一种合作驾驶航空器系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种介于有人驾驶航空器和无人机系统的航空器，并集成为一种 新型航空器系统，属于航空技术领域。
【背景技术】
[0002] 目前的有人驾驶航空器技术，以飞行驾驶员为中心，主要表现是：1、飞机起飞离 地，飞行机组及飞行安全全权由机上的主驾驶员或机长负责；2、飞机离地期间，机长作出的 决定，地面及机场塔台实施配合；3、飞机离地后，地面没有强制管控飞行的手段。因此，飞机 在飞行期间的状况，很大程度上取决于飞行驾驶员单方面的判断和操控，如果介入了飞行 驾驶员的不安全因素，航空器的飞行安全问题变得复杂难以应对，其中包括飞行驾驶员的 意外失误、身体健康、驾驶主观动机等因素。让地面监控人员对空中的飞行起到管控、补充、 替代等积极作用，将会提高飞行安全性。
[0003] 无人机系统的发展，展示了无人化系统技术的先进性合理性。在空中，无人机已经 实现了高精度高可靠性的自动起飞、自动航线飞行、自动防相撞、航线高精度控制、航线重 置、自动着陆与复飞，无人机的飞行可以应对复杂天候，也具备了各种复杂机场条件的安全 起飞着陆控制。在地面，地面监控站已经能够在视距或超视距范围持续监控无人机的飞行 并随时调整飞行航线，能够及时处理飞行特情，并能够实施地面对无人机的人工遥控飞行， 飞行的状况及数据能够在地面提供实时报警并记录。无人机的飞行控制方法与有人机的飞 行控制方法有不同，航线的生成需要预先制定，或者临时快速生成，使用方法还不灵活，仍 然是先写程序后装到无人机系统中使用。这是典型的人机控制流程，即人给机器写程序，再 由机器按程序执行，总存在明显的时间间隔。人驾驶飞行生成的航线特点是"想到即驾、随 即生成"航线。新型航空器系统的技术可以初步实现多种自动航线生成方法，与人驾驶飞 行结合更能发挥飞行的灵活性与安全性。 【实用新型内容】
[0004] 本实用新型的目的在于提供一种合作驾驶航空器系统，结合有人驾驶航空器和无 人机系统的技术，构建空中和地面合作驾驶，提供易驾飞行与安全飞行的新技术航空器系 统。
[0005] 本实用新型的技术方案如下：
[0006] 本实用新型的一种合作驾驶航空器系统的设计方法是这样的：
[0007] 合作驾驶航空器系统包括航空器、移动地面监控站或固定地面监控站、复合数据 链的数据链路、中继通信设备；航空器内部设有飞行管理系统，驾驶员使用电传操纵系统驾 驶飞行，飞行管理系统则以信号激励或飞行任务管理方式进行飞行的自动控制；航空器与 移动地面监控站或固定地面监控站之间通过复合数据链的无线电数据链路相连接，通过复 合数据链将飞行管理系统的遥测数据信息下传到移动地面监控站或固定地面监控站，使得 地面监控站能够监视航空器的飞行数据或状态；移动地面监控站或固定地面监控站通过复 合数据链将控制指令或预定航线上传到航空器的飞行管理系统对航空器进行飞行的控制， 实现空中和地面的合作驾驶；多个移动地面监控站或固定地面监控站之间可以用地面有线 连接方式相连接，或者通过复合数据链的无线电数据链路相连接，构成互联互通网络系统； 航空器的复合数据链之间允许开通连接相互间的数据通信，构成数据共享局域网络。
[0008] 由航空器与地面的监视控制飞行的设备，共同组成空地之间信息与控制功能完整 的新型航空器系统，全系统可以分为三部分加以说明。一是航空器，机上为驾驶员配置电 传操纵系统。驾驶员可以使用电传操纵系统驾驶航空器飞行，电传操纵系统以飞行管理计 算机系统为核心，负责集成电传操纵器，参数传感器和控制执行系统，为驾驶员提供控制等 级和多种驾驶飞行的控制模式，便于驾驶员容易驾驶，并可以不依赖驾驶员的感觉进行自 动飞行，提高飞行安全性。同时，飞行管理系统作为一种飞行任务管理系统，具有为航空器 提供自动飞行控制的完整功能，因此，可为机上驾驶员提供自动模式驾驶飞行的用途，而 飞行管理系统的飞行管理计算机兼用于电传操纵系统，实现手动模式与自动模式的转换通 道。二是地面监视与控制系统，简称地面监控站，是监控人员通过数据链路及相应设备，对 航空器的飞行实施监视与控制的工作环境环境。三是连接航空器与地面监控站的数据链 路，即遥测遥控与信传系统，是一种为空地之间提供控制指令或数据信息链接的无线电链 路，包含了信息，控制和通信等内容。本实用新型的航空器与地面监控站共同构成的一种合 作驾驶航空器系统，简称合驾航空器或合驾飞机，可以为机上驾驶员提供多种驾驶飞行的 控制模式，包括机上的控制等级，以及手动模式，半自动模式和自动模式，地面监控站的监 控人员同样可以不依赖机上驾驶员而对航空器实施多种可选的飞行控制模式，也包括手动 模式，半自动模式和自动模式。
[0009] 具体的，本实用新型的合作驾驶航空器系统包括如下部分：
[0010] 1、总组成：
[0011] 合作驾驶航空器系统包括的航空器具有两种机上驾驶或控制飞行的方案。一是机 上驾驶员驾驶飞行的方案，其可以选择多种模式实现驾驶飞行。选择手动模式使用电传操 纵器驾驶飞行是其中的一种。二是驾驶员选择自动模式或半自动模式，由机上飞行管理系 统自动控制飞行的方案。
[0012] 合作驾驶航空器系统包括地面监控站的监控人员通过遥测遥控与信传系统及地 面监控站上有关设备，用遥控指令或数据对航空器进行飞行控制的方案，具有比机上控制 飞行优先的控制权。从而能够代替机上驾驶员对航空器进行飞行的控制，实现空中和地面 的合作驾驶。
[0013] 其中，遥测遥控与信传系统是在航空器与地面监控站之间构建连接的无线电链路 设备，或称复合数据链。通过复合数据链可将航空器的遥测数据信息下传到地面监控站，使 得地面监控站能够监视航空器的飞行数据或控制状态，而地面监控站通过复合数据链可将 监控人员的控制数据即遥控指令或可执行的预定航线（含复飞航线）上传到航空器的飞行 管理系统以进行航空器飞行的控制。复合数据链可分为视距性能的和超视距性能的两类， 一般采用卫星中继通信方法实现超视距性能。
[0014] 上述术语可执行的表示可以由计算机执行的指令程序或控制数据。根据航空器的 自动飞行原理，飞行管理系统通过对航行监测系统中的导航设备的数据进行计算，具有在 前个航点到当前航点之间，由地理坐标表达的位置偏离中，计算给出飞行航线并沿该航线 自动飞行的性能。
[0015] 2、系统构成：
[0016] 上述的飞行管理系统是航空器机载系统的中枢系统，主要由计算机及控制设备构 成。由飞行管理系统中的飞行管理计算机及有关单元，与航空器上机载系统分类连接，构成 相互输入与反馈的主运行系统。
[0017] -是连接作为参数传感器子系统的航行监测系统，发动机参数传感器，起落架/ 机轮参数传感器，获得有关监测参数的数据信息的输入。二是连接作为监视/操纵子系统 的复合数据链和座舱综合航电系统，互联互通有关数据信息和控制数据并供机上显示，输 入操作，或下传到地面监控站供地面人员使用。三是连接作为执行子系统的飞行控制系统， 推力控制系统和起降控制系统，输出控制数据，对相应的控制对象实施控制。四是机载各系 统与飞行管理系统计算机的连接使得飞行管理系统能够获得的机载各系统的参数和状态 数据，从而为新的扩展应用提供接口，如地面检测接口。
[0018] 在组合控制对象中，飞行控制系统包含电传操纵器，飞行控制计算机，控制器，控 制机构，连接控制对象气动舵面，分别对各气动舵面实施控制，实现对航空器飞行的航姿， 航线的控制。推力控制系统包含油门操纵器，推力控制计算机，控制器，控制机构，连接控制 对象发动机油门，控制发动机推力，配合飞行控制系统实现对航空器航线剖面，飞行速度的 控制。起降控制系统包含起降操纵器及刹车操纵器，起降及刹车控制计算机，控制器，控制 机构，连接控制对象起落架收放/机轮刹车，配合飞行控制系统实现对航空器着陆和滑行 的控制。飞行管理系统对所连接的飞行控制系统，推力控制系统和起降控制系统按照控制 等级进行组合控制。飞行管理系统中的飞行管理计算机和飞行控制系统的飞行控制计算 机，以及推力控制计算机和起降控制计算机，可以分别，或者合并，还可以结合使用，以合理 利用机载计算机资源。
[0019] 连接航空器的复合数据链，可分为机载复合数据链和站载复合数据链两部分并通 过无线链路连通为一体，与飞行管理系统及座舱综合航电系统连接。
[0020] 上述的飞行管理系统与机载复合数据链连接，将飞行管理计算机所连接的机载各 系统的数据信息和计算的控制数据通过机载复合数据链下传到地面监控站。相反，地面监 控站与站载复合数据链连接，将地面监控站的数据信息或控制数据通过站载复合数据链上 传到飞行管理系统计算或分发到所连接的机载系统，从而构成一种地空操纵方式。
[0021] 其中，座舱综合航电系统接收飞行管理系统分发来的数据信息，并在驾驶员目视 和操作可达的位置布置显示操作设备如选项显示组件CDU用于显示或操作，或者用计算机 器件，存储器及显示器设备的集成来实现控制和数据选项的显示或操作，或者选用现役飞 机成熟的控制显示组件CDU，飞行指引仪（用于显示当前航空器的位置和航姿），以及其它 电子飞行仪表（EFIS)。使用电传操纵器需要显示或操作的数据，指令，可以使用选项显示组 件CDU。选项显示组件可用于控制模式，限制范围，航线生成的显示和操作。CDU设计成机 上固定或可移动的方式，不带或自带电源，以便在机上快捷安装和与地面监控站连接检查。
[0022] 其中，连接气动舵面并起布局支撑作用的平台结构系统，连接发动机油门的动力 能源系统，连接起落架收放/机轮刹车并提供伺服能源的机电操纵系统，也都与飞行管理 系统连接并传送数据信息即所包含的性能数据，自检数据，运行和报警状态。同时，接收飞 行管理系统的控制数据并接受起动，自检，转换，关断的控制。
[0023] 航空器上的电源供电系统一般由主电源和蓄电池组成，构成不间断供电，其最低 电压高于各机载系统计算机重启的最低电压。主电源由一台或多台发电机构成，可引入新 能电源如太阳能或燃料电池作为电源。
[0024] 在航空器座舱内安装观察视频系统，与飞行管理系统连接，用于驾驶员与地面监 控站视频对话，可用于地面监控站观察驾驶员工作状态，特别在驾驶员异常状态时，为监控 人员提供控制或制定应急处置方案使用。
[0025] 3、控制等级：
[0026] 在飞行管理系统中构建与地面监控站的数据链连接，引入控制等级为飞行管理系 统控制其组合控制对象提供控制规律。可以通过选项显示组件为飞行管理系统设置三种可 以转换的控制模式，即手动控制，半自动控制和自动控制，为驾驶员提供不同驾驶方式。对 飞行管理系统选择手动模式时成为一种电传操纵系统，选择半自动模式和自动模式时成为 一种任务管理系统。
[0027] 上述的三种控制模式都通过飞行管理系统实现对控制对象的组合控制。一种实现 方法是，由地面人员给飞行管理系统装订控制等级，机上驾驶员可以选择控制模式，使飞行 管理系统可依据驾驶员给出的控制数据和传感器子系统数据信息，对所连接的组合控制对 象（飞行控制系统，推力控制系统和起降控制系统）按照控制等级所给的控制规律及其控 制函数，协同实施并实现相应的控制过程（以便按照符合控制等级的控制规律来响应各控 制对象控制模式的操控指令，并按照预定的控制函数来实现控制过程）。
[0028] 使用电传操纵器是手动模式的一种方法，优选采用数字三轴多余度电传操纵系 统，进一步的数字化方法可选数字式全权限的系统，而保留机械化方法可选择保留副翼的 机械传动。电传操纵器将机上驾驶员的操纵动作经过变换器转换为电信号的操纵指令传送 到飞行管理计算机，结合控制等级的控制规律，经过飞行管理计算机计算后生成动态航路 并分发管理，一路连接执行子系统，对控制对象进行符合本实用新型控制等级的组合控制， 由此构成本实用新型扩展的电传操纵系统，另一路连接监视子系统，将动态航路传输到显 示器或CDU上显示，并通过复合数据链传输到地面监控站上显示。驾驶员使用电传操纵器 控制飞行，其可生成的动态航线受到飞行范围和禁飞范围的限制。
[0029] 而驾驶员以手动模式操纵与飞行管理系统构成控制对象的油门操纵器，起降操 纵器及刹车操纵器的控制设备，将手动操纵生成的各控制指令通过共同连接的飞行管理计 算机计算，并分别接通/操作这些控制对象对应的气动舵面，或者发动机油门，或者起落架 收放/机轮刹车。飞行管理计算机也将按照预定的控制等级对这里的控制对象进行组合控 制，使得航空器的飞行符合控制等级的规定。
[0030] 机上驾驶员选择自动控制模式，并生成规划航线的控制数据传输到飞行管理系统 执行飞行的自动控制。飞行管理系统将按照控制等级，依据传感器子系统数据信息，对所连 接的飞行控制系统，推力控制系统和起降控制系统进行组合控制，实现飞行的自动控制。选 择自动模式后，电传操纵器的操纵指令不会被飞行管理系统接收，而飞行管理计算机自动 对各控制对象进行任务管理，按照控制等级和预定航线进行航空器飞行的自动控制。
[0031] 选择半自动模式飞行时，飞行管理系统也按照预定的控制等级和控制数据之一的 预定航线实施飞行的自动控制，同时允许驾驶员在飞行范围设定的航线范围内用电传操纵 器进行两种调控，一是在空中阶段可采用偏离调控辅助防相撞的方法，二是在着陆阶段可 采用纠偏调控的方法进