一种用于RNP机载性能监视与告警的装置的制作方法

本发明涉及一种机载性能监视与告警的装置，特别涉及所需导航性能运行下，提供飞机安全运行的装置，属于飞机导航技术领域。

背景技术：

所需导航性能(RNP，Required Navigation Performance)被定义为飞机在一个确定的航路、空域或区域内运行时所需的导航性能精度。RNP指可以使航空器在导航信号覆盖范围之内，或在机载导航设备的能力限制之内，或者两者的组合，沿任意期望的航径飞行；并且具备机载导航性能监视和告警能力。一旦出现导航精度不足的情况，系统会自动发出告警，提示飞行员采取措施，从而保证飞行安全。

RNP以精度数值表示，其数值根据航空器在至少95％的飞行时间内能够达到的预计导航性能精度来确定。例如，“RNP1.0”是指在95％概率下，在指定的飞行航迹上飞机保持的导航性能精度在1海里以内。任何一个飞行器在其95％的飞行时间内在侧向和纵向两维空间内允许的总系统误差(TSE，Total System Error,为实际位置相对于期望位置的偏差)必须小于规定的RNP精度值；在TSE超出规定的性能限制时提供告警，以保障RNP飞行安全。TSE主要包括航径定义误差(PDE，Path Definition Error，定义航径与期望航径之间的误差)、飞行技术误差(FTE,Fight Technical Error，定义航径与估计位置之间的误差)和导航系统误差(NSE,Navigation System Error，估计位置与真实位置之间的误差)三个部分，其中PDE相对于另外两项较小，可以忽略不计，NSE通常采用位置估计误差(PEE，Position Estimate Error)表示。因此，TSE近似等效于FTE与NSE的矢量求和。为保证飞机在RNP规范规定的阈值内安全飞行，研究用于RNP机载性能监视与告警的装置非常必要。美国专利U.S.No7046170B2“ANP/RNP Display”提出了在多功能显示器上通过横向刻度带显示实际导航性能(ANP)值和RNP值的一种装置，飞行员通过观察横向偏差(表示ANP大小)未超过满偏(表示RNP限制值)来保证ANP不超过RNP限制值，这种方式需要飞行员通过两者比较进行监视，无法提供更为直观的图形或音频形式的告警信号，同时不能将FTE和NSE同时显示在显示器上；美国专利U.S.No：6885313

B2“Graphical display for aircraft navigation”提出了一种在RNP运行环境下用于显示飞行操作的安全性和潜在危险的方法和装置，这种装置相对于前一种装置提供了FTE、NSE和RNP值的显示方式以及不满足RNP精度的告警方式，但是该专利仅考虑RNP精度方面的监视和告警，并没有考虑飞行是否满足RNP包容度、准确输入RNP值以及导航传感器实际工作性能的监视和告警问题。

技术实现要素：

为了改变RNP监视和告警参数少、不够准确直观，难以准确输入RNP值，缺乏动态监控各个导航传感器工作性能的技术现状，本发明的发明目的在于提供一种通用的RNP监视与告警的装置，能够帮助飞行员全面准确监控当前RNP运行情况，迅速直观的发现影响飞行安全的问题，协助飞行员完成RNP值准确输入，并实现对各个导航传感器的动态性能监控，从而减轻驾驶员负担，有效提高了RNP运行的安全性。

本发明的发明目的是通过如下技术方案实现的。

一种用于RNP机载性能监视与告警的装置，包括显示系统、音频告警系统和综合管理系统；

所述综合管理系统用于计算当前飞机位置、实际导航性能和当前RNP值并发送给显示系统；

所述显示系统先以当前时刻的期望航段为中间分隔线，在中间分隔线的两侧绘制代表当前RNP值的第一组平行线，再在第一组平行线外侧绘制代表当前RNP值两倍的第二组平行线，最后绘制代表实际导航性能的圆，其中所述圆以当前飞机位置为中心，所述圆的半径对应于PEE值。

优选地，所述综合管理系统还用于对实际导航性能和当前RNP值进行比较，若实际导航性能大于当前RNP且小于当前RNP两倍时提供RNP精度不满足的告警和提示信息给显示系统和音频告警系统；

所述显示系统用于在接收到RNP精度不满足的告警和提示信息时，对所述圆填充第一颜色。

所述音频告警系统用于在接收到RNP精度不满足的告警和提示信息时提供第一声音提示。

优选地，所述综合管理系统还用于对实际导航性能和当前RNP值的两倍进行比较，若实际导航性能大于当前RNP两倍时提供RNP包容度不满足的告警和提示信息给显示系统和音频告警系统；

所述显示系统用于在接收到RNP包容度不满足的告警和提示信息时，对所述圆填充第二颜色。

所述音频告警系统用于在接收到RNP包容度不满足的告警和提示信息时提供第二声音提示。

优选地，所述一种用于RNP机载性能监视与告警的装置还包含导航传感器和人机接口装置；

所述导航传感器用向综合管理系统提供采集到的导航信息；

所述人机接口装置提供飞行员制定飞行计划、输入RNP值的操作接口，并将飞行员制定的飞行计划和输入的RNP值发送给综合管理系统；

所述综合管理系统用于根据导航信息计算当前飞机位置，并根据计算当前飞机位置的误差模型确定PEE值，再根据当前飞机位置和当前飞行计划中的航段的起始航路点位置、终止航路点位置，确定飞机到当前航段的距离作为FTE值，进而根据PEE和FTE得到实际导航性能。

优选地，所述综合管理系统还用于当输入的RNP值大于飞行区域默认RNP值或大于飞行计划航段规定的RNP值时，提供人工输入RNP过大的告警和提示信息给显示系统和音频告警系统；

所述显示系统用于在接收到人工输入RNP过大的告警和提示信息时，对RNP值进行闪烁显示。

所述音频告警系统用于在接收到人工输入RNP过大的告警和提示信息时提供第三声音提示。

优选地，所述综合管理系统还用于当当前飞机位置与某一导航传感器位置之间距离大于RNP值时，提供导航传感器精度降低的告警和提示信息给显示系统和音频告警系统；

所述显示系统用于在接收到导航传感器精度降低的告警和提示信息时，对导航传感器进行闪烁显示；

所述音频告警系统用于在接收到导航传感器精度降低的告警和提示信息时提供第四声音提示。

优选地，所述一种用于RNP机载性能监视与告警的装置还包含导航数据库；

所述导航数据库用于存储飞行计划参数信息，包含机场、跑道、航路点、终端区程序、航段规定的RNP值；

所述综合管理系统从导航数据库中提取飞行计划参数信息发送给人机接口装置供飞行员制定飞行计划。

优选地，所述综合管理系统计算计算当前RNP值的方法为：(1.1)采集从人机接口装置输入的RNP值RNP₁；(1.2)从导航数据库中获取飞行计划航段规定的RNP值RNP₂；(1.3)根据飞机位置和飞行计划确定飞机当前所处的飞行区域，并获取飞行区域默认的RNP值作为RNP₃；(1.4)如果RNP₁有效，那么当前RNP值等于RNP₁；否则如果RNP₂存在，那么当前RNP值等于RNP₂；其他情况下当前RNP值等于RNP₃。

优选地，所述显示系统是多功能控制显示器，或者是电子飞行仪表系统。

优选地，所述综合管理系统是单独的处理器，或者是集成至飞行管理系统、区域导航系统中。

本发明具有如下优点：

1.通过图形方式动态显示当前飞机位置、PEE、FTE的大小及其与RNP精度和包容度的关系，飞行员可以在同一画面中直观地监视飞机的RNP运行情况，提高了RNP导航的效率；

2.通过颜色和声音的变化提供RNP精度和RNP包容度告警功能，提高飞行员的危险情形意识；

3.提供人工输入RNP值的防差错提示能力，协助飞行员完成RNP值的准确输入，减轻驾驶员负担；

4.提供各个导航传感器精度动态监视功能，辅助飞行员排除性能不佳或存在安全隐患的导航传感器，提高导航定位精度，确保RNP运行的安全性。

总之，使用本发明可以显著减轻驾驶员负担，有效的保证了飞机的飞行安全。

附图说明

图1为本发明一种用于RNP机载性能监视与告警的装置的结构示意图。

图2为本发明一种用于RNP机载性能监视与告警的装置的流程示意图

图3为本发明中计算当前RNP值的一个优选实施例示意图。

图4为本发明用于显示RNP监视与告警参数的显示画面的示例，其中飞机处于理想运行状态。

图5为本发明用于显示RNP监视与告警参数的显示画面的另一示例，其中飞机处于偏离理想运行状态但仍然符合RNP精度和包容度要求。

图6为本发明用于显示RNP监视与告警参数的显示画面的另一示例，其中飞机不符合RNP精度要求，但符合RNP包容度要求。

图7为本发明用于显示RNP监视与告警参数的显示画面的另一示例，其中飞机不符合RNP包容度要求。

图8为本发明用于显示导航监视页面的示意图。

图9为本发明用于显示人工输入RNP过大告警的示意图。

图10为本发明用于显示导航传感器精度降低告警的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示为一种用于RNP机载性能监视与告警的装置，该装置为通用机载航空电子设备，包括：导航数据库、导航传感器、人机接口装置、显示系统、音频告警系统和综合管理系统，区别在于各机载航空电子设备上宿主的软件功能不同。

导航数据库101：存储机场、跑道、航路点、终端区程序、航段规定的RNP值等信息；

导航传感器102：向综合管理系统106提供采集到的飞机位置和速度信息等导航信息。导航传感器为飞机上已有的惯性导航系统、卫星导航系统、大气数据系统、航姿系统以及无线电导航系统。

人机接口装置103：提供飞行员制定飞行计划、输入RNP值的操作接口，并将飞行员制定的飞行计划、输入的RNP值发送给综合管理系统106。人机接口装置是多功能控制显示器。

综合管理系统106：加载导航数据库101，并从导航数据库中获取机场、跑道、航路点、终端区程序等信息发送给人机接口装置103供飞行员选择；根据各个导航传感器102提供的导航信息进行综合计算，确定飞机当前位置，并根据计算当前位置的误差模型确定PEE值；根据飞行计划和导航信息，采用人工飞行或自动引导方式提供飞行的引导，根据当前飞机位置和当前飞行计划航段的起始航路点位置、终止航路点位置，确定飞机到当前航段的距离作为FTE值，进而根据PEE和FTE得到实际导航性能(ANP)；根据飞行员输入的RNP值、导航数据库中当前航段规定的RNP值以及飞行区域默认的RNP值计算当前RNP值；在飞行过程中将飞机位置、当前航段、当前RNP、PEE、FTE信息以及各个导航传感器精度等监视信息发送给显示系统向飞行员显示，增强飞行员RNP运行情景意识。当ANP大于RNP且小于两倍RNP时提供RNP精度不满足的告警和提示信息给显示系统和音频告警系统；当ANP大于两倍RNP时提供RNP包容度不满足的告警和提示信息给显示系统和音频告警系统；当人工输入RNP值大于飞行区域默认RNP值或大于飞行计划航段规定的RNP值时，提供人工输入RNP过大的告警和提示信息给显示系统和音频告警系统；当飞机位置与某一导航传感器位置之间距离大于RNP值时，给出该导航传感器精度降低的告警和提示信息给显示系统和音频告警系统。其中，飞行区域包括进近区、终端区、航路区以及海洋与偏远陆地区。飞行区域默认RNP值包括，进近区RNP 0.3海里、终端区RNP 1.0海里、航路区RNP 2.0海里以及海洋与偏远陆地区RNP 4.0海里。综合管理系统是单独的处理器，或者是集成至飞行管理系统、区域导航系统中。

显示系统104：根据综合管理系统提供的飞机位置、当前航段、当前RNP、PEE、FTE信息以及各个导航传感器精度以文本和图形方法显示。先以当前时刻的期望航段为中间分隔线，在中间分隔线的两侧绘制代表当前RNP值的第一组平行线，再在第一组平行线外侧绘制代表当前RNP值两倍的第二组平行线，最后绘制代表实际导航性能的圆，其中所述圆以当前飞机位置为中心，所述圆的半径对应于PEE值。当接收到RNP精度不满足的告警和提示信息时，对圆填充第一颜色，当接收到RNP包容度不满足的告警和提示信息，对圆填充第二颜色，当接收到人工输入RNP过大的告警和提示信息时，RNP值闪烁显示，当接收到导航传感器精度降低的告警和提示信息时，导航传感器闪烁显示。显示系统是多功能控制显示器，或者是电子飞行仪表系统。

音频告警系统105，提供RNP告警的声音提示，当接收到RNP精度不满足的告警和提示信息时，发出第一声音提示；当接收到RNP包容度不满足的告警和提示信息，发出第二声音提示；当接收到人工输入RNP过大的告警和提示信息时，发出第三声音提示，当接收到导航传感器精度降低的告警和提示信息时，发出第四声音提示。

如图2所示为一种用于RNP机载性能监视与告警的装置的工作流程示意图。

1)系统开始工作时，进入制定飞行计划程序107：综合管理系统加载导航数据库，并从导航数据库中获取机场、跑道、航路点、终端区程序等信息发送给人机接口装置103供飞行员选择，飞行员通过人机接口装置103根据飞行任务进行编辑并确定整个飞行计划和输入RNP值，人机接口装置103将飞行计划和输入RNP值发送给综合管理系统。

2)计算飞机当前位置108：综合管理系统根据各个导航传感器102提供的导航信息进行综合，计算飞机当前位置；

3)计算PEE 109：综合管理系统根据计算当前飞机位置的误差模型确定PEE值。

4)计算FTE 110：综合管理系统根据飞行计划和导航信息，采用人工飞行或自动引导方式提供飞行的引导，根据当前飞机位置和当前飞行计划航段的起始航路点位置、终止航路点位置，根据飞机到当前航段的距离计算FTE 110，

5)计算ANP 111：根据PEE和FTE计算实际导航性能ANP 111。

6)确定RNP值112：根据飞行员输入的RNP值、导航数据库中当前航段规定的RNP值以及飞行区域默认的RNP值计算当前RNP值112。如图3所示为确定RNP方法112的实施例。采集从人机接口装置输入的RNP值RNP₁116。从导航数据库中获取飞行计划当前航段规定的RNP值RNP₂117。根据飞机位置和飞行计划确定飞机当前所处的飞行区域，并获取飞行区域默认的RNP值作为RNP₃118。判断RNP₁是否有效119。如果RNP₁有效，当前RNP值等于RNP₁121。如果RNP₁无效，判断RNP₂是否存在120。如果RNP₂存在，那么当前RNP值等于RNP₂122。其他情况下，当前RNP值等于RNP₃123。

7)显示RNP监视信息113。综合管理系统在飞行过程中将当前飞机位置、当前航段、当前RNP、PEE、FTE信息以及各个导航传感器精度等RNP监视信息通过显示系统向飞行员显示，增强飞行员RNP运行情景意识。

8)满足告警114：综合管理系统在当ANP大于RNP且小于两倍RNP时提供RNP精度不满足的告警和提示信息给显示系统和音频告警系统；当ANP大于两倍RNP时提供RNP包容度不满足的告警和提示信息给显示系统和音频告警系统；当人工输入RNP值大于飞行区域默认RNP值或大于飞行计划航段规定的RNP值时，提供人工输入RNP过大的告警和提示信息给显示系统和音频告警系统；当飞机位置与某一导航传感器位置之间距离大于RNP值时，给出该导航传感器精度降低的告警和提示信息给显示系统和音频告警系统

9)告警和提示115：显示系统在接收到RNP精度不满足的告警和提示信息时，对圆填充第一颜色；在接收到RNP包容度不满足的告警和提示信息，对圆填充第二颜色；在接收到人工输入RNP过大的告警和提示信息时，RNP值闪烁显示；当接收到导航传感器精度降低的告警和提示信息时，导航传感器闪烁显示。

音频告警系统在接收到RNP精度不满足的告警和提示信息时，发出第一声音提示；当接收到RNP包容度不满足的告警和提示信息，发出第二声音提示；当接收到人工输入RNP过大的告警和提示信息时，发出第三声音提示，当接收到导航传感器精度降低的告警和提示信息时，发出第四声音提示。

图4为本发明用于显示RNP监视与告警参数的显示画面的示例，其中飞机处于理想运行状态。在图4中，优选地，飞机图标124显示在飞机位置处。直线125代表飞行计划期望的当前航段位置，航路点127代表当前航段的起始航路点，航路点126代表当前航段的终止航路点。圆128代表当前飞机位置估计误差PEE的范围，其中圆128以当前飞机位置为中心，半径对应于PEE值。当PEE值变化时，圆128的半径大小根据PEE实时值进行实时动态变化。第一组平行线129和130代表当前RNP精度的范围，第一组平行线129和130以当前时刻所述飞机的当前期望航段125为中间分隔线，第一组平行线129和130在当前期望航段左右两侧距离均对应于当前RNP值。第二组平行线131和132代表RNP包容度的范围，第二组平行线131和132以当前时刻所述飞机当前期望航段125为中间分隔线，第二组平行线131和132在所述当前期望航段左右两侧距离均对应于当前RNP值的两倍。该显示画面还可以动态显示RNP值133，PEE值138和FTE值139，在第一组平行线129和130附近分别显示RNP值的边界值134和135，134和135值的大小对应RNP值，134符号为“-”，135符号为“+”，在第二组平行线136和137附近分别显示RNP包容度的边界值136和137，136和137值的大小对应两倍的RNP值，136符号为“-”，137符号为“+”。

在图4中，飞机图标124在期望航段125上，代表在该时刻飞机位置与期望航段重合，此时FTE值139等于0.0海里，并且圆128在第一组平行线129和130范围内，代表该时刻飞机运行符合RNP精度要求。

图5为本发明用于显示RNP监视与告警参数的显示画面的另一实施例，其中飞机处于偏离理想运行状态但仍然符合RNP精度和包容度要求。与图4类似，圆128仍以飞机图标124为中心，半径对应于PEE值。当PEE值138变化时，圆128的半径大小根据PEE实时值进行实时动态变化。当FTE值139变化时，飞机图标124位置相对于期望航段125距离大小随FTE值进行实时动态变化。

在图5中，飞机图标124不在期望航段125上，代表在该时刻飞机位置相对期望航段存在偏移，此时从期望航段125到飞机图标124所处位置横向偏差对应FTE，FTE值139等于0.2海里，但圆128仍在第一组平行线129和130之间的范围内，代表该时刻飞机运行仍符合RNP精度和包容度的要求。

图6为本发明用于显示RNP监视与告警参数的显示画面的另一示例，其中飞机不符合RNP精度要求，但符合RNP包容度要求。与图4和图5类似，圆128仍以飞机图标124为中心，半径对应于PEE值。与图5类似，在图6中，飞机图标124也不在期望航段125上，代表在该时刻飞机位置相对期望航段存在偏移，此时从期望航段125到飞机图标124所处位置横向偏差对应FTE，FTE值139等于0.8海里，此时圆128的一部分超出了第一组平行线129和130之间的范围，代表该时刻飞机运行不符合RNP精度要求，但圆128仍在第二组平行线131和132之间的范围内，代表该时刻飞机运行仍符合RNP包容度的要求，飞机触碰障碍物的风险较小。

优选地，当飞机的运行不再符合RNP精度要求时，通过改变圆128区域填充颜色为第一颜色，并提供第一声音告警，向飞行员提示飞机运行不再满足RNP精度要求。在一个实施例中，当飞机运行不再满足RNP精度要求时，将圆128区域填充颜色改变为黄色，同时通过音频告警系统发出“不满足RNP精度”的语音提示。

图7为本发明用于显示RNP监视与告警参数的显示画面的另一示例，其中飞机不符合RNP包容度要求。在图7中，飞机图标124也不在期望航段125上，代表在该时刻飞机位置相对期望航段存在偏移，此时从期望航段125到飞机图标124所处位置横向偏差对应FTE，FTE值139等于1.7海里，此时圆128的一部分超出了第二组平行线131和132之间的范围，代表该时刻飞机运行不符合RNP包容度的要求，此时飞机触碰障碍物的风险较大。

优选地，当飞机的运行不再符合RNP包容度要求时，通过改变圆128区域填充颜色为第二颜色，并提供第二声音告警，向飞行员提示飞机运行不再满足RNP包容度要求。在一个实施例中，当飞机运行不再满足RNP包容度要求时，将圆128区域填充颜色改变为红色，同时通过音频告警系统发出“不满足RNP包容度”的语音提示。

图8为本发明用于显示导航监视页面的示意图。优选地，本发明提供显示飞机位置、各个导航传感器相对于飞机位置的距离和方位信息，提供RNP值人工输入的接口。在一个实施例中，显示飞机位置的经纬度信息140、卫星导航位置相对于飞机位置的距离和方位141、惯性导航位置相对于飞机位置的距离和方位142、无线电导航位置相对于飞机位置的距离和方位143。在一个实施例中，提供RNP人工输入的接口144，飞行员通过该接口可以实现对RNP值的编辑和修改。

图9为本发明用于显示人工输入RNP过大的告警示意图。优选地，当人工输入RNP值大于飞行区域默认RNP值或飞行计划航段规定的RNP值时，提供RNP值第一文本闪烁，并提供第三声音告警。在一个实施例中，当人工输入RNP值大于飞行区域默认RNP值或飞行计划航段规定的RNP值，提供RNP值文本闪烁，同时通过音频告警系统发出“人工输入RNP值过大”的语音提示，直到飞行员确认问题后告警结束。

图10为本发明用于显示导航传感器精度降低的告警示意图。优选地，当飞机位置与某一传感器位置之间距离大于RNP值时，提供传感器第二文本闪烁，并提供第四声音告警。在一个实施例中，当飞机位置与惯性导航位置之间距离大于RNP值时，提供惯性导航与飞机位置之间距离和方向的文本闪烁，同时通过音频告警系统发出“传感器精度降低”的语音提示，直到飞行员确认问题后告警结束。