用于估计与参考引导轴线的角偏差、飞行器的位置和速度的方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种用于估计与参考引导轴线的角偏差、飞行器的位置和速度的系统(1)，其包括：偏移采集模块(2)，用于采集由测量模块(21)测得的偏移；位置向量采集模块(3)，用于采集由位置向量测量模块(31)测得的位置向量；速度向量采集模块(4)；用于估计参考引导轴线相对于朝向跑道的进场轴线的角偏差、用于估计飞行器相对于所述跑道的位置并用于估计所述飞行器相对于所述跑道的速度的模块。本发明专利技术公开了一种用于估计与参考引导轴线的角偏差、飞行器的位置和速度的方法。本发明专利技术还公开了包括该估计系统的飞行器。估计系统的飞行器。估计系统的飞行器。

【技术实现步骤摘要】
用于估计与参考引导轴线的角偏差、飞行器的位置和速度的方法和系统


[0001]本专利技术涉及一种用于在以着陆到跑道上为目的的进场过程期间估计与参考引导轴线的角偏差、飞行器的位置和速度的方法和系统。

技术介绍

[0002]对于机场的每条跑道，通常存在发布于航空图上的一个或多个预定义进场。每个预定义进场具有相应的参考进场轨迹，该参考进场轨迹尤其是通过朝向所考虑的跑道的进场轴线来表征。此进场轴线可以由侧向分量和竖直分量限定。侧向分量通常与跑道的纵向轴线对准。进场轴线的竖直分量通常与跑道形成3
°
的角。
[0003]在朝向机场跑道的进场过程期间，根据朝向所述跑道的预定义进场，可以通过无线电导航系统引导飞行器，以着陆到跑道上。此无线电导航系统可以对应于仪表着陆系统ILS。ILS系统包括位于地面上的至少一个发射站，该发射站被配置为发射引导信号，以允许飞行器接近对应于预定义进场的进场轴线。这些信号(也称为下降对准信号)特别地包括侧向引导信号，以允许飞行器确认其相对于参考进场轨迹的侧向偏移(相对于进场轴线的侧向分量的偏移)。此侧向引导信号通常被称为“航向信标(localizer)信号”。还存在竖直引导信号，以允许飞行器确认其相对于参考进场轨迹的竖直偏移(相对于进场轴线的竖直分量的偏移)。此竖直引导信号通常被称为“滑行信号”或“滑行坡度信号”。
[0004]发射这些信号的所述发射站由地方当局定期检查。这些检查的目的是确保地面发射站向ILS系统发射的信号的准确性符合国际民航组织ICAO的标准。
[0005]然而，由飞行器机载的ILS系统基于从发射站接收到的(侧向和竖直)引导信号而确定的参考引导轴线与对应于朝向跑道的预定义进场的进场轴线之间可能存在角偏差。同样，已分别由地理定位测量模块和惯性测量模块测得的飞行器的位置和速度测量值可能存在偏差。

技术实现思路

[0006]本专利技术旨在通过提出一种系统和方法来克服这些缺点，该系统和方法可以估计所述角偏差以及飞行器的位置和速度。
[0007]为此，本专利技术涉及一种用于在飞行器的以根据朝向跑道的预定义进场着陆到所述跑道上为目的的进场过程期间估计参考引导轴线相对于与朝向所述跑道的所述预定义进场对应的进场轴线的角偏差以及飞行器相对于所述跑道的位置和速度的方法，
[0008]所述进场过程是使用着陆辅助装置执行的，所述着陆辅助装置包括至少一个发射站，所述至少一个发射站被配置为发射定义所述参考引导轴线的参考引导信号，所述跑道具有入口，
[0009]所述进场过程包括捕获阶段和跟踪阶段，所述捕获阶段包括使所述飞行器朝向所述参考引导轴线靠拢，所述跟踪阶段包括沿着所述参考引导轴线引导所述飞行器。
[0010]根据本专利技术，所述方法包括迭代实施的至少一个步骤组，在每次迭代中实施的所述步骤组包括：
[0011]‑
由偏移采集模块实施的偏移采集步骤，所述偏移采集步骤包括采集基于由所述发射站发射的参考引导信号而由偏移测量模块测得的偏移；
[0012]‑
由位置向量采集模块实施的位置向量采集步骤，所述位置向量采集步骤包括采集基于由地理定位系统发射的信号而由位置向量测量模块测得的所述飞行器的位置向量，所述飞行器的位置向量是相对于所述跑道的入口来表示的，所述位置向量包括纵向位置、侧向位置和竖直位置；
[0013]‑
由速度向量采集模块实施的速度向量采集步骤，所述速度向量采集步骤包括采集由速度向量惯性测量模块测得的所述飞行器的速度向量，所述速度向量包括纵向速度、侧向速度和竖直速度；
[0014]‑
由信息确定模块实施的信息确定步骤，所述信息确定步骤包括使用估计滤波器基于所述位置向量、基于所述速度向量、基于在当前迭代中确定的偏移以及至少基于在至少一次先前迭代中确定和存储的偏移来确定至少以下信息：
[0015]·
所述参考引导轴线相对于朝向所述跑道的进场轴线的角偏差的估计，
[0016]·
所述飞行器相对于所述跑道的位置的估计，以及
[0017]·
所述飞行器相对于所述跑道的速度的估计；
[0018]‑
由存储模块实施的存储步骤，所述存储步骤包括至少存储在当前迭代中确定的偏移和位置向量。
[0019]因此，借助于该方法，能够估计基于引导信号由ILS系统确定的参考引导轴线与朝向跑道的进场轴线之间的角偏差。同样，还能够估计飞行器相对于跑道的位置和速度。使用估计滤波器联合地估计与引导轴线的角偏差以及飞行器的位置和速度使得可以获得高准确度的各个估计值。具体地，借助于此联合估计，所述值之一的估计不受存在于另一个所述值的偏差的影响。特别地，飞行器相对于跑道的位置的估计因此首先对于影响位置向量的偏差、其次对于ILS引导轴线相对于朝向跑道的进场轴线的对准偏差(对准偏差可能使由偏移测量模块测得的偏移的准确性恶化)具有鲁棒性。
[0020]根据第一替代方案，飞行器相对于跑道的位置的估计对应于例如在其原点对应于跑道入口的正交参考系统中相对于跑道的入口表示的飞行器的位置的估计，并且飞行器相对于跑道的速度的估计对应于相对于例如在其原点对应于跑道入口的正交参考系统中相对于跑道的入口表示的飞行器的速度的估计。
[0021]根据第二替代方案，飞行器相对于跑道的位置的估计对应于飞行器相对于参考引导轴线的位置的估计，并且飞行器相对于跑道的速度的估计对应于飞行器相对于参考引导轴线的速度的估计。
[0022]根据第一变型，该方法包括：
[0023]‑
由诊断模块实施的诊断步骤，所述诊断步骤包括基于所述信息确定步骤中确定的信息来验证所述偏移测量模块和所述位置向量测量模块有效或无效，如果检测到测量模块没有故障，则认为所述测量模块是有效的，如果检测到测量模块有故障，则认为所述测量模块是无效的，所述速度向量惯性测量模块被认为始终有效；
[0024]‑
由重新配置模块实施的重新配置步骤，所述重新配置步骤包括针对随后的迭代
对所述估计滤波器进行重新配置，以消除由被认为无效的一个或多个测量模块执行的测量。
[0025]根据第二变型，该方法包括由重新分类模块实施的重新分类步骤，所述重新分类步骤包括对在先前迭代中实施的所述诊断步骤中检测到故障的一个或多个测量模块进行重新分类，所述重新分类步骤在所述重新配置步骤之前。
[0026]此外，在所述估计滤波器是卡尔曼滤波器的情况下，所述重新配置步骤包括以下子步骤：
[0027]‑
由有效性子模块实施的有效性子步骤，所述有效性子步骤包括对所述偏移测量模块的有效性、所述位置向量测量模块的有效性和所述速度向量惯性测量模块的有效性进行合成；
[0028]‑
由存储子模块实施的存储子步骤，所述存储子步骤包括通过存储以下各项对在所述存储步骤中实施的存储进行管理：
[0029]·
在所述偏移符合预定有效性特征时在所述捕获阶段开始时的所述偏移和所述位置，
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于在飞行器(AC)的以根据朝向跑道(RWY)的预定义进场着陆到所述跑道上为目的的进场过程期间估计参考引导轴线(A)相对于与朝向所述跑道(RWY)的所述预定义进场对应的进场轴线(B1，B2)的角偏差(b
align
，b
GPA
)以及飞行器(AC)相对于所述跑道(RWY)的位置(y
RWY
，z
RWY
)和速度的方法，所述进场过程是使用着陆辅助装置执行的，所述着陆辅助装置包括至少一个发射站(22)，所述至少一个发射站被配置为发射定义所述参考引导轴线(A)的参考引导信号，所述跑道(RWY)具有入口(T)，所述进场过程包括捕获阶段和跟踪阶段，所述捕获阶段包括使所述飞行器(AC)朝向所述参考引导轴线(A)靠拢，所述跟踪阶段包括沿着所述参考引导轴线(A)引导所述飞行器(AC)，其特征在于，所述方法包括迭代实施的至少一个步骤组，在每次迭代中实施的所述步骤组包括：
‑
由偏移采集模块(2)实施的偏移采集步骤(E1)，所述偏移采集步骤包括采集基于由所述发射站(22)发射的参考引导信号而由偏移测量模块(21)测得的偏移；
‑
由位置向量采集模块(3)实施的位置向量采集步骤(E2)，所述位置向量采集步骤包括采集基于由地理定位系统(32)发射的信号而由位置向量测量模块(31)测得的所述飞行器(AC)的位置向量，所述飞行器(AC)的位置向量是相对于所述跑道(RWY)的入口(T)来表示的，所述位置向量包括纵向位置、侧向位置和竖直位置；
‑
由速度向量采集模块(4)实施的速度向量采集步骤(E3)，所述速度向量采集步骤包括采集由速度向量惯性测量模块(41)测得的所述飞行器(AC)的速度向量，所述速度向量包括纵向速度、侧向速度和竖直速度；
‑
由信息确定模块(5)实施的信息确定步骤(E4)，所述信息确定步骤包括使用估计滤波器(51)基于所述位置向量、基于所述速度向量、基于在当前迭代中确定的偏移以及至少基于在至少一次先前迭代中确定和存储的偏移来确定至少以下信息：
·
所述参考引导轴线(A)相对于朝向所述跑道(RWY)的进场轴线(B1，B2)的角偏差(b
align
，b
GPA
)的估计，
·
所述飞行器(AC)相对于所述跑道(RWY)的位置(y
RWY
，z
RWY
)的估计，以及
·
所述飞行器(AC)相对于所述跑道(RWY)的速度的估计；
‑
由存储模块(6)实施的存储步骤(E5)，所述存储步骤包括至少存储在当前迭代中确定的偏移和位置向量。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
‑
由诊断模块(7)实施的诊断步骤(E6)，所述诊断步骤包括基于所述信息确定步骤(E4)中确定的信息来验证所述偏移测量模块(21)和所述位置向量测量模块(31)有效或无效，如果检测到测量模块(21，31)没有故障，则认为所述测量模块(21，31)是有效的，如果检测到测量模块(21，31)有故障，则认为所述测量模块(21，31)是无效的，所述速度向量惯性测量模块(41)被认为始终有效；
‑
由重新配置模块(9)实施的重新配置步骤(E8)，所述重新配置步骤包括针对随后的迭代对所述估计滤波器(51)进行重新配置，以消除由被认为无效的一个或多个测量模块(21，
31)执行的测量。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法包括由重新分类模块(8)实施的重新分类步骤(E7)，所述重新分类步骤包括对在先前迭代中实施的所述诊断步骤(E6)中检测到故障的一个或多个测量模块(21，31)进行重新分类，所述重新分类步骤(E7)在所述重新配置步骤(E8)之前。4.根据权利要求2和3中任一项所述的方法，其特征在于，在所述估计滤波器(51)是卡尔曼滤波器的情况下，所述重新配置步骤(E8)包括以下子步骤：
‑
由有效性子模块(91)实施的有效性子步骤(E81)，所述有效性子步骤包括对所述偏移测量模块(21)的有效性、所述位置向量测量模块(31)的有效性和所述速度向量惯性测量模块(41)的有效性进行合成；
‑
由存储子模块(92)实施的存储子步骤(E82)，所述存储子步骤包括通过存储以下各项对在所述存储步骤(E5)中实施的存储进行管理：
·
在所述偏移符合预定有效性特征时在所述捕获阶段开始时的所述偏移和所述位置，
·
在所述跟踪阶段开始时的所述偏移和所述位置；
‑
由可观测性子模块(93)实施的可观测性子步骤(E83)，所述可观测性子步骤包括基于所述进场的阶段制定用于设置某些状态的策略：
·
在所述捕获阶段通过将所述飞行器(AC)的位置的偏差设置为零，
·
在所述跟踪阶段通过将灵敏度因子偏差设置为其最近值或其平均值，
·
在开始估计所述飞行器(AC)的位置的偏差之前的预定次数的迭代之后通过对所述偏差进行插值；
‑
由适配子模块(94)实施的适配子步骤(E84)，所述适配子步骤包括基于在所述有效性子步骤(E81)中合成的有效性和在所述可观测性步骤(E83)中制定的设置策略来适配与所述卡尔曼滤波器(51)相关联的协方差矩阵。5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述偏移是侧向偏移，并且所述估计滤波器(51)是卡尔曼滤波器，所述卡尔曼滤波器基于以下状态向量：基于以下观测向量：基于以下状态方程：
并且基于以下观测方程：其中：x
RWY
对应于所述飞行器(AC)相对于所述跑道(RWY)的入口(T)的纵向位置，y
RWY
对应于所述飞行器(AC)相对于所述跑道(RWY)的入口(T)的侧向位置，b
align
对应于所述参考侧向引导轴线(A)相对于所述跑道(RWY)的纵向轴线(B1)的角偏差，对应于所述参考侧向引导信号相对于为0.7的标准化灵敏度因子的灵敏度因子偏差，vx
IRS
对应于由所述速度向量采集模块(4)采集的所述飞行器(AC)的纵向速度，vy
IRS
对应于由所述速度向量采集模块(4)采集的所述飞行器(AC)的侧向速度，vz
IRS
对应于由所述速度向量采集模块(4)采集的所述飞行器的竖直速度，对应于由所述速度向量采集模块(4)采集的所述飞行器(AC)的纵向速度的偏差，对应于由所述速度向量采集模块(4)采集的所述飞行器(AC)的侧向速度的偏差，对应于由所述位置向量测量模块(31)测量的所述飞行器(AC)的侧向位置的偏差，y
GNSS
对应于由所述位置向量采集模块(3)采集的侧向位置，η
LOC
对应于由所述偏移测量模块(21)以微安为单位测得并由所述偏移采集模块(2)采集的侧向偏移，对应于以下向量，所述向量包括在当前迭代之前的迭代i中以微安为单位测量的、存储并在所述侧向偏移采集步骤(E1)中采集的至少一个侧向偏移N对应于在当前迭代之前的迭代中测得和存储的侧向偏移的预定数量，和分别对应于在当前迭代之前和在与所述侧向偏移相同的迭代中存储并在所述侧向偏移采集步骤(E1)中采集的所述飞行器(AC)相对于所述跑道(RWY)的入口(T)的纵向位置和侧向位置，L对应于在所述跑道(RWY)的入口(T)与所述发射站(22)的位置在所述跑道(RWY)的纵向轴线(B1)上的正交投影之间的距离，d
offset
对应于在所述发射站(22)的位置与所述跑道(RWY)的纵向轴线(B1)之间的距离，
QFU对应于所述跑道(RWY)的几何取向。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述信息确定步骤(E4)中确定的信息还包括：
‑
以下变量的估计：
·
所述飞行器(AC)相对于所述跑道(RWY)的入口(T)的纵向位置(x
RWY
)，
·
所述参考侧向引导轴线(A)相对于所述跑道(RWY)的纵向轴线(B1)的角偏差(b
align
)，
·
与灵敏度因子有关的偏差
·
所述飞行器(AC)的侧向速度的偏差
·
由所述位置向量测量模块(31)测得的所述飞行器(AC)的侧向位置的偏差
·
所述飞行器(AC)的纵向速度的偏差
‑
用于以下变量的新...

【专利技术属性】
技术研发人员：纪尧姆，
申请(专利权)人：空中客车运营简化股份公司，
类型：发明
国别省市：