JP2018517619A - 垂直方向の飛行表示器のためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

垂直方向の飛行表示器のためのシステムおよび方法が開示される。垂直方向の飛行表示器は、パイロットによる使用の容易さのために、飛行機の垂直方向の制御に関する情報と状況に関する情報とを統合する。垂直方向の飛行表示器は、飛行経路計画、飛行経路角、および可能な飛行経路角を表示し得る。可能な飛行経路角は、全体的なエネルギー管理においてパイロットを支援するように採用され得る。垂直方向の飛行表示器は、高度および垂直速度を含んでいる状況データならびに現在の制御動作の結果を含んでいる予測データも表示し得る。予測データは、制御変更の結果を慣性的に速めることによって計算される。パイロットは、ピッチおよび動力を調整するために、垂直方向の飛行表示器によって制御変更の結果を素早く見ることができる。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、本出願の譲受人によって所有され、参照により全体が本明細書に組み込まれている、2016年6月4日出願の「SYSTEM AND METHOD FOR VERTICAL FLIGHT DISPLAY」という名称の米国仮出願第62/171,021号の優先権の利益を主張するものである。

本発明の分野はアビオニクス計測に関し、より詳細には、垂直方向の飛行情報を伴うアビオニクス計測に関するものである。

飛行機の垂直方向の飛行経路の効率的な管理は、飛行機のピッチ姿勢と動力の両方の正確かつ適時の制御を必要とする。そのようなことが特に当てはまるのは、誤差が数十フィート単位で測定される垂直方向の飛行情報であり、対照的に、水平すなわち水平方向の状況では、誤差に関してより多くの余地がある。これらの2つのパラメータの手動制御に適切な情報は、従来、別々の計器に別々の動特性を伴って表示されており、したがって、パイロットは、たとえば一定速度の上昇または下降など特定のタイプの転換が望まれる場合には、複数の計器を調査しなければならない。

この背景技術は、続く発明の概要および発明を実施するための形態の簡単な背景状況を紹介するために提供されるものである。この背景技術は、特許請求された主題の範囲を決定するのを支援するように意図されたものではなく、また、特許請求された主題を、上記で提示された不利益もしくは問題のいずれかまたはすべてを解決する実装形態に限定するものと見なすべきでもない。

上記に列記された情報のすべてを単一の計器に統合することは、種々の理由の中でもとりわけ、計算の帯域幅が不足していることや、多くの飛行機にとって、たとえば慣性感知機器などの適切なセンサばかりでなく、そのようなセンサ情報を統合する方式も欠けていることにより、以前は実現不可能であった。

加えて、性能準拠型ナビゲーション(PBN)が利用可能になる前には、一定高度の航程および最終進入部分を除けば、飛行機の飛行計画に特定の垂直方向の経路を組み込む誘因はほとんどなかった。ここで、性能準拠型ナビゲーション(PBN)は、一般に、地球の表面上に、定量化されたリアルタイムの確実性を伴って飛行機位置を定義する何らかの手段であることが注意される。この能力は、世界中の航空交通能力をより高くするためのICAOの計画にとって必須である。FAAは、米国の次世代航空交通管制システムの基礎としてPBNの概念を使用する。PBNの使用が増加すると、たとえば、高密度領域における交通の管理にとって重要な下降を含む垂直方向の経路のナビゲーションが高精度になる。

そのような垂直方向の経路の視覚化は、従来の偏差表示器と、少数の飛行機タイプにおける垂直方向の状況表示器(VSD)とに限定されている。そのような表示器は、意図された経路の「全体的眺望」の全体図を提供するように意図されているが、必要な経路追従の精度を達成するためにオートパイロットまたはフライトディレクタに依存する。

本原理によるシステムおよび方法は、パイロットに対して、表示器を参照しながら飛行機を直接制御するための十分な経路感度および傾向情報を伴う垂直方向の飛行表示器(VFD)を提供する一方で、飛行機の速度に関係なく、必要な経路の精度を達成するものである。表示器は、高精度の手動飛行をサポートするので、かなり増強された自動飛行の監視手段も提供することができる。したがって、これらのシステムおよび方法は、飛行機を制御するかまたはパイロットに対する指令を提供するために、オートパイロットまたはフライトディレクタと連動することができる。

本原理によるシステムおよび方法によれば、経路定義されたシステムも提供され、これは、たとえば十分に定義された経路が標準であるICAO/FAAのNextGen航空交通システムにおいて採用され得る。

その際、本原理によるシステムおよび方法によって提供される垂直方向の飛行表示器は、所望の垂直方向の経路に対する飛行機の近接度に関する高感度の状況データを、現在の制御動作の結果を示す予測的なデータとともに取り込み、これらの態様は単一の表示器に組み込まれ、パイロットは、ピッチおよび動力を正確に調整したり、制御の変化が垂直方向の飛行経路および全体的なエネルギー状態に対して与えると考えられる効果を直接観測したりすることができる。

経路制御を維持するのに必要な水平方向および垂直方向のスケーリングは、進展する垂直方向の状況のより長期的な全体図をパイロットに提示するために望まれるスケーリングと一致しないため、VFDは、付属の垂直方向の状況表示器(VSD)で増補されてよい。VFDの範囲内に表示された領域をパイロットに示すために、VSDの範囲内の平方形領域が採用されてよい。

本原理によるシステムおよび方法は、飛行経路角および飛行計画経路をVFD上に視覚化する手法をさらに提供する。そのような表示器は、一般にはほとんどの飛行機において利用不可能である。さらなる実装形態における本原理によるシステムおよび方法は、エネルギー管理ツールとして有利に採用され得る、飛行経路角を視覚化する手法も含む。可能な飛行経路角の範囲内のデータは、パイロットが全体的なエネルギー事情を理解して、それに応じて行動するのを支援するために採用され得る。たとえば、可能な飛行経路角が、括弧付きの(bracketing)飛行経路角として表示された加速記号によって具現化される場合、パイロットは、現在の飛行機速度および現在の飛行経路角をそのまま保持するために適量の推力を有している。加速記号が現在の飛行経路角の上に表示される場合、パイロットは、現在エネルギーが加えられており、飛行機が上昇、もしくは加速する、またはその両方の混合を実行するはずであることを知る。同様に、加速記号が飛行経路角の下にある場合には、現在の状況を維持するのに十分なエネルギーがなく、飛行機は、減速、もしくは下降する、またはその両方の混合を実行することになる。

一態様では、本発明は、垂直方向の飛行情報を表示するための方法を対象とし、この方法は、垂直方向の飛行データを含む、飛行機に関する第1の飛行データを受け取るステップと、垂直方向の飛行データの指示を表示器に表示するステップであって、表示されるデータの範囲は、先読み期間(look ahead duration in time)を表すように構成され、範囲は、この期間に飛行機が進むものと予想される距離にわたって広がる、ステップと、飛行機に関する第2の飛行データを受け取るステップと、先読み期間が一定値に保たれるように、表示器に表示される垂直方向の飛行データの指示を更新するステップとを含む。

本発明の実装形態は、以下のうちの1つまたは複数を含み得る。

第1の飛行データおよび第2の飛行データは、対地速度、垂直速度、および地面に対する近接度を含み得る。第1の飛行データおよび第2の飛行データは、垂直方向の飛行計画、現在の高度、現在の垂直速度、現在の縦加速度、現在の垂直加速度、飛行計画の下の地形プロファイル、目標高度値、滑走路の高さ(runway elevation)、および現在の計器進入方式に関する最低高度、から成る群から選択される1つまたは複数をさらに含み得る。表示するステップは、パイロットが、表示されたデータを用いて飛行機の垂直方向の飛行を制御することができるように、十分な感度で遂行され得る。表示するステップは、ピッチ制御および動力制御の直接の操作がサポートされるように行われ得る。期間は、30秒、1分、1分半、または3分から成る群から選択されてよい。この方法は、速めた垂直速度および対地速度に基づく飛行経路角を表示器に表示するステップをさらに含み得る。この方法は、慣性の縦加速度の測定値に少なくとも部分的に基づく可能な飛行経路角の指示を表示器に表示するステップをさらに含み得る。可能な飛行経路角は括弧によって指示され得る。可能な飛行経路角は、パイロットが飛行中の飛行機に関連した全体的なエネルギー事情を理解するのに役立つ情報を提供し得る。可能な飛行経路角は、飛行経路角の変化と前進速度の変化の両方の指示を表示することにより、パイロットに対して過剰な推力の現在の大きさを指示するために表示され得る。

別の態様では、本発明は、上記の方法をコンピュータ環境に遂行させる命令を含む非一時的コンピュータ可読媒体に向けられる。

別の態様では、本発明は、垂直方向の飛行情報を表示するためのシステムを対象とし、このシステムは、表示器と、少なくとも水平速度、地形の上の近接度、垂直速度、および縦加速度を含む垂直方向の飛行データを受け取るための受信モジュールと、受け取られたデータに基づいて、少なくとも可能な飛行経路角を決定するための決定モジュールと、少なくとも可能な飛行経路角を表示するための、先読み期間を有する範囲を維持するように構成された表示モジュールであって、後の垂直方向の飛行データを受け取り、先読み期間を一定値に保ったまま、表示される範囲を、後の垂直方向の飛行データを反映するように更新することによって、先読み期間を有する範囲が維持される、表示モジュールとを含む。

本発明の実装形態は、以下のうちの1つまたは複数を含み得る。

決定モジュールは、垂直速度および縦速度に基づいて飛行経路角を決定するようにさらに構成されてよく、表示モジュールは、決定された飛行経路角を表示するようにさらに構成されてよい。可能な飛行経路角は加速記号によって表示されてよく、加速記号は括弧によって表示されてよい。期間は、30秒、1分、1分半、2分、または3分から成る群から選択されてよい。表示モジュールは、表示器に目標高度を表示するようにさらに構成されてよい。表示モジュールは、現在の飛行計画経路の下の地形プロファイルを表示するようにさらに構成されてよい。表示モジュールは、飛行機の垂直位置と滑走路との間の垂直方向の関係を表示するようにさらに構成されてよい。

本発明の特定の実装形態の利点は、以下のうちの1つまたは複数を含み得る。本原理によるシステムおよび方法によって提供され得る便利なグラフィック表示は、将来のFAAの飛行経路支援のナビゲーションをサポートし得る一体化された機能を取り込んでいる。他の利点は、図を含む以下の説明から理解されるであろう。

この発明の概要は、概念の選択を簡素化した形で紹介するために提供される。これらの概念は、発明を実施するための形態の章においてさらに説明される。この発明の概要において説明されたもの以外の要素またはステップが可能であり、要素またはステップは必ずしも必要ではない。この発明の概要は、特許請求された主題の主な特徴または必須の特徴を識別するように意図されたものではなく、特許請求された主題の範囲の決定を支援するものとして使用するように意図されたものでもない。特許請求された主題は、本開示のいずれかの部分において言及された不都合点のいくつかまたはすべてを解決する実装形態に限定されるものではない。

本原理によるシステムおよび方法の一実装形態による例示的表示器を示す図である。 本原理によるシステムおよび方法の一実装形態による1つの方法を示す流れ図である。 本原理によるシステムおよび方法の一実装形態による別の例示的表示器を示す図である。 本原理によるシステムおよび方法の一実装形態による別の例示的表示器を示す図である。 本原理によるシステムおよび方法の一実装形態による別の例示的表示器を示す図である。 本原理によるシステムの一実装形態を示すシステム図である。

全体にわたって、類似の参照符号は類似の要素を指す。別様に明記されなければ、各要素は原寸に比例したものではない。

本原理によるシステムおよび方法は、いくつかの実装形態において、たとえば水平飛行を維持するため、または制御された上昇または下降を遂行するために、飛行機のピッチ軸を管理するのに必要な情報をパイロットに提供し、たとえば飛行機といった乗物の使用可能エネルギーの監視および管理を支援するために、たとえば可能な飛行経路角といった追加情報をパイロットにさらに提供する。従来、そのような情報は、制御のための姿勢指示器、ならびに状況フィードバックのための垂直速度計、高度計、およびグライドスロープ、すなわち垂直方向の経路の表示器といった個別の計器を必要としていた。この情報をリアルタイムで組み合わせることは、特に、平均的なコックピット内で多くの他の差し迫った考慮事項を有し得るパイロットにとって、非常に困難で厄介である。本原理によるシステムおよび方法は、全体的な垂直方向の状況を単一の表示器に統合するように構成され得、垂直方向の飛行中に発生していることのより完全な像をパイロットに与え、個別の計器からの情報を収集して統合された状況を精神的に構成するのに必要な精神的努力を軽減し、他の計器における必要条件を計算して、より正確な垂直方向の飛行の像を提供する。

計器は、制御情報をもたらすものまたは状況情報をもたらすものとして分類されることがある。理想的な制御情報は、パイロットの飛行制御またはエンジン制御の操作に対して、即座に、かつ正確に応答する。状況情報は、飛行機がしていることの明瞭な指示を提供するが、その応答がもたらされるのが遅れることがある。状況情報は、多くの場合、パイロットの制御の操作を超えるものに影響を受ける。実環境では、制御情報と状況情報の間の区分はそれほど明瞭ではないが、それにもかかわらず有益である。たとえば、
1. 姿勢(ピッチおよびロール)は制御情報と考えられる。
2. 高度および機首方位は状況情報である。
3. 垂直速度は、高度の変化が、計器またはエアデータコンピュータによって感知され得る静圧の変化へと進展するのに数秒かかるので、状況情報である。垂直加速度を用いて、圧力で感知される垂直速度を速める(瞬時の垂直速度にする)と、垂直速度の指示が、パイロットのピッチ制御の入力に対して速やかに応答し得る。
4. ジェットエンジンに関して、N1またはエンジン圧力比(EPR)は制御情報と考えられる。
5. 排気温度EGTは状況情報と考えられる。

本原理によるシステムおよび方法の特に有益な態様の1つは、表示のグラフィック形式に関するものである。VSDは状況情報を提供するものであり、制御には適していない。しかしながら、VFDは、パイロットによって制御に使用される感度および応答性を有する。この感度は、パイロットによるVFD情報に基づく直接制御および/またはオートパイロットもしくはフライトディレクタの制御指令の効果の正確な監視をサポートする。感度は、表示器距離および表示器高度を制御して、基本的に一定の先読み期間を維持することにより達成される。すなわち、飛行機が遭遇する可能性のあるあらゆる飛行状態に対してVFDの感度が適切なままであることを保証するために、表示領域の垂直方向および水平方向の範囲は、飛行機の対地速度、垂直速度、および地面に対する近接度に応じて連続的に調節されてよい。飛行計画経路および飛行経路角および/または可能な飛行経路角、特殊用途の空域境界、ならびに他の情報を含み得る垂直方向の飛行情報が表示器上に描写されてよく、表示器は、一定の先読み期間を維持するように構成され得、たとえば次の30秒、1分、2分、3分などの間に飛行機が遭遇するはずのものを描写する。絶対に必要とは限らないが、多くの状況において、2分の期間が適切であると理解されている。たとえば2分といった時間値によって表される一定の範囲を維持するには、たとえば飛行機の対地速度、垂直速度、および地面に対する近接度といった前述のパラメータに基づくフィードバックおよび範囲の修正が必要とされる。

大きい速度変化を前にして有効な経路感度を維持することは特別な問題であり、一般に、飛行計画経路の近くにおける垂直方向のナビゲーションデータの高速処理と併せて、慣性的に速められた経路予測を必要とする。パイロットが垂直速度の情報に基づいて直接制御するために飛行経路角の表現が十分速く動くように、垂直速度の情報が速められる。

このように、たとえば表示範囲が常にまたはほぼ常に検査されて、必要であれば最新のデータを用いて修正される、時間で測定されたときの一定の表示範囲といった維持された感度を、経路予測を速めることと併せて使用すると、すべての垂直方向の計器飛行タスクに関して、VFDを制御表示器と状況表示器の両方として使用することが可能になる。これによって、手動の飛行でもオートパイロットを使用するときでも、垂直制御の適切さおよび妥当性を評価するためのパイロットの能力が向上する。

本発明の原理による例示的表示器100が図1に示されている。気圧設定(Baroset)ボックス110は常時存在し得る。この値は、飛行機の高度が転移高度(TA)未満である限り、インチで表した水銀柱の高さ(インチで表したHgの高さ)であり、それ以外の場合には標準である。パイロットが設定した限界高度が画面の範囲外にあるときには、矢印119が存在し得る。限界高度が気圧高度(Baro Altitude)よりも高ければ矢印は上向きであってよく、限界高度が気圧高度未満であれば矢印は下向きであってよい。有効な選択された高度が存在するときには、選択された高度限界ボックス120が存在する。この値はパイロットが設定した限界高度である。当業者なら、この情報を表示する他の手法を理解するであろう。

VFDの左端に示された高度は、常に、高度を表示するためのICAO/FAA規格に準拠する気圧高度である。飛行経路角を生成するために使用される垂直速度は瞬時垂直速度(IVS)(気圧計の垂直速度および垂直方向の慣性加速度)であり、または最終進入のときには、垂直方向の経路は、瞬時のGPSの垂直速度(IGVS)(GPSの垂直速度および垂直方向の慣性加速度)によるGPSの角度として定義される。障害によって垂直方向の慣性加速度を利用することができない場合には、気圧計の垂直速度が使用される。垂直速度ラベル150は、使用される垂直速度情報のソースに応じて変化し得る。

垂直速度の予測矢印170は、現在の高度ライン180から伸びて、たとえば30秒後に到達するはずの高度を指す。この値を計算するのに使用される垂直速度は、垂直速度値140に示される垂直速度である。矢印の色は通常は白色でよいが、飛行機の下の地形までの飛行機の高さが、現在の垂直速度値に基づく値未満であって、たとえば現行の垂直速度では1分以内に衝突する場合には、たとえば琥珀色といった別の色に変化してよい。当業者なら、垂直速度の予測を表示する他の方法を理解するであろう。

飛行機記号190は、現在の高度ライン180に配置され、現在の飛行経路角に応答してそのポイントのまわりで回転し得る。当業者なら、現在の飛行計画の角度の予測を表示する他の手法を理解するであろう。たとえば、別の実装形態では、飛行機記号190は、「自機(own ship)」参照としての高度ボックス171に置き換えられてよく、その場合これは回転しない。

飛行機記号の垂直方向の位置および現在の高度の表示値は、飛行中に、進行中の垂直方向の操縦の性質に基づいて円滑に調節される。離陸および上昇の状態については、位置は、たとえば表示器の下1/3と低くなる。下降の状態については、位置は、たとえば表示器の上1/3と高くなる。水平飛行の状態については、位置は、たとえば中央の1/3と、表示器の中央に近くなる。着陸のための進入中には、飛行機の位置は、表示器の高いところから始まって、着陸滑走路の高さが一旦はっきり見えると下降することになる。

見て分かるように、表示器の範囲は分で測定され、たとえば1分と1.5分が示され、1分のマークが参照符号181によって指示されている。この点に関して、スケールが1〜3分ではなく、たとえば5分または10分などより長ければ、感度が不十分なため、情報を用いて飛行機を直接飛ばすことができないことが留意される。差の角度が比較的小さいため、飛行機が経路から外れていることをパイロットが認識するのは、経路から遠く離れてからになる可能性がある。パイロットは、経路からの変位に加えて、実際の飛行機の角度と飛行計画の角度との間の差を知ることができなければならず、すなわち、この距離は、パイロットが修正の操縦を遂行するために十分に早く知ることができるほど十分に大きくなければならない。スケールが大きすぎる場合、または垂直方向のスケールがカバーする範囲が大きすぎる場合には、角度が小さすぎて、パイロットは差を視覚化することまたは検知することができず、すなわち飛行経路から外れていることを検知することができない。飛行機が速度を変更するとき、場合によっては、角度がさらに小さくなって検出がさらに困難になるので、そのような態様は特に重要である。

前述のように、飛行機が経路の水平方向の制限の外に出ることなく、数分の1マイル、さらには数マイルだけ経路の中心線から「外れる」側方偏位とは対照的に、高度における乖離ははるかに危険であり、飛行機が数フィート以上所望の高度から離れているときには、これを認識することがパイロットにとって非常に重要である。

垂直方向の情報と水平方向の情報に対して必要とされる経路精度の大きな差により、垂直方向の飛行表示器の水平方向の寸法と垂直方向の寸法は、かなり異なるスケーリングを有する必要がある。これは、表示器に示される角度は、実環境の比率で示されるわけではないことを意味する。飛行経路角151の目盛は、パイロットに対して、表示器の現在の角度のスケーリングの視覚的な基準を提供する。飛行経路情報191は、正確にスケーリングされた角度で示され、スケーリングされた角度に関する別の有効な基準をパイロットに与える。

加えて、表示器のそのような自動のフィードバックおよび制御は、垂直方向の状況表示器において単に「ズームインする」ことと対比され得る。飛行機の速度変化の影響、相違する水平方向のスケーリングと垂直方向のスケーリング、および「ズーミング」によって達成されるそのようなスケールの変化が達成されるレベルの固定性のために、単に「ズームインする」ことは、厄介で不休の努力を必要とするので、パイロットにとって望ましくない選択肢であり、実際、コックピットの作業負荷を緩和するという目標は達成されない。

再度図1を参照すると、決心高度183が示されており、これは「最小値」と称されるいくつかのタイプのパラメータのうちの1つである。決心高度は、滑走路がパイロットに見えていること、またはパイロットが進入復行を実行することが必要とされるポイントである。そのような決心高度表示器も、本原理によるシステムおよび方法の特に有益な特徴である。一般に、そのような「最小値」データはデジタル化されず、ナビゲーションデータベースに正確に入力されなければならない。そのようなことを表示することにより、特に有益な新規の特徴がもたらされる。

地形情報153もVFDに表示され得る(図1を参照されたい)。VFD/VSD上に表される地形情報は、関連する飛行計画経路が存在しない場合には、意図された飛行計画経路または現在の飛跡角度の延長に沿った各「スライス」の地形における最高の高さの実線から成る。地形データの「スライス」は、飛行計画経路または飛跡に対して垂直であり、飛行計画の中心線の両側に、必要な経路幅の約1.8倍にわたって広がる。スライスの形状は、経路の中心線の定義に依拠する。スライスは、飛行計画の中心線が直線のときには長方形であり、中心線が曲線であれば台形である。

地形情報は、地形の高さが表示器の高度範囲の内部にある表示された範囲の部分に関して表示される。一旦、地形がVFDの画面の高さの下部の15%以内に見えると、飛行機位置は現在の垂直速度の割合で下降する。

図2は、たとえば図1ならびに図3といった上記のインターフェースを構築するために採用され得る、本原理による方法を示す流れ図175である。第1のステップで、垂直方向の飛行データを含む、飛行機に関する第1の飛行データが受け取られる(ステップ172)。次いで、垂直方向の飛行表示の指示が表示器に表示される(ステップ173)。この表示器は一定の期間をカバーするように作製されている。たとえば、表示されるデータの範囲は、先読み期間を表すように構成されてよく、その期間に飛行機が進むものと予想される距離にわたって広がる。次いで、飛行機に関する第2の飛行データが受け取られる(ステップ177)。次いで、表示器の、垂直方向の飛行データの指示が、先読み期間を一定値に保つように更新される。

実装形態では、第1の飛行データおよび第2の飛行データは、一般に、対地速度、垂直速度、および地面に対する近接度を含み得る。他の実装形態では、垂直方向の飛行計画、現在の高度、現在の垂直速度、現在の縦加速度、現在の垂直加速度、飛行計画の下の地形プロファイル、目標高度値、および現在の計器進入方式に関する最低高度を含む追加データが演算に組み込まれてよい。

前述のように、表示器に、そのような情報を、飛行機の制御のために有効な手法で供給するステップは、そのままでは制御のために有効でない、または感度が不十分なデータを「速める(quickening)」様々なステップを必要とする。たとえば、速めたデータを制御に使用するのであれば、変更が行われた場合に、変更の結果を直ちに見ることができるようにするべきである。たとえば、パイロットはピッチを変更しなければならないことがあり、これは飛行経路角を変更することになる。飛行経路角が十分に変化すれば、それ以上の調節は不要である。変化が十分でなければ、パイロットはピッチをさらに変化させる必要があり得、そのような調節は迅速なフィードバックを必要とする。一実装形態では、クィックニングは慣性の相補フィルタによって達成される。航空機によっては、たとえば大気圧によって決定される垂直速度が短期的には実質的に不適当なことがあるため、そのようなクィックニングにより、センサのアーチファクトなどが防止される。したがって、大気圧の読取り値を、たとえばAHARSを使用した慣性感知と組み合わせると、より優れ、より正確な垂直速度の測定が可能になる。そのように感知することにより、飛行機の上昇または下降の速度が、非常に正確に、その上非常に迅速に決定され得る。この意味で、大気圧は瞬時の垂直速度に対して長期の成分をもたらし、慣性感知は瞬時の垂直速度に対する短期の成分をもたらし、それらが組み合わさって、垂直速度がその量に対して全般的に許容できる円滑な値になる。

図3は、本原理による垂直方向の飛行表示器150の別の例示的インターフェースを示す。図1と共通の要素については再び説明せず、上記の先の説明が参照される。図3では、飛行計画経路191はポイントXYZ12に向けて示されており、現在の飛行経路角193はたとえば前述の第1の飛行データまたは第2の飛行データといった現在の飛行データに基づいて示されている。パイロットまたは他のオペレータに対して可能な飛行経路角または加速度の指示を与える括弧195が示されており、これは以下で説明する。

この状況では、一般に、あらゆる飛行機の垂直方向の経路の長期の制御は、飛行経路角と推力(または動力)という2つの別々の制御手段を調整する問題であることが注意される。一定の動力設定において、飛行機の飛行経路角の変化は速度変化をもたらし、その逆も成立する。現在の飛行機では、出力操作は、特定の飛行機のタイプおよび飛行機のエンジン特性に特有の習得されるスキルである。その飛行機におけるパイロット経験が、しばしば遭遇する状況で必要とされる動力変化の量をパイロットが推定することを助ける。その推定を使用してパワーレバーを位置決めし、次いで、パイロットは結果として生じる速度変化を待つ。所望の速度または速度変化の割合を達成するとき、このプロセスが繰り返される。

本原理によるシステムおよび方法により、飛行経路角の可視化が可能になり、これを制御ベースで利用することができる。あらゆる環境において必要とされる動力変化の大きさに関して、即時のフィードバックが受け取られ得る。すなわち、意図されたように速度が変化するか(否か)を確かめるために待つ必要はない。結果として、自動スロットルなしで、またはパイロットが手動でピッチおよび動力を管理したいとき、飛行機の速度管理のためのパイロットの作業負荷が軽減され、意図された速度がより正確に追従される。

より詳細には、飛行経路角の正接は、垂直速度を対地速度で割ったものであるである。一般に、パイロットは、ピッチ姿勢を調節して飛行経路角を変化させることにより飛行経路角を制御する。飛行経路角の表示器は前述の表示器上にあってよく、一定の先読み期間を有する範囲を伴う。

慣性のクィックニングのステップは、垂直速度を、使用可能なほど十分に円滑で正確なものにするように、垂直速度に対して遂行される。より詳細には、飛行経路角は部分的には高度に基づき、高度は、大気圧の変化が緩慢であるために一般に状況情報と考えられ、したがって制御には使用することができない。しかしながら、飛行経路角は、垂直速度を対地速度で割った量などに基づいて飛行経路角情報を「速める」ことによって制御に使用することができ、垂直速度は、前述のように、垂直加速度情報などを用いて「速められ」ている。場合によっては、対地速度も「速められ」てよいが、現在の等級の飛行機については、そのようなことは一般に不要である。これにより、パイロットは、飛行経路に対する垂直ピッチ入力の最終的な効果を理解することができる。

飛行経路角の表示器における演算に対する入力は、詳細には、縦速度、(速められた)垂直速度ばかりでなく、場合によっては以下で説明されるような他のパラメータを含み得る。

可能な飛行経路および飛行経路加速度という用語は同一の記号を指し、違いは、意図される記号情報の使用にあることが注意される。この双対性は、パイロットの記号195の使用の主要な特性である。明瞭さのために、この文献では可能な飛行経路という用語を使用するが、他の用語も同様に使用され得る。

本原理によるシステムおよび方法は、可能な飛行経路角の指示も計算して表示し得、パイロットに対して高度に有益なエネルギー管理ツールも提供する。このデータは、パイロットの、全体としてのエネルギー事情の理解を支援するために使用され得る。たとえば、図3の括弧195によって示されるように、可能な飛行経路記号が飛行経路角を括弧で囲む場合には、パイロットは、飛行機が現在何をしていようと、それを維持するように設定された正確な量の推力、すなわち正確なエネルギー量を有している。言い換えれば、パイロットは、現在の速度が変化しない一定のグライドパスを飛行することを意図するのであれば、可能な飛行経路記号195が現在の飛行経路角193に確実に重なるように推力設定を調節するべきである。対照的に、加速度記号が高く、現在の飛行経路角の上にある場合には、現在パイロットが飛行機にエネルギーを加えており、飛行機は上昇するか、加速するか、または両方の組合せを遂行することになる(これも例示的地形表示器を示す図4を参照されたい)。言い換えれば、パイロットは、一定の動力設定で上昇しながら加速することを意図するのであれば、飛行経路角が可能な飛行経路記号の下になるように調節するべきである。生じる加速度は、記号と飛行経路の間の角距離に正比例する。可能な飛行経路記号が飛行経路角の下にある場合には、現在の状況を維持するのに十分なエネルギーがなく、飛行機は、パイロットの選択に応じて減速するかまたは下降する(図5を参照されたい)。

本原理によるシステムおよび方法は、たとえば縦加速度情報を使用して、可能な飛行経路角を計算し得る。縦加速度情報はAHRSから得られるものでよく、表示システムのプロセッサによって適切にスケーリングされ得、表示システムは速度の変化率の即時の指示をもたらす。本原理によるシステムおよび方法は、縦加速度を、等価な飛行経路角の変化に変換し得る。パイロットは、そのような情報を使用することにより、現在の垂直方向の飛行タスクのために、ピッチと動力/推力/エネルギーとの両方を管理するのに必要なすべての情報を得る。

このように、本原理によるシステムおよび方法は、パイロットに対して重要な情報を提供し、さらに、多くの状況に適用され得る情報を提供する。たとえば、有効な推力は高度に応じて変化する。そのため、上昇に利用可能なエネルギー量は数千フィートにわたって一定ではない。パイロットは、本原理によるシステムおよび方法なしではこの情報を得られず、上記で説明されたように、複数の計器を監視していなければ、速度を、最良の速度上昇率未満へ不注意に低下させる(または飛行機が下降している場合には不注意に加速する)可能性が非常に高く、次いで、「取り戻す」必要が生じて動力を調節する可能性がある。対照的に、本原理によるシステムおよび方法を用いると、何が起っているのかが直ちに明らかになり、飛行経路角は、利用可能な動力と整合するように調節され得る。たとえば、飛行機が上昇していれば、より高い高度における利用可能な推力は高度とともに低下するはずであり、加速度記号は低下を示し得る。本原理によるシステムおよび方法を使用すると、表示器が、航空機に対する正味の「推力-(マイナス)抗力」すなわち「質量×縦加速度」の結果を指示するように加速度記号括弧の位置を調節するので、パイロットは、上昇するために、その高度における利用可能な推力を利用して飛行経路角を容易に調節することができる。

一般に、推力が直接知られることはない。しかしながら、慣性の感知から、各軸においてF=maが決定され得る。特定の例として、縦加速度がゼロであれば、縦方向の正味の力「推力-抗力」はゼロでなければならない。ほとんどの飛行機については、パイロットは、抗力をあまり制御することができず、そのため、正味の「推力-抗力」を短期的に変化させるには推力を変化させるしかない。

抗力は、フラップ、着陸用の脚、速度ブレーク、および飛行機速度によって変化する。フラップと着陸装置は一般にオン/オフであり、それらの使用は他の考慮事項によって決まる。パイロットに適切な制御デバイスが与えられていれば、縦力制御に速度ブレークが使用され得るが、速度ブレークは揚力にもつながるので、パイロットは、すべての速度ブレーク変更に対してピッチ姿勢を変化させなければならず、大きな作業負荷を伴う。飛行機速度は変化するのに時間がかかり、範囲に対してかなりの影響があり、パイロットは、現在の飛行相向けに計画された速度から逸脱したがらない。

そのため、実際問題として、抗力変化は、正味の「推力-抗力」を制御するための合理的な手法ではない。したがって、ここで開示される可能な飛行経路角は、一般に推力制御に関するものである。しかしながら、たとえば着陸用の脚が伸びることによって抗力変化が生じるとき、可能な飛行経路角の点から、縦加速度に対する影響が直ちに明白になる。これは、パイロットに、飛行機の抗力の状況が変化するときにどれだけの推力を加えるべきか、または除去するべきかについての付加的な洞察力を与える。

別の例では、特定の操縦において一定速度の維持が望まれることがあり、その結果として、括弧の位置は、パイロットが操縦中に一定速度を得るために制御することを可能にするように計算されてよい。たとえば、パイロットは、水平飛行から上昇へ、または下降から水平飛行への転換を望むことがある。不都合点として、垂直方向の操縦が開始されるまでに、不注意で推力が遅れやすく、すなわち動力を加える/差し引くことに遅延が生じやすい。そのような誤差が生じると、存在する推力の過剰または不足に応じて速度が変化する。本原理によるシステムおよび方法を使用すると、正味のゼロ速度変化をもたらすように、ピッチと動力が同時に調節され得る。そのようなことは、そのような飛行機が典型的に急加速する場合と同様に、パイロットが注意を払っていなければ下降時に動力が迅速に除去されず、飛行機が望ましくない速度を取り戻してしまう場合にも特に有効であり得る。本原理によるシステムおよび方法では、パイロットは、自分の行為の影響を直ちに見ることができ、すぐに動力を引き戻すかまたは加えることができる。

可能な飛行経路のスケールは、記号195が飛行経路角と整列しない状況に対してどれだけの角度変化または加速度が利用可能かをパイロットに指示する。各目盛は、3°の角度変化または毎秒1ノットの加速度を表す。このスケールは現在の飛行経路角を基準とし、したがって飛行経路角の変化に伴って回転する。

垂直方向の飛行表示器に対する入力は、真の風速と、対地速度と、垂直速度と、現在の高度と、地面の上の現在の位置と、飛行計画/飛行計画の経路すなわち辿ることが望まれる空間の経路と、計算された飛行機性能と、水平方向の飛行計画経路に沿った地形およびその両側の地形と、出発地および到着地の空港の位置と、空港の近くにおける障害除去上昇の制約と、飛行計画におけるあらゆる計器進入方式と関連した最小値とのうち、1つまたは複数を含み得る。一般に、加速度は、縦方向、水平方向、および垂直方向で測定される。垂直加速度は、飛行経路角を発展させるためのクィックニングプロセスの範囲内のステップを遂行するのに使用される。縦加速度は可能な飛行経路角の演算に使用される。慣性の感知はこれら3つの軸における加速度を感知するために使用され得る。

次に、本原理によるシステムおよび方法の追加の変形形態を説明する。

飛行機の飛行経路角も、飛行機ピッチ軸のフゴイド(長期)モードの周波数の振動が生じやすい。速められた垂直速度データを用いて、表示される飛行経路角を「速める」ことにより、フゴイドによるほとんどの振動は表示器から除去され得、飛行経路角のデータは、パイロットが制御基準として使用するのに十分な応答性を得る。フゴイドは、すべての飛行機の、ピッチ外乱に対する応答の通常の特性である。フゴイドは減衰が弱く、したがって減衰するのに数サイクルかかる。フゴイド周期は、飛行機のタイプおよび飛行状態に応じて変化する。多くの飛行機では、フゴイド周期は15〜25秒である。

多くの計器飛行タスクは一定速度を必要とするが、加速度を必要とするものもある。そのような場合、可能な飛行経路角記号は、可能な飛行経路角(括弧)が現在の飛行経路角の上にあるとき、推力が上昇と加速の両方に対して十分であることが直ちに明らかになるので有益である。反対に、減速する条件を含んでいる下降は、推力の変化だけを用いて両方の目標を満たすのは不可能な可能性があるので、要求が非常に厳しい。推力を低減しても、必要な降下角未満である可能な飛行経路角が達成されない場合、パイロットは、抗力を追加するか、下降を開始する前に速度を下げなければならないことを直ちに認識する。

前述のように、VFD情報の十分な感度を維持するために、表示範囲は短く(画面の端まで3分以下に)保たれ得る。パイロットに、垂直方向の飛行経路のより長い範囲の見通しを提示するために、VFDの真下に垂直方向の状況表示器が配置されてよい。垂直方向の状況表示器の範囲はHSDの範囲と同一でよい。パイロットが両方の表示器を使用するのを支援するために、VSDの、VFDによってカバーされる領域は、背景の残りの領域とは異なる形で陰を付けてよい。

他の変形形態では、いくつかの垂直方向の飛行タスクは地面を基準として定義され、他のタスクは局所的な気団を基準として定義されることが注意される。たとえば、一実装形態では、航空交通管制に関連したタスク向けには、気圧に関連した垂直方向のデータが採用される。他方では、最終進入のためには、経路が地面に対して定義されるGPSの垂直方向のデータが採用され、そのため、飛行経路角の垂直成分は、整合するべき瞬時のGPSの垂直速度である。飛行経路角および飛行経路の加速度指示などの態様は、実装形態に応じて、これらの異なるタスク向けに適切に計算されて表示され得る。同様に、飛行計画経路の角度は、確立された垂直方向の制約および飛行機の上昇または下降の能力と矛盾しないように計算され得る。

別の変形形態では、垂直方向の飛行計画は、様々な寸法の曲線部分によって接続された直線部分から構築された水平方向の計画に沿って定義される。VFD上に表示される解決策は、水平方向の経路に沿って計算されてよく、垂直方向のタスクが幾何学歪みなしで表示されることを保証する。パイロットが、水平方向の経路に入っていない場合または水平方向の経路から外れることを選択した場合には、VFD上に表示される解決策は、現在の飛跡角度の延長に沿って計算されてよい。

図6は本発明の一実施形態によるシステム300を示す。システム300は、垂直方向の飛行データを表示する表示器310を含む。システム300は、たとえば第1の飛行データ、第2の飛行データなどの垂直方向の飛行状況に関する情報を受け取る受信モジュール320も含む。受信モジュール320は、たとえば有線または無線であり得る入力ポートを介して、様々な手法でそのようなデータを受け取ってよい。前述のように、情報には、一般に、たとえば真の風速と、対地速度と、垂直速度と、現在の高度と、地面の上の現在の位置と、飛行計画/飛行計画の経路すなわち辿ることが望まれる空間の経路と、計算された飛行機性能と、水平方向の飛行計画経路に沿った地形およびその両側の地形と、出発地および到着地の空港の位置と、どちらかの空港の近くにおける障害除去上昇の制約と、飛行計画におけるあらゆる計器進入方式と関連した最小値との、入力データが含まれる。決定モジュール330は、とりわけ、飛行経路角と、飛行計画経路と、たとえば前述の可能な飛行経路の記号すなわち括弧といった可能な飛行経路角とを計算する。表示モジュール340は、計算された可能な飛行経路角および他の計算値/計算結果を得て、それらを表示器310上にグラフィック式に表現する。これは、単にシステムモジュールの1つの可能な構成を示すものであり、当業者なら、本原理によるシステムの様々な他の可能な構成を理解するはずである。他のシステム構成要素も含まれ得る。

このシステムおよび方法は、任意数のコンピュータデバイスにおいて完全に実施され得る。一般的には、命令は、一般に非一時的であるコンピュータ可読媒体上に置かれ、これらの命令は、コンピュータデバイスのプロセッサが本発明の方法を実施することを可能にするのに十分なものである。コンピュータ可読媒体は、実行されるときランダムアクセスメモリにロードされる命令を有するハードディスクまたはソリッドステート記憶装置でよい。たとえば複数のユーザまたは任意の1人のユーザからのアプリケーションに対する入力は、任意数の適切なコンピュータ入力装置によるものでよい。たとえば、ユーザは、演算に関連するデータを入力するのに、キーボード、マウス、タッチスクリーン、ジョイスティック、トラックパッド、他のポインティングデバイス、または他のそのようなコンピュータ入力装置を採用してよい。データは、挿入されたメモリチップ、ハードディスク、フラッシュディスク、フラッシュメモリ、光媒体、磁気媒体、または何らかの他のタイプのファイル記憶媒体によって入力されてもよい。出力は、ビデオグラフィックスカードまたはユーザに見られ得る表示器に結合されている集積されたグラフィックスチップセットによってユーザに伝えられてよい。この教示を前提として、任意数の他の有体の出力も、本発明によって企図されるものと理解されよう。本発明は、たとえばパーソナルコンピュータ、ラップトップコンピュータ、ノート型コンピュータ、ネットブックコンピュータ、ハンドヘルドコンピュータ、携帯情報端末、携帯電話、スマートフォン、タブレットコンピュータといった任意数の異なるタイプのコンピュータデバイス上で実施され得、これらの目的のために特別に設計された装置上でも実施され得ることにも留意されたい。一実装形態では、スマートフォンまたはWi-Fi接続された装置のユーザは、無線インターネット接続を使用して、サーバからそれらの装置へアプリケーションのコピーをダウンロードする。アプリケーションは、モバイル接続を通じて、またはWi-Fi接続もしくは他の無線ネットワーク接続を通じてダウンロードされ得る。次いで、アプリケーションがユーザによって実行され得る。そのようなネットワーク化されたシステムは、システムおよび方法に対して複数のユーザが個別の入力を与える実装形態に適切なコンピュータ環境を提供し得るものである。アビオニクスの制御システムおよび情報システムが企図される上記のシステムでは、複数の入力により、複数ユーザが、関連するデータを同時に入力することが可能になり得る。

上記の説明は本発明の様々な実施形態を開示するものであるが、本発明の範囲は、ここに添付される特許請求の範囲およびその等価物によってのみ限定されることになる。

100 表示器
110 気圧設定ボックス
119 矢印
150 垂直速度ラベル
151 飛行経路角
170 垂直速度の予測矢印
171 高度ボックス
180 現在の高度ライン
181 1分のマーク
183 決心高度
190 飛行機記号
191 飛行計画経路
193 現在の飛行経路角
195 括弧

Claims (19)

1. a. 垂直方向の飛行データを含む、飛行機に関する第1の飛行データを受け取るステップと、
   b. 前記垂直方向の飛行データの指示を表示器に表示するステップであって、前記表示されるデータの範囲は、先読み期間を表すように構成され、前記範囲は、前記期間に前記飛行機が進むものと予想される距離にわたって広がる、ステップと、
   c. 前記飛行機に関する第2の飛行データを受け取るステップと、
   d. 前記先読み期間が一定値に保たれるように、前記表示器に表示される前記垂直方向の飛行データの指示を更新するステップとを含む、垂直方向の飛行情報を表示するための方法。
2. 前記第1の飛行データおよび前記第2の飛行データが、対地速度、垂直速度、および地面に対する近接度を含む請求項1に記載の方法。
3. 前記第1の飛行データおよび前記第2の飛行データが、垂直方向の飛行計画、現在の高度、現在の垂直速度、現在の縦加速度、現在の垂直加速度、飛行計画の下の地形プロファイル、目標高度値、滑走路高さ、および現在の計器進入方式に関する最低高度、から成る群から選択される1つまたは複数をさらに含む請求項2に記載の方法。
4. 前記表示するステップは、パイロットが、前記表示されたデータを用いて飛行機の前記垂直方向の飛行を制御することができるように、十分な感度で遂行される請求項1に記載の方法。
5. 前記表示するステップは、ピッチ制御および動力制御の直接の操作がサポートされるように行われる請求項4に記載の方法。
6. 前記期間が、30秒、1分、2分、または3分から成る群から選択される請求項1に記載の方法。
7. 速めた垂直速度および対地速度に基づく飛行経路角を前記表示器に表示するステップをさらに含む請求項1に記載の方法。
8. 慣性の縦加速度の測定値に少なくとも部分的に基づく可能な飛行経路角の指示を前記表示器に表示するステップをさらに含む請求項1に記載の方法。
9. 前記可能な飛行経路角が括弧によって指示される請求項8に記載の方法。
10. 前記可能な飛行経路角が、パイロットが飛行中の飛行機に関連した全体的なエネルギー事情を理解するのに役立つ情報を提供する請求項8に記載の方法。
11. 前記可能な飛行経路角が、飛行経路角の変化および／または前進速度の変化の両方の指示を表示することにより、過剰な推力の現在の大きさを指示するために表示される請求項8に記載の方法。
12. 請求項1に記載の方法をコンピュータ環境に遂行させる命令を含んでいる非一時的コンピュータ可読媒体。
13. 垂直方向の飛行情報を表示するためのシステムであって、
    a. 表示器と、
    b. 少なくとも水平速度、地形の上の近接度、垂直速度、および縦加速度を含む垂直方向の飛行データを受け取るための受信モジュールと、
    c. 受け取られたデータに基づいて少なくとも可能な飛行経路角を決定するための決定モジュールと、
    d. 少なくとも前記可能な飛行経路角を表示するための、先読み期間を有する範囲を維持するように構成された表示モジュールであって、後の垂直方向の飛行データを受け取り、前記先読み期間を一定値に保ったまま、前記表示される範囲を、前記後の垂直方向の飛行データを反映するように更新することによって、前記先読み期間を有する範囲が維持される、表示モジュールとを備えるシステム。
14. 前記決定モジュールが、前記垂直速度および前記縦速度に基づいて飛行経路角を決定するようにさらに構成されており、前記表示モジュールが、前記決定された飛行経路角を表示するようにさらに構成されている請求項13に記載のシステム。
15. 前記可能な飛行経路角が加速記号によって表示され、前記加速記号が括弧によって表示される請求項13に記載のシステム。
16. 前記期間が、30秒、1分、2分、または3分から成る群から選択される請求項13に記載のシステム。
17. 前記表示モジュールが、前記表示器に目標高度を表示するようにさらに構成されている請求項13に記載のシステム。
18. 前記表示モジュールが、現在の飛行計画経路の下の地形プロファイルを表示するようにさらに構成されている請求項13に記載のシステム。
19. 前記表示モジュールが、飛行機の垂直位置と滑走路との間の垂直方向の関係を表示するようにさらに構成されている請求項13に記載のシステム。