用于辅助实施需要导航和引导性能保证的航空操作的方法和装置

摘要

本发明涉及用于辅助实施需要导航和引导性能保证的航空操作的方法和装置。所述装置（1）包括用于实施监控的装置，以及用于确定整体状态的装置（5），所述整体状态指示飞行器实施保证性能的航空操作的能力。

说明书

技术领域

本发明涉及用于辅助实施航空操作的方法和装置，其中所述航空操作需要导航和引导性能的保证，并由飞行器、尤其是运输飞机来实施。

尽管不是排他的，但本发明更特别地应用于RNP AR（英语为“Required Navigation Performance with Authorization Required”）类型的要求授权的所需导航性能操作。这些RNP AR操作基于RNAV（英语为“aRea NAVigation”）类型的地面导航和RNP（英语为“Required Navigation Performance”）类型的所需导航性能操作。这些操作的特殊性在于需要特殊授权，以能够在飞行器上实施。

背景技术

RNAV类型的地面导航允许飞行器从航路点（英语为“waypoint”）飞到航路点，而不再从地面航站（NAVAID类型的无线电导航装置）飞到地面航站。

已知RNP概念对应于地面导航，在该地面导航中（在飞行器上）加上监控和警报装置，这些监控和警报装置允许保证飞行器停留在围绕参考航线的所谓RNP的通道中，并且允许考虑弯曲航线。在该通道的外部可能有起伏（relief）或其他飞行器。RNP操作类型所需的性能由RNP值来限定，该RNP值代表围绕参考航线的通道的半宽度（单位是海里，NM），操作过程的95%的时间内飞行器都必须留在该通道中。同样地限定了半宽度是RNP值的两倍的（围绕参考航线的）第二通道。飞行器离开该第二通道的概率必须小于每飞行小时10^-7。

RNP AR操作概念还要进一步限制。事实上，RNP AR程序的特征在于：

- RNP值：

·该RNP值在着陆时小于或等于0.3NM，并可以降至0.1NM；并且

·该RNP值在起飞时和在加油时严格地小于1NM，并同样地可以降至0.1NM；

- 可以是弯曲的最终着陆段；以及

- 可以相对于参考航线位于两倍RNP值处的障碍物（山、交通工具等），而对于通常的RNP操作，设置相对于障碍物的额外余度。

无论类型如何，航空部门都定义了每次操作10^-7的目标安全等级TLS（英语为“Target Level of Safety”）。在RNP AR操作的情况下，因为RNP值可以降至0.1NM，并且障碍物可以位于参考航线的两倍RNP值处，该目标体现为飞行器离开半宽度D=2RNP的通道的概率，该概率不可以超过每个程序10^-7。

如果不设置尤其用于检测和管理可能的故障的操作缓和装置（moyens opérationnels de mitigation），那么装载在飞行器上的设备（飞行管理系统、惯性导航仪、GPS数据更新装置和自动驾驶仪的引导装置）以及通常的结构就不允许达到目标安全等级。这就是为什么该类型的操作需要特殊授权，以保证操作程序和飞行员培训允许达到目标安全等级。此外，由于机组人员（équipage）必须负责某些故障，飞行器目前不能够保证在故障时等于0.1NM的RNP值，因为机组人员不能够满足在人工驾驶时的性能要求。

在当前的飞行器上，RNP AR操作的监控通过两种通常的功能来实现，即：

- 第一功能，该第一功能监控位置计算的精确度和完整性（intégrité）：

·将位置的精确度与RNP值的一倍比较；

·将完整性与RNP值的两倍比较；并且

·如果这两个参数中的一个（精确度或完整性）超过所分配的阈值，就发出警报，而机组人员就必须采取合适的行动；以及

- 第二功能，该第二功能允许机组人员监控飞行器的引导：

·为机组人员提供并且显示飞行器相对于参考航线的侧向和竖直偏移；

·机组人员监控相对于为每个偏移分配的预算的偏移。如果机组人员检测到过大的偏差，机组人员就必须重新接手飞行器，并采取适当的修正行动。

如上所述，现有飞行器不能够保证在故障下等于0.1NM的RNP值，而且必须特别地培训机组人员，以飞行RNP AR程序。事实上，机组人员必须能够合适地检测和处理会危害正在进行的操作的故障。

未来飞行器的目标在于具有在起飞、着陆和加油时没有限制地（在正常情况和故障情况下）以直至0.1NM的RNP值来飞行RNP AR程序的能力。为此，机组人员不必再被认为是故障的主要检测和处理手段。

发明内容

本发明涉及用于（自动）辅助实施航空操作的方法，其中所述航空操作需要保证导航和引导性能，并由飞行器、尤其是运输飞机来实施，所述方法允许弥补上述缺点。

为此，根据本发明，所述用于辅助实施航空操作的方法，其中所述航空操作需要保证（导航和引导）性能，并且由飞行器来实施，该飞行器包括引导系统，该引导系统至少包括以下连续的级：

- 计算飞行器位置的级；

- 管理飞行器飞行计划的级；

- 计算飞行器航线的级；

- 计算（侧向和竖直）偏移的级；和

- 计算飞行器引导指令的级，

所述方法的显著之处在于：

- 在所述引导系统上为每个所述级设置：

·包括至少N个设备的结构，其中所述至少N个设备中的每个都能够实施关于所述级的相同功能，N为大于或等于3的整数；和

·允许实施监控的装置；

- 在每个所述级处，监控该级以及如有必要监控前一级，并且产生关于这两级的监控状态；以及

- 至少借助于所有由此产生的监控状态来确定整体状态，该整体状态指示飞行器实施所述需要保证性能的航空操作的能力。

此外，有利地，如下所述，至少在所述整体状态恶化的情况下为飞行器的机组人员提供所述整体状态。

这样，借助于本发明，自动地确定整体状态，该整体状态允许向机组人员指示飞行器实施需要保证性能的航空操作的能力，这些航空操作优选地为如上所述的、RNP AR（英语为“Required Navigation performance with Authorization Required”）类型的要求授权的所需导航性能操作。

根据本发明，故障的检测和处理是自动化的，同时允许保持机组人员知悉当前的情况及其对于正在进行的操作的影响。这样，机组人员不再是故障的主要检测和处理手段，而仅仅保留保障作用。因此，通过在飞行器上实施根据本发明的方法，该飞行器能够在起飞、着陆和加油时没有限制地（在正常情况和故障情况下）实现具有直至0.1NM的RNP值的RNP AR程序。此外，本发明允许减少缓和装置，并因此减少操作程序以及对飞行员的培训。

在一个优选的实施例中，实施以下特别地允许确定所述整体状态的监控：

- 监控飞行器系统可用性状态以及结构的配置状态；

- 监控飞行器位置计算的精确度和完整性；

- 监控飞行器的引导性能；以及

- 监控飞行器的配置。

另外，在一个特殊的实施例中：

- 所述计算飞行器位置的级在ADIRS（英语为“Air Data and Inertial Reference System”）类型的空气数据和惯性参考系统中实施；

- 所述管理飞行计划的级、计算航线的级和计算偏移的级在FMS（英语为“Flight Management System”）类型的飞行管理系统中实施；并且

- 所述计算引导指令的级在FCGS（英语为“Flight Control and Guidance System”）类型的飞行引导和控制系统中实施。

在一个优选的而非限制的实施例中，监控状态每次都被传输到布置在（引导链中的）紧下游的系统，即在上述的特殊的实施例中：从ADIRS系统到FMS系统，并从FMS系统到FCGS系统。

另外，有利地，设置能够发出以下警报中至少一些警报的装置：

- 关于整体状态及其恶化的警报；

- 关于飞行器位置计算的精确度和完整性的恶化的警报；以及

- 关于飞行器相对于其航线的过大偏差的警报。

另外，有利地，本发明以下文所述方式自动地启动。

另外，有利地，在某些所述级处，并尤其在计算飞行器位置的级处：

- 比较分别由该级的各种设备提供的特定参数的数值，并且在所述数值不一致的情况下检测到故障，以及

- 在检测到故障的情况下，确定故障设备，并重新配置所述级（以不再在随后的操作中使用由该故障设备提供的数值）。

本发明还涉及一种用于辅助实施航空操作的（自动）装置，其中所述航空操作需要保证（导航和引导）性能，并由飞行器、尤其是运输飞机来实施，所述航空操作尤其为RNP AR操作。

根据本发明，所述装置是包括引导系统类型的，该引导系统至少包括以下连续的级：

- 计算飞行器位置的级；

- 管理飞行器飞行计划的级；

- 计算飞行器航线的级；

- 计算偏移的级；和

- 计算飞行器引导指令的级，

所述装置的显著之处在于：

- 所述引导系统具有这样的结构，该结构对于每个所述级都包括至少N个设备，所述至少N个设备中的每个都能够实施与所述级有关的相同功能，N为大于或等于3的整数；并且

- 所述引导系统还：

·在所述级中至少一些处包括允许检测和隔离故障的装置；

·包括用于监控每个级以及如有必要监控前一级、并生成关于这两级的监控状态的装置；以及

·包括用于至少借助于所有监控状态来确定整体状态的装置，该整体状态指示飞行器实施需要保证性能的所述航空操作的能力。

根据本发明的、用于检测和隔离故障系统的结构基于三重（或带N个设备，N>3）结构原理，并因此提出沿着飞行器的引导链——计算飞行器的位置、管理飞行计划、计算航线、计算偏移（飞行器相对于航线的位置）、和计算在该航线上的随动引导指令——使用三个或多于三个的源。因此，该链的每个级都由N（N≥3）个设备来构成，这允许检测和隔离故障。此外，每个级都能够由相同的设备（对称级）或不同的设备（不对称级）来构成。

本发明还涉及一种飞行器，尤其是运输飞机，该飞行器设有如上所述的装置。

附图说明

附图使得如何可以实施本发明变得显而易见。在这些附图中，相同的附图标记表示相似的元件。

图1和图2为根据本发明的装置的两个不同的实施例的方框示意图。

具体实施方式

根据本发明的、并在图1和图2中示意地示出的装置1被装载在飞行器、尤其是运输飞机（未示出）上，并且用于（自动地）辅助实施需要保证导航和引导性能的航空操作，尤其是RNP AR操作。

所述装置1是包括引导系统2类型的，该引导系统至少包括以下连续级：

- 计算飞行器位置的级；

- 管理飞行器飞行计划的级；

- 计算飞行器航线的级；

- 计算偏移的级；和

- 计算飞行器引导指令的级。

在图1和图2中所示出的优选的实施例中：

- 所述计算飞行器位置的级在ADIRS（英语为“Air Data and Inertial Reference System”）类型的空气数据和惯性参考系统3中实施。通常，这些ADIRS类型的系统3根据来自于信号、尤其是GNSS（英语为“Global Navigation Satellite System”）信号接收系统（例如：多模接收器，英语为“Multi-Mode Receiver”，MMR）的数据来计算飞行器的位置；

- 所述管理飞行计划的级、计算航线的级和计算偏移的级在FMS（英语为“Flight Management System”）类型的飞行管理系统4中实施。通常，这些系统4根据来自于导航数据库（未示出）的数据和由飞行员输入的数据来管理飞行计划、构建参考航线、以及计算在（从系统3接收的）飞行器位置和该参考航线之间的偏移；并且

- 所述计算引导指令的级在FCGS（英语为“Flight Control and Guidance System”）类型的飞行引导和控制系统5中实施。通常，这些系统5保证飞行器的引导。

根据本发明：

- 所述引导系统2具有这样的结构，该结构对于每个所述级都包括至少N个设备，所述至少N个设备中的每个都实施与所述级有关的相同功能，N为大于或等于3的整数。在图1和图2的示例中，系统1的结构为三重类型的，有三个ADIRS类型的系统3、三个FMS类型的系统4，和三个FCGS类型的系统5；并且

- 所述引导系统2还包括集成的装置（未特别地示出），即：

·允许在至少计算位置的级处、但优选地在每个级处检测和隔离故障的装置；

·用于监控每个级和如有必要监控前一级、并生成关于这两个级的监控状态的装置；以及

·用于至少借助于所有如上所述的监控状态来确定整体状态的装置，该整体状态指示飞行器能够实施所述需要保证性能的航空操作的能力。

因此，根据本发明的装置1的结构为沿着引导链每个级有N（N≥3）个设备的结构。在该链的每个级处使用N（N≥3）个源允许检测贡献者（contributeur）之间可能的差异，并如有需要，识别故障贡献者。然后，装置1整体上能够重新配置，以在操作的整个过程中在足够短的时间内隔离受指责的贡献者，以使得机组人员不需要干预故障管理。

尽管这些重新配置不需要飞行员行动，但这些重新配置通过下述的监控功能来通知机组人员。

设置了四个类型的监控：

- 监控飞行器系统可用性状态以及结构的配置状态；

- 借助于特殊功能来监控飞行器位置计算的精确度和完整性，称为NAV PRIMARY功能的该特殊功能在性能不再满足操作要求时提醒机组人员；

- 借助于在飞行器的位置相对于航线偏差过大的情况下提醒机组人员的功能来监控飞行器的引导性能；以及

- 监控飞行器的配置，以核实飞行器的配置与要飞行的程序兼容：飞行器的速度、自动驾驶仪的采用、引导模式的采用等。

所述整体状态（或RNP AR状态）考虑以上的四个监控功能的结果，并显示RNP AR功能的状态，该RNP AR功能的状态允许机组人员具有对飞行器飞行RNP AR程序的能力的整体了解。

对于机组人员，上述的监控功能可以体现为三个不同的警报形式，这些警报在飞行器的驾驶台处发出：

- 关于RNP AR整体状态及其恶化的警报；

- 关于飞行器位置计算的精确度和完整性的恶化的警报；和

- 关于飞行器相对于其航线的过大偏差的警报。

如上所述，目的在于辅助实施需要保证性能的航空操作的本发明更特别地适用于要求RNP AR（英语为“Required Navigation Performance with Authorization Required”）类型的操作。然而，本发明还可以被用于需要高水平的完整性、故障鲁棒性、飞行计划跟踪监控的所有飞行部分。作为示例，本发明可以用于在山地环境中的操作，对于这些操作，没有产生RNP程序。

在一个优选的实施例中，监控功能和结构自动启动，不需要飞行员的任何行动。更加具体地：

- 当飞行器达到要飞行的RNP AR程序并且在合适的配置中时，用于监控过大偏差的功能和结构启动；并且

- 其他监控功能（NAV PRIMARY和RNP AR状态）在整个飞行中都是处于启动状态的，以允许机组人员在飞行过程中的任何时刻都知悉飞行器飞行RNP程序的能力，并且预期到可能的没有能力飞行所期望的程序。它们在飞行之前也是处于启动状态的。

然而，在本发明的范围内，监控功能和结构的启动和关闭可以通过不同的方式来实现。

因此，当足够低以要求增大的飞行器引导完整性的RNP值与所飞行的航线关联时，三重结构可以自动地启动。在一个特别的实施例中，RNP值必须小于0.3NM，无论该RNP值来自于导航数据库还是机组人员的人工获取。在该值以上，机组人员被认为能够检测和处理任何会突然发生的故障而不危害RNP通道的保持。

此外，所安装的结构只有在机组人员力求遵循航线时才有意义。并且，该结构仅在采用自动驾驶仪和飞行计划跟踪侧向引导模式（NAV）的时候才启动。

启动和关闭还可以通过飞行员的行动（例如：采用第二自动驾驶仪）来发动。特别地，通常的、不需要监控和检测特别故障的飞行计划跟踪操作可以在采用单个自动驾驶仪的情况下飞行，而需要更高水平的完整性的RNP AR操作可以在采用两个自动驾驶仪的情况下飞行，某些ILS（英语为“Instrument Landing System”）类型的精确着陆就是这样的。

如上所述，RNP AR整体状态根据引导链的系统可用性、结构的当前配置、位置计算和引导的性能来确定。该RNP AR整体状态为机组人员指示要飞行RNP AR程序的飞行器的系统能力和工作能力。

下面详细描述确定RNP AR状态的方法。因此，在其对引导的贡献之外，每个系统3、4、5都还实现监控引导链中上游系统并且将结果传输给该链中的下游系统的功能。每个系统3、4、5还监控其自身的运行，并将其自身状态传输给下游系统。因此，在图1的示例中：

- ADIRS类型的系统3：

·根据由MMR接收器接收的数据来计算和加强位置；以及

·限定MMR/ADIRS共同状态；

- FMS类型的系统4：

·限定飞行计划、计算参考航线以及在飞行器位置和该参考航线之间的偏移；

·通过连接6接收来自（ADIRS类型的）系统3的MMR/ADIRS状态；以及

·在该状态中加入由所述FMS类型的系统4限定的ADIRS状态；以及

·限定FMS状态；

- FCGS类型的系统5：

·保证飞行器的引导；

·接收由（FMS类型的）系统4传递的来自（ADIRS类型的）系统3的MMR/ADIRS状态；

·通过连接7接收由（FMS类型的）系统4添加过的MMR/ADIRS状态；

·通过连接7接收来自（FMS类型的）系统4的FMS状态；

·在该状态中添加由所述FCGS类型的系统5所限定的FMS状态；

·接收（下述的）监控飞行器位置的精确度和完整性的NAV PRIMARY功能的状态；

·通过过大偏差接收（下述的）引导性能的状态；

·接收（下述的）飞行器的配置状态；以及

·确定飞行器的RNP AR整体状态。

要注意的是，根据本发明，飞行器位置计算的性能的监控相对于通常情况得到改进。通常，位置的精确度与RNP值的一倍比较，而根据本发明，位置的完整性与RNP值的两倍相比较，从中减去附属值，该附属值对应于留给引导误差和航线限定误差的预算。因此，用于评估位置的完整性的阈值如下：

在该表达式中，FTE对应于分配给引导误差（飞行技术误差，英语为“Flight Technical Error”）的预算，PDE对应于分配给航线限定误差（路线限定误差，英语为“Path Definition Error”）的预算。在上述的表达式中，FTE和PDE可以由常数K来替代，该常数K考虑了引导误差、航线限定误差和飞行员的反应时间。

如果这两个参数中的一个（精确度或完整性）超过所分配的阈值，就向机组人员发出警报。该新的完整性阈值允许机组人员足够早地得到警报，以保证保持半宽度是RNP值的两倍的通道。

此外，已知，通常由机组人员借助于在主飞行显示器（PFD类型，英语为“Primary Flight Display”）上显示相对于参考航线的侧向和竖直偏移来监控飞行器的引导精确度。借助于本发明，通过使用在飞行器位置相对于参考航线（侧向或竖直）偏差过大的情况下提醒机组人员的功能，而简化了侧向和竖直偏移监控。该功能由FCGS类型的系统5根据从FMS类型的系统4接收的偏移来实施。

在一个特殊的实施例中：

- 侧向偏差的警报阈值由min[RNP;0.2NM]来限定。事实上，引导的不精确性不可以超过RNP值的一倍。此外，认为无论RNP的值如何，都必须提醒机组人员大于0.2NM的侧向偏差；并且

- 竖直偏差的警报阈值被定为75英尺，该75英尺对应于由航空规范为竖直引导误差分配的预算。

此外，同样由FCGS类型的系统5来实施的最后一个监控功能核实飞行器处于飞行RNP程序的良好配置中。当该程序以低的RNP值（例如小于0.3NM）来限定，并因此装置1被采用或应该要采用时，检验以下参数：

- 必须采用两个自动驾驶仪中的一个或启动两个自动驾驶仪；

- 必须采用飞行计划的跟踪引导模式；并且

- 飞行器的速度必须与航线的几何尺寸和在该程序中限定的速度约束条件兼容。

如果以上监控的参数中的一个不处于良好的配置中，则显示特殊的消息，以引导机组人员采取要进行的行动，以重新将飞行器置于与正在进行的操作兼容的配置中。

因此，FCGS类型的系统5集中引导链的所有元件的可用性信息。这些系统还集中引导性能和位置计算的信息，以及飞行器配置状态，然后计算RNP AR功能的整体状态，并通过连接8将该RNP AR功能的整体状态传送给FWS（英语为“Flight Warning System”）类型的警告管理系统9。系统9然后产生与RNP状态关联的警告，并通过连接10将所述警告传输给常用界面装置11，这些常用界面装置将所述警告提供给机组人员。

在一个优选实施例中，RNP AR整体状态可以具有三个不同的状态，分别称为“RNP满能力”（英语为“FULL RNP CAPABLE”）、“RNP冗余损失”（英语为“RNP REDUNDANCY LOST”）和“RNP能力损失”（英语为“RNP CAPABILITY LOST”）。更确切地：

- 当所有系统都可用并且其性能是足够的时候，飞行器被认为能够无限制地保证等于0.1NM的RNP值。RNP AR状态因此处于其称为RNP满能力（英语为“FULL RNP CAPABLE”）的第一状态中。该第一状态对应于RNP AR状态的缺省状态，不用告知机组人员。只提醒机组人员RNP AR状态的恶化；

- 如果在故障和/或自动重新配置之后，在引导链某处出现冗余损失，则将该冗余损失以整体状态的、称为“RNP冗余损失”（英语为“RNP REDUNDANCY LOST”）的第二状态告知机组人员；并且

- 如果一个或多个故障造成功能损失或性能恶化，使得系统1不再保证位置和/或引导的完整性，那么整体状态就采取其称为“RNP能力损失”（英语为“RNP CAPABILITY LOST”）的第三状态，而机组人员则必须相应地通过退出正在进行的程序来反应。机组人员要进行的程序（取决于RNP AR状态恶化起因事件）因此显示在WD（英语为“Warning Display”）类型的警报屏上，该警报屏构成界面装置11的一部分。

在本发明的范围内，RNP AR整体状态可以以不同的方式告知机组人员。在上述解决方案中，仅仅将RNP AR状态的恶化以警报的形式告知机组人员。另一解决方案是，在PFD（英语为“Primary Flight Display”）类型的、用于显示主要飞行参数的屏上显示正面信息，持续地为机组人员提供RNP AR状态，即，例如，当飞行器能够保证RNP程序时提供“RNP DUAL”类型的指示，在冗余损失的情况下提供“RNP SINGLE”类型的指示，当飞行器不再能够保证RNP程序时提供“RNP LOST”类型的指示。

在图2中所示的另一实施例中，RNP AR整体状态以有些不同的方式来计算。FCGS类型的系统5还是集中各信息并且计算RNP AR整体状态，但是系统5为此通过连接12直接从ADIRS/MMR类型的系统3接收信息，所述信息无需由FMS类型的系统4来中转，所述系统4仍然限定ADIRS状态。

因此，上述各种监控功能和结构通过能够自动检测、识别和隔离故障系统而允许飞行器适应RNP AR操作固有的安全要求。另外，借助于各种监控功能和RNP AR整体状态（其为机组人员提供对飞行器飞行RNP AR程序的能力的整体了解），机组人员能够跟踪和监控操作的良好进行。

要注意的是，替代地：

- 在上述特殊的实施例中所述的三重结构可以由对于功能的每个贡献者都更多的冗余数来代替；

- 引导可以在单一整体中实施，该单一整体例如同时包括飞行管理系统、自动驾驶仪和飞行控制器的同等装置；

- 每个贡献者还可以具有内部结构，该内部结构的冗余不基于相同的系统。