飞行器竖直速度的温度校正的制作方法

相关申请的交叉引用

本国际pct专利申请依赖于2017年5月2日提交的美国临时专利申请62/500,194号的优先权，该临时专利申请的全部内容通过引用并入本文。

本披露内容总体上涉及对飞行器的竖直速度的基于温度的误差的校正。

背景技术：

空气数据惯性参考单元(iru)是飞行器控制系统的关键部件。它向电子飞行仪表系统显示器以及飞行器上的其他系统提供诸如高度的信息、以及惯性参考信息(位置和高度)。飞行员依靠由iru提供的信息来确定飞行器随时间的旋转高度和平移位置。

iru提供在相对于地球表面的竖直轴线上计算的飞行器竖直速度信号。这是通过对由iru的加速度计获得的数据进行积分，并将速度数据从飞行器机体轴线转换到地球轴线来实现的。然而，飞行器竖直速度信号趋于随着时间积累误差。虽然在某些飞行阶段(诸如起飞或巡航)时，这些误差可以被忽略，但存在其他飞行阶段(诸如着陆)，其中所累积的误差可能对飞行员正确操作飞行器的能力有影响。

虽然存在一些校正技术，但这些校正技术大部分是基于使用全球定位系统(gps)数据的，而这是一种外部输入，并且因此可能并非总是可靠的。由此，需要进行改进。

技术实现要素：

本披露提供了用于校正飞行器的竖直速度的方法和系统。并且基于几何竖直速度与所述气压惯性竖直速度之间的误差来对所述气压惯性竖直速度施加校正，以获得经温度校正的气压惯性竖直速度。

根据第一广义方面，提供了一种用于校正飞行器的竖直速度的方法。所述方法包括：基于来自所述飞行器上的惯性参考单元的惯性数据来获得所述飞行器的瞬时竖直速度；对所述瞬时竖直速度施加第一校正，以生成气压惯性竖直速度；以及基于几何竖直速度与所述气压惯性竖直速度之间的误差来对所述气压惯性竖直速度施加第二校正，以获得经温度校正的气压惯性竖直速度。

在一些实施例中，对所述气压惯性竖直速度施加所述第二校正包括应用几何变化率与压力高度变化率之间的误差的基于时间的函数。

在一些实施例中，所述误差的基于时间的函数被估计为所述几何竖直速度与所述气压惯性竖直速度之间的瞬时误差在当前时间之前的给定时间部分内的移动平均值。

在一些实施例中，所述给定时间部分是大约20秒。

在一些实施例中，所述误差的基于时间的函数被估计为施加在所述几何竖直速度与所述气压惯性竖直速度之间的瞬时误差上的一阶滤波器的输出，所述一阶滤波器具有与用于施加所述第一校正的时间常数相匹配的时间常数。

在一些实施例中，所述瞬时误差对应于：

其中vz,geom是几何竖直速度，vz,press是压力高度竖直速度，并且vz,bi是所述气压惯性竖直速度。

在一些实施例中，计算为：

其中，ts是给定高度处的静态温度，ti是海平面高度处的温度，t′是温度递减率，并且h是高度。

在一些实施例中，从所述飞行器上的空气数据传感器测量ts和h，并且h被近似为压力高度。

在一些实施例中，对所述瞬时竖直速度施加所述第一校正包括使用所述飞行器的压力高度数据来施加所述第一校正。

根据另一广泛的方面，提供了一种用于校正飞行器的竖直速度的系统。所述系统包括处理单元和非暂时性存储器，所述非暂时性存储器通信地联接至所述处理单元，并且包括计算机可读程序指令。所述指令能够由所述处理单元执行以用于：基于来自所述飞行器上的惯性参考单元的惯性数据来获得所述飞行器的瞬时竖直速度；对所述瞬时竖直速度施加第一校正，以生成气压惯性竖直速度；以及基于几何竖直速度与所述气压惯性竖直速度之间的误差来对所述气压惯性竖直速度施加第二校正，以获得经温度校正的气压惯性竖直速度。

在一些实施例中，对所述气压惯性竖直速度施加所述第二校正包括应用几何变化率与压力高度变化率之间的误差的基于时间的函数。

在一些实施例中，所述误差的基于时间的函数被估计为所述几何竖直速度与所述气压惯性竖直速度之间的瞬时误差在当前时间之前的给定时间部分内的移动平均值。

在一些实施例中，所述给定时间部分是大约20秒。

在一些实施例中，所述误差的基于时间的函数被估计为施加在所述几何竖直速度与所述气压惯性竖直速度之间的瞬时误差上的一阶滤波器的输出，所述一阶滤波器具有与用于施加所述第一校正的时间常数相匹配的时间常数。

在一些实施例中，所述瞬时误差对应于：

其中vz,geom是几何竖直速度，vz,press是压力高度竖直速度，并且vz,bi是所述气压惯性竖直速度。

在一些实施例中，计算为：

其中，ts是给定高度处的静态温度，ti是海平面高度处的温度，t′是温度递减率，并且h是高度。

在一些实施例中，从所述飞行器上的空气数据传感器测量ts和h，并且h被近似为压力高度。

在一些实施例中，对所述瞬时竖直速度施加所述第一校正包括使用所述飞行器的压力高度数据来施加所述第一校正。

根据另一广泛的方面，提供了一种计算机可读介质，所述计算机可读介质具有存储在其上的程序代码，所述程序代码能够由处理器执行以用于校正飞行器的竖直速度。所述程序代码包括指令，所述指令用于：基于来自所述飞行器上的惯性参考单元的惯性数据来获得所述飞行器的瞬时竖直速度；对所述瞬时竖直速度施加第一校正，以生成气压惯性竖直速度；以及基于几何竖直速度与所述气压惯性竖直速度之间的误差来对所述气压惯性竖直速度施加第二校正，以获得经温度校正的气压惯性竖直速度。

在一些实施例中，对所述气压惯性竖直速度施加所述第二校正包括应用几何变化率与压力高度变化率之间的误差的基于时间的函数。

根据又另一个广义方面，提供了一种用于确定飞行器飞行航径矢量的方法。所述方法包括：基于来自所述飞行器上的惯性参考单元的所述飞行器的瞬时竖直速度来获得气压惯性竖直速度；基于几何竖直速度与所述气压惯性竖直速度之间的误差来对所述气压惯性竖直速度施加校正，以获得经温度校正的气压惯性竖直速度；以及使用所述经温度校正的气压惯性竖直速度来计算所述飞行器的飞行航径矢量。

在一些实施例中，对所述气压惯性竖直速度施加所述校正包括应用几何变化率与压力高度变化率之间的误差的基于时间的函数。

在一些实施例中，所述方法进一步包括：确定用于使所述飞行器着陆的进场坡度(slopeofapproach)，并将所述进场坡度与阈值进行比较，其中，当所述进场坡度大于所述阈值时，向所述气压惯性竖直速度施加所述校正。

本文描述的系统、装置和方法的特征可以以各种不同的组合使用，并且也可以以各种不同的组合用于系统和计算机可读存储介质。

附图说明

结合附图，从下面的详细描述中，本文所描述的实施例的进一步特征和优点可以变得明显，在附图中：

图1是示意性飞行器的图示。

图2是根据一些实施例的航空电子系统的一部分的框图；

图3a是根据一些实施例的竖直速度随时间的图形表示；

图3b是图3a的曲线图的第一部分的展开视图；

图3c是图3a的曲线图的第二部分的展开视图；

图4是用于校正飞行器的竖直速度的示例方法的流程图；并且

图5是根据实施例的用于实施图4的方法的示意性计算系统的示意图。

应当注意的是，在所有附图中，相似的特征由相似的附图标记标识。

具体实施方式

参考图1，飞行器10具有机身11、一对机翼14和尾翼16，其配备有驾驶舱12和一个或多个飞行部件18。飞行器10可以是任何类型的飞行器，包括螺旋桨飞机、喷气式飞机、涡轮喷气飞机、涡轮螺旋桨飞机、涡轮轴飞机、滑翔机等。驾驶舱12可以定位在飞行器10上的任何合适位置处，例如在机身11的前部部分处。驾驶舱12被构造为用于容纳一个或多个飞行员，该一个或多个飞行员借助于一个或多个操作员控制件来控制飞行器10。操作员控制件可以包括任何合适数量的踏板、轭架、方向盘、中心操纵杆(centrestick)、飞行操纵杆、杠杆、旋钮、开关等。

飞行器10可以配备有任何合适数量的控制系统。例如，飞行器10具有航空电子系统和电气系统。航空电子系统可以包括任意数量的传感器和控制系统，以用于管理飞行器10的轨迹和操作。电气系统可以包括发电和变压系统，包括用于向航空电子系统供电。参考图2，示出了航空电子系统200的一部分。惯性参考单元(iru)202使用一个或多个运动传感器208(诸如陀螺仪)和一个或多个旋转传感器210(诸如加速度计)，来确定飞行器10在一段时间内的旋转高度和平移位置方面的变化。iru202从运动传感器208和旋转传感器210收集传感器数据，并且传感器数据被提供给飞行器计算机204进行处理。导航数据由飞行器计算机204生成并被传输到电子飞行仪器206，以便显示给飞行器10的驾驶舱12中的飞行员。

特别地，iru202从旋转传感器210收集加速度数据。飞行器计算机204对随时间的加速度数据与重力估计一起进行积分，并且使用经积分的加速度数据来确定飞行器10的竖直速度(或爬升率)。竖直速度提供给电子飞行仪器206，并且显示在竖直速度指示器(vsi)214上。vsi214告诉飞行员飞行器10是正在爬升、正在下降、或是处于水平飞行。vsi214还给出了爬升或下降的速率信息(单位为英尺/分钟)。

由于竖直速度基于空气数据，因此它对应于压力高度竖直速度，而不是几何竖直速度。在对流层，几何竖直速度和压力高度竖直速度之间的理论关系取决于温度，并且可以表达为：

在方程(1)中，vz,geom是以ft/s为单位的几何高度竖直速度，vz,press是以ft/s为单位的压力高度竖直速度，ts是以°k为单位的空中静态温度，ti是以°k为单位的海平面高度处的温度，t′是以°k/ft为单位的温度递减率，并且h是以ft为单位的高度。因此，当基于空气数据进行竖直速度计算时，会存在引入到竖直速度计算中的基于温度的误差。

根据一些实施例，飞行器计算机204包括模块212，以对使用空气数据时引入到竖直速度中的基于温度的误差而导致的飞行器竖直速度加以校正。在一些替代性实施例中，模块212可以与飞行器计算机204分开设置，并且可操作性地连接至该飞行器计算机。

在一些实施例中，模块212根据以下项对气压惯性竖直速度施加校正：

vz,corr＝e(t)+vz,bi(2)

在方程(2)中，vz,bi是气压惯性竖直速度，e(t)是表示要施加的校正的基于时间的函数，并且vz,corr是经温度校正的气压惯性竖直速度。气压惯性竖直速度与利用例如压力高度数据进行了校正的飞行器10的瞬时竖直速度相对应。经温度校正的气压惯性竖直速度被提供给电子飞行仪器206，并且显示在竖直速度指示器214上。

注意，基于温度的误差可能需要一些时间来累积，并且因此，可以随时间来确定校正值。在延迟时间不是考虑因素的一些实施例中，校正可以作为瞬时误差来施加，该瞬时误差表达为：

重新排列方程(1)，我们得到：

因此方程(3)的瞬时误差可以表达为：

在一些实施例中，ts和h从空气数据传感器获得，h被近似为压力高度，并且288.15和-0.00198的标准值分别用于ti和t′。因此，模块212可以计算瞬时误差。

在基于时间的误差作为校正来确定并应用的实施例中，可以从errinst估计e(t)。例如，e(t)可以被估计为施加在errinst上的一阶滤波器的输出，该一阶滤波器具有与用于校正瞬时竖直速度以获得气压惯性竖直速度的时间常数相匹配的时间常数。在另一个实例中，e(t)可以被估计为errinst在当前时间之前的给定时间部分内的移动平均值的输出。给定部分可以被选择为适合于所期望的精度。例如，移动平均值可以被确定为在施加校正的时间之前的10秒、20秒、30秒、60秒或任何其他时间帧内。在一些实施例中，时间帧根据iru202的规范确定。

图3a用图表示出了着陆阶段期间随时间变化的四个不同的竖直速度参数，即几何竖直速度302、气压惯性竖直速度304、使用瞬时误差来进行温度校正的气压惯性竖直速度306、以及使用基于时间的误差来进行温度校正的气压惯性竖直速度308。所有四个参数都是在飞行器10的最后进场和拉平期间测量的，其中在给定高度，温度比国际标准大气(isa)温度高出18℃。几何竖直速度302使用独立的源进行测量，并用作参考。气压惯性竖直速度304是利用iru(诸如iru202)测量的，没有任何温度校正。使用瞬时误差来进行温度校正的气压惯性竖直速度306是通过将304的测量值乘以方程(5)来获得的。使用基于时间的误差来进行温度校正的气压惯性竖直速度308是通过将从方程(5)估计的基于时间的误差添加到304的测量值来获得的。

当与参考曲线302进行比较时，气压惯性竖直速度304具有最大的偏离，特别是当竖直速度的变化率小时。使用瞬时误差来进行温度校正的气压惯性竖直速度306最初与参考曲线302紧密匹配，并且然后随时间偏离。使用基于时间的误差来进行温度校正的气压惯性竖直速度308与几何竖直速度302最紧密匹配。

图3b是示出了曲线图300的从时间t＝70s到t＝84s(在图3a中分别用标记310和312近似标识)的展开视图的曲线图318。曲线图318对应于着陆的拉平部分，其中竖直速度变化很大。可以看出，使用基于时间的误差来进行温度校正的气压惯性竖直速度308非常紧密地遵循参考曲线302。

图3c是示出了曲线图300的从时间t＝78s到t＝98s(在图3a中分别用标记314和316近似标识)的展开视图的曲线图320。一旦竖直速度接近零，则飞行器10已经着陆。曲线图320示出了一旦飞行器在地面上，气压惯性竖直速度304如何与几何竖直速度302融合。它还示出了使用基于时间的误差来进行温度校正的气压惯性竖直速度308继续与几何竖直速度302相匹配。

现在参考图4，示出了由飞行器计算机204的模块212执行的示意性方法400的流程图。在步骤402，基于来自飞行器10的iru202的惯性数据获得飞行器的瞬时竖直速度。如前所述，惯性数据通过iru202的传感器208、210获得。在步骤404，对瞬时竖直速度施加第一校正，以生成气压惯性竖直速度。在一些实施例中，使用也从iru202的传感器208、210获得的压力高度数据来施加第一校正。可替代地，可以使用标准数据或先前获得的数据。

在步骤406，施加第二校正，以便生成经温度校正的气压惯性竖直速度。在一些实施例中，第二校正是基于时间的，而在其他实施例中，它是瞬时的。基于时间的校正可以从几何竖直速度与气压惯性竖直速度之间的瞬时误差(例如通过对瞬时误差施加一阶滤波器或作为瞬时误差的移动平均值)而得到。也可以使用用于确定基于时间的误差的其他技术。

在一些实施例中，设置在飞行器计算机204中的模块212使用经温度校正的气压惯性竖直速度来计算飞行器飞行航径矢量。飞行航径矢量表示飞行器的位置的变化率，并且用于在着陆期间控制飞行器的拉平。拉平在最后的进场之后，并且在触地和着陆的滑跑阶段之前。在拉平中，飞行器的机头抬高，从而使下降速率降低，并为触地设定适当的姿态。飞行航径矢量基于从iru202获得的飞行航径角和惯性信息。如从图3b可以看出，在着陆的拉平部分期间，气压惯性竖直速度304与几何竖直速度302的偏离会将误差引入飞行航径矢量，从而影响触地。

经温度校正的气压惯性竖直速度可以因此与飞行器的方向相组合以便产生飞行航径矢量，该飞行航径矢量也可以显示在电子飞行仪器206上以引导飞行员。方向可以从iru202的传感器208、210或从其他飞行器仪器来确定。

在一些实施例中，经温度校正的气压惯性竖直速度仅用于大坡度着陆场景。例如，飞行器的进场角可以与进场角阈值进行比较，并且当超过阈值时，施加基于温度的校正。在一些实施例中，经温度校正的气压惯性竖直速度仅在外部空气温度从15℃偏离给定量(诸如5℃、10℃或任何其他合适的温差)时使用。外部空气温度可以通过飞行器上的一个或多个传感器来测量，并与温度阈值进行比较，并且当超过阈值时，施加基于温度的校正。也可以使用其他因素来用于触发基于温度的校正的施加。

参考图5，方法400可以由计算装置510实施，该计算装置包括处理单元512和存储器514，该存储器具有存储在其中的计算机可执行指令516。处理单元512可以包括任何合适的装置，这些装置被配置成用于使一系列步骤得以执行以便实施方法400，使得指令516在被计算装置510或其他可编程设备执行时，可以使本文描述的方法中所指定的功能/动作/步骤得以执行。处理单元512可以包括例如任何类型的通用微处理器或微控制器、数字信号处理(dsp)处理器、中央处理单元(cpu)、集成电路、现场可编程门阵列(fpga)、可重配置处理器、其他适当编程或可编程逻辑电路、或其任意组合。计算装置510可以仅用于实现模块212，或者模块212可以是由计算装置510执行的功能的子部件。在一些实施例中，计算装置510可以形成全权数字发动机控制器(fadec)或其他类似设备(包括电子发动机控制器(eec)、发动机控制单元(euc)等)的一部分或全部。

存储器514可以包括任何合适的已知机器可读存储介质或其他机器可读存储介质。存储器514可以包括非暂时性计算机可读的存储介质，例如但不限于电子、磁、光、电磁、红外或半导体的系统、设备或装置，或以上的任何合适的组合。存储器514可以包括位于装置内部或外部的任何类型的计算机存储器的合适的组合，例如随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、光碟只读存储器(cdrom)、电光存储器、磁光存储器、可擦除可编程只读存储器(eprom)、以及电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、铁电随机存取存储器(fram)等。存储器可以包括适用于可检索地存储处理单元可执行的机器可读的指令的任何存储器件(例如装置)。

本文描述的用于校正飞行器10的竖直速度的方法和系统可以以高级过程语言或面向对象的编程语言或脚本语言或它们的组合来实施，以与计算机系统(例如计算装置510)通信或有助于其操作。可替代地，本文描述的用于校正飞行器10的竖直速度的方法和系统可以以汇编语言或机器语言实施。该语言可以是编译语言或解释语言。用于实施这些方法的程序代码可以存储在存储介质或装置上，例如rom、磁盘、光盘、闪速驱动器或任何其他合适的存储介质或装置。程序代码可以由通用或专用可编程计算机可读取，以用于在存储介质或装置被计算机读取以执行本文所描述的过程时配置和操作计算机。本文描述的方法的实施例也可以被认为是通过其上存储有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质来实施的。计算机程序可以包括计算机可读指令，这些指令使得计算机，或者更具体地使得计算机的至少一个处理单元，以特定的和预定义的方式操作，以执行本文所描述的功能。

计算机可执行指令可以呈多种形式，包括由一台或多台计算机或其他装置执行的程序模块。一般而言，程序模块包括执行特定的任务或实施特定的抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等。典型地，在各种实施例中，程序模块的功能性可以根据需要组合或分布。

本文所披露的用于校正飞行器的竖直速度的方法和系统的各个方面可以单独使用、组合使用，或以前述内容中描述的实施例中未具体讨论的各种布置使用，并且因此在其应用方面不限于前述描述中阐述或附图中示出的组件的细节和布置。例如，一个实施例中描述的各方面可以以任何方式与其他实施例中描述的各方面相结合。尽管已经示出和描述了特定的实施例，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的情况下，可以在其更广泛的方面进行改变和修改。此外，以下权利要求的范围不应受实例中阐述的优选实施例的限制，而应给出与整个说明书一致的最广泛的合理解释。