CN112883541B - 一种基于空间几何关系的fls偏差计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于空间几何关系的FLS偏差计算方法，通过将FAF点、锚点进行投影确定用以描述FLS虚拟波束的所在平面，根据地理坐标系与地心空间直角坐标系地转换关系计算产生用于描述FLS虚拟波束的坐标系的三个互相垂直的单位矢量；根据飞机和FLS虚拟波束在坐标系中的位置关系，计算飞机相对于FLS波束的偏差，包括水平距离偏差、水平角度偏差、垂直距离偏差和垂直角度偏差。本发明为FLS高级进近引导技术研究提供了关键技术的求解思路，为FLS高级进近过程中高精度引导指令的求解提供了基础，使得飞机在执行FLS高级进近时对偏差信息的感知更加敏感，飞行更加安全。

Description

一种基于空间几何关系的FLS偏差计算方法

技术领域

本发明涉及一种基于空间几何关系的FLS偏差计算方法，属于民航技术领域。

背景技术

飞行安全，是大飞机人坚守的底线，是航空运输发展的首要前提，但安全事故尤其是进近着陆阶段的安全事故却时有发生。据波音公司统计，在过去的几十年内，飞机在下降着陆过程中的致命事故发生率高达50％；尽管起飞和降落仅13分钟，但却是飞行员精力高度集中，操纵飞机最为紧张繁忙的阶段，世界上超过一半的空难发生在黑色十三分钟之内，国内更高达65％。有效降低进场着陆段事故发生率是我国航空事业发展亟需解决的问题，而开展高级进近引导技术研究是解决此问题的关键手段。当前国内机场运行中主要采用传统的仪表进近(IA,Instrument Approach)，仪表进近着陆是根据导航设备提供的信息，按飞行仪表的指示操作飞机，并对障碍物保持规定的最小超障余度所进行的一系列预定的机动飞行。根据最后阶段所使用的导航设备及其精度，仪表进近可分为精密进近和非精密进近，利用航向道和下滑道信息进行进近着陆时称为精密进近，仅利用航向道信息进行进近着陆时叫非精密进近。非精密进近缺乏直接用于判断垂直航迹的仪表指示，自动驾驶工作方式的自动化程度低，飞行员工作负荷大，容易造成不稳定进近；精密进近对机场环境、导航设备要求很高，且需要高投入成本，因而难以推广到所有机场，因而，如何在机场现有导航设备的情况下实现高精度的进近引导成为航空领域的一大难题。

为了完善飞行管理功能、提高进近引导精度、提升进近引导的可操作性和安全性、降低进近运营成本和事故发生率，空客提出了将除RNP AP(授权的所需导航性能，RequiredNavigation Performance Authorization Required)以外的所有非精密进近统一到几乎与ILS(仪表着陆系统，Instrument Landing System)相同的FLS(飞行管理着陆系统，FMSLanding System)技术，FLS与ILS、GLS(地面辅助增强系统着陆系统，GBAS LandingSystem)和SLS(卫星辅助增强系统着陆系统，SBAS Landing System)统称为xLS。对于飞行员而言，虽然不同进近类型的航图信息复杂且无法改变，但在进近准备和操作技术上，所有xLS进近是统一的，减少了飞行员工作负荷，降低了运行风险。

国外，空客A380机型、A350机型的飞行管理系统中已配备了FLS引导功能；波音737-900机型、B747-B机型和B787机型也配备了与FLS功能类似的综合进近导航IAN功能；国内，C919大飞机上配备了由美国通用电气公司(GE)提供的xLS功能；FLS高级进近引导技术成为发展国产大飞机必须突破的核心技术，而FLS是为了提升对航迹偏差的感知能力提出的，其一大难点就是飞机相对于FLS虚拟波束的偏差计算。本发明就是在此背景下提出的，根据导航数据库和飞行管理系统提供的信息，进行FLS偏差计算。

发明内容

为解决FLS高级进近引导技术的波束偏差计算问题，本发明提出一种基于空间几何关系的FLS偏差计算方法，实现对飞机相对于FLS虚拟波束的偏差信息的计算，为高精度引导指令的计算提供前提，保证飞行安全。

具体地，本发明提出的一种基于空间几何关系的FLS偏差计算方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：载入数据信息，包括FAF点、LTP点、FPAP点、跑道方位χ、跑道入口处的航道宽度CourseWidth、下降航径角度GPA、FLS虚拟波束信息(包括锚点经纬高信息、波束航向和波束梯度)，和飞机实时位置GRP，其中FAF点、LTP点、FPAP点、跑道方位χ、跑道入口处的航道宽度CourseWidth和下降航径角度GPA信息由导航数据库直接提供，FLS虚拟波束信息由飞行管理系统计算给出，飞机实时位置信息是由机载导航传感器提供的。

FAF点：最终进近定位点，FinalApproach Fix；

LTP点：着陆入口点，Landing ThresholdPoint；

FPAP点：飞行航径对正点，FlightPathAlignmentPoint；

GPA：下降航径角度，Glide PathAngle；

步骤2：记FAF点经纬高坐标为(λ₁,L₁,H₁)，LTP点的经纬高坐标为(λ₂,L₂,H₂)，FPAP点的经纬高坐标为(λ₃,L₃,H₃)，FLS虚拟波束信息中锚点经纬高坐标为(λ₄,L₄,H₄)，波束航向为χ_f，波束梯度为K_slope，飞机实时位置GRP点经纬高坐标为(λ₀,L₀,H₀)，且高度单位为米，角度单位为弧度；

步骤3：定义用来描述FLS虚拟波束的坐标系，具体为：

步骤3.1：记FAF点在LTP高度平面上的投影点位P1，锚点在地面的投影点为P2，则P1点的经纬高坐标为(λ₁,L₁,H₂)，P2点的经纬高坐标为(λ₂,L₂,H₂),以FAF点、锚点和P1点为基准确定水平偏差基准面；

步骤3.2：FLS虚拟波束可定义为在水平偏差基准面内，过FAF点和锚点的直线，定义FLS虚拟波束与LTP高度平面的交点为截获地面点GPIP，描述FLS虚拟波束坐标系实质上就是确定三个互相垂直的单位矢量u_rw、u_vert和u_lat，我们在此定义单位矢量u_vert为过锚点投影点P2且与WGS-84椭球面正交的单位矢量，u_rw为沿航迹的单位矢量，u_lat为垂直航迹的单位矢量。

步骤3.3：已知地理坐标系中一点P(λ,L,h)，则点P在地心空间直角坐标系ECEF中的坐标为：

其中R_N为卯酉圈曲率半径计算公式为：

R_N＝R_e(1+esin² L)

R_e为WGS-84地球坐标系长半轴，取值为6378137m，e为WGS-84地球坐标系的扁率，取值为1/298.257。

从地心指向点P的矢量可表示为：

步骤3.4：计算单位矢量u_vert，计算公式为：

步骤3.5：记从P2指向FPAP点的航迹的单位矢量定义

计算公式为：

步骤3.6：计算水平方向单位矢量u_lat，计算公式为：

步骤3.7：计算沿航迹方向单位矢量u_rw，计算公式为：

u_rw＝u_lat×u_vert

步骤4：计算虚拟FPAP点的经纬高(λ₅,L₅,H₅)，即相对与锚点投影点P2而言的一个虚拟点，当锚点投影点与LTP点重合时，这个点与FPAP点重合，因而P2与FPAP点构成的航段与LTP点与FPAP点构成的航段方位一致，长度相同，具体计算方法为：

步骤4.1：计算LTP与FPAP构成的航段方位χ₁，计算公式为：

步骤4.2：计算LTP与FPAP构成的航段长度l₁，计算公式为：

l₁＝R arccos[sin(L₂)sin(L₃)+cos(L₂)cos(L₃)cos(λ₃-λ₂)]

其中R为WGS-84地球半径；

步骤4.3：计算虚拟FPAP点的纬度，计算公式为：

步骤4.4：计算虚拟FPAP点的经度，计算公式为：

步骤4.5：虚拟FPAP点的高度与FPAP点高度一致，即H₅＝H₃；

步骤5：计算飞机相对于FLS虚拟波束的水平偏差，具体为：

步骤5.1：记从地心指向飞机实时位置GRP点的矢量为

从地心指向虚拟FPAP点的矢量为

计算公式与步骤3.3中一致，即使用虚拟FPAP点经纬高替换步骤3.3中点P的经纬高。

步骤5.2：计算水平距离偏差d_lat，计算公式为：

步骤5.3：计算水平角度偏差α_lat，计算公式为：

步骤5.4：计算水平DDM，计算公式为：

步骤6：计算垂直偏差，具体为：

步骤6.1：计算截获地面点GPIP的经纬高坐标，定义GPIP点的经纬高坐标为(λ₆,L₆,H₆)，从步骤3.2中GPIP点的定义可以看出，GPIP点与LTP点等高，因而H₆＝H₂，经纬度计算方法具体为：

步骤6.1.1：计算FAF投影点P1与GPIP点的距离l₂，计算公式为：

步骤6.1.2：计算GPIP点的纬度，计算公式为：

步骤6.1.3：计算虚拟GPIP点的经度，计算公式为：

步骤6.2：计算垂直角度偏差，记从地心指向虚拟GPIP点的矢量为

则垂直角度偏差的计算公式为：

步骤6.3：计算垂直距离偏差，计算公式为：

步骤6.4：计算垂直DDM，计算公式为：

步骤7：步骤5中求解出的水平距离偏差d_lat、水平角度偏差α_lat和水平DDM即飞机相对于FLS虚拟波束的水平偏差，步骤6中求解出的垂直距离偏差d_v、垂直角度偏差α_v和垂直DDM即飞机相对于FLS虚拟波束的垂直偏差。

本发明的有益效果在于：本方法提出了一种基于空间几何关系的FLS偏差计算方法，考虑了与ILS的兼容性，解决了在FLS进近过程中飞机相对于FLS波束的偏差计算问题，给出了飞机相对于FLS波束的水平偏差(水平距离偏差、水平角度偏差和水平DDM)和垂直偏差(垂直距离偏差、垂直角度偏差和垂直DDM)，偏差计算方法准确，提升了飞机在执行FLS进近过程中对航迹偏差的感知能力，降低了飞行风险。

附图说明

此部分提供的附图用来对本发明进行进一步解释，构成本申请的一部分，本发明的示意图及其说明用来解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1 FLS虚拟波束描述坐标系示意图

图2 FLS虚拟波束水平偏差计算示意图

图3 FLS虚拟波束垂直偏差计算示意图

具体实施方式

下文将结合附图详细解释本发明，需要说明的是参考附图是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

问题描述：FAF点经纬高坐标(108.2,33.6,500)，LTP点经纬高坐标为(108.2870,33.5736,0)，FPAP点经纬高坐标为(108.3002,33.5696,0)，跑道方位为110度，跑道入口处的航道宽度为45.6米，下降航径角度为3度，FLS虚拟波束信息(锚点经纬高为(108.2870，33.5736，50)，波束航向为110度，波束梯度为3度。飞机此时位置为(108.1359，33.6218，1000)经纬高坐标的单位分别为度、度、米；

具体解决方法为：

步骤1：加载数据信息，包括FAF点、LTP点、FPAP点、跑道方位χ、跑道入口处的航道宽度CourseWidth、下降航径角度GPA、FLS虚拟波束信息(包括锚点经纬高信息、波束航向和波束梯度)，和飞机实时位置GRP；

步骤2：按公式

进行单位转化，使单位转化为弧度和米，转化完成后经纬高坐标的单位分别为弧度、弧度、米，跑道方位的单位为弧度，跑道入口飞越高TCH的单位为米，下降航径角度FPA的单位为弧度；

步骤3：确定用来描述FLS虚拟波束的坐标系；

步骤3.1：得到P1点坐标(1.88845,0.58643,0)，P2点坐标(1.88996,0.58597,0),单位为弧度、弧度、米；

步骤3.4：得到u_vert＝(-0.2620,0.7927,0.5504)；

步骤3.5：得到u_FPA＝(-0.9518,-0.1164,-0.2836)；

步骤3.6：得到u_lat＝(-0.1607,-0.5982,0.7850)；

步骤3.7：得到u_rw＝(-0.9516,-0.1172,-0.2841)；

步骤4：计算虚拟FPAP点经纬高；

步骤4.1：得到χ₁＝1.91956rad；

步骤4.2：得到l₁＝1304米；

步骤4.3：得到虚拟FPAP点纬度L₅＝0.5859rad；

步骤4.4：得到虚拟FPAP点经度λ₅＝1.8902rad；

步骤4.5：得到虚拟FPAP点高度H₅＝0米；

步骤5：计算飞机相对于FLS虚拟波束的水平偏差；

步骤5.1：得到

步骤5.2：得到水平距离偏差d_lat＝267.8195米；

步骤5.3：得到水平角度偏差α_lat＝0.0164rad；

步骤5.4：得到水平DDM为：0.0728；

步骤6：计算飞机相对于FLS虚拟波束的垂直偏差；

步骤6.1：得到GPIP点的高度H₆＝0米；

步骤6.1.1：得到P1与GPIP点的距离l₂＝9540.6米；

步骤6.1.2：得到GPIP点的纬度L₆＝0.58592rad；

步骤6.1.3：得到GPIP点经度λ₆＝1.89013rad；

步骤6.2：得到，

垂直角度偏差α_v＝0.008rad；

步骤6.3：得到垂直距离偏差d_v＝127.8457米；

步骤6.4：得到垂直DDM为：0.1070

步骤7：则可得到飞机相对于FLS虚拟波束的偏差：水平距离偏差d_lat＝267.8195米、水平角度偏差α_lat＝0.0164rad、水平DDM为0.0728、垂直距离偏差d_v＝127.8457米、垂直角度偏差α_v＝0.008rad、垂直DDM为0.1070。

Claims (1)

1.一种基于空间几何关系的FLS偏差计算方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：载入数据信息，包括FAF点、LTP点、FPAP点、跑道方位χ、跑道入口处的航道宽度CourseWidth、下降航径角度GPA、FLS虚拟波束信息，和飞机实时位置GRP，其中FAF点、LTP点、FPAP点、跑道方位χ、跑道入口处的航道宽度CourseWidth和下降航径角度GPA信息由导航数据库直接提供，FLS虚拟波束信息由飞行管理系统计算给出，飞机实时位置信息是由机载导航传感器提供的；

步骤2：记FAF点经纬高坐标为(λ₁,L₁,H₁)，LTP点的经纬高坐标为(λ₂,L₂,H₂)，FPAP点的经纬高坐标为(λ₃,L₃,H₃)，FLS虚拟波束信息中锚点经纬高坐标为(λ₄,L₄,H₄)，波束航向为χ_f，波束梯度为K_slope，飞机实时位置GRP点经纬高坐标为(λ₀,L₀,H₀)，且高度单位为米，角度单位为弧度；

步骤3：定义用来描述FLS虚拟波束的坐标系，具体为：

步骤3.1：记FAF点在LTP高度平面上的投影点位P1，锚点在地面的投影点为P2，则P1点的经纬高坐标为(λ₁,L₁,H₂)，P2点的经纬高坐标为(λ₂,L₂,H₂),以FAF点、锚点和P1点为基准确定水平偏差基准面；

步骤3.2：FLS虚拟波束可定义为在水平偏差基准面内，过FAF点和锚点的直线，定义FLS虚拟波束与LTP高度平面的交点为截获地面点GPIP，描述FLS虚拟波束坐标系实质上就是确定三个互相垂直的单位矢量u_rw、u_vert和u_lat，我们在此定义单位矢量u_vert为过锚点投影点P2且与WGS-84椭球面正交的单位矢量，u_rw为沿航迹的单位矢量，u_lat为垂直航迹的单位矢量；

步骤3.3：已知地理坐标系中一点P(λ,L,h)，则点P在地心空间直角坐标系ECEF中的坐标为：

其中R_N为卯酉圈曲率半径计算公式为：

R_N＝R_e(1+esin²L)

R_e为WGS-84地球坐标系长半轴，取值为6378137m，e为WGS-84地球坐标系的扁率，取值为1/298.257；

从地心指向点P的矢量可表示为：

步骤3.4：计算单位矢量u_vert，计算公式为：

步骤3.5：记从P2指向FPAP点的航迹的单位矢量定义

计算公式为：

步骤3.6：计算水平方向单位矢量u_lat，计算公式为：

步骤3.7：计算沿航迹方向单位矢量u_rw，计算公式为：

u_rw＝u_lat×u_vert

步骤4：计算虚拟FPAP点的经纬高(λ₅,L₅,H₅)，即相对于锚点投影点P2而言的一个虚拟点，当锚点投影点与LTP点重合时，这个点与FPAP点重合，因而P2与FPAP点构成的航段与LTP点与FPAP点构成的航段方位一致，长度相同，具体计算方法为：

步骤4.1：计算LTP与FPAP构成的航段方位χ₁，计算公式为：

步骤4.2：计算LTP与FPAP构成的航段长度l₁，计算公式为：

l₁＝R·arccos[sin(L₂)sin(L₃)+cos(L₂)cos(L₃)cos(λ₃-λ₂)]

其中R为WGS-84地球半径；

步骤4.3：计算虚拟FPAP点的纬度，计算公式为：

步骤4.4：计算虚拟FPAP点的经度，计算公式为：

步骤4.5：虚拟FPAP点的高度与FPAP点高度一致，即H₅＝H₃；

步骤5：计算飞机相对于FLS虚拟波束的水平偏差，具体为：

步骤5.1：记从地心指向飞机实时位置GRP点的矢量为

从地心指向虚拟FPAP点的矢量为

计算公式与步骤3.3中一致，即使用虚拟FPAP点经纬高替换步骤3.3中点P的经纬高；

步骤5.2：计算水平距离偏差d_lat，计算公式为：

步骤5.3：计算水平角度偏差α_lat，计算公式为：

步骤5.4：计算水平DDM，计算公式为：

步骤6：计算垂直偏差，具体为：

步骤6.1：计算截获地面点GPIP的经纬高坐标，定义GPIP点的经纬高坐标为(λ₆,L₆,H₆)，从步骤3.2中GPIP点的定义可以看出，GPIP点与LTP点等高，因而H₆＝H₂，经纬度计算方法具体为：

步骤6.1.1：计算FAF投影点P1与GPIP点的距离l₂，计算公式为：

步骤6.1.2：计算GPIP点的纬度，计算公式为：

步骤6.1.3：计算虚拟GPIP点的经度，计算公式为：

步骤6.2：计算垂直角度偏差，记从地心指向虚拟GPIP点的矢量为

则垂直角度偏差的计算公式为：

步骤6.3：计算垂直距离偏差，计算公式为：

步骤6.4：计算垂直DDM，计算公式为：

步骤7：步骤5中求解出的水平距离偏差d_lat、水平角度偏差α_lat和水平DDM即飞机相对于FLS虚拟波束的水平偏差，步骤6中求解出的垂直距离偏差d_v、垂直角度偏差α_v和垂直DDM即飞机相对于FLS虚拟波束的垂直偏差。

Images