一種基於能量管理的進近穩定性評估方法與流程
2023-05-14 10:05:01 1
本發明涉及一種進近穩定性評估方法，尤其涉及一種基於能量管理的進近穩定性評估方法；屬於飛行品質監控技術領域。
背景技術：
隨著社會的發展和人民生活水平的提高，飛機出行變得越來越普遍，人們對飛行安全的要求也越來越高。飛行品質監控是航空公司飛行和安全管理部門安全保證的重要工具和手段，可實現飛行操縱和操作環境的持續監測，定量度量並有效預測安全風險或風險控制措施的變化和偏差，監測已知安全風險，探測正在出現的安全風險，確定必要的糾正措施，為評定安全管理體系的有效性和監測安全目標的實現情況提供客觀依據。
重著陸和偏出跑道等事故風險是飛行品質監控中非常重要的監控對象，而穩定進近是防範重著陸和偏出跑道等事故風險的重要關口。在進近過程中，當航空器在高度、航跡、空中姿態、空速、航空器構型、下降率和動力設置等諸多方面與穩定進近的任一標準出現偏差的時候即可視為航空器處於不穩定進近。穩定進近的標準根據不同運行環境略有差異。飛行安全基金會根據全球航空運行情況提出了一個穩定進近的運行標準,我國所採用的標準亦源於此。為了實現良好的著陸，通常要求達到穩定進近的最低高度：儀表飛行狀態下，高出地面至少1000ft；目視飛行狀態，至少500ft。
為提升安全管理水平，航空公司對飛行數據進行分析，根據自身安全管理原則，基於運行手冊、訓練大綱和風險評估程序設定超限事件監控標準，進行超限事件探測以及數據統計分析。在諮詢通告《飛行品質監控(foqa)實施與管理》(ac-121/135-fs-2012-45r1)中規定，與進近穩定性相關的超限事件包括：進近滾轉角大、進近速度小和進近速度大等，僅對單一參數進行獨立監控，難以準確反映進近穩定性狀況。因此，為了提高進近穩定性評估的準確性和有效性，提升飛行品質監控水平，為航空公司的安全管理提供有效依據，發現一種高效準確的進近穩定性評估方法成為人們的迫切需求。
技術實現要素：
針對現有技術的不足，本發明所要解決的技術問題在於提供一種基於能量管理的進近穩定性評估方法。
為實現上述發明目的，本發明採用下述的技術方案：
一種基於能量管理的進近穩定性評估方法，包括如下步驟：
s1，進行飛行數據採集，提取用於進近穩定性評估的參數；
s2，利用飛行高度和地速兩個參數計算能量高度；
s3，計算飛機從進近到落地過程中的能量轉換邊界條件函數；
s4，通過飛機進近到落地過程中，能量高度與能量轉換邊界條件函數的差值判斷進近的穩定性。
其中較優地，在步驟s2中，所述利用飛行高度和地速兩個參數計算能量高，採用如下公式：
其中，h為飛機飛行高度；vg為太空飛行器的地速，g為重力加速度。
其中較優地，在步驟s2中，所述能量轉換邊界條件函數eb，採用如下公式計算
eb＝∑δeb·vg；
其中，vg為航空器的地速，δeb為能量轉換邊界條件函數在前後兩個採樣周期之間的差值。
其中較優地，能量轉換邊界條件函數在前後兩個採樣周期之間的差值δeb採用如下公式計算：
δeb＝tan(γ)·vcas/vg+ag/g；
其中，γ為下滑角，vcas為空速，ag為水平加速度，vg為航空器的地速。
其中較優地，在飛機進近到落地過程中，所述能量轉換邊界條件函數為分段函數。
其中較優地，在步驟s4中，通過飛機進近到落地過程中，能量高度與能量轉換邊界條件函數的差值判斷進近的穩定性，包括如下步驟：
通過對歷史飛行數據進行分析確定穩定進近閾值；
計算能量高度與能量轉換邊界條件函數的差值；
判斷能量高度與能量轉換邊界條件函數的差值與穩定進近閾值的大小，如果所述差值小於穩定進近閾值，則為不穩定進近；如果所述差值大於等於穩定進近閾值，則為穩定進近。
本發明所提供的基於能量管理的進近穩定性評估方法，根據飛行數據中的飛行高度和地速兩個參數計算能量高度；然後，計算飛機從進近到落地過程中的能量轉換邊界條件函數；通過飛機進近到落地過程中，能量高度與能量轉換邊界條件函數的差值判斷進近的穩定性。本發明利用能量管理的理念設計穩定進近的評估標準以及不穩定進近與能量的關係，可以有效提高不穩定進近的識別準確性，為飛行風險識別和飛行員訓練提供參考，有效提升安全管理水平和訓練效率。
附圖說明
圖1為本發明所提供的基於能量管理的進近穩定性評估方法的流程圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明的技術內容進行詳細具體的說明。
為了使飛機順暢地進入平飄和降落的過程，進近階段須嚴格遵守標準操作程序(sop)，本發明提供的基於能量管理的進近穩定性評估方法，利用能量管理的理念設計穩定進近的評估標準，以及不穩定進近與能量的關係。通過選取飛行數據中與進近穩定性相關聯的參數，建立穩定性評估計算公式，對不穩定進近狀態進行識別，為不安全事件監測和風險識別提供依據。本發明可以有效提高不穩定進近的識別準確性，為飛行風險識別和飛行員訓練提供參考，有效提升安全管理水平和訓練效率。
如圖1所示，本發明所提供的基於能量管理的進近穩定性評估方法，包括如下步驟：首先，對於設定的機型和機場執飛的航班進行飛行數據採集，提取用於進近穩定性評估的參數；其次，利用飛行高度和地速兩個參數計算能量高度；然後，計算飛機從進近到落地過程中的能量轉換邊界條件函數；最後，通過飛機進近到落地過程中，能量高度與能量轉換邊界條件函數的差值判斷進近的穩定性。下面對這一處理過程進行詳細說明。
s1，對於設定的機型和機場執飛的航班進行飛行數據採集，提取用於進近穩定性評估的參數。
對於設定的機型和機場執飛的航班進行飛行數據採集，例如：選取空客a319飛機在某機場進行儀表進近的航班數據，通過對飛行數據進行計算分析可以判定飛機進近穩定性。進而對不穩定進近狀態進行識別，為不安全事件監測和風險識別提供依據。採集飛行數據之後，提取用於進近穩定性評估的參數。在本發明中，用於進近穩定性評估的參數包括：地速(vg)、目標下降率、目標下滑角、目標推力設置、目標軌跡、著陸構型和參考高度。
用於評估進近穩定性的這些參數和標準不是相互獨立的，例如地速和下滑角(fpa)確定後，假設分別為vapp和-3°，那麼下降率(rod)、推力和著陸構型都是可以推導得出的。再例如，如果飛機按照目標下滑角進近，那麼參考高度完全可以等效替換為參考距離。但是，如果飛機達到參考高度後，實際的下滑角(fpa)與目標值存在差異，那麼，參考距離就無法替代參考高度了。著陸構型的變化按照手冊的具體要求，是與航空器的高度相關聯的。同理，下降率(rod)和地速確定後，fpa也是可以進行推導的。通過對用於進近穩定性評估的參數進行分析推導，可以得到後續用於計算能量高度和能量轉換邊界條件函數的變量值，進而得到進近穩定性。
s2，利用飛行高度和地速兩個參數計算能量高度。
進近穩定性主要利用以下三個參數進行評判：參考距離、參考高度、空速。這三個參數都直接對應著飛機的能量值，飛機的總能量由勢能和動能共同組成，勢能是質量、參考高度和g的乘積，動能與空速的平方成正比，與此同時，參考高度和空速直接關聯參考距離。
由於不同的飛機的總重量存在差異，為了提高進近穩定性的判斷準確度引入能量高度es的定義，es等於能量與質量和g的商值，這樣，可推出飛機的能量高度es。利用飛行高度h和地速vg兩個參數計算能量高度es：
此時，即使不同的飛機的總重量存在差異，通過定義飛機的能量高度可以將不同的飛機進行比較，增加了判斷的便捷性，提高了判別效率。本發明所提供的方法在計算過程中加入了一個前提假設，並未將飛機姿態加入公式中，即忽略俯仰角的變化對穩定進近的影響。
s3，計算飛機從進近到落地過程中的能量轉換邊界條件函數。
下降和進近規劃管理實際上等效於能量管理問題，從巡航過程的高度高和速度快到最終進近時的高度低和速度慢，為接地過程做準備，不同的能量狀態可以用能量高度來描述。這個過程可以通過能量圖表進行表示，燃油提供推力，阻力使能量減小，飛機高度的升降完成了動能和勢能的轉換。
在能量減小的過程中，阻力是大於推力的，距離是對應的約束條件，定量表示這個與能量變化相關的指標，定義為能量高度的變化值與地面距離變化值的比值，即能量轉換邊界條件函數eb。
eb＝∑δeb·vg；
其中，vg為航空器的地速，累加範圍可設定為從進近到落地的全過程。δeb為能量轉換邊界條件函數在前後兩個採樣周期之間的差值。
其中，δeb＝tan(γ)·vcas/vg+ag/g，這裡，γ為下滑角，vcas為空速，ag為水平加速度。按照製造商、航空公司的手冊以及機場的進近程序設定下滑角和著陸構型等參數的限制條件。
在本發明中，能量轉換邊界條件函數的邊界值是分段函數，根據進近到落地過程中，下降高度的不同，可以分為以下四段：
1)當飛機從10000ft下降到4000ft過程中，飛機推力為零，空速250km/h，飛機放起落架，進行減速。零風速下降角為負10°，下降率rod+/-5000fpm。能量轉換邊界條件函數eb＝∑δeb·vg，而δeb＝tan(γ)·vcas/vg+ag/g；將下滑角γ和空速vcas帶入得：
δeb＝tan(-10°)*250/vg+ag/g；
當飛機從10000ft下降到4000ft過程中，通過實時獲取地速vg和水平加速度ag，得到δeb組成的曲線，將δeb帶入能量轉換邊界條件函數eb，得到飛機從10000ft下降到4000ft過程中的能量轉換邊界條件函數曲線。
2)當飛機下降到4000ft時，飛機空擋降速到220km/h，保持起落架和減速狀態；將下滑角γ和空速vcas得：
δeb＝tan(-10°)*220/vg+ag/g；
當飛機從下降到4000ft時，空速降速到220km/h，δeb曲線的計算公式發生變化，通過實時獲取地速vg和水平加速度ag，得到飛機下降到4000ft時，δeb的值，將δeb帶入能量轉換邊界條件函數eb，得到飛機下降到4000ft時的能量轉換邊界條件函數。
3)飛機下降到4000ft後，從4000ft下降到600ft過程中，保持3°仰角，零推力，定位，保持起落架放下，零風速下降角為負8.5°，下降率rod+/-3000fpm；直至空速降速到vapp，設置接地構型。將下滑角γ得：
δeb＝tan(-8.5°)*vcas/vg+ag/g；
當飛機下降到4000ft後，從4000ft下降到600ft過程中，下降角為負8.5°，空速從220km/h在阻力作用下下降，δeb曲線的計算公式發生變化，通過實時獲取地速vg、水平加速度ag和空速vcas，得到飛機從4000ft下降到600ft時，δeb的值，將δeb帶入能量轉換邊界條件函數eb，得到飛機從4000ft下降到600ft時的能量轉換邊界條件函數。通過飛行員的操作控制，當飛機下降到600ft時，空速下降為vapp。vapp是飛機運行手冊規定飛機下降到600ft時的進近速度，通過查詢可以獲得。
4)當飛機從600ft下降到50ft過程中，保持空速為vapp和下滑角為3°。將下滑角γ和空速vcas帶入得：
δeb＝tana(3°)*vapp/vg+ag/g；
當飛機從600ft下降到50ft過程中，通過實時獲取地速vg和水平加速度ag，得到δeb組成的曲線，將δeb帶入能量轉換邊界條件函數eb，得到飛機從600ft下降到50ft過程中的能量轉換邊界條件函數曲線。
以上四段共同組成飛機從進近到落地過程中的能量轉換邊界條件函數的曲線。
s4，通過飛機進近到落地過程中，能量高度與能量轉換邊界條件函數的差值判斷進近的穩定性。
通過飛機進近到落地過程中，能量高度與能量轉換邊界條件函數的差值判斷進近的穩定性，具體包括如下步驟：
首先，通過對歷史飛行數據進行分析確定穩定進近閾值。通過對歷史飛行數據進行分析總結，可以得到歷史飛行過程中，能量高度與能量轉換邊界條件函數的差值在哪些數值範圍內，滿足穩定進近的要求；能量高度與能量轉換邊界條件函數的差值在哪些數值範圍內，不滿足穩定進近的要求，通過對這些數據進行挖掘，得到穩定進近閾值。
然後計算能量高度與能量轉換邊界條件函數的差值，即es-eb的值。
判斷能量高度與能量轉換邊界條件函數的差值與穩定進近閾值的大小，當能量高度與能量轉換邊界條件函數的差值小於穩定進近閾值時，為不穩定進近；當能量高度與能量轉換邊界條件函數的差值大於等於穩定進近閾值時，為穩定進近。
在本發明所提供的實施例中，如果該能量高度與能量轉換邊界條件函數的差值構成的曲線在高度為600ft時，該差值小於設定的穩定進近閾值，則為不穩定進近，否則為穩定進近。該穩定進近閾值可設置為-300。
本發明提供的進近穩定性評估方法相對於現有技術具有如下的優點及效果：
1)本發明是一種自動的進近穩定性評估方法，提高了自動化程度，不用依賴於飛行員的人工識別即可篩選出不穩定進近的航段；
2)本發明與監控滾轉角或者速度等單一參數的方法相比，準確性高，且不依賴與飛機重量的計算，降低了計算的複雜性，較少了系統誤差的幹擾。
綜上所述，本發明所提供的基於能量管理的進近穩定性評估方法，對於設定的機型和機場執飛的航班進行飛行數據採集，提取用於進近穩定性評估的參數；根據飛行數據中的飛行高度和地速兩個參數計算能量高度；然後，計算飛機從進近到落地過程中的能量轉換邊界條件函數；通過飛機進近到落地過程中，能量高度與能量轉換邊界條件函數的差值判斷進近的穩定性。本發明利用能量管理的理念設計穩定進近的評估標準，以及不穩定進近與能量的關係。通過選取飛行數據中與進近穩定相相關聯的參數，建立穩定性評估計算公式，對不穩定進近狀態進行識別，為不安全事件監測和風險識別提供依據，可以有效提高不穩定進近的識別準確性，為飛行風險識別和飛行員訓練提供參考，有效提升安全管理水平和訓練效率。
上面對本發明所提供的基於能量管理的進近穩定性評估方法進行了詳細的說明。對本領域的一般技術人員而言，在不背離本發明實質精神的前提下對它所做的任何顯而易見的改動，都將構成對本發明專利權的侵犯，將承擔相應的法律責任。