[發明專利]優化受到達時間約束制約的巡航垂直剖面的系統和方法

在審

• 申請號: 201911099778.1
• 申請日: 2019-11-12
• 公開（公告）號: CN111240193A
• 公開（公告）日: 2020-06-05
• 發明（設計）人: J·L·德普林斯;B·菲格拉爾;D·加里多-洛佩茲;J·沙爾;T·E·約卡姆
• 申請（專利權）人: 波音公司
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司 11127
• 代理人: 王小東;黃綸偉

優化受到達時間約束制約的巡航垂直剖面的系統和方法。一種與所需到達時間(RTA)約束組合來計劃成本最優巡航垂直剖面并按照該成本最優巡航垂直剖面飛行的系統和方法。該方法可被實現為飛行管理系統(FMS)中的單個功能。FMS(10)計劃飛行器軌跡，其具有優化以在滿足時間約束的同時使飛行成本(例如，燃料消耗)最小化的巡航垂直和速度剖面。在適當的情況下，該整合功能還能夠使巡航垂直剖面劣化以便打開可實現的RTA的窗口并增加RTA成功率。由于實際飛行條件可不同于預測的飛行條件，該方法還監測沿著計劃的軌跡飛行的進度，并且當估計到達時間偏離RTA約束超過指定的閾值時重新調整巡航速度剖面。

技術領域

本公開總體上涉及優化飛行器的巡航(cruise)剖面(profile)的系統和方法。飛行器的巡航剖面包括巡航速度剖面和巡航垂直剖面，該巡航速度剖面指示在巡航階段期間沿著計劃的飛行路徑的速度改變，該巡航垂直剖面指示在巡航階段期間沿著計劃的飛行路徑的高度改變。具體地，本公開涉及優化飛行器的巡航垂直剖面的系統和方法。

背景技術

如本文所用，術語“飛行器軌跡”意指飛行器的四維(包括將時間作為第四維)飛行路徑。飛行器軌跡可被分解如下：

(1)飛行器的橫向路徑，一旦飛行管理系統(FMS)知道飛行計劃(一系列航路點)，FMS就(或多或少)固定該橫向路徑。航路點處的轉彎半徑與航向改變(微弱地)取決于速度和高度，但改變不大。

(2)作為未飛距離的函數的飛行器的垂直剖面或高度，該垂直剖面或高度取決于在巡航階段期間引入的垂直約束和梯級(step)(無論是手動還是自動巡航優化)。爬升和下降中的垂直剖面也(或多或少微弱地)取決于調度的速度。

(3)飛行器的速度調度，該速度調度提供軌跡的各個點處的空速。速度調度還可取決于垂直路徑、橫向路徑、天氣條件、飛行器的性能(包括變化的重量)和飛行模式。

所有上述(包括天氣條件)的結果是距所需到達時間(RTA)航路點的每一距離處的對地速度值，該對地速度值可被積分以給出估計到達時間(ETA)。

飛行管理系統(FMS)接受飛行員輸入的輸入數據，該輸入數據表示從始發機場到目的地機場的飛行計劃。飛行計劃包括限定水平飛行路徑的一系列航路點。還指定初始巡航高度。FMS通常計算優化的巡航垂直剖面(以下稱為“最優垂直剖面”)，該巡航垂直剖面被定義為使成本(下面要描述的燃料成本和時間成本的組合)最小化的高度。優化的高度取決于飛行器毛重、速度、風和空氣溫度。然而，飛行器通常被約束為在授權(也叫做法定)高度飛行，以便維持分道航行(traffic separation)。從一個法定高度到另一法定高度的改變被稱為“梯級爬升”或“梯級下降”。航空業中的梯級爬升是隨著飛行器的毛重減小通過移動到較不稠密的空氣中來改進燃料經濟性的一系列高度增益。通常，隨著燃料燃燒以及飛行器重量減輕，優化的巡航高度(使飛行成本最小化的高度)會增加。對于長途飛行，還會指定開始向新巡航高度的梯級爬升的點。

飛行操作的計劃的速度調度是由FMS基于航空公司/機組人員所選擇的期望的巡航模式來確定的。典型模式是經濟(ECON)模式，其基于航空公司所選擇的成本指數(CI)(由時間成本和燃料成本之間的特定權衡驅動)來確定最經濟的速度。每單位距離的瞬時成本可被寫為

成本(lb/NM)＝(燃料流量(lb/hr)+100*CI)/對地速度(kts)

其中成本指數CI是航空公司認為針對該特定航班最優的運營成本與燃料成本之比。成本指數通常由飛行員在飛行器起飛之前使用FMS的控制顯示單元(CDU)作為常數引入。另選的巡航模式是長距離巡航(LRC)或所選的速度模式(SEL)。