通过在检测到飞行器的紧急状况时其方向性发生变化的无线电波束对飞行器的黑匣子所记录的飞行数据进行传输的方法与流程

文档序号:11142402
通过在检测到飞行器的紧急状况时其方向性发生变化的无线电波束对飞行器的黑匣子所记录的飞行数据进行传输的方法与制造工艺

本发明涉及飞行记录仪的领域,该飞行记录仪被装载在飞行器上并且通常被称为术语“黑匣子”。

更具体地,本发明涉及一种用于在飞行过程中对这些记录仪所收集的该类型飞行数据进行传输的方法。



背景技术:

根据航空法规,现今飞行器配备有使得能够对飞行数据进行收集并存储到存储器以及音频通信系统中的设备。这些设备通常被称为术语“飞行记录仪”或者“黑匣子”或者“碰撞记录仪”。在飞行器出现事故甚至发生意外的情况下,通常在地面上(on the ground)对该飞行器的飞行记录仪的内容进行分析以确定飞行器上所发生的事故或意外的根源。

因此,规范的飞行记录仪必须特别耐用(通常承受大约1500度温度、3000g的加速度等),并且能够记录大量数据、占用有限的空间以及具有较轻的重量。

然而,这些记录仪仍然是易破坏的,并且当飞行器在大海中发生意外后可能无法将这些记录仪恢复。

为了规避这些问题,已经提出了用于将通常由飞行记录仪收集的数据从飞行中的第一飞行器传输至正在飞行的第二飞行器的方法。所述数据从一个飞行器传输至另一飞行器,直到到达地面存储站为止。



技术实现要素:

因此,本发明旨在提供用于在飞行过程中将黑匣子所记录的数据从一个飞行器传输至另一飞行器的不同的策略。

因此,提出了一种用于在飞行过程中对飞行器的黑匣子所记录的数据进行传输的方法,该方法包括:在至少一个预定参数没有指示所述飞行器的紧急状况时,飞行器沿第一方向性发射用于传送所述数据的无线电波束,以及,在所述预定参数指示所述飞行器的紧急情况时,飞行器沿第二方向性发射用于传送所述数据的无线电波束,所述第二方向性与所述第一方向性不同。

应用该方法从飞行器发射的无线电波束在由针对该发射所选择的方向性确定的空间的扇区角内进行传播。

沿小方向性的调节将使得所述数据能够在大扇区角内进行传播,因此,对于发送数据的飞行器而言,能够正确地将数据传输至位于彼此远离的角度位置处的多个飞行器。

相反,沿大方向性的调节将使得所述数据能够在较窄的扇区角内进行传播(这种情况被称为定向传播)。此类定向传播可以增大无线电范围,从而使得能够使用较高阶的调制方法(例如,为64QAM(64位正交振幅调制)而不是BPSK(二进制相移键控))来传送更大的数据量,并且减小共信道干扰级别。

所提出的方法因其允许用于通过根据内部情况(飞行器的状况)和/或外部情况(对数据传输质量造成影响的天气状况)调节数据传播状况来发送黑匣子类型的数据的多个策略而特别灵活。

在一个实施例中,第二方向性小于第一方向性。因此,在飞行器的紧急情况下(相对少见),优选的是使用紧急策略,其目的在于获取更多接收数据的飞行器(addressee aircraft),而在飞行器正确操作的情况下(更为常见),则使用能够更节省能量的集中定向传输的策略。

响应于检测到正在飞行的另一飞行器在无线电范围内的位置,可以执行沿第一方向性发射无线电波束,于是所发射的无线电波束被定向为朝向所检测到的位置。当这种操作被证明有用时,即,当一接收数据的飞行器被排他地确定为是数据接收方时,则排他性地发送黑匣子类型的数据,这可以进一步降低传输所述数据所使用的能量消耗。此外,可以将所述方向性调节为一折算值(reduced value),至此所述波束朝向所述接收数据的飞行器。

进一步有利的是,随时间重复进行沿第二方向性发射无线电波束,诸如,直到飞行器着陆为止。

此外,沿第二方向性的无线电的发射可以是全向的,以在自由空间内以360°进行发射,进而增大了发射飞行器向范围内其已知或未知的所有飞行器正确传输数据的可能性。

在参数没有指示紧急状况时,还可以根据第一功率发射无线电波束,以及,在参数指示紧急状况时,还可以根据第二功率发射无线电波束,所述第二功率大于所述第一功率。

所确定的参数可以进一步地在无线电波束(F1,F2)中被发射。

此外,可以通过以下方式生成所发射的无线电波束:

-在参数没有指示飞行器的紧急状况时,对飞行器的一组天线(A1-An)进行激活,以及

-在参数指示飞行器的紧急状况时,选择性地对这组天线的子集(Ai)进行激活。

随后,每个激活的天线生成有助于形成无线电波束的无线电信号。

每个天线都可以是全向天线。

在参数指示飞行器的紧急情况时,激活的天线所生成的每个无线电信号都可以对黑匣子所记录的相同数据的副本进行传送。可替代地,该方法包括将黑匣子所记录的数据拆分为多个数据流,在参数指示飞行器的紧急状况时,每个天线生成用于传送所述数据流之一的无线电信号。

天线所生成的每个无线电信号还可以在不同的频率信道中被发射。

附图说明

根据下面以完全示意性和非限制性的方式并参照附图进行的描述,本发明的其他特征、目的以及优点将变得明显,在附图中:

-图1示意性地示出了根据本发明的实施例的飞行器。

-图2是根据本发明的实施例的用于传输数据的方法步骤的流程图。

-图3和图4示出了两种飞行情况下的图1的飞行器。

在整个附图中,相似的元件具有相同的附图标记。

具体实施方式

参考图1,飞行器1包括飞行记录仪B、处理模块T、控制模块C以及无线电波束的发射机A。

记录仪B或“黑匣子”是一种公知的适于对飞行器1的飞行状况的代表性数据进行收集和存储的设备。

在本文中,表述“飞行数据”表示由飞行记录仪收集的数据,例如,规范的飞行数据将使得能够发射对飞行器1的飞行状况的诊断。

一方面,飞行记录仪可适于记录语音信道:记录四种“音频”信道(飞行员、副驾驶员、机舱内的大气以及受气流控制的对话)。该记录可以对发生意外之前的最后两小时进行恢复。

通常,音频信道的最大二进制吞吐率为32kbit/s,于是每秒所生成的数据量为:4个音频信道×32kbit/s+1数据信道×2kbit/s=130kbit/s,即,468兆比特/小时。

该音频数据是在音频模拟线上获得的。

另一方面,飞行记录仪B可适于记录数据:记录“数据”信道。可以存储多达88个参数(例如,包括在速率为16Hz的情况下的垂直加速度或“惯性垂直速度(Inertial Vertical Velocity)”IVV的参数),这表示大约每秒1024个12比特(扩展至16比特)的数据;因此,相应的二进制吞吐率为2千比特/秒。该记录可以被提供为用来对发生意外之前的最后25小时进行恢复。

飞行记录仪B通常包括闪存存储器类型的大容量存储器。该信息在多个不同的存储器部件之间被循环地共享。

通过串联链路获取该数据(飞行参数)并且借助于PCM类型的调制方式将该数据发送至飞行记录仪B。

飞行记录仪B还可适于记录语音数据和飞行数据两者。

诊断模块T与飞行记录仪B连接。该诊断模块T可以被配置成对飞行记录仪B所收集的数据进行分析,并且根据该分析推断出用于指示飞行器处于紧急状况或不处于紧急状况的一个或几个参数。可替代地,上述参数为飞行记录仪B所收集的数据的一部分并且诊断模块T并不执行任何推断。

在本文中,“紧急状况(état critique)”在空中交通规则的意义上意味着一种与飞行器的灾难性情况相对应的状况。在如下几种情况下飞行器1可能进入紧急状况:如果飞行器的一个或几个设备受到损坏(损坏状况)和/或在驾驶失误的情况下(飞行员失误状况)。

具体地,驾驶舱的诸如,声音警报(失速警报、火灾警报等)、光警报(“主警告”)之类的警报参数可以具体地但非排他地用来作为诊断模块T所使用的参数。此外,还可以执行特定的逻辑操作来对飞行器1的紧急状况进行识别。

发射机A被适配成发射用于形成空间中的波束的无线电信号并且被适配成接收这样的波束。

发射机A是自适应性的,即,其具有至少一个可变操作参数,该参数至少包括发射机A在无线电发射中的方向性。

在下文中,术语“方向性”指的是发射机A的一个操作参数,该参数决定所发射的无线电波束在其中传播的空间(或者至少在诸如飞行器的方位角平面的平面中)的扇区角的角度。发射机A的方向性越小,则波束的扇区角的角度越大。

操作参数还可以包括发射机A所生成的无线电波束的总发射功率。

控制模块C被配置成根据诊断模块T所获得的值或参数来对发射机A的操作参数进行调节。

飞行器还可以包括用于对所收集的数据进行加密的装置。

数据传输方法

现将参考附图2中的流程图对用于传输飞行器1的黑匣子类型的数据的方法的不同步骤进行描述。

在步骤100中,飞行记录仪B收集飞行器1的飞行数据。在飞行器1的飞行期间通常持续地执行该步骤。

在步骤200中,诊断模块T根据传输至飞行记录仪B的数据确定指示飞行器的紧急状况的至少一个参数。每个确定的参数都可以指示与飞行器相关的紧急状况。例如,如果至少一个参数指示“灾难性情况”,则可以认为飞行器经历紧急状况。

在步骤300中,诊断模块对所确定的参数的值进行测试。该参数通常为布尔变量,该布尔变量具有指示不存在紧急状况的值OK,或者指示存在紧急状况的值NOK。

可替代地,在该步骤300中,模块T借助于能够访问飞行记录仪B的内容的专用计算机程序通过对该飞行记录仪中所记录的数据进行监测来检测该紧急状况的情况。

不存在紧急状况的情况

如果被测试的参数表示飞行器没有遭受紧急状况,则执行用于检测在发射机A的范围内的第二飞行器2的位置的步骤401(图3示出了这种情况)。

该检测步骤401可以通过本领域技术人员所公知的多种方式执行。例如,飞行器的轨迹通常可以在其起飞之前确定。此外,假定飞行器1具有在该飞行器被发现出于这样或那样的原因偏离于初始设想的轨迹的情况下使其能够知道新的轨迹的装置。

因此,可以事先确定与飞行器1的轨迹相交的多个飞行器2。因此,还可以对飞行器1和飞行器2在各自的飞行期间相距的最小距离的估值以及该最小距离出现的时刻的估值进行估算。

可以借助于本文之后所描述的多个全向天线来动态地执行检测401。在这种情况下可以依次使用类似于MUSIC(“多信号分类Multiple Signal Classification”)和/或ESPRIT(“通过旋转不变技术估计信号参数Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques”)的标准数字处理算法。由于传输信道的脉冲响应是简单的,因此对发射飞行器的方向的估计始终更为准确,飞行器在不具有(或者具有少量)多路径的情况下是直接可见的。

如果多个飞行器2被检测到401,则可以基于包括例如所接收到的信号的强度(RSSI)和/或潜在传输时间的估值的度量来选择接收所述数据的飞行器。

可替代地,可以通过通读飞行器1所存储的表来执行所述检测401,该表包括飞行器1位于飞行器2的范围内所持续的飞行器2的相交时段,飞行器1在进入所述相交时段后请求的发送,以及飞行器2响应于该请求而发送其位置响应的接收。

一旦飞行器1检测到第二飞行器2的位置,控制模块C就将发射机A的发射的总方向性调节为值D1,例如,通过控制模块C来预先确定该值D1。应当认为的是,对方向性D1进行选择以产生定向波束F1,该定向波束F1与飞行器的方位角平面内以360°传播的全向波束F2相对。

在步骤403中,控制模块C还对发射机A的方向的定向进行调节(通过图3中的虚线示出了该方向,该方向将飞行器1和飞行器2各自的位置联合起来)。

步骤401和步骤403可以被重复多次以便于对飞行器2相对于可移动的飞行器1的相对位置进行更新。

在步骤404处,控制模块C将通信装置的发射功率调节为值P1。

在步骤600处,发射机A发射无线电波束F1,该无线电波束F1用于传送飞行记录仪B所收集的全部数据或部分数据。

实际上,波束F1形成了无线电“泡”,该无线电“泡”的范围取决于所辐射的功率。

波束F1覆盖与方向性D1对应的相对狭窄的扇区角,这使得能够改善朝向该飞行器的数据传输状况。波束F1朝向飞行器2的位置发送,这可以节省发射功率。

当飞行器1和飞行器2均位于由各自的无线电“泡”的交集所形成的空间中时,它们能够物理地交换数据。当发生这样的事件时,可以指明飞行器“彼此相交”。当飞行器1和飞行器2沿相对的方向彼此相交时,这些飞行器1和飞行器2二者之间可能的通信时间段的最小持续时间T为T=2R/(V1+V2),其中,V1为飞行器1的速度,V2为飞行器2的速度,以及R为它们各自的“泡”的半径(假定其半径是相等的)。

然后,通过飞行器2的重复装置(未示出)来接收所述数据。

于是,如果飞行器1发生了紧急状况甚至是事故,则飞行器2所收集到的这些数据被用于对飞行器1的飞行状况进行分析。

如果假定R=30km以及V1=V2=900km/h,则T=120s。于是,在无线电发射期间所用的最小的二进制吞吐率可大于或等于3.9Mbit/s,这与现有的OFDM标准(例如,DVB)的性能或第四代电话标准(高级LTE)的性能完全兼容。

如果飞行器1还适于接收由飞行器2的飞行记录仪所收集的数据(通过执行目前所描述的方法所发射的数据),则最小二进制吞吐率可为7.8Mbit/s(如果飞行器1和飞行器2相继发射它们各自的数据),这仍有利于与以上所提及的标准的性能兼容。

然而,实际上,2Mbit/s的最小二进制吞吐率对于传输黑匣子类型数据就足够了。

存在紧急状况的情况

如果参数指示飞行器的紧急状况,则可以执行特定的传输过程,该过程包括如下步骤:

在步骤502中,控制模块C将发射机A的方向性调节为值D2,该值D2小于值D1,在对之前所描述的装置进行正确的操作的情况下选择该值D1。

在步骤504中,控制模块C将通信装置的发射功率调节为值P2,有利地,该值P2被选择为大于功率P1以增大范围。

然后,执行发射步骤600用于通过无线电波束F2传输飞行记录仪B所收集的全部数据或部分数据,相对于波束F1而言无线电波束F2覆盖更大的扇区角。

然后,可以基于在所述传输之后由飞行器2接收到的数据来对损坏进行分析,因此,通信装置A将飞行记录仪所收集的所有数据都进行发送是有利的。

优选地,值D2是使得能够进行全向传播的最小值。由此,以角度360°进行传播的数据更有可能被另一飞行器感测到,即使是没有被检测到401的飞行器也是如此,检测实际上是可选择的,或者甚至完全受到飞行器1所遭受的损坏的影响。

此外,所选择的大于功率P1的功率P2可以增大飞行器1的范围。因此,所发送的数据可以被飞行器2感测到,而这种情况在发射机A被配置有发射功率P1时无法实现。此外,通过仅在飞行器遇到紧急状况时使用相对高的功率P2,可以降低通信装置A的电力消耗,进而降低飞行器1的电力消耗。

在此有利的是,在存在紧急状况的情况下执行数据的发送,而无需等待检测到在第一飞行器附近正在飞行的第二飞行器2时才执行数据的发送。这可以有利地减小诊断模块T检测到灾难性状况的时刻与通信装置A开始发送飞行记录仪所收集的数据的时刻之间的经历时间。现在,该持续时间的降低尤其是对于如下情况具有极大的重要性:灾难性情况导致飞行器遗失,以及飞行记录仪所收集的数据量很大:那么存在飞行记录仪所收集的大量数据在被完全传输之前就被摧毁的风险。

天线网络的实施例

在一个实施例中,发射机A包括图1所示的形成一个网络的多个天线A1至An。该网络的每个天线Ai都是可切换的,即,每个天线可以独立于该网络中的其他天线而通过控制模块C进行激活或去激活。

每个激活的天线发射无线电信号,由此,所有的无线电信号形成无线电波束F1、F2。

多个天线A1至An经由无线电系统(未示出)连接至飞行记录仪B,所述无线电系统适于将飞行记录仪B所记录的二进制数据流转换成多个无线电信号(每个天线一个信号)。因此,该无线电系统可包括基本级、调制、高频转换、过滤和/或放大级。每个天线Ai可以是全向的。在这种情况下,通过将一组复杂的增益施加至用于提供天线(这些天线被称之为自适应天线或智能天线)的表的信号来电气地形成定向波束。这些智能天线可以检测并跟踪接收数据的飞行器的位置。这些智能天线可以通过增大或减小功率来加宽或缩小所发送的波束,并且将波束叠加以便于获得多个数据接收方(如果N为所使用的天线的数量,实际上估计可以形成共享同一无线电资源(即,同一频率信道)的N/2个不同的同步波束(因此,能够获取N/2个不同的数据接收方)。

在步骤300期间所测试的参数没有指示飞行器的紧急状况的情况下,步骤600期间所发射的无线电波束由多个天线(例如,所有的天线A1至An)生成。由此,所产生的波束是定向波束。

在步骤300期间所测试的参数指示飞行器的紧急状况的情况下,天线的子集被激活,例如,如果期望以全向方式发射波束,则仅激活一个天线。

此外,在步骤300期间所测试的参数指示飞行器的紧急状况的情况下,可以构想不同的策略来传输黑匣子所记录的数据。

根据第一策略,针对每个激活的天线来对黑匣子数据进行复制。因此,每个激活的天线所发射的无线电信号对黑匣子所收集的同一数据的副本进行传输。

该第一策略对所传输的数据提供了冗余性;接收这些冗余数据的飞行器因而可以对所接收的数据的不同副本执行处理操作(包括比较和/或合并)以产生唯一的副本,其特征在于,其信噪高于相对于单独考虑所接收到的副本的情况下所产生的信噪比,使得将降低因传输信道引起的对所传输的数据的衰减程度。对于高斯传输信道而言,可以获得至多10log10(N)的接收增益,其中,N为针对同一数据所发送的副本的数量。

根据可替代第一策略的第二替换策略,黑匣子数据被拆分为多个数据流,每个数据流被指定给激活的天线中的一个天线。因此,每个激活的天线对用于传送被指定给该天线的数据流的无线电信号进行发射。在该策略中,不同的激活天线并没有同时传送相同的数据;换言之,在这种情况下,无线电波束由多个无线电信号形成,所述多个无线电信号中的每个无线电信号传送指定的数据。

数据拆分通常可以包括对数据进行多路分解以获得指定给该激活天线的不同的数据流。

使用基于对数据进行拆分的第二策略,与第一策略相比,增大了每比特所传输的能量。实际上,例如,如果目的在于将速率为1Mbit/s的恒定二进制流拆分成10个子数据流,则所获得的每个子数据流的速率将为100kbit/s。因此,比特周期T将增大,该比特周期从每比特1μs增大为每比特10μs。如果发送子数据流所需要的功率P与发送初始流所用的功率相同(以及如果用于调制子数据流的调制模式相同),则每比特传输的能量(=P*T)增大了10倍。

因此,在恒定的发射总能量下,所述传输具有更大的范围,并且在恒定的传输距离下,改善了二进制出错率。

激活的天线可以被配置成在不同的频率信道中进行发射(即,发射具有不同频率范围的无线电信号),这可以在允许在接收侧对数据进行区分时使不同的激活天线并行地发送数据。在这种情况下,飞行器生成初步的基带信号,然后该基带信号按照频率进行变换并且对不同的载波进行调制以获得在不同的频率信道中发射的不同的无线电信号。

然后,可以借助于天线Ai的同一网络以非常简单的方式执行所描述的两种传输模式(分别与存在紧急状况或不存在紧急状况相关),而无需专用于这些模式中的任一种模式的任意传输设备,并且可以通过对天线A1至An中的一些天线进行简单地切换(激活或去激活)来执行从一种模式到另一种模式的切换。

特定报头(等同于数字的“求救信号”)还可被包含在所发送的信号中以指示该发送的紧急和优先级属性。

在这两个所描述的场景(紧急状况或非紧急状况)中,待传输的数据可以被加密(优选地,借助于PKI型加密方式)以保留数据的保密性。

如果飞行器1在其航线中能够遇到多个飞行器2,则可以对借助于上述步骤传输的数据进行分段。为了能够对这些已分段的数据进行(通常由地面站)相互核对并组装,报头可以有利地被合并到所发射的数据中,该报头尤其指示发射的时刻(协调世界时)、发送飞行器的身份、接收飞行器的身份以及先前相交的飞行器的身份。

从飞行器1传输至飞行器2的数据可以是飞行记录仪B在与飞行器1与附图中未示出的第三方飞行器相交的经历时间对应的时间间隔期间所收集的数据。

然而,可以例如通过传输该时间间隔和先前的时间间隔来将冗余引入到飞行器1所传输的数据中。如果遇到这种情况,则二进制吞吐率可以翻倍。

在第一实施例中,飞行器在着陆之后查询本地服务器以被告知所述状态以及飞行期间与该飞行器相交的M个飞行器的状况。只有在发生事故/意外的情况下,所累积的数据才会被传送至网络。

在第二实施例中,如果需要,航空管理机构可以请求并强迫向其传送受调查的飞行器的飞行数据。于是,这些数据将被传送至事故或意外位置的民用航空管理局的服务器上。

其他实施例

步骤300期间所测试的参数可以是布尔变量,不过通常可以假定两个以上的数值,每个数值指示相应的故障级别。从而可以将具有低重要性的损坏状况与紧急状况区分开。

针对参数的每个值,可以通过控制模块C将对应的方向性和/或对应的功率配置在发射机A中。因此,发射的状况能够很好地与飞行器1中所检测到的损坏的重要性级别相适应。

再多了解一些
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