确定下降剖面的方法和系统
1.关于联邦赞助的研究或开发的声明
2.本发明是在政府支持下根据由美国联邦航空管理局授予的第dtfawa-15-a-80013号合同做出的。政府对这项发明拥有一定的权利。
技术领域
3.本公开涉及用于确定飞行器的下降剖面的方法和系统。
背景技术:4.飞行管理系统(fms)是飞行器上的基于计算机的系统,它执行许多飞行中任务,包括根据飞行计划和性能目标的飞行中管理。fms已经使用多年,fms迄今使用的编程技术是针对前几代计算机化系统的计算能力而设计的。例如,目前仍在服务中的现有fms通常对关于飞行路径的许多复杂和变化的参数作出假设,包括但不限于关于飞行器及其性能特性的方面的预限定(即,恒定)值和用于飞行器操作的恒定值,例如,在飞行下降部分期间的恒定飞行器校准空速或马赫数。
技术实现要素:5.本公开的方面和优点将在以下描述中部分阐述,或者可以从描述中显而易见,或者可以通过本文公开的实践来学习。
6.在一个方面,本公开涉及一种以下降剖面操作运载器的方法,所述方法包括:在控制器模块处获得飞行器的性能特性的数学模型;基于所述数学模型生成至少第一下降段的优化制导轨迹,所述优化制导轨迹通过随高度单调递减的变量而被参数化,并确保满足高度参数;和在第二下降段期间,在以基于位置的制导操作之前,根据所述优化制导轨迹操作所述飞行器,所述基于位置的制导在初始点开始。
7.在另一方面,本公开涉及一种用于确定下降剖面的系统,所述系统包括:存储器,所述存储器存储飞行器性能特性;控制器模块,所述控制器模块被配置为执行以下步骤:获得飞行器的性能特性的数学模型;基于所述数学模型生成至少第一下降段的优化制导轨迹,所述优化制导轨迹通过随高度单调递减的变量而被参数化,并确保满足高度参数;和在以基于位置的制导操作之前,根据所述优化制导轨迹操作所述飞行器,所述基于位置的制导在初始点开始。
8.参考以下描述和所附权利要求书,本文公开的这些和其他特征、方面和优点将变得更好地理解。并入本说明书中并构成本说明书一部分的附图图示了本公开的示例,并且与说明书一起用于解释本文公开的原理。
附图说明
9.本说明书参考附图阐述了针对本领域普通技术人员的本说明书的完整且能够公开的内容,包括其最佳模式,其中:
10.图1示意性地示出了根据本文描述的各个方面的包括下降剖面的飞行器的飞行剖面。
11.图2是根据本文描述的各个方面的对图1的飞行器的飞行进行制导的飞行器系统的示意图。
12.图3更详细地示意性地示出了图1的下降剖面,进一步包括根据本文描述的各个方面的优化制导轨迹和基于位置的制导部分。
13.图4是示出根据图3的下降剖面的对运载器进行制导的方法的流程图,其具有本文描述的各个方面。
具体实施方式
14.本公开的各方面可以在任何环境、装置或方法中实现,用于利用系统来确定或估计下降剖面,而与下降设备执行的功能无关。具体地,可以通过两个下降段来执行下降剖面。第一下降段由优化制导轨迹限定,而第二下降段由基于位置的制导限定。尽管根据飞行器进行了描述,但下降剖面可由任何空基运载器(例如固定翼或基于转子的运载器,例如直升机)利用。
15.为了确保飞行器根据下降剖面操作,如本文所述,下降剖面的第一下降段,具体地,根据优化状态轨迹操作的下降剖面的部分,可以是根据基于位置的制导操作的下降剖面的第二下降段的初始点的上行轨道。如本文所使用的,术语“轨道”可以指飞行器相对于地球表面的位置。通过这样说,术语“上行”可以指飞行器相对于地球表面的任何位置,其中第一下降段结束,使得其相比于第二下降段的开始在预定目的地(即,目的地机场)的更上游。第一下降段的结束是第二下降段的开始的上行轨道,确保飞行器到达第二下降段的初始点的正确高度。
16.虽然将描述“一组”各种元件,但是将理解“一组”可包括任意数量的相应元件,仅包括一个元件。此外,如本文所使用的,虽然传感器可以被描述为“感测”或“测量”相应的值,但是感测或测量可以包括确定指示相应值或与相应值相关的值,而不是直接感测或测量值本身。感测的或测量的值可进一步提供给附加部件。例如,可以将该值提供给控制器模块或处理器,并且控制器模块或处理器可以对该值执行处理以确定代表值或代表所述值的电特性。
17.除非另有说明,所有定向引用(例如,上、下、向上、向下、较高、较低、后、前、上方、下方、垂直、水平等)仅用于识别目的以帮助读者理解本公开,并且不产生限制,特别是关于其位置、取向、相对位置或使用的限制。除非另有说明,否则连接参考(例如,附接、联接、连接和接合)将被广义地理解,并且可以包括元件集合之间的中间构件和元件之间的相对运动。因此,连接引用不一定推断两个元件直接连接并且以固定关系彼此连接。在非限制性示例中,连接或断开可被选择性地配置成提供、启用、禁用或类似的各个元件之间的电连接。示例性附图仅用于说明的目的,并且在附图中反映的尺寸、位置、顺序和相对大小可以变化。
18.如本文所使用的“系统”可包括“控制器”或“控制器模块”可包括被配置或适于为可操作部件提供指令、控制、操作或任何形式的通信以影响其操作的部件。控制器模块可以包括任何已知的处理器、微控制器或逻辑器件,包括但不限于:现场可编程门阵列(fpga)、
复杂可编程逻辑器件(cpld)、专用集成电路(asic)、硬件加速逻辑控制器(例如用于编码、解码、转码等)等,或其组合。控制器模块的非限制性示例可以被配置或适于运行、操作或以其他方式执行程序代码以实现操作或功能结果,包括执行各种方法、功能、处理任务、计算、比较、感测或测量值等,以实现或实现本文描述的技术操作或操作。操作或功能结果可以基于一个或多个输入、存储的数据值、感测或测量的值、真或假指示等。虽然描述了“程序代码”,但是可操作或可执行指令集的非限制性示例可以包括例程、程序、对象、组件、数据结构、算法、门阵列等,其具有执行特定任务或实现特定抽象数据类型的技术效果。在另一个非限制性示例中,控制器模块还可以包括可由处理器访问的数据存储组件,包括存储器,无论是过渡存储器、易失性或非瞬态存储器还是非易失性存储器。存储器的附加非限制性示例可以包括随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、闪存、或一种或多种不同类型的便携式电子存储器,诸如光盘、dvd、cd-rom、闪存驱动器、通用串行总线(usb)驱动器等,或这些类型的存储器的任何适当组合。在一个示例中,程序代码可以以处理器可访问的机器可读格式存储在存储器中。此外,存储器可以存储各种数据、数据类型、感测或测量的数据值、输入、生成或处理的数据等,这些数据可由处理器在提供指令、控制或操作以影响功能或可操作的结果时访问,如本文所述。
19.本公开涉及确定可包括非线性编程的诸如飞行剖面的制导指令。如本文所使用的,术语“非线性编程”是在一组决策或控制变量上解决由等式和不等式系统限定的优化问题的过程,统称为“约束”,以及要最大化或最小化的目标函数,其中一些约束或目标函数是非线性的。数学优化的子领域是处理非线性问题的。飞行剖面可以进一步包括剖面的子集,例如爬升剖面、巡航剖面或下降剖面。飞行剖面可以包括或限定通过将所确定的控制应用于给定的假定初始操作状态和环境条件的运动方程式而确定、估计或预测的飞行路径。在一些方面,本公开特别涉及使用确定、运算、计算、估计、预测或非线性编程来降低飞行路径的下降阶段或部分的成本参数的系统和过程。在一些方面,可以利用非线性编程技术来更准确和有效地限定飞行路径下降剖面并生成优化状态或控制轨迹。如本文所使用的,术语“确定”是指已经发生或正在发生的成果或结果的系统或方法的确定(例如,“当前的”或“目前的”成果或结果),并且与术“预测”相反,术语“预测”是指使成果或结果在实际发生之前已知的前瞻性确定或估计。
20.在一些方面,非线性编程可用于解决由一组未知真实变量上的约束系统限定的制导优化问题(例如,最小化燃料消耗、减少飞行时间、满足调度约束等)。使用非线性编程技术和当前的计算能力相结合可以提供一种机制来解决和生成复杂的制导优化非线性问题的解决方案。本文使用的术语“飞行器”、“固定翼飞机”或“飞机”可包括美国联邦法规第14篇第25部分(14cfr第25部分)中提及的商用飞行器,其中包含适航标准规则:运输类飞行器、无人机和其他飞行器。
21.图1示出了诸如飞行器20的飞行路径的飞行剖面10(示意性地示出为沿着飞行剖面10飞行的虚线框)的非限制性示意表示。如图所示,飞行剖面10通常包括三个阶段或部分,包括爬升剖面12或上升剖面、巡航剖面14和下降剖面16。图1中的图表示出了飞行器20的高度(垂直轴线)和范围(水平轴线)之间的一般关系。本公开的方面可以包括确定、估计或预测有效下降剖面16。如本文所使用的,“有效”下降剖面16可以包括但不限于下降剖面16,以及使下降剖面16的成本值(诸如燃料消耗、下降时间、重新调度成本等)降低或最小化
的下降剖面16。当确定有效下降剖面16或下降剖面的效率时,可以包括附加的“成本”。因此,本公开的方面可以包括确定、估计或预测成本优化的下降剖面16。
22.图2示出了用于确定图1的下降剖面16的系统30的非限制性示例,包括在飞行器20沿着飞行剖面10飞行或根据飞行剖面10操作时确定下降剖面16。如图所示,系统30可以包括控制器模块32。处理器34和存储器36可以包括在控制器模块32中,或者以其它方式通信地联接到控制器模块32。系统30的非限制性方面还可以包括一组输入设备38、通信设备40、一组输出设备46和飞行剖面数据库42。一组飞行路径数据44可经由飞行剖面数据库42被访问或包括在飞行剖面数据库42内。一组飞行路径数据44的非限制性示例可以包括用于飞行剖面10或其部分的计算的剖面数据。在另一非限制性示例中,一组飞行路径数据44可以包括数据组,诸如但不限于,先前确定的或以其他方式预限定的数据、飞行剖面10、临时计算出的数据或飞行剖面10、或其任何组合。因此,可以将当前或临时的飞行路径数据组44与先前确定的飞行路径数据组44进行比较。在本公开的另一非限制性方面中,一组飞行路径数据44可以包括与飞行路径或飞行剖面或其子部分相关的参数数据。例如,一组飞行路径数据44可以包括各种其他数据组,诸如但不限于航路点数据、进近数据、一组性能特性点数据或其任何组合。如本文所使用的,短语“点数据”可以指任何确定的、估计的或预测的航空电子参数,诸如但不限于沿着飞行路径的一连串或一系列的点的位置、空速、高度、航向等。在另一个非限制性示例中,一组性能特性点数据可以进一步限定飞行器20的附加特性,例如但不限于劣化参数(例如反映与飞行器或其部件的年龄相关的飞行器性能特性变化),或个性化参数(例如反映飞行器机队内的特定飞行器20的不同配置或部件,例如发动机)。在这个意义上,飞行路径数据44或飞行剖面可以包括一连串或一系列单独或离散的“点”或“模型”。
23.在一个示例中,一组输入设备38可适于向控制器模块32提供或供应至少一组飞行器数据。该组输入装置38可以包括但不限于传感器、检测器、附加系统或其任何组合。该组飞行器数据可以与飞行器20的方面、目前或预测的飞行相适或相关,并用于建立、确定、估计或预测与飞行路径数据44相关的方面。在该意义上,该组飞行器数据可用于通知或更新当前、估计的或未来的飞行路径数据44。
24.该组输出设备46可以被配置成接收系统30的数据或通信,诸如飞行管理系统(fms)、自动驾驶系统、自动飞行系统、自动着陆系统等的数据或通信。可以设想,系统30的至少一部分可以被包括以作为fms、或另一飞行器20或航空电子系统的一部分。系统30可以将飞行剖面数据库42或飞行路径数据44的至少一部分提供给另一接收设备。例如,其他接收设备可以包括但不限于电子飞行袋(efb)等。通信设备40可以包括被配置成能够在系统30与另一设备或系统之间进行通信的任何系统、发射机、接收机、信号发生器或其他机制。例如,通信设备40可以被配置成发送或接收与基于地面的系统、机场命令和控制系统、天气系统或基于卫星的系统、其他飞行器等的通信。例如,通信设备40可以被配置成接收或发送与空中交通管制(atc)、航空运营中心(aoc)等的通信。在这个意义上,系统30可以利用通信设备40来接收与飞行器20的目前或预测的飞行路径数据44的方面相适或相关的附加的飞行器数据或通信,或者可以将飞行路径数据44的方面通信到另一个设备、系统等。因此,通信设备40可以作为输入设备(类似于一组输入设备38)和输出设备(类似于一组输出设备46)或其组合来作用或执行。如本文所使用的,通信设备40可适于处理数字或数据传输(例
如,上传或下载)以及模拟或非数据传输(例如,语音无线电等)。
25.进一步设想,系统30或控制器模块32中的至少一个可以与进近数据48的数据库和成本概况数据50的数据库通信地联接。如本文所使用的,短语“进近数据”48可以包括与朝向诸如机场的飞行目的地的最后进近或着陆进近有关的数据。进近数据48可以为在目的地着陆的最后进近的飞行器20限定一组预期性能特性或航空电子参数。该组预期性能特性可以包括但不限于一组离散的性能特性点,包括但不限于最后进近空速、最后进近水平距离(相对于目的地)、最后进近高度、航向等。在一个非限制性示例中,进近数据48可以通过一组标准性能特性来预限定,并且由可访问数据库、目的地(即,目的地机场或另一个相应目的地)等来存储、保持或维护。
26.成本概况数据50可以包括与操作、飞行、维护或以其他方式利用飞行器20相关联的数据或值的集合。成本概况数据50可适于向控制器模块32供应或提供成本或值数据。例如,成本概况数据50可以包括与燃料成本或值、基于推力的燃料燃烧率、与调度相关的值(例如乘客调度成本或机组调度成本)或其任何组合相关的至少一组数据,但不限于这些数据。
27.虽然进近数据48和成本概况数据50被显示为远离系统30,系统30的非限制性方面,但可以设想,进近数据48和成本概况数据50可被包括在系统30中。例如,可以在系统30的存储器36中复制、拷贝或存储进近数据48或成本概况数据50的至少一部分。在另一示例中,系统30或存储器36可以通过提供给通信设备40的传输来接收进近数据48或成本概况数据50的至少一部分。另外,虽然一组输入设备38、通信设备40和一组输出设备46被示出为系统30的一部分,但是可以包括本公开的非限制性方面,其中一组输入设备38、通信设备40、一组输出设备46或其子集远离系统30定位并且与系统30通信连接。
28.图3示出了图1的飞行剖面10的下降剖面16。如图所示,显示了巡航剖面14的有限部分,以示出下降剖面16在下降顶部67处开始。可以理解的是,巡航剖面14以及因此下降顶部67可以处于任何合适的巡航高度。下降剖面16可以包括朝向目的地(示出为机场62)下降的飞行器20的下降轨迹60。下降剖面16可以包括与飞行器20的下降有关的并且未由下降轨迹60示出的附加信息。例如,下降剖面16可以包括成本分析、天气交互、定时考虑等,而下降轨迹60可以被限制为例如空速、航向、油门控制或飞行器特定特性。下降轨迹60可以进一步分成两个相应段;第一下降段64和第二下降段66。
29.第一下降段64可以指下降剖面16从最高高度或下降顶部67到第一下降段64的最小高度的部分,最小高度是第二下降段66的上行轨道。这样,第二下降段64结束的点可以被限定为上行轨道点68。第一下降段64可以进一步限定为下降轨迹60的一部分,该下降轨迹60的一部分经由系统30特别是经由控制器模块32被计算为从下降顶部67到第二下降段66的开始的点上行轨道的最佳优化路径或操作。如本文所使用的,短语“最佳优化”可以指经由系统30考虑各种航空电子参数或性能特性的最具成本效益的路径的优化,各种航空电子参数或性能特性例如但不限于燃料成本、燃料水平、空速、高空风、乘客舒适性、怠速推力、运载器的重量或其任何组合。因此,第一下降段64可以被限定为下降轨迹60的一部分,在这一部分中根据优化的制导轨迹操作飞行器20。可以理解的是,操作或计算最优化、极大优化或最小次优的成本效益路径并不在术语“优化制导轨迹”的范围之外。如本文所使用的,术语“优化制导轨迹”可指任何合适的优化开环控制轨迹,其使用一组控制变量(例如,运载器
的速度、推力或俯仰角)来优化飞行器20的成本函数。此外,应当理解,术语“优化制导轨迹”还可以指使用一组状态变量(例如,运载器的速度、位置、速度或加速度)来优化飞行器20的成本函数的任何合适的优化状态轨迹。如本文所使用的,术语“成本函数”可指优化飞行器20的任何适当目标的任何适当目标函数,诸如但不限于货币成本、下降时间、路径角度、最大耐力或最大范围,或其任何组合。
30.第二下降段66可以指下降剖面16在初始点70处开始的区段。可以设想,初始点70可以在下游或以其他方式从上行轨道点68侧向移位到机场62。可选地,上行轨道点68可以包括初始点70或者以其他方式与初始点70重合。换句话说,上行轨道点68和初始点70可以是相同的点,使得第一下降段64的结束和第二下降段66的开始不会横向移位,并且第一下降段64可以在上行轨道点68处并入第二下降段66。如本文所使用的,短语“横向移位”指沿着必须处于相同高度的下降轨迹60,飞行器20相对于机场62的两个位置之间的距离。例如,上行轨道点68从机场62横向位移的距离可以比初始点70从机场62横向位移的距离更远。以这种方式,过渡区域74可以被包括在上行轨道点68和第二下降段66的开始(被示出为初始点70)之间。过渡区域74可以被限定为下降剖面16的一部分,该下降剖面16的一部分是上行轨道点68的下行轨道并且相对于平均海平面处于恒定高度。
31.第二下降段66可以被限定为下降轨迹60从初始点70跨越到初始进近定位点72的一部分。在第二下降段66期间,飞行器20可根据其相对于地面的位置来操作。因此,第二下降段66可以被限定为下降轨迹60的一部分,在下降轨迹60的这一部分中,飞行器20经由基于位置的制导来操作。如本文所使用的,短语“基于位置的制导”是指基于飞行器20相对于下降剖面(或位置轨迹)的瞬时位置的操作,下降剖面(或位置轨迹)相对于地球表面被限定。
32.第二下降段66通向进近阶段76,该进近阶段76可以被限定为下降剖面16从初始进近定位点72到机场62的一部分。应当理解,第二下降段66不在机场62处终止,而是在初始进近定位点72处终止,或者换句话说,在进近阶段76的开始处终止。
33.可以设想,图2的系统30可以被配置成确定、生成、计算或以其他方式限定下降剖面16或下降轨迹60的一个或多个部分。包括至少一部分下降轨迹60可以在第一下降段64开始之前在飞行器20的飞行期间限定。另外或者替代地,下降轨迹60的部分可以在第一下降段64或第二下降段66期间限定。例如,在第一下降段64期间,可以由系统30的一部分重新确定、重新生成或以其他方式更新第二下降段66的一部分或第一下降段64的下行轨道部分(即,上行轨道点68)。在另一个非限制性示例中,系统30的各个方面可以在飞行发生之前或在操作飞行器20之前(例如,小时、天、周等),估计或预测未来下降剖面16或下降轨迹60。在另一个非限制性示例中,系统30可以被配置成在不同的或远程定位的系统之间共享或分配确定的、生成的、计算出的或以其他方式限定的下降剖面16或下降轨迹60。例如,诸如但不限于efb、fms、atc、aoc或其任何组合的各种外部源可被配置成接收、发送、生成或以其他方式执行对下降轨迹60的任何更新。
34.在操作中,系统30可以通过从通过预定的基于位置的制导所操作的第二下降段66开始来可操作地确定、预测或估计下降剖面16或下降轨迹60。更具体地,系统30沿着下降剖面16向上反向计算下降剖面16或下降轨迹60的第一下降段64(例如,在远离机场62的可变距离处反向计算第一下降段64)。如本文所使用的,沿着下降剖面16的“向上”方向由箭头或
向上方向78表示。系统30进行操作,以通过基于紧接在第一下降段64的前面部分来求解或计算第一下降段64的后续部分的性能特性,以在向上方向78上反向计算第一下降段64。本说明书中的“前面”是指与向上方向78相反的方向。
35.因此,飞行器20经由系统30接收或以其他方式生成第二下降段66。应当理解,第二下降段66可以经由系统30从机场62或初始进近定位点72反向计算到初始点70。第二下降段66可以包括或以其他方式基于进近数据48生成飞行器20的性能特性,系统30随后可以从第二下降段66沿向上方向78反向计算第一下降段64。
36.第一下降段64的每个反向计算可以求解一个或多个航空电子参数,包括但不限于空速或可变推力参数控制。在一个非限制性方面,经由系统30求解的航空电子参数可至少部分地由于飞行器20的函数(例如,成本函数)而被优化,诸如求解与怠速推力控制值不同或大于怠速推力控制值的可变推力控制(例如,推力大于零或部分推力的性能特性)。进一步设想,仅在下降剖面16的一部分期间,例如在下降剖面16的前一半期间,可变推力控制可以被约束或以其他方式被限制。在这种情况下,下降剖面16的前“一半”可以由高度、时间等或其组合来限定。如本文所使用的,“可变推力控制”等是指能够实现或被配置成调节飞行器20或飞行器发动机的推力或推力输出的设置、输入、控制系统响应等。例如,可变推力控制可以包括发动机控制设置或参数、燃料消耗设置或参数等。在另一非限制性示例中,可变推力控制可以包括能够实现推力或推力输出的设置或参数的组合。
37.如本文所讨论的,第一下降段64以及因此第一下降段64的每个反向计算可以至少部分地基于由成本概况数据50限定的成本值或成本参数。例如,航空电子参数可以包括基于使由成本概况数据50限定的成本或值最小化的空速或可变推力控制。因此,第一下降段64的反向计算可以创建飞行器20从巡航剖面14到至少上行轨道点68的优化制导轨迹。
38.可以设想,第一下降段64的优化制导轨迹是可变速度、可变推力控制的结果,该结果使飞行器20的至少一个成本函数最小化。具体地,第一段的优化制导轨迹可以使飞行器20的直接操作成本(doc)最小化。doc可以指飞行器20在飞行器20下降期间执行至少一部分所需的特定成本(例如,第一下降段64的doc)。在下降的这个部分的过程中,运载器的垂直位置不受控制。然而,根据速度和推力控制历史以及估计的运载器重量和高空风来预测优化制导轨迹。因此,第一下降段64的优化制导轨迹是估计。如本文所述,可以预测优化制导轨迹,以确保飞行器20沿着优化制导轨迹的态势感知。如本文所使用的,短语“态势感知”可指机组人员或飞行员能够沿着优化制导轨迹看到飞行器20的各种航空电子特性的能力。换句话说,第一下降段64的预测可以生成一组预测的航空电子特性(例如,预测的高度或预测的速度)。该组预测的航空电子特性可由一个或多个飞行员或机组人员访问或以其他方式看到,使得飞行员或机组人员可容易地在优化制导轨迹的下游部分看到预测的航空电子特性。可以预测优化制导轨迹,以进一步确保当飞行器20到达必须与第二下降段66的初始点70的高度相同的上行轨道点68时,飞行器20处于目标高度。进一步设想,可以预测优化制导轨迹,以确保初始下降点与下降顶部67重合。换句话说,由于从上行轨道点68反向计算第一下降段64,所以重要的是确保计算出的初始下降点与下降顶部67相同。还可以进一步预测优化制导轨迹,以找到能够使飞行器20的doc最小化的成本优化的推力和空速。
39.进一步设想,系统30还可以通过沿着第一下降段64的至少一部分首先计算阈值来求解一个或多个航空电子参数。例如,阈值可以是但不限于飞行器能量值,即,飞行器20在
沿着第一下降段64的对应部分处的势能和动能的实际量、估计量、预测量或任意量的合计或总和。另外或者替代地,通过知道或已经预先计算第一下降段64的前面部分,第一下降段64的另一部分的后续反向计算可以至少部分地基于例如飞行器20的实际的、估计的、预测的或确定的空速或推力控制(例如,将与飞行器20的动能相关的值)。进一步设想的是,第一下降段64的后续反向计算可以至少部分地基于空速、推力控制、高度或在第一下降段64的前面部分中限定或计算的任何其他性能特性的子集。后续反向计算可以进一步基于飞行器20或环境的附加状态信息,诸如由一组输入设备38或通信设备40接收的数据,并且包括但不限于大气信息、飞行路径约束、运载器约束、机场交通、天气模型等。
40.以第一下降段的有限间隔重复的反向计算可以进一步基于连续更大或更高的飞行器20能量水平,其中,随着第一下降段64沿向上方向78移动,由于更高的高度和更高的空速或推力控制,能量水平连续地更大或更高。连续更大或更高的飞行器20的能量水平的非限制性示例可以基于预定的、确定的、计算的、实际的、估计的、预测的或任意的能量水平的增加。在一个非限制性示例中,当反向计算达到、满足、超过或满意由系统30(例如通过一组输入设备38或通信设备40)感测或测量的飞行器20的当前性能特性(例如,当前高度、当前空速或其组合)时,重复反向计算可以停止或结束。或者,当反向计算到达、满足、超过或满意巡航剖面14时,重复反向计算可以停止或结束。
41.除了示出和描述的方面和配置之外,本公开还设想许多其他可能的方面和配置。例如,本公开的一个方面设想,系统30可以计算、估计或预测下降剖面16或下降轨迹60沿着第一下降段64的飞行器操作特性。本公开的另一方面设想,系统30还可以至少部分地基于飞行器20的确定的、计算的、估计的或预测的重量来确定下降剖面16。例如,系统30可以基于例如影响飞行器20的重量的燃料燃烧速率、巡航剖面14、总体飞行剖面10或当前飞行计划、飞行器20在初始下降点处的估计水平距离等或其组合来估计或预测飞行器20在下降剖面16的估计或预测初始下降点处的重量。然后,系统30可以执行重复的反向计算,如本文所述。一旦系统30确定或预测下降剖面16,系统30可进一步基于巡航剖面14、下降剖面16的水平距离以及下降剖面16的性能特性(诸如可变推力控制)来确定或预测飞行器重量。然后,系统30可以将初始下降点处的估计或预测的飞行器重量与下降剖面16的反向计算出的估计或预测的飞行器重量进行比较,并且在满足比较(例如,该比较在值、范围、阈值或容差之外)时,通过利用初始下降点处的飞行器重量的更新的预测或估计反复地反向计算新的第一下降段64,来重复该过程,以确定或预测新的下降剖面16。
42.图4示出了在图3的下降剖面16中操作飞行器20的非限制性示例性方法100。应当理解,尽管根据飞行器20进行了描述,但是应当理解,方法100可应用于如本文所述的任何合适的运载器的下降。还应当理解,尽管方法100的各个部分是根据“在控制器模块32”进行的描述,但是方法100的各个部分可以代替地在运载器可访问的“任何适合的设备上”执行。例如,就飞行器20而言,任何合适的设备可以是但不限于efb、fms、aoc、atc或其任何组合。
43.方法100可以通过在102在控制器模块32处获得飞行器20的数学模型而开始。具体地,数学模型可以被限定为飞行器20的一个或多个性能特性或航空电子参数的表示。换句话说,数学模型可以是飞行器20从下降顶部67到目标高度(即,上行轨道点68或初始点70)的运动的模型。然后,在步骤104处,经由控制器模块32生成第一下降段64的优化制导轨迹。优化制导轨迹可以通过随高度单调递减的变量来参数化。优化状态轨迹例如可以是下降轨
迹60的朝向目标高度(即,上行轨道点68或初始点70)单调递减的部分。优化状态轨迹可以单调地递减,使得在第一下降段64的末尾满足高度参数或目标高度。换句话说,高度参数可以包括从下降顶部67开始并且在上行轨道的最小高度(即,上行轨道点68)处结束的优化制导轨迹,该最小高度是第二下降段66的基于位置的制导的初始点70。进一步设想的是,下降顶部67和上行轨道点68之间的垂直距离可被划分为有限数量的均匀间隔。一旦生成了优化的状态轨迹,则在106处,可以根据优化的制导轨迹来操作飞行器20。根据优化制导轨迹的飞行器20的这种操作可以发生,直到满足高度参数。一旦满足并且飞行器20处于初始点70,则在108处,可以根据基于位置的轨迹操作飞行器20。应当理解,可以根据基于位置的轨迹,在下行轨道、下游或准确地在上行轨道点68(根据优化状态轨迹的飞行器20的操作结束)处的点来操作飞行器20。然而,如果飞行器20不在初始点70处,则飞行器20将继续按照优化制导轨迹操作,直到到达初始点70。应当理解,飞行器20的操作可以通过飞行员或自动驾驶员中的至少一个跟踪由系统30(例如,fms)生成的优化控制输入来执行。
44.方法100中描绘的序列仅用于说明性目的,并且不意味着以任何方式限制方法100,因为应当理解,方法的部分可以以不同的逻辑顺序进行,可以包括附加的或介入的部分,或者可以将方法的描述的部分划分为多个部分,或者可以省略方法的描述的部分而不减少所描述的方法。
45.在一个非限制性示例中,可以通过使用从第二下降段66反向计算第一下降段64来计算数学模型。另外或替换地,运载器运动或数学模型可从一组微分代数方程导出。因此,数学模型可以包括或以其他方式从一组状态变量导出。该组状态变量可以被限定为与飞行器20的操作有关的一组航空电子参数,诸如但不限于运载器的空气动力学、推力、力矩、飞行器的质量、推力或其任何组合。进一步设想,一旦获得数学模型,在102处,可以在数学模型中消除一组快速动态状态变量以创建降阶数学模型。如本文所使用的,快速动态状态变量可指对飞行器20的燃料消耗具有可忽略影响的各种航空电子参数或状态变量。例如,飞行器20的迎角或升降舵偏转可以被认为是可以被消除以生成降阶数学模型的快速动态状态变量。然后,在104处,优化制导轨迹的生成可以基于降阶数学模型、或者以其他方式通过降阶数学模型生成。
46.在另一非限制性示例中,在104处生成的优化制导轨迹的生成可以进一步包括计算沿数学模型的优化制导轨迹的速度作为控制变量。选择速度作为控制变量,可以将哈密顿函数限定为每能量单位的有向操作成本。进一步设想,在104生成的优化制导轨迹的生成可以进一步包括一个或多个变量间隔的参数化,以求解数学模型的至少一部分,具体地说是数学模型的哈密顿函数。可变间隔可以包括但不限于能量间隔、高度间隔或时间间隔。例如,换句话说,可以通过经由系统30生成一组参数方程来找到优化制导轨迹的路径,可以通过在飞行器20下降期间的能量间隔的参数化来找到或者以其他方式求解一组参数方程。
47.在另一个非限制性示例中,在104处生成优化制导轨迹可以进一步包括基于性能特性或航空电子参数的成本分析。成本分析可以通过本文描述的方法来完成。具体地,成本分析可以通过如本文所述的方法反向计算第二下降段64,并且在生成优化制导轨迹中利用成本概况数据50的至少一部分来完成。
48.在另一个非限制性示例中,方法100还可以包括经由系统30检查在104处生成的优化制导轨迹是否符合一组空域约束。换句话说,可以经由系统30将优化制导轨迹与一组已
知的或接收的空域约束进行比较,以确保优化制导轨迹不会干扰该组空域约束中包括的一个或多个空域约束。一组空域约束可以包括但不限于运载器的高度、运载器的速度或其任何组合。允许的控制被约束,使得下降轨迹60的每个部分符合特定于空域的高度和速度限制。例如,在下降轨迹60的一个或多个部分期间,高度和速度限制可能需要恒定的高度。因此,将理解,如本文所示的下降轨迹60是下降轨迹60的示意性表示。换句话说,下降轨迹60可以限定为从下降顶部67单调递减到初始进近定位点72。例如,第一下降段64的一部分可以包括当与第一下降段64的其他部分相比时飞行器20的高度变化速率不同的部分(例如,第一下降段的一部分可以是恒定的)。
49.本文公开的方面提供了用于确定或预测下降剖面的方法和系统。技术效果是,上述方面使得能够确定、预测或以其他方式生成由飞行器飞行的下降剖面。可以在上述方面实现的一个优点是上述方面降低了飞行器的下降阶段期间的飞行操作成本。成本可以在时间、调度、燃料消耗或成本概况数据50捕获的其他方面中测量。本公开的另一优点可以包括从巡航剖面更平滑地过渡到下降剖面,改善乘客乘坐质量。
50.可以设想,本公开的方面对于用于在下降期间操作运载器的传统系统或方法而言是有利的。例如,传统的系统和方法可以创建仅包括基于位置的制导(例如,滑翔路径)的下降轨迹,该基于位置的制导基于完美的运动方程、运载器重量和其他参数(例如,高空风)来近似最佳状态轨迹。仅依靠基于位置的制导带来各种挑战,例如但不限于跟踪怠速或另外不考虑运载器重量和其他参数(例如,高空风)的影响的恒定推力下降轨迹的复杂性。这样,传统的系统和方法可以导致下降轨迹不是成本最优化的下降,并且在一些情况下,错过下降轨迹的目标点(例如,飞行器结束于目标位置的上行轨道)。然而,本文描述的方法和系统依赖于两段进近(例如,过渡到基于位置的制导的优化制导轨迹)。在确保优化制导轨迹的终点的高度等于下降轨迹的基于位置的制导部分的初始点的高度的同时,两段进近可用于生成最具成本效益的优化下降轨迹。优化制导轨迹的生成至少可以包括成本分析,以确保从下降顶部到基于位置的制导的初始点的路径是运载器采用的成本最优且最合适的路径。优化制导轨迹的生成和根据优化制导轨迹的运载器的操作可以在运载器的操作者的最小干预下完成。换句话说,这里描述的方法和系统不需要来自运载器的操作者的密集干预,因为可以自动生成优化下降轨迹(不需要手动的操作者干预),并且一旦自动生成优化制导轨迹,操作者就可以接合自动推力或自动驾驶控制,使得运载器可以根据优化制导轨迹来操作,该优化制导轨迹被生成为最具成本效益的优化下降轨迹。优化制导轨迹可以进一步限定为通过运载器的可变速度和可变推力控制而执行的下降段,当与运载器的传统下降方法相比时,该下降段在下降期间使运载器的doc最小化。此外,生成优化制导轨迹,使得在上行轨道点和初始点之间存在过渡区域,或者使得上行轨道点和初始点是同一点。换句话说,生成优化制导轨迹,使得上行轨道点永远不会是初始点的下行轨道。这确保了运载器在结束优化制导轨迹之前不会超过初始点(因此,当运载器经过初始点时,运载器处于正确的高度)。这最终进一步增加了这里描述的系统或方法相对于在下降期间操作运载器的传统系统或方法的优点,因为使用两段进近确保了第一段永远不会结束跟踪第二段的初始点。因此,与用于在下降期间操作运载器的传统系统或方法相比,确保本文描述的用于生成最佳近似或以其他方式生成优化轨迹(例如,最具成本效率的下降轨迹)或最具成本效益的优化的下降剖面的下降轨迹的方法和系统是有利的。
51.在尚未描述的程度上,各个方面的不同特征和结构可以根据需要彼此组合使用。不能在所有方面说明一个特征并不意味着它不能被解释,而是为了描述的简洁而被解释。因此,无论新的方面是否被明确描述,不同方面的各种特征都可以根据需要被混合和匹配以形成新的方面。此处描述的特征的组合或排列由本公开覆盖。
52.该书面描述使用示例来公开本公开的方面,包括最佳模式,并且还使得本领域技术人员能够实践本公开的方面,包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明的可申请专利的范围由权利要求限定,并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果它们具有与权利要求书的文字语言不存在差异的结构元件,或者如果它们包括与权利要求书的文字语言具有不显著差异的等效结构元件,则这样的其他示例旨在在权利要求书的范围内。
53.本发明的其它方面由以下条款的主题提供:
54.一种以下降剖面操作运载器的方法,所述方法包括:在控制器模块处获得飞行器的性能特性的数学模型;基于所述数学模型生成至少第一下降段的优化制导轨迹,所述优化制导轨迹通过随高度单调递减的变量而被参数化,并确保满足高度参数;和在第二下降段期间,在以基于位置的制导操作之前,根据所述优化制导轨迹操作所述飞行器,所述基于位置的制导在初始点开始。
55.根据任一前述条款的方法,其中数学模型具有在下降期间的飞行器运动。
56.根据任一前述条款的方法,其中满足所述高度参数包括在最小高度结束所述优化制导轨迹,所述最小高度是所述基于位置的制导的所述初始点的上行轨道。
57.根据任一前述条款的方法,进一步包括消除所述数学模型中的快速动态状态变量以创建降阶数学模型,并且其中所述生成基于所述降阶数学模型。
58.根据任一前述条款的方法,其中数学模型包括质量作为状态变量。
59.根据任一前述条款的方法,其中生成所述优化制导轨迹还包括对所述数学模型的能量区间的参数化。
60.根据任一前述条款的方法,其中生成所述优化制导轨迹还包括对所述数学模型的高度间隔的参数化。
61.根据任一前述条款的方法,其中生成所述优化制导轨迹还包括沿着所述数学模型的所述优化制导轨迹计算速度,作为控制变量。
62.根据任一前述条款的方法,其中优化制导轨迹的确定在规定的下降顶部开始。
63.根据任一前述条款的方法,其中其中生成所述优化制导轨迹进一步包括基于所述性能特性来执行成本分析。
64.根据任一前述条款的方法,其中性能特性是怠速推力、运载器重量和/或高空风中的一个或多个。
65.根据任一前述条款的方法,还包括经由所述控制器模块检查所述优化制导轨迹符合一组空域约束。
66.根据任一前述条款的方法,其中所述一组空域约束是高度或运载器速度中的一个或多个。
67.一种用于确定下降剖面的系统,所述系统包括:存储器,所述存储器存储飞行器的性能特性;控制器模块,所述控制器模块被配置为执行以下步骤:获得飞行器的性能特性的
数学模型;基于所述数学模型生成至少第一下降段的优化制导轨迹,所述优化制导轨迹通过随高度单调递减的变量而被参数化,并确保满足高度参数;和在以基于位置的制导操作之前,根据所述优化制导轨迹操作所述飞行器,所述基于位置的制导在初始点开始。
68.根据任一前述条款的系统,其中数学模型具有在下降剖面期间的飞行器运动。
69.根据任一前述条款的系统,其中满足所述高度参数包括以最小高度结束的所述优化制导轨迹,所述最小高度是所述基于位置的制导的所述初始点的上行轨道。
70.根据任一前述条款的系统,进一步包括消除所述数学模型中的快速动态状态变量以创建降阶数学模型,并且其中所述生成基于所述降阶数学模型。
71.根据任一前述条款的系统,其中数学模型包括质量作为状态变量。
72.根据任一前述条款的系统,其中生成所述优化制导轨迹还包括对所述数学模型的能量区间的参数化。
73.根据任一前述条款的系统,其中生成所述优化制导轨迹还包括对所述数学模型的高度间隔的参数化。