CN102254454B - 机场特征显示***和机场特征数据交换方法 - Google Patents

机场特征显示***和机场特征数据交换方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于航空器的机场特征显示***和机场特征数据交换方法，所述***包括：用户界面，包括：显示屏；以及滑行路线选择输入；数据存储设备，能够以预定分辨率存储机场特征数据；处理器，经由用户界面与显示屏和滑行路线选择输入通信；以及通信链路，与处理器通信并能够传送由所述处理器格式化的机场特征数据，所述数据存储设备按照第一分辨率，以第一数据长度存储机场特征和参考点的位置数据，所述处理器以第一数据长度格式化参考点位置数据，以经由通信链路传输到显示屏，计算相对于参考点的机场特征的位置数据，按照比第一分辨率低的第二分辨率，以第二数据长度格式化机场特征的位置数据，以经由通信链路传递到显示屏。

Description

机场特征显示***和机场特征数据交换方法
本发明专利申请是以下专利申请的分案申请： 
申请号：02824353.6；申请日：2002年10月30日；发明名称：机场特征显示***和用于保形显示的数据交换方法 
技术领域
本发明涉及航空器地面引导***（SGS），确切地说，涉及向航空器上的保形显示***（如平视显示（HUD））传送机场特征数据的通信交换。 
背景技术
人们对加强航空器的地面引导非常感兴趣。在航空器降落到机场上的跑道后，下一步是使航空器滑行到预定位置，如乘客登机/离机门。驾驶员很容易在构成机场的众多跑道、滑行道、停机坪和建筑物中迷惑或迷失。在大型机场中上述问题更加严重，并且在夜间时上述问题特别严重，因为大量光源很难使航空器滑行到预定位置。 
有效的滑行操作节省时间和金钱。随着机场越来越拥挤，航空器通常花费大量时间在跑道和舱门之间滑行。如果驾驶员错误转弯、迷失或盲目到达错误跑道或滑行道上，滑行时间将更长。另外，错误转弯或导航错误可能造成机场上的其他航空器的延误。 
机场地面引导能力的主要特征是向驾驶员展现诸如跑道和滑行道之类的机场特征。提供此类特征信息的一种方法是利用平视显示（HUD），在监视航空器的前挡风玻璃的驾驶员的视线的前方区域内显示HUD。驾驶员通常输入或选择地面管理员批准的滑行路线。然后在HUD上显示滑行路线或路径。驾驶员可以观察HUD上显示的特征，就像叠加在驾驶员通过挡风玻璃看到的地面特征上一样。然而，当能见度较差时，驾驶员仍然可以观看HUD上显示的机场特征。机场特征向驾驶员提供航空器相对于所选滑行路径的位置意识。 
用于地面引导的实际航空电子设备实现的主要方面必须包括通信总线或数据链路，以便传送在显示屏上适当提供机场特征所需的大 量数据。实际实现机场特征***的障碍是需要清楚显示机场特征，最好在前挡风玻璃之外的驾驶员的视野内以保形方式显示滑行指令和其他有用符号。代表机场特征的数据可能消耗大量存储量。由于必须在存储器中存储许多机场的数据，所以此问题更严重。另外，现有机场特征显示***要求相应的高速通信总线向显示***(如HUD)传送机场特征数据。上述需求连同许多航空电子设备***只有有限数据存储容量且不具备高速总线的事实，严重妨碍了在许多航空器上的现有HUD***上实现机场特征的努力。显示机场特征的一种方法是利用具有更大数据存储容量和高速数据总线的新设备升级航空器航空电子设备***。然而，必须设计、认证此类***，与现有航空电子设备套件集成，并安装此类***。所有这些使得升级非常昂贵，因此，对许多航空器而言，上述方法在经济上是不可行的。 
所有机场特征显示***不仅能够完成显示机场特征的任务，而且应使显示的特征有用并且该***具有高性能价格比。同时需要设计以最低成本改型现有航空器航空电子设备***的机场特征显示***。 
因此，持续国标是寻找缩减费用、降低滑行错误、缩短滑行时间以提高机场效率的方法。 
发明内容
为实现上述目标以及其他目标，本发明的机场特征显示***包括特有的数据交换方法，该方法通过现有数据总线传送机场特征，而无需设计或安装新的高速数据总线。对于改型应用，只需最低限度的修改，机场特征显示***就能与许多现有的HUD***兼容。 
根据本发明的一个方面，集成机场特征显示***作为提供航空器航线规划功能的飞行管理***(FMS)的扩展。许多航空器上安装有FMS，FMS包括实现本发明之机场特征显示***所需的许多组件。例如，FMS可能包括处理器，数据存储设备，用户界面，并且通常与诸如HUD之类的众多显示***通信。 
本发明的另一方面在于降低向HUD传送代表机场特征数据的带宽需求。这对于在现有航空器上实现高性能价格比的特征显示***是很重要的。FMS和HUD之间的许多现有通信总线不具备传送特征数据的足够带宽。此类总线的一个例子是通常在FMS和HUD之间传送数据的电子飞行仪器***(EFIS)。本发明显著降低了所需的带宽。向HUD传送机场标石的高分辨率坐标。高分辨率坐标需要两个字的 Aeronautical Radio公司(ARINC)数据。本发明以一个字的方式传送剩余数据坐标，利用一个字表示参照机场标石(即参考点)的高分辨率位置。因此，本发明能够将所需带宽大约降低一半。这足以使用现有通信总线并且大大节省费用。 
根据本发明的一个方面，一种用于航空器的机场特征显示***，所述机场特征显示***包括： 
用户界面，包括：显示屏；以及滑行路线选择输入； 
数据存储设备，能够以预定分辨率存储机场特征数据； 
处理器，经由所述用户界面与所述显示屏和所述滑行路线选择输入通信；以及 
通信链路，与所述处理器通信并能够传送由所述处理器格式化的机场特征数据， 
其中，所述数据存储设备按照第一分辨率，以第一数据长度存储机场特征和参考点的位置数据， 
其中，所述处理器以第一数据长度格式化参考点位置数据，以经由通信链路传输到显示屏，并且计算相对于参考点的机场特征的位置数据，然后按照比第一分辨率低的第二分辨率，以第二数据长度格式化机场特征的位置数据，以经由通信链路传递到显示屏。 
根据本发明的另一个方面，一种用于航空器中的机场特征数据交换方法，该方法包括以下步骤： 
获取机场参考位置的坐标； 
获取特征的坐标； 
按照第一分辨率，以第一数据长度向显示设备传送所述参考位置； 
相对于所述机场参考位置计算所述机场特征的相对特征坐标，并进一步按照比第一分辨率低的第二分辨率，以第二数据长度格式化相对特征坐标；以及 
向所述显示设备传送以第二数据长度格式化的所述相对特征坐标。 
显然，本发明是对现有***的重大改进。另外，熟练技术人员可以理解，本发明并不限于与FMS一起使用。可使用其他处理器、显示屏和数据输入设备实施本发明。 
随后的详细说明书阐述本发明的附加特征和优点，详细说明书的部分内容对熟练技术人员是显而易见的，或者通过按照随后的详细说明书、权利要求书和附图实施本发明，部分理解本发明。 
应该理解，以上描述仅仅是本发明的示例，目的是为理解权利要求书定义的本发明的实质和特征提供概述。包含附图的目的是为了更好地理解本发明，附图构成详细说明书的一部分。附图表示本发明的各种特征和实施方式，附图与其详细说明书一起解释本发明的原理和操作。 
附图说明
图1表示根据本发明的机场特征显示***之某一实施方式的框图； 
图2表示HUD屏幕上的示例机场特征显示； 
图3表示根据本发明的示例机场参考位置格式； 
图4表示根据本发明的示例滑行路线格式； 
图5表示与图4所示的滑行路线示例相对应的滑行路线分段； 
图6表示根据本发明计算机场特征的相对纬度/经度坐标的算法的流程图；以及 
图7表示根据本发明的示例机场符号和地面标识格式。 
具体实施方式
以下详细参照本发明的最佳实施方式，其中附图说明其示例。在所有附图中，相同参考号数指相同或相似部件。 
图1表示根据本发明的机场特征显示***的典型实施方式，全文用参考号数10标识该***。首先简述本发明的机场特征***的组件，然后详细说明。本发明的最普通用途是作为诸如商务客机或货机之类的航空器的现有FMS和HUD中的集成组件，因此，以下论述将参照此类应用来说明本发明。 
参照图1，该图表示根据本发明的机场特征***以及有关航空器***的框图。各种各样的航空器***均可以包括本发明，因此，一并称为机场特征显示***10。机场特征显示***10包括飞行管理计算机(FMS)11，多功能控制显示装置(MCDU)12，导航数据库(NDB)13，平视显示(DUD)14，电子飞行仪表***(EFIS)15，多模式接收机(MMR)16，转发器17，以及通信管理装置(CMU)18。FMC11和MCDU 12通常并称为飞行管理***(FMS)。 
FMC11包括处理器11A和存储器11B。处理器11A包括适合于接收和处理命令和数据的数据处理器。处理器11A最好为其数据处理能力足以以实时方式完成所需的FMS和机场特征任务的微处理器。存储器11B最好同时包括存储动态数据和变量的随机存取存储器(RAM)和存储程序数据和静态数据的只读存储器(ROM)。处理器11A与存储器11B通信，以检索程序指令和数据，处理并存储、检索变量。同时，处理器11A与NDB 13通信。 
NDB 13包括用于描述机场跑道、滑行道、舱门、停机坪、标准滑行路线以及各种其他机场结构和所需特征的机场和滑行路线数据。最好以链表形式存储机场数据13A，同时在数据库中存储标准滑行路线13B。然而，也可以采用多种其他格式来存储此类数据。NDB 13 最好是可重写的或可更换的，以便在需要时更新机场数据和标准滑行路线数据，并且有关机场跑道、滑行道、建筑之类的变更数据是最新的。NDB 13是利用诸如PROM、EPROM、EEPROM、磁盘驱动器、光盘驱动器或类似设备之各种组合之类的各种记忆体存储器技术构造的。其操作需求仅仅是存储机场数据的能力。 
最好通过与FMC 11和处理器11A通信的MCDU 12实现用户界面。MCDU 12包括显示屏12A，行选择键19和小键盘12B。MCDU 12通常用于向FMC 11输入航线飞行计划命令，并通过显示屏12A，向驾驶员、机组人员或操作员输出航线飞行数据。行选择键19的操作允许快速选择、删除显示的项目。本发明最好使用先前存在的用户界面设备实现用于机场地面导航的用户界面，尽管也可使用其他用户界面实施本发明。例如，可使用EFIS 15或HUD 14之类的显示屏作为用户界面的一部分。 
将HUD 14和EFIS 15表示为与FMC 11通信。HUD 14将图像投射到位于驾驶员前方视线的组合器上，从而驾驶员能够在观看图像的同时注意航空器的前挡风玻璃。EFIS 15(也称为下视显示(HDD))通常位于航空器的前挡风玻璃的下方。EFIS 15包括一块或多块显示屏，显示屏通常是用阴极射线管(CRT)、平板显示器或功能类似的显示设备实现的。最好在HUD 14上向驾驶员显示机场特征，HUD 14是为此类保形显示选择的显示器。也可以使用EFIS 15。EFIS 15更适合作为显示设备。EFIS 15、HUD 14和MCDU 12全部具有实施本发明的显示屏。 
同样，将几种通信***连接到FMC 11。MMR 16接收导航或位置信号，如全球定位***(GPS)信号，差分GPS(DGPS)，局域增强***(LAAS)信号，广域增强***(WAAS)信号等。将此类信号传送到FMC 11，在FMC 11中确定航空器的位置。然后使用航空器位置信息或来自其他信源的类似信息计算适当的机场特征数据，或传送给其他航空器***。 
转发器17和CMU 18提供附加输入和输出信道。例如，转发器 17接收来自其他航空器或空中交通管制(ATC)的自动回报监视广播(ADS-B)之类的信号。利用该信息将表示其他飞行器的位置或运动的符号添加到机场特征显示中。CMU 18包括与ATC或类似控制机构的数据链路，通过该数据链路传送、协商、修改、批准或拒绝滑行路线、计划和指令。 
航空界特别是航空电子设备领域中有许多通信标准。位于马里兰州安纳波利斯Riva路2551号的Aeronautical Radio公司(ARINC)公布了与航空器航空电子设备有关的许多标准。两种出版物公开了航空通信标准。ARINC 429为与航空器上频繁使用的通信总线有关的标准。题目为“Advanced Flight Management Computer System(高级飞行管理计算机***)”的ARINC特征702A1996年12月31日公布的，其中涉及FMS和显示***之间的通信协议。本文引用上述出版物作为参考。 
图2表示根据本发明的HUD上的机场特征符号的示例显示。通过浏览作为HUD***的显示屏的组合器21，驾驶员观察铺砌的跑道22，跑道边缘22A，跑道中心线22B，以及岔道或滑行道连接23路面。屏幕21上显示的机场特征符号包括跑道和滑行道边缘锥面24以及滑行路径符号25。显示的其他符号包括飞行路径引导提示26，地速26A，目标航速26B，带有距离读数的下一个转数计26C，主起落架包络符号26D以及标题26E。符号最好与地面特征相似。 
使用机场特征数据显示的符号描述跑道和滑行道的路面轮廓。该符号的位置(即位置或坐标)为使用ARINC规范提及的BNR格式中的20比特数据的绝对纬度/经度坐标。请注意，20比特数据占据ARINC格式中的一个字，并且对此类应用也不是高分辨率的。ARINC规范规定占据该格式中两个字的更精确的纬度/经度值。然而，已经证明以高分辨率格式传送所有机场特征数据需要大部分总线上的极高带宽。本发明通过通过向HUD 14传送一个高分辨率坐标/位置并通过计算相对于高分辨率坐标的剩余符号的位置点，解决此问题。高分辨率坐标最好为机场的固定位置或标石。因此，相对于机场标石或参考数据30 的位置，计算剩余机场特征数据。使用该技术能够大量缩减传送机场特征数据所需的带宽，并且能够在目前使用的许多航空电子设备***上实施该机场特征显示***。 
图3表示用于机场标石或参考数据30的示例格式。在参考数据30的字1和字2中传送标石的高分辨率纬度数据。接着，在参考数据30的字3和字4中传送标石的高分辨率经度数据。最后，如果需要机场ID，则在参考数据30的字5和字6中传送4个ASCII字符。也可以在参考数据30中传送机场海拔，但是可以从FMS数据库或其他信源获取海拔，并且为了节省通信总线的带宽，最好使用其他信源。 
图4表示根据本发明向HUD传送机场特征数据的示例格式。称为表40中字1-3的相对X、Y、Z数据是单字数据值格式。然而，HUD14通过组合低分辨率格式的数据值与参照图7描述的机场标石或参考数据，将低分辨率格式的数据值转换为高分辨率的位置或坐标。根据一种实施方式，使用数据点的相对位置能够将指定位置点或坐标所需数据字的数目大约减少一半。这等同于减少传送数据所需的带宽。表40中的数据对应于图5所示的滑行路径图。指定点A1的位置和海拔只需三个字41A、41B和41C。同样，指定点A2、B1和B2的位置和海拔也只需三个字。通过使用本发明，只需使用通常所用带宽的一半带宽，就能在数据总线上传送高分辨率坐标。 
现在参照图5，该图表示表40描述的典型滑行路径。利用表40中的字1-6定义分段A。利用表40中的字10-12定义圆锥B，利用表40中的字13-18定义分段B。 
图6表示计算机场特征的X(经度)、Y(纬度)和Z(海拔)的相对位置的过程的流程图。该过程从块60开始，然后转到块61和块62，在块61中，接收纬度和经度高分辨率机场标石数据，在块62中，接收感兴趣的数据的纬度和经度高分辨率位置点。在块63中，作为感兴趣的位置点的纬度与机场参考纬度或机场标石纬度的差，计算Δlat。同样，在块64中计算Δlon。接着，利用块65中的公式计算相对纬度。利用块66中的公式计算相对经度。最后，利用块67中的公 式计算相对海拔或海拔。借助计算的相对位置点，将数据加载到适当格式中，然后传送给HUD。 
现在参照图7，该图表示本发明的另一种示例格式。表70包括代表符号之X和Y坐标的两个数据字。对于符号和某些其他特征而言，不需要海拔值，因此保留附加带宽用于其他用途。 
显然熟练技术人员可以对本发明的最佳实施方式作出各种变更而并不背离附属权利要求书定义的本发明的实质和范围。 

Claims (15)

1.一种用于航空器的机场特征显示***，所述机场特征显示***包括：
用户界面，包括：显示屏；以及滑行路线选择输入；
数据存储设备，能够以预定分辨率存储机场特征数据；
处理器，经由所述用户界面与所述显示屏和所述滑行路线选择输入通信；以及
通信链路，与所述处理器通信并能够传送由所述处理器格式化的机场特征数据，
其中，所述数据存储设备按照第一分辨率存储机场特征和参考点的位置数据，
其中，所述处理器以第一分辨率格式化参考点位置数据，以经由通信链路传输到显示屏，并且计算相对于参考点的机场特征的位置数据，然后按照比第一分辨率低的第二分辨率格式化机场特征的位置数据，以经由通信链路传递到显示屏。
2.如权利要求1所述的机场特征显示***，其中，所述参考点是机场标石。
3.如权利要求1所述的机场特征显示***，其中，所述参考点位置数据和所述机场特征的位置数据由纬度和经度坐标表示。
4.如权利要求1所述的机场特征显示***，其中，所述机场特征数据包括表示跑道和滑行道的数据。
5.如权利要求1所述的机场特征显示***，其中，所述机场特征数据包括表示滑行路线的数据。
6.如权利要求1所述的机场特征显示***，其中，所述用户界面包括HUD控制面板。
7.如权利要求1所述的机场特征显示***，其中，所述用户界面包括一个双重用途输入，当与滑行有关的页面有效时，双重用途输入启动机场特征数据的显示。
8.如权利要求1所述的机场特征显示***，其中所述数据存储设备存储预定的标准滑行路线。
9.如权利要求1所述的机场特征显示***，其中所述显示屏为HDD。
10.如权利要求1所述的机场特征显示***，其中所述显示屏为HUD。
11.如权利要求1所述的机场特征显示***，其中所述用户界面包括多功能控制显示装置。
12.如权利要求1所述的机场特征显示***，其中所述处理器为飞行管理计算机。
13.一种用于航空器中的机场特征数据交换方法，该方法包括以下步骤：
获取机场参考位置的坐标；
获取特征的坐标；
按照第一分辨率向显示设备传送所述参考位置；
相对于所述机场参考位置计算所述机场特征的相对特征坐标，并进一步按照比第一分辨率低的第二分辨率格式化相对特征坐标；以及
向所述显示设备传送以第二分辨率格式化的所述相对特征坐标。
14.权利要求13的机场特征数据交换方法，其中所述参考位置为机场标石。
15.权利要求13的机场特征数据交换方法，还包括以下步骤，作为机场参考坐标和到地球中心距离的函数计算所述相对特征坐标。
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