用于防止高度变化操作期间飞机的机载防碰撞系统发出警报的方法和系统

摘要

根据本发明，装置(1)包括用于适应高度变化操作的器件(4)，用于首先检测第一类型警报的发出的器件(5)，用于确定第一警报阈值的器件(6)以及用于在发出警报时由所述第一警报阈值和飞机竖直速度确定启动高度阈值的器件(7)，以便当发出警报时隔开所述飞机(AC)和高度设定水平的高度严格高于所述高度阈值时，禁用所述适应器件(4)。

说明书

技术领域

本发明涉及用于防止飞机的机载防碰撞系统在高度变化操作期间发出警报的方法和装置，以及设有此类装置的飞机。

背景技术

如已知的，大多数飞机设有防碰撞系统(通常称为TCAS，即交通碰撞避免系统Traffic Collision Avoidance Systems)，其允许确保空中交通的安全性，防止飞行碰撞的风险。

因此，当两架飞机彼此交会时，它们的防碰撞系统计算碰撞时间的估计值，并发出提醒每架飞机的机组成员可能的未来碰撞的警报：此类警报通常称为第一类型的“交通通知”或“TA警报”。如果适合的话，所述防碰撞系统还为引起机组成员的注意而进一步发出在竖直面中的避免操作指令，以便摆脱碰撞可能性情形：此类避免操作指令通常称为第二类型的“解除通知”或“RA警报”。第一类型TA和第二类型RA的警报通过语音信息并通过显示在飞机驾驶舱中的信息而被具体化。

在实践中，飞机的机载防碰撞系统计算水平面中的碰撞时间(隔开两架飞机的水平距离与它们的相对水平速度之间的比值)和竖直面中的碰撞时间(两架飞机的竖直高度与它们的相对竖直速度之间的比值)。所述由此计算的碰撞时间与对于TA警报和对于RA警报的警报阈值进行比较(所述警报阈值为最高的飞机的高度的函数)，并且当计算的碰撞时间低于对应的警报阈值时触发警报。

此外，如已知的，一架飞机常应该截获(爬升或下降)接近分配给另一架飞机的另一高度水平的稳定高度水平(称为高度设定水平)，并且根据空中交通规则，两个接近的稳定高度水平仅隔开300 m(1000英尺)。

因此，由于稳定高度水平之间的如此低的高度差，现代飞机的高竖直速度以及大量的空中交通，防碰撞系统发出大量的TA和RA警报，而竖直移动以改变高度的飞机正确地操作而没有与另一架飞机的任何碰撞风险。当高度变化操作是正确的时，此类警报对于飞行员造成大量的压力，并且被飞行员认为操作上是无用的，并且在大多数情况下，考虑此类警报导致空中交通被干扰。

此外，高度截获操作期间第二类型的RA警报是非常大量的，并且被认为当前占欧洲空域中此类警报总数的50%以上，这样的百分比在未来由于空中交通的发展还会上升。

因此，为了克服此类缺陷，在2009年9月18日由申请人提交的美国专利申请US 12/562808中描述了用于限制由飞机机载的防碰撞系统发出的警报数量的装置。更具体的，此类装置能够通过控制飞机的竖直速度而适应高度变化操作，从而将由飞机的机载TCAS防碰撞系统计算的竖直面中的碰撞时间维持在TA和/或RA警报的触发阈值之上。

然而，在适应高度变化操作时实施的飞机的竖直速度的降低导致延长了该适应操作的执行时间，且因而增加了飞机在两个高度水平之间耗费的时间。

此外，在一些情况下，这样的竖直速度的降低也会加速或导致TA和/或RA警报的发出。因此，例如，当两架飞机处在爬升阶段时，在高度变化操作期间，以及在彼此交汇时，竖直速度的降低会使得两架飞机彼此更加靠近，导致由机载的防碰撞系统发出警报。

发明内容

本发明旨在改善上述用于适应高度变化操作的装置。

为此，根据本发明，用于在高度变化操作期间防止由飞机的机载防碰撞系统发出的至少一些警报的方法包括用于截获基准高度的水平的阶段，所述机载防碰撞系统能够检测位于所述飞机的空中环境中的至少一架侵入飞机，能够计算所述飞机和所述侵入飞机之间的理论碰撞时间，并在此类理论碰撞时间分别低于第一阈值和第二阈值时发出第一类型的警报和第二类型的警报，所述方法能够实施步骤，其中所述高度变化操作通过控制所述飞机的竖直速度而适应，以便防止发出至少其中一些所述警报，

其特征在于：

A/　在所述高度变化操作期间，首先检测第一类型的警报的发出；

B/　所述第一警报阈值由发出所述第一类型的警报时所述飞机的高度以及所述高度设定水平确定；以及

C/　由所述第一确定的警报阈值以及发出所述第一类型的警报时所述飞机的竖直速度确立启动高度阈值，以便：

　　　　·　当发出所述第一类型的警报时隔开所述飞机与所述高度设定水平的高度最大程度地等于所述确定的高度阈值时，能够实施所述适应步骤以便防止发出新的警报；以及

　　　　·　当发出所述第一类型的警报时隔开所述飞机与所述高度设定水平的高度严格高于所述高度阈值时，其中适应高度变化操作的所述步骤被禁止。

因此，通过此发明，将实施高度变化操作的适应限于被认为适合的飞机和侵入飞机之间汇合的情形，以便防止不必要地通过竖直速度的预期降低来惩罚其它情形，并且因此例如加速或导致发出RA警报。实际上，根据本发明，由TA警报的发出信息，可以确定飞机和侵入飞机的正在进行的汇合情形是否适合高度变化操作的适应。所确定的启动高度阈值对应于隔开飞机和高度设定水平的最大距离，从该距离起在发出TA警报的情况下可以例如通过控制竖直速度而自动地实施操作的适应，以便尤其防止发出RA警报。在严格高于高度阈值的隔开飞机和基准高度的高度上当发出TA警报时，包括在不发出新的TA警报的情况下当飞机达到高度阈值时，禁止上述操作的适应，以便不实施适应。

优选地，所述启动高度阈值由等式限定：                                                

其中：

－　ha是所述确定的启动高度阈值；

－　Vz是在发出所述第一类型的警报时所述飞机的竖直速度；

－　是所述截获阶段期间恒定的竖直加速度；以及

－　S1d是在步骤B/中确定的所述第一警报阈值。

优选地，在步骤B/中：

－　确定在发出所述第一类型的警报时所述飞机的高度与所述高度设定水平之间的最大高度；以及

－　根据所述确定的最大高度，将属于警报阈值的一组预定的值的警报阈值的预定值与所述第一警报阈值进行关联，所述值的每一个都与指定的高度相关联。

有利的是，所述组可以包括预先确定的基准值和逼近值，它们通过至少其中一些所述基准值的线性逼近获得。

本发明还涉及用于在高度变化操作期间防止由飞机的机载防碰撞系统发出的至少一些警报的装置，包括用于截获高度设定水平的阶段，所述机载防碰撞系统能够检测位于所述飞机的空中环境中的至少一架侵入飞机，能够计算所述飞机和所述侵入飞机之间的理论碰撞时间，并在此类理论碰撞时间分别低于第一阈值和第二阈值时发出第一类型的警报和第二类型的警报，所述装置包括能够通过所述飞机的竖直速度的控制而适应所述高度变化操作的器件，以便防止发出至少其中一些所述警报。根据此发明，所述装置还包括：

－　在所述高度变化操作期间，用于首先检测第一类型的警报的发出的器件；

－　用于由发出所述第一类型的警报时所述飞机的高度以及由所述高度设定水平确定所述第一警报阈值的器件；以及

－　用于由所述第一确定的警报阈值以及发出所述第一类型的警报时所述飞机的竖直速度确立启动高度阈值的器件，以便：

　　　　·　当发出所述第一类型的警报时隔开所述飞机与所述高度设定水平的高度最大程度地等于所述确定的高度阈值时，所述适应器件启动以便能够适应所述高度变化操作；以及

　　　　·　当发出所述第一类型的警报时隔开所述飞机与所述高度设定水平的高度严格高于所述高度阈值时，所述适应器件被禁用。

本发明还涉及包括上述类型的装置的飞机。

附图说明

附图的图形将更好地解释可以如何实施此发明。在这些图形中，相同的标号指相同的部件。

图1是根据本发明的装置的方块图，其允许在高度变化操作期间防止由飞机机载的防碰撞系统发出一些警报。 

图2和3各自图示了适合启动图1的装置的适应器件的汇合情形的一个示例，条件是对于最大限度地等于确定的高度阈值的隔开飞机与高度设定水平的高度发出了TA警报。

图4是一个图表，其一方面图示了作为所确定的最大高度的函数的第一警报阈值的演化，另一方面图示了作为所述确定的最大高度的函数的所述第一警报阈值的演化的线性逼近。

具体实施方式

在图1中，以方块图显示了飞机AC上机载的根据本发明的装置1。这样的装置1用于在飞机AC正在实施用于截获设定水平Zc的高度变化操作时，防止飞机AC的机载防碰撞系统TCAS 2发出一些TA和/或RA警报。

飞机AC还设有更具体地控制其竖直速度Vz的自动导航系统3。自动导航系统3可包括稍后描述的装置1的器件5到8的至少其中一些。

在此图形中，防碰撞系统2和自动导航系统3显示在飞机AC外，而它们实际上安装在飞机上。

如已知的，防碰撞系统2能够检测飞机AC的空中环境中的侵入飞机AI，以计算竖直平面中飞机AC和所述侵入飞机AI之间的理论碰撞时间，并在所述理论碰撞时间分别低于第一警报阈值和第二警报阈值时发出第一类型的TA警报和第二类型的RA警报，以便引起飞机AC的机组人员的注意。

此外，高度变化操作由以下三个连续的阶段限定：

－　进近阶段(爬升或下降)，在此期间飞机AC的进近轨迹是大致直线的，并且以大致恒定的竖直速度Vz实施，直至达到隔开飞机和设定水平Zc的截获高度hc；

－　高度截获阶段，从飞机AC相对于高度设定水平Zc的高度h最大程度地等于截获高度hc(即h ≤ hc)时开始。在截获阶段期间，飞机AC 的轨迹是成圆形的，例如抛物线状并正切于设定水平Zc。截获高度hc由以下等式限定： 其中g是重力加速度而nz是飞机AC的恒定竖直负载因数；以及

－　稳定阶段，在此期间飞机AC的轨迹沿所述设定水平Zc。

根据此发明，如图1中所示，装置1包括：

－　器件4(例如申请人2009年9月18日提交的美国专利申请US 12/562,808中所描述的那些器件的类型)，其能够例如自动地通过飞机AC的竖直速度Vz的控制而适应高度变化操作，并通过将竖直面中计算的碰撞时间保持在对应的警报阈值之上而防止由防碰撞系统2发出TA和/或RA碰撞警报。此类器件4通过连接L1连接到防碰撞系统2上。

－　器件5，其用于在飞机AC的高度变化操作期间检测由防碰撞系统2发出的TA警报。此类器件5通过连接L1连接到防碰撞系统2上；

－　器件6，其用于由发出第一类型的警报TA期间飞机AC的高度Za并由高度设定水平Zc确定第一警报阈值的值。器件6能够从检测器件5通过连接L2接收诸如TA警报的发出信息；以及

－　器件7，其用于从由器件6确定并通过连接L3接收的第一警报阈值并从发出所述第一类型的警报时所述飞机的竖直速度确定启动高度阈值，使得：

　　　　·　当发出TA警报时隔开飞机AC与高度设定水平Zc的高度h最大程度地等于确定的启动高度阈值ha时，适应器件4启动以便能够适应高度变化操作；以及

　　　　·　当发出TA警报时隔开飞机AC与高度设定水平Zc的高度h严格高于高度阈值ha时，适应器件4被禁用。器件4将不会实施适应。

器件7能够通过连接L4发送器件4的启动或禁用命令。

因此，通过此发明，装置1可以由TA警报的发出信息确定侵入飞机AI和飞机AC(正在实施高度变化操作)的正在进行的汇合情形是否适合启动适应器件4。

启动高度阈值ha因而对应于隔开飞机AC和高度设定水平Zc的最大距离，适应器件4由此是运行的并且在发出TA警报的情况下通过控制飞机AC的竖直速度Vz而自动实施高度变化操作的适应。

在严格高于ha的隔开飞机AC与设定水平Zc的高度h(即h > ha) 下发出TA警报的情况下，适应器件4被禁止，使得不实施操作的适应，包括当没有发出新的TA警报的情况下飞机AC达到高度阈值ha时(即h ≤ ha)。

图2中是适合启动器件4的汇合情形的第一示例，条件是对于最大程度地等于确定的阈值ha的飞机AC的高度h发出了TA警报。在这样的示例中，当防碰撞系统2识别到飞行在Zc上方的高度水平Zi上的侵入飞机AI时，飞机AC实施高度变化操作以便达到更高的设定水平Zc。

在图3的适合情形的第二示例中，正在实施高度变化操作以达到较低水平的基准高度的飞机AC正在下降，当防碰撞系统2检测到侵入飞机AI时，又实施高度变化操作以达到低于Zc的高度水平Zi。将会实施器件4的启动，条件是对于最大程度地等于确定的阈值ha的飞机AC的高度h发出TA警报。

在以上两个所述示例中，在高度变化操作期间飞机AC机载的防碰撞系统2都非常可能发出TA警报。

根据此发明，由器件7确定的启动高度阈值ha由以下等式限定：

　　　(R1)

其中：

－　Vz是发出TA警报时飞机AC的竖直速度；

－　是高度变化操作的截获阶段期间恒定的竖直加速度；以及

－　S1d是由器件6确定的第一警报阈值。

实际上，在竖直面中，由防碰撞系统2确定的碰撞时间由以下等式限定：

其中：

－　Z和Zi分别是飞机AC的高度以及侵入飞机AI的高度；以及

－　Vz和Vzi分别是飞机AC的竖直速度以及飞机AI的竖直速度。

因而在碰撞时间等于第一警报阈值(飞机AC的高度或侵入飞机AI的最高高度的函数)时发出TA警报。获得了如下等式：

即 　　　(R2)

其中：

－　S1是第一警报阈值；

－　hi是侵入飞机AI和要达到的基准高度的水平Zc之间的竖直高度。

在本发明的范围内，在侵入飞机AI实施到至少等于高度设定水平Zc的飞行高度的高度变化操作的情况下，启动高度阈值ha是隔开飞机AC和可由其发出TA警报的设定水平Zc之间的最大高度的估计值。当侵入飞机AI最靠近设定水平Zc、具有最大竖直速度时，在超过设定水平Zc处发出TA警报。在由侵入飞机AI截获高度水平的情况下，其竖直速度限于高度变化阶段期间强制的速度，这里截获高度hc由限定。

在等式R2中用hc代替hi，获得作为Vzi的函数的二次多项式，其可以增加以获得最大高度hmax，而限定如下：

　　　(R3)

在本发明的一个特定实施例中，认为虽然情况可能会不同，但飞机AC的自动导航系统不从防碰撞系统2获取除与触发第一类型的TA警报相关的信息之外的任何信息。因此，取决于对飞机AC的高度或侵入飞机AI的最高高度的定义的第一警报阈值在一些情况下不能确定，因为侵入飞机AI的高度不提供给自动导航系统3。作为一个示例，可提及侵入飞机AI在飞机AC上方的情况。

为了克服此缺陷，一旦接收到由防碰撞系统2发出的TA警报的信息，则器件6适于：

－　确定发出TA警报时飞机AC的高度Za与高度设定水平Zc之间的最大高度。实际上，由于自动导航系统3不知道飞机AC的高度或者侵入飞机AI的最高高度，考虑了飞机AC的高度Za和高度设定水平Zc之间的最大高度Zmax。如果侵入飞机AI在飞机AC上方，其位于至少等于高度设定水平Zc的高度上。另一方面，如果侵入飞机AI在飞机AC下方，则最大高度Zmax是飞机AC的高度；以及

－　根据所确定的最大高度Zmax，将属于警报阈值的一组预定的值的警报阈值的预定值与第一警报阈值进行关联，所述值的每一个都与指定的高度相关联。所述组的警报阈值的值例如存储在存储器中(图中未显示)。

在所述组的值中，有与预定飞行高度相关的预定基准值，以及通过基准值的线性逼近获得的逼近值。

以下表格作为一个示意性且非限制性的示例显示了与指定飞行高度相关的所述组的预定基准值。

飞行高度(以英尺为单位)第一TA警报阈值的基准值(以秒为单位)FL200 - FL420 48 FL100 - FL200 45 FL50 – FL100 40 2350 英尺 – FL5030 1000-2350英尺25 0-1000英尺20

在图4的图表中，从上表的值通过曲线C1显示了第一确定警报阈值作为最大高度Zmax的函数的演变。

在此相同的图中，曲线C2代表第一TA警报阈值的值作为最大高度Zmax的函数的线性逼近，允许第一TA警报阈值的值获得连续性。

因此，在等式R2中将由器件6对于要获得的最大高度Zmax确定的第一高度阈值的值S1d(对应于基准的值或者估计的值)替换为由上述等式R1限定的所达到的启动高度阈值ha，即，。

当器件4被启动并且实施高度变化操作的适应时，它们通过连接L5发出竖直速度的命令以引起机载飞行计算器8的注意。在接到此类速度命令后，计算器8能够传输例如由连接L6传送的对应控制命令到允许飞机AC的纵向控制的表面的致动器(升降舵、减速板)和/或到所述飞机的发动机，从而应用由器件4确定的竖直速度命令。