用于提供最佳的航空器燃油量的方法和电子设备与流程

本公开内容包括在航空电子学领域中，并且涉及用于改善航空器性能的方法和系统。更具体地，本公开内容的目的是为确定的飞行计划估算更精确的燃油消耗并且减少在执行给定飞行计划之前装载至航空器的燃油量。

背景技术：

燃油估算通常被用于为给定飞行计划确定燃油需求。燃油估算然后可用于确定对于具体飞行装载多少燃油。因此，燃油估算值的精确度对于飞行计划可能是重要的。如果估算值低于计算的可能需要的燃油量，那么可能不会装载用于该飞行的足够的燃油。可选地，如果估算值超过计算的所需燃油量，那么可能装载多于需要的燃油，则其可能增加不需要的重量至飞行并且消极地影响其性能。另外，多次，飞行员可能增加比通过现有系统估算的更多的燃油以应对已知的不精确性和以最小化燃油不足的风险。

例如，航空公司使用飞行计划工具以创建用于其飞行的飞行计划。这些飞行计划工具使用由航空器性能监测(apm)工具计算的阻力和燃油因数作为输入。现有的apm工具使用记录的先前飞行的飞行数据计算具体航空器尾翼和发动机的阻力和燃油因数。可以在每个飞行阶段计算这些阻力和燃油因数：上升、巡航和降落。

阻力因数∈d和燃油因数∈ff是在起飞之前飞行管理系统(fms)的两个输入参数，目的是校正航空器性能模型和反映具体航空器尾翼和发动机的正确燃油消耗。随着航空器和发动机老化，阻力和燃油流量增加，同时发动机维护使燃油消耗减少。阻力因数和燃油因数也被称为飞行管理计算机(fmc)性能因数或飞行计划因数。

然而，在许多情况中，fms可以仅采用一个阻力因数和一个单一燃油因数作为输入。在当前实践中，航空器fms通常使用用于一个飞行阶段(巡航)的仅两个静态的、预定义的因数(阻力因数和燃油因数)估算给定飞行计划的燃油需求。这些单一阻力和燃油因数被应用至飞行计划(上升、巡航和降落)的所有飞行阶段中的航空器性能模型。典型地，fms使用由历史巡航段(不是上升或降落段)计算的阻力和燃油因数。这导致在fms与上升和降落阶段中的飞行计划之间航程燃油估算值的差异。

当在飞行之前将飞行计划输入至fms时，fms计算到目的地估算的机载燃油，以便飞行员知道是否将存在充足的燃油以安全地到达目的地。由于fms使用仅两个静态因数(对应于巡航阶段的阻力和燃油因数)而飞行计划工具使用六个因数(每个上升、巡航和降落飞行阶段的阻力和燃油因数)，由fms估算的燃油通常与由飞行计划工具计算的燃油不同。由于在fms和飞行计划的航程燃油估算值之间的这种偏差，飞行员可能请求将更多燃油装载在飞机上，因为他们相信由认证的fms进行的计算。

当巡航具有最长的持续时间并且燃烧最高的燃料量时，飞行员可以装载额外的燃油以解决可能需要额外的燃油的已知的和感知到的风险。例如，飞行员可以装载额外的燃油以涵盖在上升和降落期间需要的燃油。飞行员可以在他们熟悉的较旧的航空器和特别旧的航空器——由于退化(degrading)的机身阻力和发动机效率，其通常比通过fms估算的燃烧更多的燃油——上装载额外的燃油。他们也可以基于天气预报和空域(airspace)拥堵装载更多的燃油。尽管装载额外的燃油降低了由于燃油低航空器可能需要被重新定向的风险，但是装载额外的燃油增加了航空器重量、燃烧的总燃油和总的飞行成本。

提出的方法消除了fms的航程燃油估算值和由飞行计划工具计算的燃油之间的偏差，允许由认证的fms获得精确的燃油估算值并且在航空器上装载最佳的燃油量，其最小化了航空器重量和用于特定飞行计划的燃烧消耗，考虑了飞行计划、飞行器特定性能因数和任选地用于飞行计划的天气预报。

技术实现要素：

本公开内容涉及用于提供和装载最佳的航空器燃油量的方法和电子设备。该方法确定了为具体飞行计划定制的飞行管理系统(fms)的改进的性能因数。该方法通过增强单一fms阻力因数和单一fms燃油因数的确定改进了由fms计算的航程燃油估算值。该方法考虑了在特定航空器的上升、巡航和降落期间由记录的飞行数据计算的性能的差异，而不是仅考虑巡航阶段。该方法将这些性能差异与即将进行的航程的飞行计划结合，并且在起飞之前获得fms将使用的单一阻力因数和单一燃油因数以在航空器上为给定飞行计划装载最佳的燃油量。

当前的apm工具可以计算每个飞行阶段的阻力和燃油因数，并且飞行计划工具可以使用所有这些阻力和燃油因数。然而，不存计算单一阻力因数和单一燃油因数——当被fms使用时，不导致航程燃油估算值与飞行计划的偏差——的方法。该方法对fms是尤其有利的，其仅准许一个单一阻力因数和一个单一燃油因数。本方法不基于每个飞行阶段的燃油重量计算阻力因数和燃油因数的加权平均值，因为它将不会导致航程燃油估算值的零偏差。另外，阻力因数的值影响燃油因数的值，因此权衡(weighing)阻力因数需要每个飞行阶段的新的燃油因数。

一些航空器的fms准备使用每个飞行阶段的阻力和燃油因数。然而，其他航空器配备有可仅处理单一阻力因数和单一燃油因数的fms。更新后面的fms以允许处理每个飞行阶段的阻力和燃油因数需要对fms功能性进行重大改变、新的认证并且因此非常昂贵。通过使用本方法，不需要对现有fms功能性进行改变(研发、认证和部署用于现有航空器的新的fms——其使用这六个航空器-特定因数确定给定飞行计划的燃油需求——将会是成本过高的)。

用于提供最佳的航空器燃油量的方法包括从航空器以往的飞行收集记录的飞行数据；使用记录的飞行数据确定航空器特定性能校正参数，其包括上升、巡航和降落飞行阶段中每一个的阻力和燃油因数；收集航空器的飞行计划；使用航空器特定性能校正参数确定给定飞行计划需要的总燃油；和确定单一合成阻力因数和单一合成燃油因数，当被航空器fms使用时，其产生给定飞行计划需要的所述总燃油。

该方法还包括将给定飞行计划、单一合成阻力因数和单一合成燃油因数通讯(例如，无线地)至航空器fms；接收由航空器fms使用给定飞行计划、单一合成阻力因数和单一合成燃油因数确定的需要的估算的总燃油；和基于给定飞行计划(108)需要的估算的总燃油(122)(例如使得总燃油装载基本上等于给定飞行计划需要的所述估算的总燃油)请求装载一定量的燃油至航空器上。确定给定飞行计划需要的总燃油的步骤可以使用飞行计划工具进行，而确定每个飞行阶段的航空器特定性能校正参数的步骤可以使用航空器性能监测工具进行。

根据实施方式，确定单一合成阻力因数和单一合成燃油因数的步骤包括下述步骤：使用飞行计划和每个飞行阶段的航空器特定阻力因数确定单一合成阻力因数；使用计算的合成阻力因数计算上升、巡航和降落飞行阶段的更新的燃油因数；和使用更新的燃油因数确定单一合成燃油因数。

可以采用如下条件确定单一合成阻力因数：使用单一合成阻力因数估算的给定飞行计划需要的总燃油与当使用每个飞行阶段的航空器特定阻力因数时需要的总燃油基本上相同。

可以通过以下步骤计算更新的燃油因数：使用合成阻力因数推导来自每种飞行状况的推力水平；由每种推导的推力水平计算期望的燃油流量；使用期望的燃油流量计算燃油流量偏差；和使用燃油流量偏差计算更新的燃油因数。

可以采用如下条件确定单一合成燃油因数：使用单一合成燃油因数估算的给定飞行计划需要的总燃油与当使用每个飞行阶段的更新的燃油因数时需要总燃油基本上相同。

该方法可进一步包括收集额外数据，其包括影响需要的总燃油的因数，其中所述额外数据用于确定需要的总燃油。额外数据可以包括例如给定飞行计划的天气条件或空域延迟。

本公开内容的进一方面包括用于提供最佳的航空器燃油量的电子设备。该电子设备包括具有处理单元的电子设备，其配置为从航空器以往的飞行收集记录的飞行数据；使用记录的飞行数据确定航空器特定性能校正参数，其包括上升、巡航和降落飞行阶段中每一个的阻力和燃油因数；收集航空器的飞行计划；使用航空器特定性能校正参数确定给定飞行计划需要的总燃油；和确定单一合成阻力因数和单一合成燃油因数，当由航空器fms使用时，其产生给定飞行计划需要的所述总燃油。在实施方式中，电子设备包括无线通讯模块，其配置为将单一合成阻力因数和单一合成燃油因数无线通讯至航空器fms。电子设备可以被进一步配置为接收(例如无线地)由航空器fms使用给定飞行计划和合成因数确定的需要的估算的总燃油。

本公开内容的又进一方面涉及用于提供最佳的航空器燃油量的计算机程序产品，其包括计算机代码指令，当由处理器执行其时使得处理器：从航空器以往的飞行收集记录的飞行数据；使用记录的飞行数据确定每个飞行阶段的航空器特定性能校正参数；收集航空器的飞行计划；使用航空器特定性能校正参数确定给定飞行计划需要的总燃油；和确定单一合成阻力因数和单一合成燃油因数，当由航空器fms使用时，其产生给定飞行计划需要的所述总燃油。

在本方法中，基于由先前飞行的记录的飞行数据和即将进行飞行的飞行计划计算的每个飞行阶段的阻力和燃油因数，计算单一阻力因数和单一燃油因数(下文被称为组合因数或合成因数)。因此，本发明改进了fms估算值，而不需要对现有fms功能性进行任何改变。

在其他实施方式中，当确定需要的总燃油以及合成阻力和燃油因数时可以使用天气、空域延迟或其他因素。

本方法允许确定每个飞行阶段的性能校正值(corrections)，改进阻力和燃油因数的计算和更频繁地更新这些因数。利用本方法，航空器性能因数(合成因数)事实上可以在每次飞行之前被计算和应用，因为它考虑了特定飞行计划(距离、航线点(waypoint)、海拔、飞行速度、重量等)、最新的航空器特定性能校正参数和另外的因素，比如当前的天气条件或空域拥堵。

已经讨论的特征、功能和优势可以在各种实施方式中独立地实现或可以在又其他实施方式中组合，参考以下描述和附图可见其进一步细节。

附图说明

以下非常简要地描述了一系列附图，其有助于更好的理解本发明并且明确地与所述发明的实施方式——作为其非限制性实例被呈现——相关。

图1表示根据本公开内容用于装载最佳的航空器燃油量的方法的流程图。

图2描绘了根据实施方式计算合成阻力和燃油因数的方法的步骤。

图3图解了通过飞行计划工具获得的飞行计划和使用合成阻力和燃油因数的fms飞行计划的海拔剖面。

图4图解了通过飞行计划工具获得的飞行计划和使用合成阻力和燃油因数的fms飞行计划在地面速度上的燃油流量。

图5描绘了当计算合成阻力因数时上升、巡航和降落阶段的相对重量的表。

图6描绘了给定飞行计划的燃油估算值和燃油因数的表。

图7和8描绘了用于提供最佳的航空器燃油量的电子设备的两个实施方式。

图9显示了电子设备中阻力和燃油合成因数的更新。

具体实施方式

本公开内容涉及用于提供和装载最佳的航空器燃油量的方法和电子设备。图1表示方法100的示例性流程图。收集从航空器以往的飞行记录的经验飞行数据102以确定104每个飞行阶段(通常，上升、巡航和降落飞行阶段中每一个)的航空器特定性能校正参数。在图1的实施方式中，航空器特定性能校正参数106包括上升、巡航和降落飞行阶段中每一个的阻力和燃油因数航空器特定性能校正参数106可以例如通过航空器性能监测(apm)工具计算。

在步骤110，使用航空器特定性能校正参数106(例如，通过飞行计划工具)确定给定飞行计划108需要的总燃油114。任选地，收集和使用额外数据112——包括影响需要的总燃油的变量或因数，比如给定飞行计划108的天气条件(例如当前或预测的天气)或空域延迟——以用于确定需要的总燃油114。

在步骤116，确定合成因数118。合成因数118包括单一合成阻力因数和单一合成燃油因数计算这些合成因数118条件是当由航空器fms使用时，其产生给定飞行计划108需要的所述总燃油114。将给定飞行计划108、单一合成阻力因数和单一合成燃油因数通讯至航空器fms(例如，无线地或通过手动输入)。利用给定飞行计划108和合成阻力和燃油因数118，航空器fms确定120需要的估算的总燃油122。方法包括接收需要的估算的总燃油122和基于给定飞行计划108需要的估算的总燃油122请求将一定量的燃油装载至航空器上。最后，将一定量的燃油124装载至航空器上，使得总燃油装载与给定飞行计划108需要的估算的总燃油122相同。

图2描绘了确定116合成阻力和燃油因数的步骤的示例性实施方式。首先，基于飞行计划108(包括航线点，飞行速度等)和每个飞行阶段的航空器特定阻力和燃油因数106计算202单一合成阻力因数204合成阻力因数由下述条件产生：使用单一合成阻力因数预测的所得燃油消耗等于使用每个阶段不同的原始阻力因数预测的所得燃油消耗(见以下方程[9])。在该计算中，忽视了燃油因数的影响，并且它们不用于方程式中。该简化是有效的，以便明确阻力偏差的平均效应。

因为阻力因数的值影响燃油因数的值，在步骤206中，基于先前计算的合成阻力因数204更新每个飞行阶段208的燃油因数。最后，计算210单一合成燃油因数212

图3显示了在行进的距离(d)上的某一飞行的海拔(h)剖面的两幅图。具体而言，图3描绘了基于每个飞行阶段的阻力和燃油因数通过飞行计划工具获得的飞行计划302，和使用合成阻力和燃油因数通过fms计算的等效飞行计划304。图4示意性地显示了图3的两个飞行计划(302，304)在地面速度上的燃油流量通过计算和使用合成阻力和燃油因数118，消除了在fms和飞行计划工具之间的航程燃油估算值的偏差。在上升和降落阶段中燃油预测的误差在巡航阶段中被吸收，如图4示意性地显示。通过应用本方法，通过fms获得的预测的航程燃油与飞行计划工具一致，而不改变现有的fms功能性。

如图2的步骤202中所描绘，计算单一合成阻力因数204根据实施方式在下文描述了合成阻力因数204的计算：

1.上升：在上升期间，发动机提供最大的起飞推力，不受航空器特定阻力和燃油因数的影响。通过升降舵控制速度。因此，在上升阻力因数和合成阻力因数之间的差异导致到上升极限(toc)的距离差(δdtoc)，如图3中的实例所显示。图4示意性地描绘了相同飞行在地面速度上的燃油流量，并且填充区域a1表示在使用上升阻力因数的飞行计划302和使用合成阻力因数的飞行计划304之间上升中的燃油消耗的差异。

在上升中在飞行方向上的运动方程为：

其中m是按千克计的航空器质量，v是按米每秒计的真实飞行速度，t是按秒计的时间，t是按牛顿计的推力，d是按牛顿计的阻力，w是按牛顿计的重量并且γ是按弧度计的飞行航迹角。

对于小的飞行航迹角γ，sinγ≈γ。假定恒定的飞行航迹角，并且通过减去两个飞行计划(302，304)的上升的运动方程：

通过相应的阻力因数引起两个飞行计划(302，304)的阻力δd差：

组合方程[1]和[2]产生：

其中cd是无量纲的阻力系数，cl是无量纲的升力系数，是上升中相对于升力(即与气动效率相反)的平均阻力。

由不同阻力因数引起的至上升极限(toc)的距离差(δdtoc)由简单的三角法产生：

其中dclv是按nm计到飞行计划的上升极限的距离，htoc是按nm计上升极限的海拔。

接着通过以下给出在使用上升阻力因数和合成阻力因数之间上升中的燃油消耗的差异，图4中的填充区域a1：

其中是按磅计的上升中的燃油消耗的差异，ffclb是按磅每小时计的上升(具有最大起飞推力)中的燃油流量并且ffcrz是就在上升极限之后按磅每小时计的巡航中的燃油流量。

2.巡航：通过以下给出在基于巡航阻力因数和合成阻力因数的飞行计划之间巡航中的燃油消耗的差异，图4中的填充区域a2：

其中是按磅计的巡航中的燃油消耗的差异，是使用巡航阻力因数在一定推力下按磅每小时计的瞬时燃油流量，是使用合成阻力因数在一定推力下按磅每小时计的瞬时燃油流量。

瞬时燃油流量可以使用泰勒级数展开：

组合方程式[5]和[6]导致巡航中的燃油消耗的差异并且通过假定该区域可以通过平均该式中在上升极限和降落极限处的值来近似，我们获得：

其中是燃油流量对推力的导数并且可以使用航空器性能模型计算，d是按牛顿计的阻力，dtod是按nm计到降落极限的距离，dtoc是按nm计到上升极限的距离。

3.降落：降落阻力因数和合成阻力因数之间的差异导致在图4的实例中所描绘的到降落极限(tod)的距离差(δdtod)。基于降落阻力因数和合成阻力因数在飞行计划(302，304)之间降落中的燃油消耗的差异——图4中的区域a3——的导数与上升中的燃油消耗的差异的导数相似。结果通过以下给出：

其中是按磅计的降落中的燃油消耗的差异，ffcrz是按磅每小时计的就在降落极限之前巡航中的燃油流量，ffdes是按磅每小时计的降落中的燃油流量(空转推力方案)，ddes是按nm计从降落极限至目的地跑道的距离，htod是按nm计降落极限的海拔，是降落中相对于升力(即与气动效率相反)的平均阻力。

通过应用条件——两个飞行计划(302，304)需要的总燃油相同(即通过fms获得的预测的航程燃油与通过飞行计划工具获得的航程燃油一致)，填充区域a1、a2和3必须相互抵消，使得：

使用方程式[4]、[7]和[8]可以由该条件计算合成阻力因数

通过以下给出所得的合成阻力因数：

请注意，如果飞行的巡航段dtod-dtoc比飞行的上升和降落阶段大的多，例如对于长途飞行，合成阻力因数将与巡航阻力因数非常接近。然而，对于具有短巡航段的飞行，上升和降落段对方程[9]中的合成阻力因数具有显著的影响。

换句话说，对于短飞行，在上升和降落期间的阻力特征是显著的以在进行航程燃油估算时考虑由fms使用的合成阻力因数换句话说，对于短飞行，如果fms使用仅源自先前飞行的巡航数据的阻力因数作为阻力因数，则引起在上升和降落中预测的燃油消耗的显著误差。合成阻力因数，连同燃油因数，解决了该问题。

图5显示了每个飞行阶段方程[9]中各时期的相对重量，其使用两个不同飞行距离250nm和546nm，36,000ft的巡航海拔记录的飞行数据，在上升期间111.7nm和在降落期间96.0nm的航行距离。该实例的数字确认了对于具有短巡航段的飞行，上升和降落阻力因数对合成阻力因数具有较大的权重。

返回至图2，在步骤206中进行每个飞行阶段燃油因数的更新。一旦为即将进行的飞行计算了202合成阻力因数204，就更新了每个飞行阶段的燃油因数(例如，使用航空公司用于计算具体航空器尾翼和发动机性能的apm工具)。所得的燃油因数用和表示。

航空器性能监测工具从最近的飞行获得飞行数据。然后，apm工具计算：

a)阻力偏差，其可以从给定飞行条件需要的推力和源自发动机状况的推力之间的差异推断。通过过滤从以往飞行收集的许多阻力偏差计算阻力因数。

b)燃油流量偏差，其为给定飞行状况的期望燃油流量与实际测量的燃油流量之间的差异。通过过滤从以往飞行收集的许多燃油流量偏差计算燃油流量因数。

如果给出了合成阻力因数，如在步骤202中已经计算的，apm工具可以直接进行至b)并且使用合成阻力因数以从每种飞行状况导出推力水平；从这些推力水平中的每个可以计算期望的燃油流量。这些期望的燃油流量然后将用于计算燃油流量偏差和燃油因数。

最后，在步骤210中获得210单一合成燃油因数212合成燃油因数将被fms使用以使航程燃油估算值等于由飞行计划工具所计算的。计算该合成燃油因数的公式为：

其中和是分别在飞行阶段上升、巡航和降落期间按磅计的估算的燃油消耗。使用更新的燃油因数通过飞行计划工具估算这些参数合成阻力和燃油因数118然后被fms使用以计算给定飞行计划108需要的估算的总燃油122，并且将一定量的燃油装载至航空器上，使得总燃油装载基本上等于给定飞行计划108需要的估算的总燃油122。

本方法提供若干优势：

-首先，通过fms估算的航程燃油等于通过飞行计划工具计算的燃油。因此消除了航程燃油估算值的偏差。飞行员更喜欢这种一致的数据。当将飞行计划上传至fms时，fms现在将不通知飞行员将不具有足够的燃油以安全地到达目的地，因为使用本方法航程燃油估算值是相同的。因此，飞行员将不请求将比飞行计划所指示的更多的燃油装载在飞机上。

-第二，成本节省。图6显示了在飞行计划中的燃油估算值和由记录的飞行数据计算的燃油因数。在整个飞行阶段，使用3.7％的巡航燃油因数的fms航程燃油估算值为11,606lbs。使用由方程[10]获得的2.9％的合成燃油因数，fms航程燃油估算值为11,520lbs，等于飞行计划的航程燃油估算值。因此，飞行员将在飞机上少装载86lbs的燃油。

-第三，该方法可以被整合至航空公司的cas产品内。实例是apm软件和产品以更频繁地更新fms航空器性能数据。

图7和8描绘了根据两个不同实施方式用于提供最佳的航空器燃油量的电子设备的图。图7的电子设备720包括根据先前描述的方法配置用于确定阻力和燃油合成因数118的处理器或处理单元。航空器fms710使用飞行计划108和合成因数118确定需要的估算的总燃油122。

在图7的实施方式中，电子设备720被实施为地面站(例如航空公司计算机)。在该实施方式中，使用无线通讯比如acars(航空器通讯寻址和报告系统)连接电子设备720和航空器fms710。一旦电子设备720的处理单元计算合成因数118，它们被传送至fms710，其又计算并且提供需要的估算的总燃油122。如图8的实例所表示，合成因数118的计算可以通过飞机上的电子设备820进行，比如在驾驶舱中操作的电子移动设备(例如平板电脑、电子飞行包)。电子移动设备820将合成因数通讯至fms，优选地通过使用无线通讯模块比如wifi或蓝牙建立安全的无线连接(但是也可以使用有线连接)。

图9中描绘的图显示了使用来自航空公司服务器910的数据更新电子设备920(在图9的实例中，基于地面的电子设备)中的合成因数118的过程。电子设备920检索存储在航空公司服务器910中的数据。具体而言，通过处理单元922或电子设备920的合成因数计算单元(例如，处理器)恢复和更新924航空器尾翼数据912和航路数据914。

航空器尾翼数据912包括当前的航空器特定性能校正参数106(每个飞行阶段的阻力和燃油因数)和来自先前飞行的记录的飞行数据102。航路数据914包括涉及下一个飞行计划108的信息和涉及影响给定飞行计划108需要的总燃油的因素(例如天气和其他限制比如空域延迟)的额外数据112。一旦合成因数118被计算和更新，它们被无线地上传926至航空器fms710并且存储在fms存储器930上。在执行飞行计划之后，可以将飞行后数据无线下载936至航空公司服务器910，以便更新当前的航空器特定性能校正参数106。