表示控制系统被编程以最佳参数，诸如最佳俯仰率(qOPT)、最佳俯仰(θOPT)、最佳推力减少高度(HCUT)和推力减少后的最佳推力恢复高度(HR)。控制系统使用GPS(地理定位系统)来确定诸如拉起速度VR的V速度(方框204)。控制系统使用惯性传感器(例如，陀螺仪、加速度计等)来确定飞机起飞配置(方框206)。控制系统使用诸如风力(风速)传感器的外部传感器来确定包括风速的天气条件(方框208)。控制系统使用所有这些参数来控制推力减少和恢复(方框210)。
图7示出了如何计算这些参数，控制系统将在释放制动器之后开始控制起飞程序(方框302)并将执行以下动作：
·基于包括起飞配置306、推力308、V速度310和上面方框202中描述的初始参数的参数，基于重量、天气信息和跑道信息确定和控制跑道加速度(方框304-314)；
·监视速度(例如，首先通过GPS系统监视速度，然后当飞机已经获得足够的速度以使风速测量系统起作用时通过风速测量传感器316监视速度)，直到速度达到VR值(判定框318)。
·当速度＝VR时，飞机立即以最佳俯仰率q＝qOPT拉起(例如，通过控制操纵面)(方框320)；
·使用惯性传感器322监测俯仰θ，直到其达到最佳俯仰值θOPT(方框324)；
·捕捉并保持最佳俯仰θOPT(控制系统控制操纵面，同时通过惯性传感器监测飞机姿态，以保持最佳俯仰角和俯仰率)；
·控制飞机以最佳俯仰和俯仰率爬升(方框326)；
·监视高度(例如，通过GPS或方框328中的其它高度传感器)，直到飞机达到用于推力减少的最佳高度(H＝HCUT)(方框330)；
·通过控制系统自动地控制喷气式发动机，以一旦达到安全高度就降低推力并且缓慢爬升，从而为噪声削减而减少推力(方框334)；
·继续监视高度，直到飞机达到用于推力恢复的最佳高度(H＝HR)(方框332)(即，一旦控制系统确定飞机已爬升到足够的高度，使得不再需要为了噪声削减而进行推力减少，则控制系统可以控制发动机恢复更大推力)；
·推力恢复为爬升推力(方框336)。
整个过程对飞行员来说是都透明的。除了设置用于感知噪声优化的功能之外，飞行员不需要执行任何程序。这将在非常苛刻的飞行阶段减少飞行员的工作量，并产生更一致的操作。
除此之外，起飞程序的自动化带来了在起飞爬升期间动作和空气动力学配置变化的同时性的可能性。因此，与对于基于非同时程序的最佳轨迹的感知的噪声水平相比，该优化的轨迹将导致更低的感知的噪声水平。
某些动作的同时性，例如以等于或高于5deg/s的俯仰率精确地在VR上拉起飞机，和以等于或高于18度捕捉俯仰，将对飞越时的感知噪声水平的最佳轨迹带来实质性改进。
虽然已经结合目前被认为是最实用和优选的实施例描述了本发明，但是应理解，本发明不限于所公开的实施例，相反，本文发明有意涵盖被包括在所附权利要求的精神和范围内的各种变型和等效布置。
Claims (12)
1.一种用于飞机的自动一致噪声消减起飞的系统，所述系统包括：
至少一个传感器；和
至少一个处理器，所述至少一个处理器在操作上联接到所述至少一个传感器，所述至少一个处理器被配置为执行以下操作：
(a)确定飞机何时达到拉起速度VR，并且自动控制飞机以所述拉起速度VR且以为噪声消减而优化的预定俯仰率q精确地拉起；
(b)在拉起之后，监视所述飞机的姿态和俯仰，并且自动控制飞机以达到并保持为噪声消减而优化的俯仰角θ；以及
(c)在拉起之后，监视飞机的高度，并且自动控制飞机在预定高度HCUT下爬升期间减少推力，以消减噪声。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个传感器包括惯性传感器和风速传感器。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个处理器还被配置用以自动控制飞机，从而一旦所述飞机达到了恢复高度HR就恢复推力。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理器被进一步配置为使得起飞程序自动化进行以便在起飞爬升期间提供动作和空气动力学配置变化的同时性，因此，飞机的优化轨迹导致比基于非同步程序的最佳轨迹的感知噪声水平低的感知噪声水平。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理器被配置为使得所述控制对于飞行员是透明的，使得飞行员除了设置用于感知噪声优化的功能外不需要执行任何程序。
6.一种用于飞机的自动一致起飞噪声消减的系统，其包括：
至少一个传感器；和
至少一个处理器，所述至少一个处理器在操作上联接到所述至少一个传感器，所述至少一个处理器被配置为执行以下操作：
(a)确定飞机何时达到拉起速度VR，并且自动控制飞机以拉起速度VR且用为噪声消减而优化的俯仰率精确地拉起；
(b)监视飞机的轨迹和俯仰；
(c)响应于所述监视，根据最佳降噪轨迹，控制飞机的轨迹；
(d)响应于所述监视，根据最佳降噪俯仰，控制飞机的俯仰；以及
(e)响应于所述监视，一旦实现了飞机的轨迹中的预定最佳点，就执行推力减少程序，因而消减噪声。
7.一种用于飞机的自动一致起飞噪声减少的系统，其包括：
至少一个传感器；和
至少一个处理器，所述至少一个处理器在操作上联接到所述至少一个传感器，所述至少一个处理器被配置为执行以下操作：
(a)确定飞机何时达到拉起速度VR，并且自动控制飞机以拉起速度VR且以最佳俯仰率精确地拉起；
(b)监视飞机的轨迹和俯仰；
(c)响应于所述监视，根据最佳降噪轨迹，控制飞机的轨迹；
(d)响应于所述监视，根据最佳降噪俯仰，控制飞机的俯仰；以及
(e)响应于所述监视，自动地执行最佳推力管理，以便获得噪声削减。
8.一种用于飞机的自动一致噪声消减起飞的方法，其包括：
通过至少一个传感器进行测量；
利用至少一个处理器，响应于所述测量，自动地确定飞机何时达到拉起速度VR，并且自动控制飞机以拉起速度VR且以预定俯仰率精确地拉起；
响应于所述测量，所述至少一个处理器自动地监视飞机的姿态和俯仰，并且自动控制飞机以达到并保持为噪声消减而优化的俯仰；
所述至少一个处理器监视所述飞机的高度；以及
响应于所述测量，所述至少一个处理器自动地控制飞机在爬升到预定高度HR期间减少推力，以消减噪声。
9.一种飞机，包括：
发动机；
操纵面；
俯仰引导子系统，所述俯仰引导子系统产生俯仰角、俯仰目标和拉起触发信息；以及
俯仰控制子系统，所述俯仰控制子系统在操作上联接到至少所述操纵面和所述俯仰引导子系统，所述俯仰控制子系统被构造成从所述俯仰引导子系统接收所述俯仰角、俯仰目标和拉起触发信息并执行降噪起飞计算，以向飞机提供计算能力并提供自动起飞选项，从而自动控制飞机的至少一个操纵面，使得飞机遵循根据由任何适用的飞机几何限制约束的实际起飞辐射的噪声消减起飞俯仰引导，该噪声消减起飞俯仰引导包括以预定俯仰率拉起，之后维持着预定俯仰角。
10.根据权利要求9所述的飞机，其中，响应于测量飞机俯仰，所述俯仰控制子系统确定飞机何时达到拉起速度VR，并自动控制飞机以拉起速度VR精确地拉起。
11.根据权利要求9所述的飞机，其中，所述俯仰控制子系统被配置成监视飞机的姿态，并且自动控制飞机以达到并保持为噪声消减而优化的起飞俯仰角和俯仰率。
12.根据权利要求9所述的飞机，其中，所述俯仰控制子系统被配置成监视飞机的高度，并且自动控制发动机在爬升到预定高度期间减少推力以消减噪声。
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