专利名称：用于推断飞行器参数的方法和系统的制作方法
用于推断飞行器参数的方法和系统
背景技术：
本发明通常涉及用于管理空中交通的方法和系统。更具体地，本发明的若干方面包括用于使用可以借助于可调参数进行修改的模型预测飞行器的轨迹的方法和系统。那些参数可以具有直接的物理意义(例如重量)或它们可以是抽象的，如在两个物理变量的比率(例如推力与质量的比率)的情况下。对于许多空中交通管制和轨迹管理应用来说，精确的轨迹预测是关键，并且推断参数的能力有助于改进预测精度的水平。优选地，轨迹预测方法和系统能够利用空中导航系统提供者(ANSP)的或运行控制中心(OCC)的自动化系统。基于轨迹的运行(TBO)是美国下一代空中运输系统(NextGen)和欧洲的单一欧洲天空ATM研究(SESAR)两者的关键组成部分。为了推进这个概念，在这两项计划中存在有大量的正在进行中的工作。飞行器轨迹同步和轨迹谈判(trajectory negotiation)是现有TBO概念中的关键能力，并且提供了框架来改进空域运行的效率。在TBO中实现的轨迹同步和谈判还使空域使用者(包括飞行操作者(航空公司)、飞行调度员、驾驶舱人员、无人驾驶的航空系统和军队使用者)能够有规则地飞越靠近他们优选的(使用者优选的)轨迹的轨迹，使得商业目标(包括节省燃料和时间、风-最佳航线选定以及绕过天气区行进的指导)能够被并入TBO概念。同样地，存在有对于生成支持轨迹同步和谈判的技术的期望，所述技术又能够促进并加速TBO的采用。正如本文所使用的，飞行器的轨迹是飞行器从起飞到降落所沿着的三维位置的时序序列，并且可以通过轨迹向量的时序集用数学方式进行描述。相反，飞行器的飞行计划将被称为信息(或者为物理文件或者是电子的)，所述信息在起飞之前由飞行员或飞行调度员向当地的民航局申报，并且包括如出发点和到达点、估计的在途时间这样的信息以及可以由空中交通管制(ATC)用来提供跟踪和航线选定服务的其他通用信息。包括在飞行轨迹概念中的是，存在有具有中心线以及围绕这个中心线的位置和时间不确定度的轨迹路径。轨迹同步可以定义为消除(resolving)飞行器的轨迹的不同表示之间的差异的过程，使得任何剩余差异在运行上是可忽略的。什么构成在运行上可忽略的差异取决于轨迹的预期用途。对于战略需求估计来说，相对较大的差异可能是可接受的，然而对于在战术分离管理中使用，差异必须更加小。TBO的首要(overarching)目标是通过使用空间(纟韦度、经度、海拔高度)和时间上的精确四维轨迹(4DT)来降低与飞行器的未来位置相关联的不确定度。由改进的轨迹预测产生的精确4DT的使用具有显著降低飞行器的未来飞行路径的不确定度的能力，包括为正在接近它们的到达机场的一组飞行器预测到达地理位置(被称为计量定位(meteringfix)、到达定位(arrival fix)、或角柱(cornerpost))的到达时间的能力。这样的能力代表了从目前的“基于放行许可管制(clearance-based control)”方法(其取决于飞行器的当前状态的观测)到具有允许飞行器沿着使用者优选的轨迹飞行的目标的基于轨迹的管制方法的显著改变。因此，对于TBO来说关键的使能者不仅是精确的、有计划的轨迹(或者可能多个轨迹)的可用性并为ATC提供有价值的信息以允许空域的更有效使用，而且是更精确的轨迹预测器，如果与适合的决策支持工具(DST)—起使用的话，所述轨迹预测器将允许ATC试计划(trial-plan)不同的备选解决方案以解决由空域使用者提出的请求同时满足ATC约束。TBO的另一个使能者是在飞行器和地面之间交换数据的能力。若干空中-地面通信协议和航空电子设备性能标准已存在或正在开发中，例如，管制员飞行员数据链通信(CPDLC)和自动相关监视合同(ADSC)技术。存在许多已经被提议并且目前正使用于空中和地面上的自动化系统中的轨迹建模和轨迹预测框架和工具，例如在标题为“Predicting Aircraft Trajectory”的WO2009/042405 A2、标题为 “System and Method for Stochastic Aircraft Flight-PathModeling”的 US7248949 以及标题为“Trajectory Prediction”的 US 2006/0224318 Al 中所描述的那些。然而，这些轨迹建模和轨迹预测方法和系统并未公开用于导出或推断不能以显式形式得到或知道但是又是轨迹预测器获得更高程度的预测精度所需要的参数的任何能力。改进的预测精度要求飞行器的性能特性的更好认识。然而，在一些情形下，由于与被认为对于操作者来说是战略性的和私有的信息有关的利害关系，所以无法与地面自动化直接共享性能信息。这个类别的两个典型示例是飞行器重量和成本指数。在其他的情形下，用于传递相关性能参数的空中-地面通信系统的带宽经常受到约束。其他显著的空白继续存在于实现TBO中，部分归结于确认行为和效益评估的缺乏。作为响应，General Electric公司和Lockheed Martin公司已经创建了联合战略研究倡议(JSRI)，其目的在于生成打算加速在空中交通管理(ATM)领域中采用TBO的技术。JSRI的工作已包括使用GE的飞行管理系统(FMS)和飞行器专门技术以及使用LockheedMartin的ATC领域专门技术(包括航路自动化现代化(ERAM)和公共自动化雷达终端系统(公共ARTS))，以探讨和评价轨迹谈判和同步概念。地面自动化系统典型地提供能够在时间和空间上预测飞行器的路径、能够提供计划和执行关键空中交通管制和交通流量管理功能(例如调度、冲突预测、分离管理以及一致性监视)所需要的信息的轨迹预测器。在飞行器上，FMS可以通过飞行器的自动飞行控制系统(AFCS)将轨迹用于闭环制导。许多现代FMS也能够满足要求的到达时间(RTA)，所述要求的到达时间可以由地面系统分配给飞行器。尽管有上面技术的能力，但是与基于轨迹的运行有关的问题继续存在，包括其中轨迹预测器需要的参数可以从可用信息(例如从下行链接的信息)中获得以保证使用者实现他们的商业目标同时完全地兑现了所有ATC目标(安全分离、交通流量等等)的高效的空中交通管制过程的方式。特别是，存在有对于使地面自动化系统能够通过具有获得轨迹预测器所使用的关键参数(例如与飞行器的性能有关的那些关键参数)的能力来提高它们的预测精度的需要。然而，飞行器和引擎制造商认为详细的飞行器性能数据是私有的并且在商业上是敏感的，其可能会限制用于地面自动化系统的详细并精确的飞行器性能数据的可获得性。此外，飞行器推力、阻力和燃料流特性可以基于地面自动化系统将很可能不知道或不能够明确地获得的飞行器的使用年限和自维护以来的时间而显著地变化。在一些情形下，由于与被认为对于操作者来说是战略性的和私有的信息有关的利害关系，所以无法与地面自动化直接共享飞行器性能信息(例如毛重和成本指数)。即使已直接共享了这些性能参数，因为飞行器和地面自动化系统使用的飞行器性能模型可以显著地不同，所以如果直接使用的话，它们可能实际上降低了地面轨迹预测的精度。除了上述之外，通过提高与支持更高效的空域运行的需要、飞行器飞行计划或空域约束中潜在修订的影响以及对用于传递相关性能参数的带宽的约束相结合的空中交通的水平，使地面自动化系统提高它们的预测精度的能力进一步变得复杂。
发明内容
本发明提供了一种方法和系统，所述方法和系统适合于推断轨迹预测器参数并且在一些情况下能够利用可用的空中-地面通信链路能力，所述空中-地面通信链路能力可以包括作为有计划的航空系统增强的一部分可用的数据链路能力。本发明还考虑了其中语音通信的利用更普遍的当前运行。本发明的方法和系统优选地使地面自动化系统能够通过推断它的轨迹预测算法所使用的关键参数来提高它们的预测精度，即使在飞行器和地面轨迹预测器所使用的飞行器性能模型不直接映射时。根据本发明的第一方面，该方法包括接收关于飞行器的轨迹预测信息，并且接着使用这个信息来推断(提取)以其他方式对于地面自动化系统来说是未知的飞行器的轨迹预测器参数。在本发明的优选实施例中，接着可以将轨迹预测器参数应用于地面自动化系统的一个或多个轨迹预测器来预测飞行器的轨迹。 根据本发明的优选方面，可以应用参数估计技术(例如贝叶斯推理)以便递归地改进关于未知的轨迹预测器参数的先验信息。可以通过将为飞行器预测的轨迹预测信息(例如来自通常从飞行器的机载轨迹预测器可得到的精确模型)与由另一个轨迹预测器生成的轨迹预测信息集进行比较来估计飞行器的轨迹预测器参数。可以通过在可能的值上改变将要被估计的参数输入来生成该轨迹预测信息集，此后可以基于比较来更新该参数估计。因此，如果应用这些技术，则可以使用关于未知的轨迹预测器参数的先前认识，即使其充斥了高不确定度。本发明的另一优选方面涉及使用概率密度函数(PSD)和更新过程来估计和改善飞行器的轨迹预测器参数的估计。本发明的其他方面包括适于执行上述方法和步骤的系统。本发明的技术效果是推断飞行器的轨迹预测器参数以显著改进基于地面的轨迹预测器的精度的能力。尽管可以将与飞行器的性能有关的监视和测量数据的使用并入上述方法用于预测飞行器的轨迹的目的，但是本发明不会只依赖于监视和测量数据的使用，正如试图预测飞行器轨迹的现有技术系统和方法的情况。无论如何，可以接着将利用本发明显著改进基于地面的轨迹预测器的精度的能力转化为更好的计划能力，特别是在需要更好地认识那些参数的飞行阶段期间(例如在执行连续下降进场(CDA)时)。由本发明的参数推断过程使能的其他潜在优势包括空中-地面通信系统的降低的带宽利用以及用于预测与特定操纵相关联的成本的改进能力，所述能力可以使ATC系统能够生成具有由飞行器引起的成本的考虑因素的操纵报告。由下面详细的描述将会更好地理解本发明的其他方面和优势。
图1是根据本发明的优选方面的、用于预测空域内飞行器的四维轨迹的参数推断过程的框图。图2是包含显示与飞行器的爬升顶点(T/C)相对应的飞行器的沿航线距离对飞行器的起飞重量的依赖关系的三条曲线的曲线图。图3定性地描绘了本发明可以采用的参数更新过程。
具体实施例方式本发明描述了用于推断以其他方式对于地面自动化系统来说是未知的飞行器性能参数的方法和系统。优选地根据由飞行器操作者经由可以是语音和/数据的通信链路提供的飞行器状态数据和轨迹意图(intent)信息导出所述性能参数。特别地，本发明的方法和系统可以利用数据链路能力(如果可用的话)，包括可以作为有计划的航空系统增强的一部分可用的那些数据链路能力。本发明的方法和系统还可以考虑其中语音通信的利用更普遍的当前运行，在这种情形下有用的信息可以包括通常由飞行员通过语音传送的关键轨迹改变点，例如下降顶点(ToD)相对于计量定位的位置或爬升顶点相对于起落架离开点(wheels-off point)的位置。另外，可以使用监视信息来改进推断过程。将推断的参数用于使用地面自动化系统为飞行器行为建模以用于如轨迹预测、试计划以及预测飞行器运行成本这样的目的。如之前所讨论的，空中交通管理(ATM)技术依赖于将飞行器的状态投射到四维(纬度、经度、海拔高度和时间)(4DT)中的未来。飞行器的4DT可以用来检测关于飞行器的有计划的飞行的潜在问题(例如多飞行器之间分离标准的预测的损失)以及关于分配的空中交通管制资源在给定的空域中安全处理大量飞行器的能力的潜在问题。当检测到这样的问题时，可以使用本发明来推断以其他方式是未知的飞行器性能参数以便确定那些其他的4DT是否可以能够以安全和高效方式减轻特定问题，由所述飞行器性能参数可以为飞行器预测一个或多个试轨迹或“假设”轨迹并且将一个或多个试轨迹或“假设”轨迹用于评估对飞行计划或轨迹的潜在修正的影响。推断的飞行器性能参数允许地面自动化系统改进飞行器的性能模型的精度以超出以其他方式是可得到的和通常使用的精度，这允许空中交通管制更精确地执行轨迹预测和试计划。特别地，能利用这样的性能模型的预测器方法和系统提高了预测的轨迹的精度并且允许将飞行器运行成本考虑因素并入试计划过程。图1示意性地表示了根据本发明的一个方面的参数推断过程和系统。在该图中，所有块示出了可以在地面系统上执行的功能。例如，它们可以驻留在空中交通管制中心或航空公司运行中心。地面系统接收来自飞行器的、与预测的轨迹有关的信息。如果这个信息直接来自飞行器，则可以经由数据传输链路(例如ADS-C (自动相关监视合同))传输该信息。可以从以标准ARINC702A-3定义的飞行管理计算机(FMC)的“轨迹意图总线(Trajectory Intent Bus)”获得所传输的数据的元素。还可预见,这个信息可以始于航空公司运行中心，在这种情形下，可以经由与已经用于合作的空中交通管制目的并用于申报飞行计划的那些相类似的基于地面的网络将该信息传递给空中交通管制。此外，还可以经由语音通信传输信息，在这种情形下，数据可以包括定义飞行器轨迹的一些元素，它们的示例有:键入FMC的到达计量定位的需要的到达时间(RTA)、轨迹改变点(爬升顶点、下降顶点等等)或键入方式控制面板的参数。该信息本身可被分成两组:1)到轨迹预测过程(U)的输入，例如速度调度、假定风等等，以及2)输出，更具体地，所预测的垂直剖面(Xvc)或它的元素中的一些。假定在参数推断过程中使用的垂直剖面或它的元素中的一些将使用关于经常不为地面自动化系统所知因而需要推断的性能相关的参数的详细信息来构成。图中的专用块表示垂直剖面信息的提取。备选地，这个步骤可以由飞行器来执行，在这种情形下，该垂直剖面将被直接提供给地面自动化系统。可以通过由时间、沿航线距离和海拔高度组成的η个三维点的集合来表示下行链接的垂直剖面。
权利要求
1.一种推断飞行器性能参数的方法，所述飞行器性能参数能够被轨迹预测器使用来预测飞行器的轨迹，所述方法包括: 接收关于飞行器的轨迹预测信息；以及接着 使用所述轨迹预测信息来推断以其他方式对于地面自动化系统来说是未知的飞行器的轨迹预测器参数。
2.按权利要求1所述的方法，其中从所述飞行器传输关于所述飞行器的所述轨迹预测信息。
3.按权利要求2所述的方法，其中接收步骤包括在所述飞行器和所述地面自动化系统之间使用通信链路。
4.按权利要求1所述的方法，其中所述轨迹预测信息包括所述飞行器的至少一个轨迹改变点的相对位置。
5.按权利要求4所述的方法，其中所述飞行器性能参数包括根据所述至少一个轨迹改变点的相对位置推断出的所述飞行器的起飞重量，并且所述至少一个轨迹改变包括爬升顶点或下降顶点中的至少一个。
6.按权利要求1所述的方法，所述方法还包括将所述轨迹预测器参数应用于所述地面自动化系统的一个或多个轨迹预测器来预测所述飞行器的轨迹。
7.按权利要求1所述的方法，其中使用步骤包括通过将所述飞行器的所述轨迹预测信息与轨迹预测信息集进行比较来估计所述飞行器的所述轨迹预测器参数中的至少一个轨迹预测器参数，所述轨迹预测信息集利用轨迹预测器通过在可能的值上改变所述飞行器的所述轨迹预测器参数而生成，并且接着基于比较来更新所述至少一个轨迹预测器参数。
8.按权利要求1所述的方法，其中使用步骤还包括使用所述飞行器的监视和测量数据来推断所述飞行器的所述轨迹预测器参数。
9.按权利要求1所述的方法，其中使用步骤还包括使用概率密度函数和更新过程来估计和改善所述飞行器的所述轨迹预测器参数。
10.一种用于推断飞行器性能参数的系统，所述飞行器性能参数被轨迹预测器使用来预测所述飞行器的轨迹，所述系统包括: 用于接收关于飞行器的轨迹预测信息的装置；以及 用于使用关于所述飞行器的所述轨迹预测信息来推断以其他方式对于地面自动化系统来说是未知的所述飞行器的轨迹预测参数的装置。
11.按权利要求10所述的系统，还包括用于从所述飞行器传输关于所述飞行器的所述轨迹预测信息的装置。
12.按权利要求11所述的系统，其中接收装置包括所述飞行器和所述地面自动化系统之间的通信链路。
13.按权利要求10所述的系统，其中所述轨迹预测信息包括所述飞行器的至少一个轨迹改变点的相对位置。
14.按权利要求13所述的系统，其中所述飞行器性能参数包括根据所述至少一个轨迹改变点的所述相对位置推断出的所述飞行器的起飞重量。
15.按权利要求10所述的系统，所述系统还包括用于将所述飞行器性能参数应用于所述地面自动化系统的一个或多个轨迹预测器来预测所述飞行器的轨迹的装置。
16.按权利要求10所述的系统，其中使用装置包括用于通过将所述飞行器的所述轨迹预测信息与轨迹预测信息集进行比较来估计所述飞行器的所述轨迹预测器参数中的至少一个轨迹预测器参数的装置，所述轨迹预测信息集利用轨迹预测器通过在可能的值上改变所述飞行器的所述轨迹预测器参数生成，以及用于基于比较来更新所述至少一个轨迹预测器参数的装置。
17.按权利要求10所述的系统，其中使用装置还包括用于接收和使用所述飞行器的监视和测量数据来推断所述飞行器的所述轨迹预测器参数的装置。
18.按权利要求10所述的系统，其中使用装置还包括用于执行概率密度函数和更新过程来估计和改善所述 飞行器的所述轨迹预测器参数的装置。
全文摘要
适于推断飞行器的轨迹预测器参数用于预测飞行器轨迹的目的的方法和系统。该方法和系统涉及接收关于飞行器的轨迹预测信息，并且接着使用这个信息来推断(提取)以其他方式对于地面自动化系统来说是未知的飞行器的轨迹预测器参数。接着可以将轨迹预测器参数应用于地面自动化系统的一个或多个轨迹预测器来预测飞行器的轨迹。在某些实施例中，该方法和系统可以利用可用的空中-地面通信链路能力，该空中-地面通信链路能力可以包括作为基于轨迹的运行(TBO)的一部分可用的数据链路能力。
文档编号G08G5/00GK103093649SQ201210426479
公开日2013年5月8日 申请日期2012年10月31日 优先权日2011年10月31日
发明者M.卡斯蒂洛-埃芬, J.K.克卢斯特, H.W.小汤林森, S.托雷斯, 陈素强 申请人:通用电气公司, 洛克希德马丁公司