機場特徵顯示系統和用於保形顯示的數據交換方法
2023-04-30 10:43:46 1
專利名稱：機場特徵顯示系統和用於保形顯示的數據交換方法
技術領域：
本發明涉及航空器地面引導系統(SGS)，確切地說，涉及向航空器上的保形顯示系統(如平視顯示(HUD))傳送機場特徵數據的通信交換。
背景技術：
人們對加強航空器的地面引導非常感興趣。在航空器降落到機場上的跑道後，下一步是使航空器滑行到預定位置，如乘客登機/離機門。駕駛員很容易在構成機場的眾多跑道、滑行道、停機坪和建築物中迷惑或迷失。在大型機場中上述問題更加嚴重，並且在夜間時上述問題特別嚴重，因為大量光源很難使航空器滑行到預定位置。
有效的滑行操作節省時間和金錢。隨著機場越來越擁擠，航空器通常花費大量時間在跑道和艙門之間滑行。如果駕駛員錯誤轉彎、迷失或盲目到達錯誤跑道或滑行道上，滑行時間將更長。另外，錯誤轉彎或導航錯誤可能造成機場上的其他航空器的延誤。
機場地面引導能力的主要特徵是向駕駛員展現諸如跑道和滑行道之類的機場特徵。提供此類特徵信息的一種方法是利用平視顯示(HUD)，在監視航空器的前擋風玻璃的駕駛員的視線的前方區域內顯示HUD。駕駛員通常輸入或選擇地面管理員批准的滑行路線。然後在HUD上顯示滑行路線或路徑。駕駛員可以觀察HUD上顯示的特徵，就像疊加在駕駛員通過擋風玻璃看到的地面特徵上一樣。然而，當能見度較差時，駕駛員仍然可以觀看HUD上顯示的機場特徵。機場特徵向駕駛員提供航空器相對於所選滑行路徑的位置意識。
用於地面引導的實際航空電子設備實現的主要方面必須包括通信總線或數據鏈路，以便傳送在顯示屏上適當提供機場特徵所需的大量數據。實際實現機場特徵系統的障礙是需要清楚顯示機場特徵，最好在前擋風玻璃之外的駕駛員的視野內以保形方式顯示滑行指令和其他有用符號。代表機場特徵的數據可能消耗大量存儲量。由於必須在存儲器中存儲許多機場的數據，所以此問題更嚴重。另外，現有機場特徵顯示系統要求相應的高速通信總線向顯示系統(如HUD)傳送機場特徵數據。上述需求連同許多航空電子設備系統只有有限數據存儲容量且不具備高速總線的事實，嚴重妨礙了在許多航空器上的現有HUD系統上實現機場特徵的努力。顯示機場特徵的一種方法是利用具有更大數據存儲容量和高速數據總線的新設備升級航空器航空電子設備系統。然而，必須設計、認證此類系統，與現有航空電子設備套件集成，並安裝此類系統。所有這些使得升級非常昂貴，因此，對許多航空器而言，上述方法在經濟上是不可行的。
所有機場特徵顯示系統不僅能夠完成顯示機場特徵的任務，而且應使顯示的特徵有用並且該系統具有高性能價格比。同時需要設計以最低成本改型現有航空器航空電子設備系統的機場特徵顯示系統。
因此，持續目標是尋找縮減費用、降低滑行錯誤、縮短滑行時間以提高機場效率的方法。
發明內容
為實現上述目標以及其他目標，本發明的機場特徵顯示系統包括特有的數據交換方法，該方法通過現有數據總線傳送機場特徵，而無需設計或安裝新的高速數據總線。對於改型應用，只需最低限度的修改，機場特徵顯示系統就能與許多現有的HUD系統兼容。
根據本發明的一個方面，集成機場特徵顯示系統作為提供航空器航線規劃功能的飛行管理系統(FMS)的擴展。許多航空器上安裝有FMS，FMS包括實現本發明之機場特徵顯示系統所需的許多組件。例如，FMS可能包括處理器，數據存儲設備，用戶界面，並且通常與諸如HUD之類的眾多顯示系統通信。
本發明的另一方面在於降低向HUD傳送代表機場特徵數據的帶寬需求。這對於在現有航空器上實現高性能價格比的特徵顯示系統是很重要的。FMS和HUD之間的許多現有通信總線不具備傳送特徵數據的足夠帶寬。此類總線的一個例子是通常在FMS和HUD之間傳送數據的電子飛行儀器系統(EFIS)。本發明顯著降低了所需的帶寬。向HUD傳送機場標石的高解析度坐標。高解析度坐標需要兩個字的Aeronautical Radio公司(ARINC)數據。本發明以一個字的方式傳送剩餘數據坐標，利用一個字表示參照機場標石(即參考點)的高解析度位置。因此，本發明能夠將所需帶寬大約降低一半。這足以使用現有通信總線並且大大節省費用。
顯然，本發明是對現有系統的重大改進。另外，熟練技術人員可以理解，本發明並不限於與FMS一起使用。可使用其他處理器、顯示屏和數據輸入設備實施本發明。
隨後的詳細說明書闡述本發明的附加特徵和優點，詳細說明書的部分內容對熟練技術人員是顯而易見的，或者通過按照隨後的詳細說明書、權利要求書和附圖實施本發明，部分理解本發明。
應該理解，以上描述僅僅是本發明的示例，目的是為理解權利要求書定義的本發明的實質和特徵提供概述。包含附圖的目的是為了更好地理解本發明，附圖構成詳細說明書的一部分。附圖表示本發明的各種特徵和實施方式，附圖與其詳細說明書一起解釋本發明的原理和操作。
圖1表示根據本發明的機場特徵顯示系統之某一實施方式的框圖；圖2表示HUD屏幕上的示例機場特徵顯示；圖3表示根據本發明的示例機場參考位置格式；圖4表示根據本發明的示例滑行路線格式；圖5表示與圖4所示的滑行路線示例相對應的滑行路線分段；圖6表示根據本發明計算機場特徵的相對緯度/經度坐標的算法的流程圖；以及圖7表示根據本發明的示例機場符號和地面標識格式。
具體實施例方式
以下詳細參照本發明的最佳實施方式，其中
其示例。在所有附圖中，相同參考號數指相同或相似部件。
圖1表示根據本發明的機場特徵顯示系統的典型實施方式，全文用參考號數10標識該系統。首先簡述本發明的機場特徵系統的組件，然後詳細說明。本發明的最普通用途是作為諸如商務客機或貨機之類的航空器的現有FMS和HUD中的集成組件，因此，以下論述將參照此類應用來說明本發明。
參照圖1，該圖表示根據本發明的機場特徵系統以及有關航空器系統的框圖。各種各樣的航空器系統均可以包括本發明，因此，一併稱為機場特徵顯示系統10。機場特徵顯示系統10包括飛行管理計算機(FMS)11，多功能控制顯示裝置(MCDU)12，導航資料庫(NDB)13，平視顯示(DUD)14，電子飛行儀表系統(EFIS)15，多模式接收機(MMR)16，轉發器17，以及通信管理裝置(CMU)18。FMC11和MCDU 12通常並稱為飛行管理系統(FMS)。
FMC 11包括處理器11A和存儲器11B。處理器11A包括適合於接收和處理命令和數據的數據處理器。處理器11A最好為其數據處理能力足以以實時方式完成所需的FMS和機場特徵任務的微處理器。存儲器11B最好同時包括存儲動態數據和變量的隨機存取存儲器(RAM)和存儲程序數據和靜態數據的只讀存儲器(ROM)。處理器11A與存儲器11B通信，以檢索程序指令和數據，處理並存儲、檢索變量。同時，處理器11A與NDB 13通信。
NDB 13包括用於描述機場跑道、滑行道、艙門、停機坪、標準滑行路線以及各種其他機場結構和所需特徵的機場和滑行路線數據。最好以鍊表形式存儲機場數據13A，同時在資料庫中存儲標準滑行路線13B。然而，也可以採用多種其他格式來存儲此類數據。NDB 13最好是可重寫的或可更換的，以便在需要時更新機場數據和標準滑行路線數據，並且有關機場跑道、滑行道、建築之類的變更數據是最新的。NDB 13是利用諸如PROM、EPROM、EEPROM、磁碟驅動器、光碟驅動器或類似設備之各種組合之類的各種記憶體存儲器技術構造的。其操作需求僅僅是存儲機場數據的能力。
最好通過與FMC 11和處理器11A通信的MCDU 12實現用戶界面。MCDU 12包括顯示屏12A，行選擇鍵19和小鍵盤12B。MCDU 12通常用於向FMC 11輸入航線飛行計劃命令，並通過顯示屏12A，向駕駛員、機組人員或操作員輸出航線飛行數據。行選擇鍵19的操作允許快速選擇、刪除顯示的項目。本發明最好使用先前存在的用戶界面設備實現用於機場地面導航的用戶界面，儘管也可使用其他用戶界面實施本發明。例如，可使用EFIS 15或HUD 14之類的顯示屏作為用戶界面的一部分。
將HUD 14和EFIS 15表示為與FMC 11通信。HUD 14將圖像投射到位於駕駛員前方視線的組合器上，從而駕駛員能夠在觀看圖像的同時注意航空器的前擋風玻璃。EFIS 15(也稱為下視顯示(HDD))通常位於航空器的前擋風玻璃的下方。EFIS 15包括一塊或多塊顯示屏，顯示屏通常是用陰極射線管(CRT)、平板顯示器或功能類似的顯示設備實現的。最好在HUD 14上向駕駛員顯示機場特徵，HUD 14是為此類保形顯示選擇的顯示器。也可以使用EFIS 15。EFIS 15更適合作為顯示設備。EFIS 15、HUD 14和MCDU 12全部具有實施本發明的顯示屏。
同樣，將幾種通信系統連接到FMC 11。MMR 16接收導航或位置信號，如全球定位系統(GPS)信號，差分GPS(DGPS)，局域增強系統(LAAS)信號，廣域增強系統(WAAS)信號等。將此類信號傳送到FMC 11，在FMC 11中確定航空器的位置。然後使用航空器位置信息或來自其他信源的類似信息計算適當的機場特徵數據，或傳送給其他航空器系統。
轉發器17和CMU 18提供附加輸入和輸出信道。例如，轉發器17接收來自其他航空器或空中交通管制(ATC)的自動回報監視廣播(ADS-B)之類的信號。利用該信息將表示其他飛行器的位置或運動的符號添加到機場特徵顯示中。CMU 18包括與ATC或類似控制機構的數據鏈路，通過該數據鏈路傳送、協商、修改、批准或拒絕滑行路線、計劃和指令。
航空界特別是航空電子設備領域中有許多通信標準。位於馬裡蘭州安納波利斯Riva路2551號的Aeronautical Radio公司(ARINC)公布了與航空器航空電子設備有關的許多標準。兩種出版物公開了航空通信標準。ARINC 429為與航空器上頻繁使用的通信總線有關的標準。題目為「Advanced Flight Management Computer System(高級飛行管理計算機系統)」的ARINC特徵702A1996年12月31日公布的，其中涉及FMS和顯示系統之間的通信協議。本文引用上述出版物作為參考。
圖2表示根據本發明的HUD上的機場特徵符號的示例顯示。通過瀏覽作為HUD系統的顯示屏的組合器21，駕駛員觀察鋪砌的跑道22，跑道邊緣22A，跑道中心線22B，以及岔道或滑行道連接23路面。屏幕21上顯示的機場特徵符號包括跑道和滑行道邊緣錐面24以及滑行路徑符號25。顯示的其他符號包括飛行路徑引導提示26，地速26A，目標航速26B，帶有距離讀數的下一個轉數計26C，主起落架包絡符號26D以及標題26E。符號最好與地面特徵相似。
使用機場特徵數據顯示的符號描述跑道和滑行道的路面輪廓。該符號的位置(即位置或坐標)為使用ARINC規範提及的BNR格式中的20比特數據的絕對緯度/經度坐標。請注意，20比特數據佔據ARINC格式中的一個字，並且對此類應用也不是高解析度的。ARINC規範規定佔據該格式中兩個字的更精確的緯度/經度值。然而，已經證明以高解析度格式傳送所有機場特徵數據需要大部分總線上的極高帶寬。本發明通過通過向HUD 14傳送一個高解析度坐標/位置並通過計算相對於高解析度坐標的剩餘符號的位置點，解決此問題。高解析度坐標最好為機場的固定位置或標石。因此，相對於機場標石或參考數據30的位置，計算剩餘機場特徵數據。使用該技術能夠大量縮減傳送機場特徵數據所需的帶寬，並且能夠在目前使用的許多航空電子設備系統上實施該機場特徵顯示系統。
圖3表示用於機場標石或參考數據30的示例格式。在參考數據30的字1和字2中傳送標石的高解析度緯度數據。接著，在參考數據30的字3和字4中傳送標石的高解析度經度數據。最後，如果需要機場ID，則在參考數據30的字5和字6中傳送4個ASCII字符。也可以在參考數據30中傳送機場海拔，但是可以從FMS資料庫或其他信源獲取海拔，並且為了節省通信總線的帶寬，最好使用其他信源。
圖4表示根據本發明向HUD傳送機場特徵數據的示例格式。稱為表40中字1-3的相對X、Y、Z數據是單字數據值格式。然而，HUD14通過組合低解析度格式的數據值與參照圖7描述的機場標石或參考數據，將低解析度格式的數據值轉換為高解析度的位置或坐標。根據一種實施方式，使用數據點的相對位置能夠將指定位置點或坐標所需數據字的數目大約減少一半。這等同於減少傳送數據所需的帶寬。表40中的數據對應於圖5所示的滑行路徑圖。指定點A1的位置和海拔只需三個字41A、41B和41C。同樣，指定點A2、B1和B2的位置和海拔也只需三個字。通過使用本發明，只需使用通常所用帶寬的一半帶寬，就能在數據總線上傳送高解析度坐標。
現在參照圖5，該圖表示表40描述的典型滑行路徑。利用表40中的字1-6定義分段A。利用表40中的字10-12定義圓錐B，利用表40中的字13-18定義分段B。
圖6表示計算機場特徵的X(經度)、Y(緯度)和Z(海拔)的相對位置的過程的流程圖。該過程從塊60開始，然後轉到塊61和塊62，在塊61中，接收緯度和經度高解析度機場標石數據，在塊62中，接收感興趣的數據的緯度和經度高解析度位置點。在塊63中，作為感興趣的位置點的緯度與機場參考緯度或機場標石緯度的差，計算Δlat。同樣，在塊64中計算Δlon。接著，利用塊65中的公式計算相對緯度。利用塊66中的公式計算相對經度。最後，利用塊67中的公式計算相對海拔或海拔。藉助計算的相對位置點，將數據加載到適當格式中，然後傳送給HUD。
現在參照圖7，該圖表示本發明的另一種示例格式。表70包括代表符號之X和Y坐標的兩個數據字。對於符號和某些其他特徵而言，不需要海拔值，因此保留附加帶寬用於其他用途。
顯然熟練技術人員可以對本發明的最佳實施方式作出各種變更而並不背離附屬權利要求書定義的本發明的實質和範圍。
權利要求
1.一種用於航空器的機場特徵顯示系統，所述機場特徵顯示系統包括用戶界面，包括顯示屏，以及滑行路線選擇輸入；能夠存儲機場特徵數據的數據存儲設備；與所述顯示屏和所述滑行路線選擇輸入通信的處理器，其中所述處理器生成包括相對於參考點計算的位置點的格式化的機場特徵數據；以及與所述處理器通信並能夠傳送所述處理器格式化的機場特徵數據的通信鏈路。
2.權利要求1的機場特徵顯示系統，其中所述參考點為機場標石。
3.權利要求1的機場特徵顯示系統，其中所述位置點代表緯度和經度坐標。
4.權利要求1的機場特徵顯示系統，其中所述機場特徵數據包括代表跑道和滑行道的數據。
5.權利要求1的機場特徵顯示系統，其中所述機場特徵數據包括代表滑行路線的數據。
6.權利要求1的機場特徵顯示系統，其中所述用戶界面包括HUD控制面板。
7.權利要求1的機場特徵顯示系統，其中所述用戶界面包括一個雙重用途輸入，當與滑行有關的頁面有效時，雙重用途輸入啟動機場特徵數據的顯示。
8.權利要求1的機場特徵顯示系統，其中所述數據存儲設備存儲預定的標準滑行路線。
9.權利要求1的機場特徵顯示系統，其中所述顯示屏為HDD。
10.權利要求1的機場特徵顯示系統，其中所述顯示屏為HUD。
11.權利要求1的機場特徵顯示系統，其中所述用戶界面包括多功能控制顯示裝置。
12.權利要求1的機場特徵顯示系統，其中所述處理器為飛行管理計算機。
13.一種用於航空器中的機場特徵數據交換方法，該方法包括以下步驟獲取機場參考位置的坐標；獲取特徵的坐標；向顯示設備傳送所述參考位置；相對於所述機場參考位置計算所述機場特徵的相對特徵坐標；以及向所述顯示設備傳送所述相對特徵坐標。
14.權利要求13的機場特徵數據交換方法，其中所述參考位置為機場標石。
15.權利要求13的機場特徵數據交換方法還包括以下步驟，作為機場參考坐標和到地球中心距離的函數計算所述相對特徵坐標。
全文摘要
用於航空器的機場特徵顯示系統提供可視引導提示和意識，以跟蹤HUD(14)上的指定滑行路徑。引導提示包括代表諸如跑道(22)、滑行道邊緣(22a/24)、滑行路線(25)以及機場符號之類的所選機場特徵的位置的符號表示。通過使用能夠促進表示機場特徵所需的大量數據的有效通過量的數據交換方法，在航空器系統之間傳送代表機場特徵的數據。
文檔編號G01C23/00GK1599863SQ02824353
公開日2005年3月23日 申請日期2002年10月30日 優先權日2001年12月4日
發明者蘭迪·L·沃爾特 申請人:史密斯宇航公司