本发明涉及一种用于向被称为侵入飞行器(intruder aircraft)的飞行器传输至少一个其他飞行器的飞行参数使得所述侵入飞行器能够精确地计算由引导飞行器在其尾迹中生成的尾流涡的中心的位置或者所述尾流涡的流动强度的方法。
背景技术：
飞行中的飞行器在其尾迹中生成两个尾流涡。从机翼开始，涡流首先趋于移动得更靠近彼此，并且然后彼此维持或大或小的恒定距离，同时关于涡流被生成的高度而下降。
在飞行器后面形成尾流涡是众所周知的且经记录的，并且具体地，由飞行器生成的涡流的中心的位置是通过计算其下降速度来获取的。这取决于飞行器的飞行参数，诸如，质量、高度、横滚角、空气动力学配置、大小、飞行点处的空气密度、速度等。
有益的是，被称为侵入飞行器的飞行器能够精确地计算由被称为引导飞行器的飞行器在尾迹中生成的涡流的位置，以便：
-在引导飞行器后面以编队飞行，同时从涡流中的上升气流中获取最大益处以便减小其燃料消耗；或者
-避免经受由涡流引起的湍流。
对于在引导飞行器后面以编队飞行侵入飞行器来说，另外有益的是，计算由引导飞行器生成的尾流涡的流动强度，以便有效地将其自身定位在涡流的上升气流中。流动强度还能够通过了解引导飞行器的飞行参数(诸如，质量、大小、飞行点处的空气密度、速度等)来计算。
以已知的方式，彼此靠近的飞行器以自动方式在彼此之间具体地经由TCAS(Traffic Collision Avoidance System，空中防碰撞系统)型主动防碰撞设备传达数据。装配在飞行器上的这种系统能够监测多达四十五架在TCAS的监测体积内飞行的其他飞行器，并且因此，飞行器之间的自动数据通信的带宽必须被限制为使得仅交换预测碰撞风险所需的高度。因此，由于带宽的限制，不能够向侵入飞行器传输计算由引导飞行器生成的涡流的中心的下降速度或计算所述尾流涡的流动强度所需的飞行参数。
技术实现要素：
本发明的一个目的是解决这种问题并且实现向侵入飞行器自动传输(在没有人工干预的情况下)引导飞行器的飞行参数，使得侵入飞行器能够计算由引导飞行器生成的尾流涡的中心的位置或者所述尾流涡的流动强度。
为此，本发明涉及一种用于向至少一架侵入飞行器传输引导飞行器的飞行参数的方法，每架飞行器包括：
-防碰撞系统，被配置成检测与在所述飞行器周围分布的监测体积内飞行的其他飞行器碰撞的可能性，所述系统包括询问器和应答器，所述询问器连接至被称为询问器天线的定向天线；
-飞行管理系统，收集所述飞行器的飞行参数；以及
-飞行参数传输授权系统，连接至所述防碰撞系统，所述飞行参数传输授权系统具有数据库，所述数据库包括限定了被称为置信体积的体积的坐标，所述置信体积小于所述飞行器的所述监测体积；
所述方法包括以下连续步骤：
-询问，其中，所述引导飞行器的所述询问器经由询问器天线在90°方位角的四个分段中的每一个中传输询问信号，所述询问信号包含所述引导飞行器的地址；
-接收，其中，所述引导飞行器的所述询问器响应于来自所述引导飞行器的所述询问信号从位于所述监测体积内的每架侵入飞行器的所述应答器处接收响应信号，所述响应信号包括所述侵入飞行器的由所述侵入飞行器的所述飞行管理系统提供的高度；
-计算，其中，所述引导飞行器的所述询问器在以下各项的基础上确定每架侵入飞行器的位置：对所述询问信号的所述传输与对来自所述侵入飞行器的所述响应信号的所述接收之间的时间差、对承载所述侵入飞行器响应信号的波的分析、以及对所述侵入飞行器的高度的了解；
-在所述数据库的基础上比较和确定每架侵入飞行器相对于所述置信体积的位置；以及
-只有在侵入飞行器位于所述置信体积内时，由所述引导飞行器的所述飞行参数传输授权系统向所述引导飞行器的所述应答器传输用于向所述侵入飞行器的所述询问器传输被称为富集信号的信号的指令，所述富集信号包括由所述引导飞行器的所述飞行管理系统提供并且使所述侵入飞行器的所述飞行管理系统能够计算由所述引导飞行器生成的尾流涡的中心的位置或者所述尾流涡的流动强度的一个或多个飞行参数。
作为本发明基础的构思是在引导飞行器的尾迹中创建尺寸小于监测体积的有限置信体积，本质上仅有限数量(最多2架)的侵入飞行器能够位于所述置信体积中。
仅与在具有有限尺寸的所述置信体积内飞行的侵入飞行器交换所述引导飞行器的飞行参数使得不可能超过自动通信的带宽的最大容量。
本发明还涉及一种用于实施所述传输方法的飞行器。所述飞行器包括：
-防碰撞系统，包括询问器和应答器，所述询问器连接至被称为定向天线的询问器天线，所述防碰撞系统被配置成检测与在所述飞行器的周围分布的监测体积内飞行的被称为侵入飞行器的其他飞行器碰撞的可能性；
-飞行管理系统，收集所述飞行器的飞行参数；
所述飞行器包括连接至所述防碰撞系统的飞行参数传输授权系统，所述飞行参数传输授权系统具有数据库，所述数据库包括限定了被称为置信体积的体积的坐标，所述置信体积小于所述监测体积，并且所述飞行管理系统被配置成在侵入飞行器的飞行参数的基础上计算由所述侵入飞行器生成的尾流涡的中心的位置或者计算由所述侵入飞行器生成的所述尾流涡的流动强度。
附图说明
在阅读以下对示例性实施例的描述之后，本发明的上述特征连同其他特征将变得更加明显，所述描述参照附图给出，其中：
-图1是根据本发明的飞行器的示意图，所述飞行器包括使得能够实施根据本发明的飞行参数传输方法的多个机载系统，即，防碰撞系统、飞行管理系统和数据传输授权系统；
-图2是图1的飞行器的防碰撞系统、飞行管理系统与数据传输授权系统之间的连接的细节的示意图；
-图3是由两个如图1所示的飞行器组成的编队的示意图，即，生成尾流涡的引导飞行器和在引导飞行器的尾迹中以编队飞行的侵入飞行器；
-图4是类似于图3的视图，其中，侵入飞行器穿过引导飞行器的尾迹；
-图5是根据本发明的飞行参数传输方法在图3或图4的情况下的引导飞行器与侵入飞行器之间的步骤的示意图；
-图6是类似于图1的视图，其中，飞行器还包括ADS-B系统；并且
-图7是根据本发明的飞行参数传输方法在各自包括ADS-B系统的引导飞行器与侵入飞行器之间的步骤的示意图。
具体实施方式
参照图1，飞行器L、I包括两个机翼1L、2L以及在其机身11L、11I中的多个机载系统，即，FMS型飞行管理系统4L、4I和连接至飞行管理系统4L、4I的防碰撞系统5L、5I。
FMS型飞行管理系统4L、4I编译飞行器的飞行参数；质量、高度、横滚角、空气动力学配置、大小、飞行点处的空气密度、速度等。
根据本发明，飞行管理系统能够在接收到另一飞行器的飞行参数后计算由所述另一飞行器生成的尾流涡的中心的位置。
具体地，由飞行器生成的涡流的中心的位置是通过计算所述涡流的下降速度、生成涡流的高度以及生成涡流的飞行器的速度和大小来获取的。下降速度Wv是例如使用以下关系式来计算的：
m是生成涡流的飞行器的质量(kg)
g是由于重力而产生的加速度(9.81m/s2)
ρ是飞行点处的空气密度(kg.m-3)
V是生成涡流的飞行器的速度(m.s-1)
bv是这2个涡流之间的间距(m)，所述间距等于生成涡流的飞行器的大小
φ是生成涡流的飞行器的横滚角(deg)
nz是生成涡流的飞行器所经受的载荷系数。
以已知的方式，防碰撞系统5L、5I向引导飞行器的机组人员警告与在飞行器周围(超过360°)分布并且尺寸取决于飞行器L、I的速度的监测体积内飞行的其他飞行器碰撞的可能性。
参照图2，防碰撞系统是TCAS型(“空中防碰撞系统”)主动设备并且为此包括：
-中央单元型询问器6I、6L，连接至安装在飞行器上的至少一个定向天线7L、7I(被称为询问器天线)；
-中央单元型应答器8L、8I(或航空术语中的XPDR)，连接至安装在飞行器上的例如全向的至少一个天线9L、9I(被称为应答器天线)；
-听觉型和/或视觉型常规警告单元(未示出)，被定位在飞行器的驾驶舱中；以及
-显示单元(未示出)，被定位在飞行器的驾驶舱中。
监测体积的尺寸取决于由询问器以预定义功率并且以预定义角度传输的波。
当各自配备有TCAS型防碰撞设备的两个飞行器朝着彼此会聚时，飞行器的每个防碰撞设备5L、5I确定另一飞行器(被称为侵入飞行器I)的位置，并且估计与侵入飞行器的碰撞时间I。防碰撞设备5L、5I传输向机组人员通知可能的未来碰撞的交通警告或者传输避碰机动命令以引起机组人员和飞行管理系统4L、4I的注意以便将飞行器带离碰撞可能性情况。警告/命令被具体化为由警告单元发出的语音消息并且被具体化为由显示单元进行的信息显示。
根据本发明，飞行器L、I还包括飞行参数传输授权系统20L、20I，连接至飞行管理系统4L、4I并且连接至防碰撞系统5L、5I。飞行参数传输授权系统20L、20I属于中央单元型并且以已知的方式包括至少一个处理器21L、21I和多个存储器(未示出)。数据库22L、22I被记录在所述存储器中的至少一个中。
数据库22L、22I包括链接至飞行器L、I的参考系中的坐标，所述坐标限定了位于飞行器L、I后面并且具有尺寸小于监测体积的体积(被称为置信体积(volume of confidence))。置信体积是例如固定的并且在飞行器后面的2海里(3.704km)的长度、3200英尺(975.36m)的高度以及9200m的宽度上延伸。宽度和高度的范围分别关于飞行器L、I的正中面和机翼面(也就是说，垂直于正中面并且将飞行器的机身分成上部部分和下部部分的平面)均匀分布。在置信体积的这种定义的情况下，估计至多只有1架或2架侵入飞行器能够位于所述置信体积内。
存储器还包括由所述至少一个处理器21L、21I执行以便判定在飞行器L、I附近飞行的侵入飞行器I的由防碰撞系统确定的位置是处于置信体积之内还是之外的指令。
最后，存储器包括由所述至少一个处理器21L、21I执行以便只要侵入飞行器位于置信体积内就授权向所述侵入飞行器传输飞行参数的指令，所述飞行参数将使侵入飞行器能够计算由飞行器L、I生成的尾流涡的位置。更确切地，由飞行管理系统4L、4I提供的飞行参数是通过由应答器8L、8I向侵入飞行器I的询问器传输的信号的方式来发送的。
现在将参考图3至图5对根据本发明的方法进行阐述。考虑了在其两个机翼1L、2L中的每一个处生成尾流涡14L、15L(分别是左舷-右舷)的飞行器(被称为引导飞行器)以及在引导飞行器L的监测体积内飞行的多个侵入飞行器I。
在图3和图4中示出了单架侵入飞行器I：在图3中在引导飞行器L后面以编队飞行的侵入飞行器I，或者在图4中以基本上垂直于引导飞行器L的航向的航向穿过引导飞行器L的尾迹的侵入飞行器I。
引导飞行器L或侵入飞行器I中的每一个都像以上参照图1和图2所描述的那样配备。参考号针对引导飞行器而带有后缀L或者针对侵入飞行器而带有I。
根据本发明，在引导飞行器L中以循环方式(例如，每秒)实施以下步骤的序列。
-在询问步骤E1中，引导飞行器的询问器6L通过经由询问器天线7L在90°方位角的四个分段中的每一个中以1030MHz发送询问信号来询问侵入飞行器I的应答器8I。询问信号包含引导飞行器L的地址；
-在接收步骤E2中，侵入飞行器的从引导飞行器L接收到询问信号的每个应答器8I通过经由应答器天线9I以1090MHz向引导飞行器L的地址传输响应信号对来自引导飞行器L的询问信号进行响应。响应信号由引导飞行器的询问器6L接收和处理并且由包含侵入飞行器I的标识符以及与侵入飞行器的高度有关的信息的一系列脉冲组成；
-在计算步骤E3中，引导飞行器L的询问器6L确定对询问信号进行响应的每架侵入飞行器I相对于引导飞行器L的位置。为此，在第一子步骤E3a中，在传输询问信号与接收响应信号之间的时间差的基础上，询问器6L计算引导飞行器L与侵入飞行器I之间的距离。在第二子步骤E3b中，引导飞行器的询问器6L通过干涉测量法通过分析承载响应信号并由定向天线7L接收的波来计算侵入飞行器I的方位。在第三子步骤E3c中，在知道已经被询问并且已经进行响应的每架侵入飞行器I的高度、方位和距离的情况下，引导飞行器的询问器6L构建已经对询问信号进行响应的侵入飞行器I在引导飞行器L的参考系中的位置的三维图。询问器6L通过传输交通警告或回避碰机动命令来判定是否存在碰撞威胁并且随后像以上所描述那样进行反应。
询问、响应和计算步骤(步骤E1到E3)的序列以循环方式(例如，每秒若干次)发生。每架侵入飞行器I的速度是由引导飞行器的询问器6L在两个循环之间计算的。
应当注意的是，询问、接收和计算步骤的序列还在每架侵入飞行器I中同样以循环方式实施。在这些步骤期间，引导飞行器L的由侵入飞行器I询问的应答器8L经由其应答器天线9L向侵入飞行器的询问器6I传输响应信号，所述响应信号包括引导飞行器L的高度。
在一个循环的计算步骤E3之后，在比较和确定步骤E4中，引导飞行器的飞行参数传输授权系统20L在数据库22的基础上判定每架侵入飞行器I的在计算步骤E3中计算的位置是否处于置信体积C内。
如果侵入飞行器位于置信体积内，则在传输步骤E5中，引导飞行器的飞行参数传输授权系统20L向引导飞行器L的应答器8L传输用于向侵入飞行器的询问器6I传输被称为富集信号(enriched signal)的信号的指令。
富集信号包含由引导飞行器的飞行管理系统4L提供并且将使侵入飞行器的飞行管理系统4I能够精确地计算由引导飞行器L生成的涡流14L、15L的中心的位置的除了高度之外的一个或多个飞行参数。
相比而言，如果侵入飞行器I位于置信体积之外，则飞行参数传输授权系统20L不向引导飞行器的应答器8L传输任何命令。
比较步骤E4由引导飞行器的飞行参数传输授权系统20L在询问、响应和计算步骤(步骤E1到E3)的序列的每个新循环之后实施。因此，只要侵入飞行器I位于置信体积内，就向侵入飞行器传输实现对引导飞行器的尾流涡的中心的位置的计算的飞行参数。
作为本发明基础的构思是在引导飞行器的尾迹中创建尺寸小于监测体积的有限置信体积，本质上仅有限数量(最多2架)的侵入飞行器能够位于所述置信体积中。因此，可以向被标识为在所述置信体积内飞行的有限数量的飞行器传输引导飞行器的除了高度之外的飞行参数，而不会超过通信带宽的容量。
在知道这些飞行参数的情况下，侵入飞行器I的飞行管理系统4L能够精确地计算由引导飞行器L生成的涡流14a、14b的位置，以便：
-在引导飞行器L后面以编队飞行，同时从涡流中的上升气流中获取最大益处以便减小其燃料消耗(图3的情况)；或者
-避免经受由涡流引起的湍流(图4的情况)。
有利地，为了进一步优化对带宽的使用，引导飞行器的飞行参数传输授权系统20L的处理器21L(计算在两个循环E1至E3内计算的侵入飞行器I的速度)确定位于置信体积C内的侵入飞行器I在离开置信体积C之前的剩余时间。如果所述时间比预定时间(例如，5秒)短，则传输步骤E5不由参数传输授权系统20L实施，即使侵入飞行器I仍位于置信体积C内。
作为变体，并且参照图6，引导飞行器L和侵入飞行器I各自配备有连接至防碰撞系统并且连接至卫星定位系统51L、51I(在图中未示出)的ADS-B(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，广播式自动相关监视)型自动空中交通管制系统50L、50I。来自自动空中交通管制系统50L、50I的在侵入飞行器I与引导飞行器L之间经由飞行器的应答器8L、8I周期性地(例如，每秒)传输和交换的消息包含陆地地理参考系中的坐标(由卫星定位系统提供)。
考虑这种变体，并且参照图7，如以上所述的方法由计算步骤E3之后的确认步骤E3bis进行补充。在确认步骤E3bis期间，将在计算步骤E3中确定的侵入飞行器I的位置与通过读取由侵入飞行器I传输的来自自动空中交通管制系统的最后一条消息来给出的侵入飞行器I的位置进行比较。如果这些位置在误差范围内相匹配，则实施比较步骤E4，否则，如果这两个位置之差太大(大于15％)，则不实施比较步骤E4。
这种变体的有利之处在于其使得能够检查在接收步骤E2中接收到的来自侵入飞行器I的响应信号还未被希望知道引导飞行器L的飞行参数的个人劫持。
在一个变体中，为了使引导飞行器的飞行参数(除了高度之外)仅对在置信体积C内飞行的侵入者飞机I可用，由引导飞行器的应答器8L以限制功率传输(在传输步骤E5中)富集信号的波，使得在误差范围内所述波不能够传播到大于引导飞行器在计算步骤E3中已经确定的距离的距离之外，以便考虑不利波传播状况。
这种变体的有利之处在于其使得能够检查向侵入飞行器传输的飞行参数(除高度之外)不能够被希望知道引导飞行器的这些飞行参数的个人截获。
根据本发明，富集信号可以包括仅一个飞行参数，在这种情况下为引导飞行器的质量。具体来说，这是不能够被估计并且为了使飞行管理系统计算涡流的中心的下降速度而有必要知道的唯一飞行参数。引导飞行器的其他飞行参数(诸如速度和高度)对于其自身来说是从TCAS型防碰撞系统之间的常规数据通信中了解/推导出的。因此，具体地，引导飞行器L的位于侵入飞行器的监测体积内并且由侵入飞行器I询问的应答器8L经由其应答器天线9L向侵入飞行器的询问器6I传输响应信号，所述响应信号包括引导飞行器L的高度。
除了计算由引导飞行器L生成的尾流涡(14L，15L)的中心的位置之外，侵入飞行器的接收引导飞行器L的飞行参数的飞行管理系统4I可以被配置成计算由引导飞行器生成的尾流涡的其他特征。因此，侵入飞行器的飞行管理系统4I还可以被配置成计算由引导飞行器生成的尾流涡的流动强度Γ，以便当侵入飞行器在引导飞行器后面以编队飞行时有效地将其自身定位在涡流的上升气流中。
流动强度Γ是例如使用以下关系式来计算的：
其中，
m是生成涡流的飞行器的质量(kg)
g是由于重力而产生的加速度(9.81m/s2)
ρ是飞行点处的空气密度(kg.m-3)
V是生成涡流的飞行器的速度(m.s-1)
bv是这2个涡流之间的间距(m)，所述间距等于生成涡流的飞行器的大小
nz是飞行器所经受的载荷系数(g)。