CN1666239A - 用于离开航线飞机管理和警报通信的航空电子系统和地面站 - Google Patents

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Abstract

一种用于离开航线飞机管理和警报通信的航空电子系统和地面站，包括：航空电子装置，其安装在飞机上，具有用于存储飞行路线数据、跑道、地形以及障碍物的存储器单元；处理器，用于计算存储的或收到的数据，所述数据从监视机上情况的传感器获得，处理器将计算要发送给飞机的自动驾驶仪的命令，以暂时接管对飞机的控制并使其回到预设飞行高度层或空间位置；通信设备，适合于在发生潜在危险事件时将实时的机上情况传输给地面控制站。

Description

用于离开航线飞机管理和警报通信的航空电子系统和地面站
技术领域
本发明涉及用于离开航线飞机管理和警报通信的航空电子系统和地面站。更具体地说，涉及用于在偏离规定飞行路线以及偏离预设高度或飞行高度层或空间限制的情况下处理事件，并在发生潜在危险事件时自动地将机上情况实时传输给地面控制站的系统。
背景技术
离开航线的飞机会导致非常严重的事件，包括丧失生命。通常，通过为飞机配备能够向飞行员显示实时情况并将飞行员输入的安全代码传输给地面的飞行仪表来处理这种情况。假如所述设备不足以处理复杂的情况，则上述航空电子系统和地面站允许民航飞机暂时不需要飞行员操作以便保护公众。该系统允许飞机对偏离规定飞行路线以及偏离预设高度或飞行高度层或空间限制自动地作出反应，并且能够在发生潜在危险事件(例如飞行员失误、特殊气候条件、故障、混乱、劫机等)时将准确的机上情况实时传输给地面控制站。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种用于离开航线飞机管理和警报通信的航空电子系统和地面站，它能够主动地控制飞机航线并在出现警报时将机上情况传输给地面站，有效地增加飞机安全并保护乘客和居民区利益。
本发明的另一个目的是提供一种符合商业航空条例、在飞机上易于安装和使用的系统。
根据本发明的第一方面(即具有权利要求1的特征、用于管理离开航线飞机(避免碰撞)的控制功能)以及根据本发明的另一方面(借助根据权利要求9的、用于离开航线飞机管理的方法)，可以达到这些目的以及将从以下描述变得显而易见的其他目的。
以上功能由航空电子装置(将被证明适合于飞行)执行，并适合于改善日常飞行安全，增加乘客和公众的安全。根据本发明下列目标实施解决方案具有显著优点：为乘客提供最大可能的安全；实时警报探测并适当反应；正确处理紧急情况；自动事件探测而无需人工干预；可靠处理警报信号并与地面控制站安全通信；标准化接口以允许在尽可能多的飞机上安装。
以上功能和目标借助一种系统来实现，所述系统包括不同的部件：执行“避免碰撞”和“警报”功能的航空电子装置；适合的传感器和机上发射机；由计算系统组成的地面控制站。所述装置安装在飞机的专用保护箱中；它不易接近并无法从座舱中停用。
第一个功能，“避免碰撞”，在所述装置中执行，当飞机不论什么原因偏离预设的飞行路线时，该功能会暂时干预并且不受飞行员的控制。例如，如果飞机未按允许的方向飞行或者下降到空中交通管制条例规定的高度/飞行高度层以下时便会发生这种情况。第二个功能，“警报”，也在所述装置中执行，该功能使上述地面控制站能够接收来自飞机的所有必要信息(例如，航线数据和图像)，以便在发生潜在危险事件时进行适当的评估。
从对本发明的特定实施例(作为非限定性实例给出)的更详细的描述并参考以下附图，本发明进一步的优点将变得显而易见，这些附图是：
图1和2示出了使用本发明的系统的飞机的示意图。
图3示出了跑道的示意图，该图示出了进场飞机限制并给出了与本发明的系统有关的环境指示。
具体实施方式
图1示出了使用本发明的系统的飞机。上面的路线为规定的飞行路线；所述飞行路线的允许限制也被示出-如果飞机下降到这些限制以下，则系统通过使飞机爬升至以上所述高度限制并向地面控制站通知警报状态来自动地暂时干预(图2)。
图3示出了机场跑道的示意图。虚拟锥形设定了用于包含飞行中飞机的空间限制-如果飞机下降到这些限制以下，则系统自动地暂时干预，使飞机爬升到限定的限制高度并向地面控制站通知警报状态。为了最大限度地增加安全性，该系统适当考虑了地面地形、建筑物、附近的飞机、错过进场(missing approach)区以及规定的盘旋区。
根据本发明，所述系统包括安装在商用和普通航空飞机上的航空电子装置、安装在飞机适当位置的若干传感器和发射机以及所述传感器与所述航空电子装置之间的连接。所述系统与专门设计成处理从飞机传输的数据以及与所述航空电子装置进行安全通信的地面控制站交换信息。
所述航空电子装置包括适合于以所需的处理速度处理所有数据的CPU(中央处理器单元)、专用软件、电子组件；它具有适合于存储全球飞行路线数据及相关限制、全球机场位置及相关限制、任何其他所需数据的存储器单元；适合于在飞机、其他附近的飞机以及所述地面控制站之间交换所需信息和数据的输入与输出接口。
所述航空电子装置执行的功能之一，“避免碰撞”功能，不仅用于在飞机飞行时避免碰撞，而且还用于在着陆和起飞期间避免碰撞。当控制飞机航线时，所述装置基于全球规定的最低巡航高度和飞行高度层(所谓的“限制”，覆盖全球每个地区)进行操作，始终符合包括ICAO条例在内的所有民用航空条例。作为一个非限制性实例，当飞机离开航线或下降到所述限制(参见图1)以下时，所述装置通过与该装置本身、自动驾驶仪以及导航系统的适当连接来自动地暂时干预。
在起飞和着陆期间，所述装置通过建立限定空域的虚拟锥形并考虑地面地形、飞行和地面障碍物以及所有其他有关数据(如图3所示)来进行操作；这些用于全球每个地区的数据按需存储在所述系统的存储器单元中。“避免碰撞”功能通过两种状态来执行。在第一种状态(所谓的“监视”状态)中，所述装置不断地将飞机位置与预设和存储的规定限制进行比较。所述装置通过其与飞机导航系统以及传感器的接口连接连续地接收数据。所述限制取决于飞行区域、适用的条例、人造建筑物、障碍物以及许多其他因素。例如，所述存储的数据包括世界所有机场的坐标以及依照ICAO条例建立的所有着陆和起飞程序。所有必要的信息都实时保持最新，以便当主管当局或航空部门对其进行更改时，对以上参数进行的任何更改都被考虑到，这通过执行的正确自动更新程序来完成，所述程序通过数据链路(警报功能中所述的链路)将所述装置与地面控制站相连接。
在第二种状态(所谓的“控制状态”)中，当飞机偏离规定的限制时，所述装置通过上述接口自动地干预自动驾驶仪，以使飞机回到其空间限制。
离开航线飞机管理系统的优选形式如下：在监视状态，它允许所有飞行在高于预设限制(由ICAO条例针对不同的飞行路线建立)的高度或飞行高度层的飞机处于飞行员的直接控制下，还允许在限制高度或飞行高度层以上时更改飞行路线(仅在对飞行路线进行大幅度更改时才会产生警报)。只有在飞机离开其航线在未经许可的方向上飞行或下降到预设限制以下时才转为控制状态。在这种情况下，所述装置通过所述避免碰撞功能暂时控制飞机，以使飞机爬升至预设限制。一旦恢复了安全限制，所述系统便会将控制权归还给飞行员。
着陆和起飞期间避免碰撞功能的优选形式如下：对于每个机场，依照仪表进场着陆程序、错过进场程序以及相关跑道的虚拟盘旋区，通过软件设计两个虚拟锥形(一个位于着陆方向，一个位于起飞方向)。当飞机处于着陆或起飞阶段时，所述装置还可以掌握自动驾驶仪并暂时控制飞机以使其位于安全高度上的预定位置。例如，这可以发生在以下情况：
-如果在进场程序期间，飞机在着陆锥形中突然飞到锥形限制以下(如果其在限制以上飞出锥形将会产生警报)；
-如果飞机以被认为与着陆和错过进场程序不一致的速度飞行；
-如果在爬升期间或在飞越过跑道之后，飞机突然飞到锥形限制以下(如果其在限制以上飞出锥形将会产生警报)。
所述避免碰撞功能能够不断地计算最佳爬升飞行路线和速度以避免与地面或空中障碍物碰撞。它通过使用它和其他飞机的速度和位置、保护区、地面地形、置于机场附近的人工障碍物以及通过上述接口可以从机上获得的任何其他所需信息来完成该操作。
此外，可以在所述装置中预知其他接口；与传感器接口连接来接收行信号以便自动地计算独立的当前位置，与导航系统接口连接来获得已通过其他设备计算的当前位置信号以便检查数据的准确性。
可选地，可以将所述避免碰撞系统加倍以使该系统更加可靠。
由所述航空电子装置执行的第二个主要功能(所谓的“警报功能”)是允许在飞机与地面控制站或其他飞机之间通信。“警报功能”功能也通过两种状态来执行。
第一种状态(所谓的“监视状态”)存在于收集关于飞机机上情况的信息并将其存储在所述存储器单元中。该信息并不会被自动传输给地面控制站。在第二种状态(所谓的“警报状态”，其在发生警报时被激活)中，所述装置将在机上生成的信息传输给地面控制站以便进行正确评估。
为了执行警报功能，除了上述航空电子装置之外，还需要在飞机上安装其他设备，例如微型监视摄像机、机组人员可以携带的微型发射机、开关、座舱锁定系统、专用接口以及适当的通信系统。适合的地面控制站会使该系统趋于完善。当条例或航空公司规范所要求时，还可连接其他设备。
以下给出了由所述航空电子装置执行以实现警报功能的过程的优选描述。在监视状态中，所述航空电子装置具有“监视”角色并不断地与飞机上的摄像机和传感器进行通信。它会在预定的时间间隔记录图像以及所需信息，并将该信息和数据保存预定的时间长度。在该状态中，通过与所述避免碰撞功能的相互联系，所述装置不断地将飞机位置与飞行计划中的预期航线进行比较；进而，所述装置不断地自动检查其功能。如果传感器或机组人员检测到劫机或恐怖分子行动、如果明显违背飞行计划或者如果无视所述锥形区，所述系统便会进入预警状态。在该状态中，会向最近的地面控制站发送确认请求。如果地面控制站在预定的时间间隔内没有进行确认，则所述装置将自动从监视状态转为警报状态。如果飞机在上述飞行限制以下飞行，它会直接进入警报状态。
在警报状态中，所述装置不断地将飞机导航数据和其他数据(例如图像)传输给地面控制站，并接收传输给机组人员和乘客的消息。在监视和警报状态中，所述装置的工作不受飞行员控制，并且在出现已证实的恐怖分子事件时，它会自动将所有必要的数据传输给地面控制站。将采取适当的措施，以便即使在机上仪表或线路遭到机械损坏时，所述装置也不会受到影响。
所述装置具有与机上系统以及飞机通信系统的接口，以便与地面控制站交换所有必要的数据。
所述系统包括许多微型监视摄像机，它们根据飞机的大小安装在适当位置并与所述警报单元相连。在监视状态期间，如果摄像机被停用、遭到损坏或被遮蔽，它们会自动发送信号。摄像机不断地将图像传输给座舱和所述装置两者。所述系统包括与所述警报单元(根据飞机的大小安装在飞机中适当位置)正确相连的若干传感器。优选的传感器是“无线电控制的”工作人员可携带的微型发射机，它们可以使用开关来操作。这些是用于飞行员的“无线电控制的”心率监视器、机组人员可使用的机上开关。机组人员可以手动启动传感器，在发生劫机或恐怖分子行动时向所述航空电子装置发送不同的脉冲；这些发射机配备有开关并具有特定保护机制以免出现假警报。此外，开关位于乘客也可以接近的位置。可选地，如果出现警报，所述装置可以自动地锁住到座舱的入口。
适合的地面控制站会使所述系统趋于完善。优选地，在所述装置的监视状态期间，这些地面控制站不会接收信息。在预警状态中或者当警报状态被确认时，地面控制站会从在其范围内飞行的相关飞机接收在警报事件之前已记录的信息以及来自该飞机的实时信息。地面控制站将执行以下优选的过程：向主管当局提供收到的信息；不断检查其控制下的飞机处于预警状态以及警报状态时的飞行参数的正确性；不断检查劫机期间的机上情况并迅速传递所需信息。将会在国家当局认为必要的位置设置足够数量的地面控制站以便正确管理所述系统。各站将至少包括以下系统：功能足够强大的计算机(具有适合于要执行的功能的规范)、接收机-发射机无线电系统、加密和编码系统、声像数据通信系统。信息的机上/地面/机上传输将优选地通过数据链路连接(管理音频、数据雷达以及视频信号并具有能够提供高抗干扰的加密和编码系统)来执行。将在适当的传输频率上以合适的数据格式和足够的波形来发送传输的数据。还会考虑扩频技术(跳频或直接序列)以改进传输的质量、安全性以及可靠性并避免与其他无线电传输产生干扰。
当自动驾驶仪使飞机位于特定高度或飞行高度层上的预设空间位置时，为了避免与其他处于避免碰撞功能(或处于警报状态)的飞机发生可能的碰撞，将向所述系统提供附近飞机的位置。例如，为了实现这点，所述装置可以接收来自诸如自动相关监视(ADS)系统之类的通用航空系统的信息，该自动相关监视系统能够通过无线电链路传输飞机位置或者可以接收由地面雷达检测到的数据，所述地面雷达将这些数据以最适当的方式(例如，通过上述地面控制站)传输给相关飞机。
为增加连通性并使地面控制站的数量最少，所述系统还可以通过专用卫星宽带数据链路连接进行工作。这将允许当飞机在辽阔的海洋上飞行时对其进行监视并在速度和大小方面改进图像的传输(如果使用无线电频带这将非常缓慢)。
可选地，可以在所述装置中采取适当的措施以电子地扫描机上图像(例如，自动检测枪支的存在)。可选地，可以在飞机上安装麻醉品或有毒气体探测器。
所述系统还提供了处理紧急情况的功能。这同时考虑了在武器威胁下系统可能被停用的可能性以及飞行员在真实紧急情况的紧要关头立即干预的需要。为了实现该第一个目的，所述系统始终自动工作并且无法由飞行员停用。如果发生警报，所述系统会发送包括停用代码在内的消息。安全无线电频带的使用可保证与地面控制站安全连接，并在触发警报事件的情况下，使得飞机自动地发送标准消息(通知主管当局机上情况)并接收来自地面的任何停用信号成为可能。为此，在检查了收到的消息(例如图像)之后，可以从地面控制站或从其他飞机确认整个系统的停用。这避免了意外事件、“内行的”电信恐怖分子或在武器的威胁下可能关闭所述系统的危险。
为了实现第二个目的，必须通过所述航空电子装置来自动停用所述系统。必须准备要在所述装置中存储的可能的技术-操作-结构的严重紧急情况(例如，发动机故障)的列表。需要由所述装置通过与机上系统的专用接口来接收实信号(real signal)。当发生这些紧急情况时，专用软件将立即作出反应，将完全控制权交给飞行员。然后所述装置将开始与地面站通信，发送存储的数据和实时数据并请求确认停用代码。如果得到确认，所述装置便会自动停用。
由于以上特性和功能，本发明的系统可以提供关于机上情况的实时信息并只允许飞机在起飞或着陆时飞行在限制高度或飞行高度层以下，从而防止飞机下降至全球的任一位置(除非机上出现真正的紧急情况)。因此，所述系统能够管理离开航线的飞机，增加飞行安全性并通过安全通信向地面实时提供机上情况。此外，所述系统增加了日常飞行安全性，因为它提供了一种自动服务，该服务可以防止飞机下降到由所述条例建立的最低高度以下(甚至在出现故障时)，避免了由于人为和或环境因素造成的可能事故。
由于具有与机上系统的接口，可选地，所述系统根据飞机以及机场设备配置可以使飞机自主着陆。

Claims (11)

1.一种用于离开航线飞机管理和警报通信的航空电子系统和地面站，至少包括：航空电子装置，其安装在飞机上，具有用于存储预定义信息的存储器单元、用于处理收到的信息并将其与预设值实时地比较的电子处理设备；接口，用于接收来自机上系统的信息并向飞机的自动驾驶仪发送命令，以接管对飞机的控制并使其回到预设飞行高度层或空间位置；适当的传感器，用于获得关于机上情况的数据；通信系统，用于将机上情况实时传输给地面控制站，并在发生预定事件时从地面或其他飞机接收正确的指令。
2.根据权利要求1的管理系统，其中所述预定义信息涉及飞行路线、全球跑道、地面地形、障碍物，并且所述预设值包括飞行路线以及高度或飞行高度层。
3.根据权利要求2的管理系统，其中所述飞机传感器包括监视摄像机以及可由机组人员携带的微型发射机，以便获得用于所述航空电子装置的信息。
4.根据权利要求3的管理系统，其中所述摄像机包括用于确定摄像机是否被停用、损坏或出现故障的装置。
5.根据权利要求4的管理系统，其中所述传感器包括要被连接到所述航空电子装置且用于飞行员的心率监视器。
6.根据权利要求4的管理系统，包括开关，其位于飞机的特定位置，工作人员和乘客均可使用以获得用于所述航空电子装置的信息；以及座舱自动锁定系统。
7.根据权利要求4的管理系统，包括：当发生紧急情况时，适合于根据预定义的规则来外部地和/或自动地停用所述避免碰撞系统的装置。
8.如以上权利要求中任一权利要求所述的管理系统，包括用于对飞机与地面控制站之间交换的信号进行加密和编码而不干扰无线电频带通信的装置。
9.一种适合于与权利要求1的所述系统接口连接的地面控制站，至少包括用于处理收到的数据的计算机、传输-接收无线电系统、加密和/或编码系统以及声像通信系统。
10.一种用于离开航线飞机管理的方法，包括以下步骤：
-定义用于避免碰撞功能的第一数据并将所述数据加载到所述飞机航空电子装置，
-定义用于警报功能的第二数据并将所述数据加载到所述飞机航空电子装置，
-定义用于至少一个地面控制站的第三数据并将所述数据加载到所述站，
-定义接口，
-定义通信信道及其各自的属性，
-定义传感器、发射机、开关以及摄像机，
-确定所述避免碰撞功能的操作逻辑及其在所述航空电子装置中的实现，
-确定所述警报功能的操作逻辑及其在所述航空电子装置中的实现，
-确定所述地面控制站的操作逻辑并将其加载到所述站。
11.根据权利要求9的方法，其中所述电子处理设备处理收到的信息，并将其与涉及预设飞行路线和允许高度或飞行高度层的数据进行实时比较，并且其中所述接口接收来自机上系统的飞行信息并向飞机的自动驾驶仪发送命令，以接管对飞机的控制并使其回到预设高度或飞行高度层或空间位置，并且其中传感器获得关于机上情况的数据，并且其中所述通信设备以及所述连接接口将有关机上情况的信息实时传输给地面控制站，并在发生预定事件时从地面控制站或其他飞机接收正确的指令。
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