CN88101747A - 反应式风切变报警仪器 - Google Patents

Abstract

一种用于具有一个风切变报警系统的飞机的仪器(10)，它按照空气热力学特性和当地的地理和季节条件函数去改变报警临界值设置。具体说是具有函数发生器16和其它系统。来自函数发生器16和其它系统的输出被加到一个固定临界值加速度信号中，以产生一个临界值警报信号，在一个基本实施例中，该信号之值为空气温度的函数。

Description

本发明一般地涉及到飞机仪器的主题，具体涉及到风切变报警系统的主题。

技术熟练的人都熟知风切变以及风切变报警系统的原理，如美国专利第3892374号、4053883号和4593285号。这些系统基本上都是“反应式”系统，因为它们不能够检测飞机飞行轨迹前方的状况;从这个意义上讲，这些系统不能预测或预报危险的风切变条件。它们利用飞机上的传感器去计算气团的加速度和惯性加速度，以提供在危险的风切变条件下的警报。因为它们是“反应式”的，所以只是在飞机已经进入危险的下降气流或微下冲气流（microburst）情况之后才发出警报。因此，这些先有技术的系统为驾驶员安全地操纵飞机提供的是暂短的时间。

直至今天，已建立或设置的风切变报警系统的报警临界值，是飞机上升性能的函数。例如，对于波音737飞机，报警临界值设置约为150mgs（即1000mgs＝32英尺/秒²）;波音747飞机的设置值约为80mgs（其水平和垂直风切变或分量二者）。这样的临界值设置，基本上是综合考虑了即合理、及时地报警又避免由于轻微的阵风或紊流条件（可能在正常起飞和着路时遇到，如地面紊流）造成的噪扰报警。最好是，在冷峰近来已穿过的地区里，风切变报警系统能将急剧的对流（如“微下冲气流”）与秋季的多风天区分开来。更重要的是，风切变报警系统应该预测危险的条件，而不是只简单地对其进行反应。一个风切变报警系统，不仅要提供适当的报警，而且要考虑到所涉及的飞机场的特殊条件，这包括季节和地理条件;那么该系统将在技术上有明显进步，且大大提高飞行的安全性。

因为本发明体现了对与风切变或微下冲气流条件相联系的气象现象更好的理解，所以改进了阻止无用报警的界限，并改善了为驾驶员作出反应提供的时间，则本发明改进、超过了传统的风切变报警系统。

按照本发明披露的方法和装置，为飞机驾驶员提供在危险风切变条件下的报警。具体说，要检测空气的热力学特性（即压力、温度等），并产生一个其值为该热力学特性函数的信号，且把它加入到一个固定临界值信号中，以产生一个变化的临界值信号，此变化的临界值信号为该热力学特性的函数。然后，用这个变化的临界值信号作为一个基准，与一个风切变信号比较;并且当超过这个临界值时发出警报。

在一个实施例中，利用空气静温或飞机周围的环境温度，去改变对风切变条件的报警临界值设置。在另一个实施例中，将温度和温度变化率结合起来去改变临界值报警条件，因而改善了探测前方航道上的微下冲气流或风切变情况的信噪比。由此就区别对待对飞机没有危险的强阵风。仍在另一个实施例中，还利用当地的地理和季节条件去改变临界值的设置。

从下面的讨论中，可体现本发明许多其它的特征和优点。

图1示出了一个基本的风切变报警系统;

图2是本发明研究的系统方框图;

图3是一个能用于修正大递减率的空气静温信号的系统方框图;

图4是产生可用于改变风切变临界值警报的大气压力信号的系统方框图;

图5A到5D是表示飞机遇到危险的风切变条件时垂直风温度关系的曲线。

尽管本发明可以有许多不同形式的实施例，但下边就本发明的几个具体实施例示出附图，并作详细介绍。不过，应该明白，在此所公开内容为本发明原理的举例，并不是意在将本发明限制为所述实施例范围内。

我已经研究过在由于风切变造成的事故中飞机上飞行记录器的事故报告中的资料（见图5A到5D）。我已推断出，所有由危险的微下冲气流造成的事故都与20和40摄氏度之间的静温有关。具体说，通常多数是与温度下降有关，诸如与蒸发或冷空气流有关的情况（也就是说，并不总是像某些所观察到的来自周围空气的暖空气流由于动量而明显下降的情况）。因此，空气静温（图5D）和温度下降变化率（图5A）应该用于改变风切变报警系统的临界值报警条件。

我还发现，在某些情况下，如果空气温度低于20摄氏度，则温度的负的或下降变化率的增益或作用应该减小。这个观测结果是很重要的，因为可以利用这一点去减少可能发生的噪扰报警。当飞机下降到逆温（即在夏天的洛杉机或旧金山，或冬天的费尔班克斯、阿拉斯加，或位于由山环绕的山谷中的那些飞机场，如瑞士的苏黎世），就是这样的结果。于是，在遇到危险对流的风切变以前的报警时间，或向飞行员发出警报的时间，能够通过降低由温度的负变化率及超过20摄氏度的温度设置的临界值予以改善。例如，对于众所周知的达拉斯（Dallas）-Ft.Worth    L-1011事故，利用可以得到的大气信息，如果飞机上装设有传统报警系统和临界值设置装置，至少可以向飞机的驾驶员发出几秒钟额外的警报，这就是本发明的主题。

现在参看附图。图1是一个基本的风切变报警系统的方框图。本质上，由风切变探测器产生一个信号7，表征风切变条件。信号7在信号比较器8中与一个固定临界值信号比较。在超过设置的临界值时，报警器9（最好是一个合成音响报警器）发出音响。

在图2中，所示的方框图对我的发明进行描述。实质上，临界值系统10用于产生一个变化的信号，该信号与风切变信号7比较，并且是空气热力特性的函数。具体说，图2描述一个实施例，其中空气静温信号11用于产生一个变化的临界值信号12。该空气静温信号“T”，在多数商业用的和较大的单发动机飞机上是容易得到的。这个信号对多数飞机都是指令性的输入，以便驾驶员能够监测积冰状况、计算地速、计算发动机最大压力比（EPR）等等。其它现有装置是用于估计或测量在飞机飞行轨迹前方空气的温度。例如，见美国专利第4342919号，其中使用了红外线辐射;或见美国专利第3856402号，其中使用激光探测飞机飞行轨迹前方的晴空紊流。然后，温度信号T被送到一个滤波器14，它对该信号进行微分，且只选取该温度信号的长时间分量。我发现，当空气温度低于20摄氏度时，就对于风切变报警系统的临界值设置的温度的负变化率的作用而言，温度下降变化率的作用应减小。因此，温度变化率信号被送到一个限制器或可变增益系统15。限制器15的信号输出取决于温度变化率。以黑体线表示唯一的特性;以虚线表示其它特性。来自系统15的输出，在比例放大后，加到一个固定临界值信号上，以产生一个变化临界值信号12。结果得到一个信号，该信号是空气静温变化率的一个函数。

利用输入到函数发生器16的空气温度信号，达到进一步提高。该发生器产生一个输出信号，此信号能够是温度的一个简单线性函数，或是T的较复杂的函数（即温度平方等等）。函数发生器16的输出，当比例放大并加到固定临界值信号以及那个是温度变化率函数的信号中时，它是一个变化的临界值信号，该信号是空气静温较复杂的函数。这个较复杂的函数对减少噪扰报警是有用的。

由于飞机场周围的气象取决于当地的地形以及每年的季节，则某些飞机场的风切变和强阵风比其它飞机场可能更甚。因此，为了减少可能的噪扰报警源，临界值信号应是地理位置、时刻、每年的季节以及飞机场其它特征的函数。对此，我已经将其作为函数发生器16的输入表示出。可以参考我的美国专利第4567483号，其中披露了一个临近地面报警系统，其报警临界值部分地取决于所使用的具体飞机场。这样的系统应使报警满足当时驾驶员所利用的飞机场的要求，同时甚至应证明它比先有技术的反应式风切变报警系统更可靠。

现在参看图3，那些技术上熟练的人员（包括合格的驾驶员）都熟知这样的情况：标准大气的温度是高度的函数;具体说是随着高度增加而下降，这通常称为“递减率”（每1000英尺约2.2℃）。图3进一步明确地表示出图2所示的装置，其中对空气静温信号进行由于高度增加引起温度变化的修正。具体说，由系统20产生的温度信号Th是飞机高度的函数。另一个系统22，将温度信号Th（高度的函数）与空气静温信号Ts进行比较。则输出T就是一个已经被由于递减率引起温度变化修正的信号。

雷雨起始于积云的膨胀和在垂直方向的快速增长。一开始，湿空气被吸上去，当云滴在结冰层上掠过时，就发展成过冷的雨点。当雨点增长得过大而不能被上升气流托住时，它们就落下来，一路上拖动空气，并造成强烈的下降气流。于是，较干燥的外部空气在雨点汽化时就被吸入并被冷却，增强下降气流并产生强风和大面积降雨。在空气流入和流出之间的分离区经常会发生强烈的低空风切变，也通称“阵风峰（gust    front）”。阵风峰可能在降雨区域前头延伸18到28公里。最危险的风切变的形式（微下冲气流）是一种强烈的下降气流，它在冲击地面时伸展开，形成圆形旋涡，向各个方向呈辐射状运动。它的独特的形状被通俗地描述为“头朝下的雏菊花（up-side    down    daisy）”。我相信，来自地面的指状空气辐射是微下冲气流的结果，并且这些指状空气辐射能被检测到，因而能提供微下冲气流或危险的风切变情况下的提前报警。特别是，通过改变用来产生警报的临界值信号，大气压及温度变化率可以提供提前报警。由于大气压也按照高度的函数而减小（即每1000英尺1英寸汞柱），则如果用这个热力学特性来改变临界值信号，就应该进行由于高度变化而造成的大气压变化的修正。在图4中，示出了这个系统的方框图。实质上，是将一个是大气压变化率函数的信号，与一个是高度变化率函数的信号进行比较。不是由于高度变化造成的任何大气压变化，就一定是起因于飞机周围大气条件的变化。具体说，一个大气压变化率发生器30提供一个信号，该信号是大气压变化率的函数。变化率发生器32提供一个信号（即来自一个惯性导航仪或惯性基准系统或一个雷达高度表）。该信号是空中飞机的高度变化率（或者是惯性垂直方向的速度，或地平面或水平面以上的绝对高度）的函数。这两个信号被送到大气压信号发生器34中，它产生一个信号P，该信号是在飞机高度处大气压（hp）的函数。这个信号可以用在类似于图2所示的临界值系统10的电路中来改变临界报警信号。

Claims (15)

1、一种飞机用的仪器，它具有一个代表空气温度的温度信号源，该仪器包括：

(a)变化率装置，它利用温度信号产生代表空气温度变化率的变化率信号；

(b)合成装置，它将温度信号、上述变化率信号和一个固定临界值信号合成，以产生一个变化的临界值信号；

(c)产生一个代表风切变条件的风切变信号的装置；

(d)将上述临界值信号与上述风切变信号比较，并在超过上述临界值信号时发出警报的装置。

2、权利要求1所述的仪器，其中上述合成装置包括：

（a）一个函数发生器，它用于产生其值为温度信号函数的第一输出信号;

（b）限制装置，它设于上述变化率装置输出处，用于限制上述变化率信号值并产生第二输出信号;

（c）一个总加装置，用于将上述固定临界值信号、上述第一信号及上述第二信号相加，以产生上述临界值信号。

3、权利要求2的仪器，其中上述限制装置包括一个与一个放大器串联的限制器，该放大器的输出是温度信号和上述变化率信号的函数。

4、在一种飞机的风切变报警系统中，当在飞行速度变化率和飞机惯性加速度之间差值超过一个临界值信号时发出警报，其改进包括：

（a）检测空气热力学特性的装置;

（b）按照上述热力学特性的函数改变上述临界值信号值的装置。

5、权利要求4所述的报警系统，其中上述热力学特性是正在飞行的飞机所穿过的空气的温度。

6、权利要求5所述的报警系统，其中对上述温度进行大气递减率的修正。

7、权利要求4所述的报警系统，其中上述热力学特性是正在飞行的飞机所穿过的空气温度的变化率。

8、权利要求4所述的报警系统，其中上述热力学特性是正在飞行的飞机所穿过的空气的大气压的变化率。

9、权利要求4所述的报警系统，其中对上述正在飞行的飞机所穿过的空气的大气压的变化率，进行了由于飞机飞行的海拨高度变化造成的大气压变化的修正。

10、权利要求4所述的报警系统，其中对上述热力学特性进行地理和季节条件的修正。

11、一种提供危险的风切变条件报警的方法：

（a）产生一个代表风切变条件的信号;

（b）建立一个其值代表在一组标准大气和地理条件下危险的风切变条件的临界值信号;

（c）产生一个其值代表在飞机飞行轨迹上空气的热力学特性的信号;

（d）产生一个其值代表上述热力学特性变化率的变化率信号;

（e）产生一个其值为上述代表一个热力学特性的信号的函数的第一个信号;

（f）产生一个其值为上述变化率信号函数的第二个信号;

（g）将上述第一信号、第二信号和上述临界值信号相加，以产生一个比较信号;

（h）在上述风切变条件信号值超过上述比较信号时，发出警报。

12、权利要求11所述的方法，其中上述其值代表空气的一个热力学特性的信号是一个空气静温信号。

13、权利要求12所述的方法，其中上述产生第一个信号的步骤包括：将上述代表空气静温的信号进行大气递减率的修正。

14、权利要求11所述的方法，其中对上述比较信号进行当地地理和大气条件的修正。

15、一种飞机的仪器包括：

（a）产生一个代表风切变条件信号的装置;

（b）产生一个代表正在飞行的飞机所穿过空气的温度的温度信号、一个地理位置信号以及一个表示时间和日期信号的装置;

（c）在上述代表风切变条件的信号超过临界值条件时发出警报的装置;

（d）临界值设置装置，用于按照上述温度信号、地理位置信号和时间、日期信号的函数去改变上述临界值条件的值。

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