用于隔离飞行器中姿态故障的系统和方法
【专利说明】用于隔离飞行器中姿态故障的系统和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请是非临时专利申请，其要求2014年10月20日提交的题为“SYSTEMANDMETHOD FOR ISOLATING ATTITUDE FAILURES IN AIRCRAFT(用于隔离飞行器中姿态故障的系统和方法)”、代理人案号H0047475的美国临时专利申请号62/065,868的优先权和权益，通过引用其全部而并入本文。
【背景技术】
[0003]在飞行器中，特别是商用飞行器中，存在可操作以用于飞行器起程(depart)所要求的装置的最小配置。对于姿态仪器(其提供飞行器俯仰和滚转指示)，当前技术发展水平要求一些飞行器类型具有两个主姿态源和辅姿态源以便用于飞行器起程。来自两个主姿态源的姿态测量显示在主显示系统上，其包括用于驾驶员和副驾驶员的单独的屏幕。辅或备用姿态源被显示在备用显示系统上。起飞之前要求三个总系统可操作的原因是使得可以容易地标识误导信息。也就是说，如果在飞行器处于飞行中的同时姿态源之一开始呈现误导信息，则其他两个姿态源仍应一致，以使得快速标识误导源。如果在起程之前三个姿态源中的任何一个故障，则飞行器不能起程，并且飞行器运营者(诸如例如，航空公司)将引起延迟或取消飞行的重大成本，直到能够将飞行器提到最小配置为止。为了避免引起这些费用，航空公司可以维护备用姿态仪器设备的有效且分布式池，使得可以快速安装替换设备并且飞行器返回到操作配置。维护这些池的成本虽然小于取消或延迟的成本，但仍是非常重大的。
[0004]由于上述原因及由于在阅读并理解说明书后将对本领域技术人员变得显而易见的下述其他原因，在本领域中存在对于用于以最小装置列表配置隔离飞行器中的姿态故障的替换的系统和方法的需要。
【发明内容】
[0005]本发明的实施例提供了用于隔离飞行器中的姿态故障的方法和系统，并且将通过阅读并研究以下说明书而被理解。
[0006]提供了用于隔离姿态故障的系统和方法。在一个实施例中，用于飞行器的姿态完整性和显示系统包括:显示系统，其包括用于显示第一姿态方案的主飞行器显示系统和用于显示第二姿态方案的备用飞行器显示系统;姿态完整性系统，其生成根据由姿态方案数据源提供的一个或多个测量计算的姿态完整性(Al)方案，所述Al方案包括飞行器滚转测量和飞行器俯仰测量，其中姿态方案数据源提供独立于由飞行器机载的惯性传感器飞行仪器生成的任何数据的数据，并且其中Al方案不被显示在主飞行器显示系统或备用飞行器显示系统上；以及耦合到姿态完整性系统的姿态监视器，其中所述姿态监视器将第一姿态方案与第二姿态方案相比较，其中当第一姿态方案偏离第二姿态方案大于阈值时，姿态监视器基于第一姿态方案或第二姿态方案中的哪个具有从姿态完整性方案更大的偏离而在显示系统上标识第一姿态方案或第二姿态方案中的哪个是故障方案。
【附图说明】
[0007]当鉴于优选实施例的描述和以下附图考虑时，本发明的实施例更容易被理解，并且其另外的优点和使用更容易地显而易见，在附图中:
[0008]图1是图示本公开的一个实施例的姿态显示系统的示图；
[0009]图2是图示本公开的一个实施例的姿态显示系统的示图；
[0010]图3是图示本公开的一个实施例的姿态显示系统的示图；
[0011]图4、5和6是图示用于本公开的一个实施例的来自备用显示器的示例性输出的示图；以及
[0012]图7是图示本公开的一个实施例的方法的流程图。
[0013]根据一般惯例，各种描述的特征未按尺度绘制，但是被绘制成强调与本发明相关的特征。附图标记贯穿附图和文本表示相同的元件。
【具体实施方式】
[0014]在以下的详细描述中，参考形成其部分的附图，并且其中通过其中可以实践本发明的特定说明性实施例的方式来示出。这些实施例被描述得足够详细以使得本领域技术人员能够实践该发明，并且应理解的是可以利用其它实施例，并且可以在不脱离本发明的范围的情况下进行逻辑、机械和电子的改变。因此以下的详细描述不被视为限制意义。
[0015]本公开的实施例提供了用于专门的、非导航级的、较低成本姿态源的系统和方法，其被设计用于隔离危险误导信息的主要目的而不是为了输出用于驾驶飞行器的姿态信息。利用本文公开的实施例，操作主姿态源的最小配置可以减少一个。适合于驾驶飞行器的操作配置然后将包括一个辅姿态源和一个主姿态源。通过减少建立操作配置所需的姿态源的数量，本文描述的实施例可以用于(I)减少飞行器机载的装置的冗余水平，从而减少飞行器循环成本，和/或(2)减少备用要求和成本。
[0016]例如，在一些实现方式中，本公开的实施例提供在飞行器架构水平的足够的能力以允许飞行器在飞行器的主ADIRU之一故障的情况下起飞以及在飞行中操作。在这样的实施例的情况下，如果在剩余的ADIRU或ADAHRU上在俯仰或滚转中发生了以其他方式未检测到的不正确的姿态错误，机组人员可以确定哪个是故障的通道。在一些实现方式中，辨别水平在真实俯仰的+/-5度之内和真实滚转的+/-10度之内。此外，本文描述的实施例提供多种装置以减轻以下风险:姿态完整性功能可能具有否则将导致姿态通道的不适当的标识和隔离的公共故障模式。
[0017]图1是图示本公开的一个实施例的姿态完整性和显示系统100的框图。在图1中呈现的实施例中，姿态显示系统100包括独立的第一和第二主惯性参考单元(在110和120处示出)和混合参考单元(在130处示出)。在图1所示的特定实现方式中，第一主惯性参考单元包括第一大气数据惯性参考单元(ADIRU)llO，第二主惯性参考单元包括第二大气数据惯性参考单元(ADIRU) 120，并且混合参考单元包括大气数据姿态混合参考单元(ADAHRU) 130。ADIRU 110和ADIRU 120均从诸如但不限于环形激光陀螺仪的导航级惯性导航传感器得到适合于飞行器导航的主姿态数据。此类导航级惯性传感器可以被称为惯性传感器飞行仪器，因为其测量具有足够准确性以显示给驾驶员，并且供驾驶员用于对飞行器进行导航。ADAHRU 130是提供从传感器数据的多样集导出的多个导航方案的导航设备。例如，在图1所示的实施例中，ADAHRU 130包括大气数据参考(ADR)132、混合全球定位和姿态及航向参考系统(GPAHRS) 134、和独立的姿态及航向参考系统(AHRS) 136。
[0018]在一个实施例中，GPAHRS 134耦合到ADR 132、磁力计143和至少一个全球导航卫星系统(GNSS)接收器144(例如其可以是全球定位系统(GPS)接收器)。在操作中，GPAHRS134利用来自ADR 132的高度(altitude)数据、来自GNSS接收器144、惯性传感器145的测距或定位信息、和来自磁力计143的磁场数据来产生姿态方案。当GPAHRS在GNSS辅助的情况下以主模式操作时，来自GPAHRS 134的该姿态方案被显示在驾驶员的主显示系统160上，并且适合于飞行器导航。换句话说，当GNSS数据可用时，GPAHRS 134产生与由ADIRU 110和120生成的姿态方案同等质量和性能的姿态方案。在主模式之外(例如，当GNSS数据的可用性丧失时)，GPAHRS 134在惯性飞行(coasting)。当惯性飞行时，GPAHRS 130的性能依赖于诸如飞行器动力学和磁力计数据之类的因素。应当指出的是，由GPAHRS 134产生的姿态方案是使用与由ADIRUl 10和120产生的惯性数据导出的方案不相似的输入和方法导出的。GPAHRS134方案产生针对姿态的GNSS辅助的方案，其被发送到主显示系统160以供显示给驾驶员作为辅方案，并且因此具有足够的准确性以供驾驶员用于对飞行器进行导航。
[0019]关于一个实施例中的AHRS136，其也耦合到ADR 132和磁力计143、以及惯性传感器145。惯性传感器145包括AHRS级惯性传感器，诸如但不限于例如微机电(MEMS)惯性传感器。AHRS 136被设计成基于体速率、加速度和高度、有意地独立于GNSS辅助源而导出用于飞行器的姿态方案。AHRS 136还可以计算依赖于磁力计的航向，并且具有与GPAHRS 134方案相同的航向子模式。AHRS 136姿态方案也可以包括垂直环路滤波器，其依赖于来自ADR 132的高度数据。当高度数据不可用时，垂直参数也不可用。AHRS 132方案产生完全无辅助的姿态方案，其被发