飞行器在大坡度跑道上的自动着陆方法和设备

摘要

本发明涉及飞行器在大坡度跑道上的自动着陆方法和设备。所述设备（1）包括用于以提前的方式自动将跑道坡度值传输给飞行器的自动驾驶系统（6）的装置（7），并且，所述自动驾驶系统（6）使用所述坡度值，以在着陆时自动管理拉平阶段。

说明书

技术领域

本发明涉及飞行器、尤其是运输飞机在着陆跑道上的自动着陆方法和设备，其中所述着陆跑道具有大于预先确定值的大坡度。

在本发明的范围内，术语“（着陆跑道的）大坡度”指的是（绝对值）大于优选地为0.8%的预先确定值、并且更准确地大于当前自动驾驶系统的常见认证值的坡度。

背景技术

在当前的飞机上可以开发机载自动着陆系统以允许在不良可见度条件下着陆。为了在没有可见度（或可见度非常低）时进行这样的着陆，必须具有（常见的“ILS CAT II”或“ILS CAT III”类型的）可用的地面设施，这些地面设置非常昂贵。

此外，GPS类型的、带有区域增强（例如：北美的WAAS类型或欧洲的AGNOS类型）的新引导装置正在扩展。这种不需要在每个机场有任何地面设施的装置具有的精度水平使得可以考虑将此类装置用于实施自动着陆。即使此类装置不允许降低最小可见度，在外部条件变得不利（例如：侧风、紊流、顺风、前方阳光、夜间条件）的时候自动着陆还是比手动着陆优选。

在设有常见自动着陆功能的飞机上，自动驾驶系统具有拉平（flare-out）控制规则，该拉平控制规则允许降低飞机的竖直速度以获得：

低的冲击竖直速度（通常-2英尺/秒）；以及

接近理论接触点的冲击点（通常跑道入口下游400米）。

实际上，高的冲击竖直速度（impact vertical speed）会导致乘客不适，并且如果该速度超过极端值，会导致超过飞机设计的结构限制值。

此外，如果实际冲击点（impact point）离理论冲击点太远，那么用于飞机制动的剩余跑道距离缩短，并且在极端情况下会导致飞机离开着陆滑行道。

因此，必须控制这两个主要参数（冲击竖直速度和冲击点），而航空法规要求设有自动着陆功能的自动驾驶系统进行系统的统计性能示范，以表明无论外部条件如何，超过极端值的概率都保持包含在可以接受的比例以内。

通常，拉平指的是入场路径的就在与地面接触之前的部分，在拉平期间进行飞机的矫直程序。

当前的自动驾驶系统被认证为适于略微倾斜（例如：+/-0.8%）的飞机场，这在实际中允许覆盖所有配置有有自动着陆系统要求的CAT II和CAT III类型设施的飞机场。

相反地，在手动驾驶中，飞机被认证为适于在具有更大坡度（例如：+/-2%）的飞机场上着陆。

目前在具有大坡度的飞机场上不能使用（自动驾驶系统的）自动着陆功能。

实际上，对于拉平阶段，自动驾驶系统通常使用无线电高度表以在海拔高度上相对于跑道定位，其中所述无线电高度表测量相对于在飞机正下方的飞机场的高度。

在常见系统中，无线电高度表：

一方面用于在飞机达到给定的相对于飞机场的高度（其可以根据飞机速度来调节并可以位于跑道入口前方或后方）的时候启动拉平；以及

另一方面用于估计跑道坡度并据此调整飞机路径。

拉平阶段通常非常短（通常为7秒）。因此，自动驾驶系统没有很多可用的时间来进行修正。拉平规则的设定根据对接下来的程序的先验认知（例如通过使用质量和地面速度）来调节启动高度和预控制（即要应用在飞行器上的机头上仰指令的初始值），以正确地发起在该阶段期间要求的路径改变。

在具有大坡度的飞机场上，要解决的问题如下：

在上升的跑道上，必须将拉平启动提前，经常提前到在跑道入口之前，且预控制必须是强的，否则地面冲击速度会很高；以及，

在下降的跑道上，必须将拉平启动延迟，经常延迟到远在跑道入口之后，且预控制必须是很弱的，否则在坡度不利于飞机制动的情况下飞机轮子的冲击区域非常远离跑道入口。

因此，在具有大坡度的飞机场上，甚至必须在启动拉平之前但也在跑道入口之前知道跑道坡度，包括在上升的跑道上。目前，允许确定跑道坡度的可用无线电高度表信息只能由飞机下方（而不是飞机前方）的无线电高度表来测量。

此外，由于不保证连续性，所以很少考虑使用在跑道入口之前的坡度信息来推出跑道坡度。

因此，常见自动驾驶系统无法用可用装置、即仅有的无线电高度表来在具有大坡度的跑道上进行自动着陆。

发明内容

本发明旨在解决这些缺陷。本发明涉及用于进行飞行器在具有大坡度的着陆跑道上的自动着陆的方法，其中所述大坡度大于预先确定的值，并优选地大于当前自动驾驶系统的常见认证值。

为此，根据本发明，所述方法的显著之处在于，在包括拉平阶段的着陆时，当飞行器接近跑道时，在所述飞行器上实施以下操作：

提前地自动将跑道坡度值传输给飞行器的自动驾驶系统；以及

所述自动驾驶系统使用该坡度值，以自动管理飞行器的拉平阶段。

因此，借助于本发明，通过提前接收着陆跑道的坡度值，自动驾驶系统能够足以预计在下文中详细说明的拉平路径的具体特征（拉平路径在大幅上升或大幅下降的跑道上显著不同），并因此能够自动地管理拉平阶段并因此能够自动管理飞行器的着陆。

有利地，所述自动驾驶系统可以使用提前接收的跑道坡度值，以：

确定拉平启动高度；和/或

确定飞行器在拉平时的机头上仰值；和/或

确定适于飞行器预计路径的基准剖面（reference profile）；和/或

在拉平阶段启用飞行器专门的额外空气动力表面，主要是空气制动器。

此外，在一个优选的实施例中，至少对跑道的必须进行拉平的部分（一般介于跑道上游入口和轮子冲击的最大间隔区域之间，例如所述上游入口下游900米处）确定跑道坡度值，该坡度值然后被自动传输给飞行器的所述自动驾驶系统。

为此，有利地：

所述跑道坡度值由飞行器的操作员手动地输入；和/或

所述跑道坡度值来自于机载数据库；和/或

基于来自于机载数据库的跑道剖面自动地计算所述跑道坡度值；和/或

通过至少一个布置在飞行器上的传感器来自动地测量所述跑道坡度值，其中所述传感器测量飞行器前方的距离。

还可以考虑结合上述方法中的几个来确定跑道坡度值。

此外，在一个优选的实施例中，实施监控方法，以能够检测所述坡度值的错误值。优选地，实施以下监控方法中的至少一个：

基于飞行器的无线电高度表提供的数据和飞行器的竖直惯性速度之间的比较来估计附属坡度值，并将所述附属坡度值与所述坡度值进行比较；

在飞行器的无线电高度表确定的飞行过的飞机场剖面和存储在机载数据库中的飞机场剖面之间进行关联；

在飞行器上通过机载传感器自动测量附属坡度值，并将所述附属坡度值与所述坡度值进行比较。

包括出于提高效率及可靠性的原因，还可以考虑组合上述监控方法中的几个。

有利地，如果检测到错误的坡度值，就实施以下操作中的至少一个：

发出报警；

优选地通过报警要求飞行器机组人员实施重飞；

控制自动驾驶系统，以进行自动重飞；

优选地通过显示为机组人员提供关于故障起因和待采取的行动的信息。

本发明还涉及用于飞行器在具有大坡度着陆跑道上自动着陆的设备。

根据本发明，所述设备的显著之处在于，该设备包括：

用于以提前的方式自动将跑道坡度值传输给飞行器的自动驾驶系统的装置；以及

所述自动驾驶系统使用所述坡度值，以自动地管理飞行器的拉平阶段。

在一个特定的实施例中，所述设备还包括以下装置中的至少一个：

至少一个用于确定跑道坡度值的装置；和

至少一个用于监控所述跑道坡度值的装置。

本发明还涉及一种飞行器，尤其是运输飞机，所述飞行器设有例如如上所述的自动着陆设备。

附图说明

附图中的图将使得能够理解如何实施本发明。附图中相同的参考标识表示相似元件。

图1为根据本发明的设备的框图。

图2和图3分别示意地示出了针对上升跑道和下降跑道的着陆。

图4示意地示出了在飞行器前方的跑道的距离测量。

图5为根据本发明的设备的特定计算装置的框图。

具体实施方式

在图1中示意地示出的根据本发明的设备1用于实施飞行器AC、尤其是运输飞机在具有大坡度的飞机场着陆跑道上的自动着陆。

在本发明的范围内：

“（着陆跑道的）大坡度”指的是（绝对值）大于预先确定的值、并更准确地大于当前自动驾驶系统的常见认证值的坡度，其中所述预先确定的值优选地为0.8%；以及

“预控制”指的是应用在飞行器AC上以产生拉平的机头上仰指令的初始值，允许正确地发起拉平阶段期间必需的路径改变。

在图2和图3中分别示出了对于上升跑道和下降跑道在具有大坡度的飞机场上的示例性着陆。在该图2和图3中：

一方面以点划线示出了在（上游入口3的）水平跑道2上的当前着陆路径T0，同时以箭头4突出示出拉平启动位置和对应的相对于地面S的高度；并且

另一方面以虚线示出了在倾斜跑道2A、2B上的当前着陆路径T1A、T1B，同时以箭头5A、5B突出示出了对应的拉平启动位置。

在该情况下：

对于上升跑道2A，如图2所示，必须将拉平启动提前，经常提前到跑道2A的入口3之前，而且预控制（即应用在飞行器AC上的机头上仰指令的初始值）必须是强的，否则地面冲击速度会非常高；并且

对于下降跑道2B，如图3所示，必须将拉平启动延迟，经常延迟到远在跑道2B的入口3之后，并且预控制必须很弱，否则在飞行器AC制动时坡度不利的情况下飞行器AC轮子的冲击区域会非常远离跑道2B的入口3。

因此，在具有大坡度的飞机场上，甚至必须在拉平启动之前但也在跑道的入口3之前知道跑道2A、2B的坡度，包括在上升跑道2A上。

根据本发明，所述机载设备1包括自动驾驶系统6，该自动驾驶系统设有自动着陆功能。此外，根据本发明，所述设备1还包括：

用于自动将（用于着陆的）跑道2A、2B的坡度值以提前的方式传输给所述自动驾驶系统6的装置，尤其是连接装置7；以及

所述自动驾驶系统6使用该坡度值，来自动地管理飞行器AC的拉平阶段。该管理通过自动产生指令控制来实现，其中所述指令控制自动应用于飞行器AC的设置装置（未示出），例如控制表面、引擎和/或制动器，如点划线箭头14所示。

在一个特定的实施例中，所述设备1还包括以下在下文中细述的元件：

用于确定由连接装置7传输给所述自动驾驶系统6的跑道2A、2B的坡度值的装置组8；以及

监控装置组9，如下所述，所述监控装置组例如通过连接装置10和11与连接装置7和自动驾驶系统6连接，并用于监控该自动驾驶系统使用的跑道坡度值。

所述设备1还包括以下元件中的至少一些，为了简化起见，这些元件在图1中集合在一起成为一个单元12，该单元通过连接装置13与自动驾驶系统6连接，所述元件用于为该自动驾驶系统提供信息，这些元件如下：

在下文中细述的当前信息源组，该当前信息源组允许确定飞行器AC的飞行参数的当前值；

一个或多个数据库；以及

界面装置，尤其是与屏幕关联的键盘或任何其他常见的允许驾驶员在设备1中输入数据的装置。

所述信息源组可以例如包括：

空气数据计算器ADC；

惯性参照系IRS；以及

飞行管理系统FMS。

所述设备1还包括显示装置15，该显示装置例如通过连接装置16与组9连接，并被设置为向飞行器的驾驶员呈现关于实施本发明的信息，如下所详述的。

因此，通过提前接收着陆跑道2A、2B的坡度值，自动驾驶系统6能够足够地预计在下文中细述的在拉平路径上的具体特征（该拉平路径在大幅上升或大幅下降的跑道上显著地不同），并且因此能够自动地管理拉平阶段并因此能够自动地管理飞行器AC的着陆。

在本发明的范围内，所述自动驾驶系统6可以以不同的方式并特别地以如下文所述的方式来使用提前接收到的跑道坡度值，从而：

确定拉平启动高度；

确定飞行器AC在拉平时的机头上仰（预控制）值；

确定适于飞行器AC的预计路径的基准剖面；以及

在拉平阶段启用飞行器AC专门的额外空气动力表面，主要为空气制动器。

因此，在第一实施例中，自动驾驶系统6使用接收到的（跑道的）坡度值，来确定拉平启动高度。为此，所述自动驾驶系统6使用至少一个预先确定的表格，该表格提供取决于所述坡度值和所述飞行器AC上例如通过单元12而可获得的其他参数（飞行器AC的质量和地面速度）的拉平启动高度。例如存储在系统6或单元12中的该表格代表飞行器AC，并至少部分地通过实验、仿真和/或飞行测试来确定。

在第二实施例中，自动驾驶系统6使用接收到的坡度值，来确定拉平预指令（即拉升指令的初始值）。为此，自动驾驶系统6也使用至少一个预先确定的表格，该表格指示取决于所述坡度值和所述飞行器AC上例如通过单元12而可获得的其他参数（飞行器AC的质量和地面速度）的预指令值。例如存储在系统6或单元12中的该表格代表飞行器AC，并也至少部分地通过实验、仿真和/或飞行测试来确定。

在第三实施例中，所述自动驾驶系统6使用接收到的坡度值，来确定适于飞行器AC的预计路径的基准剖面。该路径允许具有可用基准（可以控制飞行器AC在该可用基准附近）以补偿任何可能的干扰并因此降低冲击点和冲击竖直速度的散布。

确定剖面；取决于初始条件和已知的最终条件，该剖面限定适于例如以在所期望的冲击距离处的-2.5英尺/分钟的竖直速度为目标的基准路径。

该基准剖面可以限定相对于跑道的竖直速度。该相对于跑道的竖直速度是多个组成部分之和：由飞行器的惯性速度造成的组成部分和与跑道坡度相关的组成部分。

现在，根据该相对于跑道的竖直速度剖面，可以通过简单的积分来确定相对于地面的高度剖面。

在第四实施例中，自动驾驶系统6使用接收到的坡度值，来在拉平阶段控制飞行器AC专门的、通常不在拉平阶段使用的额外空气动力表面，例如空气制动器。这些空气动力表面允许使得控制更加简单，尤其是在期望在非常下降的斜面上着陆的时候，对于非常下降的斜面，飞行器AC自然的趋势很可能会导致冲击区域非常远离目标位置。

还可以考虑将上述关于自动驾驶系统6使用坡度值的实施例中的几个进行结合。

此外，在一个优选的实施例中，设备1包括所述至少对于跑道2A、2B在要进行拉平处的部分确定跑道坡度值的组8，所述坡度值然后通过连接装置7被自动地传输给所述自动驾驶系统6。自动驾驶系统6所必需的、尤其是用于实施上述功能的关于跑道的信息是跑道的发生拉平的部分（通常介于跑道2A、2B的入口3和轮子的最大冲击区域之间，通常在入口3下游900米处）的跑道坡度。

所述组8可以包括用于确定所述坡度值的不同装置。

在第一实施例中，所述组8可以包括界面，尤其是例如在FMS系统上已有的界面，该界面允许驾驶员手动地输入跑道（在发生拉平的跑道部分上）的中位坡度（median slope）。该数据可在某些入场地图（approach map）上获得或在缺省情况下可以为飞行器AC能够在其上操作的飞机场预先准备好。在该实施例中，由于在准备入场的时刻指示信息，所以要对FMS系统进行的更改非常小，并且使用该系统的操作程序仍是简单的。

在本发明的另一个实施例中，设备1通过FMS系统（或其他任何等同的系统）包括数据库，该数据库与发生拉平的跑道部分的每个跑道坡度信息关联。在该实施例中，当驾驶员在FMS系统中选择该驾驶员期望在其上着陆的跑道时，FMS系统自动向自动驾驶系统6提供必需的跑道坡度信息，不需要额外的机组人员干预，因此相对于上述第一实施例减少了机组人员的工作负荷。

在上述最后实施例的一个替代方案中，数据库可以包括整个跑道2A、2B的剖面（而不是跑道的在发生拉平的跑道部分上的中位坡度）。在该情况下，简单地从包含在该数据库中的信息中提取自动驾驶系统6所必需的信息（即实施拉平的部分的中位坡度）。

在本发明的另一个实施例中，所述组8包括至少一个专门的传感器，该传感器装载在飞行器AC上，并且用于测量跑道坡度值。该传感器（例如是单元12的一部分）可以是在无线电电场中工作的“雷达”类型的或是基于激光测量的“激光雷达”，或者它可以对应于激光测距仪。如图4中的直线束20所示，该传感器进行飞行器AC之前的距离测量。在该实施例中，不需要机组人员的任何干预，并且组8甚至可以在不存在于FMS系统的上述数据库中的跑道2A、2B上工作，或可以在FMS系统发生故障的情况下工作。

在本发明的另一个实施例中，组8包括上述实施例中的几个，因此允许无论何种故障情况（包括FMS系统的故障）都将坡度值提供给自动驾驶系统6，包括对于在FMS系统的数据库中没有涉及的跑道或对于寻找的信息不在入场地图上可获得的跑道。

在本发明的所有允许确定跑道坡度值并将该值提供给自动驾驶系统6的实施例中，存在提供的信息是错误的风险。“错误的”指的是自动驾驶系统6处可用的信息非常不同于实际值，无论什么原因造成该情况。特别地：

机组人员在输入坡度值的时候可能会犯错误（例如他们可能会输入2%而不是0.2%）或可能在符号上犯错误（1%而不是-1%）；

数据库一般包含有关于数千条跑道的信息，与一个跑道相关的数据可能会在生成数据库的时候或因为FMS系统的错误操作而分配给另一个跑道；

机组人员可能会在FMS系统中选择正确的跑道，但可能会在选择时在着陆方向上犯错误；以及

机组人员可能会在FMS系统中选择正确的跑道和正确的方向，但在最后时刻决定改变着陆方向，例如为了避免风向的突变。

为了弥补这些缺陷，组9包括用于实施监控以能够检测所述坡度值的错误值的装置（未示出）。

在第一实施例中，组9包括用于在至少一个预先确定的时间检测为自动驾驶系统6提供的跑道坡度值和通过测量确定或直接测量的坡度值之间的偏差。

在该情况下，组9包括用于实施跑道实际坡度的估计的装置21，该估计是基于由飞行器AC的无线电高度表提供的值和飞行器AC的惯性竖直速度之间的比较的，其中所述惯性竖直速度目前通过单元12的装置来获得。这些装置21允许计算相对于跑道的竖直速度。

如图5所示，这些装置21：

通过连接装置22接收由无线电高度表提供的高度值并通过连接装置23接收由惯性单元提供的惯性竖直速度；

将高度值提交给高通滤波器234，并将惯性竖直速度提交给低通滤波器25；以及

通过一个元件26计算分别通过连接装置27和28接收到的滤波器24和25的结果之间的差别，并通过连接装置29提供结果，即由跑道坡度造成的竖直速度。

基于该数据，组9的装置现在通过使用飞行器AC的地面速度来计算等同坡度值。然后将该等同坡度值与待监控的所述坡度值进行比较。

在另一个实施例中，组9的装置实施由无线电高度表确定的正在飞过的飞机场的剖面（profile）和存储在尤其是FMS的数据库中的飞机场剖面之间的关联。对于在拉平区域中具有显著的坡度改变的跑道剖面，该实施例的鲁棒性比之前的实施例更高。

在另一个实施例中，组9包括用于在自动驾驶系统6处可用的跑道坡度和来自于允许直接测量跑道坡度的传感器的跑道坡度之间进行比较的装置，如上文参照图4所述。该解决方案允许在飞过跑道入口3之前足够早（通常在大约100英尺处）不一致。

此外，在本发明的一个最后的实施例中，可以在组9中结合上述实施例中的几个。

此外，如果组9检测到错误的坡度值，则所述设备1实施以下操作中的至少一个：

它通过报警装置17（例如通过连接装置18连接到组9）在驾驶舱中发出“声音”和/或“视觉”类型的报警以警告驾驶员；

它通过启动合适的报警（例如通过所述报警装置17）要求飞行器AC的机组人员实施重飞。该报警应在考虑到机组人员的反应时间的情况下，允许进行重飞，同时保证飞行器AC的完好性（避免任何以高竖直速度与跑道碰撞的风险，包括在重飞程序期间）；

它优选地通过显示装置15向机组人员提供关于故障起因和在同一飞机场上通过新入场成功着陆要采取的行动的信息。例如它可以要求机组人员确认提供给自动驾驶系统6的坡度值和/或通过界面来更改该坡度值。

在一个替代实施例中，如果组9检测到错误的坡度值，则自动控制所述自动驾驶系统6，以进行自动重飞，由此特别地允许不考虑机组人员的反应时间。

根据本发明的设备1因此具有多个优点。特别地，该设备允许：

调节自动驾驶系统6，以使得该系统能够在具有大坡度的跑道2a、2b上进行自动着陆；

通过组8向自动驾驶系统6提供跑道2a、2b的坡度值；和

检测到提供给自动驾驶系统6的坡度值和测量值之间的可能的不一致性，其中所述测量值特别地由无线电高度表在飞过跑道时实现或由在拉平启动之前测量跑道坡度的传感器实现。