用于验证飞行器从起点到达终点的能力的方法与流程

本发明涉及一种用于验证飞行器到达终点的能力的方法。

本发明还涉及一种用于确定可达区域的方法，计算机程序产品和相关联的分析系统。

特别地，本发明涉及包含导航计算机例如fms(飞行管理系统)计算机的机载航空电子系统，或涉及能够对飞行器的性能建模的计算机系统，更具体地说，涉及包括模型化机载航空电子系统的环境，该环境集成了导航计算机模型，例如用于fms计算机的sdk(软件开发套件)环境。

本发明使得能够检查飞行器从起点到达终点的能力，从而确定飞行器从该起点可到达的所有点。

背景技术：

在现有技术中已经存在用于以图形形式表示在假设所有发动机都停止工作的同时飞行器可到达的所有点的解决方案。

此外，一些导航计算机使得能够计算在现有外部和内部条件下在终点处剩余的燃料的预测。这些现有条件尤其包括飞行器的各种部件的操作状态，与飞行器飞越的地形相关的信息，天气条件等。这些条件可以是真实的或模拟的(也称为“假设”条件)。

通常，这种类型的计算机使得尤其能够预测在终点处剩余的燃料。

但是，现有解决方案并不完全令人满意。

特别地，根据现有解决方案从起点到终点计算的飞行器的轨迹考虑了目的地处的地形高度，但没有考虑沿轨迹的任何中间约束。因此，考虑例如地形的起伏作为外部约束，现有解决方案所做出的预测没有考虑到规避沿着轨迹定位的地形的可能的起伏。因此，这些预测可以指示位于山脉的另一侧的机场，而实际上，没有轨迹可以利用可用能量到达该机场。

此外，现有解决方案不会比较在遵守应用于飞行器的所有外部和内部约束的同时到达两个不同点所需的飞行器的能量消耗。例如，这使得通过能量消耗能够对附近的机场进行分类，以作为搜索规避机场的一部分。

本发明旨在使得飞行器的飞行员能够首先看到任何终点的接近现实的能量预测，其次看到从表示例如飞行器的当前位置的起点可到达的所有终点。

技术实现要素：

为此，本发明的目的涉及一种用于验证飞行器从起点到达终点的能力的方法。

该方法包括以下步骤：

-提供飞行器的演化的外部环境，外部环境包括能够影响起点和终点之间的飞行器轨迹的飞行器的外部约束，外部约束包括三维障碍物；

-提供飞行器的演化的内部环境，内部环境包括能够影响起点和终点之间的飞行器轨迹的飞行器的内部约束；

-根据飞行器的外部演化环境和内部演化环境，并根据用于规避三维障碍物的预定策略，计算起点和终点之间的飞行器轨迹；

-当在起点和终点之间存在至少一个轨迹时，估计飞行器在计算的轨迹的终点处的剩余能量；

-将可达性状态与终点关联，其中在可达状态或不可达状态之间选择每个可达性状态，当在起点和终点之间存在至少一个轨迹时选择可达状态，而在相反的情况下选择不可达状态。

根据本发明的其他有利方面，用于验证的方法包括单独地或以任何技术上可行的组合实施的以下特征中的一个或多个：

-针对终点关联状态的步骤还根据在终点处所需的能量裕度来实现；

-外部约束还包括外部天气条件和起点与终点之间的地形的起伏；

-飞行器的内部约束由飞行器的各种部件的操作状态决定；

-用于规避三维障碍物的预定策略包括多个规则，该多个规则限定与横向剖面相关的飞行器的竖直剖面；以及计算起点和终点之间的飞行器轨迹的步骤包括以下子步骤：

ο根据飞行器的外部演化环境和内部演化环境计算飞行器的横向剖面；

ο根据飞行器的外部演化环境和内部演化环境，并给飞行器的横向剖面应用用于规避三维障碍物的预定策略，计算飞行器的竖直剖面；

本发明还旨在一种用于确定飞行器可从起点到达的地面区域的方法，该方法包括针对所述起点和地面上的终点，迭代实施先前描述的用于验证的方法，其中对于用于验证的方法的每个新迭代，所选择的终点不同。

根据本发明的其他有利方面，确定方法包括单独地或以任何技术上可行的组合实施的以下特征中的一个或多个：

-用于规避三维障碍物的预定策略包括多个规则，该多个规则限定与横向剖面相关的飞行器的竖直剖面；

-确定方法包括以下步骤：

a)飞行器从起点传播，包括以下子步骤：

ο在飞行器的起点周围形成多个半径；

ο对于每个半径，识别具有不可达状态的终点，通过实施如上所述的用于验证的方法来确定接触点的不可达状态，其中根据一部分半径计算飞行器的横向剖面；

ο对于具有不可达状态的每个终点，进行竖直剖面的分析以及该剖面与地面的接触点的识别；

b)确定由经过所有接触点的一条和多条线形成的边界；

c)由边界限定可达区域；以及

-当在步骤b期间形成边界的至少一条线具有未闭合线时，再次对未闭合线的一端实施步骤a)，在该实施期间未闭合线的一端被视为起点，然后再次实施步骤b)，直到形成边界的线或每条线闭合为止。

本发明还涉及一种包括软件指令的计算机程序产品，当由计算机设备实现时，所述软件指令实现如上定义的确定方法。

本发明还涉及一种分析系统，分析系统包括设计成实现如上定义的确定方法的装置。

附图说明

通过阅读以下仅通过非限制性示例给出的描述并参考附图，本发明的这些特征和优点将变得显而易见，其中：

图1示出了根据本发明的分析系统的示意图，该分析系统尤其包括第一处理模块和第二处理模块；

图2示出了根据本发明的用于验证的方法的流程图，所述方法使用图1的第一处理模块来实施；

图3示出了根据本发明的用于确定的方法的流程图，所述方法使用图1的第二处理模块来实施；以及

图4和图5示出了示意图，其说明了图3的所述用于确定的方法的实施。

具体实施方式

图1的分析系统10使得能够检查飞行器从起点到达终点的能力，并确定飞行器从该起点可到达的所有点。

“飞行器”意思是指至少在地球大气层中飞行并且可由飞行员直接从它的的驾驶舱控制或远距离控制的任何设备。在第一种情况下，飞行器尤其是飞机或直升机。在第二种情况下，飞行器尤其是无人机。

在所描述的示例中，分析系统10是飞行器机载的系统。根据其他示例性实施例(下文中未描述)，分析系统10可涉及飞行器的任何其他外部系统，能够对导航计算机例如fms计算机建模。

参考图1，分析系统10包括采集模块12、第一处理模块14、第二处理模块16和输出模块18。

根据示例性实施例，分析系统10可以处于独立计算机的形式，还包括至少一个处理器和一个存储器。在这种情况下，前述模块至少部分地处于fpga(现场可编程门阵列)类型的可编程逻辑电路和/或存储在计算机存储器中并且可由计算机处理器执行的软件的形式。

根据另一示例性实施例，分析系统10由另一个车载计算机实现，例如由fms计算机实现。在这种情况下，前述模块至少部分地处于存储在这种计算机的存储器中并且可由其处理器执行的软件指令的形式。

采集模块12使得能够获取操作所需的分析系统10的所有外部数据。

具体地，参考图1，采集模块12连接到输入数据提供单元21，用于提供飞行器的演化环境的单元22，策略数据库23和标准数据库24。

输入数据提供单元21例如具有与外部系统的人机接口或通信接口，其能够向采集模块12提供系统10的操作所需的输入数据。输入数据尤其包括起点和终点或用于计算可从起点到达的区域的命令。

起点对应于例如飞行器的当前位置并且由其导航系统提供。

终点例如由飞行员引入。该点尤其对应于地面上的点，并且例如由飞行员从包括在飞行器的当前位置附近的机场的位置的数据库中选择。

当飞行员希望从例如飞行器的当前位置获得飞行器可到达的所有点时，也由飞行员引入可达区域的计算命令。

提供飞行器演化环境的单元22呈现飞行器的一组内部和外部监控系统，其能够提供飞行器的内部演化环境和飞行器的外部演化环境。

飞行器的内部演化环境包括容易影响飞行器轨迹的飞行器的内部约束。这些内部约束例如由飞行器的各种部件的操作状态限定。通过相应的监控系统确定或模拟这些操作状态(特别是通过应用本身已知的“假设”类型的条件)。

飞行器的外部演化环境包括容易影响飞行器轨迹的飞行器的外部约束。这些外部约束尤其包括存在于飞行器轨迹上的三维障碍物、外部天气条件以及飞越的地形的起伏。这些约束例如来自一个或多个数据库和/或相应的监控系统。

三维障碍物包括例如飞行器的环境中具有不同形状和结构的实际或虚构物体。这些物体可以是例如固定地标(山脉，电塔等)或移动障碍物(例如其他飞行器)。

标准数据库24包括与执行到达飞行器目的地的不同类型的途径所需的能量裕度有关的信息。

每个能量裕度尤其限定了当飞行器接近终点时所需的最小燃料阈值。该阈值可以例如调整，并且尤其使得能够规避终点附近的飞行器。

策略数据库23尤其包括用于规避三维障碍物的预定策略。

该策略可以例如在飞行之前限定，例如由操作飞行器的航空公司限定，并且包括限定规避三维障碍物的方式的多个规则。

根据示例性实施例，这种用于规避的策略包括从横向剖面限定飞行器的竖直剖面的多个规则。计算竖直剖面以遵守由标准数据库24提供的燃料裕度。

限定飞行器的竖直剖面的每个规则可以例如从以下列表中选择：

-除非另有说明，否则轨迹以“长程”类型的最佳速度进行；

-飞行器保持在其飞行范围内(低于最大高度)；

-当达到最小燃料阈值时，飞行器开始“空闲”下降直至到达地面；

-飞行器最早爬升，以避免飞行器上方和最佳高度下方的所有约束(例如地形的起伏)；

-飞行器最迟爬升，以避免飞行器上方和最佳高度下方的所有约束(例如地形的起伏)；

-飞行器尽快下降到最佳高度；

-飞行器最迟朝着终点下降。如果约束(例如地形的起伏)与此下降冲突，则下降的开始被延迟，因此不再是这种情况。

根据示例性实施例，用于规避的策略包括所有前述规则，其可以例如根据由前述列表限定的优先级顺序来实现。按此顺序，最高优先级规则是列表中的第一个规则，最低优先级规则是列表中的最后一个规则。

第一处理模块14能够处理由采集模块12获取的数据，以便实现用于验证飞行器从起点到达终点的能力的方法100。

第二处理模块16能够处理由采集模块12获取的数据以及由第一处理模块14处理的数据，以便实现用于确定由飞行器从起点到达的地面上的区域的方法200。

最后，输出模块18能够经由合适的人机接口和/或任何其他外部系统将由处理模块14、处理模块16处理的所有数据传送给飞行员。

现在，将参考图2解释用于验证的方法100，图2示出了该方法的步骤的流程图。

最初，飞行员从起点向输入数据单元21引入终点，验证飞行器到达该终点的能力是必要的。当起点不同于飞行器的当前位置时，飞行员也引入起点。

然后，分析系统10的采集模块12获取来自单元21的起点和终点、来自单元22的飞行器的外部演化环境和内部演化环境、以及来自数据库23的用于规避的策略和来自标准数据库24的必要燃料裕度。

在该方法的初始步骤110期间，采集模块12将起点和终点以及用于规避三维障碍物的策略提供给第一处理模块14。

在下一个步骤120中，采集模块12将飞行器的外部演化环境提供给第一处理模块14。

在下一个步骤130中，采集模块12将飞行器的内部演化环境提供给第一处理模块14。

在下一个步骤140中，第一处理模块14根据飞行器的外部演化环境和内部演化环境，并根据用于规避三维障碍物的策略，计算起点与终点之间的飞行器轨迹。

特别地，该步骤140包括第一子步骤141和第二子步骤142。

在第一子步骤141期间，第一处理模块16能够根据飞行器的外部演化环境和内部演化环境来计算飞行器的横向剖面。

该横向剖面例如对应于连接起点和终点的直线在水平面上的投影。

在第二子步骤142期间，第一处理模块16根据飞行器的外部演化环境和内部演化环境并通过应用用于规避三维障碍物的预定策略来计算飞行器的竖直剖面。

在步骤140结束时，飞行器的轨迹于是包括横向剖面和竖直剖面。

根据另一实施例，在该步骤140期间，第一处理模块14根据飞行器的外部演化环境和内部演化环境，并根据用于规避三维障碍物的策略，直接计算起点和终点之间的飞行器的三维轨迹。

此外，当不可能确定起点和终点之间的任何轨迹时，在该步骤140期间，第一处理模块14确定地面上最靠近终点的点，使得地面上的该点与起点之间存在轨迹。

在下一个步骤150中，当在起点和终点之间存在至少一个轨迹时，第一处理模块14根据在步骤140期间计算的轨迹估计在终点处飞行器的剩余能量。

特别地，估计的剩余能量包括在终点处剩余的能量的量和飞行器的势能。势能由飞行器的高度决定。

在下一个步骤160中，第一处理模块14将终点的可达性状态与估计的剩余能量相关联。在可达状态或不可达状态之间选择每个可达性状态，其中当在起点和终点之间存在至少一个轨迹时选择可达状态，而在相反的情况下选择不可达状态。

此外，还根据剩余能量来确定终点的可达性状态。特别地，当由该点处的剩余能量确定的估计燃料量大于来自标准数据库24的能量阈值时，确定该状态是可达状态。

在该方法的最终步骤170期间，第一处理模块14将确定的可达性状态发送到输出模块18，输出模块18将该确定的可达性状态传送给飞行员或任何其他外部系统。

现在，将解释用于确定地面上的可达区域的方法200。

当输入数据单元21获取由飞行员发送的且从起点可达到的区域的计算命令时，实现该方法200。

然后，单元21将该命令发送到分析系统10的采集模块12，如果该命令与飞行器的当前位置不同，则该命令可能具有起点。

然后，采集模块12将这些数据发送到第二处理模块16，第二处理模块16迭代实施上述用于验证所述起点和终点的方法100，为用于验证的方法的每个新迭代选择不同的终点。

为此，根据示例性实施例，第二处理模块16选择多个终点，而对于该多个终点中的每个终点，第二处理模块16借助于第一处理模块14实现用于验证的方法100。可达区域于是由提供可达状态的所有终点组成。

根据本发明的有利实施例，为此，第一模块实现下面参考图3说明的多个步骤。

特别地，在步骤a)期间，第二处理模块16使飞行器从起点传播。

“飞行器的传播”意思是指在飞行器的起点周围形成多个半径，地面上的终点具有针对每个半径确定的不可达状态。通过第一处理模块14实现用于验证的方法100来确定接触点的不可达状态，其中在步骤140的第一子步骤141期间根据一部分半径计算飞行器的横向剖面。

然后，第二处理模块16分析对应于具有不可达状态的所述点的竖直剖面，并限定该剖面与地面的接触点。

换句话说，在步骤a)期间，第二处理模块16在每个半径(也称为径向)上选择与起点足够远的点，使得该足够远的点在地面上的竖直投影对应于具有不可达状态的点。通过第一处理模块14实现用于验证的方法100来确定这种不可达状态。具有不可达状态的点因此给出与地面的接触点，该接触点对应于相应轨迹与地面的接触点。

然后，在步骤b)期间，第二处理模块16确定由经过所有接触点的一条和多条线形成的边界。

特别地，当在该步骤b)期间，形成边界的至少一条线具有未闭合线时，第二处理模块16确定一个或多个不连续区段。当确定单个未闭合线时，每个不连续区段包括同一条线的两端，或者当确定多于一条未闭合线时，每个不连续区段包括接近不同线的两端。

然后，第二处理模块16再次针对每个不连续区段执行步骤a)，其中将该区段的具有最大势能的末端视为起点。然后，第二处理模块16再次执行步骤b)，直到形成边界的线或每条线闭合。

步骤b)的不同迭代在图4和图5中示意性地示出。

特别地，这些图示出了飞越山脉m的飞行器p。

在图4所示的步骤a)和b)的第一次迭代期间，从对应于飞行器p的当前位置的起点进行传播，获得两条未闭合线l1和l2之间和两个不连续区段。

特别地，在图4中，每个不连续区段具有连接未闭合线l1和l2的末端的直线之一。在这些区段中的每一个区段上，线l1的末端e提供比线l2的相应末端更高的势能。

然后，对于线l1的每个末端e重复步骤a)，其中该末端被视为起点。然后，再次执行步骤b)。

图5示出了步骤a)和b)的若干次迭代的结果。从该图中可以看出，所得的边界包括两条闭合线l1和l2。

在最终步骤c)期间，第二处理模块16通过由边界所界定的区域确定从飞行器的起点可达到的区域。因此，在图5的示例中，可达区域在闭合线l1和l2之间。

应理解的是，本发明提供了许多优点。

首先，本发明使得通过应用用于规避三维障碍物的策略能够找到从起点到终点的飞行器轨迹。这使得在终点能够获得非常接近现实的预测，并估计该点处的剩余能量。

该估计使得在考虑例如由航空公司施加的用于规避三维障碍物的策略的同时能够将终点分类为可达点或不可达点。经由数据库23可以直接向机组人员提出该策略，以使飞行器轨迹不与航空公司的要求相冲突。

因此，本发明可以以定制的方式为每个公司或机组人员实施适当的策略。

最后，根据本发明针对不同终点进行用于验证的方法的迭代实现，使得能够确定可以从起点到达的区域；这在例如将飞行器转移到另一个机场期间提供了特别的优势。