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用于使用到达时间控制的垂直导航的方法和系统的制作方法专利名称：用于使用到达时间控制的垂直导航的方法和系统的制作方法技术领域：一般地，本发明的领域涉及基于交通工具时间的管理系统，更具体地，涉及用于使用到达时间控制的垂直导航的方法和系统背景技术：按常规，飞行器在三维(纬度、经度和高度)中进行控制近来，在第四维(时间) 中控制飞行器的能力已经显示出使能了导致增加容量的高级空域管理使用基于时间的到达管理促进了较早的着陆时间指配以及更有效的使用跑道如果各飞行器能够使用它的最佳燃料飞行剖面图来确定其预期着陆时间，则这还导致了经济效益但是，在缺乏定义的几何下降剖面图或几何爬升剖面图的情况下，当前垂直导航控制算法使用在保持固定油门设定(典型为空载)的同时将升降舵控制到预定垂直路径或垂直速度的规则使用这种控制方法，允许速度在大范围值上波动，导致在飞行器下游的点处的、变化的且不准确的估计的到达时间(ETA)这不利地影响飞行器对时间限制(典型地称作要求的到达时间(RTA)或控制的到达时间(CTA))的遵守飞行器下降轨道或爬升轨道典型地通过机载飞行管理系统(FMS)、从目的地到下降开始的点(称作下降起点(T/D))向后构成。

这种计算的轨道的垂直部分由三个一般部分组成1)进场段-这是下降的最低部分，并且包含到最后着陆速度的减速连同高升力装置和起落架的放下(extension)2)几何段_这是下降的中间部分，并且计算为尝试承兑所有高度限制的航线的几何序列如果不存在要求它的高度限制，则这个段可以不存在3)空载段_这是下降的上面部分，并且假定下降的目标速度和空载推力来计算 在这个段的计算中假定估计的(“预测”)风和温度当飞行器正航行在轨道的空载段时，油门固定在空载设定，并且算法将升降舵控制到预定义的垂直路径(VPATH)在这种控制策略中，允许速度波动当用于构成下降路径的估计的参数(最值得注意的是风和温度)匹配实际参数时，飞行器的速度将匹配预计的目标速度但是，很可能估计的参数将不同于飞行中遇到的实际值，并且又引起飞行器的速度偏离目标空速用于空载段的传统垂直导航策略将允许实际空速偏离目标空速某个预设值(典型值为15节)当偏离超过预设阈值时，系统将尝试增加推力或者阻力(drag)，以使实际空速与目标空速之间的差置零对于欠速情况，系统将尝试通过使油门处于速度控制模式 (A/T啮合)或者通过提示飞行人员来增加推力对于超速情况，系统将尝试自动地或者通过提示飞行人员来增加阻力；当今大多数系统不支持自动增加阻力。

这种设计的最初目的是确保实际空速不超过机组人员、导航规程或航空主管部门实行的飞行器的性能极限和/ 或速度限制在满足速度限制和极限的同时最小化模式转变的愿望驱动了在目标速度附近使用相对大的速度储备(speed margin)但是，允许速度波动相对大的速度储备使得很难提前准确地满足飞行器的时间限制一备选方法最近已由美国专利申请US 2005/0283306提出在这种方法中，垂直导航控制策略是保留空载推力设定，并且使用升降舵来控制速度，只要实际飞行器高度处于当前横向位置处指定的垂直路径位置的某个范围之内当实际高度偏离超过这个值时， 控制策略修改成在保持目标速度的同时重新获得指定的垂直路径不幸的是，如果高度范围过大，则这种方法也将对到达时间控制具有负面影响，因为地速(它直接影响到达时间) 不只依赖于空速，而且还依赖于高度相反，如果高度范围过小，则飞行器的俯仰(Pitch) 可持续变化，并且负面影响飞行器乘客的舒适度应当注意，这种方法在要求附加阻力来处理预测参数中误差的状况下没有真正解决能量问题它只不过允许误差自身显现为高度误差而不是速度误差它没有真正解决四维的要求的导航性能(4D RNP)问题。

另一种备选方法已由美国专利6507782提出这个专利提升下降路径的构成，它采用较浅的下降路径段取代空载路径段由于路径比空载更浅，所以油门能够用于在大多数情况下控制速度，因而提高控制系统在下降时满足时间限制的能力建议了用于构成比空载更浅的路径的两种方法(1)假定升降舵上的速度来构成下降段，但使用空载推力加某个油门增量(空载+ Δ)而不是纯空载推力，或者(2)采用比空载更浅的恒定飞行路径倾角(FPA)取代空载段这两种思路都不是特别新，并且都具有其相对的缺点例如，空客 A320/A340FMS具有用于恒定速度空载段的空载+ Δ推力路径的概念A320/A340设计的意图是当减速板要求机组人员干预时增加一些速度储备，以允许FMS经由油门来自动控制速度偏离该专利中呈现的空载+Δ概念的问题在于，与A320/A340设计相似，它必须根据经验导出并且存储在各飞行器的性能数据库中与可修改FPA相比，它还导致相当静态的速度储备同样地，恒定FPA方式是本行业已经呈现并作为过去内部研发规划的一部分已经实现的思路这种方式的问题包括(a)它可引起更长的减速，(b)它在燃料使用方面可能非常昂贵，以及(c)它可能难以找到适于给定飞行器的一系列条件工作的、单个合理的 FPA。

发明内容在一个实施例中，用于控制交通工具的飞行路径的控制系统包括配置成接收交通工具的速度储备的输入装置和通信地耦合到输入装置的处理器，其中，将处理器编程为自动确定比交通工具的空载飞行路径更浅的、交通工具的飞行路径，并使用接收的速度储备来生成配置成保持确定的飞行路径的飞行控制面控制信号该控制系统还包括通信地耦合到处理器的输出装置输出装置配置成向交通工具的飞行控制系统传送飞行控制面控制信号在另一个实施例中，在下降期间控制飞行器的方法包括接收用于控制飞行器的速度储备输入，使用飞行控制处理器自动确定比飞行器的空载飞行路径更浅的、飞行器的第一飞行路径，使用接收的速度储备来生成配置成保持确定的飞行路径的飞行控制面控制信号，以及向飞行器的飞行控制面控制系统传送飞行控制面控制信号在又一个实施例中，交通工具包括配置成接收速度储备输入的输入装置，包括通信地耦合到输入装置的处理器的控制系统将处理器编程为自动确定比交通工具的空载飞行路径更浅的交通工具的飞行路径，并使用接收的速度储备来生成配置成保持确定的飞行路径的飞行控制面控制信号交通工具还包括通信地耦合到处理器的输出装置输出装置配置成向飞行控制面控制系统传送飞行控制面控制信号。

图1-图3示出了本文描述的方法和设备的示范实施例图1是诸如飞行器的交通工具的侧面正视图；图2是交通工具速度控制系统的示意框图；以及图3是在下降期间控制飞行器的方法的流程图具体实施例方式作为举例而不是作为限制，下面的详细描述示出了本发明的实施例预期本发明一般应用于控制工业应用、商业应用和住宅应用中的交通工具的系统实施例和方法实施例如本文所使用的，以单数叙述并作为不定冠词“一”的继续的元件或步骤应该理解为不排除复数个元件或步骤，除非明确叙述了此种排除此外，引用本发明的“一个实施例” 无意于被解释为排除还并入叙述特征的额外实施例的存在图1是按照本公开一实施例的、诸如飞行器的交通工具10的侧面正视图飞行器 10包括耦合到机身14的一个或多个推进发动机12、机身14中的座舱16、机翼部件18、包括一个或多个升降舵飞行面21的尾翼部件20、着陆部件22、控制系统(不可见)、以及使得交通工具10能够适当操作的多个其它系统和子系统图2是按照本发明一示范实施例的、交通工具速度控制系统100的示意框图在多个实施例中，交通工具速度控制系统100可以是飞行管理系统(FMS)(未示出)的一部分在多个其它实施例中，交通工具速度控制系统100可以是独立系统。

在示范实施例中， 交通工具速度控制系统100包括包含通信地耦合到存储器装置106的处理器104的控制器102控制器102通信地耦合到飞行器控制系统108，飞行器控制系统108配置成生成使用尾翼部件20上的升降舵21来控制飞行器的飞行路径的升降舵控制信号控制器102配置成接收来自一个或多个输入装置114或者来自其它交通工具系统115的输入信号输入装置114可包括人工输入装置116，以及例如提供与发动机的参数110或交通工具相关联的信号的传感器118如本文所使用的，人工输入装置116指的是直接与人进行交互的计算机装置，非限定性地例如是键盘、鼠标、跟踪球、触摸垫、指点杆(pointing stick)、图形输入板、操纵杆、驾驶或飞行模拟器装置、变速杆、方向盘、脚踏板、触觉手套、以及手势接口在操作期间，处理器104接收来自输入装置114、交通工具系统115、和/或存储器装置106的输入，以生成使用升降舵21来控制飞行器10的飞行路径的信号此外，生成的信号可用于控制燃气轮机的推力、液压致动器的位置、电动机的转矩和/或速度、或者内燃机的功率输出在示范实施例中，其中Δ推力基于预期速度储备的空载+ Δ飞行路径用于生成理论下降路径，理论下降路径用于控制飞行器的下降。

更浅的空载+Δ飞行路径在RTA操作期间用于代替空载飞行路径此外，航行这个飞行路径，其中升降舵21控制垂直路径并且油门控制速度，从而实现更严格的速度控制和增强的RTA准确度示范实施例不要求增加根据经验导出的、对各飞行保持为静态的FMS性能数据库表代替地，将△指定为速度储备的预期量(例如，10KCAS)，并且可由机组人员在飞行期间经由直接输入或间接输入来修改因此，空载+ Δ中的Δ与预期速度储备(AV)直接相关在示范实施例中，缺省AV由 FMS来计算，其然后可通过机组人员输入来改写缺省Δ V可简单地由数据库来提供；或者它可基于RTA算法所需的速度储备量来计算，以一致地在预期准确度之内满足时间限制 在这后一种情况下，到缺省ΔΥ计算中的输入可包括预测风和温度的估计的不确定性、预期RTA准确度、到RTA航点(waypoint)的距离或时间、存在或缺乏其它性能条目、以及RTA 算法本身的特性在一些实施例中，ΔΥ可以只是内部值按如下所示来导出示范实施例中示出的算法对于未加速飞行的能量交换方程表示为其中VS是飞行器的爬升率或垂直速度， T是推力， D是阻力，W是飞行器的总重，以及 Vt是飞行器的真正空速。

以不同形式重写，得到.T-D 一 VS W = ξΓ(2)方程能够陈述为潜在的飞行路径倾角等于对于未加速飞行的实际飞行路径倾角问题是计算比预期飞行速度要慢Δ V的空载飞行路径的飞行路径倾角(或VS)，并且然后计算以要求的飞行速度航行那个飞行路径倾角所需的推力航行具体飞行路径所需的推力如下给出(3)Vt上式中需要的VS是慢Δ V的飞行路径的VS这通过下式给出VS= t^av - Vt-AV代入，则T-hV ~T = D +其可简化成VT.AVFr(4)(5)Vt(6)在这个方程中T是空载+ Δ推力解，D是在你预期速度的阻力，Vt是等同你预期速度的真正空速(TAS)，ντ_Δν是等同比你预期速度少Δ V的TAS，Τ_Δν是在比预期速度少Δ V的空载推力，以及D_av是在比预期速度少Δ V的阻力最后，这种方法具有除RTA之外的应用建议的方法作为无需导出附加性能数据库表而并入空载+ △下降路径的节省成本方式，对改进型规划是有用的同样，这种方法具有作为降低爬升剖面图并支持路径爬升操作的发展的方式的应用图3是按照本发明一示范实施例的、在下降期间控制飞行器的方法300的流程图 方法300包括接收302用于控制飞行器的速度储备输入，使用飞行控制处理器自动确定 304比飞行器的空载飞行路径更浅的、飞行器的第一飞行路径，使用接收的速度储备来生成 306配置成保持确定的飞行路径的升降舵控制信号，以及向飞行器的升降舵控制系统传送 308升降舵控制信号。

如本文所使用的，术语处理器指的是中央处理器、微处理器、微控制器、精简指令集电路(RISC)、专用集成电路(ASIC)、逻辑电路、以及能够执行本文描述的功能的任何其它电路或处理器。