CN107591033A - 用于计算所估算的导航性能预测的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于计算所估算的导航性能预测的设备和方法。其中，本发明涉及用于对与飞行计划的航段序列相关的轨道计算所估算的导航性能预测的方法。本发明还涉及用于在走廊轨道中显示导航性能的方法，从而在提供对在走廊中的导航纬度的立刻观察的同时，保证遵循导航性能要求。

Description

用于计算所估算的导航性能预测的设备和方法
技术领域
本发明涉及飞行管理***的领域，并且更具体而言，涉及通过导航性能的早 期计算来协助飞行器的引航的领域。
背景技术
所谓的基于性能的导航(PBN)是由ICAO国际民航组织于1998年为了优化 面临空中交通的持续增长的空域的使用而定义的飞行体制。PBN体制使得能够限 定在整合性、可用性、功能性、准确性和持续性方面要遵循的条件。这些条件体 现为在所需导航性能(RNP)和所估算的导航性能EPE(估算位置误差)或EPU (估算位置不确定度)方面的要求。
为飞行环节(flight portion)而定义所需导航性能RNP。如图1所示，RNP根 据飞行器是否处于“海洋”、“在航”、“航站区”或者“靠站”类型的飞行环 节而改变。因此具有某一所需性能的程序指代特定的空域区。所需性能水平体现 为根据空域区的走廊(corridor)的宽度。例如，海洋空域区可以具有从4到10Nm 之间的宽度的走廊，其中符号Nm对应于海里，1海里等于1852m。
在当靠近机场(其中许多飞行器共存于减小的空间中)时的靠站阶段，转换 为走廊宽度的所需性能水平在靠站开始时一般等于1Nm，对于非精确靠站则降至 0.5Nm，对于精确靠站降至0.3Nm，以及对于所谓的“RNP AR”特殊靠站降至 0.1Nm。所需性能水平的可变性使得能够在具有高交通密度的环境中、在噪声敏感 区域周围或者穿过困难地形时，限定由直线和曲线组成的三维轨道。所需性能水 平可以由飞行员手动地定义在飞行管理***的配置文件中，或者从存在于飞行管 理***中的数据库得到调用。其还可以例如根据飞行器所飞过的空间是否为海洋、 在航或机场的类型而进行默认定义。
为了能够满足RNP程序的要求，飞行器的导航装置必须能够根据在所飞过的 空间的所需性能来计算飞行器的位置。因此，具有某一所需性能的程序意味着飞 行器的导航***必须能够确保飞行器的位置在半径为xxNm的圆圈内。例如，对 于具有为5Nm的RNP所需性能的程序而言，飞行器的导航***必须能够计算在 半径为5Nm的圆圈内的飞行器的位置。更确切而言，如图2所示，导航***必须 确保飞行器在95％的飞行时间不会超出宽度为10Nm(2x RNP：准确限制)的走 廊，并且保证飞行器永远不会越过宽度为20Nm(4x RNP:控制限制)的走廊的边 界。
位置计算的精确性可以随飞行而改变。实际上，GPS全球定位***类型的外 部卫星导航设备根据所考虑的地理区域而具有不同的覆盖水平。这同样也适于无 线电导航装置。对于惯性装置，其受到这些***中固有的惯性漂移的问题的困扰。
以常规方式，示出于图3中的被称作TSE“总体***误差(Total System Error)”的在计算飞行器水平位置时的误差为3个分量的平方和的根，其由下式表达：
其中：
-NSE“导航***误差(Navigation System Error)”表示飞机定位误差，也 被称作PEE“位置估算误差(Position Estimation Error)”。该误差表征在基于无 线电定位、惯性或卫星传感器的对飞机位置的计算中的误差。其通常以围绕飞机 的圆圈的形式表示。
-PDE“路径定义误差(Path Definition Error)”表示飞机轨道误差。该误差 被认为是可忽略的，这是因为其与导航数据库的编码的非常不可能的误差相关联。 对于使用WGS84类型的测地线参考模型(geodesic reference model)的导航*** 来说，该误差变得更小。
-FTE“飞行测试误差(Flight Test Error)”表示飞机引导误差，也被称作 PSE“路径指导误差(Path Steering Error)”。该误差涉及飞机的引导模式，并且 其来源由三种引导状态组成，从最不精确(对应于最大的误差)到最优排列的三 种引导状态为：
-没有辅助来跟随轨道的手动引导，
-跟随飞行导向命令的手动引导，
-利用用于跟随轨道的自动引航的自动引导。
在图3中，用于“期望路径(desired path)”的箭头“DesP”对应于期望的 轨道，而用于“定义路径(defined path)”的虚线箭头“DefP”对应于计算的轨 道。
对于TSE，第一分量(PDE)实际上被认为是可以忽略的，第二分量(FTE) 具有3个固定值并且仅应用于主动飞行航段，即飞行器处于跟随的过程中，而第 三分量(NSE)涉及传感器的测量。后一分量会沿着轨道发生变化，这是由于其取 决于在来回移动的飞行器的位置周围可用的传感器的性能。
在对飞行器的位置的计算中的误差源自于执行计算的***，概括来说，由术 语“飞行管理***(Flight Management System)”或FMS指代的导航***，其在 飞行人员的支配下以及在机上的其它嵌入式***的支配下设置待跟随的航线。通 过显示对飞行员有用的信息，或者通过与自动引航***进行通信引导指令，该FMS ***还可以向导航提供帮助。在某些飞行器上，例如A350，ADIRU***执行飞行 器定位功能。这些***提供对被称作(EPE)(“估算位置误差(Estimation Position Error)”)，有时也被称作(EPU)(“估算位置不确定度(Estimation Position Uncertainty)”)的计算误差的估算，这两项表示相同的信息段。该信息段因此代 表了相对于所需性能水平的估算性能水平。图4示出了(根据现有的显示)在根 据飞行航段而变化的EPU信息下的估算的性能预测。导航***必须保证飞行器的 位置在半径为“xx”的圆圈内，该半径表征在位置计算中的不确定度EPU。该圆 圈根据飞机的速度而采取卵形形状，从而将当从一个飞行航段穿过至下一个飞行 航段时，在两个飞行航段之间过渡期间结束转弯时而可能减少的所需容差考虑在 内。
因此，目前，在所需导航性能的值会沿着整个飞行计划而变化的同时，有关 所需导航性能的常识仍然限制于当前飞行航段，或实际上限制于下一航段的端部 附近。飞行员无法以任何方式受益于关于所需导航性能的改变的提前知晓。
以类似的方式，估算导航性能取决于可用性随飞行而变化的定位传感器，并 且对于估算导航性能的值的计算目前仅对飞行器所跟随的当前飞行航段有效。因 此，估算导航性能的常识仍然限制于飞行器的当前位置，并且不允许飞行员针对 无法遵循所需性能做出预判。
因此，对于操作者可用的信息仍然是对于当前飞行航段的所需导航性能的值 以及估算导航性能的值，如图4a和图4b所示。图4a示出了飞行管理***的屏幕 的一页，处于“平视式(head-up)”位置的飞行员不能进入该屏幕，进入该屏幕 需要飞行员进入管理***的菜单从而使该页显示在屏幕上。在该页的示例中，例 如标题“APPROACH(靠站)”指示所提供的信息涉及机场靠站阶段。在左下方， 术语“REQUIRED(所需)”显示有数值1.0NM，其指示RNP程序所需的性能水 平。在右下方，术语“ESTIMATED(估算)”显示有数值0.60NM，其指示估算 性能水平。在该示例中，RNP程序的需求得到满足，估算导航性能水平小于所需 导航性能水平。相关于术语“ACCUR(准确)”的术语“HIGH(高)”向飞行 员表示对于导航计算的整体级别的定性指示，并且显示为可靠性级别被认为是 “高”。
此外，操作者将飞行器保持在计算的轨道上，如图4b所示，所述计算的轨道 表示为“线形”轨道。图4b表示安装在飞行器上的飞行管理***的导航屏幕的一 页，其显示了飞行器要跟随的轨道，飞行器的飞行员通常能够容易地以“平视式” 的位置进入该页，而无需任何操纵来进入该页。飞行器的当前位置由飞行器形状 的符号指示，其显示在具有增大的半径的三个同心圆的圆心处。飞行器的轨道由 穿过飞行器的当前位置、第一航点和第二航点(CI27R，FI27R)的轴线或“线” 指示。当前位置和第一航点定义了第一当前轨道部分，轨道部分通常被称作航段 (segment)或在英语中称为“航段区(leg)”。第一航点和第二航点定义了第二 轨道部分。
飞行器***必须遵循并且不超过所需导航性能(其被表示为走廊(corridor) 的宽度Nm)。然而，利用线来表示，操作者得不到任何关于在由所需导航性能所 定义的走廊中的导航纬度的信息，并且如果有障碍物处于走廊中，飞行员将只会 在最后一刻看到该障碍物，并且将需要向地面操作员进行紧急授权请求的操作。
因此，目前为止，对于飞行器的当前位置，导航***给出了限制于当前飞行 航段或者最多下一航段的所需的导航性能和估算的导航性能水平。此外，已知的 导航***在遵循RNP程序的同时，不会向操作者提供“自由度”以在定义的走廊 中航行。
本发明的目标在于减少现有***的缺陷。
发明内容
本发明的目标为提出一种设备和方法来对与飞行计划的航段序列相关的轨道 计算所估算的导航性能预测。
本发明的另一目标为提出一种设备和方法，以将线形轨道转变为走廊轨道， 使得能够保证只要飞机不超出走廊轨道，就能够遵循PBN导航性能要求。
有益地，本发明的设备通过提供对航段序列预测导航性能的估算的能力而在 PBN程序的框架内对飞行器的引航提供辅助。
有益地，本发明的设备以简单的方式提供了走廊轨道信息片段，通过使飞行 器的操作者能够容易地访问走廊(其中性能得到保证)和不应超出的限制，而允 许操作者能够更好地控制飞机的轨道，以及更好地控制期望的和可用的性能。通 过对走廊中的导航纬度进行立刻观察，飞行员很容易能采取措施来避开障碍物， 而无需请求事先授权或者具有非常早的请求，这是因为操作者或者飞行员凭借估 算性能的知识而符合安全性要求，所述安全性要求通过走廊轨道而以显而易见的 方式显示给操作者或者飞行员。
为了获得所寻求的结果，对方法、设备和计算机程序产品进行描述。
具体而言，通过飞行器计算平台而执行的用于对飞行器的轨道计算所估算的 导航性能预测的方法包括下述步骤：
-接收包括飞行计划的所有航段的航段序列，所述航段序列具有与每个航段相 关的通过时间的预测；
-对于序列中的每个航段：
-识别在所述航段的地理区域中可用的在飞行器外部的定位***；
-确定所识别的定位***的性能值，并且选择对于所述航段的位置和所述 预测通过时间显示出最低的导航性能计算误差的外部定位***；以及
-基于从所选择的外部定位***得到的数据来计算所估算的导航性能预 测；
以及
-更新具有与每个航段相关的所估算的导航性能预测的航段序列。
在优选方式中，识别定位***的步骤包括识别对于每个航段可用的所有卫星、 信标和惯性定位***。计算所估算的导航性能预测的步骤包括确定对于每个航段 的卫星预测是否是精确的和可用的，并且，如果对于每个航段的卫星预测是精确 的和可用的，则基于卫星数据来计算所估算的导航性能预测。
根据一种变型，如果对于航段的卫星预测是不精确的或不可用的，则所述方 法比较信标***和惯性***的性能值，并且基于对于所述航段展示出最低导航性 能计算误差的信标定位***或惯性定位***的数据来计算所估算的导航性能预 测。
在一种变型中，当对于所估算的导航性能预测的计算是基于惯性***的数据 而进行时，所述对于所估算的导航性能预测的计算考虑惯性***的漂移。作为替 选，当对于所估算的导航性能预测的计算是基于信标***的数据而进行时，所述 对于所估算的导航性能预测的计算考虑在所述航段的地理区域中可用的信标的性 能。
有益地，从包括嵌入在飞行器上的“RAIM”功能的***获取卫星定位 ***的导航性能值。
在一个实施方案中，所述航段可以被切割为子航段以执行精确计算，所述切 割能够根据固定的子航段长度或通过考虑卫星预测的最大范围而进行。
有益地，可以执行该方法以用于估算水平导航性能预测的计算和/或用于估算 垂直导航性能预测的计算。
同样有益地，如果通过时间预测或飞行计划改变，则可以自动地重新执行该 方法。
本发明还涉及用于对飞行器的轨道计算所估算的导航性能预测的设备，所述 设备包括：
-用于接收包括飞行计划的所有航段的航段序列的装置，所述航段序列具有与 每个航段相关的通过时间的预测；
-适用于对于序列中的每个航段进行下述操作的装置：
-识别在所述航段的地理区域中可用的在飞行器外部的定位***；
-确定所识别的定位***的性能值，并且选择对于所述航段的位置和所述 预测通过时间显示出最佳的导航性能值的外部定位***；
-基于从所选择的外部定位***得到的数据来计算所估算的导航性能预 测；
以及
-用于更新具有与每个航段相关的所估算的导航性能预测的航段序列的装置。
有益地，设备包括能够执行所述方法的步骤的装置。在一个实施方案中，设 备整合至飞行器的飞行管理***(FMS)中，或者替选地作为嵌入在机上的EFB 类型的计算机的元件。
本发明还涉及有形的非易失性计算机程序产品，包括当该有形的非易失性计 算机程序在计算机上执行时实施所述的方法的步骤的代码指令。
在一个实施方案中，可以执行用于计算所估算的导航性能预测的方法从而能 够显示所估算的导航性能预测。本发明还涉及显示飞行器的轨道的所估算的导航 性能预测和所需导航性能预测的方法，所述方法通过飞行器计算平台执行，并且 包括下述步骤：
-根据所要求的方法的步骤，对飞行计划的航段序列计算所估算的导航性能预测；
-对同航段序列计算所需导航性能预测；
以及
-在显示装置上图形化地表示所述所估算的导航性能预测和所需导航性能预 测。
在一个实施方案中，计算所需导航性能预测的步骤包括下述步骤：
-接收飞行计划的航段序列；
-对于序列中的每个航段：
-识别构成导航性能约束的所有的可能性；
-对所述航段确定和选择最大约束的可能性；
-根据从所选择的可能性得到的数据来计算所需导航性能预测；
以及
-更新具有与每个航段相关的所需导航性能预测的航段序列。
在一个实施方案中，图形化表示包括将所述所估算的导航性能预测和所需导 航性能预测叠加显示在线形轨道上。
在一个变型中，在显示步骤之前，所述方法能够对每个航段从所需导航性能 预测减去所估算的导航性能预测从而构造走廊轨道，并且其中，图形化表示包括 根据走廊来显示所述所估算的导航性能预测和所需导航性能预测。
一个实施方案，显示步骤包括对于具有比所需导航性能预测更大的所估算的 导航性能预测的航段显示线形轨道。
在一个变型中，图形化表示包括在走廊轨道上以对比度表示导航纬度。
本发明还覆盖用于显示飞行器的轨道的所估算的导航性能预测和所需导航性 能预测的设备，显示设备包括显示装置和计算装置，所述计算装置适用于计算所 估算的导航性能预测和所需导航性能预测，所估算的导航性能预测根据所要求的 方法的步骤而进行计算，所述设备进一步包括用于在所述显示装置上图形化地表 示所述所估算的导航性能预测和所需导航性能预测的装置。显示装置可以为飞行 器的驾驶员座舱的屏幕，例如“导航显示”(ND)或“主要飞行显示”(PFD) 屏幕。
附图说明
借助于参考下述附图的对本发明的一个优选的但是非限制性的实施方案的描述，本发明的各个方面和优点将会显现，附图中：
图1示出了对于各个飞行环节的RNP所需导航性能；
图2示出了在走廊中飞行器的RNP导航的限制；
图3示出了在计算飞行器水平位置时的误差的三个分量；
图4a和图4b示出了根据现有技术的飞行管理***的导航屏幕的各页；
图5示出了对根据本发明的一个实施方案的对于与航段序列相关的轨道的所 估算的导航性能预测的显示；
图6示出了对根据本发明的一个实施方案的对于与航段序列相关的轨道的所 需导航性能预测的显示；
图7示出了对根据本发明的一个实施方案的对于与航段序列相关的轨道的所 需导航性能预测和所估算的导航性能预测的结合显示；
图8示出了对根据本发明的另一个实施方案的对于与航段序列相关的轨道的 所需导航性能预测和所估算的导航性能预测的结合显示；
图9a示出了在本发明的实施方案中用于对航段序列计算所需导航性能预测的 方法；
图9b示出了在本发明的实施方案中用于对航段序列计算所估算的导航性能预 测的方法；
图9c示出了在本发明的实施方案中用于构造走廊轨道的方法；
图10示意性地示出了适用于本发明的操作的FMS类型的飞行管理***的结 构和功能；
图11示出了在本发明的实施方案中用于对航段计算EPU预测的方法；
图12示出了在本发明的实施方案中对航段计算EPU-惯性预测的方法；
图13示出了根据RAIM功能的可用性或损失而考虑的用于航段的EPU的类 型；
图14示出了对于航段所考虑的走廊值(默认、飞行员、数据库)；
图15至20示出了所需导航性能和所估算的导航性能的预测的显示的不同变 型；
图21示出了在计算飞行器垂直位置时的误差的三个分量；
图22和23示出了垂直走廊显示的变型。
具体实施方式
图5表示对根据本发明的一个实施方案的对于与航段序列相关的线形轨道的 所估算的导航性能(EPU)预测的示例性显示。该显示允许操作者监控飞行器导航 性能。例如在说明书中限定的航段序列为一系列连续航段(S1，S2，……，Si，……， Sn)，所述航段为直线的或弯曲的，每个航段具有分别由其纬度、经度和海拔定 义的起点(PDSi)和终点(PFSi)。此外，对于与当穿过航段的终点时的通过时间 相关的序列中的任何航段，其被称作注有日期的航段序列。在图5的示例中，示 出了航段序列Sn中的5个航段(S1至S5)。具有起点PDS1和终点PFS1的航段 S1包含在飞行器的当前位置的飞行器的标识，具有起点PDS2和终点PFS2的航段 S2显示了为0.1Nm的所估算的导航性能EPU预测。具有起点PDS5的航段S5显示 了为0.3Nm的估算性能预测。出于简化的目的，仅示出两个航段的EPU。
图6示出对根据本发明的一个实施方案的对于与航段序列相关的线形轨道的 所需导航性能的预测的示例性显示，其中航段序列(S1至S5)与图5中的航段序 列相同。在该图示中，所需性能预测显示为走廊的半宽度，所述走廊对应于飞行 器可以在其中行进的走廊。该显示允许操作者能够预判约束更大的所需导航性能 需求。在航段S2，该值等于1Nm，这意味着在该飞行环节飞行器必须在宽度为2Nm 的走廊中行进，而对于航段S5，该值等于0.3Nm，这意味着在该飞行环节飞行器 必须在宽度为0.6Nm的走廊中行进。
图7和图8表示根据本发明的各个实施方案的对于与航段序列相关的线形轨 道的所需导航性能预测和所估算的导航性能预测的结合显示。图7的显示可以是 与操作者的心理表现(mental representation)相一致的表现，其中第一走廊与EPU 相关联，而第二走廊对应于所需导航性能。图8的显示允许操作者甚至在非管理 模式下(其中NAV自动轨道跟随模式没有使用)知道飞行器关于规则限制(“所 需”走廊的宽度)的相对情况。
图9a示出根据本发明的一个实施方案的用于对飞行计划的航段序列计算估算 性能的预测的方法的步骤。
该方法从接收用于与飞行计划相关的轨道的“N”个飞行航段的注有日期的序 列的步骤(902)开始。对于飞行计划的每个航段，存在相关的预测通过时间(在 该时间飞行器穿过所述航段)。航段序列通过飞行管理***而产生。飞行计划数 据通常由飞行管理***(FMS)提供，所述飞行管理***具有飞行器的当前飞行 计划，所述当前飞行计划包括飞行计划的多个点。图10示意性地示出了适用于实 现能够实施本发明的方法的装置的已知类型的飞行管理***(FMS)的结构和功 能。FMS类型的***安装在飞机中，并且具有人机接口(1220)，所述人机接口 包括输入装置(例如由键盘组成)以及显示装置(例如由显示屏组成)，或者简 单地包括触摸显示屏，以及至少下述功能：
-导航(LOCNAV)(1201)，用于根据定位装置(1230)而执行飞行器的 最优定位(例如通过卫星或GPS、GALILEO、VHF无线电导航信标和惯性平台而 进行地理定位)。所描述的方法和***主要影响或涉及计算机的这一部分；
-飞行计划(FPLN)(1202)，用于输入形成待跟随的航线的“框架”的地 理元素，例如由出发程序和到达程序所得到的点、导航点、空中走廊(通常被称 作“空中航线”)。
-导航数据库(NAVDB)(1203)，用于从被包括在库中的有关点、信标、 拦截(interception)或海拔航段区(altitude leg)等等的数据来构造地理航线或程 序；
-性能数据库(PERFDB)(1204)，包含飞行器的空气动力学和发动机参数；
-横向轨道(TRAJ)(1205)，用于按照飞行器的性能和限制约束(RNP) 而基于飞行计划的点来构造连续轨道；
-预测(PRED)(1206)，用于构造最佳的在横向和垂直轨道上的垂直剖面， 并且给出(特别是在每个点的)对于距离、时间、海拔、速度、燃料和风力的估 算，所述估算在引航参数的每次改变进行更新，并且进行计算直到目的地，且所 述估算将显示至机组成员；
-引导(GUID)(1207)，用于利用通过预测功能(1206)计算的信息而在 飞行器的三维轨道上引导(在横向平面和垂直平面)飞行器，同时优化其速度。 在安装有自动引航设备(1210)的飞行器中，所述自动引航设备与引导模块交换 信息(1207)；
-数字数据链(DATALINK)(1208)，用于在飞行计划/预测功能和控制中 心或其他飞行器之间交换飞行信息；
-一个或多个屏幕，特别是被称作FMD、ND和VD的屏幕，它们是：
FMD(“飞行管理显示(Flight Management Display)”)是一种接口，一般 而言是显示屏，其可以是交互式的(例如触摸屏)，适用于与FMS交互。例如， 其能够定义航线，并且触发飞行计划的计算和相关轨道的计算。其还能够查阅文 本形式的计算结果。ND(“导航显示(Navigation display)”)是一种接口，一 般而言是显示屏，其可以是交互式的(例如触摸屏)，适用于以两个维度访问从 上方观察的飞机的横向轨道。各种观察模式是可用的(上升(rose)视图、平面视 图、弧视图等)，根据各种(可配置的)尺度的观察也是可用的。VD(“垂直显 示(Vertical Display)”)是一种接口，一般而言是显示屏，其可以是交互式的(例 如触摸屏)，适用于以两个维度访问垂直剖面，即轨道的投影。正如ND一样， 各种尺度同样可用于VD。
在替选的实施方案中，本发明的设备可以如广为人知的那样以“电子飞行 包”(EFB)类型的嵌入在机上并且与FMS分开的计算机的水平实现。EFB是用 于管理协助机组人员执行飞行管理任务的信息的电子设备。其是这样的计算平台： 其可以装载专门开发的软件应用来执行例如计算起飞性能和重量平衡的功能。
该方法随后(904)能够取回对于在飞行器外部的一组定位***的性能值。主 要的已知定位***是地面导航无线电信标(例如：VOR、TACAN、DME、LOC 和MLS等)，惯性导航***(例如：IRS、ADIRS和AHRS等)和基于卫星的 定位***(例如：GNSS、GPS和GLONASS等)。其中每种定位***都关联于 导航性能。
在随后的步骤(906)中，该方法能够对序列中的每个航段“i”，将所考虑的 航段“i”的位置和穿过该航段时的通过时间的预测，以及通过惯性平台、导航信 标和卫星***得到的定位***的数据考虑在内，而计算所估算的导航性能预测。 更具体地参照图11，对估算性能预测的计算(908)是基于对飞行器的机上卫星接 收***的功能以及通过各种位置***所产生的信息的创新使用。有益地，本发 明的方法能够比较通过各种定位***产生的信息，并且能够根据航段的位置和预 测通过时间，为估算性能预测的计算而选择对每个航段“i”提供了最佳导航性能 的定位***产生的信息。
计算所估算的导航性能预测的方法的输出(910)为对于与轨道相关的整个飞 行计划的“N”个航段的序列，所述“N”个航段具有对于每个航段的计算的所估 算的导航性能预测(PREDICTED_EPU)。
根据一个实施方案，如果一定时间(例如15分钟)内没有发生自动重新启动 事件，则用于计算在整个飞行计划中的所估算的导航性能预测的方法以规则间隔 执行，从而将卫星故障、导航信标故障或其他事件考虑在内。
在另一实施方案中，如果由于例如速度变化和天气现象(强风)导致航段的 通过时间的预测发生显著变化，则用于计算所估算的导航性能预测的方法可以自 动地重新启动。
在另一变形中，估算性能预测的计算可以在所需性能预测的计算重新启动之 后而重新启动。
图9b示出，根据本发明的一个实施方案的用于对飞行计划的航段序列计算所 需性能的预测的方法的步骤。该方法从接收用于与飞行计划相关的轨道的“N”个 飞行航段序列的步骤(903)开始。
在下一步骤(905)，该方法能够对序列中的每个航段计算所需性能预测。
对于序列中的每个航段“i”，所述方法能够(907)经由导航数据库的信息和 操作者输入的信息来识别对于所需导航性能的全部约束，以选择(909)最大约束 的可能性(most constraining contingency)，以及计算(911)对于所考虑的航段的 所需性能预测。
当操作者定义走廊宽度的值时，该走廊宽度的值适用于当前航段以及整个序 列中的所有其他航段。然而，如果规则关联于导航性能，其通过其他选项(数据 库导航，飞行区域)得到传达，并且可以比操作者输入的值约束更大。在现有技 术中，当操作者定义的值变为比对应于规则的值更大时，***向飞行员发送消息， 以要求飞行员减小走廊的值，从而使其遵循规则。有益地，利用本发明的方法， 对于给定的航段“i”，为了所需性能预测的计算，***采用最大约束的可能性， 也即走廊的半宽度的值。***仅在操作者定义的走廊小于规则的走廊时才考虑操 作者定义的走廊。当在数据库中对航段定义走廊时，其对应于对于该航段的所需 性能规则，并且其可应用，除非飞行员的值的约束更大。当对于一个航段既不存 在操作者的值也不存在“数据库”的值时，根据地理飞行区域(航站、海洋、在 航、靠站)而确定的默认走廊值应用至该航段。因此，当利用默认值对航段定义 走廊时，其对应于对于该航段的所需性能规则，并且其可应用，除非飞行员的值 的约束更大。图14示出了对于航段“i”考虑走廊值(默认、飞行员、数据库)。
计算所需导航性能预测的方法的输出(913)为对于与轨道相关的整个飞行计 划的“N”个航段的序列，所述“N”个航段具有对于每个航段的计算的所需导航 性能(RPN)预测。
因此，用于计算所需导航性能的预测的***的目标为，对于序列中的航段中 的每个，定义可应用的(也即遵循规则的)所需导航性能。
对所需导航性能的预测的计算不以规则的方式或者自动的方式重新启动。计 算在操作者修改航段的序列(通过添加、删除航段)之后，或者在操作者修改与 航段相关的走廊的值之后重新启动。
有益地，如图9c所示，通过本发明的设备实施的方法能够结合对于航段序列 计算(9000)的所估算的导航性能的预测(9010)和所需导航性能的预测(9020)， 从而构造(9030)导航走廊轨道。
有益地，基于两种类型的性能预测而提出两种方案来构造走廊。在第一选项 中，该方法能够从所需性能中减去预测性能，以此使得无论在该走廊中飞机的位 置为何，其永远不会超过所需的可能性。该方案的优点在于，如果导航性能变差， 其是逐渐发生的并且对于操作者是可见的。由该方案得到的显示示出于图18中。
用于构造走廊的替选方法为，当预测性能严格低于所需性能时，考虑宽度为 “1×走廊”的走廊。如果预测性能大于或等于所需性能，则带状变为线形。在这 种情况下，不会保证保持在走廊内部，而是保证绝不会越过走廊的两倍宽度，这 是主要的安全目标。该方案的优点在于，可以使飞行器在其中飞行的走廊更宽。 由该方法得到的显示示出于图19中。
根据不同的实施方案，走廊可以按照需求根据图15至20所示出的不同的变 形而以“带状”轨道的形式显示(9040)在用于引航的屏幕上。该显示设备可以 是驾驶员座舱的常规屏幕，例如具有“合成视觉***(Synthetic Visual System， SVS)”功能的“导航显示(Navigation Display，ND)”或者“主要飞行显示(Primary Flight Display，PFD)”屏幕，如图20所示。对于地面操作者，该信息可以显示 在控制站的屏幕上。
“带状”轨道构造为，相对于对应于飞行计划的初始航段的序列的参考轨道， 绝不会超出可能性(走廊的宽度)，如图15和16所示。就定义的走廊而言，只 显示了航段的点而没有画出连接点的线为图17中提出的另一示例性表示。
如果在一个航段上，预测性能大于所需性能，走廊再次成为航段上的线。以 可选的方式，当该航段不久将成为活跃航段时，换句话说，当该航段接近于航段 的序列的开始时，可以发送提示消息给操作者。
因此，飞行员可以选择是否显示：
-航段的所需导航性能的预测；
-航段的估算导航性能的预测；
-源自于两个预测的结合的走廊。
以可选的方式，在显示多个飞行计划的情况下，所有的显示可以被临时地自 动禁用或手动禁用。
图11示出了对序列中的航段“i”计算所估算的导航性能EPU预测的步骤(图 9a的步骤908)。
本文描述了用于计算所估算的水平导航性能的预测的方法，然而，本领域技 术人员将转换该方法的原理以计算所估算的垂直导航性能的预测。
有益地，所述方法使用安装在飞行器上的卫星接收***的功能来监控卫星和 检测故障卫星。具体而言，该方法使用这些***的能力来预测对于给定日期和给 定位置的卫星的可用性，该功能被称作“RAIM”(可靠性、可用性和整体性监控， Reliability，Availability and Integrity Monitoring)。安装有RAIM技术的接收器能 够预测从卫星接收的GPS定位信号的整体性，并且能够通过被称作“FDE”(故 障检测和排除，FaultDetection and Exclusion)的功能来检测故障卫星，并将其从 飞行器位置计算中排除。
所估算的导航性能预测涉及在给定时间的可用的卫星的数量和位置。
该方法是迭代的并且一个航段接一个航段地的操作(1102，1124)。对于航 段“i”(1102)，该方法使得能够通过利用RAIM功能来确定(1104)卫星预测 是否是精确的和可用的。在积极的情形中，其中对于卫星预测是精确的和可用的 任何航段，该方法能够根据预测卫星性能的值(称作“SATELLITE_EPU(卫星 _EPU)”)来建立所估算的导航性能预测(1110)。
为了增加其精确性，该方法能够基于惯性平台(IRS、AHRS等)将卫星信息 (1104)与***的信息(1106)相结合，例如以覆盖卫星***给出异常值的飞行 器位置的情况(例如由于卫星的瞬时丢失)。于是惯性***将避免该响应。实际 上，惯性***会慢慢漂移，而卫星***的飞行器位置(其在长时间内都是精确的) 将通过允许惯性***重置来避免该漂移的影响。卫星***提供其性能的值(1104)， 并且通过惯性***的使用(1106)，该方法能够强化该值并且计算被称为 “HYBRID_EPU(混合_EPU)”的估算的导航性能的预测(1108)。
回到初始步骤(1104)，如果在航段“i”中，卫星***对于所需导航性能不 可用或者展示出不合适的性能(无分支)，该方法能够将由其他定位***(信标 和惯性***)提供的性能信息考虑在内。该方法使得能够计算(1112)与在不具 有任何卫星信息(无RAIM)的航段“i”周围的可用的信标的类型相关的被称作 BEACONS_EPU(信标_EPU)的所估算的导航性能，并且使得能够计算(1114) 与惯性***相关的被称作INERTIA_EPU(惯性_EPU)的估算导航性能，同时将 在“无RAIM”的航段“i”的惯性漂移考虑在内。之后，该方法能够比较(1116) BEACONS_EPU和INERTIA_EPU值，并采用对应于最佳性能的值(1118，1120)。 如前所述，该方法仅在RAIM能力不可用时由此计算BEACONS_EPU值(1112)。 相应的，该***在“无RAIM”航段“i”的地理区域中搜索是否存在任何无线电 导航信标(VOR、TACAN、DME、LOC、ILS和MLS等)。如果是这种情况， 该方法根据可用的信标来计算与信标相关的估算性能。例如，BEACONS_EP对于 VOR信标具有4Nm的量级(order)，同时其对DME信标则具有0.3Nm的量级。将用于航段“i”的BEACONS_EPU与相同航段“i”的INERTIA_EPU进行比较 (1116)，其计算将在下文进行描述。以相似的方式，该方法仅在RAIM能力不 可用时计算INERTIA_EPU的值(1114)。惯性***(IRS和AHRS)具有 INERTIA_EPU的值，在没有通过卫星位置来重置的情况下，该值可能随时间变化， 这是因为它们的本征漂移根据***的性能而具有2Nm至4Nm每小时的量级。当 RAIM能力对于第一航段“i”变得不可用时(1202)，例如参考图12而描述的那样，该方法利用最后的SATELLITE_EPU的值来初始化(1204)该航段的 INERTIA_EPU_i。在第一RAIM不可用之后，对于随后的RAIM能力不可用的航 段(无分支，1206)，对应的航段“i”的INERTIA_EPU为航段“i-1”的INERTIA_EPU 加上与航段“i”的间隔时间成正比的惯性***的漂移。对漂移的估算可以按照线 性方式沿着航段而进行。只要航段的INERTIA_EPU的值保持小于BEACONS_EPU 的值，这种操作可以按照迭代的方式进行。
因此，对于序列中的每个航段“i”，该方法计算(1122)“EPU预测的”航 段的EPU的值，并且在接下来的航段“N+1”进行迭代(1124)，从而形成“N” 个航段的序列，其中对于每个航段计算估算的导航性能预测(910)。
一般而言，EPU具有取决于可用的定位***的值。通过示例的方式，卫星系 统能够获得在0.1Nm量级的SATELLITE_EPU值(1110)。
有益地，就卫星的配置或地面信标的存在而言，该方法能够确定序列中的航 段的长度是否过长。在这种情况下，该方法能够将航段分割成数个固定长度的子 航段，从而获得合适的预测性能值。最大航段长度可以是固定的，例如等于100Nm。 作为选择，另一种分割过长航段的方式为利用RAIM响应，所述RAIM响应在当 前的***中对-15min、-5min、0min、+5min和+15min针对航段的位置而给出 “RAIM”状态。
图13示出了根据可用性或者其他RAIM功能而对数个航段考虑的EPU的类 型。在RAIM丢失之前，所提供的预测基于SATELLITE_EPU。在RAIM丢失之 后，只要INERTIA_EPU小于BEACONS_EPU，在之后的最终点(PF)，所提供 的预测基于INERTIA_EPU，并且在之后的最终点(其中INERTIA_EPU变为大于 BEACONS_EPU)之后，所提供的预测变为基于BEACONS_EPU。
尽管该用于计算所需导航性能预测和估算导航性能预测的方法已经针对水平 导航性能的预测进行了描述，但是对应的对导航性能预测的计算可以应用于飞行 器的轨道的垂直轴线。
正如对水平轴线那样，在垂直轴线上存在z轴(垂直轴线)中的“总体*** 误差(Total System Error，TSEz)”，其表示在垂直位置(换句话说，飞行器的高 度)的计算中的误差。示出于图21中的该误差具有三个分量，并且由下式表示：
其中
-“飞行测试误差垂直(FTEz)”对应于以手动或自动模式飞行器的垂直引 导误差；
-“水平耦合误差”(HCE)对应于由横向误差(水平耦合误差)所引起的 误差；以及
-“测高***误差”(ASE)对应于在基于无线电位置、惯性或卫星传感器 来对飞行器的高度进行计算时的测高***的误差。
存在规则要求，其涉及在参考垂直剖面和飞行器之间的不一致，该不一致在 高海拔具有250ft的量级，而在低海拔具有150ft的量级。这些限定所需垂直性能 的要求为用于所需垂直性能预测的计算的输入，并且可以按照垂直走廊的形式表 示。
根据与对水平性能测试的计算相同的原理，用于计算垂直性能预测的方法将 各种垂直定位***及其相关的精确性考虑在内。现有的***的原理为卫星定位系 统(例如：GPS和GLONASS等)，基于气压或无线电的***(空气数据计算器 ADC和无线电测海拔计RA)和基于惯性的导航***(例如：IRS、ADIRS和AHRS 等)。通过考虑垂直位置***，根据可用的***而建立对垂直性能的估算。 该估算基于估算的垂直性能预测计算。
用于计算所需的性能的预测和估算的性能的预测的方法能够构建垂直导航走廊，其为了飞行员可以根据需要而显示在屏幕上。垂直“带状”轮廓构建为关于 对应于航段的序列的参考数值轮廓而从不超出垂直可能性“2×走廊的宽度”(不 一致容差的两倍)。
图22和23示出了显示在具有“合成视觉***3D(SVS 3D)”的“垂直显示 (VD)”或者“主要飞行显示(PFD)”的垂直走廊的变形。该***可以基于如 图21所示的虚线显示用于所需的预测和所估算的预测的垂直带状轮廓。另一种用 于通过显示***来显示该带状轨道的方案由图22提供。
根据一个实施模式，用于计算在航段序列上的估算预测和所需预测的方法通 过与FMS的平台不同的特定航空电子设备硬件平台的特定分区执行。根据另一优 选实施方案，该计算通过适合于该计算的组件而在FMS的执行平台上执行。实际 上，在近代飞行器上的综合模块化航电设备的出现已经允许对执行平台和用于在 功能之间的数字通信的平台进行定义。然而，这个趋势已经导致复杂性的上升(尤 其是功能的内部复杂性，也有航空电子***配置过程的复杂性)，以及在性能和 资源优化方面的增长的需求。在本文中，新的硬件平台被赋予在管理(操作、安 全和维护)、能源优化和定位(超过现有平台的标准功能)方面的能力。根据另 一方面，本发明涉及包括适合于执行根据本发明的方法的步骤的编码指令的非易 失性计算机程序产品。该方法可以基于硬件元件和/或软件元件而实施。该方法可 以在计算机可读介质上以计算机程序产品的形式而是可用的。该方法可以在使用 一个或多个专用电子电路或通用电路的***上实现。根据本发明的方法的技术可 以在执行包括一系列指令的程序的可再编程计算机(例如处理器或微处理器)或 者在专用计算机(例如，一组例如FPGA或ASIC的逻辑门或任何其他硬件模块) 上执行。根据本发明的***的各个模块可以在同一个处理器上，或者在同一个电 路上实现，也或者分布在多个处理器或数个电路上。根据本发明的***的模块包 括具有处理器的计算装置。对计算机程序(当其被执行时，实施前述功能中的任 意一个)的引用不限于在单个主机上执行的应用程序。与之相反，本文所使用的 术语计算机程序和软件为广义的，以涉及任何类型的可以用于对一个或多个处理 器编程从而实现本文所描述的技术的方面的计算机代码(例如，应用软件、微软 件或者计算机指令的任何其他形式)。

Claims (22)

1.对飞行器的轨道计算所估算的导航性能预测的方法，所述方法通过飞行器计算平台执行，并且包括下述步骤：
-接收包括飞行计划的所有航段的航段序列，所述航段序列具有与每个航段相关的通过时间的预测；
-对于序列中的每个航段：
-识别在所述航段的地理区域中可用的在飞行器外部的定位***；
-确定所识别的定位***的性能值，并且选择对于所述航段的位置和所述预测通过时间显示出最低的导航性能计算误差的外部定位***；以及
-基于从所选择的外部定位***得到的数据来计算所估算的导航性能预测；
以及
-更新具有与每个航段相关的所估算的导航性能预测的航段序列。
2.根据权利要求1所述的方法，其中识别定位***的步骤包括识别对于所述航段可用的所有卫星、信标和惯性定位***。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，计算所估算的导航性能预测的步骤包括确定对于所述航段的卫星预测是否是精确的和可用的，并且，如果对于所述航段的卫星预测是精确的和可用的，则基于卫星数据来计算所估算的导航性能预测。
4.根据权利要求3所述的方法，如果对于所述航段的卫星预测是不精确的或不可用的，则所述方法包括以下步骤：比较信标***和惯性***的性能值，并且基于对于所述航段展示出最低导航性能计算误差的信标定位***或惯性定位***的数据来计算所估算的导航性能预测。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，当对于所估算的导航性能预测的计算是基于惯性***的数据而进行时，所述对于所估算的导航性能预测的计算考虑惯性***的漂移。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，当对于所估算的导航性能预测的计算是基于信标***的数据而进行时，所述对于所估算的导航性能预测的计算考虑在所述航段的地理区域中可用的信标的性能。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的方法，其中，从包括嵌入在飞行器上的“RAIM”功能的***获取卫星定位***的导航性能值。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的方法，进一步包括将所述航段切割为子航段从而执行精确计算的步骤，所述切割能够根据固定的子航段长度或通过考虑卫星预测的最大范围而进行。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的方法，其中，执行各步骤以用于估算水平导航性能预测的计算和/或用于估算垂直导航性能预测的计算。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的方法，其中，如果通过时间预测或飞行计划改变，则自动地重新执行各步骤。
11.一种用于对飞行器的轨道计算所估算的导航性能预测的设备，所述设备包括：
-用于接收包括飞行计划的所有航段的航段序列的装置，所述航段序列具有与每个航段相关的通过时间的预测；
-适用于对于序列中的每个航段进行下述操作的装置：
-识别在所述航段的地理区域中可用的在飞行器外部的定位***；
-确定所识别的定位***的性能值，并且选择对于所述航段的位置和所述预测通过时间显示出最低的导航性能计算误差的外部定位***；
-基于从所选择的外部定位***得到的数据来计算所估算的导航性能预测；
以及
-用于更新具有与每个航段相关的所估算的导航性能预测的航段序列的装置。
12.根据权利要求11所述的用于对飞行器的轨道计算所估算的导航性能预测的设备，其中，装置能够执行根据权利要求2至10中的任一项所述的方法的步骤。
13.一种嵌入式飞行管理***或EFB类型的计算机，其包括根据权利要求11或12所述的用于对飞行器的轨道计算所估算的导航性能预测的设备。
14.一种有形的非易失性计算机程序产品，包括当该有形的非易失性计算机程序在计算机上执行时实施根据权利要求1至10中的任一项所述的方法的步骤的代码指令。
15.一种显示飞行器的轨道的所估算的导航性能预测和所需导航性能预测的方法，所述方法通过飞行器计算平台执行，并且包括下述步骤：
-根据权利要求1至10中的任一项所述的方法的步骤，对飞行计划的航段序列计算所估算的导航性能预测；
-对同航段序列计算所需导航性能预测；
以及
-在显示装置上图形化地表示所述所估算的导航性能预测和所需导航性能预测。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，计算所需导航性能预测的步骤包括下述步骤：
-接收飞行计划的航段序列；
-对于序列中的每个航段：
-识别构成导航性能约束的所有的可能性；
-对所述航段确定和选择最大约束的可能性；
-根据从所选择的可能性得到的数据来计算所需导航性能预测；
以及
-更新具有与每个航段相关的所需导航性能预测的航段序列。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其中，图形化表示包括将所述所估算的导航性能预测和所需导航性能预测叠加显示在线形轨道上。
18.根据权利要求15至17中的任一项所述的方法，在显示步骤之前包括对每个航段从所需导航性能预测减去所估算的导航性能预测从而构造走廊轨道的步骤，并且其中，图形化表示包括根据走廊来显示所述所估算的导航性能预测和所需导航性能预测。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，显示步骤包括对于具有比所需导航性能预测更大的所估算的导航性能预测的航段显示线形轨道。
20.根据权利要求18或19所述的方法，其中，图形化表示包括在走廊轨道上以对比度表示导航纬度。
21.一种用于显示飞行器的轨道的所估算的导航性能预测和所需导航性能预测的设备，显示设备包括显示装置和计算装置，所述计算装置适用于计算所估算的导航性能预测和所需导航性能预测，所估算的导航性能预测根据权利要求1至10中的任一项所述的方法的步骤而进行计算，所述设备进一步包括用于在所述显示装置上图形化地表示所述所估算的导航性能预测和所需导航性能预测的装置。
22.根据权利要求21所述的用于显示飞行器的轨道的所估算的导航性能预测和所需导航性能预测的设备，其中，显示装置为飞行器的驾驶员座舱的屏幕，例如“导航显示”或“主要飞行显示”屏幕。
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