一种航空器高度层变更程序优化引导方法

摘要

本发明公开一种航空器高度层变更程序(IN‑TRAIL PROCEDURE，ITP)优化引导方法，步骤是：机组选择航空器变更目标高度层和参考目标飞机，并向管制员提出高度层变更申请，在获得批准后准备执行高度层变更程序；构建航空器变更高度层所需的气象模型、质点模型和性能模型；以时间最短为目标，规划航空器高度层变更引导程序；以油耗最少为目标，规划航空器高度层变更引导程序；将两种变更方式的高度引导剖面输出至机组ITP设备，机组根据变更目的选择变更方式，加载至飞行管理系统自动执行。此种方法考虑了机组请求高度层变更的原因，解决了当前ITP概念无法反映机组变更高度层需求的缺陷，提升了航空器运行的智能化和经济性。

说明书

技术领域

本发明属于民用航空器航空电子领域，涉及机载监视、座舱显示等领域，特别涉及一种航空器高度层变更程序优化引导方法。

背景技术

高度层变更程序(IN-TRAIL PROCEDURE，ITP)是ADS-B IN监视技术下的新应用，作用于洋区和偏远地区巡航阶段。当机组有穿越高度层需求时，其通过接收处理周边空域飞机的ADS-B信号，在一定准则要求下，选择一架或两架飞机作为参考机，向管制员提出自身飞机的高度层变更请求，进而完成高度层变更程序。ITP操作可以协助机组在确保飞行安全间隔的前提下，实现有效减少燃油消耗，提高飞行安全和飞行效率的目标。

航空器在洋区运行过程中，机组可能出于缩短飞行时间、减少燃油消耗、避开冲突或危险天气等原因进行高度层变更，然而当前ITP概念并未在高度层变更程序的实施中考虑机组变更高度层的需求，导致变更结果可能与机组需求不符，降低了航空器运行的智能化和经济性。

发明内容

本发明的目的，在于提供航空器高度层变更程序优化引导方法，其通过结合机组请求高度层变更的原因，依据航空器性能及环境状况，对航空器的高度层变更程序提供优化引导，解决了当前ITP概念无法反映机组变更高度层需求的缺陷，提升了航空器运行的智能化和经济性。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种航空器高度层变更程序优化引导方法，包括如下步骤：

步骤一，机组选择航空器变更目标高度层和参考目标飞机，并向管制员提出高度层变更申请，在获得批准后准备执行高度层变更程序；

步骤二，构建航空器变更高度层所需的气象模型、质点模型和性能模型；

步骤三，以时间最短为目标，规划航空器高度层变更引导程序；

步骤四，以油耗最少为目标，规划航空器高度层变更引导程序；

步骤五，将步骤三和步骤四计算结果以高度引导剖面形式输出至机组的ITP设备，机组根据变更目的选择变更方式，加载至飞行管理系统自动执行。

上述步骤一中，航空器在洋区运行过程中，机组出于缩短飞行时间、减少燃油消耗、避开冲突或危险天气等原因，需要进行高度层变更，在确定目标飞行高度层后，机组使用ITP设备识别目标高度层和参考目标飞机，并向管制员发送请求进行ITP运行申请，在获得管制员ITP许可后，开始实施ITP。

上述步骤二中，气象模型的构建方法是：

1a，根据温度偏差和气压高度，确定大气温度T：

T＝T

其中，T

1b，根据大气温度T，确定大气压力p：

其中，p

1c，根据温度T与压力p，确定大气密度ρ：

1d，根据气象预报中的风向风速，结合大气温度、大气压力和大气密度，建立航空器运行的气象模型。

上述步骤二中，质点模型包括：航空器的位置换算模型、航空器真空速的变化方式、航空器航向角的变化方式和航空器质量变化方程；

2a，建立航空器的位置换算模型：

其中，x，y表示航空器的水平位置，h表示航空器的垂直位置，V

2b，确定航空器真空速的变化方式：

其中，Thr，D分别表示航空器的推力与受到的阻力，m为航空器质量；

2c，确定航空器航向角的变化方式：

其中，

2d，确定航空器质量变化方程：

其中，f

上述步骤二中，性能模型包括：发动机最大起飞推力和航空器阻力；

2e，计算航空器发动机的推力，其最大起飞推力Thr

Thr

其中，C

2f，根据下式计算航空器阻力D：

其中，C

上述步骤三中，航空器变更高度层所需的时间最短变更引导计算方法是：

3a，确定航空器高度层变更所需最短变更时间为：

其中，T′为航空器完成高度层变更的总时间；Δh

3b，航空器高度变更值应满足：

其中ΔH为航空器完成高度层变更程序的高度变化值；

3c，计算第i个计算步长的航空器爬升率：

其中，T

3d，航空器变更高度层过程中，对升降率做出约束：

ROCD

3e，由于航空器进行高度层变更过程中，与参考目标飞机需要满足ITP距离和速度要求，因此对航空器的速度变化做出约束：

其中，

上述步骤四中，航空器变更高度层所需的油耗最少变更引导计算方法是：

4a，航空器执行高度层变更操作时，将航空器以最小升降率结束高度层变更所需的距离作为评估区间，由于高度层变更时地速默认为恒定值，因此相同水平距离所需的时间亦相等；将燃油消耗阶段分解为变更高度层阶段F

其中，t

4b，计算航空器燃油消耗率：

平飞阶段燃油消耗率：f

变更阶段燃油消耗率：f

其中，C

4c，计算航空器燃油消耗系数：

其中，C

上述步骤五中，根据步骤三和步骤四得到时间最少变更引导下的高度引导剖面PRO

采用上述方案后，本发明提出了一种航空器高度层变更程序优化引导方法，通过结合机组请求高度层变更的原因，依据航空器性能及环境状况，对航空器的高度层变更程序提供优化引导，具体而言，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明考虑了机组请求高度层变更的原因，填补了当前ITP概念无法反映机组高度层变更需求的缺陷，提高了航空器运行的智能化和经济性。

(2)本发明可视性强，通过将两种变更方式的高度引导剖面输出至机组的ITP设备，增强了机组在高度层变更过程中的态势感知能力与危险预警能力。

(3)本发明考虑了航空器性能、气象等因素，计算结果更加可靠准确。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是油耗最少变更引导计算示意图；

图3是ITP设备高度引导剖面示意图；

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。

如图1所示，本发明提供一种航空器高度层变更程序优化引导方法，包括以下步骤：

步骤一，机组选择航空器变更目标高度层和参考目标飞机，并向管制员提出高度层变更申请，在获得批准后准备执行高度层变更程序；

步骤二，构建航空器变更高度层所需的气象模型、质点模型和性能模型；

上述步骤二中，气象模型的构建方法是：

1a，根据温度偏差和气压高度，确定大气温度T：

T＝T

其中，T

1b，根据大气温度T，确定大气压力p：

其中，p

1c，根据温度T与压力p，确定大气密度ρ：

1d，根据气象预报中的风向风速，结合大气温度、大气压力和大气密度，建立航空器运行的气象模型。

上述步骤二中，质点模型的构建方法是：

2a，建立航空器的位置换算模型：

其中，x，y表示航空器的水平位置，h表示航空器的垂直位置，V

2b，确定航空器真空速的变化方式：

其中，Thr，D分别表示航空器的推力与受到的阻力，m为航空器质量；

2c，确定航空器航向角的变化方式：

其中，

2d，确定航空器质量变化方程：

其中，f

上述步骤二中，性能模型的构建方法是：

2e，计算航空器发动机的推力，其最大起飞推力Thr

Thr

其中，C

2f，根据下式计算航空器阻力D：

其中，C

步骤三，以时间最短为目标，规划航空器高度层变更引导程序：

3a，确定航空器高度层变更所需最短变更时间为：

其中，T′为航空器完成高度层变更的总时间；Δh

3b，航空器高度变更值应满足：

其中ΔH为航空器完成高度层变更程序的高度变化值；

3c，计算第i个计算步长的航空器爬升率：

其中，T

3d，航空器变更高度层过程中，对升降率做出约束：

ROCD

3e，由于航空器进行高度层变更过程中，与参考目标飞机需要满足ITP距离和速度要求，因此对航空器的速度变化做出约束：

其中，

步骤四，以油耗最少为目标，规划航空器高度层变更引导程序；

步骤五，将步骤三和步骤四计算结果以高度引导剖面形式输出至机组的ITP设备，机组根据变更目的选择变更方式，加载至飞行管理系统自动执行。

图2为油耗最少变更引导计算示意图，具体步骤如下：

4a，航空器执行高度层变更操作时，将航空器以最小升降率结束高度层变更所需的距离作为评估区间，即图2中A至B

其中，t

相较于最小升降率所耗燃油F

ΔF＝F

4b，计算航空器燃油消耗率：

平飞阶段燃油消耗率：f

变更阶段燃油消耗率：f

其中，C

4c，计算航空器燃油消耗系数：

其中，C

图3为ITP设备高度引导剖面示意图，操作过程如下：

5a，根据步骤三和步骤四得到时间最少变更引导下的高度引导剖面PRO

5b，机组根据请求高度层变更的目的选择变更方式，通过点击“TIME”或“OIL”按钮进行选择。

5c，飞行管理系统根据机组选择的高度层变更方式，开始执行ITP运行。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。