CN112037583B - 一种航空器高度层变更程序优化引导方法 - Google Patents
一种航空器高度层变更程序优化引导方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种航空器高度层变更程序(IN‑TRAIL PROCEDURE,ITP)优化引导方法,步骤是:机组选择航空器变更目标高度层和参考目标飞机,并向管制员提出高度层变更申请,在获得批准后准备执行高度层变更程序;构建航空器变更高度层所需的气象模型、质点模型和性能模型;以时间最短为目标,规划航空器高度层变更引导程序;以油耗最少为目标,规划航空器高度层变更引导程序;将两种变更方式的高度引导剖面输出至机组ITP设备,机组根据变更目的选择变更方式,加载至飞行管理系统自动执行。此种方法考虑了机组请求高度层变更的原因,解决了当前ITP概念无法反映机组变更高度层需求的缺陷,提升了航空器运行的智能化和经济性。
Description
技术领域
本发明属于民用航空器航空电子领域,涉及机载监视、座舱显示等领域,特别涉及一种航空器高度层变更程序优化引导方法。
背景技术
高度层变更程序(IN-TRAIL PROCEDURE,ITP)是ADS-B IN监视技术下的新应用,作用于洋区和偏远地区巡航阶段。当机组有穿越高度层需求时,其通过接收处理周边空域飞机的ADS-B信号,在一定准则要求下,选择一架或两架飞机作为参考机,向管制员提出自身飞机的高度层变更请求,进而完成高度层变更程序。ITP操作可以协助机组在确保飞行安全间隔的前提下,实现有效减少燃油消耗,提高飞行安全和飞行效率的目标。
航空器在洋区运行过程中,机组可能出于缩短飞行时间、减少燃油消耗、避开冲突或危险天气等原因进行高度层变更,然而当前ITP概念并未在高度层变更程序的实施中考虑机组变更高度层的需求,导致变更结果可能与机组需求不符,降低了航空器运行的智能化和经济性。
发明内容
本发明的目的,在于提供航空器高度层变更程序优化引导方法,其通过结合机组请求高度层变更的原因,依据航空器性能及环境状况,对航空器的高度层变更程序提供优化引导,解决了当前ITP概念无法反映机组变更高度层需求的缺陷,提升了航空器运行的智能化和经济性。
为了达成上述目的,本发明的解决方案是:
一种航空器高度层变更程序优化引导方法,包括如下步骤:
步骤一,机组选择航空器变更目标高度层和参考目标飞机,并向管制员提出高度层变更申请,在获得批准后准备执行高度层变更程序;
步骤二,构建航空器变更高度层所需的气象模型、质点模型和性能模型;
步骤三,以时间最短为目标,规划航空器高度层变更引导程序;
步骤四,以油耗最少为目标,规划航空器高度层变更引导程序;
步骤五,将步骤三和步骤四计算结果以高度引导剖面形式输出至机组的ITP设备,机组根据变更目的选择变更方式,加载至飞行管理系统自动执行。
上述步骤一中,航空器在洋区运行过程中,机组出于缩短飞行时间、减少燃油消耗、避开冲突或危险天气等原因,需要进行高度层变更,在确定目标飞行高度层后,机组使用ITP设备识别目标高度层和参考目标飞机,并向管制员发送请求进行ITP运行申请,在获得管制员ITP许可后,开始实施ITP。
上述步骤二中,气象模型的构建方法是:
1a,根据温度偏差和气压高度,确定大气温度T:
T=T0+ΔT+βT·Hp
其中,T0=288.15K,表示国际标准大气条件下在平均海平面处的温度;ΔT表示温度偏差;Hp表示气压高度;βT=-0.0065K/m,表示温度垂直递减率;
1b,根据大气温度T,确定大气压力p:
其中,p0=101325Pa,表示国际标准大气条件下的空气压力;g=9.80665m/s2,表示重力加速度;R=287.05287m2/(K·s2),表示空气常数;
1c,根据温度T与压力p,确定大气密度ρ:
1d,根据气象预报中的风向风速,结合大气温度、大气压力和大气密度,建立航空器运行的气象模型。
上述步骤二中,质点模型包括:航空器的位置换算模型、航空器真空速的变化方式、航空器航向角的变化方式和航空器质量变化方程;
2a,建立航空器的位置换算模型:
2b,确定航空器真空速的变化方式:
其中,Thr,D分别表示航空器的推力与受到的阻力,m为航空器质量;
2c,确定航空器航向角的变化方式:
2d,确定航空器质量变化方程:
其中,fFuel表示燃油流量。
上述步骤二中,性能模型包括:发动机最大起飞推力和航空器阻力;
2e,计算航空器发动机的推力,其最大起飞推力Thrmax climb如下式:
Thrmax climb=CTc,1·(1-h/CTc,2+CTc,3·h2)·(1-CTc,5·ΔT)
其中,CTc,1、CTc,2、CTc,3和CTc,5均为推力系数。实际推力Thr则根据飞行阶段由最大起飞推力修正得到;
2f,根据下式计算航空器阻力D:
其中,CD为阻力系数,S为机翼参考面积;
上述步骤三中,航空器变更高度层所需的时间最短变更引导计算方法是:
3a,确定航空器高度层变更所需最短变更时间为:
其中,T′为航空器完成高度层变更的总时间;Δhi为第i个计算步长内航空器高度变更值;ROCDi为第i个计算步长的航空器升降率;n为完成高度层变更程序所需的计算步长数;t′i为航空器完成一个步长的高度层变更的时间,
3b,航空器高度变更值应满足:
其中ΔH为航空器完成高度层变更程序的高度变化值;
3c,计算第i个计算步长的航空器爬升率:
其中,Ti为第i个计算步长航空器所处高度标准大气温度,ΔT为与标准大气的温度偏差修正值;Thri为第i个计算步长的航空器推力;Di为第i个计算步长的航空器阻力;mi为航空器质量;为航空器真空速;d/dh为高度微分;
3d,航空器变更高度层过程中,对升降率做出约束:
ROCDi≥300(ft/min)
3e,由于航空器进行高度层变更过程中,与参考目标飞机需要满足ITP距离和速度要求,因此对航空器的速度变化做出约束:
上述步骤四中,航空器变更高度层所需的油耗最少变更引导计算方法是:
4a,航空器执行高度层变更操作时,将航空器以最小升降率结束高度层变更所需的距离作为评估区间,由于高度层变更时地速默认为恒定值,因此相同水平距离所需的时间亦相等;将燃油消耗阶段分解为变更高度层阶段Fchange和变更后平飞阶段Flevel,则航空器变更高度层所需的最小燃油消耗计算方式是:
其中,t1为航空器开始进行高度层变更的时刻,t2为航空器结束高度层变更的时刻,t3为航空器以最小爬升率结束高度层变更的时刻。
4b,计算航空器燃油消耗率:
平飞阶段燃油消耗率:flevel=η×Thr×Cfcr
变更阶段燃油消耗率:fchange=η×Thr
其中,Cfcr为飞机性能数据库(Base of Aircraft Data,BADA)中定义的巡航燃油修正系数;
4c,计算航空器燃油消耗系数:
其中,Cf1、Cf2均为BADA中定义的燃油修正系数;
上述步骤五中,根据步骤三和步骤四得到时间最少变更引导下的高度引导剖面PROtime和油耗最少变更引导下的高度引导剖面PROfuel,将两种高度引导剖面输出至机组的ITP设备,机组根据变更需求选择高度层变更方式,加载至飞行管理系统自动执行。
采用上述方案后,本发明提出了一种航空器高度层变更程序优化引导方法,通过结合机组请求高度层变更的原因,依据航空器性能及环境状况,对航空器的高度层变更程序提供优化引导,具体而言,本发明具有如下有益效果:
(1)本发明考虑了机组请求高度层变更的原因,填补了当前ITP概念无法反映机组高度层变更需求的缺陷,提高了航空器运行的智能化和经济性。
(2)本发明可视性强,通过将两种变更方式的高度引导剖面输出至机组的ITP设备,增强了机组在高度层变更过程中的态势感知能力与危险预警能力。
(3)本发明考虑了航空器性能、气象等因素,计算结果更加可靠准确。
附图说明
图1是本发明的流程图;
图2是油耗最少变更引导计算示意图;
图3是ITP设备高度引导剖面示意图;
具体实施方式
以下将结合附图,对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。
如图1所示,本发明提供一种航空器高度层变更程序优化引导方法,包括以下步骤:
步骤一,机组选择航空器变更目标高度层和参考目标飞机,并向管制员提出高度层变更申请,在获得批准后准备执行高度层变更程序;
步骤二,构建航空器变更高度层所需的气象模型、质点模型和性能模型;
上述步骤二中,气象模型的构建方法是:
1a,根据温度偏差和气压高度,确定大气温度T:
T=T0+ΔT+βT·Hp
其中,T0=288.15K,表示国际标准大气条件下在平均海平面处的温度;ΔT表示温度偏差;Hp表示气压高度;βT=-0.0065K/m,表示温度垂直递减率;
1b,根据大气温度T,确定大气压力p:
其中,p0=101325Pa,表示国际标准大气条件下的空气压力;g=9.80665m/s2,表示重力加速度;R=287.05287m2/(K·s2),表示空气常数;
1c,根据温度T与压力p,确定大气密度ρ:
1d,根据气象预报中的风向风速,结合大气温度、大气压力和大气密度,建立航空器运行的气象模型。
上述步骤二中,质点模型的构建方法是:
2a,建立航空器的位置换算模型:
其中,x,y表示航空器的水平位置,h表示航空器的垂直位置,VTAS表示航空器真空速,γ为飞行路径角,ψ为航向角,W1和W2分别表示飞行时受到风的正东分量和正北分量;
2b,确定航空器真空速的变化方式:
其中,Thr,D分别表示航空器的推力与受到的阻力,m为航空器质量;
2c,确定航空器航向角的变化方式:
2d,确定航空器质量变化方程:
其中,fFuel表示燃油流量。
上述步骤二中,性能模型的构建方法是:
2e,计算航空器发动机的推力,其最大起飞推力Thrmax climb如下式:
Thrmax climb=CTc,1·(1-hCTc,2+CTc,3·h2)·(1-CTc,5·ΔT)
其中,CTc,1、CTc,2、CTc,3和CTc,5均为推力系数。实际推力Thri则根据飞行阶段由最大起飞推力修正得到;
2f,根据下式计算航空器阻力D:
其中,CD为阻力系数,S为机翼参考面积;
步骤三,以时间最短为目标,规划航空器高度层变更引导程序:
3a,确定航空器高度层变更所需最短变更时间为:
其中,T′为航空器完成高度层变更的总时间;Δhi为第i个计算步长内航空器高度变更值;ROCDi为第i个计算步长的航空器升降率;n为完成高度层变更程序所需的计算步长数;
3b,航空器高度变更值应满足:
其中ΔH为航空器完成高度层变更程序的高度变化值;
3c,计算第i个计算步长的航空器爬升率:
其中,Ti为第i个计算步长航空器所处高度标准大气温度,ΔT为与标准大气的温度偏差修正值;Thri为第i个计算步长的航空器推力;Di为第i个计算步长的航空器阻力;mi为航空器质量;为航空器真空速;d/dh为高度微分;
3d,航空器变更高度层过程中,对升降率做出约束:
ROCDi≥300(ft/min)
3e,由于航空器进行高度层变更过程中,与参考目标飞机需要满足ITP距离和速度要求,因此对航空器的速度变化做出约束:
步骤四,以油耗最少为目标,规划航空器高度层变更引导程序;
步骤五,将步骤三和步骤四计算结果以高度引导剖面形式输出至机组的ITP设备,机组根据变更目的选择变更方式,加载至飞行管理系统自动执行。
图2为油耗最少变更引导计算示意图,具体步骤如下:
4a,航空器执行高度层变更操作时,将航空器以最小升降率结束高度层变更所需的距离作为评估区间,即图2中A至B2的水平距离;由于高度层变更时地速默认为恒定值,因此相同水平距离所需的时间亦相等;将燃油消耗分解为变更高度层阶段Fchange和变更后平飞阶段Flevel,则航空器变更高度层所需的最小燃油消耗计算方式是:
其中,t1为航空器开始进行高度层变更的时刻,t2为航空器结束高度层变更的时刻,t3为航空器以最小爬升率结束高度层变更的时刻。
相较于最小升降率所耗燃油Fchange',最小燃油消耗引导方式的燃油节省量是:
ΔF=Fchange′-minF
4b,计算航空器燃油消耗率:
平飞阶段燃油消耗率:flevel=η×Thr×Cfcr
变更阶段燃油消耗率:fchange=η×Thr
其中,Cfcr为BADA中定义的巡航燃油修正系数;
4c,计算航空器燃油消耗系数:
其中,Cf1、Cf2均为BADA中定义的燃油修正系数;
图3为ITP设备高度引导剖面示意图,操作过程如下:
5a,根据步骤三和步骤四得到时间最少变更引导下的高度引导剖面PROtime和油耗最少变更引导下的高度引导剖面PROfuel,将两种高度引导剖面输出至机组的ITP设备,显示为白色虚线,虚线一侧显示该高度引导剖面所代表的变更方式。
5b,机组根据请求高度层变更的目的选择变更方式,通过点击“TIME”或“OIL”按钮进行选择。
5c,飞行管理系统根据机组选择的高度层变更方式,开始执行ITP运行。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想,不能以此限定本发明的保护范围,凡是按照本发明提出的技术思想,在技术方案基础上所做的任何改动,均落入本发明保护范围之内。
Claims (6)
1.一种航空器高度层变更程序优化引导方法,其特征在于,
步骤一,机组选择航空器变更目标高度层和参考目标飞机,并向管制员提出高度层变更申请,在获得批准后准备执行高度层变更程序;
步骤二,构建航空器变更高度层所需的气象模型、质点模型和性能模型;
步骤三,以时间最短为目标,规划航空器高度层变更引导程序;具体步骤如下:
3a,确定航空器高度层变更所需最短变更时间为:
其中,T′为航空器完成高度层变更的总时间;Δhi为第i个计算步长内航空器高度变更值;ROCDi为第i个计算步长的航空器升降率;n为完成高度层变更程序所需的计算步长数;t′i为航空器完成一个步长的高度层变更的时间,
3b,航空器高度变更值应满足:
其中ΔH为航空器完成高度层变更程序的高度变化值;
3c,计算第i个计算步长的航空器爬升率:
其中,Ti为第i个计算步长航空器所处高度标准大气温度,ΔT为与标准大气的温度偏差修正值;Thri为第i个计算步长的航空器推力;Di为第i个计算步长的航空器阻力;mi为航空器质量;为航空器真空速;d/dh为高度微分;
3d,航空器变更高度层过程中,对升降率做出约束:
ROCDi≥300(ft/min)
3e,由于航空器进行高度层变更过程中,与参考目标飞机需要满足ITP距离和速度要求,因此对航空器的速度变化做出约束:
步骤四,以油耗最少为目标,规划航空器高度层变更引导程序;具体步骤如下:
4a,将燃油消耗分解为变更高度层阶段Fchange和变更后平飞阶段Flevel,则航空器变更高度层所需的最小燃油消耗计算方式是:
其中,t1为航空器开始进行高度层变更的时刻,t2为航空器结束高度层变更的时刻,t3为航空器以最小爬升率结束高度层变更的时刻;
4b,计算航空器燃油消耗率:
平飞阶段燃油消耗率:flevel=η×Thr×Cfcr
变更阶段燃油消耗率:fchange=η×Thr
其中,Cfcr为BADA中定义的巡航燃油修正系数;
4c,计算航空器燃油消耗系数:
其中,Cf1、Cf2均为BADA中定义的燃油修正系数;
步骤五,将步骤三和步骤四计算结果以高度引导剖面形式输出至机组的ITP设备,机组根据变更目的选择变更方式,加载至飞行管理系统自动执行。
2.根据权利要求1所述的一种航空器高度层变更程序优化引导方法,其特征在于,所述步骤一中,航空器在洋区运行过程中在确定目标飞行高度层后,机组使用ITP设备识别目标高度层和参考目标飞机,并向管制员发送请求进行ITP运行申请,在获得管制员ITP许可后,开始实施ITP。
3.根据权利要求1所述的一种航空器高度层变更程序优化引导方法,其特征在于,所述步骤二的实现方法是:根据温度偏差和气压高度,确定大气温度T;根据大气温度T,确定大气压力p:然后根据大气温度T与大气压力p,确定大气密度ρ;最后依据气象预报中的风向风速,结合大气温度、大气压力和大气密度,建立航空器运行的气象模型。
4.根据权利要求3所述的一种航空器高度层变更程序优化引导方法,其特征在于,所述步骤二中,质点模型包括:航空器的位置换算模型、航空器真空速的变化方式、航空器航向角的变化方式和航空器质量变化方程;
2a,建立航空器的位置换算模型:
其中,x,y表示航空器的水平位置,h表示航空器的垂直位置,VTAS表示航空器真空速,γ为飞行路径角,ψ为航向角,W1和W2分别表示飞行时受到风的正东分量和正北分量;
2b,确定航空器真空速的变化方式:
其中,Thr,D分别表示航空器的推力与受到的阻力,m为航空器质量;
2c,确定航空器航向角的变化方式:
2d,确定航空器质量变化方程:
其中,fFuel表示燃油流量。
6.根据权利要求1所述的一种航空器高度层变更程序优化引导方法,其特征在于,所述步骤五的实现方法是:根据步骤三和步骤四得到时间最少变更引导下的高度引导剖面PROtime和油耗最少变更引导下的高度引导剖面PROfuel,将两种高度引导剖面输出至机组的ITP设备,机组根据变更需求选择高度层变更方式,加载至飞行管理系统自动执行。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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