用于飞行器的自动自主着陆的方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明一般地涉及航空领域，并且更具体地涉及自动着陆系统领域。
【背景技术】
[0002] 着陆阶段是飞行器的飞行的关键阶段，因为大多数事件和事故发生在该阶段期 间。为了使飞行员的任务简易，已经提出了大量的自动着陆系统。特别地，已知以下仪器 着陆系统或ILS :其被装配至大容量客机并且其地面基础设施存在于国际机场。在一些欧 洲机场中，也能够利用MLS微波着陆系统。这些系统使用无线电或微波信号来在其进场 (approach)阶段中既相对于跑道的轴横向地又相对于进场平面（下滑道）垂直地引导飞行 器。然而，它们表现出以下缺点：尤其由于其高成本而不能够在所有机场利用，并且表现出 严重的使用制约。此外，地面基础设施表现出1〇 3/小时级的故障概率。因此，飞行器不一 定能够以自动模式执行着陆。最近出现了使用卫星定位的被称为GLS(基于地面的增强系 统着陆系统）或SLS(基于卫星的着陆系统）的自动着陆系统。由于当前卫星定位系统不可 以获得执行着陆所需要的精度，所以它们必须增设有地面参考站，如WAAS (广域增强系统） 或EGNOS (欧洲地球同步导航重叠服务）网络的地面参考站。这些系统仍然不是很普遍，并 且表现出相对低的利用率（99. 5%级），这再次不可以永久保证以自动模式着陆。
[0003] 由于这样的地面基础设施的空间和时间不可利用性，关注已经转向使用由机载相 机捕获的地面的视频图像的自主着陆系统。
[0004] 这些自主系统通常使用由机载相机捕获的视频图像以及与跑道有关的信息来估 计飞行器相对于跑道的姿态和位置。之后，基于由此确定的位置和姿态来计算飞行器引导 命令。然而，该估计是复杂的运算，这通常要求机场的地形的机载数字模型的可用性或至少 与着陆跑道有关的几何和地形信息。此外，当包含数字模型的数据库不可用时或者在紧急 着陆在任意现场的情况下，前面提到的自主系统不工作。
[0005] 由本申请人提交的申请FR-A-2835314提出了不需要知道着陆跑道的特征的着陆 辅助系统。然而，根据非常类似于道路交通背景下的驱动辅助的原理，该系统仅当飞行器距 地面几米时进行操作。特别是，它不可以在整个最后进场期间，也就是说在最后十千米左右 期间来引导飞行器。
[0006] 本发明的目的是提出用于飞行器的自动着陆的系统，该系统尤其是鲁棒的，能够 在全部或部分缺少关于着陆跑道的信息的情况下进行操作，并且能够在整个最后进场期间 以自主方式引导飞行器。
【发明内容】
[0007] 本发明涉及用于飞行器在着陆跑道上自动着陆的系统，其包括：
[0008] 机载图像捕获系统，其由所述飞行器携带，并且意在捕获地面的一系列连续图 像；
[0009] 图像分析装置，用于在图像中检测着陆跑道，并且用于在该图像中确定将所述跑 道上的计划碰撞点P与所述图像的灭点（vanishing point) Ω连接的线段[Ρ，Ω]的特征。
[0010]自动着陆系统的优点在于其包括：
[0011]测量装置，用于基于线段[Ρ，Ω]的特征来测量与跑道相关联的惯性坐标系中的 多个可观测量，所述多个可观测量包括：由飞行器相对于跑道的中轴的相对航向角（Φ)定 义的第一可观测量、由飞行器的位置相对于所述碰撞点的横向偏离与垂直偏离的比率定义 的第二可观测量
以及由飞行器的位置相对于所述碰撞点的纵向偏离与垂直偏离 的比率定义的第三可观测量
[0012] 估计装置，用于基于第一可观测量、第二可观测量和第三可观测量的测量来估计 在惯性坐标系中表达的、飞行器的位置相对于所述碰撞点的纵向位置偏离（AX)、横向位置 偏离（A Υ)和垂直位置偏离（Δ Η);
[0013] 引导装置，用于基于这样估计的纵向位置偏离、横向位置偏离和垂直位置偏离以 及所述相对航向角来计算用于飞行器的引导命令。
[0014] 可观测量的特定选择使得可以以尤其简单的方式估计包括在惯性坐标系中表达 的、飞行器相对于碰撞点的纵向位置偏离、横向位置偏离和垂直位置偏离的状态向量。这些 偏离可以由引导装置直接利用。
[0015] 有利地，在图像中线段[Ρ，Ω]的特征是：直线（ΡΩ)与图像的垂直线之间的角度 ζ、点P与水平线队的距离dy以及点P在水平线上的正交投$Ph与灭点Ω之间的距离dF。
[0016] 在第一实施方式中，图像捕获系统包括机载相机，并且相对航向角Φ在图像中由 测量装置借助于以下关系式来测量：
[0018] 其中，f是机载相机的焦距，Φ是飞行器的滚转角，并且Θ是飞行器的俯仰角。
[0019] 在该同一实施方式中，第二可观测量在图像中由测量装置借助于以下关系式来测 量：
[0021] 同样地，第三可观测量在图像中由测量装置借助于以下关系式来测量：
[0023] 有利地，飞行器的位置相对于所述碰撞点的纵向位置偏离、横向位置偏离和垂直 位置偏离由估计装置借助于动态模型来估计，该动态模型用作状态方程
其 中，u (t) = (ΔΧ，Δ γ，ΔΗ)Τ是包括时刻t下的纵向位置偏离、横向位置偏离和垂直位置偏 离的向量，v(t)是飞行器在惯性坐标系中的速度向量，并且该动态模型用作观测方程r(t) =g (u (t)) +n (t)，其中，r (t)是第二可观测量和第三可观测量的向量，并且g是将任意向量 u(t) = (ΔΧ，ΔΥ，'!{^映射至向量
的函数，n(t)是测量噪声向 量。
[0024] 飞行器引导命令包括例如负载系数设置和滚转速率设置，引导装置通过以下关系 式来计算负载系数设置：
[0026] 其中：
是垂直速度，并且Kz，Kvz是预定常数，并且引导装置 通过以下关系式来计算滚转速率设置：
[0028] 其中，ΚΥ，ΚΦ和K ^是预定常数。
[0029] 着陆系统还可以包括飞行控制计算机，其适于计算要被应用于飞行器的控制面的 致动器的控制以满足所述引导命令。
[0030] 在第二实施方式中，图像分析装置还确定来自均将跑道的顶点连接至灭点Ω的 多个线段中的至少一个线段（[Α，Ω])的特征，测量装置基于所述至少一个线段的特征来 测量与跑道相关联的惯性坐标系中的多个附加可观测量，所述多个附加可观测量包括：由 飞行器相对于通过跑道的顶点和灭点的直线的相对航向角（Φ Α)定义的第一附加可观测 量、由飞行器的位置相对于所述顶点的横向偏离与垂直偏离的比率定义的第二附加可观测 量
以及由飞行器的位置相对于所述顶点的纵向偏离与垂直偏离的比率定义的第三 附加可观测量
估计装置然后基于第一附加可观测量、第二附加可观测量和第三 附加可观测量的测量来估计在惯性坐标系中表达的、飞行器的位置相对于跑道的所述顶点 的附加纵向位置偏离（AXa)、附加横向位置偏离（AYa)和附加垂直位置偏离（AZa)，自动 着陆系统还包括合并装置，其用于将纵向位置偏离、横向位置偏离和垂直位置偏离的估计 与相对于跑道的所述顶点的所述附加纵向位置偏离、所述附加横向位置偏离和所述附加垂 直位置偏离的估计融合，并且提供飞行器与计划碰撞点之间的合并的纵向位置偏离、合并 的横向位置偏离和合并的垂直位置偏离。
[0031] 在第二实施方式中，在将纵向位置偏离估计、横向位置偏离估计和垂直位置偏离 估计与附加纵向位置偏离、附加横向位置偏离和附加垂直位置偏离融合之后，引导装置基 于纵向位置偏离估计、横向位置偏离估计和垂直位置偏离估计来计算飞行器引导命令。
[0032] 然后，估计装置还可以基于附加纵向位置偏离、附加横向位置偏离和附加垂直位 置偏离的估计来提供着陆跑道的长度和/或斜率的估计。
[0033] 最后，本发明还涉及飞行器在着陆跑道上自动着陆的方法，包括：
[0034] 捕获地面的一系列连续图像；
[0035] 进行图像分析，用于在图像中检测着陆跑道的存在，并且用于在该图像中确定将 所述跑道上的计划碰撞点P与所述图像的灭点Ω连接的线段[ρ，Ω]的特征；
[0036] 基于所述线段[Ρ，Ω]的特征来测量与跑道相关联的惯性坐标系中的多个可观测 量，所述多个可观测量包括：由飞行器相对于跑道的中轴的相对航向角（Φ)定义的第一可 观测量、由飞行器的位置相对于所述碰撞点的横向偏离与垂直偏离的比率定义的第二可观 测量
以及由飞行器的位置相对于所述碰撞点的纵向偏离与垂直偏离的比率定义 的第三可观测量
[0037] 基于第一可观测量、第二可观测量和第三可观测量的测量来估计在惯性坐标系中 表达的、飞行器的位置相对于所述碰撞点的纵向位置偏离（AX)、横向位置偏离（ΔΥ)和垂 直位置偏离（AH);以及
[0038] 基于这样估计的纵向位置偏离、横向位置偏离和垂直位置偏离以及所述相对航向 角来计算用于飞行器的引导命令。
【附图说明】
[0039] 结合下面的图，在阅读本发明的优选实施方式时，本发明的其他特征和优点将变 得明显：<