用于沿著飛行路徑駕駛飛行器的方法

背景技術(shù)：
在駕駛當(dāng)代飛行器時(shí)，可考慮沿著飛行器飛行路徑的航路點(diǎn)（waypoint）處的氣象數(shù)據(jù)，以確定估計(jì)抵達(dá)時(shí)間，以及在飛行器的飛行期間的燃料燃燒。一般而言，天氣數(shù)據(jù)和風(fēng)數(shù)據(jù)(在高度處的方向和速度)和溫度數(shù)據(jù)(在高度處的溫度)特別地對(duì)飛行成本有顯著影響。特別地，所消耗的燃料和飛行的持續(xù)時(shí)間顯著地受風(fēng)速、風(fēng)向和大氣溫度的影響。飛行管理系統(tǒng)(FMS)可能考慮在飛行器飛行時(shí)通過通信系統(tǒng)從地面站上載到FMS的風(fēng)速和溫度數(shù)據(jù)，或者由飛行員輸入的風(fēng)速和溫度數(shù)據(jù)。雖然可用的氣象數(shù)據(jù)量大，而且可包括沿著飛行器飛行路徑或在飛行器飛行路徑附近的多個(gè)點(diǎn)，但對(duì)這個(gè)大量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)使用有實(shí)際限制。例如，F(xiàn)MS可在可輸入天氣數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量方面受到限制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
在一個(gè)實(shí)施例中，一種沿著飛行路徑駕駛具有相關(guān)聯(lián)的性能包絡(luò)(envelope)的飛行器的方法，包括：基于飛行器的性能包絡(luò)，確定沿著飛行路徑的巡航爬升(cruise-climb)的高度分布圖(profile)；確定沿著飛行路徑的合法飛行水平(flightlevel)；以及沿著飛行路徑在合法飛行水平之間以階躍方式駕駛飛行器，以接近服從合法飛行水平之間的階躍中的至少一個(gè)約束的高度分布圖。附圖說明在圖中：圖1是包括根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的飛行路徑的、飛行器的若干飛行路徑的示意性圖解；圖2是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的方法的結(jié)果的示意性圖解；以及圖3是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的方法的結(jié)果的示意性圖解。部件列表10飛行路徑軌跡12起點(diǎn)14終點(diǎn)16爬升階段18巡航階段20降落階段22爬升24降落30恒定高度巡航32理論巡航爬升分布圖34階躍爬升安排40巡航爬升高度分布圖42最大額定高度46合法飛行水平48合法飛行水平50合法飛行水平52合法飛行水平54飛行路徑56危險(xiǎn)58降落分布圖60點(diǎn)62點(diǎn)64階躍66階躍130巡航高度140巡航爬升高度分布圖142最大高度146合法飛行水平148合法飛行水平150合法飛行水平152合法飛行水平154飛行路徑156危險(xiǎn)160階躍164階躍降落。具體實(shí)施方式飛行器的飛行路徑大體包括爬升、巡航和降落。當(dāng)代大多數(shù)飛行器包括用于產(chǎn)生飛行路徑軌跡10以及沿著飛行路徑軌跡10駕駛飛行器的FMS。FMS可基于命令、航路點(diǎn)數(shù)據(jù)和諸如天氣數(shù)據(jù)的附加信息(所有這些都可接收自航空公司運(yùn)行中心或飛行員)自動(dòng)地為飛行器產(chǎn)生飛行路徑軌跡10?？墒褂猛ㄐ沛溌穼⑦@種信息發(fā)送給飛行器。通信鏈路可為任何各種各樣的通信機(jī)制，包括(但不限于)分組無線電和衛(wèi)星上行鏈路。以非限制性示例的方式，飛行器通信尋址和報(bào)告系統(tǒng)(ACARS)是用于通過無線電或衛(wèi)星在飛行器和地面站之間傳輸消息的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)。信息也可由飛行員輸入。圖1是飛行器的、呈飛行器軌跡10的形式的飛行路徑的示意圖。軌跡始于起點(diǎn)12，諸如出發(fā)機(jī)場(chǎng)，并且止于終點(diǎn)14，諸如目的地機(jī)場(chǎng)。在起點(diǎn)12和終點(diǎn)14之間的橫穿包括爬升階段16、巡航階段18和降落階段20，它們都包括在軌跡10中。爬升階段16、巡航階段18和降落階段20通常作為數(shù)據(jù)點(diǎn)輸入到FMS中。為了此描述的目的，術(shù)語數(shù)據(jù)點(diǎn)可包括任何類型的數(shù)據(jù)點(diǎn)，包括航路點(diǎn)、航線上的航路點(diǎn)和高度，而且不限于特定的地理位置。例如，數(shù)據(jù)點(diǎn)可以只是高度，或者可為特定的地理位置，地理位置可由任何坐標(biāo)系表示，諸如經(jīng)度和緯度。以非限制性示例的方式，數(shù)據(jù)點(diǎn)可為3D或4D的；飛行器軌跡10的四維描述限定了在3D空間中，飛行器在任何給定時(shí)間點(diǎn)處于何處。各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)可包括相關(guān)聯(lián)的信息，諸如天氣數(shù)據(jù)，天氣數(shù)據(jù)可包括溫度數(shù)據(jù)以及有風(fēng)向或沒有風(fēng)向的風(fēng)數(shù)據(jù)。對(duì)于爬升，可輸入對(duì)應(yīng)于爬升的頂部22處的高度A的數(shù)據(jù)點(diǎn)，對(duì)于巡航階段18，可輸入航線上的航路點(diǎn)B；而對(duì)于降落階段20，可輸入各種高度。在起飛之后，飛行器典型地保持在爬升階段16中直到爬升的頂部22，且然后在巡航階段18期間遵從航線上的航路點(diǎn)直到降落的頂部24，在此處，飛行器開始降落階段20。在飛行器在這些階段期間完成其到達(dá)這樣的高度的軌跡10的意義上，爬升階段16和降落階段20中的高度A是航路點(diǎn)。可基于地面助航設(shè)備(Navaids)的位置，沿著飛行器的軌跡10選擇航線上的航路點(diǎn)B。軌跡10中也可包括偽航路點(diǎn)(pseudo-waypoint)P，而且偽航路點(diǎn)P是為了與軌跡10的參數(shù)有關(guān)的一些目的而創(chuàng)建的人工參考點(diǎn)，并且不限于地面助航設(shè)備。在軌跡的建立的數(shù)據(jù)點(diǎn)設(shè)定好之前或之后，可限定偽航路點(diǎn)P。可用各種方式限定偽航路點(diǎn)，諸如通過緯度和經(jīng)度，或者通過沿著當(dāng)前軌跡的特定距離，諸如沿軌線航路點(diǎn)。針對(duì)任何數(shù)據(jù)點(diǎn)，可輸入天氣數(shù)據(jù)，諸如在高處的風(fēng)和溫度。這種天氣數(shù)據(jù)改進(jìn)FMS飛行預(yù)測(cè)?？蓮奶鞖鈹?shù)據(jù)庫(kù)中獲得天氣數(shù)據(jù)，天氣數(shù)據(jù)庫(kù)可包含實(shí)時(shí)天氣數(shù)據(jù)或預(yù)測(cè)天氣數(shù)據(jù)。這樣的天氣數(shù)據(jù)庫(kù)可包含關(guān)于某些與天氣有關(guān)的現(xiàn)象(除了別的之外，例如風(fēng)速、風(fēng)向、溫度)的數(shù)據(jù)，以及與可見度(例如多霧、多云等)、降水(雨、冰雹、雪、凍雨等)和其它氣象信息有關(guān)的數(shù)據(jù)。因?yàn)樵谟?jì)算軌跡時(shí)必須考慮空氣溫度和風(fēng)，以確保飛行器能準(zhǔn)確地遵從期望軌跡，所以天氣數(shù)據(jù)庫(kù)可包括局部空域的3D實(shí)時(shí)溫度和風(fēng)模型以及4D預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。天氣數(shù)據(jù)庫(kù)可存儲(chǔ)在特定緯度、經(jīng)度和高度處的這種實(shí)時(shí)或預(yù)測(cè)天氣數(shù)據(jù)。提供飛行器的軌跡附近的天氣分布圖的更好表示的準(zhǔn)確天氣數(shù)據(jù)將產(chǎn)生更準(zhǔn)確的FMS預(yù)測(cè)，從而使飛行器燃料使用和抵達(dá)時(shí)間的估計(jì)得到改進(jìn)。用來準(zhǔn)備天氣分布圖的更多天氣數(shù)據(jù)將典型地產(chǎn)生更準(zhǔn)確的天氣分布圖，天氣數(shù)據(jù)也將是更加新的。但是，從地面站將所有相關(guān)天氣數(shù)據(jù)從天氣數(shù)據(jù)庫(kù)提交給FMS的能力可受到FMS本身的限制，因?yàn)镕MS典型地限制飛行軌跡上的、可輸入天氣數(shù)據(jù)以及最終用于軌跡預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量。在許多FMS中，容許數(shù)據(jù)點(diǎn)的總數(shù)量小于10，而對(duì)于軌跡天氣數(shù)據(jù)庫(kù)可具有數(shù)百個(gè)相關(guān)數(shù)據(jù)點(diǎn)?？衫斫獾氖牵谘埠诫A段18期間，在高度上可能有一些變化，尤其是橫跨大陸的飛行，其中，飛行器可改變其仰角以利用盛行風(fēng)(諸如急流)或者最小化盛行風(fēng)的影響，以在燃料燃燒時(shí)爬升到更高的高度，或者避開湍流。航空公司如今典型地提出包括僅單個(gè)巡航高度的飛行計(jì)劃。但是，在大多數(shù)飛行中，在燃料燃燒以及風(fēng)和溫度狀況改變時(shí)改變巡航高度在成本上更有效。一些更先進(jìn)的FMS在飛行器上提供用以確定何時(shí)階躍(step)到新巡航高度更有益的功能性；但是，許多FMS不具有這個(gè)功能性，而且就是提供該功能性的那些FMS在執(zhí)行這些計(jì)算時(shí)也無法估計(jì)空域約束(諸如與其它飛行器的潛在沖突)，以及典型地計(jì)算僅僅一個(gè)階躍位置。此外，巡航高度變化典型地需要與航空公司的飛行調(diào)度員配合，調(diào)度員沒有這個(gè)現(xiàn)成的信息。大多數(shù)現(xiàn)代FMS允許僅由巡航航路點(diǎn)輸入巡航風(fēng)。另外，當(dāng)代FMS可僅允許FMC中有一個(gè)風(fēng)級(jí)，這會(huì)妨礙在機(jī)上基于風(fēng)和重量來計(jì)算對(duì)于風(fēng)最優(yōu)的巡航高度或者最佳階躍爬升點(diǎn)，以及導(dǎo)致恒定高度巡航30。一些長(zhǎng)距離飛行器在各個(gè)航路點(diǎn)在多達(dá)5個(gè)飛行水平處獲取風(fēng)，從而允許計(jì)算對(duì)于風(fēng)最優(yōu)的巡航高度和用以優(yōu)化到達(dá)更高的巡航水平的巡航階躍的單一位置。但是，如果風(fēng)在飛行的巡航部分中顯著地改變，將需要沿著飛行路徑限定多個(gè)航路點(diǎn)，以規(guī)定待用于FMS中的風(fēng)。此外，許多FMS能僅在當(dāng)前限定的巡航水平處使用風(fēng)，使得在飛行器上確定對(duì)于風(fēng)最優(yōu)的巡航水平是不可能的。另外，任何巡航高度優(yōu)化的益處依賴于預(yù)測(cè)的風(fēng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，預(yù)測(cè)的風(fēng)數(shù)據(jù)依賴于用來獲得它的天氣預(yù)報(bào)服務(wù)而顯著地改變。理論巡航分布圖將使用自動(dòng)油門上的恒定推力設(shè)置，這將引起大體連續(xù)的爬升分布圖(假設(shè)天氣狀況恒定)，隨著最大高度的接近，爬升速率減小。這個(gè)最大高度隨著飛行器總重減小而提高，直到達(dá)到絕對(duì)最大飛行水平為止。在這點(diǎn)處，穩(wěn)定的巡航軌跡將不在固定高度處，而隨環(huán)境風(fēng)和溫度狀況變化而改變，從而影響達(dá)到的實(shí)際推力。這可產(chǎn)生巡航爬升，巡航爬升被認(rèn)為是最有效的爬升方式。典型地，巡航爬升是基于以下步驟的：將發(fā)動(dòng)機(jī)的推力設(shè)定在其最有效位置處(該推力通常是最大連續(xù)推力水平(thrustlevel))，且然后讓飛行器在其燃燒燃料時(shí)自然地爬升。當(dāng)在固定推力中存在固定力時(shí)，將引起固定提升，而且隨著飛行器由于燃燒掉燃料而減輕重量時(shí)，固定提升將使飛行器增加高度(爬升)到更稀薄的空氣中，這會(huì)減少提升。因而，在巡航爬升時(shí)，飛行器自然地基于飛行器的推力設(shè)置和當(dāng)前重量來尋找均衡高度。示意性地示出了這種理論巡航爬升分布圖32。由于目前的飛行器飛行控制系統(tǒng)、空中交通的限制以及為了分離而由空中交通控制分配的飛行水平，理論巡航爬升分布圖32目前是無法實(shí)現(xiàn)的。應(yīng)當(dāng)注意的是，起飛和降落在很大程度上受當(dāng)?shù)乜罩薪煌刂乒苤?。理論巡航爬升分布圖最有效但在實(shí)際上不可行；已經(jīng)確定的是，可使用受約束的階躍式爬升方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)這個(gè)理論巡航爬升分布圖32的接近。本發(fā)明的實(shí)施例計(jì)算理論巡航爬升分布圖32的多個(gè)階躍位置和巡航高度，并且考慮空中交通控制程序和約束，而且可產(chǎn)生在有適用的約束的情況下接近巡航爬升的階躍爬升安排34。本發(fā)明的實(shí)施例包括沿著飛行路徑駕駛具有相關(guān)聯(lián)的性能包絡(luò)的飛行器的方法。將理解的是，除了別的之外，性能包絡(luò)可包括飛行器的恒定推力水平。這可包括飛行器的最大爬升推力和/或最大恒定推力。方法包括：基于飛行器的性能包絡(luò)來確定巡航爬升的高度分布圖，確定沿著飛行路徑的合法飛行水平，以及沿著飛行路徑以階躍方式在合法飛行水平之間駕駛飛行器，以接近服從在合法飛行水平之間的階躍的至少一個(gè)約束的巡航爬升分布圖。術(shù)語合法飛行水平指的是ATC容許的、針對(duì)給定軌跡的飛行水平。為了確保飛行器分隔，通常的做法是容許在某些預(yù)定飛行水平處的巡航飛行。例如，東西交通可具有一組合法飛行水平，而南北交通可具有不同的一組合法飛行水平，而且這兩組不重疊，這趨向于防止空中碰撞。其它因素也可限制合法飛行水平。確定沿著飛行路徑的巡航爬升的高度分布圖可包括計(jì)算理論巡航爬升分布圖32或其它類似的恒定巡航爬升分布圖。通過使用對(duì)于熟悉飛行器軌跡計(jì)算領(lǐng)域的那些人來說...