JP7454358B2 - 到着時間制約下で巡航垂直プロファイルを最適化するためのシステム及び方法 - Google Patents
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Description
(1)横経路。これは、飛行計画(ウェイポイントを繋げたもの)が飛行管理システム(flight management system: FMS)に既知となると、(多かれ少なかれ)飛行管理システムによって固定される。ウェイポイントにおけるコースの変更を伴う旋回半径は、速度及び高度に(多少は)依存するが、これらによって大きく変化しない。
(2)残りの距離の関数としての垂直プロファイルまたは高度。これは、垂直方向の制約、及び、マニュアル的又は自動的な巡航最適化によって巡航フェーズ中に導入されるステップに依存する。上昇及び降下における垂直プロファイルは、(多少は)スケジュール速度にも依存する。
(3)速度スケジュール。これは、軌道の各地点における対気速度を示す。速度スケジュールは、さらに縦経路、横経路、天候条件、ならびに、変化する重量や飛行モードを含む航空機のパフォーマンスに依存しうる。
コスト(lb/NM)=(燃料流量(lb/hr)+100*CI)/対地速度(kts)
ここで、コストインデックスCIとは、その特定のフライトに関して航空会社が最適と判断した、運用コストと燃料コストとの比率である。コストインデックスは、通常、航空機が離陸する前に、パイロットによって、FMSのコントロールディスプレイユニット(CDU)を用いて、定数として設定される。他の巡航モードとして、長距離巡航(LRC)や、選択速度モード(SEL)がある。
(1)分離されたアルゴリズムの場合とは異なり、本明細書に提示した方法は、RTAに合致するとともに、全体にわたって最適又は最適に近い垂直プロファイルを飛行することによって燃料効率が最適化される軌道を、見つけることができる。
(2)また、本明細書に記載の統合された飛行管理機能は、最適垂直プロファイルに沿うとRTAが達成できない場合に、最適垂直プロファイルを変更することができる。このような場合、提示の統合飛行管理機能は、RTAが達成可能となるまで、燃料的に最適な垂直プロファイルを徐々に妥協させるように構成されている。この方法によれば、一定飛行レベル(一定高度)の巡航プロファイルに切り替えるという、容易に実施できる旧来型のアプローチに比べて、燃料の大幅な節約を実現することができる。
CIRTA,est = CImax - (RTA - ETAfast) × (CImax - CImin)/(ETAslow - ETAfast) (1)
ここで、CImaxは、パフォーマンスの制限に基づいてRTAについて考慮した最大コストインデックスであり、ETAfastは、CImaxに対する最適垂直プロファイルに沿った可能な限り早いETAであり、CIminは、パフォーマンスの制限に基づいてRTAについて考慮した最小コストインデックスであり、ETAslowは、CIminに対する最適垂直プロファイルに沿った可能な限り遅いETAである。得られる推定コストインデックスCIRTA,estは、RTA軌道にそのまま使用できるほど正確ではないが、最適に近いコストとなるRTA動作に対する最適垂直プロファイルを求めるには、十分に近似したものである。
CIRTA,est = CIlim - (RTA - ETAlim)×(CIlim - CInominal)/(ETAnominal - ETAlim) (2)
ここで、下付き文字「lim」は、制限条件(limiting condition)を示し、RTAがETAnominalより早いか遅いかによって、其々、CImax及び対応する最も早いETAfast、あるいは、CImin及び対応する最も遅いETAslowである。この線形探索を、図5に示している。同図は、RTAウェイポイントの推定到着時間‐対‐コストインデックスを示すグラフである。このグラフを用いることにより、本明細書に開示の巡航最適化を行う方法において、RTAコストインデックスの初期推定値を求めることができる。図5における破線は、すべてのコストインデックスの範囲についての、RTAウェイポイントにおけるETAの解空間を表しており、ここで、各コストインデックスに対して独自の最適化垂直プロファイルが適用されている。位置及び候補高度が離散化されているので、実際上のこの解空間は、ETA内に限られた数の小さな不連続/ジャンプを有する。
CIRTA,est = CIbp_up - (RTA - ETAbp_dn)×(CIbp_up - CIbp_dn)/(ETAbp_dn - ETAbp_up)
ここで、下付き文字「bp_up」は、高い方のブレークポイントを示し、下付き文字「bp_dn」は、低い方のブレークポイントを示す。
ΔCIest = CIRTA - CIETA,est (3)
ここで、
CIETA,est = CIlim - (ETA-ETAlim)×(CIlim - CIRTA)/(ETAnominal - ETAlim) (4)
CIETA,est=CIbp_up - (ETA - ETAbp_dn)×(CIbp_up - CIbp_dn)/(ETAbp_dn-ETAbp_up)
(1)最も高い上昇ステップ(the top climb step)を、ダウンパス方向、すなわち、巡航の終点寄りに、徐々にスライドさせる。最も高い巡航セクション(the top cruise section)の距離が短くなるにつれて、達成可能な最も遅いETAが、さらに遅くなる。最も早いETAも、さらに先に延ばすことができる。
(2)上昇ステップが、巡航の終点に十分に近い場合、このステップ全体を削除する。
(3)降下ステップを扱う場合は、上昇ステップと相殺させる(collapse)か現在の位置に到達するまで、降下ステップをアップパス方向にスライドさせる。
(4)より多くのETAマージンが必要な場合は、次に低いステップを、巡航の終点寄りにスライドさせる。(あるいは、降下ステップを、前の上昇ステップ又は現在位置寄りにスライドさせる。)
(5)上記の操作を、巡航垂直プロファイル内のすべてのステップに対して行った場合、達成可能なETAのウィンドウが最も広い、一定高度のプロファイルとなるが、燃料消費が最も大きいという欠点もある。
Claims (13)
- 巡航フェーズ中に、到着時刻制約を受けて、軌道に沿って航空機を飛行させるための方法であって、
(a)ウェイポイントにおける要求到着時刻を達成する速度スケジュールと、燃料効率を最適化する垂直プロファイルと、を含む最適軌道を求める工程と、
(b)前記巡航フェーズ中に前記最適軌道に沿って前記航空機を飛行させる工程と、を含み、
工程(a)は、コンピュータによって実行される統合された機能であり、前記統合機能は、要求到着時刻機能と巡航最適化とによって構成されており、
工程(a)は、RTA速度モード及び巡航最適化の両方が有効であり、且つ、前記最適軌道の前記垂直プロファイルが前記燃料効率を大幅に改善するか、あるいは前記要求到着時刻が達成不可能である場合にのみ、行われる、方法。 - 工程(b)は、前記航空機の要素としての複数の制御システムによって行われる、請求項1に記載の方法。
- 前記コンピュータは、前記航空機に搭載された飛行管理コンピュータである、請求項1又は2に記載の方法。
- 前記最適軌道を求めることは、飛行中の燃料効率を高める、前記巡航フェーズ中の高度のステップ位置を、特定することを含む、請求項1~3のいずれか1つに記載の方法。
- 巡航フェーズ中に、到着時刻制約を受けて、軌道に沿って航空機を飛行させるための方法であって、
(a)ウェイポイントにおける要求到着時刻を達成する速度スケジュールと、燃料効率を最適化する垂直プロファイルと、を含む最適軌道を求める工程と、
(b)前記巡航フェーズ中に前記最適軌道に沿って前記航空機を飛行させる工程と、を含み、
工程(a)は、コンピュータによって実行される統合された機能であり、前記統合機能は、要求到着時刻機能と巡航最適化とによって構成されており、
工程(a)は、
要求到着時刻を達成するための第1コストインデックス(CIRTA,est)を推定することと、
前記第1コストインデックスに対する最適垂直プロファイルを求めることと、
最大コストインデックス及び最小コストインデックスを用いて、前記最適垂直プロファイルの推定到着時刻ウィンドウを計算することと、
前記要求到着時刻が前記推定到着時刻ウィンドウ外であるか否かを判定することと、
前記要求到着時刻が前記推定到着時刻ウィンドウ外でない場合、前記第1コストインデックスに対する前記最適垂直プロファイルを含む軌道の予測を伴った、コストインデックスの探索反復を行い、これにより、前記最適垂直プロファイルに沿った飛行のための、前記要求到着時刻を達成する推定到着時刻を生み出す第2コストインデックス(CIRTA)を得ることと、
前記第2コストインデックスに基づいて前記最適軌道を計算することと、を含む、方法。 - 工程(b)は、前記最適垂直プロファイル及び前記第2コストインデックスに従って前記航空機を飛行させることを含む、請求項5に記載の方法。
- 工程(a)は、前記第1コストインデックスを推定する前に行われる以下の工程、すなわち、
最大コストインデックスに対する第1最適垂直プロファイルを求めることと、
前記第1最適垂直プロファイルの第1推定到着時刻を計算することと、
最小コストインデックスに対する第2最適垂直プロファイルを求めることと、
前記第2最適垂直プロファイルの第2推定到着時刻を計算することと、
前記要求到着時刻が、前記第1推定到着時刻及び前記第2推定到着時刻によって画定される推定到着時刻ウィンドウ外であるか否かを判定することと、をさらに含み、
請求項5に記載の工程は、前記要求到着時刻が前記推定到着時刻ウィンドウ外ではない場合にのみ、行われる、請求項6に記載の方法。 - 巡航フェーズ中に、到着時刻制約を受けて、軌道に沿って航空機を飛行させるためのシステムであって、前記システムは、以下の操作、すなわち、
(a)最大コストインデックスに対する第1最適垂直プロファイルを求める操作と、
(b)前記第1最適垂直プロファイルの第1推定到着時刻を計算する操作と、
(c)最小コストインデックスに対する第2最適垂直プロファイルを求める操作と、
(d)前記第2最適垂直プロファイルの第2推定到着時刻を計算する操作と、
(e)要求到着時刻が、前記第1推定到着時刻及び前記第2推定到着時刻によって画定される推定到着時刻ウィンドウ外であるか否かを判定する操作と、
(f)前記要求到着時刻が前記推定到着時刻ウィンドウ外である場合、ウェイポイントにおける要求到着時刻を達成する速度スケジュールと、燃料効率を改善する妥協最適垂直プロファイルと、を含む、妥協最適軌道を求める操作と、
(g)前記要求到着時刻が前記推定到着時刻ウィンドウ外である場合、前記巡航フェーズ中に、前記妥協最適軌道に沿って飛行するように前記航空機を制御する操作と、を行うように構成されたコンピュータシステムを含み、
前記コンピュータシステムは、操作(a)~(f)を行うように構成された第1コンピュータを含み、操作(f)は、要求到着時刻機能と巡航最適化とによって構成されている統合された機能である、システム。 - 前記コンピュータシステムは、前記妥協最適垂直プロファイルに従って飛行するように前記航空機を制御するよう構成された、第2コンピュータをさらに含む、請求項8に記載のシステム。
- 前記第1コンピュータは、前記要求到着時刻が前記推定到着時刻ウィンドウ外でない場合、前記ウェイポイントにおける前記要求到着時刻を達成する速度スケジュールと、燃料効率を最適化する最適垂直プロファイルと、を含む最適軌道を求めるようにさらに構成されており、前記第2コンピュータは、前記要求到着時刻が前記推定到着時刻ウィンドウ外でない場合、前記巡航フェーズ中に前記最適軌道に沿って飛行するように前記航空機を制御するよう、さらに構成されている、請求項9に記載のシステム。
- 前記ウェイポイントにおける前記要求到着時刻を達成する速度スケジュールと、前記燃料効率を最適化する最適垂直プロファイルと、を含む最適軌道を求める操作は、
前記要求到着時刻を達成するための第1コストインデックス(CIRTA,est)を推定す
ることと、
前記第1コストインデックスに対する最適垂直プロファイルを求めることと、
最大コストインデックス及び最小コストインデックスを用いて、前記最適垂直プロファイルの新たな推定到着時刻ウィンドウを計算することと、
前記要求到着時刻が前記新たな推定到着時刻ウィンドウ外であるか否かを判定することと、
前記要求到着時刻が前記新たな推定到着時刻ウィンドウ外でない場合、前記第1コストインデックスに対する前記最適垂直プロファイルを含む軌道の予測を伴った、コストインデックスの探索反復を行い、これにより、前記最適垂直プロファイルに沿った飛行のための、前記要求到着時刻を達成する第2コストインデックス(CIRTA)を得ることと、
前記第2コストインデックスに基づいて前記最適軌道を計算することと、を含む、請求項10に記載のシステム。 - 前記要求到着時刻が前記推定到着時刻ウィンドウ外である場合、前記第1コンピュータは、以下の操作、すなわち、
(h)前記最大コストインデックス又は最小コストインデックスに対する妥協最適垂直プロファイルを求める操作と、
(i)前記最大コストインデックス及び前記最小コストインデックスを用いて、前記妥
協最適垂直プロファイルの新たな推定到着時刻ウィンドウを計算する操作と、
(j)前記要求到着時刻が前記新たな推定到着時刻ウィンドウ外であるか否かを判定する操作と、
(k)前記要求到着時刻が前記新たな推定到着時刻ウィンドウ外でない場合、前記妥協最適垂直プロファイルを含む軌道の予測を伴った、コストインデックスの探索反復を行い、これにより、前記妥協最適垂直プロファイルに沿った飛行のための、前記要求到着時刻を達成するコストインデックス(CIRTA)を得る操作と、
(l)前記コストインデックスに基づいて前記妥協最適軌道を計算する操作と、を行うようにさらに構成されている、請求項8に記載のシステム。 - 前記第1コンピュータは、前記要求到着時刻が前記新たな推定到着時刻ウィンドウ外である場合、前記要求到着時刻を達成する最適軌道を前記統合機能が見つけることができないことを示す信号を出すように、さらに構成されている、請求項12に記載のシステム。
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