一种用于预测飞行器所产生的尾涡流的移位的预测方法与流程

本发明涉及一种适用于两个飞行器编队飞行的方法，这两个飞行器包括被跟随飞行器(被称为前导飞行器)和在前导飞行器后方飞行的跟随飞行器。执行本方法允许跟随飞行器在前导飞行器操纵之后规避与前导飞行器所产生的尾涡流交叉。

背景技术：

前导飞行器在其尾流中、在其机翼中的每个机翼处产生尾涡流。从机翼开始，尾涡流首先倾向于彼此接近，然后在它们之间维持或多或少恒定的距离，同时相对于产生尾涡流的高度而降低高度。

有利的是，跟随飞行器能够计算前导飞行器所产生的尾涡流的中心位置，以便将其自身侧向地置于距涡流的中心最佳距离处，使得其从涡流的上升气流中最大地获益以便减少其燃料消耗。在跟随飞行器机翼末端与涡流的中心之间测量的这个最佳距离大于10m。通过将自身置于这个最佳距离内，跟随飞行器反而将经历对乘客的舒适度而言不可接受的湍流，在跟随飞行器的机身接近涡流的中心时更剧烈。

在编队飞行的过程中，可能的是前导飞行器例如由于大气扰动(风、湍流等)而转向或经受竖直加速度。现在，前导飞行器所产生的涡流的中心的相继位置将跟随前导飞行器的移动，其移位幅度取决于它们距前导飞行器的距离。

为了在前导飞行器的操纵之后使跟随飞行器不与尾涡流的中心交叉，跟随飞行器的轨迹必须能够预测在前导飞行器的操纵之后涡流中心的移位(也就是说涡流轨迹)。

技术实现要素：

本发明的目的是完全地或部分地解决这个需要、并且涉及一种用于预测被称为前导飞行器的飞行器所产生的尾涡流的移位的方法，所述方法由嵌入在称为跟随飞行器的飞行器中的飞行管理系统执行，所述跟随飞行器在所述前导飞行器的尾流中飞行，所述飞行管理系统被配置成用于计算轨迹、并且根据所述跟随飞行器的飞行参数限定所述跟随飞行器的飞行计划，并且用于根据所述前导飞行器的飞行参数计算所述尾涡流的中心位置，所述方法包括以下相继的步骤：

-建立编队飞行的步骤，其中，所述跟随飞行器的飞行管理系统限定飞行计划，在所述飞行计划中，所述跟随飞行器距所述前导飞行器预定的距离飞行、并且将其自身置于距尾涡流的中心预定的距离处；

-接收惯性参数的步骤，其中，所述跟随飞行器的飞行管理系统明确表达对所述前导飞行器的惯性参数的请求、并且经由所述前导飞行器与所述跟随飞行器之间的信号交换来接收所述前导飞行器的惯性参数；以及

-决策步骤，其中，所述跟随飞行器的飞行管理系统评估所述跟随飞行器的轨迹与所述尾涡流的轨迹交叉的可能性：

·如果所述飞行管理系统估算出所述跟随飞行器的轨迹与所述尾涡流的轨迹交叉，则所述飞行管理系统修改所述飞行计划，使得所述跟随飞行器规避所述尾涡流。

因此，凭借本发明，在前导飞行器后方编队飞行的跟随飞行器的乘客保持最佳的舒适度，即使在前导飞行器采取将修改其产生的尾涡流的轨迹的操纵(例如由于遵循或修改飞行计划的故意操纵，或由于湍流/风的非自愿操纵)时也是如此。

附图说明

通过阅读关于附图所给出的对示例性实施例的以下说明，本发明的以上所提及的特征以及其他特征将变得更加明显，在附图中：

-图1是包括多个嵌入式系统的飞行器的示意性表示，这些嵌入式系统允许执行根据本发明的用于预测尾涡流的移位的方法；

-图2是嵌入图1的飞行器中的碰撞规避系统的细节的示意性表示；

-图3a至图3c是两个图1所示出的飞行器的编队在不同时刻的示意性表示，这两个飞行器包括产生尾涡流的正在转向其右侧的前导飞行器(图3b)和在前导飞行器的尾流中编队飞行、并且执行根据本发明的用于预测尾涡流的移位的方法的跟随飞行器；

-图4是根据本发明的实施例的、由与如图3a至图3c所表示的飞行器编队飞行的跟随飞行器所执行的用于预测尾涡流的移位的方法的步骤的示意图；并且

-图5是根据本发明的另一个实施例的、由与如图3a至图3c所表示的飞行器编队飞行的跟随飞行器所执行的用于预测尾涡流的移位的方法的步骤的示意图。

具体实施方式

关于图1，飞行器l、f包括两个机翼1l、2l和嵌入其机身7l、7f的多个系统，这些系统包括嵌入式计算机类型的、用于限定飞行器的飞行计划的飞行管理系统3l、3f，用于辅助飞行员遵循飞行计划的驾驶辅助系统4l、4f，adirs(空中数据惯性参考系统)类型的惯性参考系统5l、5f，以及用于防止与其他飞行器碰撞的任何风险的碰撞规避系统6l、6f。

驾驶辅助4l、4f，惯性参考系统5l、5f和碰撞规避系统6l、6f被连接至飞行管理系统3l、3f。

飞行管理系统3l、3f被连接至惯性参考系统，并且被连接至飞行器的多个传感器(未表示出)，该飞行管理系统从该惯性参考系统中接收该飞行器的不同惯性参数(飞行器的航向、滚转角、侧向倾斜角、纵倾、侧滑角等)，该飞行管理系统从这些传感器中接收飞行器的飞行参数(海拔、飞行器的重量、飞行点处的空气密度、加速度、速度等)。基于这些不同的参数，飞行管理系统3l、3f被配置成用于计算飞行器l、f的轨迹。

飞行管理系统4l、i除管理/限定飞行器l、f的飞行计划之外，还被配置成用于根据另一个飞行器的飞行参数中计算由所述飞行器产生的每个尾涡流的中心位置。

飞行器所产生的尾涡流的中心位置是通过计算所述涡流的下降速率wv而获得的，例如由以下关系式计算：

其中，

m是产生涡流的飞行器的重量(kg)

g是重力加速度(m/s²)

ρ是飞行点处的空气密度(kg.m-3)

v是产生涡流的飞行器飞行速度(m.s-1)

bv是两个涡流之间的间距(m)＝产生涡流的飞行器的翼展

nz是飞行器所承受的载荷系数。

驾驶辅助系统4l、4f可以由飞行员激活，该飞行员在下述模式之间选择所述系统的操作模式：

·自动驾驶模式，其中，驾驶辅助系统4l、4f通过成组的伺服控制来控制飞行器l、f，以便使该飞行器遵循由飞行管理系统3l、3f提供的飞行计划；

·飞行指挥模式，其中驾驶辅助系统4l、4f向飞行员提供显示在驾驶舱的屏幕(未表示出)中的这些屏幕之一上的图像辅助，以便在有待执行的使飞行器遵循由飞行管理系统3l、3f提供的飞行计划的操纵中引导他或她。

应当注意到，在执行编队飞行时，飞行员必须以这两种操作模式中的一种或另一种激活驾驶辅助系统以辅助他或她驾驶飞行器l、f。

如已知的，碰撞规避系统6l、6f警告飞行器l、f的机组人员与在监视体积内飞行的其他飞行器碰撞的可能性，该监视体积围绕飞行器分布(超过360°)并且其尺寸取决于飞行器l、f的速度。

参照图2，碰撞规避系统6l，6f是tcas(交通碰撞规避系统)类型的有源装置，并且为此目的包括：

-中央处理单元类型的询问器10l、10f，该询问器被连接至安装在飞行器上的至少一个定向天线11l、11f(被称为询问器天线)；

-中央处理单元类型的应答器12l、12f(或航空术语中的xpdr)，该应答器被连接至安装在飞行器上的至少一个(例如，全向性)天线13l、13f(被称为应答器天线)。

在tcas类型的有源装置的操作原理中，跟随飞行器f的询问器10f以1030mhz的固定频率和规律的间隔(例如，每秒)传输询问信号。

接收询问信号的前导飞行器l的应答器12l通过向跟随飞行器f传输响应信号来进行响应。响应信号包含前导飞行器l的标识符，并且允许跟随飞行器的飞行管理系统3f在对所述信号进行分析之后估算碰撞时间并且采取措施来消除任何碰撞风险。

根据本发明的允许跟随飞行器规避与前导飞行器所产生的尾涡流交叉的方法将关于图3a至图3c和图4进行说明。

考虑了在其两个机翼1l、2l处各自产生尾涡流30、31(分别是，左舷对应于左侧机翼1l处产生的尾流–并且右舷对应于右侧机翼2l处产生的尾流)的飞行器l(被称为前导飞行器)以及在前导飞行器l的尾流中飞行的跟随飞行器f。如以上所描述地装备前导飞行器l或跟随飞行器f中的每一者。附图中的参考号后缀l表示前导飞行器，或者f表示跟随飞行器。

在图3a至图3c所展示出的实例中，跟随飞行器f在初始位置(图3a)，随后在图3b和图3c中开始转向右侧。

-在建立编队飞行的步骤e1中，跟随飞行器f的飞行管理系统3f为跟随飞行器的驾驶辅助系统4f限定飞行计划，以使跟随飞行器f与前导飞行器l相距预定的距离、并且将其置于距尾涡流中的一个涡流(例如如在图3a至图3c示出的右舷尾涡流31)的中心预定的距离处。在执行这个步骤后，跟随飞行器f从尾涡流的上升气流中受益。作为实例，在执行这个步骤后，跟随飞行器f使其左侧机翼位于距右舷尾涡流31的中心侧向距离(大于10m且小于100m)处、并且以距前导飞行器l在近似0.8nm(0.8海里＝1481.6m)与1.8nm(1.8海里＝3333.6m)之间的距离飞行；

-在以规律的频率执行的接收惯性参数的步骤e2中，跟随飞行器f的飞行管理系统3f对前导飞行器l明确表达对惯性参数的请求、并且经由跟随飞行器的碰撞规避系统6f与前导飞行器的碰撞规避系统6l之间的信号交换来接收前导飞行器l的惯性参数。

详细地讲，接收惯性参数的步骤e2包括：

·询问子步骤e2a，其中，跟随飞行器f的询问器10f周期性地经由询问器天线11f以例如1030mhz在四个90°方位区段中的每一个方位区段中传输询问信号。所传输的询问信号包含前导飞行器l的地址和跟随飞行器f的飞行管理系统3f所明确要求的对前导飞行器l的惯性参数的请求；以及

·传输子步骤e2b，其中，在跟随飞行器的监视体积中飞行的前导飞行器l的应答器12l经由询问器天线11l接收来自跟随飞行器f的询问信号，随后经由应答器天线13l以例如1090mhz向跟随飞行器f的询问器10f发送响应信号来响应来自跟随飞行器f的询问信号。响应信号由一连串脉冲构成，这些脉冲包含前导飞行器l的标识符和跟随飞行器f所请求的、并且由前导飞行器的惯性参考系统5l提供的前导飞行器l的惯性参数；以及

·接收子步骤e2c，其中，跟随飞行器f的询问器10f经由天线11f将传输的响应信号接收至飞行管理系统3f，该飞行管理系统编译前导飞行器l的惯性参数。

-然后，在决策步骤e3中，跟随飞行器f的飞行管理系统3f估算/评估跟随飞行器f的轨迹与尾涡流(图3a至图3c的实例中的右舷尾涡流)的轨迹交叉的可能性，特别是在前导飞行器l的由其惯性参数的修改所反应的操纵之后。通过计算尾涡流的轨迹，随后通过对比这个轨迹跟随飞行器的轨迹做出确定。从计算涡流中心位置并且根据前导飞行器l的惯性参数计算预测这些中心的移位，飞行管理系统3f计算涡流的轨迹。

如果飞行管理系统3f确定跟随飞行器f的轨迹与尾涡流的轨迹交叉，则飞行管理系统3f修改飞行计划，并且因而修改跟随飞行器f的轨迹，以便消除跟随飞行器f与尾涡流之间交叉的任何可能性。跟随飞行器f的驾驶辅助系统4f遵循经修改的飞行计划并且跟随飞行器f的轨迹被修改(图3c)，使得该跟随飞行器规避尾涡流(图3c的实例中的右舷尾涡流31)。

本发明的优点中的一个优点是确保在前导飞行器l后方编队飞行的跟随飞行器f的乘客保持最佳的舒适度，即使在前导飞行器l进行将修改其产生的尾涡流的轨迹的操纵(例如由于遵循或修改飞行计划的故意操纵，或由于湍流/风的非自愿操纵)时也是如此。

对于在跟随飞行器f上的操作，执行用于预测尾涡流的移位的方法是透明的，因为它是完全自动化的。

在本发明的变体实施例中，飞行管理系统包括数据库3b(参见图5)，该数据库包括决策表，该决策表可以在该飞行器是在两个飞行器编队飞行中跟随着前导飞行器l的飞行器f的情况中使用。

在决策表中，列出了前导飞行器l可能的不同操纵(例如：例如以10°的滚转角和2g的载荷系数转向左侧、以10°的纵倾和1g的载荷系数爬升等)，并且前导飞行器l的每个操纵具有与其相关联的、用于规避与前导飞行器l的尾涡流交叉的两个预定的规避操纵：在跟随飞行器f受益于前导飞行器l所产生的左舷尾涡流30(也就是说如果跟随飞行器f在所述涡流的左侧飞行)的上升气流的情况下的第一规避操纵，以及在跟随飞行器f受益于来自前导飞行器l所产生的右舷尾涡流31(也就是说如果跟随飞行器f在所述涡流的右侧飞行)的上升气流的情况下的第二规避操纵。

根据这个变体，并且参照图5，如上所述的方法被修改为：

-在接收惯性参数的步骤e2之后、并且在决策步骤e3之前，跟随飞行器的飞行管理系统3f在估算步骤e2bis中根据前导飞行器惯性参数来估算其所采取的操纵(例如：例如以10°的滚转角和2g的载荷系数转向左侧，以10°的纵倾和1g的载荷系数爬升等)；

-在决策步骤e3中，评估不是通过轨迹计算而进行的，而是通过由飞行管理系统3f进行搜索在估算步骤e2bis中所确定的前导飞行器的操纵与数据库3b的决策表中所记录的操纵中的一个操纵之间的对应关系来进行的。

如果没找到对应关系，则不修改跟随飞行器f的飞行计划。

然而，如果找到对应关系，则飞行管理系统3f：

-在确定子步骤e3a中，确定跟随飞行器相对于前导飞行器的尾涡流的位置(也就是说确定跟随飞行器是使用来自左舷尾涡流30的上升气流还是使用来自右舷尾涡流31的上升气流)，并且

-在修改子步骤e3b中，修改飞行计划以执行与在估算步骤e2bis中所确定的操纵相关联的、并且与该飞行器的预定位置和跟随飞行器f相对于前导飞行器的尾涡流的轨迹相关联的规避操纵。

在这个修改子步骤e3b之后，跟随飞行器f的驾驶辅助系统4f遵循经修改的飞行计划并且跟随飞行器f的轨迹被修改(图3c)，使得该跟随飞行器规避尾涡流(例如图3c的实例中的右舷尾涡流31)。

作为展示，决策表可以包括以下规避操纵，在两个飞行器l和f编队的情况下、并且在跟随飞行器f使其左侧机翼1f位于距前导飞行器l的右舷尾涡流31的中心最佳侧向距离处的情况下：

a/如果前导飞行器l以10°的滚转角和2g的载荷系数转向右侧，则跟随飞行器f必须以20°的滚转角和2g的载荷系数转向右侧；

b/如果前导飞行器l以10°的倾斜和2g的载荷系数转向左侧，则跟随飞行器f必须以20°的滚转角和3g的载荷系数转向右侧；

c/如果前导飞行器l以-0.1g的载荷系数和-10°的纵倾下降，则跟随飞行器f必须以0.1g的载荷系数和+20°的纵倾爬升；

d/如果前导飞行器l以0.1g的载荷系数和10°的纵倾下降，则跟随飞行器f必须以-0.1g的载荷系数和-20°的纵倾下降。

应当注意到，规避操纵可以具有比前导飞行器l所采取的操纵更大的幅度，并且这样做是为了考虑从前导飞行器l向跟随飞行器f传输惯性参数的延迟。

在图4和图5中所示出的方法中，优选地在修改飞行计划之后的预定的时间(例如30秒)的末尾执行重新初始化步骤e4，以便规避与尾涡流30、31的轨迹交叉。在这个重新初始化步骤中，飞行管理系统3f修改跟随飞行器f的飞行计划以将该跟随飞行器重新置于其初始位置(参见图3a)。

通过考虑前导飞行器和跟随飞行器经由它们的tcas类型的碰撞规避系统进行通信来使跟随飞行器获得前导飞行器的惯性参数，已经描述了本发明。然而，可以使用其他系统，例如数据链类型的系统、ads-b类型的系统等而不脱离本发明范围。