CN111356640A - 潜在航空器轨迹风影响计算 - Google Patents

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Abstract

提供了系统、航空器和非暂时性介质。一种用于航空器的航空电子系统包括存储设备和一个或多个数据处理器。所述存储设备存储用于监视航空器的实际性能的指令。所述一个或多个数据处理器被配置为执行所述指令以：生成相对于航空器的测得的移动气团的横向分量和纵向分量；基于预测模型，生成沿着潜在航空器轨迹的航空器的多个独立于风的位置；并基于所述多个独立于风的位置、所述横向分量和所述纵向分量，生成航空器的多个风修正的位置。

Description

潜在航空器轨迹风影响计算
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年11月14日提交的美国临时申请62/586022的权益。上述申请的公开内容通过引用合并于此。
技术领域
本公开总体上涉及航空器轨迹预测，并且更具体地涉及考虑到风影响的位置偏移预测航空器沿着潜在轨迹的位置。
背景技术
确定飞行期间作用在航空器上的力利用了复杂的方程，该方程需要计算强度大的三角函数，以根据航空器飞行所经过的风来计算纵向力和横向力。这样的复杂方程将需要航空器上非常大的计算能力以预测潜在的航空器性能和位置，以进行高分辨率和/或多轨迹航空器建模。
因此，期望提供方法、系统和航空器，其提供考虑到风的准确位置信息，同时减少三角函数的计算负担。此外，结合附图以及前述技术领域和背景技术，根据随后的详细描述和所附权利要求，本公开的其他期望特征和特点将变得显而易见。
发明内容
提供了系统、航空器和非暂时性介质。在第一非限制性示例中，用于航空器的航空电子系统包括存储设备和一个或多个数据处理器。所述存储设备存储用于监视所述航空器的实际性能的指令。所述一个或多个数据处理器被配置为执行所述指令以：生成相对于所述航空器的所测量的移动气团的横向分量和纵向分量；基于预测模型生成沿着潜在航空器轨迹的所述航空器的多个独立于风的位置；并基于所述多个独立于风的位置、所述横向分量和所述纵向分量生成所述航空器的多个风修正的位置。
在第二非限制性示例中，所述航空器包括传感器系统和航空电子系统。所述传感器系统被配置为测量移动气团的大小和方向。所述航空电子系统包括用于存储指令的存储装置和一个或多个数据处理器，所述一个或多个数据处理器被配置为执行所述指令以：基于来自所述传感器系统的输出测量所述移动气团的大小和方向；生成相对于所述航空器的测得的移动气团的横向分量和纵向分量；基于预测模型生成沿着潜在航空器轨迹的所述航空器的多个独立于风的位置；并基于所述多个独立于风的位置、所述横向分量和所述纵向分量生成所述航空器的多个风修正的位置。
在第三非限制性实施例中，一种非暂时性计算机可读存储介质具有指令，所述指令被执行时使一个或多个数据处理器：生成相对于航空器的所测量的移动气团的横向分量和纵向分量；基于预测模型生成沿着潜在航空器轨迹的所述航空器的多个独立于风的位置；并基于所述多个独立于风的位置、所述横向分量和所述纵向分量生成所述航空器的多个风修正的位置。
附图说明
本公开的优点将容易被领会，因为当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述，这些优点将变得更好理解，其中：
图1是示出根据各实施例的具有控制系统的航空器的示意图；和
图2是示出根据各实施例的用于监视实际航空器性能的方法的流程图。
具体实施方式
以下详细描述本质上仅是示例性的，并不旨在限制本申请和使用。此外，无意受到在先前技术领域、背景技术、发明内容或以下详细描述中提出的任何明示或暗示的理论的约束。如本文所使用的，术语“模块”是指单独或任何组合的任何硬件、软件、固件、电子控制组件、处理逻辑和/或处理器设备，包括但不限于：执行一个或多个软件或固件程序的专用集成电路(ASIC)、电子电路、处理器(共享、专用或成组)和存储器、提供所描述功能的组合逻辑电路和/或其他合适组件。
在此可以根据功能和/或逻辑块组件以及各处理步骤来描述本公开的实施例。应当理解，这样的块组件可以由被配置为执行指定功能的任何数量的硬件、软件和/或固件组件来实现。例如，本公开的一实施例可以采用各种集成电路组件，例如存储器元件、数字信号处理元件、逻辑元件、查找表等，它们可以在一个或多个微处理器或其他控制设备的控制下执行各种功能。另外，本领域技术人员将理解，可以结合任何数量的系统来实践本公开的实施例，并且本文描述的系统仅是本公开的示例性实施例。
为了简洁起见，与信号处理、数据传输、信令、控制和系统的其他功能方面(以及系统的各个操作组件)有关的传统技术在这里可以不进行详细描述。此外，本文包含的各附图中所示的连接线旨在表示各元件之间的示例性功能关系和/或物理耦合。应当注意，在本公开的实施例中可以存在许多替代或附加的功能关系或物理连接。
还应注意，可以在执行指令(例如，软件指令)以执行本文公开的操作的各种类型的数据处理器环境(例如，在一个或多个数据处理器上)实施所述系统和方法。非限制性示例包括在单个通用计算机或工作站上，或在网络系统上，或在客户端-服务器配置中，或在应用程序服务提供商配置中的实施。例如，本文描述的方法和系统可以通过包括可以由设备处理子系统执行的程序指令的程序代码在许多不同类型的处理设备上实施。软件程序指令可以包括源代码、目标代码、机器代码或可操作以使处理系统执行本文所述的方法和操作的任何其他存储数据。然而，也可以使用其他实施方式，如被配置为执行本文所述的方法和系统的固件或甚至适当设计的硬件。例如，可以用指令对计算机编程以执行本文描述的流程图的各步骤。
所述系统和方法的数据(例如，关联、映射、数据输入、数据输出、中间数据结果、最终数据结果等)可以在一种或多种不同类型的计算机实施的数据存储中存储和实施，如不同类型的存储设备和编程结构(例如，存储器、RAM、ROM、闪存、平面文件、数据库、编程数据结构、编程变量、IF-THEN(或类似类型)语句结构等)。注意，数据结构描述用于在供计算机程序使用的数据库、程序、存储器或其他计算机可读介质中组织和存储数据的格式。
所述系统和方法可以被提供在许多不同类型的计算机可读存储介质上，包括计算机存储机制(例如，非暂时性介质，如CD-ROM、软盘、RAM、闪存、计算机的硬盘驱动器等)，其包含用于由处理器执行的指令(例如，软件)，以执行方法的操作并实现本文所述系统。
本文所述的计算机组件、软件模块、功能、数据存储和数据结构可以直接或间接地彼此连接，以允许其操作所需的数据流。还应注意，模块或处理器包括但不限于执行软件操作的代码单元，并且可以例如被实施为代码的子例程单元，或被实施为代码的软件功能单元，或被实施为对象(如在面向对象的范例中)，或被实施为小应用程序(applet)，或以计算机脚本语言实施，或被实施为另一种类型的计算机代码。根据当前情况，所述软件组件和/或功能可以位于单台计算机上，或者分布在多台计算机上。
本文公开的各实施例描述了用于针对风影响调整潜在航空器轨迹的方法和系统。在一些示例中，轨迹模型使用在2017年3月27日提交的美国专利申请15/470776中描述的潜在轨迹系统，该申请通过引用并入本文。
现在参考图1，示出了根据一些实施例的航空器100的示例。航空器100包括控制系统110、传感器系统112和致动器系统114，以及其他系统。尽管在本说明书中将航空器100描述为飞机，但是应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，控制系统110可以用于其他航空器、陆地运载工具，水上运载工具、航天运载工具或其他机械中。例如，控制系统110可以用于潜艇、直升机、飞艇、航天器或汽车中。
移动的空气120(即，风)作用于航空器100。移动的空气120具有横向分量122和纵向分量124。横向分量122垂直于航空器100的纵向轴线起作用，而纵向分量124平行于该纵向轴线起作用。
控制系统110是航空电子系统，其被配置为操作航空器100并执行以下描述的方法以预测独立于风的潜在飞行路线130和风调整后的潜在飞行路线。以轨迹建模算法的迭代间隔针对风位置通过偏移134来调整独立于风的潜在飞行路线130，这将在下面进一步讨论。
控制系统110包括至少一个处理器116和非暂时性计算机可读存储设备或介质117。非暂时性计算机可读存储设备或介质117是用于存储用于执行以下描述的方法的指令的存储设备。至少一个处理器116是被配置为执行所述指令以执行以下描述的方法的一个或多个数据处理器。该处理器可以是任何定制或商购的处理器、中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、与控制系统110相关联的多个处理器中的辅助处理器、基于半导体的微处理器(形式为微芯片或芯片组)、宏处理器、其任何组合或通常用于执行指令的任何设备。例如，该计算机可读存储设备或介质可以包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)和保活存储器(KAM)中的易失性和非易失性存储。可以使用许多已知存储设备中的任何一个，如PROM(可编程只读存储器)、EPROM(电PROM)、EEPROM(电可擦除PROM)、闪存或能够存储数据的任何其他电、磁、光或组合存储设备，来实施该计算机可读存储设备或介质，其中一些数据代表控制系统110在控制航空器100时使用的可执行指令。
所述指令可以包括一个或多个单独的程序，每个程序包括用于实施逻辑功能的可执行指令的有序列表。所述指令在由处理器执行时，接收并处理来自传感器系统的信号，执行用于自动控制航空器100的部件的逻辑、计算、方法和/或算法，并生成控制信号，以供致动器系统114基于所述逻辑、计算、方法和/或算法自动控制航空器100的部件。尽管在图1中仅示出一个控制系统110，但是航空器100的实施例可包括任何数量的控制系统110，这些控制系统100通过任何合适的通信介质或通信介质的组合进行通信并且协作以处理所述传感器信号，执行逻辑、计算、方法和/或算法，并生成控制信号以自动控制航空器100的特征。在各实施例中，控制系统的一个或多个指令在由处理器执行时执行以下描述的方法。
传感器系统112包括一个或多个感测装置，其感测航空器100的外部环境、内部环境的可观测的条件或航空器100的运行条件和状态。例如，传感器系统112可以包括加速度计、陀螺仪、RADAR、LIDAR、全球定位系统、光学相机、热像仪、超声传感器和/或其他传感器。在所提供的示例中，传感器系统112包括全静压(pitot static)系统，该全静压系统具有皮托管118和静压口119。如本领域普通技术人员将理解的，来自传感器系统的信号可被用于确定移动的空气120的风速和方向。
致动器系统114包括控制一个或多个运载工具特征的一个或多个致动器装置。例如，致动器系统114可以包括多个致动器，这些致动器操纵航空器100上的控制面，使航空器100的起落架伸出或缩回，和/或移动航空器100的其他部件。
现在参考图2，并继续参考图1，以流程图形式示出了用于针对风影响调整预测轨迹的方法200。在所提供的示例中，控制系统110执行方法200的任务。例如，控制系统110可以在存储设备117上存储供处理器116执行的指令以执行方法200的任务。在一些示例中，在危害认知系统中，方法200针对风影响进行调整。例如，控制系统110可以基于由控制系统110确定的风调整后的位置来确定潜在航空器轨迹是否符合飞行包线并避开地形。
任务210测量航空器飞行经过的气团的移动。例如，控制系统110可以使用传感器系统112来测量移动的气团120的速度和方向。
任务212生成相对于航空器的所测量的移动气团的横向分量和纵向分量。例如，控制系统110可以使用三角函数将移动气团120分解成纵向分量124和横向分量122。在所提供的示例中，纵向分量124和横向分量122是相对于航空器100的轴线取得的。在一些示例中，在不脱离本公开的范围的情况下，可以相对于航空器100的飞行路线、相对于地面、或相对于其他特征来取得横向分量和纵向分量。
任务213基于横向分量生成横向位置偏移，基于纵向分量生成纵向位置偏移，并且还基于用于预测模型的计算的时间间隔生成横向位置偏移和纵向位置偏移。在所提供的示例中，控制系统110根据以下方程生成横向位置偏移：
WindLat＝dt*WindKnots*Math.Cos(WindHeading*.0174533)/(3600*60)
(方程1)
在方程1中，Dt是时间间隔，WindKnots是移动的气团以节为单位的速度，并且WindHeading是移动的气团以度为单位的方向(与风的方位源相反)。应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用其他单位(例如，节、mph、kph、度、弧度)和符号约定。
控制系统110根据以下方程生成纵向位置偏移：
WindLong＝dt*WindKnots*Math.Sin(WindHeading*.0174533)/(3600*60*Math.Cos(CurrentLatitude*.0174533)) (方程2)
任务214基于预测模型生成沿着潜在航空器轨迹的航空器的多个独立于风的位置。例如，控制系统110可以执行与2017年3月27日提交的美国专利申请15/470776中描述的预测模型相似的轨迹预测模型，而无需在每个间隔进行风影响计算来生成多个独立于风的位置。在所提供的示例中，独立于风的潜在飞行路线130示出了独立于风的位置之间的路线。
任务218基于所述多个独立于风的位置、所述横向分量和所述纵向分量生成航空器的多个风修正的位置。在所提供的示例中，控制系统110将横向位置偏移和纵向位置偏移添加到所述多个独立于风的位置中的每一个以实现偏移134。例如，独立于风的潜在飞行路线130调整并在对应于风调整后路线132的调整后的位置计算下一个时间间隔。
任务220推进预测模型的时间间隔。因此，控制系统110可以在预测模型中使用的每个时间间隔生成所述多个风修正的位置中对应的风修正的位置。
任务222确定预测是否完成。当预测未完成时，方法200返回到任务214以使用先前确定的横向位置偏移和纵向位置偏移继续预测航空器100的轨迹。例如，控制系统110可以基于在每个时间间隔所述多个风修正的位置中的当前风修正的位置生成所述多个独立于风的位置的下一连续位置。
当针对所有期望轨迹的轨迹预测完成时，方法200结束。
各实施例允许快速计算风修正的潜在航空器轨迹。例如，代替计算沿着轨迹的每个增量的风影响，可以计算一次风影响并将其添加到每个随后的位置计算。因为在飞行中很少知道除当前位置以外的其他位置的风况，所以可以使用当前位置的风来降低计算的复杂性，并允许针对给定的计算能力进行额外的轨迹估算和/或缩短评估时间间隔。例如，可以以预先计算风在每个建模增量期间将引起的纬度和经度偏移的方式执行一次复杂的三角数学计算。然后可以使用简单的加法将该偏移加到未来位置，而无需为每次迭代重新计算风角的正弦/余弦。
尽管在前面的详细描述中已经提出了至少一个示例性实施例，但是应当理解，存在大量的变型。还应当理解，所述一个或多个示例性实施例仅是示例，并且无意以任何方式限制本公开的范围、适用性或配置。相反，以上详细描述将为本领域普通技术人员提供用于实现所述一个或多个示例性实施例的便利路线图。应当理解，在不脱离所附权利要求及其合法等同物所阐述的本公开的范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。

Claims (20)

1.一种用于航空器的航空电子系统，所述航空电子系统包括：
存储设备，其用于存储用于监视所述航空器的实际性能的指令；和
一个或多个数据处理器，其被配置为执行所述指令，以：
生成相对于所述航空器的测得的移动气团的横向分量和纵向分量；
基于预测模型，生成沿着潜在航空器轨迹的所述航空器的多个独立于风的位置；和
基于所述多个独立于风的位置、所述横向分量和所述纵向分量，生成所述航空器的多个风修正的位置。
2.根据权利要求1所述的航空电子系统，其中所述一个或多个数据处理器还被配置为执行所述指令，以基于所述横向分量生成横向位置偏移并且基于所述纵向分量生成纵向位置偏移。
3.根据权利要求2所述的航空电子系统，其中所述一个或多个数据处理器还被配置为执行所述指令，以进一步基于用于所述预测模型的计算的时间间隔生成所述横向位置偏移和所述纵向位置偏移。
4.根据权利要求3所述的航空电子系统，其中所述一个或多个数据处理器还被配置为执行所述指令，以偏移所述多个独立于风的位置中的每一个，以在所述预测模型中使用的每个时间间隔生成所述多个风修正的位置中对应的风修正的位置。
5.根据权利要求4所述的航空电子系统，其中所述一个或多个数据处理器还被配置为执行所述指令，以在每个时间间隔基于所述多个风修正的位置中的当前风修正的位置来生成所述多个独立于风的位置的下一个连续位置。
6.根据权利要求5所述的航空电子系统，其中所述一个或多个数据处理器还被配置为执行所述指令，以根据以下方程生成所述横向位置偏移：
WindLat＝dt*WindKnots*Math.Cos(WindHeading*.0174533)/(3600*60)；
其中Dt是所述时间间隔，WindKnots是以节为单位的所述移动气团的速度，并且WindHeading是以度为单位的所述移动气团的方向。
7.根据权利要求5所述的航空电子系统，其中所述一个或多个数据处理器还被配置为执行所述指令，以根据以下方程生成所述纵向位置偏移：
WindLong＝dt*WindKnots*Math.Sin(WindHeading*.0174533)/(3600*60*Mat h.Cos(CurrentLatitude*.0174533))
其中Dt是时间间隔，WindKnots是以节为单位的移动气团的速度，并且WindHeading是以度为单位的移动气团的方向。
8.根据权利要求5所述的航空电子系统，其中所述一个或多个数据处理器还被配置为执行所述指令，以通过将所述横向位置偏移和所述纵向位置偏移加到所述多个独立于风的位置中的每一个来生成所述多个独立于风的位置。
9.一种航空器，包括：
传感器系统，其被配置为测量移动气团的大小和方向；和
航空电子系统，其包括用于存储指令的存储设备和一个或多个数据处理器，所述一个或多个数据处理器被配置为执行所述指令，以：
基于所述传感器系统的输出测量所述移动气团的所述大小和方向；
生成相对于所述航空器的测得的移动气团的横向分量和纵向分量；
基于预测模型生成沿着潜在航空器轨迹的所述航空器的多个独立于风的位置；和
基于所述多个独立于风的位置、所述横向分量和所述纵向分量生成所述航空器的多个风修正的位置。
10.根据权利要求9所述的航空器，其中所述一个或多个数据处理器还被配置为执行所述指令，以基于所述横向分量生成横向位置偏移并且基于所述纵向分量生成纵向位置偏移。
11.根据权利要求10所述的航空器，其中所述一个或多个数据处理器还被配置为执行所述指令，以基于用于所述预测模型的计算的时间间隔生成所述横向位置偏移和所述纵向位置偏移。
12.根据权利要求11所述的航空器，其中所述一个或多个数据处理器还被配置为执行所述指令，以偏移所述多个独立于风的位置中的每一个，以在所述预测模型中使用的每个时间间隔生成所述多个风修正的位置中对应的风修正的位置。
13.根据权利要求12所述的航空器，其中所述一个或多个数据处理器还被配置为执行所述指令，以在每个时间间隔基于所述多个风修正的位置中的当前风修正的位置来生成所述多个独立于风的位置的下一个连续位置。
14.根据权利要求13所述的航空器，其中所述一个或多个数据处理器还被配置为执行所述指令，以根据以下方程生成所述横向位置偏移：
WindLat＝dt*WindKnots*Math.Cos(WindHeading*.0174533)/(3600*60)；
其中Dt是所述时间间隔，WindKnots是以节为单位的所述移动气团的速度，并且WindHeading是以度为单位的所述移动气团的方向。
15.根据权利要求12所述的航空器，其中所述一个或多个数据处理器还被配置为执行所述指令，以根据以下方程生成所述纵向位置偏移：
WindLong＝dt*WindKnots*Math.Sin(WindHeading*.0174533)/(3600*60*Mat h.Cos(CurrentLatitude*.0174533))
其中Dt是时间间隔，WindKnots是以节为单位的移动气团的速度，并且WindHeading是以度为单位的移动气团的方向。
16.根据权利要求12所述的航空器，其中，所述一个或多个数据处理器还被配置为执行所述指令，以将所述横向位置偏移和所述纵向位置偏移加到所述多个独立于风的位置中的每一个。
17.一种具有指令的非暂时性计算机可读存储介质，所述指令被执行时使一个或多个数据处理器执行以下操作：
生成相对于航空器的测得的移动气团的横向分量和纵向分量；
基于预测模型，生成沿着潜在航空器轨迹的所述航空器的多个独立于风的位置；和
基于所述多个独立于风的位置、所述横向分量和所述纵向分量，生成所述航空器的多个风修正的位置。
18.根据权利要求17所述的存储介质，其中所述存储介质还具有指令，该指令被执行时使所述一个或多个数据处理器基于所述横向分量生成横向位置偏移，基于所述纵向分量生成纵向位置偏移。
19.根据权利要求17所述的存储介质，其中所述存储介质还具有指令，该指令被执行时使所述一个或多个数据处理器偏移所述多个独立于风的位置中的每一个，以在所述预测模型中使用的每个时间间隔生成所述多个风修正的位置中对应的风修正的位置。
20.根据权利要求17所述的存储介质，其中所述存储介质还具有指令，该指令被执行时使所述一个或多个数据处理器将所述横向位置偏移和所述纵向位置偏移加到所述多个独立于风的位置中的每一个。
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