优化飞机飞行轨迹的方法和设备与流程

优化飞机飞行轨迹的方法和设备
【技术领域】
1.本发明涉及一种当飞机在rta约束下运行优化飞机飞行轨迹的方法和设备，特别涉及基于航迹的运行下，提供飞行轨迹优化建议的装置，属于飞行器导航技术领域。


背景技术：

2.随着空中交通流量的日益增长，基于先进飞行管理系统的新航行体系亟待建立，通过提升现有飞行管理系统的飞行轨迹预测和优化能力来支持基于航迹的运行(tbo)。当前，世界各国都在开展空管现代化项目，如美国下一代空中交通系统(nextgen)和欧盟单一天空计划(sesar)项目，我国也在加紧推进空管现代化。
3.现代飞机的飞行管理系统(fms)允许飞行员在要求到达时间(rta)约束下，通过在航路上的特定航路点设置要求到达时间来操作飞机。基于rta，fms根据计划的速度计划进行迭代，以确保在要求的时间到达航路点。
4.飞机通常根据航空公司选择的成本指数(ci)确定航班运行的计划速度计划，以便以最经济的速度节省燃油。ci描述了时间成本和燃料成本之间的权衡。但是，当飞行员在飞行中被要求遵守rta限制时，时间限制将决定要遵循的新速度计划。因此，目前的飞行轨迹优化策略是寻找一种新的符合rta的飞机空速，例如通过迭代ci来获得新的速度计划。在这种情况下，经济最优条件已成为次要要求，飞行总成本增加。
5.此外，rta的限制不仅可能使速度计划偏离经济最优，甚至可能将其推向飞机的运行极限(最低和最高运行空速)。在这种情况下，飞机飞行至有rta要求的航段之前，由于不可预测的风和温度变化可能会阻止到达指定航路点所需的到达时间，因为有可能无法继续加速(如果接近最高运行速度)或进一步减速(如果接近最低运行速度)。由于最小或最大操作空速，当最初在fms中设置时，在当前巡航高度上可能无法达到rta限制。在这两种情况下，飞行员都会收到一条“rta无法满足”的消息以指示无法满足rta。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种优化飞机飞行轨迹的方法和系统备，用以在考虑要求到达时间(rta)约束下优化飞机的飞行轨迹，并提供飞行员快速预览管制员的要求到达时间(rta)指令并可预览当前飞行计划以及飞机性能能否满足要求到达时间(rta)指令，并实现了符合要求到达时间(rta)约束下的飞行轨迹优化程序，提高飞行的经济性，并可实现当要求到达时间(rta)指令无法满足时的告警功能。
7.为实现上述目的，实施本发明的优化飞机飞行轨迹的方法包括如下步骤：
8.步骤一：接收飞机航路的一个或多个到达时间控制约束；
9.步骤二：接收到至少一个关于飞机航线的实时和预测大气条件；
10.步骤三：获取有关飞机运行约束和实时飞机状态和性能的数据；
11.步骤四：生成一个或多个飞行轨迹优化参数的多个值集，所述一个或多个飞行轨迹优化参数至少包括飞行巡航高度，使得生成的所有值集包括不同于当前飞机高度的飞行
巡航高度；
12.步骤五：对于生成的一个或多个飞行轨迹优化参数的值集，使用接收到的大气条件和飞机运行约束以及实时飞机状态和性能的数据计算飞机的飞行轨迹；
13.步骤六：基于一个或多个优化标准，选择至少一个最佳飞行巡航高度，计算出的飞行轨迹符合到达时间控制约束；
14.步骤七：用选定的最佳飞行巡航高度生成至少一个轨迹变化警报。
15.依据上述主要特征，该方法还可包括向飞机驾驶员通知轨迹变化警报，并从飞机驾驶员接收新的最佳飞行巡航高度，并将新的最佳飞行巡航高度传送给飞机的飞行管理系统。或者，该方法可以包括向飞机飞行员通知轨迹变化警报和手动向飞机的飞行管理系统输入新的最佳飞行巡航高度。
16.依据上述主要特征，该方法还包括如果新的轨迹不能符合rta约束，则执行另一次迭代，最多达到预定义的最大迭代次数，如已达到最大迭代次数则终止迭代，并通知飞行员不能满足要求到达时间，显示“要求到达时间无法满足”的消息。
17.为实现上述目的，实施本发明的优化飞机飞行轨迹的系统包括：
18.输入模块，用以接收飞行员输入的信息；
19.通信模块，与机载飞行管理系统通信，用于接收关于飞机航线的大气条件，并且还可接收关于飞机操作约束和实时飞机状态和性能的数据；
20.优化模块，接收从通信模块检索的数据、要求到达时间约束和一个或多个飞行轨迹优化参数，优化模块包括飞行轨迹产生器，该飞行轨迹产生器为一个或多个飞行轨迹优化参数生成多个值集，使所有生成的值集包括不同于当前飞机高度的飞行巡航高度，飞行轨迹生成器针对所生成的飞行轨迹优化参数的值集，计算飞机的飞行轨迹，同时考虑到所接收的大气条件以及关于飞机操作约束和实时飞机状态和性能的数据，并且使用代价函数，基于一个或多个优化准则，选择一个或多个具有符合到达时间控制约束的计算飞行轨迹的最优飞行巡航高度；
21.显示及告警模块，用以根据一个或多个选择的最佳飞行巡航高度生成轨迹变化警报。
22.依据上述主要特征，其中输入模块为键盘、鼠标或触摸屏等输入装置，飞行员可通过输入模块建立一个要求到达时间约束。
23.依据上述主要特征，所述通信模块与飞机的飞行管理系统通过机载afdx网络进行通信，接收实时飞机数据和大气条件。
24.依据上述主要特征，优化模块接收从通信模块检索的数据、rta约束和一个或多个飞行轨迹优化参数，其中优化参数至少包括飞行巡航高度，也可以包括飞机空速，要求到达时间约束包括至少一个航路点的要求到达时间，优化参数可以预先建立并存储在存储器中或者也可以由飞行员通过输入模块选择。
25.依据上述主要特征，其中所述通信模块、优化模块及显示及告警模块可在一电子装置中实现，而所述优化模块为安装于上述电子装置中的一个应用程序。
26.与现有技术相比较，实施本发明的优化飞机飞行轨迹的方法能够结合飞行高度优化多个轨迹参数，具有以下有益效果：
27.(1)通过在不同高度以更经济的空速飞行，节省rta运行期间的燃料。
28.(2)当大气条件发生变化时，出现rta无法满足的情况，则能够通知飞行员。
29.(3)增加在给定航路点的可行到达时间范围(增加时间控制裕度)，允许飞机在不改变航线的情况下提前或推迟到达。
【附图说明】
30.图1为实施本发明的优化飞机飞行轨迹的方法的流程示意图。
31.图2为实施本发明的优化飞机飞行轨迹的系统的组成方框示意图。
【具体实施方式】
32.实施本发明的优化飞机飞行轨迹的方法首先建立一个rta约束(例如由飞行员输入或在fms中选择)，同时在速度域和高度域进行计算以找到符合所选rta时间约束的新飞行轨迹，同时确定飞机的航迹约束要求，包括：速度约束、高度约束、过点方式、rta，基于航迹约束要求，计算满足约束条件的优化航迹，计算飞机到达rta航路点的估计到达时间窗，并检查是否符合rta要求。考虑到当前巡航高度的预测风，寻找一个符合设定rta的新速度计划，如果新的轨迹不能符合rta约束，则执行另一次迭代，最多达到预定义的最大迭代次数，则可以提前终止迭代，如果发现符合rta约束的速度计划，提供更新的预测轨迹，显示并设置新轨迹发动给飞行管理系统作为制导参考，如果不能实现rta约束，则通知飞行员不能满足rta，显示“rta无法满足”消息。
33.请参阅图1所示，为实施本发明的优化飞机飞行轨迹的方法的流程示意图。实施本发明的优化飞机飞行轨迹的方法包括如下步骤：
34.步骤一：接收飞机航路的一个或多个到达时间控制约束；
35.步骤二：接收到至少一个关于飞机航线的实时和预测大气条件；
36.步骤三：获取有关飞机运行约束和实时飞机状态和性能的数据；
37.步骤四：生成一个或多个飞行轨迹优化参数的多个值集，所述一个或多个飞行轨迹优化参数至少包括飞行巡航高度，使得生成的所有值集包括不同于当前飞机高度的飞行巡航高度；
38.步骤五：对于生成的一个或多个飞行轨迹优化参数的值集，使用接收到的大气条件和飞机运行约束以及实时飞机状态和性能的数据计算飞机的飞行轨迹；
39.步骤六：基于一个或多个优化标准，选择至少一个最佳飞行巡航高度，计算出的飞行轨迹符合到达时间控制约束；
40.步骤七：用选定的最佳飞行巡航高度生成至少一个轨迹变化警报。
41.该方法还可包括向飞机驾驶员通知轨迹变化警报，并从飞机驾驶员接收新的最佳飞行巡航高度，并将新的最佳飞行巡航高度传送给飞机的飞行管理系统。或者，该方法可以包括向飞机飞行员通知轨迹变化警报和手动向飞机的飞行管理系统输入新的最佳飞行巡航高度。
42.飞行轨迹优化参数还包括飞机空速，使得生成的值集包括不同的飞行巡航高度和飞机空速对，轨迹变化告警包括至少一对最优飞行巡航高度和最优飞机空速，其具有符合到达时间控制约束的计算飞行轨迹。优化标准可以包括燃油节省、速度控制裕度和时间控制裕度，以符合到达时间控制约束。
43.关于实时飞机状态和性能的数据可以包括如实时飞机质量和飞行性能数据、实时燃油消耗率、燃油消耗量和燃油剩余量数据。飞机运行约束和实时飞机状态和性能的数据优选地从飞机的飞行管理系统中检索。大气条件优选地包括风条件和/或温度条件。到达时间控制约束可以包括至少一个航路点的所需到达时间。
44.实施本发明的优化飞机飞行轨迹的方法还包括如果新的轨迹不能符合rta约束，则执行另一次迭代，最多达到预定义的最大迭代次数，则可以提前终止迭代，之后通知飞行员不能满足rta，显示“rta无法满足”消息。
45.请参阅图2所示，为实施本发明的优化飞机飞行轨迹的系统的组成方框示意图。实施本发明的优化飞机飞行轨迹的系统包括输入模块、优化模块、显示及告警模块与通信模块，以下对各模块的功能进行详细说明。
46.输入模块可为键盘、鼠标或触摸屏等输入装置，飞行员可通过输入模块建立一个rta约束或输入其他相关信息。
47.通信模块，根据安全/加密协议，经由蓝牙、wifi或任何其它无线协议与机载飞行管理系统通信，用于接收关于飞机航线的大气条件(实时和/或预测的，并且优选地包括风条件)，并且还可接收关于飞机操作约束和实时飞机状态和性能的数据。通信模块与飞机的飞行管理系统通过机载afdx网络进行通信，接收实时飞机数据和大气条件。
48.优化模块接收从通信模块检索的数据、rta约束和一个或多个飞行轨迹优化参数，其中优化参数至少包括飞行巡航高度，也可以包括飞机空速。rta约束通常包括至少一个航路点的rta。优化参数可以预先建立并存储在电子设备的内部存储器(未图示)中，或者也可以由飞行员通过输入模块来选择。优化模块包括飞行轨迹产生器，该飞行轨迹产生器为一个或多个飞行轨迹优化参数生成多个值集，使得所有生成的值集包括不同于当前飞机高度的飞行巡航高度。例如，如果优化参数包括飞行巡航高度和飞机空速，则生成的值是高度与当前飞机高度不同的成对(高度、速度)值。飞行轨迹生成器针对所生成的飞行轨迹优化参数的值集，计算飞机的飞行轨迹，同时考虑到所接收的大气条件以及关于飞机操作约束和实时飞机状态和性能的数据。飞行轨迹生成器使用代价函数，基于一个或多个优化准则，选择一个或多个具有符合到达时间控制约束的计算飞行轨迹的最优飞行巡航高度，优化标准可包括燃油节约、速度控制裕度和/或时间控制裕度。
49.显示及告警模块用以根据一个或多个选择的最佳飞行巡航高度生成轨迹变化警报。例如，显示轨迹改变警报，指出替代的最佳飞行巡航高度/秒，为其节省燃料或提高rta的鲁棒性，以及潜在的相应效益(例如，新高度预计节省250千克燃料)。飞行员随后将决定是否接受具有不同巡航高度和不同飞机空速的优化飞行轨迹，然后飞行员可选择将新的优化轨迹通过通信单元下载到飞行管理系统中以产生新的飞行轨迹。
50.在具体实施时，所述通信模块、优化模块及显示及告警模块可在一电子装置中实现，如笔记本电脑、平板电脑、手持电子设备，而所述优化模块可为安装于上述电子装置中的一个应用程序(如app)。
51.实施本发明的优化飞机飞行轨迹的方法不仅考虑改变速度计划，而且考虑改变巡航高度和利用相应的风条件。随着巡航高度的变化，该方法还可以考虑飞机空速的变化。改变新的最佳飞行巡航高度可提高燃油效率、增强到达时间控制的鲁棒性。油耗是指在到达时间控制下，沿线路段燃烧的燃油量。为了遵守rta限制，飞机需要以给定的地面速度沿已
知距离飞行，以便在正确的时间到达rta航路点。由于不同高度的风况很可能不同，因此可以通过爬升或下降到一个新的巡航高度来潜在地降低油耗，在该高度，所需的地面速度对应于一个更有效的空速，它直接影响到与所需的地面速度相对应的空速，因此在寻找最省油的巡航高度时，也需要考虑风的条件。同时，新的最佳飞行巡航高度还可以提供到达时间控制的稳健性，从而提高速度控制裕度和时间控制裕度。速度控制裕度是指飞机为纠正意外偏差和遵守既定的rta限制而增加或减少速度的裕度。速度控制裕度与飞机的巡航高度密切相关，它直接影响到最小和最大可飞行真空速(tas)。未知的外部干扰，如风速和风向，直接影响飞机的地面速度，从而影响遵守rta约束的可行性。通过改变巡航高度来扩展速度裕度可以直接增加在正确时间到达时间约束航路点的机会。根据最低航空系统性能标准(“区域导航所需导航性能”，do2360变更1，第2.2.1节)，在95％的所有操作中，与rta航路点的偏差不应大于30秒。
52.实施本发明的优化飞机飞行轨迹的方法还允许改进时间控制裕度，时间控制裕度是指定义在时间约束的航路点上当前估计的到达时间(eta)周围可实现的到达时间的潜在范围的时间间隔。时间控制裕度与速度控制裕度成比例增加，可能达到的地面速度越慢或越快，可能达到的到达时间越晚或越早。
53.与现有技术相比，实施本发明的优化飞机飞行轨迹的方法提出了一种新的飞行轨迹优化方法，该方法能够结合垂直剖面(飞机高度)优化多个轨迹参数，例如速度剖面，本发明具有以下有益效果：
54.(1)通过在不同高度以更经济的空速飞行，节省rta运行期间的燃料。
55.(2)当大气条件发生变化时，出现rta无法满足的情况，则能够通知飞行员。
56.(3)增加在给定航路点的可行到达时间范围(增加时间控制裕度)，允许飞机在不改变航线的情况下提前或推迟到达。
57.实施本发明的优化飞机飞行轨迹的方法可直接应用于各型有人驾驶飞机，生成精确且优化的四维航迹发送给地面atm，在取得协商一致后，能够监控飞行性能，将有效提升飞机能力，以更好适应空管现代化。
58.可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。