用于地面預(yù)測(cè)航空器沿路徑的定位的特征的設(shè)備和方法
【專(zhuān)利摘要】預(yù)測(cè)設(shè)備(1)包括計(jì)算元件(7)，其包括與航空器機(jī)載模型一致的性能和完整性模型(8)，所述第二計(jì)算元件(7)確定涉及航空器沿飛行和/或地面路徑的定位的精度、完整性和可用性信息，所述完整性信息考慮了衛(wèi)星定位系統(tǒng)的完整性和航空器上至少一個(gè)硬件完整性。
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于地面預(yù)測(cè)航空器沿路徑的定位的特征的設(shè)備和方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于在地面上預(yù)測(cè)航空器、尤其是運(yùn)輸飛機(jī)沿路徑的定位的特征(諸如精度、完整性和可用性)的設(shè)備和方法。

【背景技術(shù)】
[0002]已知的是，對(duì)運(yùn)輸飛機(jī)(在地面上和飛行中)進(jìn)行定位的系統(tǒng)通常是基于與定位衛(wèi)星相關(guān)的GPS/GNSS信號(hào)。信號(hào)的同步通過(guò)每顆衛(wèi)星機(jī)載的原子鐘而得到。機(jī)載安裝在飛機(jī)上的接收器比較接收到的信號(hào)相對(duì)于接收器中本地生成的信號(hào)的偏移，并且因而測(cè)量自衛(wèi)星的距離。這些測(cè)量在所有可見(jiàn)衛(wèi)星上被重復(fù)(也就是說(shuō)在針對(duì)其而言信號(hào)在飛機(jī)上被接收的所有衛(wèi)星上)，并使得連續(xù)計(jì)算定位成為可能。
[0003]任何距離測(cè)量，不管所使用的系統(tǒng)(低地球軌道或?qū)Φ赝叫l(wèi)星星群或本地信標(biāo))如何，都將(安置在飛機(jī)上的)接收器置于以發(fā)射器為中心的球體上。通過(guò)使用至少三個(gè)發(fā)射器，這些球體具有單個(gè)相交點(diǎn)。然而，這個(gè)簡(jiǎn)單的原理是復(fù)雜的。這是因?yàn)?
[0004]-接收器的本地時(shí)鐘很少具有原子精度。因此，僅有時(shí)間差是精確的，這需要四個(gè)而不是三個(gè)信標(biāo)或衛(wèi)星以便定義點(diǎn)(如果高度已知，則三個(gè)信標(biāo)足夠)；
[0005]-接收器是可移動(dòng)的，并且因此測(cè)量是在不同點(diǎn)處執(zhí)行的；和
[0006]-用于信號(hào)傳輸?shù)臒o(wú)線(xiàn)電波具有取決于它們通過(guò)的電離層而輕微可變化的速度。
[0007]定位信號(hào)接收器結(jié)合這些各種誤差，通過(guò)使用來(lái)自各種衛(wèi)星或信標(biāo)的校正和測(cè)量，以及整合和濾波技術(shù)(諸如卡爾曼(Kalman)濾波器)，以便獲得最可能的點(diǎn)和其經(jīng)估計(jì)的精度和速度以及世界時(shí)(universal time)。
[0008]對(duì)于精度應(yīng)用或過(guò)程、例如諸如RNP (所需導(dǎo)航性能)類(lèi)型的過(guò)程，需要航空器導(dǎo)航的絕對(duì)安全(在直到0.1匪的受限狹長(zhǎng)帶(corridor)中的導(dǎo)航過(guò)程)，導(dǎo)航信號(hào)由所謂的“完整性”信號(hào)補(bǔ)充，這使得有可能消除來(lái)自暫時(shí)或在延長(zhǎng)時(shí)段內(nèi)有缺陷的發(fā)射器的任何測(cè)量。完整性是置信度的度量，用戶(hù)可以在來(lái)自系統(tǒng)的輸出(也就是說(shuō)由系統(tǒng)提供的信息)的質(zhì)量中具有它。
[0009]在飛機(jī)上，計(jì)算裝置通常用于基于GPS/GNSS數(shù)據(jù)和IRS (慣性參考系統(tǒng))類(lèi)型的慣性數(shù)據(jù)之間的混成(hybridisat1n)來(lái)計(jì)算定位。GPIRS (全球定位/慣性參考系統(tǒng))混成包括通過(guò)從GPS/GNSS數(shù)據(jù)得到的定位測(cè)量來(lái)阻尼或穩(wěn)定化慣性導(dǎo)航單元的發(fā)散誤差。
[0010]已知，在空中運(yùn)輸?shù)纳舷挛闹?，在起飛、進(jìn)場(chǎng)、著陸階段等中執(zhí)行空中操作之前，按照現(xiàn)行規(guī)則，在RNP類(lèi)型的特定操作中，航空公司被要求在被計(jì)劃用于著陸航空器的區(qū)中和時(shí)間處進(jìn)行混合定位可用性和相關(guān)聯(lián)完整性的地面預(yù)測(cè)。
[0011]以常規(guī)方式，慣性單元的GPIRS卡爾曼濾波器的算法被建模在地面預(yù)測(cè)軟件中。該地面預(yù)測(cè)軟件于是使得有可能在航空器出發(fā)前對(duì)由GPIRS卡爾曼濾波器在給定(多個(gè))點(diǎn)和給定(多個(gè))時(shí)刻處計(jì)算出的飛機(jī)定位的精度、可用性和完整性進(jìn)行預(yù)測(cè)。
[0012]然而，用于預(yù)測(cè)飛機(jī)定位的精度、完整性和可用性的常規(guī)工具(GPS/GNSS或GPIRS)具有不同的限制，特別是沒(méi)有地面預(yù)測(cè)工具涵蓋在定位的總體完整性的計(jì)算中對(duì)機(jī)載硬件完整性的監(jiān)控。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明涉及用于在地面上預(yù)測(cè)航空器沿路徑的定位的特征(精度、完整性和可用性)的設(shè)備，這使得補(bǔ)救該缺點(diǎn)成為可能。
[0014]為此，根據(jù)本發(fā)明，所述預(yù)測(cè)設(shè)備顯著之處在于它至少包括:
[0015]-路徑生成單元，以便提供包括以下元素中至少之一的航空器路徑:飛行路徑和地面路徑；
[0016]-中央單元，其至少包括:
[0017].第一計(jì)算元件，其包括航空器模型并且確定航空器在路徑上的動(dòng)態(tài)；和
[0018]?第二計(jì)算元件，其包括與航空器機(jī)載模型一致的性能和完整性模型，其借助于所述性能和完整性模型，通過(guò)考慮航空器的動(dòng)態(tài)，所述第二計(jì)算元件確定涉及航空器沿路徑的定位的精度、完整性和可用性信息，所述完整性信息考慮了航空器使用的衛(wèi)星定位系統(tǒng)的完整性和沿路徑的航空器上的至少一個(gè)硬件完整性；以及
[0019]-用于向用戶(hù)呈現(xiàn)所述精度、完整性和可用性信息的單元。
[0020]因此憑借本發(fā)明，得到一種設(shè)備用于在地面上預(yù)測(cè)航空器定位的特征(諸如精度、完整性和可用性)，其考慮機(jī)載硬件部分的完整性，這使得獲得具有完整覆蓋的預(yù)測(cè)設(shè)備成為可能。此外，由于預(yù)測(cè)設(shè)備的中央單元包含與航空器機(jī)載模型一致的性能和完整性模型，所以獲得的預(yù)測(cè)特別精確并與航空器在飛行過(guò)程中將經(jīng)歷的相一致。
[0021]有利地，所述路徑生成單元包括以下元件中至少之一，以便提供航空器路徑:
[0022]-包含路徑的數(shù)據(jù)庫(kù)；和
[0023]-用于確定路徑的計(jì)算單元。
[0024]此外，有利地，所述預(yù)測(cè)設(shè)備還可以包括以下元件中至少一些:
[0025]-至少一個(gè)地形數(shù)據(jù)庫(kù)；
[0026]-至少一個(gè)輔助數(shù)據(jù)庫(kù)，其包含衛(wèi)星定位系統(tǒng)的涉及衛(wèi)星的信息；
[0027]-外部接口；和
[0028]-用于與說(shuō)明所計(jì)算的完整性的全局保護(hù)半徑(globalprotect1n radius)的閾值進(jìn)行比較的裝置，和用于在所述閾值被所述全局保護(hù)半徑超過(guò)的情況下觸發(fā)警報(bào)的裝置。
[0029]此外，所述預(yù)測(cè)設(shè)備可以包括以下特征中至少一些，單獨(dú)地或組合地采取:
[0030]-中央單元的所述第二計(jì)算元件包括衛(wèi)星掩蔽模型(maskingmodel),并且確定和提供沿路徑的可見(jiàn)衛(wèi)星的指示，這借助于地形信息和衛(wèi)星定位系統(tǒng)的涉及衛(wèi)星的信息；和
[0031]-中央單元的所述第一計(jì)算元件包括環(huán)境模型。
[0032]本發(fā)明還涉及用于在地面上預(yù)測(cè)航空器沿路徑的定位的特征(精度、完整性和可用性)的方法。
[0033]根據(jù)本發(fā)明，所述預(yù)測(cè)方法至少包括在于以下各項(xiàng)的步驟:
[0034]a)接收包括以下元素中至少一個(gè)的航空器路徑:飛行路徑和地面路徑；
[0035]b)確定航空器在路徑上的動(dòng)態(tài)；
[0036]c)借助于與航空器機(jī)載模型一致的性能和完整性模型并通過(guò)考慮航空器的動(dòng)態(tài)，計(jì)算涉及航空器沿路徑的定位的精度、完整性和可用性信息，所述完整性信息考慮了航空器使用的衛(wèi)星定位系統(tǒng)的完整性和沿路徑的航空器上至少一個(gè)硬件完整性；以及
[0037]d)向用戶(hù)呈現(xiàn)所述精度、完整性和可用性信息。
[0038]在優(yōu)選的實(shí)施例中，航空器定位和說(shuō)明完整性的定位保護(hù)半徑的預(yù)測(cè)是借助于下面的表達(dá)式來(lái)計(jì)算的:
[0039]X (k+1) = F[Xm(k)，X(k)]
[0040]Xm (k) = G [E (U (k)), M (U (k))]
[0041]其中:
[0042]-k是迭代；
[0043]-X是航空器的定位；
[0044]-U表示當(dāng)前時(shí)刻在預(yù)測(cè)計(jì)算的輸入處使用的狀態(tài)矢量，涵蓋了航空器及其環(huán)境的動(dòng)態(tài)狀態(tài)；
[0045]-G表示使用在定位和保護(hù)半徑的預(yù)測(cè)的輸入處的掩蔽M和傳感器誤差E的建模函數(shù)；和
[0046]-F表示用于計(jì)算航空器定位預(yù)測(cè)和定位保護(hù)半徑的迭代處理。
[0047]此外，所述預(yù)測(cè)方法可以包括以下特征中至少一些，單獨(dú)地或組合地采取:
[0048]-與說(shuō)明計(jì)算的完整性的全局保護(hù)半徑閾值進(jìn)行比較的步驟，和在所述閾值被所述全局保護(hù)半徑超過(guò)的情況下觸發(fā)警報(bào)的步驟。
[0049]-說(shuō)明完整性的全局保護(hù)半徑被計(jì)算為至少以下半徑的最大值:
[0050].結(jié)合了空間中信號(hào)故障的保護(hù)半徑；
[0051].結(jié)合了定位計(jì)算器的硬件故障的保護(hù)半徑；和
[0052].結(jié)合了衛(wèi)星信號(hào)接收器的硬件故障的保護(hù)半徑；以及
[0053]-確定和提供沿路徑的可見(jiàn)衛(wèi)星的指示的步驟，這借助于地形信息和衛(wèi)星定位系統(tǒng)的涉及衛(wèi)星的信息，以及衛(wèi)星掩蔽模型；
[0054]-導(dǎo)航誤差的估計(jì)被添加到所估計(jì)的定位的導(dǎo)航誤差上。
[0055]此外，有利地，在生成對(duì)應(yīng)有效信息時(shí)的問(wèn)題的情況下，信息的以下默認(rèn)項(xiàng)中至少之一被提供:
[0056]-默認(rèn)的標(biāo)記角度；和
[0057]-默認(rèn)的路徑。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0058]附圖中的單個(gè)圖將使得能夠很好地理解如何能眵實(shí)施本發(fā)明。該單個(gè)圖示出了說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的預(yù)測(cè)設(shè)備的框圖。

【具體實(shí)施方式】
[0059]在單個(gè)圖上被示意性示出的和說(shuō)明了本發(fā)明的設(shè)備I是用于在地面上自動(dòng)預(yù)測(cè)(也就是說(shuō)，飛行前)航空器(特別是運(yùn)輸飛機(jī))沿路徑的定位的精度、完整性和可用性的設(shè)備。
[0060]根據(jù)本發(fā)明，該預(yù)測(cè)設(shè)備I包括:
[0061]-路徑生成單元2，以便提供包括飛行路徑和/或地面路徑的航空器路徑(旨在被航空器遵循)；
[0062]-中央單元3，其通過(guò)鏈路4被連接到所述單元2，并且其至少包括:
[0063]?計(jì)算元件5，其包括航空器的常規(guī)模型6并且借助于該模型6來(lái)確定航空器在路徑上的動(dòng)態(tài)；和
[0064]?計(jì)算元件7，其包括性能和完整性模型8，其類(lèi)似于航空器機(jī)載的常規(guī)模型(性能和完整性模型)并且與其一致。這樣的常規(guī)模型是眾所周知的。該計(jì)算元件7借助于航空器的動(dòng)態(tài)和所述模型8來(lái)確定精度、完整性和可用性信息。所述完整性信息考慮了航空器使用的衛(wèi)星定位系統(tǒng)的完整性和沿路徑的航空器上至少一個(gè)硬件完整性這二者。該計(jì)算元件7檢查與被設(shè)想用于航空器的過(guò)程(例如，RNP類(lèi)型的過(guò)程)所需要的性能的順應(yīng)性；以及
[0065]-用于向用戶(hù)呈現(xiàn)所述精度和完整性信息的單元9。
[0066]優(yōu)選地,所述單元9包括顯示單元10,其通過(guò)鏈路11被連接到中央單元3,并且其被配置為在顯示屏12上呈現(xiàn)該信息。單元9可以同樣地對(duì)應(yīng)于用于呈現(xiàn)所述信息的任何其它常規(guī)裝置。
[0067]此外，所述路徑生成單元2包括以下元件中至少一個(gè)以便提供航空器的路徑，如以下詳述的:
[0068]-包含路徑的數(shù)據(jù)庫(kù)13;和
[0069]-用于確定路徑的計(jì)算單元14。
[0070]此外，所述預(yù)測(cè)設(shè)備I還包括:
[0071 ]-至少一個(gè)地形數(shù)據(jù)庫(kù)15 (例如NDB (導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù))類(lèi)型或AMDB (飛機(jī)場(chǎng)映射數(shù)據(jù)庫(kù))類(lèi)型，如以下詳述的)，其通過(guò)鏈路16被連接到中央單元3 ；
[0072]-至少一個(gè)輔助數(shù)據(jù)庫(kù)17，其通過(guò)鏈路18被連接到中央單元3并且其包含衛(wèi)星定位系統(tǒng)的涉及衛(wèi)星的信息；和
[0073]-外部接口19，其也通過(guò)鏈路20被連接到中央單元3并且其旨在用于用戶(hù)。
[0074]在特定的實(shí)施例中，所述預(yù)測(cè)設(shè)備I還包括:
[0075]-比較裝置21，其例如被并入在中央單元3中，并且其將全局保護(hù)半徑(說(shuō)明完整性)與閾值進(jìn)行比較；和
[0076]-用于觸發(fā)警報(bào)的裝置22，其通過(guò)鏈路23被連接到中央單元3(并連接到所述比較裝置21)，并且其被配置以便在所述閾值被所述全局保護(hù)半徑超過(guò)的情況下觸發(fā)視覺(jué)和/或聽(tīng)覺(jué)類(lèi)型的常規(guī)警報(bào)。
[0077]此外，在特定的實(shí)施例中:
[0078]-中央單元3的所述計(jì)算元件7還包括衛(wèi)星掩蔽模型24，并且它被配置成確定并提供沿路徑的可見(jiàn)衛(wèi)星的指示，這借助于地形信息(從地形數(shù)據(jù)庫(kù)15接收)和來(lái)自衛(wèi)星定位系統(tǒng)的涉及衛(wèi)星的信息(從輔助數(shù)據(jù)庫(kù)17接收)；和
[0079]-中央單元3的所述計(jì)算元件5包括環(huán)境模型25(風(fēng)速梯度、溫度和/或壓力、質(zhì)量和/或定心等)。
[0080]因此，設(shè)備I是用于在地面上對(duì)包括機(jī)載硬件部分完整性的航空器定位的精度和完整性進(jìn)行預(yù)測(cè)的工具，該預(yù)測(cè)考慮了由用戶(hù)所提供的路徑相關(guān)的信息(如果需要?jiǎng)t包括在地面上的階段)和相關(guān)聯(lián)的地形掩蔽。
[0081]路徑由連續(xù)地端對(duì)端放置的一組曲線(xiàn)和直線(xiàn)段表征，以便形成連續(xù)線(xiàn)，在其上航空器建立其導(dǎo)航。根據(jù)曲線(xiàn)(較大或較小的曲率半徑、曲線(xiàn)段的數(shù)目、航向改變的數(shù)目、轉(zhuǎn)動(dòng)的強(qiáng)度)，定位計(jì)算器的誤差估計(jì)發(fā)生變化并且應(yīng)當(dāng)被考慮在內(nèi)以便計(jì)算不僅包括衛(wèi)星星群的狀態(tài)還包括機(jī)載硬件部分的保護(hù)半徑。
[0082]沿路徑始終，包括滑行、起飛、著陸、巡航階段、進(jìn)場(chǎng)、復(fù)飛等，并且尤其是在RNP階段期間，包括機(jī)載硬件部分的預(yù)測(cè)設(shè)備I因此使得對(duì)于用戶(hù)預(yù)期它是否能夠執(zhí)行所設(shè)想的操作成為可能，這通過(guò)考慮:
[0083]-航空器外部的參數(shù):
[0084].HILsis (水平完整性限制:空間中信號(hào))類(lèi)型的、結(jié)合了空間中GPS/GNSS信號(hào)故障的保護(hù)半徑(或完整性半徑)的計(jì)算；
[0085].考慮根據(jù)航空器定位的地形和實(shí)時(shí)計(jì)算地形掩蔽；
[0086].考慮實(shí)際路徑；
[0087].考慮航空器的姿態(tài)(特別是轉(zhuǎn)動(dòng));
[0088].考慮在該實(shí)際路徑上GPS系統(tǒng)的衛(wèi)星星群的狀態(tài)；
[0089].考慮航空器的聞度；
[0090].考慮在地面階段和飛行中之間的區(qū)別；和
[0091]-機(jī)載參數(shù):HILh/w(水平完整性限制:機(jī)載硬件)類(lèi)型的、保護(hù)半徑(或硬件完整性半徑)計(jì)算和航空器定位計(jì)算器的誤差估計(jì)。
[0092]由用戶(hù)經(jīng)由外部接口 19將對(duì)預(yù)測(cè)有用的參數(shù)輸入到預(yù)測(cè)設(shè)備I中，所述外部接口19即專(zhuān)用人/機(jī)接口或web接口(客戶(hù)端/服務(wù)器架構(gòu))。
[0093]此外，導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)13 (例如NDB (導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù))的)包含了對(duì)于產(chǎn)生飛行計(jì)劃必要的所有信息，并且特別是:
[0094]-空中路線(xiàn)；
[0095]-航路點(diǎn)；
[0096]-機(jī)場(chǎng)；
[0097]-跑道；和
[0098]-無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航數(shù)據(jù)。
[0099]該信息是經(jīng)由ARINC 424標(biāo)準(zhǔn)定義的。該數(shù)據(jù)庫(kù)13規(guī)律地更新(在民航中一般是28天)，通常在飛行前在地面上進(jìn)行。因此飛行計(jì)劃包括一系列的點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)由諸如ARINC424之類(lèi)的標(biāo)準(zhǔn)定義。
[0100]因此已構(gòu)造的地面和飛行路徑的數(shù)據(jù)庫(kù)13是可用的。
[0101]單元2還可以具有路徑計(jì)算器14，以便基于由用戶(hù)(飛行員或公司)輸入的飛行計(jì)劃來(lái)計(jì)算路徑。該路徑計(jì)算器14可以是專(zhuān)用計(jì)算器或稱(chēng)為FMS的常規(guī)飛行管理系統(tǒng)，適合于計(jì)算將在航空器上被遵循的路徑。
[0102]基于被包含在例如AMDB(飛機(jī)場(chǎng)映射數(shù)據(jù)庫(kù))類(lèi)型的機(jī)場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息，(多個(gè))表面路徑的計(jì)算同樣是可能的。
[0103]這些路徑，其中每一個(gè)點(diǎn)是已知的(例如每秒一點(diǎn))，向預(yù)測(cè)設(shè)備I提供關(guān)于以下各項(xiàng)的信息:
[0104]-航空器飛越(fly-by)點(diǎn):日期/時(shí)間、緯度、經(jīng)度、高度、姿態(tài)、速度、速率、航向、加速度等；
[0105]-對(duì)于曲線(xiàn)段的路徑曲率半徑；
[0106]-直線(xiàn)段的長(zhǎng)度；和
[0107]-在航空器定位的精度和完整性估計(jì)中和因此在滑行、起飛、著陸、巡航、進(jìn)場(chǎng)、復(fù)飛等期間引入的偏差和誤差估計(jì)中所牽涉的慣性傳感器的激勵(lì)(stimulat1n)。
[0108]在優(yōu)選的實(shí)施例中，航空器定位和說(shuō)明了完整性的定位保護(hù)半徑的預(yù)測(cè)是在預(yù)測(cè)設(shè)備I中借助于下面的表達(dá)式來(lái)計(jì)算的:
[0109]X (k+1) = F [Xm (k), X (k)]
[0110]Xm (k) = G [E (U (k)), M (U (k))]
[0111]其中:
[0112]_k是迭代；
[0113]-X是航空器的定位；
[0114]-U表示當(dāng)前時(shí)刻在預(yù)測(cè)計(jì)算的輸入處使用的狀態(tài)矢量，涵蓋了航空器及其環(huán)境的動(dòng)態(tài)狀態(tài)；
[0115]-G表示使用在定位和保護(hù)半徑HW (對(duì)于硬件完整性)和SIS (對(duì)于空間中信號(hào)完整性)的預(yù)測(cè)的輸入處的掩蔽M和傳感器誤差E的建模函數(shù)(GPS、慣性等)；和
[0116]-F表示用于航空器定位預(yù)測(cè)和定位保護(hù)半徑HW和SIS的計(jì)算的迭代處理。
[0117]為了表示航空器的實(shí)際行為和航空器機(jī)載導(dǎo)航功能的可用性，用于處理衛(wèi)星故障和由此預(yù)測(cè)設(shè)備I的空間中信號(hào)(SIS)部分的算法是存在于計(jì)算航空器定位的機(jī)載裝備中的用于計(jì)算完整性的常規(guī)算法的映像(image)。因此，預(yù)測(cè)設(shè)備I為即將到來(lái)的一個(gè)或多個(gè)操作的功能可用性產(chǎn)生早期分析。預(yù)測(cè)設(shè)備I能夠以10_7的保護(hù)水平來(lái)計(jì)算針對(duì)空間中信號(hào)故障(衛(wèi)星故障)的保護(hù)。10_7的保護(hù)水平意味著估計(jì)的點(diǎn)(GPIRS)在完整性的保護(hù)半徑之外的概率小于10_7。相關(guān)聯(lián)的保護(hù)被稱(chēng)為水平完整性限制(HIL)，并將在衛(wèi)星被檢測(cè)和排除功能排除之前的衛(wèi)星故障效應(yīng)考慮在內(nèi)。關(guān)于衛(wèi)星故障的該保護(hù)被包括在全局完整性保護(hù)半徑的計(jì)算中，如以下詳述的。
[0118]因此，憑借對(duì)路徑和其主要特征的了解，預(yù)測(cè)設(shè)備I使得有可能改善對(duì)在估計(jì)定位精度和完整性計(jì)算中所牽涉的慣性傳感器的行為的了解。該算法同樣使得有可能處理硬件完整性(定位計(jì)算器、GPS/GNSS接收器等)。該算法、機(jī)載算法的確切映像，結(jié)合了對(duì)沿路徑的機(jī)載硬件完整性HILh/w的計(jì)算進(jìn)行預(yù)測(cè)的能力。
[0119]預(yù)測(cè)設(shè)備I可以考慮多個(gè)完整性值，其取決于在估計(jì)該硬件完整性中牽涉的計(jì)算器的數(shù)目(對(duì)于定位計(jì)算器的HILh/w，對(duì)于GPS/GNSS接收器的HILh/w)。
[0120]因此，預(yù)測(cè)設(shè)備I的用戶(hù)能夠知道航空器是否將保持在要觀(guān)測(cè)的警報(bào)限制(NSE(導(dǎo)航系統(tǒng)誤差)類(lèi)型的)內(nèi)，以便執(zhí)行操作。該警報(bào)限制對(duì)應(yīng)于由比較裝置21所使用的最大準(zhǔn)許閾值，其考慮了空間中信號(hào)部分和機(jī)載硬件部分。
[0121]將指出的是，在排除硬件冗余之前(諸如在排除GPS/GNSS衛(wèi)星故障之前)，完整性保護(hù)半徑增大以便考慮故障的效應(yīng)。一旦排除被實(shí)施，故障的效應(yīng)就總是被結(jié)合并且半徑總是大于如果未曾有故障時(shí)的半徑。
[0122]說(shuō)明完整性的全局保護(hù)半徑(全局HIL)被計(jì)算為至少以下半徑的最大值:
[0123].結(jié)合了空間中信號(hào)故障的保護(hù)半徑HILsis ；
[0124].結(jié)合了定位計(jì)算器的硬件故障的保護(hù)半徑HILh/w1 ;和
[0125].結(jié)合了衛(wèi)星信號(hào)接收器的硬件故障的保護(hù)半徑HILh/W2。
[0126]如果比較裝置21檢測(cè)到全局HIL > NSE,則警報(bào)由單元22發(fā)射并且用戶(hù)被告知該過(guò)程不能被實(shí)施。
[0127]此外，由于地形和障礙(典型地在D0-272和D0-276標(biāo)準(zhǔn)的含義內(nèi))的掩蔽的計(jì)算可以基于TODB (地形和障礙數(shù)據(jù)庫(kù))類(lèi)型的地形和障礙數(shù)據(jù)庫(kù)中的可用信息來(lái)實(shí)施。
[0128]由計(jì)算元件7實(shí)施的該掩蔽計(jì)算可以沿路徑始終在每個(gè)定義的點(diǎn)處被執(zhí)行。掩蔽同樣取決于航空器在路徑上的高度和姿態(tài)，尤其是轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，有必要通過(guò)航空器模型來(lái)表征航空器在路徑上的行為。
[0129]結(jié)果可以被示出在常規(guī)路徑顯示器上，在其上顯示:
[0130]-路徑的部分(例如以紅色示出)，對(duì)于其而言警報(bào)限制被完整性半徑(SIS+H/W)超過(guò)；和
[0131]-路徑的部分(例如以綠色示出)，對(duì)于其而言功能的可用性良好。
[0132]此外，在特定實(shí)施例中，所述預(yù)測(cè)設(shè)備I在路徑的每個(gè)點(diǎn)上考慮默認(rèn)掩蔽角度，例如5°。如果地形數(shù)據(jù)庫(kù)15在給定路徑上不可用，則默認(rèn)的掩蔽角度可以被應(yīng)用在所討論的路徑的每個(gè)點(diǎn)處。可用性于是稍微降低，因?yàn)槟J(rèn)的掩蔽是潛在地排除了衛(wèi)星的保守值，而同時(shí)所述衛(wèi)星在利用地形數(shù)據(jù)庫(kù)15的預(yù)測(cè)中被考慮。
[0133]在特定實(shí)施例中，所述預(yù)測(cè)設(shè)備I還考慮基于DO 229標(biāo)準(zhǔn)的默認(rèn)路徑。如果路徑?jīng)]有被定義，或者如果不可能加載路徑，則可能的是定義默認(rèn)路徑，向其應(yīng)用默認(rèn)的掩蔽角度。該回退(fall-back)方法具有以下優(yōu)點(diǎn):引入具有第一轉(zhuǎn)然后半轉(zhuǎn)的過(guò)程中的航空器的移動(dòng)，因此引入導(dǎo)航單元中的保守偏差，并且使得用于管理硬件故障的算法能夠在用于耦合到GPS/GNSS數(shù)據(jù)的輸入處具有慣性增量。
[0134]此外，在另一特定實(shí)施例中，所述預(yù)測(cè)設(shè)備I還將導(dǎo)航誤差考慮在內(nèi)。為了更精確地確定用于RNP進(jìn)場(chǎng)過(guò)程的精度狹長(zhǎng)帶中的條件，可能的是局部地估計(jì)風(fēng)速梯度或溫度/壓力的變化或沿進(jìn)場(chǎng)路徑的航空器的質(zhì)量和定心的變化。因此導(dǎo)航誤差的估計(jì)是可用的，其被添加(作為平方和)到所估計(jì)的定位的導(dǎo)航誤差上。于是可能的是重新估計(jì)條件以用于實(shí)現(xiàn)根據(jù)環(huán)境參數(shù)(風(fēng)、溫度、壓力等)或其它參數(shù)(諸如質(zhì)量或定心)的精度和完整性目標(biāo)。
[0135]預(yù)測(cè)設(shè)備I具有以下特征和優(yōu)點(diǎn):
[0136]-它使得用戶(hù)能夠取消選定曾是通信主體(subject)的一個(gè)或多個(gè)故障衛(wèi)星。預(yù)測(cè)于是在沒(méi)有這個(gè)或這些衛(wèi)星的情況下被計(jì)算；
[0137]-它能夠以10_7的保護(hù)水平來(lái)計(jì)算針對(duì)空間中信號(hào)故障(衛(wèi)星故障)的保護(hù)。相關(guān)聯(lián)的保護(hù)考慮在衛(wèi)星被檢測(cè)和排除功能排除之前衛(wèi)星故障的效應(yīng)。預(yù)測(cè)設(shè)備I采用用于監(jiān)控GPS/GNSS完整性的算法，其等同于機(jī)場(chǎng)系統(tǒng)使用的算法。預(yù)測(cè)設(shè)備I同樣包含一種算法，其涵蓋機(jī)載硬件對(duì)定位計(jì)算的效應(yīng)。它能夠以適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)水平來(lái)計(jì)算機(jī)載硬件完整性保護(hù)；
[0138]-因此，它使得有可能計(jì)算包括硬件故障和衛(wèi)星故障的完整性保護(hù)半徑，然后將其與由用戶(hù)固定的限制進(jìn)行比較，例如是路徑上要飛行的RNP狹長(zhǎng)帶的函數(shù)的限制；
[0139]-憑借數(shù)據(jù)庫(kù)或包含世界上公開(kāi)的路徑的所有特征的特定裝置(單元2)，它可以涵蓋整個(gè)路徑上的而不是僅僅單個(gè)點(diǎn)處或幾個(gè)點(diǎn)處的預(yù)測(cè)。路徑至少由大量的點(diǎn)來(lái)定義(其可以高達(dá)一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)/秒)，對(duì)于所述點(diǎn)而言，要維持的緯度、經(jīng)度、高度和潛在地速度是已知的。飛行路徑同樣是由曲線(xiàn)段(它的曲率半徑和長(zhǎng)度是已知的)和直線(xiàn)段來(lái)定義的；
[0140]-它尤其使得有可能在所計(jì)算的定位的完整性和精度的計(jì)算中區(qū)分地面階段和飛行階段；和
[0141]-憑借陸地和障礙數(shù)據(jù)庫(kù)15，它使得有可能在路徑上的任何點(diǎn)處計(jì)算取決于周?chē)匦魏驼系K的掩蔽。掩蔽角度在路徑的每個(gè)點(diǎn)處被更新，以便優(yōu)化GPS/GNSS信號(hào)的預(yù)測(cè)。由于掩蔽角度同樣取決于航空器的高度和姿態(tài)，所以預(yù)測(cè)設(shè)備I考慮航空器在路徑上的高度和姿態(tài)(特別是轉(zhuǎn)動(dòng))。
【權(quán)利要求】
1.用于在地面上預(yù)測(cè)航空器沿路徑的定位的特征的設(shè)備，其特征在于，其至少包括: -飛行路徑生成單元(2)，以便提供包括以下元素中至少之一的航空器路徑:飛行路徑和地面路徑； -中央單元(3)，其至少包括: ?第一計(jì)算元件(5)，其包括航空器的模型￠)并且確定航空器在路徑上的動(dòng)態(tài)；和 ?第二計(jì)算元件(7)，其包括與航空器機(jī)載模型一致的性能和完整性模型(8)，其借助于所述性能和完整性模型，通過(guò)考慮航空器的動(dòng)態(tài)，來(lái)確定涉及航空器沿路徑的定位的精度、完整性和可用性信息，所述完整性信息考慮了航空器使用的衛(wèi)星定位系統(tǒng)的完整性和沿路徑的航空器上至少一個(gè)硬件完整性；以及 -用于向用戶(hù)呈現(xiàn)所述精度、完整性和可用性信息的單元(9)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述路徑生成單元(2)包括以下元件中至少之一，以便提供航空器的路徑: -包含路徑的數(shù)據(jù)庫(kù)(13);和 -用于確定路徑的計(jì)算單元(14)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其特征在于，其還包括至少一個(gè)地形數(shù)據(jù)庫(kù)(15)。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，其還包括至少一個(gè)輔助數(shù)據(jù)庫(kù)(17)，所述輔助數(shù)據(jù)庫(kù)包含衛(wèi)星定位系統(tǒng)的涉及衛(wèi)星的信息。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述第二計(jì)算元件(7)包括衛(wèi)星掩蔽模型(24)，并且確定和提供沿路徑的可見(jiàn)衛(wèi)星的指示，這借助于地形信息和衛(wèi)星定位系統(tǒng)的涉及衛(wèi)星的信息。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，其還包括外部接口(19)。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，其還包括裝置(21)，用于與說(shuō)明所計(jì)算的完整性的全局保護(hù)半徑閾值進(jìn)行比較，和裝置(22)，用于在所述閾值被所述全局保護(hù)半徑超過(guò)的情況下觸發(fā)警報(bào)。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述第一計(jì)算元件(5)還包括環(huán)境模型(25)。
9.用于在地面上預(yù)測(cè)航空器沿路徑的定位的特征的方法，其特征在于，其至少包括在于以下各項(xiàng)的步驟: a)接收包括以下元素中至少之一的航空器路徑:飛行路徑和地面路徑； b)確定航空器在所接收的路徑上的動(dòng)態(tài)； c)借助于與航空器機(jī)載模型一致的性能和完整性模型(8)并通過(guò)考慮航空器的動(dòng)態(tài)，計(jì)算涉及航空器沿路徑的定位的精度、完整性和可用性信息，所述完整性信息考慮了航空器使用的衛(wèi)星定位系統(tǒng)的完整性和沿路徑的航空器上至少一個(gè)硬件完整性；以及 d)向用戶(hù)呈現(xiàn)所述精度、完整性和可用性信息。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，航空器定位和說(shuō)明了完整性的定位保護(hù)半徑的預(yù)測(cè)是借助于下面的表達(dá)式來(lái)計(jì)算的:
X (k+1) = F[Xm(k)，X(k)]
Xm (k) = G[E(U(k))，M(U(k))] 其中: _k是迭代； _X是航空器的定位； -U表示當(dāng)前時(shí)刻在預(yù)測(cè)計(jì)算的輸入處使用的狀態(tài)矢量，其涵蓋了航空器及其環(huán)境的動(dòng)態(tài)狀態(tài)； -G表示使用在定位和保護(hù)半徑的預(yù)測(cè)的輸入處的掩蔽M和傳感器誤差E的建模函數(shù)；和 -F表示用于航空器定位預(yù)測(cè)和定位保護(hù)半徑的計(jì)算的迭代處理。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，其還包括與說(shuō)明所計(jì)算的完整性的全局保護(hù)半徑閾值進(jìn)行比較的步驟，和在所述閾值被所述全局保護(hù)半徑超過(guò)的情況下觸發(fā)警報(bào)的步驟。
12.根據(jù)權(quán)利要求9至11中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，說(shuō)明完整性的全局保護(hù)半徑被計(jì)算為至少以下半徑的最大值: -結(jié)合了空間中信號(hào)故障的保護(hù)半徑； -結(jié)合了定位計(jì)算器的硬件故障的保護(hù)半徑；和 結(jié)合了衛(wèi)星信號(hào)接收器的硬件故障的保護(hù)半徑。
13.根據(jù)權(quán)利要求9至12中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，其包括確定和提供沿路徑的可見(jiàn)衛(wèi)星的指示的步驟，這借助于地形信息和衛(wèi)星定位系統(tǒng)的涉及衛(wèi)星的信息，以及衛(wèi)星掩蔽模型(25)。
14.根據(jù)權(quán)利要求9至13中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，導(dǎo)航誤差的估計(jì)被添加到所估計(jì)的定位的導(dǎo)航誤差上。
15.根據(jù)權(quán)利要求9至14中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在生成對(duì)應(yīng)有效信息時(shí)的問(wèn)題的情況下，信息的以下默認(rèn)項(xiàng)中至少一個(gè)被提供: -默認(rèn)的標(biāo)記角度；和 -默認(rèn)的路徑。
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK104331593SQ201410427608
【公開(kāi)日】2015年2月4日 申請(qǐng)日期:2014年7月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月22日
【發(fā)明者】P·格梅雷克, J-D·佩里, A·吉耶 申請(qǐng)人:空中客車(chē)運(yùn)營(yíng)簡(jiǎn)化股份公司