CN1222970A - 以改变航向为目的的驾驶飞行器的方法及该方法在水平绕过一个区域上的应用 - Google Patents

Abstract

为了改变方向的目的驾驶飞行器,飞行器(1)跟随路径的第一直线部分(R1),以便通过路径的两部分(R1、R2)的交会点(A)与第一路径部分(R1)构成预定的角度(θ)的路径的第二直线部分(R2)会合,按照本发明的方法包括飞行器(1)计算与跟随通过所述交会点(A)的弯曲的改变方向航线(17),该航线的转弯中心(O)位于由路径的两部分(R1、R2)构成的角(θ)的内角分角航线(3)上。

Description

以改变航向为目的的驾驶飞行器的方法及 该方法在水平绕过一区域上的应用

本发明涉及沿航线驾驶飞行器的方法，该航线包括定义方向改变的路径的两个不成一直线的段，并强制要求飞越两段的公共点。

它具体但不局限于应用在沿路径驾驶航空器上，该路径通常由一组用航线的直线段连接的过渡点定义，这些过渡点或“航线点”表示方向的改变。

这些方向的改变通常必须以预定的转弯半径进行，例如，以保持滚动角不变的方式作为航空器的速度的函数变化的转弯半径。为了遵照预定的转弯半径，因此必须在过渡点之前开始转弯，在这一情况中航空器将位于计划的转弯内侧；或者在飞越过渡点的时刻上转弯，在这一情况中，航空器在飞越过渡点之后将位于计划的转弯外侧，而随后必须沿旨在与初始计划的路径会合的航线飞行。

在第二种情况中，如图4中所示，在其改变方向Δψ期间，在飞越过渡点的时刻上，航空器明显偏离计划的路径R1、R2，并且甚至离开它相对大的距离d，这一方面导致相对大的延长航线而另一方面对于管制与航空控制又是不希望的(依照可变水平宽度边界)。

本发明的目的为消除这些缺点。为了这一目的，提出了以改变方向为目的的驾驶飞行器的方法，该飞行器沿路径的第一直线部分航行以便与通过两部分的交点与该路径的第一部分构成预定的角度的第二直线部分会合。

按照本发明，这一方法的特征在于：包括计算与跟随通过所述交会点的弯曲的改变方向的航线，其转弯中心位于这两部分路径所构成的内角分角线上。

与图4所示的先有技术航线相比，这一改变方向航线提供许多优点。因为它有可能节省若干秒(对于90转弯高达35秒或4.5海里)。它从路径的直线部分所定义的计划路径偏离较少(小于传统的过渡航线产生的偏离的30％)，对于管制与航空控制这是可观的好处。它在连接在一起的转弯中(如果路径段较短时，它们是拐来拐去的)还带有较少转折点的危险。

此外，如将这一改变方向航线与传统的由位于转弯内侧与路径的两部分相切的曲线组成的航线相比，可看到按照本发明的航线比传统航线偏离路径部分较少。

有利地，按照本发明的方法包括计算与跟随分别在路径第一部分与改变方向航线之间及后者与路径的第二部分之间的两部分弯曲的连接航线，这两部分连接航线具有与改变方向航线相同的转弯半径，并且是分别与后者及这两部分路径相切的。

本发明还涉及将改变方向方法应用在多边形区域的各角上而避开静止的多边形区域。

这是因为在某些情况中，已经证明有必要绕过禁止进入的区域。尤其是在禁止飞越诸如军事区域国家的空域区时会出现这些情况。

这一避开方法的目的在于尽可能少地减少要航行的距离来确定要跟随的新路径。为此目的，该方法包括下述步骤：-通过用一系列线段逼近该区域的轮廓及消除凹入点与过份短的线段而用凸多边形来建立要避开的区的轮廓的模型，-相对于建模的区域定位计划的路径，-计算退出与返回到计划的路径的左侧与路径的右侧部分，与计算的路径形成预定的角度并与最接近计划的路径的多边形顶点会合，以便得到由路径的退出与返回部分及分别连接左侧与右侧退出与路径的返回过渡部分的建模的轮廓部分构成的两条避开路径、左侧与右侧，以及-选择两条避开路径之一、左侧或右侧。

依靠这些措施，所跟随的航线尽可能靠近该区域的边界通过但不进入这一区域。

下面参照附图以非限制性示例的方式描述按照本发明的实施例，附图中：

图1用图形表示航空器机载的使之有可能实现按照本发明的避开方法的电子设备；

图2用图形示出实现本避开方法所执行的算法；

图3示出位于航空器路径上的禁飞区，以便展示该避开方法；

图4用图形表示按照先有技术的两段路径之间的过渡航线；

图5示出用按照本发明的导航方法计算的改变方向航线；以及

图6示出在两次靠近的方向改变的情况中的优化过渡航线。

如图1中所示，按照本发明的避开方法是特别设计成用航空器的机载计算机4执行的，该计算机用称作“飞机总线”的数据传输总线5耦合在包含自动驾驶仪14及导航设备16的导航装置、诸如数据链路等数据传输装置15、以及包含控制部件及装在驾驶舱中的诸如显示屏7及扬声器8等发信号部分的人/机接口装置(MMI)6上。

以已知的方式，自动驾驶仪14包括存储器，其中记录有由一系列起飞点与目的地点之间的直线段及使得一个段有可能连接在另一段上的过渡航线构成的飞行器的计划航线。

数据传输装置15能够接收例如用其名字指示的暂时禁止飞越的空区的信息。此外，计算机4例如耦合在地理导航数据库9上，其中具体存储有该航空器正常飞越的地区的空域的轮廓。也有可能航空器的驾驶员本人用人/机接口6输入禁飞区的轮廓。

图2中所示的算法是由航空器的机载计算机4执行的。它包含首先采集由数据传输装置15及驾驶员用人/机接口装置6提供的数据(步骤21)。

当接收到关于禁止穿过的空域的信息时，计算机4便相对于禁飞区定位由计划的飞行计划确定的路径。为了做到这一点，当所接收的信息没有用该区域的轮廓的定义补充时，计算机4将在其数据库9中搜索这一信息并访问例如存储在自动驾驶仪14中的计划的飞行计划的定义(步骤22)。

如果航空器不会进入禁飞区，通过返回到算法的起点20继续分析数据传输装置15及MMI6提供的信息。在相反的情况中，在步骤23中计算机4向显示器7发出报文以便警告驾驶员航空器1要经过的路径2穿过禁飞区10(图3)。这一信息可用在屏幕7上显示飞越区域的地图，上面叠加禁飞区及其特征的可能程度的指示来补充。

接着，计算机触发避开航线的计算(步骤24)，它包括首先建立禁飞区10的轮廓的模型。这一建模包含将区域10的轮廓近似成多边形，然后消除多边形的凹入顶点与过份短的边，以便得出完全凸的多边形11。

接着必须确定退出计划的路径的左侧B1-B2与右侧A1-A2路径部分以便避开禁飞区10。为了这一目的，计算机4相对于区10的模型轮廓定位计划的路径2。取决于飞越区中现行的航空规定，路径的这些部分偏离计划的路径245度或30度的预定角度α，并且分别与多边形11的点B2、A2会合，这两个点在计划路径2进入多边形11的进入点2两侧之一上最靠近计划路径2。

然而，可证明当航空器1位于太靠近禁飞区10时，不可能确定路径的退出部分。这一情况出现在有可能避开该区域的从初始路径退出的角度大于预定角度α时。出现这一情况时，计算机4执行从步骤29开始的算法，在那里触发显示报文“自动避开不可能”。

在相反的情况中，计算机4接着确定返回到计划的路径2的左侧B3-B4与右侧A3-A4路径部分。这些路径部分在角度α上与计划的路径会合，并且在计划路径2从多边形11的出口点Z’的两侧之一上分别在最靠近计划路径2的点B3、A3上连接在多边形11上。

为了全面确定避开禁飞区10的右侧A1-A4及左侧B1-B2路径，接着只要将路径的右侧A1-A2与左侧B1-B2退出部分通过分别连接点A2与A3、及点B2与B3的多边形11的轮廓部分A2-A3、B2-B3分别连接在路径的右侧A3-A4与左侧B3-B4返回部分上即可。

由于右侧A1与左侧B1路径退出点可以是不同的，到计划路径的右侧A4与左侧B4返回点也一样，重构具有相同的端点的避开路径是重要的。从而，如果如图3中所示A1比B1更靠近该区，便将线段B1-A1加在右侧航线A1-A2-A3-A4上。类似地，如果返回点B4比A4更靠近该区，便将线段B4-A4加在左侧航线B1-B2-B3-B4上。

接着必须选择这样确定的两条避开路径，右侧A1-A4与左侧B1-B4之一。为了做到这一点，计算机4计算两条新路径B1-A1-A2-A3-A4、B1-B2-B3-B4-A4中各条的长度以便选择较短者，如果这两条新路径长度相等，便选择位于区10上风侧上的。

有可能用选择的避开路径来修正自动驾驶仪14提供的初始飞行计划，可以将其显示在屏幕7上请求驾驶员确认。

在步骤25中，计算机4等待驾驶员确认包含所选择的避开路径A1-A4的新飞行计划，一直等到已经通过了从初始计划的路径2的退出点A1为止(步骤26)。在等待中，计算机4计算与显示这一退出点A1到航空器1的当前位置的距离的值，周期性地刷新该值(步骤27)。

如果在这一等待期间，驾驶员确认了新飞行计划，便将后者发送到自动驾驶仪14来替代初始计划的路径2，然后成为有效的(步骤28)。如果飞行计划管理与水平模式自动驾驶系统是起作用的，这一新飞行计划便能自动避开该区域。

如果在通过退出点A1之前驾驶员未确认新飞行计划，则在步骤29中，计算机4发送报文给驾驶员指出退出点已通过而避开该区域现在已经不可能。接着在步骤30中，它计算航空器1的当前位置与进入用多边形11界定的禁飞区的进入点Z之间的距离。只要航空器1尚未到达点Z，便以周期性刷新显示这一距离(步骤31)。通过了这一点Z之后，计算机4发出报警报文用信号通知驾驶员航空器1在禁飞区中(步骤32)。然后计算机4等待从禁飞区10出口，并考虑从这一区域的出口点Z的位置以及航空器1的当前位置与速度(步骤33)，然后返回到步骤18去采集数据及擦除报警报文。

在发送新飞行计划给自动驾驶仪之前但在驾驶员确认之后，在步骤28中计算机4使遵照这一新的飞行计划成为可能的航线，而具体地，计算使它有可能从飞行计划的一段路径通过到另一段的过渡航线。

在传统方式中转弯内部进行离开多边形区11的轮廓的在诸如A1与A4等方向改变点上的过渡是通过确定与要连接的两段路径相切的预定半径的圆进行的。

当它们是属于凸多边形区11的轮廓的方向改变点时，便不可能从转弯内部进行方向改变，因为这要求进入禁飞区10。从而，计算机4将按照本发明计算经过转弯外部且通过转弯点的航线。

如图5中所示，两段路径连接在点A上，形成角度θ，并要求改变方向一个角度Δψ，计算机4计算通过点A的弯曲航线17，其转弯中心O位于角θ的内角分角线3上且距点A距离R。这一距离R对应于弯曲的航线17的转弯半径，这是作为必须以预定的滚动角进行转弯的航空器1的速度的函数确定的。

接着必须确定沿路径段R1、R2的直线航线与弯曲航线17之间的连接航线部分18、19，使得有可能将段R1与弯曲的航线17连接的连接航线18包含具有相同的转弯半径R的一部分弯曲的航线，它在T1上与路径段R1相切且在T2上与弯曲航线17相切。同样，连接航线19为具有转弯半径R的一部分弯曲航线，它在T3上与弯曲航线17相切并在T4上与路径段R2相切。

应指出点T2与T3对应于弯曲的航线17与线段d的中垂线的交点，线段d分别由通过转弯中心O的垂直于路径段R1、R2的直线与路径段R1、R2及弯曲的航线17的交点I1、I2、I3、I4定界。

在图6中也可观察到，当存在着两个靠近的方向改变点A、B时，按照本发明的方法也是完全适用的。这一图示出用点A与B连接并在A与B上构成角θ与θ’的三段路径R1、R2、R3。如上所述，为了进行这两次改变方向，计算分别通过A与B及具有转弯中心O、O’与转弯半径R的两条弯曲的航线17、17’，这两条弯曲的航线分别通过两条连接航线18、19’在点T1与T4’上与路径段R1与R3会合。

在图6的例子中，不可能将弯曲的航线17、17’连接在路径段R2上，后者太短。在这一情况中，只要用在点T5与T5’上与两条航线17、17’相切的连接航线20将它们连接即可。

如果将图4的航线与图5与6所示的航线相比，后者偏离计划的路径R1-R2小得多，并且更快地与它会合，这便能更高效地管制及航空控制。

从而，在传统的飞越该点的绕过情况中的偏离等于R(1-cosΔψ)。在本发明所提出的解决方法中，这一偏离为R(1-cosΔψ/2)，即在Δψ=90度时小三分之二左右。

此外，在短的路径段R2的情况中，按照图6仍保持靠近计划的路径。与之相反，在图4的情况中，很清楚难于与后面的路径段R3会合。

Claims (10)

1、一种以改变航向为目的驾驶飞行器的方法，飞行器(1)跟随第一路径直线部分(R1)，通过两部分路径(R1、R2)的交会点(A)以便与和第一部分路径(R1)构成预定的角度(θ)的第二直线部分路径(R2)会合，

其特征在于，该方法包括由飞行器(1)计算与跟随通过所述交会点(A)的弯曲的改变方向航线(17)，其转弯中心(O)位于两部分路径(R1、R2)构成的角(θ)的内角分角线(3)上。

2、按照权利要求1的方法，

其特征在于，该方法还包括计算与跟随分别在第一部分路径(R1)与改变方向航线(17)之间及后者与第二部分路径(R2)之间的两部分弯曲的连接航线(18、19)，这两部分连接航线(18、19)具有与改变方向航线(17)相同的转弯半径(R)，并且分别与后者及两部分路径(R1、R2)相切。

3、按照权利要求1或2的方法，其特征在于，在两次靠近的改变方向(A、B)的情况中，该方法还包括计算与跟随用与两条弯曲的改变方向航线(17、17’)相切的直线连接航线(20)连接在第一改变方向航线(17)上的第二弯曲的改变方向航线(17’)。

4、按照前面的权利要求之一的方法，其特征在于，以符合飞行器的预定滚动角的方式，作为飞行器(1)的速度的函数计算转弯半径(R)。

5、一种飞行器通过跟随包括一系列方向改变的避开路径来水平避开一禁飞区(10)的方法，所述方法将按照前面的权利要求之一的驾驶方法应用在路径的各方向改变点上，其特征在于，包括计算避开路径的阶段(24)，该阶段包括：-通过用一系列线段逼近要避开的区域(10)的轮廓及消除凹入点及过份短的线段，用一个凸多边形(11)来建立该区域的模型，-相对于建模的区域(11)定位计划的路径(2)，-计算退出与返回到计划的路径(2)的、与后者构成预定的角(α)且与多边形轮廓(11)的顶点(A2、B2、A3、B3)会合的左侧与右侧路径段(A1-A2、B1-B2、A3-A4、B3-B4)，以便得出两条避开路径，左侧(B1-B4)及右侧(A1-A4)这两条路径由路径的退出(A1-A2、B1-B2)与返回(A3-A4、B3-B4)段以及分别连接路径的左侧与右侧退出与返回段(A1-A2、B1-B2、A3-A4、B3-B4)的建模的轮廓(11)的部分(A2-A3、B2-B3)构成，以及-选择两条避开路径，左侧(B1-B4)及右侧(A1-A4)之-(A1-A4)。

6、按照权利要求5的方法，其特征在于，路径的左侧与右侧退出与返回段(A1-A2、B1-B2、A3-A4、B3-B4)分别将计划的路径(2)连接在多边形轮廓(11)的顶点(A2、B2、A3、B3)上，这些顶点是位于计划的路径的两侧上的，并且它们最靠近计划的路径(2)与多边形轮廓(11)的交点(Z、Z’)。

7、按照权利要求5或8的方法，其特征在于，还包括以使得两条避开路径具有相同的端点的方式将初始路径(2)的段(B1-A1、B4-A4)加到两条避开路径，右侧(A1-A4)与左侧(B1-B4)上，以及计算与比较所得出的左侧(B1-B4-A4)与右侧(B1-A1-A4)避开路径的长度，并选择较短的避开路径(B1-A1-A4)。

8、按照权利要求5至7之一的方法，其特征在于，该方法包括下述先行步骤：搜索计划的路径(2)穿过禁飞区(10)的段，及计算进入所述区域的计划进入点(2)，如果考虑进去飞行器的速度之后，飞行器(1)位于距计划的进入点(Z)足够地远，便执行避开路径的计算。

9、按照权利要求5至8之一的方法，其特征在于，该方法还包括周期性地计算与显示(27)飞行器(1)的当前位置与从初始路径(2)退出到选择的避开路径(A1-A4)的退出点(A1)之间的距离，如果已确认这一新的路径便执行启动(28)包含所选择的避开路径的新路径。

10、按照权利要求5至9之一的方法，其特征在于，该方法包括周期性地计算与显示(31)飞行器(1)的当前位置与要避开的区域(10)之间的距离，如果退出点(A1)已经过而新路径未得到确认，并在飞行器(1)进入要避开的区域(10)时，显示(32)报警报文。