CN112208747B - 通过主动阵风感测增强起飞/着陆稳定性 - Google Patents

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Abstract

本发明题为“通过主动阵风感测增强起飞/着陆稳定性”，其描述了用于使竖直和/或短跑道起降飞行器(2，10)能够在具有阵风条件的地点持续平稳地起和着陆的系统和方法。该系统包括：围绕起飞/着陆点(72)的周界部署的测风站(84)的网络，用于在时空上表征进入覆盖该地点的空域体积(74)的风波动(例如阵风)；数据处理装置(132)，其用于从测风结果推导出关于波动的信息；通信装置(130)，其用于向飞行器发送扰动信息；以及在飞行器上机载的飞行控制系统(122)，其被配置成使用扰动信息以补偿波动的方式控制飞行器。测风单元可以包括激光多普勒风速计、声音检测和测距系统或者能够同时在空间和时间上解析测风结果的其他设备。

Description

通过主动阵风感测增强起飞/着陆稳定性
技术领域
本发明总体上涉及用于主动控制在飞行中遇到大气扰动的飞行器的系统和方法。特别地，本发明涉及用于通过提供阵风缓解来增强飞行器的垂直或短跑道起飞/着陆稳定性的系统和方法。
背景技术
如本文所用，术语“垂直起降(VTOL)飞行器”是指能够垂直地起飞或着陆的飞行器，包括可以垂直地盘旋以及起飞和着陆的固定翼飞行器，以及旋翼飞行器和斜旋翼飞行器。如本文所用，术语“短跑道起降(STOL)飞行器”是能够在短跑道上起飞或着陆的飞行器。一些V/STOL飞行器能够垂直地或在短跑道上起飞和着陆。
飞行器通常配备有空气数据惯性参考系统(ADIRS)，该系统向飞行员的电子飞行仪表系统显示器以及飞行器上的其他系统(例如飞行控制系统)提供空气数据(空速、迎角和高度)和惯性参考(位置和姿态)信息。ADIRS包括远程安装的空气数据模块(例如，气压传感器)，这些空气数据模块将来自皮托管或静态端口的气动(气压)信息转换为数字数据，该数字数据被处理以向飞行员提供飞行器空速的指示。当飞行器静止时，该空速与风速大小相等且方向相反。
由于阵风的速度和方向可以快速变化，因此在人工控制的负荷缓解过程中，阵风的动态特性带来了困难。各种飞行器都包含主动控制系统，以减轻阵风的影响(在下文中称为“阵风负荷缓解(gust load alleviation)”)。阵风负荷缓解装置感测大气扰动并相应地调节飞行器的响应。例如，一种阵风负荷缓解功能使飞行器倾斜着进入阵风，以最小化法向(normal)加速度和负荷。另一种阵风负荷缓解系统包含机载静态空气数据传感器，用于检测横向和垂直湍流的发生，并操纵诸如副翼、扰流板和升降舵等操纵面来抵消湍流。
在VTOL和STOL飞行器的情况下，在起飞和着陆期间的当前阵风负荷缓解是以下操作的组合：(a)将着陆点的位置限制在不易产生阵风的区域；以及(b)在少数可以忍受弹跳的地方进行飞行器操作。本文公开的创新技术所解决的问题是如何在容易出现阵风条件的着陆点(例如，在城市环境中的建筑物的风尾流(wind wake)中的停机坪)上持续地执行平稳的垂直或短跑道起飞和着陆。
发明内容
下文详细公开的主题涉及在具有阵风条件的地点处使飞行器能够持续平稳地起飞和着陆的系统和方法。该系统包括：围绕起飞/着陆点的周界部署的测风站的网络，用于在时空上表征进入覆盖该地点的空域体积的风波动(例如阵风)；数据处理装置，其用于从测风结果推导出关于波动的信息(以下称为“扰动信息”)；通信装置，其用于向飞行器发送扰动信息；以及在飞行器上机载的飞行控制系统，其被配置成使用扰动信息以补偿起飞或着陆期间的波动的方式控制飞行器。测风单元可以包括激光多普勒风速计、声音检测和测距(SoDAR)系统或者能够在从测风单元起的距离范围内同时在空间和时间上解析测风结果的其他设备。
根据一个实施例，测风单元围绕起飞/着陆点的周界部署。中央处理单元将来自测风单元的数据进行组合，以创建在起飞/着陆点上方的空域圆柱体中的风扰动图。测量数据被汇总并提取为扰动信息，然后该信息被发送给飞行器。无线数据链路有助于将扰动信息从地面传输到飞行器。在飞行器上，扰动信息被提供给飞行控制系统。飞行器上机载的飞行控制器被配置成当阵风移动通过起飞/着陆点时利用扰动信息来补偿阵风。更具体地，飞行控制器预测阵风的到来，并调整其控制输出以至少部分补偿(如果不能消除)阵风到达时将由阵风在飞行器上施加的空气动力。
本文提出的阵风缓解技术使飞行器能够：(a)在关键的起飞和着陆阶段中，在阵风条件下更准确地保持位置和姿态；并且(b)通过减少起飞和着陆过程中颠簸的飞行部分来为乘客提供更舒适的乘坐体验。
尽管下面将详细描述用于使飞行器在具有阵风条件的地点处使飞行器能够持续平稳地起飞和着陆的系统和方法的各种实施例，但是这些实施例中的一个或多个可以由以下一个或多个方面来表征。
下面详细描述的主题的一个方面是一种用于增强飞行器的起飞和着陆稳定性的方法，该方法包括：(a)使用多个测风单元测量覆盖起飞/着陆区的空域体积内的阵风，其中飞行器在覆盖起飞/着陆区的空域体积中垂直机动，起飞/着陆区具有限定空域体积的周界的多个测风单元；(b)使用测风计算机系统将阵风测量结果转换为扰动信息，从而识别预计将遇到飞行器的局部扰动；(c)从测风计算机系统向飞行器的飞行控制器发送扰动信息；(d)生成用于以至少部分抵消局部扰动在空域体积内对飞行器的影响的方式控制飞行器的命令；以及(e)根据在步骤(d)中生成的命令控制飞行器。
下文详细描述的主题的另一方面是一种用于增强飞行器在覆盖起飞/着陆区的空域体积中的起飞和着陆稳定性的系统，该系统包括：沿起飞/着陆区的周界间隔开的多个测风单元，用于测量空域体积内的阵风；测风计算机系统，其被配置为将阵风测量结果转换为扰动信息，以识别预计在空域体积内将遇到飞行器的局部扰动；以及飞行器上机载的飞行控制器，该飞行控制器通信地耦合到测风计算机系统并被配置为基于扰动信息生成命令，用于以至少部分抵消局部扰动对飞行器的影响的方式控制飞行器，然后根据命令控制飞行器。
下面详细描述的主题的另一方面是一种用于增强飞行器的起飞和着陆稳定性的方法，该方法包括：(a)使用多个测风单元测量在空域体积中形成的阵风，其中飞行器沿着覆盖跑道入口附近的区域的空域体积中的路径进行机动，该空域体积具有限定空域体积的周界的多个测风单元；(b)使用在地面上的或在飞行器上机载的测风计算机系统将阵风测量结果转换为识别预计沿该路径将遇到飞行器的局部扰动的扰动信息；(c)将扰动信息从测风计算机系统发送到飞行器上的飞行控制器；(d)生成用于以至少部分抵消局部扰动沿该路径对飞行器的影响的方式控制飞行器的命令；以及(e)根据在步骤(d)中生成的命令，在预计的到达时间控制飞行器。
下文详细公开的主题的又一方面是一种用于增强飞行器在覆盖跑道入口附近的区域的空域体积中的起飞和着陆稳定性的系统，该系统包括：多个测风单元，其沿着跑道入口附近的区域的周界间隔开，以用于测量空域体积中的阵风；测风计算机系统，其被配置为将阵风测量结果转换为扰动信息，该扰动信息识别预计在空域体积内将遇到飞行器的局部扰动；在飞行器上机载的飞行控制器，该飞行控制器通信地耦合到测风计算机系统并被配置为基于扰动信息生成命令，用于以至少部分抵消局部扰动对飞行器的影响的方式控制飞行器，然后根据该命令控制飞行器。
下面公开了用于在具有阵风条件的地点处使飞行器能够持续平稳地起飞和着陆的系统和方法的其他方面。
附图说明
在前面的部分中讨论的特征、功能和优点可以在各种实施例中独立地实现，或者可以在另一些实施例中进行组合。为了说明上述和其他方面，下文将参考附图描述各种实施例。本节中简要描述的图都没有按比例绘制。
图1是识别能够垂直起飞和着陆的直升机的部件的示意图。
图2是表示根据一个实施例的沿着位于建筑物顶部上的停机坪的周界部署的测风单元的网络的三维视图的示意图。
图3是表示能够进行垂直和短跑道起飞和着陆的飞行器的三维视图的示意图。
图4是表示根据另一实施例的沿着位于地面上的跑道进场区的周界部署的测风单元的网络的三维视图的示意图。
图5是识别典型飞行器上机载的系统的部件的框图。
图6是示出本文提出的这种类型的陆基阵风缓解系统与飞行器上机载的系统之间的信号通信和相互作用的流程图。
在下文中将参考附图，其中不同附图中的相似元件具有相同的附图标记。
具体实施方式
下面更详细地描述了用于使飞行器在具有阵风条件的地点处能够持续平稳地起飞和着陆的系统和方法的说明性实施例。然而，在本说明书中没有描述实际实施方式的所有特征。本领域技术人员将理解，在任何这样的实际实施例的开发中，必须做出许多针对特定实施方式的决定来实现开发者的特定目标，例如遵守与系统有关的约束和与业务有关的约束，这些约束将因实施方式不同而不同。而且，应当理解，这样的开发工作可能是复杂和耗时的，但是对于受益于本发明的本领域普通技术人员来说，这将是一项例行的工作。
本文提出的阵风负荷缓解方法已经应用于许多不同类型的飞行器。为了说明的目的，将简要描述将从本文中公开的阵风负荷缓解技术中受益的飞行器类型的两个示例。
图1是识别能够垂直起飞和着陆的VTOL飞行器2的部件的示意图。在该示例中，VTOL飞行器2是一种混合动力(柴油机/电动)旋翼飞行器。VTOL飞行器2具有支撑飞行器的组成部分的机架(airframe)4。VTOL飞行器2包括可旋转地耦接到机架4的主旋翼6。更具体地说，主旋翼6包括可旋转地耦接到机架4的主旋翼轴36和安装到主旋翼轴36的多个主旋翼叶片(图2中未示出)。尾旋翼8也可旋转地耦接到机架4的尾端。尾旋翼8包括多个尾旋翼叶片和尾旋翼轴(图1中未示出)。
VTOL飞行器2还包括安装到机架12上的主旋翼电动马达38。主旋翼电动马达38可操作地耦接到主旋翼轴36。主旋翼电动马达38驱动主旋翼6的旋转。VTOL飞行器2还包括主旋翼倾斜致动器68，该主旋翼倾斜致动器68被机械地耦接以在高速飞行期间选择性地使主旋翼电动马达38和主旋翼轴36向前倾斜，以改善机架12和主旋翼6的空气动力效率。VTOL飞行器2还包括安装在机架4内部的尾旋翼电动马达46。尾旋翼电动马达46可操作地连接到尾旋翼8。运行尾旋翼电动马达46将使VTOL飞行器2的尾旋翼8旋转。VTOL飞行器2还包括安装到机架4上的发电机50。发电机50通过电网54向主旋翼电动马达38和尾旋翼电动马达46提供电力。
图1所示的VTOL飞行器2还包括安装到机架4上的内燃发动机64(例如涡轮增压柴油发动机)。内燃发动机64可操作地耦接到发电机50。内燃发动机64驱动发电机50的转子的旋转，该发电机50将内燃发动机64提供的机械能转换为电能。
另外，多个电池66(例如，高能量密度锂离子电池)被安装到VTOL飞行器2的机架4上。使用由发电机50提供的电力对电池66进行充电。在柴油机发生故障的情况下，电池66也电连接以向主旋翼电动马达38和尾旋翼电动马达46提供备用电力。
由发电机50输出的电力分别由多个电流逆变器56、58和60进行换向、调节和控制。电流逆变器56将由发电机50生成的交流电转换成直流电，该直流电被用于对电池66进行充电。电流逆变器58将来自电池66的直流电转换成交流电，该交流电被用于向主旋翼电动马达38供电。电流逆变器60将来自电池66的直流电转换成交流电，该交流电被用于向尾旋翼电动马达46供电。
VTOL飞行器2还包括飞行控制系统(图2中未示出)，该飞行控制系统将发电机50和与内燃发动机64的功率设置有关的控制定律(以下称为“混合控制器逻辑”)集成在一起，该控制定律基于系统需求和运行参数及环境参数的当前测量值(例如，环境温度、海拔高度、电力需求、柴油机温度和阈值)。该设计使内燃发动机64在任何飞行器速度下都以最大发动机效率运转。混合控制器逻辑基于起飞重量、飞行条件、性能设置等自动改变内燃发动机64和主旋翼马达38的性能参数。
根据本文中提出的阵风缓解系统的一个实施例，VTOL飞行器(例如图1中描绘的VTOL飞行器2)的飞行控制系统被配置为能够在具有阵风条件的地点处实现持续平稳的起飞和着陆。阵风缓解系统还包括围绕起飞/着陆点的周界部署的测风站的网络，用于在时空上表征进入覆盖该地点的空域体积的风波动(例如阵风)。对风测量结果进行处理，以得出扰动信息并将其传送到VTOL飞行器。
图2是根据一个实施例的沿起飞/着陆点72(例如，停机坪)上方的空域圆柱体的周界部署的测风单元84的网络的三维视图的示意图。在该示例中，起飞/着陆点72是建筑物70顶部上的停机坪，但是本文提出的阵风缓解技术同样适用于地面上的停机坪。在起飞/着陆点72是圆形的情况下(如图2所示)，测风单元84沿着该圆形的周边以一定角度间隔定位，并且定向成沿着从测风单元84向上突出的相应垂直线测量风速和风向，由此建立传感器覆盖区74(在图2中由虚线指示)，该传感器覆盖区74包围高度等于测风单元84的垂直范围的空域圆柱体。可选地，测风单元84可以被安装在相应的桅杆上，使得测风单元84被提升到起飞/着陆点72的表面上方。总体而言，测风单元84获取数据，该数据被处理以确定在比测风单元的高程(elevation)更高的高程处进入或离开传感器覆盖区74的任何风的速度和方向。特别值得注意的是，在垂直起飞或着陆过程中，阵风会对VTOL飞行器施加空气动力。
在图2所示的示例情况下，VTOL飞行器的路径3由分别表示巡航段5、下降段7和着陆段9的箭头链表示。VTOL飞行器(图2中未示出)沿着巡航段5向着起飞/着陆点72的中心点正上方的位置巡航。在距起飞/着陆点的指定距离处，VTOL飞行器开始沿着巡航段7向着起飞/着陆点72正上方的盘旋点下降。在着陆阶段，VTOL飞行器沿着着陆段9向着传感器覆盖区74垂直下降。在VTOL飞行器进入传感器覆盖区74之前，测风单元84获取数据，该数据由中央处理单元(图2中未示出)进行处理以确定与传感器覆盖区74相交的风的速度和方向。随着VTOL飞行器朝着起飞/着陆点72继续向下，与传感器覆盖区74相交的任何风都可能在VTOL飞行器是产生空气动力。中央处理单元汇总来自测风单元84的数据，以创建在传感器覆盖区74内的空域圆柱体中的风扰动的图表。无线数据链路有助于将扰动信息从地面传输到VTOL飞行器。然后，当VTOL飞行器着陆时，VTOL飞行器上机载的飞行控制器使用扰动信息来预测和补偿阵风。
测风单元84可以包括激光多普勒风速计、声音检测和测距(SoDAR)系统或者能够同时在空间和时间上解析一定高度范围内的测量结果的其他设备。激光多普勒风速计是用于测量流体流动中的速度和湍流分布的设备。在激光多普勒测速仪中，激光多普勒风速计使用来自激光器的光束，该光束被分为两束，其中一束从风速计中传播出去。与空气分子一起在光束出口附近流动的粒子将光反射或反向散射回到检测器中，在该检测器中相对于原始激光束对反射或反向散射的光进行测量。当粒子剧烈运动时，它们会产生用于测量激光中的风速的多普勒频移，该多普勒频移被用于计算粒子的速度并因此计算风速计周围的空气的速度。SoDAR是一种基于声学的遥感技术，其在风能行业中广泛用于通过测量大气湍流对声波的散射来提供详细的风廓线信息。SoDAR系统用于测量地面以上不同高度处的风速。商用的SoDAR系统包括发射和接收声音信号的天线。风速的水平分量是从径向测量的多普勒频移和相对于垂直方向的规定倾斜角计算出的。SoDAR系统的垂直范围可能长达2km。
图3是表示能够进行垂直和短跑道起飞和着陆的V/STOL飞行器10的三维视图的示意图。V/STOL飞行器10具有机架12，该机架12包括机身(fuselage)14和从机身横向延伸至翼尖18的至少两个机翼16。机身14沿着纵轴52在前端20和后端22之间延伸。机身14和机翼16具有相应的顶表面24和相应的底表面26。V/STOL飞行器10包括转向部件，诸如副翼28、襟翼30、一个或多个升降舵32以及垂直稳定器或直尾翼34。V/STOL飞行器10还包括三个可反向旋转的涵道风扇装置(ducted fan set)，其包括两个机翼涵道风扇装置40和一个机头涵道风扇装置42。机头涵道风扇装置42在飞行器机头48中靠近机架12的前端20布置。V/STOL飞行器10还包括安装在机架12上的两个螺旋桨44。
尽管在图3中不可见，但是V/STOL飞行器10具有安装在机架12的后端22内部的动力装置(power plant)。可反向旋转的涵道风扇装置40、42由该动力装置提供动力，以便在涵道风扇装置40、42运行期间向飞行器10提供向上的升力。螺旋桨44由该动力装置提供动力，以便在螺旋桨44运行期间使V/STOL飞行器10沿大致向前方向移动。动力装置可以是用于产生扭矩的任何常规类型的电动马达或发动机，例如内燃发动机、燃气涡轮发动机、电动马达、氢燃料发动机或混合动力马达。如美国专利第7,267,300号中所公开，动力装置通过主扭矩轴(在机身12内部，图3中不可见)可操作地连接至传动齿轮箱。主扭矩轴将动力装置中生成的扭矩传递到传动齿轮箱。传动齿轮箱分别通过机翼扭矩轴和机头扭矩轴(在图3中不可见)将从主扭矩轴接收的扭矩传递到机翼涵道风扇装置40和机头涵道风扇装置42。螺旋桨44由通过螺旋桨轴62从机翼涵道风扇装置40接收的扭矩提供动力。
图4是表示根据另一实施例的测风单元84的网络的三维视图的示意图，这些测风单元沿着覆盖邻近跑道78的进场区的空域体积的周界部署。在图4所示的示例性配置中，测风单元84沿着靠近跑道78的入口定位的矩形进场区76的侧边以一定间隔排布。测风单元84被定向为沿着从测风单元84向上突出的相应垂直线测量风速和风向，从而建立传感器覆盖区74(图4中的虚线表示)，该传感器覆盖区包围具有高度等于测风单元84的垂直范围的盒形空域体积。总体而言，测风单元84获取数据，该数据被处理以确定进入或离开传感器覆盖区74的任何风的速度和方向。特别值得注意的是，在接近跑道78时，阵风将在V/STOL飞行器上施加空气动力。
在图4所示的示例情况中，V/STOL飞行器的路径13由分别表示巡航段13、下降段15、进场段17和着陆段19的箭头链表示。V/STOL飞行器(图4中未显示)向某个位置巡航，然后开始下降，同时尝试与跑道78的中心线对齐。在指定高度处和距跑道78的入口的指定距离处，V/STOL飞行器通过以一定角度滑行并减速而开始进场。在沿着滑行路径的某一点上，V/STOL飞行器进入传感器覆盖区74。在V/STOL飞行器进入传感器覆盖区74之前，测风单元84获取数据，该数据由中央处理单元(图4中未示出)处理，以确定与传感器覆盖区74相交的风的速度和方向。当V/STOL飞行器继续接近跑道入口时，与传感器覆盖区74相交的任何风都可能在V/STOL飞行器上产生空气动力。中央处理单元汇总来自测风单元84的数据以创建传感器覆盖区域74内的风扰动的图表。在进场过程中，无线数据链路有助于将扰动信息从地面传送到V/STOL飞行器。然后，V/STOL飞行器上机载的飞行控制器在进场过程中利用该扰动信息来预测和补偿阵风。由飞行控制器执行的阵风缓解算法使V/STOL飞行器能够安全着陆在跑道78上。
根据替代实施例，传感器覆盖区74可以扩大以包括下降段15或着陆段19，以便测量在下降或着陆期间可能影响飞行器的稳定性的阵风。此外，传感器覆盖区74的扩大可以使测风计算机系统能够识别刚好在进场区外的阵风或压力变化，以预测飞行器在进场区内可能受到的由下降区和/或着陆区的阵风/压力变化引起的影响。
图5是识别V/STOL飞行器的示例飞行控制系统100的部件的框图。飞行控制系统100可以被配置为控制飞行器的各种部件和功能。如图所示，飞行控制系统100包括与至少一个存储设备124、飞行控制器122、无线收发器118和导航系统134通信地耦合的一个或多个飞行器处理器120。飞行器处理器120可以被配置为至少部分基于存储到存储设备124(例如硬盘驱动器、闪存等)的指令(例如软件)和一个或多个数据库来执行一个或多个操作。飞行控制器122可以具有图6所示的配置，包括位置控制系统88，该位置控制系统88被配置为在接收到起飞或着陆期间接收到的即将来临的扰动信息时自动执行本文所述的阵风缓解操作。
飞行控制系统100可以进一步包括其他期望的服务，例如与天线126耦合的无线收发器118，用以在飞行控制系统100和安装在地面或建筑物上的非机载测风系统之间传送数据。在图5所示的示例场景中，非机载测风系统包括计算机系统132以及天线128和收发器130，其被连接以使计算机系统132能够与飞行器处理器120通信。
飞行器处理器120可以可操作地耦合到飞行控制器122，以控制各种致动器116(例如，用于控制操纵面102的移动和锁定操纵面102的那些致动器)和推进系统的各种机械动力装置106的操作。图5所示的机械动力装置106包括复数n个电动马达108和发动机112。每个电动马达108在各自的电子速度控制器110的控制下进行操作，该电子速度控制器110从飞行控制器122接收命令。可以通过调节经由相关电子速度控制器110从电源(例如电池包或电池组)向每个电动马达提供的功率来控制电动马达108。(电子速度控制器是控制和调节电动马达的速度的电子电路。它还可以提供马达的反转和动态制动。)发动机112在发动机控制器114的控制下响应于来自飞行控制器122的命令而工作。飞行器还包括推进器(图5中未示出)，其将机械动力装置106输出的机械功率转换为推进力。
在某些方面，飞行器处理器120和飞行控制器122可以集成到单个计算机或处理器中。在操作中，飞行控制器122可以动态地(即实时地或接近实时地)和独立地在飞行的各个阶段期间经由电子速度控制器110或发动机控制器114(视情况而定)调节推力，以控制飞行器的侧倾、俯仰或偏航。当使用具有转子叶片的转子(例如，螺旋桨)时，飞行控制器122可以改变转子的每分钟转数，并且在需要时改变转子叶片的螺距(pitch)。
飞行器处理器120可以可操作地耦合到导航系统134，导航系统134可以包括与惯性导航系统134b和/或惯性测量单元134c通信地耦合的全球定位系统134a(以下称为“GPS134a”)，惯性导航系统134b和/或惯性测量单元134c可以包括一个或多个陀螺仪和加速度计。GPS 134a给出了绝对无漂移位置值，其可以用于重置导航解决方案，或者可以通过使用诸如卡尔曼滤波器的数学算法与导航解决方案混合。导航系统134可以尤其将惯性稳定数据传送给飞行器处理器120。
图6是示出本文提出的类型的陆基测风系统80与V/STOL飞行器上机载的系统82(以下称为“飞行器系统82”)之间的信号通信和交互的流程图。测风系统80包括复数N个测风单元84a-84n(其中n是字母表中的第N个字母)，这些测风单元沿着传感器覆盖区的周界并在一定高度范围内测量风速和风向。测风系统80还包括被配置用于处理测风数据的计算机系统。具体地，该计算机系统被配置为通过执行风方差估计和预测算法86来估计风的当前方差并预测风的未来方差作为高度的函数。测风系统80的计算机系统包括一个或多个通信耦合的计算机或处理器，其被配置为从测风单元84a-84n接收数据并计算在一定高度范围内进入传感器覆盖区74的任何风的当前平均速度和方向。平均值既是空间的平均也是时间的平均。陆基计算机系统将来自测风单元的测量结果进行组合，并将其简化为扰动信息(信息可以包括位置、大小、形状、速度等)。扰动信息经由无线数据链路98被发送到飞行器上机载的飞行控制器122。例如，可以使用地面上的收发器和天线以及飞行器上机载的收发器和天线来启用无线数据链路98。
仍然参考图6，飞行控制器122包括位置控制系统88，该位置控制系统88包括被配置用于控制推力、高度等的一个或多个处理器或计算机。飞行控制器122还包括从位置控制系统88接收命令的姿态控制系统90。姿态控制系统90包括一个或多个处理器或计算机，该处理器或计算机被配置用于通过将命令92输出至各种操纵面(例如，升降舵、方向舵和副翼)来控制飞行器的取向(俯仰、侧倾和偏航)。位置控制系统88被配置用于至少部分地基于经由通信96从地面控制站(图6中未示出)接收到的控制参数和存储在包含于飞行控制器122中的非临时有形计算机可读存储装置中的其他控制参数94来控制飞行器的位置和速度。
地面控制站可以是远程飞行员，其能够向飞行控制器122发送信号以便控制飞行器上机载的飞行参数，并接收包含与飞行器状态、传感器读数等有关的信息的其他控制参数94。例如，在通信96中反馈到地面控制站的其他控制参数可以包括飞行器状态信息，例如高度、燃油油位、速度等。此外，地面控制站可以能够向位置控制系统88发送信号以控制飞行器的飞行路径。
根据一个实施例，位置控制系统88包括一个或多个处理器或计算机，这些处理器或计算机被配置用于预测经由数据链路98从测风系统80接收到的扰动信息中指定的高度处的扰动的即将到来的影响，然后产生命令，这些命令被设计为以至少将部分补偿(抵消)这些扰动的影响的方式控制飞行器。更具体地，位置控制系统88的处理器或计算机被配置为：(a)计算预测扰动将在飞行器上施加压力之处的飞行器的预期位置和取向以及施加压力之时的预期时间；(b)确定预测压力对飞行器的预期影响；(c)确定需要对发动机和操纵面的状态进行哪些改变，以便至少部分抵消预测压力在施加到飞行器上时的任何不利影响；以及(d)生成用于实现在操作(c)中确定的发动机和操纵面的状态的改变的命令。可以基于飞行器的当前位置、当前速度和预期轨迹来计算在阵风压力的预期到达时间时的飞行器的预期位置。
压力转换是基于速度、空气密度等的已知计算/方程。风从高压区吹向低压区。在下面的讨论中，提出了涉及自动阵风缓解的示例情景，风速应根据相对速度来理解。吹向飞行器的风(例如逆风)在此被视为负风速(正压力)——将飞行器视为参考点(0，0，0)，则相对于飞行器的运动，逆风具有负风速。类似地，就压力而言，正压力是指朝向飞行器的机体的压力——正压力是由沿风向推动飞行器的力产生的，而负压力是由沿风向拉动飞行器的吸力产生的。当风与飞行器相互作用时，正压力和负压力(即吸力)同时发生。如本文所用，术语“负压力”是指小于环境压力的压力，并且术语“正压力”是指大于环境压力的压力。
测风单元84a-84n全都测量风的性质(方向、速度)。风速和风向数据被转换为包括压力数据的扰动信息。扰动信息(包括压力数据在内)被发送到位置控制系统88，该位置控制系统包括一个或多个处理器，这些处理器被配置为能够实现本文中提出的机载实时阵风缓解功能。现在将描述在V/STOL飞行器的起飞或着陆期间可以采用的阵风缓解操作的各种示例。
在第一示例中，假设目标是保持盘旋飞行器的位置和姿态。进一步假设测风系统80检测到具有正压力的空间上较大(相对于飞行器尺寸)的阵风。这种阵风的冲击可能导致飞行器在阵风的前缘处上俯仰，接着是垂直推力过大，然后在阵风的后缘处下俯仰。在这种情况下，阵风缓解功能被配置为发出控制命令，其产生负俯仰校正，然后均匀地减小推力，然后是正俯仰校正。例如，首先，在阵风的前缘到达之前将俯仰操纵面从第一位置移动到第二位置，然后在前缘到达之后和阵风的后缘到达之前将俯仰操纵面从第二位置移回到第一位置。
在第二示例中，假设目标是保持盘旋飞行器的位置和姿态。进一步假设测风系统80检测到具有负压力的空间上较大(与飞行器尺寸相比)的阵风。这种阵风的冲击可能导致飞行器在阵风的前缘处下俯仰，接着是垂直推力不足，然后在阵风的后缘处上俯仰。在这种情况下，阵风缓解功能被配置为发出控制命令，其产生正俯仰校正，然后均匀地增加推力，然后是负俯仰校正。
在第三示例中，假设目标是保持远离地面或障碍物盘旋的飞行器的姿态。进一步假设测风系统80检测到具有正压力的空间上较大(相对于飞行器尺寸)的阵风。这种阵风的冲击可能导致飞行器在阵风的前缘处上俯仰，接着是垂直推力过大，然后在阵风的后缘处下俯仰。在这种情况下，阵风缓解功能被配置为发出控制命令，其产生负俯仰校正，然后不做任何事情(因为飞行器很好地盘旋在地面或障碍物上方)，然后是正俯仰校正。
在第四示例中，假设目标是保持盘旋飞行器的位置和姿态。进一步假设测风系统80检测到具有正压力的空间上较小(与飞行器尺寸相比)的阵风，其偏离中心至飞行器的左舷。这种阵风的冲击可能会导致飞行器在阵风的前缘处通过轻微上俯仰进行正侧倾，然后在阵风的后缘处通过轻微下俯仰进行负侧倾。在这种情况下，阵风缓解功能被配置为发出控制命令，其产生负侧倾和负俯仰校正，然后是负侧倾和正俯仰校正。
在第五示例中，假设目标是保持盘旋飞行器的位置和姿态。进一步假设测风系统80在横向尺度上(意味着在轴向尺度上较大)检测到具有正压力的空间上较小(与飞行器尺寸相比)的阵风，其偏离中心至飞行器的左舷。这种阵风的冲击可能会导致飞行器在阵风的前缘处通过轻微上俯仰进行正侧倾，然后在阵风的后缘处通过轻微下俯仰进行负侧倾。在这种情况下，阵风缓解功能被配置为发出控制命令，其产生负侧倾和负俯仰校正，然后是负侧倾校正，然后是负侧倾和正俯仰校正。
尽管已经参考各种实施例描述了用于使V/STOL飞行器在具有阵风条件的地点处能够持续平稳地起飞和着陆的系统和方法，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本文的教导范围的情况下，可以进行各种改变并且可以进行等同替换。另外，在不脱离本发明范围的情况下，可以进行许多修改以使本文的教导适应特定情况。因此，权利要求不限于本文公开的特定实施例。
本文描述的方法可以被编码为体现在非暂时性有形计算机可读存储介质中的可执行指令，该介质包括但不限于存储设备和/或内存设备。当由处理或计算系统执行时，这样的指令使系统设备执行本文描述的方法的至少一部分。上文更详细描述的实施例可以包括计算机可执行指令，例如由可编程计算机执行的例程。可以采用其他计算机系统配置，例如被专门编程、配置或构造为执行下面描述的一个或多个计算机可执行指令的专用计算机或数据处理器。因此，本文中通常使用的术语“计算机”是指可以在驾驶舱中使用的任何数据处理器，包括用于驾驶舱显示系统的计算机、飞行管理计算机、飞行控制计算机、电子飞行包、笔记本电脑或其他手持设备。
所提出的方法权利要求不应被解释为要求以字母顺序执行其中所叙述的步骤(权利要求中的任何字母顺序仅用于引用先前叙述的步骤)或按照被叙述的顺序执行，除非权利要求语言明确指定或陈述指示执行这些步骤中的一些或全部步骤的特定顺序的条件。也不应将方法权利要求解释为排除同时或交替执行的两个或多个步骤的任何部分，除非权利要求语言明确规定了排除这种解释的条件。

Claims (20)

1.一种用于增强飞行器(2、10)的起飞和着陆稳定性的方法，该方法包括：
(a)使用多个测风单元(84)测量覆盖起飞/着陆区的空域体积内的阵风，所述多个测风单元沿着所述起飞/着陆区的周界间隔开，并且定向成沿着从所述测风单元向上突出的相应垂直线测量风速和风向，其中所述飞行器在覆盖所述起飞/着陆区的所述空域体积(74)中垂直机动；
(b)使用测风计算机系统(132)将由所述测风单元获取的阵风测量结果转换为扰动信息，从而识别预计将遇到所述飞行器的局部扰动；
(c)从所述测风计算机系统向所述飞行器的飞行控制器(122)发送所述扰动信息；
(d)生成用于以至少部分抵消所述局部扰动在所述空域体积内对所述飞行器的影响的方式控制所述飞行器的命令；以及
(e)根据在步骤(d)中生成的所述命令控制所述飞行器；
其中步骤(b)包括处理所述阵风测量结果以确定在比所述测风单元的高程更高的高程处进入或离开所述空域体积的任何风的速度和方向，计算在预测扰动将对所述飞行器施加压力的位置和预期时间所述飞行器的预期位置和取向，确定预测压力对所述飞行器的预期影响，并且确定需要对发动机和操纵面的状态进行哪些改变，以便至少部分抵消所述预测压力在施加到所述飞行器上时的任何不利影响；
并且其中步骤(d)包括生成用于实现在步骤(b)中确定的所述发动机和操纵面的状态的改变的命令。
2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(e)包括根据在所述飞行控制器中生成的所述命令调整操纵面(102)。
3.根据权利要求1所述的方法，其中基于所述飞行器周围的压力波动来识别所述局部扰动。
4.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(e)包括在阵风的前缘到达之前将所述操纵面(102)从第一位置移动到第二位置，然后在所述前缘到达之后和所述阵风的后缘到达之前，将所述操纵面从所述第二位置移回到所述第一位置。
5.根据权利要求4所述的方法，其中测量阵风包括沿着从所述测风单元向上突出的各个垂直线测量风速和风向。
6.一种用于增强飞行器(2、10)在覆盖起飞/着陆区(72)的空域体积(74)中的起飞和着陆稳定性的系统，该系统包括：
沿所述起飞/着陆区的周界间隔开的多个测风单元(84)，所述多个测风单元定向成沿着从所述测风单元向上突出的相应垂直线测量风速和风向，用于测量所述空域体积内的阵风；
测风计算机系统(132)，其被配置为将由所述测风单元获取的阵风测量结果转换为扰动信息，以识别预计在所述空域体积内将遇到所述飞行器的局部扰动；以及
所述飞行器上机载的飞行控制器(122)，所述飞行控制器通信地耦合到所述测风计算机系统并被配置为基于所述扰动信息生成命令，用于以至少部分抵消所述局部扰动对所述飞行器的影响的方式控制所述飞行器，然后根据所述命令控制所述飞行器；
其中将阵风测量结果转换为扰动信息包括：处理所述阵风测量结果以确定在比所述测风单元的高程更高的高程处进入或离开所述空域体积的任何风的速度和方向，计算在预测扰动将对所述飞行器施加压力的位置和预期时间所述飞行器的预期位置和取向，确定预测压力对所述飞行器的预期影响，并且确定需要对发动机和操纵面的状态进行哪些改变，以便至少部分抵消所述预测压力在施加到所述飞行器上时的任何不利影响；
并且其中生成命令实现发动机和操纵面的状态的改变。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述测风计算机系统在地面上。
8.根据权利要求6所述的系统，其中所述测风计算机系统在所述飞行器上。
9.根据权利要求6所述的系统，其中所述测风单元是激光多普勒风速计。
10.根据权利要求6所述的系统，其中所述测风单元是声音检测和测距系统。
11.一种用于增强飞行器(2、10)的起飞和着陆稳定性的方法，该方法包括：
(a)使用多个测风单元(84)测量在覆盖跑道入口附近的区域的空域体积(74)中形成的阵风，所述多个测风单元沿着所述跑道入口附近的区域的周界间隔开，并且定向成沿着从所述测风单元向上突出的相应垂直线测量风速和风向，其中所述飞行器沿着所述空域体积中的路径进行机动；
(b)使用在地面上的或在所述飞行器上机载的测风计算机系统(132)将由所述测风单元获取的阵风测量结果转换为识别预计沿所述路径将遇到所述飞行器的局部扰动的扰动信息；
(c)将所述扰动信息从所述测风计算机系统发送到所述飞行器上机载的飞行控制器(122)；
(d)生成用于以至少部分抵消所述局部扰动沿所述路径对所述飞行器的影响的方式控制所述飞行器的命令；以及
(e)根据在步骤(d)中生成的所述命令，在预计的到达时间控制所述飞行器；
其中步骤(b)包括处理所述阵风测量结果以确定在比所述测风单元的高程更高的高程处进入或离开所述空域体积的任何风的速度和方向，计算在预测扰动将对所述飞行器施加压力的位置和预期时间所述飞行器的预期位置和取向，确定预测压力对所述飞行器的预期影响，并且确定需要对发动机和操纵面的状态进行哪些改变，以便至少部分抵消所述预测压力在施加到所述飞行器上时的任何不利影响；
并且其中步骤(d)包括生成用于实现在步骤(b)中确定的所述发动机和操纵面的状态的改变的命令。
12.根据权利要求11所述的方法，其中步骤(f)包括根据在所述飞行控制器中生成的所述命令调整操纵面(102)。
13.根据权利要求11所述的方法，其中通过压力波动的预计的到达时间来识别所述局部扰动。
14.根据权利要求11所述的方法，其中步骤(f)包括在阵风的前缘到达之前将操纵面(102)从第一位置移动到第二位置，然后在所述前缘到达之后和所述阵风的后缘到达之前，将所述操纵面从所述第二位置移回到所述第一位置。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述测风单元沿着所述跑道入口附近的所述区域的周界间隔开。
16.根据权利要求15所述的方法，其中测量阵风包括沿着从所述测风单元向上的各个垂直区域测量风速和风向。
17.一种用于增强飞行器(2、10)在覆盖跑道入口(78)附近的区域(76)的空域体积(74)中的起飞和着陆稳定性的系统，该系统包括：
多个测风单元(84)，其沿着所述跑道入口附近的所述区域的周界间隔开，并且定向成沿着从所述测风单元向上突出的相应垂直线测量风速和风向；
测风计算机系统(132)，其被配置为将由所述测风单元获取的阵风测量结果转换为扰动信息，所述扰动信息识别预计在所述空域体积内将遇到所述飞行器的局部扰动；以及
在所述飞行器上机载的飞行控制器(122)，所述飞行控制器通信地耦合到所述测风计算机系统并被配置为基于所述扰动信息生成命令，用于以至少部分抵消所述局部扰动对所述飞行器的影响的方式控制所述飞行器，然后根据所述命令控制所述飞行器；
其中将阵风测量结果转换为扰动信息包括：处理所述阵风测量结果以确定在比所述测风单元的高程更高的高程处进入或离开所述空域体积的任何风的速度和方向，计算在预测扰动将对所述飞行器施加压力的位置和预期时间所述飞行器的预期位置和取向，确定预测压力对所述飞行器的预期影响，并且确定需要对发动机和操纵面的状态进行哪些改变，以便至少部分抵消所述预测压力在施加到所述飞行器上时的任何不利影响；
并且其中生成命令实现发动机和操纵面的状态的改变。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述测风单元是激光多普勒风速计。
19.根据权利要求17所述的系统，其中所述测风单元是声音检测和测距系统。
20.根据权利要求17所述的系统，其中基于由所述测风单元测量的所述飞行器周围的压力波动来识别所述局部扰动。
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