JP2014019431A - 飛行管理のためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】様々な気象条件を考慮して飛行経路または高度を含めて航空機飛行制御を管理する飛行管理システムおよび方法を提供する。
【解決手段】決定支援システム３０はＦＭＳ３２のためのパラメータを選択するように提供することができる。これらのパラメータは飛行中に一定であっても動的に変更されてもよい。ＦＭＳ３２は、飛行パラメータ選択モジュール３４から初期のパラメータ情報または任意選択で更新されるパラメータ情報を受け取る。気象情報および／または飛行時間情報（例えば、出発時刻、現時刻および／または予定到着時刻）が飛行パラメータ選択モジュール３４によって受け取られ、この飛行パラメータ選択モジュール３４がＦＭＳ３２に制御パラメータを出力する。例えば、飛行パラメータ選択モジュール３４を使用して、コスト指数（ＣＩ）値、クルーズ高度および／または横断飛行経路を、設定または更新することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、飛行制御システムおよび航空機等に関する。

航空機は、一般に、航空機飛行制御を管理し、飛行プロファイルデータを生成し、さらには、航行用の位置座標（ｎａｖｉｇａｔｉｏｎａｌ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ）によって示されるウェイポイントによって指定される飛行経路などの航行情報を提供するための飛行管理システム（ｆｌｉｇｈｔ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ（ＦＭＳ））を装備する。さらに、飛行管理制御システムはまた、エンジン推力を手動または自動で制御するために、航空機エンジンのスロットル設定を行うように構成可能である。

ＦＭＳは詳細に飛行軌道を計算し、飛行機の航行を制御する。この軌道は、プロファイルに沿った航空機速度を含めた横断プロファイルおよび垂直プロファイルを画定し、エアラインの飛行プランと、高度制限および速度制限などの他の制約条件とを使用して、さらには、時間コスト対燃料コストの比であるコスト指数（Ｃｏｓｔ Ｉｎｄｅｘ（ＣＩ））を使用して、ＦＭＳによって展開される。ＦＭＳは、軌道を作り出すために、最新の航空機状態および大気データを使用し、さらには、すべてクルーが入力するかまたはエアラインオペレーションセンター（Ａｉｒｌｉｎｅ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ Ｃｅｎｔｅｒ（ＡＯＣ））がアップリンクするデータを使用する。ＦＭＳは、航空機の正確な位置を決定するための種々のセンサを使用することにより、飛行制御システムを介して、軌道に沿うように航空機を誘導する。例えば、航空機の離陸中および航空機の巡航中、ＦＭＳは、滑走路から飛び立つ際に飛行機を十分に上昇させるためのエンジン推力の要求基準値を決定することができ、それにより、航空機が、通常は、プログラムされたスケジュールまたは航空交通管制によって示される要求基準値に従って、一定のピッチレートで十分に上昇できるようになり、次いで水平飛行に移り、最後に着陸のために降下できるようになる。

一回の飛行で発生する２つの主要なコストは、燃料コストおよび時間コストである。燃料コストは燃焼される燃料の量に比例する。また、航空機がスケジュール設定された時刻に航空機目的地に到着しない場合に、航空機が発生させるコストもある。このコストはエアライン運用スケジュールに依存し、到着が早まったり遅れたりすることで変化し得る。一般に、このコストはスケジュール設定された時刻からの到着時刻のずれに関して非線形的である。一回の飛行で発生するトータルコストは、選択する飛行パラメータに応じて大きく変化し得る。しかし、従来のシステムでは、初期飛行パラメータが設定されて、飛行中に、異なる条件または環境に合わせるために調節されることはない。これらの多数の外因性要因は、一回の飛行で発生するコストに影響する。例えば、気象は飛行コストに大きく影響し得る。具体的には、一回の飛行で消費される燃料および飛行時間は、風速および風向の影響を大きく受け、さらには大気温度の影響を大きく受ける。

したがって、従来の飛行計画システムは飛行のための最適な横断ルートを選択し、これには、コスト指数を選択することが含まれる。しかし、コスト指数を含めた飛行パラメータの多くは固定され、様々な気象条件を考慮しない。したがって、これらの従来のシステムは効率的には使用されず、飛行全体においてコストを増大させる。

米国特許出願公開第２０１０／０２４１３４５号明細書

一実施形態では、飛行制御システムが提供され、この飛行制御システムは、航空機のための飛行経路または高度のうちの少なくとも１つを含めて航空機飛行制御を管理するように構成される飛行管理システムを含む。この飛行制御システムはまた、航空機飛行制御を管理するために飛行管理システムが使用するためのコスト指数（ＣＩ）および巡航高度を決定するように構成される飛行パラメータ選択モジュール（ｆｌｉｇｈｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ）を含み、ここでは、この決定は、飛行コスト、および飛行経路に沿う予測される気象に基づく。

別の実施形態では、機体と、飛行経路および高度のうちの少なくとも１つを含めて航空機飛行制御を管理するように構成される、機体に搭載される飛行管理システムとを含む航空機が提供される。また、飛行パラメータ選択モジュールが提供され、この飛行パラメータ選択モジュールは、航空機飛行制御を管理するために飛行管理システムが使用するためのコスト指数（ＣＩ）および巡航高度を決定するように構成され、ここでは、この決定は、飛行コスト、および飛行経路に沿う予測される気象に基づく。

様々な巡航高度のためのコスト指数（ＣＩ）値の関数としての飛行コストの一例を示すグラフである。 種々の実施形態による決定支援システムを示す簡略化されたブロック図である。 種々の実施形態によるステップ上昇スケジュール（ｓｔｅｐ ｃｌｉｍｂ ｓｃｈｅｄｕｌｅ）を含む様々な上昇曲線を示すグラフである。 種々の実施形態を使用する航空機の制御を示す図である。 種々の実施形態による飛行管理システム（ＦＭＳ）を示す図である。 種々の実施形態による飛行パラメータ選択モジュールを示すブロック図である。 種々の実施形態に従って実施されるコスト指数（ＣＩ）探索を示すグラフである。 種々の実施形態によるＣＩ値または巡航高度を決定するための方法を示すフローチャートである。 種々の実施形態によるＣＩ値およびクルーズ高度（ｃｒｕｉｓｅ ａｌｔｉｔｕｄｅ）の両方を決定するための方法を示すフローチャートである。 種々の実施形態によるコスト指数の探索を示す図である。 種々の実施形態による入れ子式の探索（ｎｅｓｔｅｄ ｓｅａｒｃｈ）を示す図である。

特定の実施形態の以下の詳細な説明は、添付図面と併せて読むことによりより良く理解される。種々の実施形態は、図面に示す構成および手段のみに限定されないことを理解されたい。

本明細書で使用される場合、前に「ａ」または「ａｎ」という語が置かれて単数形で引用される要素またはステップは、除外することを特に明記しない限り、上記の要素またはステップの複数形を除外するものとして理解されるべきではない。また、「一実施形態」に言及することは、引用される特徴をやはり組み込むような追加の実施形態が存在することを除外するものとして解釈されることを意図しない。さらに、別の意味で特に明記しない限り、特定の性質を有する１つの要素または複数の要素を「備える」または「有する」実施形態は、その性質を有さないような追加の要素を含むことができる。

所与の飛行のためのコスト指数（ＣＩ）および垂直プロファイルを選択するためのシステムおよび方法の種々の実施形態が提供される。種々の実施形態の少なくとも１つの技術的効果は、飛行の運用コストを低減することである。種々の実施形態を使用することにより、エアライン飛行プランナーが、各々の個別の飛行のための改善された飛行プランまたは最適な飛行プランを決定することができる。

種々の実施形態では、気象予報情報を使用することにより、飛行管理システム（ＦＭＳ）によって使用されることになるＣＩ、クルーズ高度および／または横断ルートが、燃料ファクタおよび時間ファクタを考慮することを含めて飛行コストを低減および／または最小化するように選択される。したがって、一部の実施形態は、一回の飛行のために１つのクルーズ高度または複数のクルーズ高度を選択する。例えば、一回の飛行で発生するトータルコストは、ＣＩ（横軸）に対する飛行コスト（縦軸）のシミュレーションデータのグラフ２０を示す図１に示すように、その飛行のために選択される飛行パラメータに基づいて変化し得る。様々なクルーズ高度を示す曲線２２（シミュレーションデータに関する）によって理解できるように、コストは、航空機のＣＩおよび高度に基づいて変化する。

種々の実施形態によると、ＣＩ（ＦＭＳのための）、クルーズ高度および／または横断ルートを、飛行の異なる部分に対して選択することができる。一部の実施形態では、これらのパラメータのうちの１つまたは複数に対する変更が、飛行経路に沿う様々な位置における気象条件（例えば、予測または予報される風および気温）と、飛行の横断経路とに基づく。例えば、図２に示すように、決定支援システム３０はＦＭＳ３２のためのパラメータを選択するように提供することができ、これらのパラメータは飛行中に一定であっても動的に変更されてもよい。ＦＭＳ３２は、飛行パラメータ選択モジュール３４から初期のパラメータ情報または任意選択で更新されるパラメータ情報を受け取る。種々の実施形態では、本明細書でより詳細に説明するように、気象情報および／または飛行時間情報（例えば、出発時刻、現時刻および／または予定到着時刻）が飛行パラメータ選択モジュール３４によって受け取られ、この飛行パラメータ選択モジュール３４がＦＭＳ３２に制御パラメータを出力する。例えば、飛行パラメータ選択モジュール３４を使用して、ＣＩ値、クルーズ高度および／または横断飛行経路を、設定または更新することができる。飛行パラメータ選択モジュール３４は、ハードウェア、ソフトウェア、またはそれらの組み合わせの中に実装することができる。

具体的には、図３のグラフ４０が、航空機のための理論的に最適な連続する上昇曲線４２を示しており、これは、風および気温が変化するときの実際の高度変動を伴う連続的な推力設定値を含む。曲線４４は一定の高度巡航を示しており、ここでは、ＦＭＳ３２によって１つの風レベル（ｗｉｎｄ ｌｅｖｅｌ）のみが使用される。したがって、曲線４４は、例えば風および車両の重量に基づく風に関して最適な（ｗｉｎｄ−ｏｐｔｉｍａｌ）クルーズ高度または最適なステップ上昇ポイントを考慮せず、またそれらを計算しない。種々の実施形態によると、曲線４６で示すようなステップ上昇スケジュールが決定され、これはＦＭＳ３２を制御するのに使用される。例えば、種々の実施形態では、理論上の最適値（曲線４２によって示す）は、本明細書でより詳細に説明するように、飛行中の風および気温の変化に基づいて（さらには、任意選択で、飛行タイミング情報に基づいて）一連のステップ上昇（更新されるＣＩ値を含むことができる）により、３次元または４次元で概算される。種々の実施形態のステップ上昇は、航空交通管制（Ａｉｒ Ｔｒａｆｆｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ（ＡＴＣ））のプロシージャおよび機上のガイダンス（ｏｎ−ｂｏａｒｄ ｇｕｉｄａｎｃｅ）に適合するように実施される。

したがって、曲線４２で示す理論的に最適な巡航プロファイルは、自動スロットルなどで連続的な推力設定値を使用し、それにより連続的な上昇プロファイルが得られ、ここでは、最高高度に接近するにつれて上昇率が低下する。飛行レベルの絶対最大値に到達するまで、航空機の総重量が低下するにつれて、この最高高度は増大する。このポイントでの安定する巡航軌道は高度が固定されず、周囲の風および気温条件が変化するにつれて変化し、実際に得られる推力に影響する。種々の実施形態によると、この最適曲線４２への近似（曲線４６によって示す）は、航空機の中間航路巡航フェーズ（ｅｎ−ｒｏｕｔｅ ｃｒｕｉｓｅ ｐｈａｓｅ）中に中間帯の（ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ）ステップ上昇（および、ＣＩ値の変化）を使用して得られる。

種々の実施形態は、最適なクルーズ高度プロファイルまたはほぼ最適なクルーズ高度プロファイル（初期のクルーズ高度と、中間帯のステップ上昇または中間帯のステップ下降（ｓｔｅｐ ｄｅｓｃｅｎｔ）のための位置とを含む）と、予報される風および気温条件のための最適なＣＩ値または近似されるＣＩ値とを選択する１つまたは複数のアルゴリズムを提供する。一部の実施形態では、アルゴリズム（複数可）は、飛行プランによって与えられる横断飛行データ、燃料コスト、スケジュール設定された出発時刻および到着時刻、ならびに、予定が早まることおよび遅延することに付随するコストを計算する。運転中、ステップ上昇およびステップ下降を決定することを含めて飛行を計画する際に、種々の実施形態を、例えば民間のエアラインオペレーティングセンターが使用することができる。一部の実施形態では、飛行時間および燃料消費に対する気象／風および気温の予報精度の影響を調べるためのシミュレーション解析能力を提供することができる。このシミュレーションは、飛行の間に風温度（ｗｉｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）の利用を増やすことを推奨するのに使用することができ、さらには、気象条件に基づいて運ぶ燃料の量を増加または減少させるのに使用することができる。

具体的には、図４は、飛行上昇スケジュール（ステップ上昇曲線５０によって示す）に沿った航空機５２の飛行制御を示す。空港滑走路５４からの航空機５２の出発は、概して、可変のエンジン推力によって実現される航空機の上昇、巡航プロファイル５６（曲線５０によって示す）に従って示され、これには、ＣＩ値および横断飛行経路の変更が含まれる。航空機５２は、例えば、ジェット推進航空機またはプロペラ駆動航空機であってよい。

空港滑走路５４から離陸または出発するとき、航空機５２は通常は全出力で加速し、ここでは、航空機フラップは離陸位置にあり、航空機は、一定の経路および上昇角Ｃにおいて初期の上昇率（ピッチレート）で上昇して滑走路から離れる。航空機５２の航空機上昇率および巡航高度は、航空機のサイズおよび重量、エンジン推力、ならびに、飛行中に変化する気温、風および他の変数などの大気条件に応じて変化してよい。例えば、種々の実施形態によると、航空機５２の巡航高度、さらには、横断飛行経路およびＣＩ値は、１つまたは複数のウェイポイント６０に対して設定または変更され、これらは予め設定されてよく、および／または飛行中に動的に更新されてよい。したがって、種々の実施形態は、航空機５２の一回の飛行のための初期の（さらには、任意選択で更新される）ＣＩ、横断プロファイルおよび垂直プロファイルを提供し、これらは、例えば、予報される気象条件に基づいて変更することができる。したがって、ＦＭＳ３２に入力される様々な制御パラメータを変更することができ、それにより航空機５２の推力を変化させることができ、さらには、航空機５２の移動方向を変更することができる。

図５は、航空機５２の飛行を制御するための選択された飛行パラメータを受け取るために、種々の実施形態と共に使用することができるＦＭＳ３２の一実施形態を示す。示した実施形態では、ＦＭＳ３２は、ＦＭＳオンボードコンピュータプロセッサ７２およびメモリ７４を含む。メモリ７４は、決定されたウェイポイント情報７８を含めた航空機航行情報を記憶する蓄積航行データベース７６を含み、ウェイポイント情報７８は、航空機５２の一回の飛行のための、ＣＩ、横断プロファイルおよび垂直プロファイルのうちの１つまたは複数が変更される、飛行プランに沿うポイントであってよい。したがって、メモリ７４は、飛行パラメータ選択モジュール３４（図２に示す）を使用するなどの、１つまたは複数の種々の実施形態によって決定されるように、ＦＭＳオンボードコンピュータプロセッサ７２によって飛行中に変更される航行用のウェイポイント（ｎａｖｉｇａｔｉｏｎａｌ ｗａｙｐｏｉｎｔ）および対応する航空機制御パラメータ８０を含むことができる。

オンボードコンピュータプロセッサ７２は、感知される航空機高度８２、感知される航空機速度８４、および、感知される空気温度８６を含む種々の入力を空気データコンピュータ９０から受け取る。さらに、プロセッサ７２は、全地球位置発見システム（ｇｌｏｂａｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ（ＧＰＳ））１０２からの位置座標および慣性センサ１０４からの慣性データなどの、航法センサ１００からの入力を受け取る。さらに、プロセッサ７２は、燃料量８８などの他のセンサからの他の入力、さらには、当業者には明白であろう他の感知される変数を受け取る。

オンボードコンピュータプロセッサ７２はさらに、ディスプレイ１１２を有する制御、表示ユニット（ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｙ ｕｎｉｔ（ＣＤＵ））１１０と通信する様子が示される。種々の実施形態の制御、表示ユニット１１０が、操縦士がデータを入力することおよび出力データを受け取ることを可能にするヒューマンマシンインターフェースであることを認識されたい。例えば、計算されたエンジン推力を示す出力データを、ディスプレイ１１２上に提示されるディスプレイページ内に提供することができ、それにより、航空機の操縦士が、飛行管理システム３２によって提供される出力データに従って航空機を運転することが可能となる。

ＦＭＳ３２はさらに、マッハ／気速計１１４と、高度方向指示器１１６と、水平姿勢指示器１１８とを有するように示される。シンボルジェネレータ１２０が、プロセッサ７２と指示器１１６および１１８の各々との間に連結される。ＦＭＳ３２はまた、自動操縦装置１３２に出力を提供するモード制御パネル１３０を含み、これもプロセッサ７２と通信する。自動操縦装置１３２は飛行制御システムの一部であってよく、自動操縦モードにおいて操縦輪１３４を操作することができる。

ＦＭＳ３２はさらに、当業者には明白であるようにエンジンスロットルを制御するためのスロットル制御装置１４０を含むように示される。スロットル制御装置１４０は、手動モードにおいて、航空機の操縦士が手動で作動することができる。自動飛行制御モードでは、スロットル制御装置１４０は、プロセッサ７２によって提供される自動スロットル信号１４２によって自動で制御することができる。プロセッサ７２が、ディスプレイ１１２を介して出力コマンドを提供することにより、または、自動スロットル信号１４２を介してスロットル制御装置１４０を自動で制御することにより、計算されたスロットル値を用いて航空機を制御するためのコマンド信号を出力することができることを認識されたい。

本明細書で示して説明するＦＭＳ３２は、航空機の出発プロシージャ、巡航プロシージャおよび到着プロシージャ中に航空機を制御するために種々の実施形態を実施するように構成することができる飛行管理システムの一実施形態である。一部の実施形態では、１つまたは複数のテーブルに記憶することができる、曲線４６（図３に示す）によって示すようなステップ上昇スケジュールが、メモリ７４に記憶される。メモリ７４および蓄積航行データベース７６は、上昇スケジュールを実施するためにまたは１つもしくは複数の実施形態を使用するために更新される、既存の飛行管理システム内の既存の航行データベースを含むことができることを認識されたい。

運転中、種々の実施形態は、実際の気象変化および予測される気象変化ならびに他のファクタ（例えば、飛行時間情報）などに基づいて、飛行コストを低減または最小化するためにクルーズ高度およびＣＩ値を選択する。例えば、図６に示す飛行パラメータ選択モジュール３４が、最適化することができる１つまたは複数のアルゴリズムと、ＦＭＳ３２（図２および５に示す）に送るパラメータを決定するためのヒューリスティックアルゴリズムとを選択することができる。

航空機の運転中、飛行の段階によっては、すべてのパラメータを最適に選択することが不可能である場合がある。例えば、一部の状況では、ＡＴＣクリアランス問題により一回の飛行のクルーズ高度を変更することができないが、種々の実施形態を使用することにより、燃料を使用することに付随するようなコストを低減または最小化するようにＣＩを修正することができる。飛行パラメータ選択モジュール３４は、航空機の飛行を制御するための１つまたは複数のアルゴリズム（図５でモジュールとして示す）を選択することができる。一部の実施形態では、飛行パラメータ選択モジュール３４を以下のアルゴリズムから選択することができる。

ＣＩ最適化アルゴリズム１５０：クルーズ高度、横断ウェイポイント（ｌａｔｅｒａｌ ｗａｙｐｏｉｎｔ）などを含むすべての他の飛行パラメータを固定しながらＣＩを決定する。

クルーズ高度最適化アルゴリズム１５２：飛行全体に対する単一のクルーズ高度を決定する。

ＣＩおよびクルーズ高度最適化アルゴリズム１５４：飛行全体に対するＣＩおよび単一のクルーズ高度の両方を決定する。

クルーズ高度プロファイルおよびＣＩ最適化アルゴリズム１５６：クルーズ高度プロファイル（初期のクルーズ高度と、中間帯のステップ上昇またはステップ下降のための最適な位置とを含む）およびＣＩを決定する。

横断経路最適化アルゴリズム１５８：アルゴリズム１５０、１５２、１５４、１５６で説明したようなＣＩおよび／またはクルーズ高度も決定しながら、考えられる一連のポイントから横断ウェイポイントを決定する。

次に、種々のアルゴリズムを説明する。本明細書で説明するアルゴリズムが単に例であり、異なるアルゴリズムも使用できることに留意されたい。したがって、他のアルゴリズムまたは方法も、航空機５２の一回の飛行のための、ＣＩ、横断プロファイルおよび／または垂直プロファイルを決定するのに使用することができる。

ＣＩ最適化アルゴリズム１５０は、トータル飛行コストを最小化するような、ＣＩを決定する。具体的には、ＣＩ最適化アルゴリズム１５０は、図７のグラフ１７０に示すような黄金分割探索アルゴリズムを使用する。グラフ１７０は曲線１７２を示しており、ここでは、横軸がＣＩ値に対応し、縦軸がコストに対応する。この実施形態では、最小ＣＩ値および最大ＣＩ値が指定され（０および１００として示す）、クルーズ高度、飛行経路および他のすべてのＦＭＳ入力パラメータは既知である（飛行計画プロシージャなどから）。さらに、ＦＭＳ３２はトリップ燃料情報およびトリップ時間情報を得るのにも使用することができ、トータルコストは、曲線１７２によって示すコスト関数を使用して推定される（時間および燃料に基づく）。ＣＩの値域が変化し得ることに留意されたい。

黄金分割探索は、その中に極値が存在することが分かっている値域（例えば、選択されたＣＩの値域の間）を連続的に狭めることにより、単峰性関数の極値（最大値または最小値）を見つける。ＣＩ最適化アルゴリズム１５０は、黄金分割探索を使用して、黄金比を形成するような距離を有する３つの点のための関数値を維持する。種々の実施形態の黄金比（φ）は、大きい方の数量に対する２つの数量の合計の比が、小さい方の数量に対する大きい方の数量の比と等しいか否かによって決定され、これは以下のように規定することができる。（ａ＋ｂ）／ａ＝ａ／ｂ＝φ、ここでは、ａおよびｂは値（例えば、ＣＩ値）である。運転中、φは、以下の値を有するときに黄金比を示す。

これは１．６１８にほぼ等しい。

一部の実施形態では、ＣＩ値の探索速度を上げるために、新たなポイントは中点から以下に等しい距離だけ離れるように選択される。

例えば、示した実施形態では、始点１７４はゼロのＣＩ値のところに選択される。次いで、黄金分割探索を使用することにより、ポイント１７６、１７８、１８０および１８２が連続的に決定または評価される。一部の実施形態では、黄金分割探索を使用して最小のＣＩ値を決定するために、複数のポイントが使用されることに留意されたい。例えば、種々の実施形態では、５〜１０個のポイントが使用される。しかし、さらに多いポイントまたは少ないポイントを使用できることに留意されたい。

したがって、定義されたＣＩ範囲に基づき、ＦＭＳオンボードコンピュータプロセッサ７２（図５に示す）からの燃焼燃料情報および目的地までの時間の情報を使用して、ＣＩ値を決定することができ、次いで、このＣＩ値がＦＭＳオンボードコンピュータプロセッサ７２によりその飛行全体に対して使用される。このＣＩ値は飛行コストを低減または最小化し、この飛行コストには、種々の実施形態では、燃料のコスト、および、時間ベースの飛行コスト（例えば、到着が早まるまたは遅れるなど）が含まれ、さらには、選択される飛行ルートに沿う予報される風および気温などの、予報される気象条件が含まれる。例えば、飛行経路に沿う１つまたは複数のポイントに基づいて（または、それらの平均値に基づいて）、予報される気象を考慮に入れた、スケジュール設定された飛行時間中に使用される燃料の量に基づくコストを決定することができる。これらのファクタに基づき、任意適当な方法を使用して、燃焼される燃料の量を決定できることに留意されたい。したがって、ポイント１７４、１７６、１７８、１８０、１８２の各々の決定されたＣＩ値を使用して、ポイント１７４、１７６、１７８、１８０、１８２の間に曲線を外挿するなどして、ＣＩプロファイルを示す曲線１７２を生成することができる。次いで、ポイント１８３のところの最小値を決定することができ、これは対応するＣＩ値を規定する。

クルーズ高度最適化アルゴリズム１５２は、ＣＩ最適化アルゴリズム１５０と同様に働く。具体的には、クルーズ高度最適化アルゴリズム１５２は、黄金分割探索を使用して、飛行全体に対する単一のクルーズ高度を決定する。したがって、ＣＩの値域を定義する代わりに、３０，０００フィートから４０，０００フィートの間などの巡航高度の値域が定義される。しかし、この範囲を変更できることを認識されたい。

したがって、方法１８４は、図８に示すように、一回の飛行のためのＣＩ値または巡航高度を決定するために種々の実施形態に従って提供される。具体的には、１８５においてＣＩまたは巡航高度の最大値および最小値が指定され、これは予め決定する、または使用者が規定することができる。その後、飛行コストを決定するために、決定されたクルーズ高度（ＣＩを見つける場合）、飛行経路、および、他のすべてのＦＭＳ入力パラメータなどの、既知のＦＭＳ入力パラメータが１８６で使用されるが、これらは、飛行経路に沿う位置における予測される気象条件（風および気温）と、飛行の横断経路とに基づいていてよい。次いで、１８７で、本明細書で説明するように黄金分割探索が実施され、１８８で、飛行全体に対するＣＩ値および／または巡航高度が決定される。

このように、ＣＩ最適化アルゴリズム１５０は、トータル飛行コストによって与えられるＣＩ上限およびＣＩ下限を低減または最小化するようなＣＩと、所望されるクルーズ高度と、横断飛行経路とを選択する。この黄金分割探索は、トータル飛行コストを低減または最小化するＣＩの値（例えば、最適値）を選ぶための間隔を探索するのに使用される。クルーズ高度最適化アルゴリズム１５２は、トータル飛行コストによって与えられる高度の上限および下限を低減または最小化するような、飛行全体に対するクルーズ高度と、所望されるコスト指数と、横断飛行経路とを選択する。この黄金分割探索手法は、トータル飛行コストを低減または最小化するＣＩまたはクルーズ高度の値を選択するための間隔を探索する。

ＣＩおよびクルーズ高度最適化アルゴリズム１５４は、飛行全体に対するＣＩおよび単一のクルーズ高度の両方を決定する。この実施形態では、クルーズ高度およびＣＩは飛行コストを低減または最小化するように選択される。具体的には、図９に示す方法１９０が提供され、ここでは、１９２で、クルーズ高度およびＣＩのための、値域（最小値および最大値）とデフォルト値（決定を開始するための）が定義または指定される。この実施形態では、飛行経路および他のすべてのＦＭＳパラメータが既知であり、飛行コストを決定するために１９４で使用されるが、これらは、飛行経路に沿う位置における予測される気象条件（風および気温）と、飛行の横断経路とに基づいていてよい。

次いで、１９６で、入れ子式の黄金分割探索（ｎｅｓｔｅｄ ｇｏｌｄｅｎ ｓｅｃｔｉｏｎ ｓｅａｒｃｈ）が実施される。具体的には、１つの黄金分割探索が別の黄金分割探索内で実施され、例えば、ＣＩ値の黄金分割探索が、巡航高度値のための黄金分割探索内で実施される。例えば、最適化または低減されたＣＩが、特定の巡航高度に対して、黄金分割探索を使用して探索され、特定の巡航高度は、別の黄金分割探索から決定することができる。このように、ＣＩのための黄金分割探索を、高度のための黄金分割探索内にネストすることができる。１９８で、計画された飛行経路に沿った様々なポイントにおけるＣＩ値および巡航高度値を決定するために、ＣＩおよびクルーズ高度最適化アルゴリズム１５４を使用できることに留意されたい。さらに、一部の実施形態では、ＣＩ値および巡航高度値を決定することができ、ここでは、特定のウェイポイントにおける逆風の予測される変更に基づき、別のＣＩおよび巡航高度を決定することができる。

したがって、種々の実施形態のＣＩおよびクルーズ高度最適化アルゴリズム１５４は、トータル飛行コストを最小化するための飛行全体に対するクルーズ高度およびＣＩの両方を最適に選択することができるか、または、後でより詳細に説明するように飛行の一部に対するクルーズ高度およびＣＩの両方を最適に選択することができる。

例えば、種々の実施形態は、クルーズ高度プロファイル（初期のクルーズ高度と、中間帯のステップ上昇またはステップ下降のための最適な位置とを含む）ならびにＣＩを決定するための、クルーズ高度プロファイルおよびＣＩ最適化アルゴリズム１５６を提供する。この実施形態では、飛行経路に沿う様々な位置において、ＣＩおよびクルーズ高度最適化アルゴリズム１５４が実施される。例えば、クルーズ高度プロファイルおよびＣＩ最適化アルゴリズム１５６は、各位置までの上昇（または降下）するクルーズ高度を決定するように、中間帯のステップまたは上昇のための位置を決定する。さらに、各ステップにおけるＣＩ値も決定することができ、または、飛行全体に対するＣＩ値を決定することができる。例えば、入れ子式の黄金分割探索を、本明細書で説明するように、飛行全体に対して、または、中間帯のステップまたは上昇によって規定される各セグメントに対して使用することができる。

この実施形態では、ルートに沿った複数のウェイポイントが例えば所望されるインターバルで選択され、これらのインターバルは所定のインターバルであってよく、多様であっても均等であってもよく、あるいは、別のファクタ（例えば、予報される気象、使用される燃料など）に基づいてもよい。したがって、巡航高度およびＣＩ値が様々なウェイポイントで決定され、これは、入れ子式の黄金分割探索を使用して実施することができる。しかし、種々の実施形態は、動的問題を解決するためにフォワードプランニングアルゴリズムを使用する。具体的には、各ウェイポイントにおいて、その後に出現する追加のウェイポイントで将来の予想される情報をさらに使用して、特定のセグメントに対しての決定が行われる。したがって、種々の実施形態は、飛行計画情報および予報される気象条件を使用することにより、様々なウェイポイントにおいて飛行ルートに沿う巡航高度値およびＣＩ値を決定する。

種々の実施形態では、離陸前または飛行の初期段階でＣＩ値および／または高度値の決定が実施されることに留意されたい。しかし、例えば、予報された気象条件が変更されることが決定される場合（例えば、重要なストーム予測の変更があった場合）、飛行中の様々なポイントにおいて種々の実施形態を実施することができる。

したがって、クルーズ高度プロファイルおよびＣＩ最適化アルゴリズム１５６は、高度が変更されるときのステップ上昇および下降をウェイポイントが想定することにより、ＣＩおよびクルーズ高度の両方を最適に選択することができる。種々の実施形態では、最適化の問題は（１つのウェイポイントにおける高度変更の決定が、今後のウェイポイントにおける高度決定の影響も受けるので）、動的プログラムとしてモデル化され、各セグメントに対して入れ子式の黄金分割探索を使用するなどして、フォワードプランニングアルゴリズムが使用される。このフォワードプランニングの動的プログラムは、例えば、残りの飛行に対するコストを概算した後で各ウェイポイントにおける最適なクルーズ高度を決定する。

横断経路最適化アルゴリズム１５８は、他のアルゴリズム１５０、１５２、１５４、１５６で説明したようなＣＩおよび／または巡航高度も決定しながら、考えられる一連のポイントから横断ウェイポイントを決定する。本明細書で説明する他の実施形態と同様に、入れ子式の黄金分割探索を使用することができる。

したがって、種々の実施形態は、予報される風および気温条件などの予報される気象条件における一回の飛行（初期の位置、および、中間帯のステップのための最適な位置を含む）のためのＣＩ値、横断値または横断プロファイル、および、垂直値または垂直プロファイルを決定する。種々の実施形態は、最適な飛行プランによって与えられる横断飛行データと、燃料コストと、スケジュール設定された出発時刻および到着時刻と、予定が早まることおよび遅延することに付随するコストとを計算するために使用することができる電子ツールとして実装することができる。種々の実施形態は、最適なステップ上昇および／またはステップ下降を決定するのに、または、追加の風データおよび気温データを入れた架空のウェイポイントを含めて最適な飛行を計画するのに、使用することができる。さらに、種々の実施形態は、飛行時間および燃料消費に対する気象予報精度ならびに／または風および気温の予報精度の影響を調べるためのシミュレーション解析能力を使用することができ、これは、飛行の間に風温度の利用を増やすことを推奨するのに使用することができ、さらには、気象に基づいて燃料の量を増加または減少させるのに使用することができる。

次いで、例えば、図１０に示すように、ＦＭＳ３２によって受け取られる、具体的にはＦＭＳオンボードコンピュータプロセッサ７２によって受け取られるクルーズ高度情報およびウェイポイント情報が、当技術分野の既知の飛行計画プロセスを使用する飛行計画プロセスの一部として、ＣＩ値および詳細な飛行プランを決定するのに使用される。種々の実施形態では、黄金分割探索２２０を使用するなどして、ＣＩ値域においてコスト探索２１０を実施することができる。他の実施形態では、図１１に示すように入れ子式の探索を実施することができる。例えば、ＣＩ値域におけるコスト探索２１０を、巡航高度の範囲におけるコスト探索２１２内で実施することができ、またはその中にネストすることができ、これらは、任意選択で、複数のウェイポイント２１６におけるコスト探索２１４内にネストして実施することができる。

種々の実施形態を、ハードウェア、ソフトウェア、またはそれらの組み合わせの中に実装できることに留意されたい。また、種々の実施形態、ならびに／あるいは、例えばモジュールなどの構成要素、またはその中にある構成要素および制御装置を、１つまたは複数のコンピュータまたはプロセッサの一部としても実装することができる。コンピュータまたはプロセッサは、計算デバイス、入力デバイス、表示ユニット、および、例えばインターネットにアクセスするためのインターフェースを含んでよい。コンピュータまたはプロセッサはマイクロプロセッサを含んでよい。マイクロプロセッサをコミュニケーションバスに接続することができる。コンピュータまたはプロセッサはまた、メモリを含んでよい。メモリは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）およびリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）を含んでよい。コンピュータまたはプロセッサは記憶デバイスをさらに含んでよく、これは、ハードディスクドライブであるか、または、ソリッドステートドライブおよび光学ディスクドライブなどの取り外し可能な記憶ドライブであってよい。また、記憶デバイスは、コンピュータプログラムまたは他の命令をコンピュータまたはプロセッサにロードするための他の同様の手段であってもよい。

本明細書で使用される「コンピュータ」または「モジュール」という用語は、マイクロコントローラ、縮小命令セットコンピュータ（ｒｅｄｕｃｅｄ ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｅｔ ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ（ＲＩＳＣ）、ＡＳＩＣ、論理回路、および、本明細書で説明する機能を実行することができる任意の他の回路またはプロセッサを使用するシステムを含めた、プロセッサベースまたはマイクロプロセッサベースの任意のシステムを含んでよい。上記の例は単に例示であり、「コンピュータ」という用語の定義および／または意味を限定することを一切意図しない。

コンピュータまたはプロセッサは、入力データを処理するために、１つまたは複数の記憶素子に記憶される一連の命令を実行する。記憶素子はまた、所望される場合、または、必要に応じて、データまたは他の情報も記憶することができる。記憶素子は情報源の形態であるか、または、処理機械内にある物理メモリ素子（ｐｈｙｓｉｃａｌ ｍｅｍｏｒｙ ｅｌｅｍｅｎｔ）であってよい。

この一連の命令は、本発明の種々の実施形態の方法およびプロセスなどの特定のオペレーションを実施するように処理機械としてのコンピュータまたはプロセッサを命令する種々のコマンドを含むことができる。この一連の命令はソフトウェアプログラムの形態であってよい。ソフトウェアはシステムソフトウェアまたはアプリケーションソフトウェアなどの種々の形態であってよく、有形の非一時的なコンピュータ可読媒体（ｔａｎｇｉｂｌｅ ａｎｄ ｎｏｎ−ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｒｅａｄａｂｌｅ ｍｅｄｉｕｍ）として具体化することができる。さらに、ソフトウェアは、別個のプログラムまたはモジュールの集合体、より大きいプログラム内のプログラムモジュール、あるいは、プログラムモジュールの一部分の形態であってよい。ソフトウェアはまた、オブジェクト指向プログラミングの形態のモジュラープログラミングを含むことができる。処理機械によって入力データを処理することは、オペレータのコマンドに応答する形であるかまたは前の処理の結果に応答する形であってよく、あるいは、別の処理機械からの要求に応答する形であってもよい。

本明細書で使用される「ソフトウェア」および「ファームウェア」という用語は交換可能であり、また、ＲＡＭメモリ、ＲＯＭメモリ、ＥＰＲＯＭメモリ、ＥＥＰＲＯＭメモリおよび不揮発性ＲＡＭ（ｎｏｎ−ｖｏｌａｔｉｌｅ ＲＡＭ（ＮＶＲＡＭ））メモリを含めたメモリ内に記憶される、コンピュータによって実行される任意のコンピュータプログラムを含む。上記のメモリの種類は単に例示であり、したがって、コンピュータプログラムを記憶するのに使用可能であるメモリの種類を限定するものではない。

上記の説明が例示的であり、限定的であることを意図しないことを理解されたい。例えば、上述した実施形態（および／または、それらの態様）を互いに組み合わせて使用することができる。さらに、特定の状況または材料を本発明の教示に適合させるために、本発明の範囲から逸脱することなく多くの修正を行うことができる。本明細書で説明する寸法、材料の種類、種々の構成要素の向き、ならびに、種々の構成要素の数および位置は、特定の実施形態のパラメータを画定することを意図し、限定することを一切意図せず、単に例示の実施形態である。上記の説明を見直すことにより、当業者には、特許請求の範囲の精神および範囲内にある多くの他の実施形態および修正形態が明白になるであろう。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲が有効と認められる均等物の全範囲を含めて、添付の特許請求の範囲を参照して決定されるべきである。添付の特許請求の範囲では、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」および「ｉｎ ｗｈｉｃｈ」という用語が、それぞれ、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」および「ｗｈｅｒｅｉｎ」という用語と同義のプレインイングリッシュとして使用される。さらに、以下の特許請求の範囲では、「第１」、「第２」および「第３」などの用語は、単に標識として使用され、その対象物で必要とされる数を示すことを意図しない。さらに、以下の特許請求の範囲の制限はミーンズプラスファンクションのフォーマットで記載されず、また、かかる特許請求の範囲の制限が別の構造を有さない機能の記述が後に続くような「するための手段」というフレーズを明確に使用していない限り、米国特許法第１１２条第６項に基づいて解釈されることを意図しない。

２０ グラフ
２２ 曲線
３０ 決定支援システム
３２ 飛行管理システム
３４ 飛行パラメータ選択モジュール
４０ グラフ
４２ 上昇曲線
４４ 曲線
４６ 曲線
５０ ステップ上昇曲線
５２ 航空機
５４ 空港滑走路
５６ 上昇、巡航プロファイル
６０ ウェイポイント
７２ コンピュータプロセッサ
７４ メモリ
７６ 蓄積航行データベース
７８ ウェイポイント情報
８０ 航空制御パラメータ
８２ 航空機高度
８４ 航空機速度
８６ 空気温度
８８ 燃料量
９０ 空気データコンピュータ
１００ 航法センサ
１０２ 全地球位置発見システム
１０４ 慣性センサ
１１０ 制御、表示ユニット
１１２ ディスプレイ
１１４ マッハ／気速計
１１６ 高度方向指示器
１１８ 水平姿勢指示器
１２０ シンボルジェネレータ
１３０ モード制御パネル
１３２ 自動操縦装置
１３４ 操縦輪
１４０ スロットル制御装置
１４２ 自動スロットル信号
１５０ ＣＩ最適化アルゴリズム
１５２ クルーズ高度最適化アルゴリズム
１５４ ＣＩおよびクルーズ高度最適化アルゴリズム
１５６ クルーズ高度プロファイルおよびＣＩ最適化アルゴリズム
１５８ 横断経路最適化アルゴリズム
１７０ グラフ
１７２ 曲線
１７４ 始点
１７６ ポイント
１７８ ポイント
１８０ ポイント
１８２ ポイント
１８３ ポイント
１８４ 方法
１８５ ＣＩまたは巡航高度値の最大値および最小値を指定する
１８６ 既知のＦＭＳ入力パラメータを使用する
１８７ 黄金分割探索を実施する
１８８ 飛行全体のためのＣＩまたは高度を決定する
１９０ 方法
１９２ クルーズ高度およびＣＩの最大値、最小値およびデフォルト値を指定する
１９４ 既知の飛行経路およびＦＭＳ入力パラメータを使用する
１９６ 入れ子式の黄金分割探索を実施する
１９８ 飛行全体のためのクルーズ高度およびＣＩを決定する
２１０ コスト探索
２１２ コスト探索
２１４ コスト探索
２１６ ウェイポイント
２２０ 黄金分割探索

Claims (26)

1. 航空機のための飛行経路または高度のうちの少なくとも１つを含めて航空機飛行制御を管理するように構成される飛行管理システムと、
   前記航空機飛行制御を管理するために前記飛行管理システムが使用するコスト指数（ＣＩ）および巡航高度を決定するように構成される飛行パラメータ選択モジュールであって、前記決定が、飛行コスト、および前記飛行経路に沿う予測される気象に基づく、飛行パラメータ選択モジュールと
   を含む飛行制御システム。
2. 前記飛行パラメータ選択モジュールが、前記ＣＩまたは前記巡航高度のうちの１つを決定するために黄金分割探索を実施するようにさらに構成される、請求項１記載の飛行制御システム。
3. 前記飛行パラメータ選択モジュールが、前記ＣＩおよび巡航高度を決定するために入れ子式の黄金分割探索を実施するようにさらに構成される、請求項１記載の飛行制御システム。
4. 前記飛行パラメータ選択モジュールが、前記予測される気象に基づいて前記航空機の前記高度のためのステップ上昇スケジュールを決定するようにさらに構成される、請求項１記載の飛行制御システム。
5. 前記飛行パラメータ選択モジュールが、前記飛行経路に沿う複数のウェイポイントにおいて前記ＣＩおよび巡航高度を決定するようにさらに構成される、請求項１記載の飛行制御システム。
6. 前記飛行パラメータ選択モジュールが、前記ＣＩおよび巡航高度を決定するときに燃料消費情報および飛行時間情報を使用するようにさらに構成される、請求項１記載の飛行制御システム。
7. 前記飛行パラメータ選択モジュールが、前記航空機の飛行中に前記ＣＩまたは巡航高度のうちの１つを更新するようにさらに構成される、請求項１記載の飛行制御システム。
8. 前記飛行パラメータ選択モジュールが、前記ＣＩおよび巡航高度を決定するために前記飛行経路に沿う様々なポイントにおいて予報される風または予報される気温のうちの少なくとも１つを使用するようにさらに構成される、請求項１記載の飛行制御システム。
9. 前記飛行パラメータ選択モジュールが、前記航空機の飛行時間および燃料消費に対する予報精度上の気象の影響を決定するためのシミュレーション解析を実施するようにさらに構成される、請求項１記載の飛行制御システム。
10. 前記飛行パラメータ選択モジュールが、前記飛行経路全体に対して単一のＣＩ値および単一の巡航高度を決定するようにさらに構成される、請求項１記載の飛行制御システム。
11. 前記飛行パラメータ選択モジュールが、前記ＣＩおよび巡航高度を決定するときに巡航高度プロファイルまたはＣＩ値のうちの１つを最適化するようにさらに構成される、請求項１記載の飛行制御システム。
12. 前記飛行パラメータ選択モジュールが、複数のウェイポイントの各々において、フォワードプランニングを使用して、前記飛行経路の様々な部分に対して、前記決定されるＣＩおよび巡航高度を最適化するようにさらに構成される、請求項１記載の飛行制御システム。
13. 前記飛行パラメータ選択モジュールが、前記ＣＩおよび巡航高度を同時に最適化するようにさらに構成される、請求項１記載の飛行制御システム。
14. 前記飛行パラメータ選択モジュールが、前記ＣＩおよび巡航高度を最適化することと同時に複数の横断ウェイポイントを選択するようにさらに構成される、請求項１３記載の飛行制御システム。
15. プロセッサを使用する飛行計画のための非一時的なコンピュータ可読記憶媒体であって、
    飛行経路のための予測される気象情報を受け取ることと、
    航空機飛行制御を管理するために飛行管理システムが使用するためのコスト指数（ＣＩ）および巡航高度を決定することであって、前記決定が、飛行コスト、および前記飛行経路のための前記受け取った予測される気象情報に基づく、決定することと、
    前記飛行管理システムに前記ＣＩおよび巡航高度を提供することと
    を行うように前記プロセッサに指示を出すための命令を含む、非一時的なコンピュータ可読記憶媒体。
16. 前記命令が、前記ＣＩまたは前記巡航高度のうちの１つを決定するために黄金分割探索を実施するように前記プロセッサに指示を出す、請求項１５記載の非一時的なコンピュータ可読記憶媒体。
17. 前記命令が、前記ＣＩおよび巡航高度を決定するために入れ子式の黄金分割探索を実施するように前記プロセッサに指示を出す、請求項１５記載の非一時的なコンピュータ可読記憶媒体。
18. 前記命令が、前記飛行経路に沿う複数のウェイポイントにおいて前記ＣＩおよび巡航高度を決定するように前記プロセッサに指示を出す、請求項１５記載の非一時的なコンピュータ可読記憶媒体。
19. 前記命令が、前記ＣＩおよび巡航高度を決定するために前記飛行経路に沿う様々なポイントにおいて予報される風または予報される気温のうちの少なくとも１つを使用するように前記プロセッサに指示を出す、請求項１５記載の非一時的なコンピュータ可読記憶媒体。
20. 前記命令が、前記ＣＩおよび巡航高度を決定するときに巡航高度プロファイルまたはＣＩ値のうちの１つを最適化するように前記プロセッサに指示を出す、請求項１５記載の非一時的なコンピュータ可読記憶媒体。
21. 前記命令が、複数のウェイポイントの各々において、フォワードプランニングを使用して、前記飛行経路の様々な部分に対して、前記決定されるＣＩおよび巡航高度を最適化するように、前記プロセッサに指示を出す、請求項１５記載の非一時的なコンピュータ可読記憶媒体。
22. 前記命令が、前記ＣＩおよび巡航高度を最適化することと同時に複数の横断ウェイポイントを選択するように前記プロセッサに指示を出す、請求項１５記載の非一時的なコンピュータ可読記憶媒体。
23. 機体と、
    飛行経路または高度のうちの少なくとも１つを含めて航空機飛行制御を管理するように構成される、前記機体に搭載される飛行管理システムと、
    前記航空機飛行制御を管理するために前記飛行管理システムが使用するためのコスト指数（ＣＩ）および巡航高度を決定するように構成される飛行パラメータ選択モジュールであって、前記決定が、飛行コスト、および前記飛行経路に沿う予測される気象に基づく、飛行パラメータ選択モジュールと
    を含む航空機。
24. 前記飛行パラメータ選択モジュールが、前記ＣＩまたは前記巡航高度のうちの１つを決定するために黄金分割探索または入れ子式の黄金分割探索を実施するように構成される、請求項２３記載の航空機。
25. 前記飛行パラメータ選択モジュールが、前記飛行経路に沿う複数のウェイポイントにおいて前記ＣＩおよび巡航高度を決定するように、さらには、前記ＣＩおよび巡航高度を決定するために前記飛行経路に沿う様々なポイントにおいて予報される風または予報される気温のうちの少なくとも１つを使用するように、構成される、請求項２３記載の航空機。
26. 前記飛行パラメータ選択モジュールが、複数のウェイポイントの各々において、フォワードプランニングを使用して、前記飛行経路の様々な部分に対して、前記決定されるＣＩおよび巡航高度を最適化するように構成される、請求項２３記載の航空機。