CN100461059C - 确定安全空中走廊宽度和飞机自动低空飞行的方法和*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种确定一飞机的安全空中走廊的宽度的方法和装置以及确保一飞机的自动低空飞行的方法和***。本发明装置(1)包括:操作者用来输入各影响飞机的自动低空飞行的多个误差的装置(3);确定不得超过的偏离安全空中走廊的概率的装置(4);以及根据所述误差和所述偏离概率用至少一个关联至少所述误差、所述偏离概率和所述宽度的数学表达式确定所述安全空中走廊的宽度的装置(5)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于确定由飞机飞行轨道的横向轨道的两侧界定的安全空中走廊宽度的方法和装置,以及一种确保沿该飞行轨道自动导航的飞机的低空飞行的方法和***。
背景技术
本发明特别但不只用于推力/重量比小、惯性大、机动飞行时间一般较慢的军用运输机。
在本发明中,低空飞行一词指沿(低空)飞行轨道飞行的飞机尽可能接近它在其上空飞行的地面而避免进行定位。这样一种低空飞行轨道因此通常位于离地面预定最低高度、例如500英尺(约150m)上。
由于接近地面,飞机沿所述飞行轨道导航时如飞机相对要遵从的飞行轨道稍稍发生横向或垂直向下偏离就有与下面地面发生碰撞(直接与地面或与地面上建筑物)的巨大危险。当然绝不容许发生这种危险。
发明内容
本发明的目的是使用安全空中走廊确保(沿包括横向轨道和垂直轨道的飞行轨道自动导航的)飞机的低空飞行,使得飞机根本不可能与下面地面发生碰撞。
本发明特别用于自主的自动飞行,即不靠任何向前发射装置,比方说雷达而只靠飞机上的领航,飞行管理和导航***和地面数字数据库进行的自动飞行。大家知道,这类自主自动飞行会发生下述方面的误差:
-领航:机载领航***给出的位置与飞机的实际位置不严格相符;
-导航:自动驾驶仪控制由领航***给出的在飞行管理***算出的轨道上的位置。所述控制显示出一种固有性能,其把自动驾驶仪的能力转为在所申请的轨道上导航飞机。在介助于驾驶员必须手动遵从的飞行控制器进行飞行时也会发生导航误差;
-飞行轨道:飞行轨道的精确性取决于所使用电脑的算法和处理器的精度,此外特别地,需要时取决于对下面地面的数字模拟中存在的误差。
为减小由特别由上述一个或多个误差造成的轨道横向偏移引起的任何(灾难性)与环境地面碰撞危险的发生的概率,由所述飞行轨道的两侧形成一宽度足够的安全空中走廊。
本发明还涉及一种用于确定由飞机的飞行轨道的横向轨道的两侧界定的这一安全空中走廊的宽度的方法。
为此,所述方法的特别之处在于:
a)估计对飞机的低空自动(和自主)飞行各有影响的多个误差;
b)确定不得超过的偏离安全空中走廊的概率;以及
c)根据所述误差和所述偏离概率,用至少一个将至少所述误差、所述偏离概率和所述宽度连在一起的数学表达式确定所述安全空中走廊的宽度。
因此,凭借本发明,可确定考虑了容易影响上述自主自动驾驶的误差的安全空中走廊。
最好是,在步骤a)中,考虑如下误差中的至少某些误差:
-领航误差;
-导航误差;
-飞行轨道误差。
此外,最好是,所述误差以概率密度形式估计。最好是,所述概率密度核对下述定律之一:
-指数定律;
-拉普拉斯-高斯定律;
-泊松定律;
-多项式定律。
此外,最好是,所述偏离概率等于10-8/hdv,hdv表示飞机飞行一小时。
最好是,在两个在概率的意义上独立的不同误差的情况下,所述数学表达式为
其中:
-P表示所述偏离概率;
-d表示安全空中走廊的所述宽度的一半;
-f1表示关于所述误差中第一误差的概率密度;以及
-f2表示关于第二误差的概率密度。
此外,最好是,在概率密度各为fi的三个不同误差的情况下,也使用所述数学表达式(1)从而根据两个(整体)概率密度f1和f2的函数计算P,f1对应由独立的概率密度fi的两个误差之和得出的概率密度,f2为剩余的第三误差的独立概率密度fi。
此外,如所述误差以拉普拉斯-高斯定律形式表示,安全空中走廊的宽度等于外推向所述偏离概率的所述误差的极限的二次方平均值的2倍。此时,所述数学表达式为:
其中:
-d为安全空中走廊所述宽度的一半;
-L(p)为取决于一误差的发生概率p的展开系数;以及
-σi为一误差i的高斯分布的标准偏差。
应该看到,如已知一具有概率P的误差极限,可用拉普拉斯-高斯定律从误差分布得出标准偏差σ。在该例中,拉普拉斯-高斯定律整个由对(μ,σ)确定,μ为误差平均值,其值为0,因为误差在右边或左边的发生概率相同。该误差的极限(等于由之得到的某一概率)用表达式L(p)·σ得出。可用拉普拉斯-高斯定律确定p在区间〔0,1〕中的系数L(p)。一般来说,领航、导航和轨道的误差的极限已知为95%,因此可确定标准偏差σ,从而确定具有任何其它概率的误差极限。
此外,最好是,在所述宽度上加上考虑飞机翼展的余量。
在一特殊实施例中,考虑由飞机的至少一个***(飞行控制,发动机等)的故障造成的至少一个误差,这一故障可能造成进一步的横向偏离。该故障有一定发生概率。
本发明还涉及一种用于确保一沿一包括一横向轨道和一垂直轨道的飞行轨道自动导航的飞机的低空飞行的方法。
按照本发明,所述方法的特别之处在于:
-安全空中走廊的宽度通过实施之前描述过的方法确定;
-确定具有所述宽度、界定在所述横向轨道两侧上的没有任何障碍的安全空中走廊;以及
-沿所述飞行轨道自动导航该飞机。
因此,由于该安全空中走廊在该目标概率内没有任何障碍、特别是没有任何地面部分如一高峰,因此飞机沿所述飞行轨道低空飞行时发生碰撞的危险最小,而飞机保持在该安全空中走廊中飞行,这显然得益于所述具有足够宽度的安全空中走廊特别在出现上述类型的误差时的上述确定方式。
本发明还涉及一种确定界定在一飞机的飞行轨道的横向轨道两侧上的一安全空中走廊的宽度的装置。
按照本发明,该装置包括:
-把各影响飞机的自动(和自主)的低空飞行的多个误差输入(所述装置中)的装置;
-确定不得超过的偏离空中走廊的概率的装置;以及
-根据所述误差和所述偏离概率用至少一个将至少所述误差、所述偏离概率和所述宽度连在一起的数学表达式确定所述安全空中走廊的宽度的装置。
此外,本发明涉及一种飞机的低空飞行的安全***,包括:
-确定包括横向轨道和垂直轨道的飞行轨道的第一装置;以及
-用于沿所述飞行轨道自动导航飞机的导航装置,还包括一些领航装置。
按照本发明,该确保***还包括:
-上述之类确定安全空中走廊宽度的装置;以及
-确定没有任何障碍的安全空中走廊的第二装置,该安全空中走廊具有由所述装置确定的宽度,界定在所述横向轨道的两侧上。
由于所述安全空中走廊的宽度考虑飞行中会发生的误差,因此该确保***能把飞机与地面发生碰撞的危险降低到最小。因此飞机的自动低空飞行至少对横向偏离来说其安全性得到确保。
下面用附图说明本发明实施方式。在这些附图中,相同部件用同一标号表示。
附图说明
图1为本发明装置的示意图;
图2示出一安全空中走廊在垂直平面中的特征;以及
图3为本发明确保***的示意图。
具体实施方式
图1所示本发明装置1用来确定一界定在一低空飞行的飞机A、特别是军用运输机的飞行轨道TO的横向轨道TL两侧上的安全空中走廊CS的宽度D。
按照本发明,所述装置1包括:
-把各影响飞机A的自动(和自主,即不使用任何发射装置如雷达)低空飞行的多个下述误差输入装置1的装置3;
-确定不得超过的偏离安全空中走廊CS的概率的装置4;以及
-分别经连线6和7与所述装置3和4连接、根据所述误差和所述偏离概率用至少一个将至少所述误差、所述偏离概率和所述宽度D连在一起的数学表达式确定所述安全空中走廊CS的宽度D的装置5。
在一特殊实施例中,装置1能考虑以下(用装置3输入的)误差中的至少某些误差:
-考虑到下列事实的领航误差:机载领航***给出的位置与飞机A的实际位置不严格相符;
-考虑到以下事实的导航误差:自动驾驶仪(使用飞行控制器飞行时为飞行控制器和驾驶员)控制领航***给出的在飞行管理***算出的轨道上的位置。所述控制具有把自动驾驶仪的能力转为在所申请的轨道上导航飞机A的固有性能(或飞行控制器的能力和驾驶员听从飞行控制器的能力);
-考虑到下述事实的飞行轨道误差:飞行轨道TO的精确性取决于一确定该飞行轨道TO的标准电脑的算法和处理器的精度以及电脑对地面2进行数字模拟时的误差。
此外,最好是:
-领航***在机上实时计算具有目标概率的领航误差;
-地面数据库误差一般包含在该数据库中或由飞机中默认给出;以及
-导航误差在飞机由一个默认值给出。
所使用的上述误差先由飞机A的有关***(领航、导航***等)的提供者以概率密度的形式估计,然后用装置3输入而传给所述装置5。所述概率密度最好但不只验证如下定律之一:
-指数定律;
-拉普拉斯-高斯定律;
-泊松定律;
-多项式定律。
在一特殊实施例中,所述装置4使用的偏离概率为10-8/hdv,hdv表示飞机飞行一小时,即,由飞机A的实际位置与预定轨道之间的横向偏差造成的飞机A每飞行小时偏离安全空中走廊CS的风险的概率为10-8。
在一特殊实施例中,如考虑两不同的误差,所述装置5使用如下数学表达式:
其中:
-P表示所述偏离概率;
-d表示安全空中走廊CS的所述宽度D的一半;
-f1表示关于所述两误差中第一误差的概率密度;以及
-f2表示关于第二误差的概率密度。
一般地,在概率密度各为fi的三个不同误差的情况下,所述装置5也使用所述数学表达式(1),计算作为两概率密度f1和f2(此时为整体概率密度)的函数的P,f1为从概率密度fi的两误差之和得出的概率密度,f2为剩余第三误差的单独概率密度fi。
确切说,对上述表达式(1)来说:
y为两误差之和x1+x2。
P可表为
其中f为随机变量y=x1+x2的概率密度,因此对三个误差之和x1+x2+x3=y+x3来说可得出
其中
因此,本发明装置1计算安全空中走廊CS的宽度D,由于考虑各影响到自动低空飞行的安全性的误差,因此可保持不偏离该安全空中走廊CS的概率目标。
在所述误差呈高斯分布即表为标准拉普拉斯-高斯定律的一特殊实施例中,安全空中走廊CS的宽度D为所述误差外推到所述偏离概率的极限的二次方平均值的两倍。
此时,所述装置5使用如下所述数学表达式:
其中:
-d为安全空中走廊CS所述宽度D的一半;
-L(p)为一整个由高斯定律以独特方式(不管由(σ,μ)定义的高斯分布如何都有效的)定义的概率目标p/hdv的预定宽度的系数;
-i为所考虑的、设为高斯分布的、两两独立的误差;以及
-σi为一误差i的高斯分布的标准偏差。
下表示出一误差的极限L(或宽度系数)与概率目标之间的关系。其为σ=1m、μ=0m时的误差分布(关于TL对称分布)。
L | σ | X在L与-L之间的概率(给定σ=1m) |
0.674 | 1.0 | 0.5 |
1.000 | 1.0 | 0.68 |
1.645 | 1.0 | 0.9 |
1.960 | 1.0 | 0.95 |
2.000 | 1.0 | 0.9545 |
2.576 | 1.0 | 0.99 |
3.291 | 1.0 | 0.999 |
3.891 | 1.0 | 0.9999 |
4.417 | 1.0 | 0.99999 |
4.892 | 1.0 | 0.999999 |
5.327 | 1.0 | 0.9999999 |
5.731 | 1.0 | 0.99999999 |
6.110 | 1.0 | 0.999999999 |
为简明起见,标准偏差σ选为=1m。从表中可看出,对于σ=1m、μ=0m的高斯分布来说:
-误差大于±0.67m的极限的概率为0.5(即在该极限之外的机会为50%);
-误差大于±1.96m的极限的概率为0.05(5%);
-误差大于±2m的极限的概率为0.0455(4.55%);
-…
-误差大于±4.89m的极限的概率为10-5;
-误差大于±5.32m的极限的概率为10-6;
-误差大于±5.73m的极限的概率为10-7
-误差大于±6.11m的极限的概率为10-9。
举例来说应该看到,与10-9/hdv的概率对应的安全空中走廊的宽度必须比与5.10-2/hdv的概率对应的安全空中走廊的宽度大3.12倍(6.110/1.960=3.12)。
该分布的另一有趣特征是,由上表得出,在高斯分布定律、标准偏差σ等于1m下大小为〔-L;+L〕的安全空中走廊CS的偏离概率等于在高斯分布定律、标准偏差σ等于p米下大小宽p倍〔-p.L;+p.L〕的空中走廊的偏离概率。
设领航或导航误差呈高斯分布,其某一极限具有一定概率,则:
-首先,该误差的整个分布由计算等于p米的标准偏差σ来确定(误差的平均值μ为0,因为领航或导航误差在轨道的一侧或另一侧上的机会是相同的);以及
-然后,在上表中用p.L取代L可直接得出空中走廊〔-p.L;+p.L〕的偏离概率(从而得出下表)。
L | σ | X在L与-L之间的概率(给定σ=p米) |
0.674p | p | 0.5 |
1p | p | 0.68 |
1.645p | p | 0.90 |
1.960p | p | 0.95 |
2p | p | 0.95445 |
2.576p | p | 0.99 |
3.291p | p | 0.999 |
3.891p | p | 0.9999 |
4.417p | p | 0.99999 |
4.892p | p | 0.999996 |
5.327p | p | 0.9999999 |
5.731p | p | 0.99999999 |
因此,如已知具有一概率的误差极限,可用相对对应宽度系数“L”乗乘以该概率得出具有另一概率的误差极限。
因此,由于本发明,只须:
-估计基本误差(领航、导航、数据库、地面等误差),误差呈高斯分布的情况下确定各误差的标准偏差σ〔或者确定上述数学表达式(1)的概率密度fi〕;
-以不得超过的偏离安全空中走廊CS的概率形式规定所要求的安全程度(比方说由飞机A制造商与客户的合同规定);以及
-如上所述那样得出安全空中走廊CS的宽度D。
不管使用什么样的实施例,最好在所述宽度D上加上考虑飞机A的翼展的余量。
以上只考虑由领航和导航***的固有性能以及地面数据库的精度造成的飞机A的航向偏离,未考虑飞机A各***(飞行控制、发动机等)故障会造成的航向偏离。
在一特殊实施例中,为考虑***故障造成的附加偏离航向,本发明装置1考虑由飞机的至少一个***的故障造成的至少一个误差。
设故障j每小时飞行发生的概率为Pj,该故障造成的向左或向右的额外横向偏离±dj(离散偏离),概率相同(即各为Pi/2)。在发生故障时设该横向偏离总是相同。
从而,飞机A的总偏离(由其***的固有性能造成的偏离TSE与由***故障造成的偏离之和)小于绝对值d的概率等于以下概率之和:
-***故障j出现且造成向右偏离dj的概率(TSE+dj)∈[-d,d]即TSE∈〔-d-dj;d-dj〕;
-***故障j出现且造成向左偏离dj的概率(TSE-dj)∈[-d,d]即TSE∈〔-d+dj;d+dj〕;以及
-不存在***故障,但TSE小于绝对值d的概率。
应该看到,变量TSE(“总***误差”)等于领航、导航和轨道误差之和。
因此,我们有:
其中,f为随机变量TSE的概率密度
这同样适用于分别造成偏离±di和±dj的发生概率为Pi和Pj的同时出现的两故障i和j。
飞机A的总偏离小于绝对值d的概率等于以下概率之和:
-***故障i和j同时出现,(TSE±di±dj)∈[-d,d](±视各***故障造成的偏离的方向而定,两方向上的概率相同)的概率;
-***故障i存在而***故障j不存在,(TSE±di)∈[-d,d](±视***故障i造成的偏离的方向而定)的概率;
-***故障j存在而***故障i不存在,(TSE±dj)∈[-d,d](±视***故障j造成的偏离的方向而定)的概率;以及
-不存在***故障i和j,但TSE小于绝对值d的概率。
从而有:
从而,如图3所示,由安全***9可使用由装置1确定的宽度为D(D=2d)的安全空中走廊CS确保飞机A的(自动和自主)低空飞行。
因此用来实施飞机A的自动和自主低空飞行的所述***9包括:
-以标准方式确定一包括一在水平面中限定的横向轨道TL和一在垂直面中限定的垂直轨道的飞行轨道TO(或飞行轮廓)的标准装置10,例如一飞行管理***。为能实现低空飞行,(低空)飞行轨道TO允许飞机A必须尽可能接近地面2;以及
-沿所述飞行轨道TO自动导航飞机A的标准导航和领航装置11。在一优选实施例中,所述导航装置11包括:
-经连线13与确定飞机A的驾驶次序从而使得飞机遵从所述飞行轨道TO的所述装置10连接的装置12,例如自动驾驶仪;以及
-飞机A的受控件15如方向舵,升降舵等的驱动装置14,驱动装置14经连线16与装置12连接,由装置12确定的驾驶次序自动用于该驱动装置14。
所述导航装置11还包括一飞行控制仪。
为确保低空飞行,所述***9还包括:
-上述确定安全空中走廊CS的宽度D的装置1;以及
-经连线8与装置1连接并且经连线18与所述装置12连接以确定安全空中走廊CS的装置17,空中走廊CS:
·没有任何障碍;
·具有由所述装置1确定的所述宽度D;以及
如图2所示对称地界定所述横向轨道TL的两侧。
因此,由于安全空中走廊CS没有任何障碍,特别是高峰21之类地面部分2,因此沿所述飞行轨道TO低空自动飞行过程中飞机A发生碰撞的风险最小,同时所述飞机A保持在该安全空中走廊CS中。此时,由于所述自动导航装置11的作用以及所述安全空中走廊CS考虑限定在这样的自动飞行中(由所述自动导航装置11实现)容易出现的误差,所述飞机A得以始终保持在所述安全空中走廊CS中。
在横向平面中,安全空中走廊CS因此对中在横向轨道TL上而由具有所述宽度D的一半的距离d在两侧上受到限制。
尽管对本发明来说无关紧要,但还应看到,在垂直平面中,所述安全空中走廊CS在上方不受限制,但在下方受地面2(图2示出其地貌)的最高部分21的限制。该部分21的高度为H。在一优选实施例中,所述表面23的确定特别考虑上述误差。
最好是,该表面的宽度为安全空中走廊CS的宽度D。因此在示出这一情况的图2中,同一线段24表示安全空中走廊CS和表面23。
因此由所述安全***9实现的自动低空飞行可使得飞机A沿从地面数字数据库(事先装入飞机A中)得出的飞行轨道TO在地面2上方一定高度上自动飞行而没有与地面2发生碰撞的危险。
Claims (18)
1.一种用于确定在飞机(A)的飞行轨道(TO)的横向轨道(TL)的两侧界定的一安全空中走廊(CS)的宽度的方法,
其特征在于:
a)估计分别对飞机(A)的低空自动飞行有影响的多个误差;
b)确定不得超过的偏离安全空中走廊(CS)的概率;以及
c)根据所述误差和所述偏离概率,用至少一个将至少所述误差、所述偏离概率和所述宽度(D)连在一起的数学表达式确定所述安全空中走廊(CS)的宽度(D)。
2.按权利要求1所述的方法,
其特征在于,在步骤a)中,考虑如下误差中的至少某些误差:
-领航误差;
-导航误差;
-飞行轨道误差。
3.按权利要求2所述的方法,其特征在于,以概率密度的形式估计的所述误差。
4.按权利要求3所述的方法,
其特征在于,所述概率密度验证下述定律之一:
-指数定律;
-拉普拉斯-高斯定律;
-泊松定律;
-多项式定律。
5.按权利要求4所述的方法,其特征在于,所述偏离概率等于10-8/hdv,hdv表示飞机(A)飞行一小时。
6.按权利要求5所述的方法,其特征在于,在两个不同误差的情况下,所述数学表达式为
其中:
-x是对应于第一误差的待积分的参数;
-y-x是对应于第二误差的待积分的参数;
-P表示所述偏离概率;
-d表示安全空中走廊(CS)的所述宽度(D)的一半;
-f1表示所述误差中第一误差的概率密度;以及
-f2表示第二误差的概率密度。
7.按权利要求5所述的方法,
其特征在于,在单独概率密度分别为fi的三个不同误差的情况下,所述数学表达式为
其中:
-x是对应于第一误差的待积分的参数;
-y-x是对应于第二误差的待积分的参数;
-P表示所述偏离概率;
-d表示安全空中走廊(CS)的所述宽度(D)的一半;
f1为从概率密度各为fi的两误差之和得出的概率密度,f2为剩余的第三误差的概率密度fi。
8.按权利要求6或者7所述的方法,
其特征在于,所述误差以拉普拉斯-高斯定律形式表示;安全空中走廊的(CS)的宽度(D)等于所述误差的外推到所述偏离概率目标的极限的二次方平均值的两倍。
9.按权利要求8所述的方法,
其特征在于,所述数学表达式为:
其中:
-d为安全空中走廊(CS)所述宽度(D)的一半;
-L(p)为取决于一误差的发生概率p的展开系数;以及
-σi为一误差i的高斯分布的标准偏差。
10.按权利要求9所述的方法,
其特征在于,在所述宽度(D)上加上考虑飞机(A)翼展的余量。
11.按权利要求10所述的方法,
其特征在于,考虑由飞机(A)的至少一个***的故障造成的至少一个误差。
12.一种沿一包括一横向轨道(TL)和一垂直轨道的飞行轨道(TO)导航的飞机(A)的低空飞行的安全方法,
其特征在于:
-安全空中走廊(CS)的宽度(D)通过实施按权利要求1-11中任一项所述的方法确定;
-确定具有所述宽度(D)并在所述横向轨道(TL)两侧界定的一没有任何障碍的安全空中走廊(CS);以及
-沿所述飞行轨道(TO)自动导航该飞机(A)。
13.一种用于确定一在一飞机(A)的飞行轨道(TO)的横向轨道(TL)两侧界定的安全空中走廊(CS)的宽度的装置,
其特征在于,该装置包括:
-分别影响飞机(A)的自动低空飞行的多个误差的输入装置(3);
-确定不得超过的偏离安全空中走廊(CS)的概率的装置(4);以及
-用于根据所述误差和所述偏离概率,通过考虑至少一个将至少所述误差、所述偏离概率和所述宽度(D)连在一起的数学表达式确定所述安全空中走廊(CS)的宽度(D)的装置(5)。
14.一种飞机(A)的低空飞行的安全***,所述***(9)包括:
-用于确定包括横向轨道(TL)和垂直轨道的飞行轨道(TO)的第一装置(10);以及
-用于沿所述飞行轨道(TO)自动导航飞机(A)的导航装置(11),还包括一些领航装置,
其特征在于,该***还包括:
-按权利要求13所述的用于确定安全空中走廊(CS)宽度(D)的装置(1);以及
-用于确定没有任何障碍的安全空中走廊(CS)的第二装置(17),该安全空中走廊具有由所述用于确定安全空中走廊(CS)宽度(D)的装置(1)确定的宽度(D)并在所述横向轨道的两侧被界定。
15.一种飞机
其特征在于,它包括一按权利要求1-11中任一权利要求所述的方法实施的装置(1)。
16.一种飞机
其特征在于,它包括一按权利要求12所述的方法实施的***(9)。
17.一种飞机
其特征在于,它包括一按权利要求13所述的装置(1)。
18.一种飞机
其特征在于,它包括一按权利要求14所述的***(9)。
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