一種用於RNP機載性能監視與告警的裝置的製作方法

2023-12-09 16:53:46

本發明涉及一種機載性能監視與告警的裝置，特別涉及所需導航性能運行下，提供飛機安全運行的裝置，屬於飛機導航技術領域。

背景技術：

所需導航性能(RNP，Required Navigation Performance)被定義為飛機在一個確定的航路、空域或區域內運行時所需的導航性能精度。RNP指可以使航空器在導航信號覆蓋範圍之內，或在機載導航設備的能力限制之內，或者兩者的組合，沿任意期望的航徑飛行；並且具備機載導航性能監視和告警能力。一旦出現導航精度不足的情況，系統會自動發出告警，提示飛行員採取措施，從而保證飛行安全。

RNP以精度數值表示，其數值根據航空器在至少95％的飛行時間內能夠達到的預計導航性能精度來確定。例如，「RNP1.0」是指在95％概率下，在指定的飛行航跡上飛機保持的導航性能精度在1海裡以內。任何一個飛行器在其95％的飛行時間內在側向和縱向兩維空間內允許的總系統誤差(TSE，Total System Error,為實際位置相對於期望位置的偏差)必須小於規定的RNP精度值；在TSE超出規定的性能限制時提供告警，以保障RNP飛行安全。TSE主要包括航徑定義誤差(PDE，Path Definition Error，定義航徑與期望航徑之間的誤差)、飛行技術誤差(FTE,Fight Technical Error，定義航徑與估計位置之間的誤差)和導航系統誤差(NSE,Navigation System Error，估計位置與真實位置之間的誤差)三個部分，其中PDE相對於另外兩項較小，可以忽略不計，NSE通常採用位置估計誤差(PEE，Position Estimate Error)表示。因此，TSE近似等效於FTE與NSE的矢量求和。為保證飛機在RNP規範規定的閾值內安全飛行，研究用於RNP機載性能監視與告警的裝置非常必要。美國專利U.S.No7046170B2「ANP/RNP Display」提出了在多功能顯示器上通過橫向刻度帶顯示實際導航性能(ANP)值和RNP值的一種裝置，飛行員通過觀察橫向偏差(表示ANP大小)未超過滿偏(表示RNP限制值)來保證ANP不超過RNP限制值，這種方式需要飛行員通過兩者比較進行監視，無法提供更為直觀的圖形或音頻形式的告警信號，同時不能將FTE和NSE同時顯示在顯示器上；美國專利U.S.No：6885313

B2「Graphical display for aircraft navigation」提出了一種在RNP運行環境下用於顯示飛行操作的安全性和潛在危險的方法和裝置，這種裝置相對於前一種裝置提供了FTE、NSE和RNP值的顯示方式以及不滿足RNP精度的告警方式，但是該專利僅考慮RNP精度方面的監視和告警，並沒有考慮飛行是否滿足RNP包容度、準確輸入RNP值以及導航傳感器實際工作性能的監視和告警問題。

技術實現要素：

為了改變RNP監視和告警參數少、不夠準確直觀，難以準確輸入RNP值，缺乏動態監控各個導航傳感器工作性能的技術現狀，本發明的發明目的在於提供一種通用的RNP監視與告警的裝置，能夠幫助飛行員全面準確監控當前RNP運行情況，迅速直觀的發現影響飛行安全的問題，協助飛行員完成RNP值準確輸入，並實現對各個導航傳感器的動態性能監控，從而減輕駕駛員負擔，有效提高了RNP運行的安全性。

本發明的發明目的是通過如下技術方案實現的。

一種用於RNP機載性能監視與告警的裝置，包括顯示系統、音頻告警系統和綜合管理系統；

所述綜合管理系統用於計算當前飛機位置、實際導航性能和當前RNP值並發送給顯示系統；

所述顯示系統先以當前時刻的期望航段為中間分隔線，在中間分隔線的兩側繪製代表當前RNP值的第一組平行線，再在第一組平行線外側繪製代表當前RNP值兩倍的第二組平行線，最後繪製代表實際導航性能的圓，其中所述圓以當前飛機位置為中心，所述圓的半徑對應於PEE值。

優選地，所述綜合管理系統還用於對實際導航性能和當前RNP值進行比較，若實際導航性能大於當前RNP且小於當前RNP兩倍時提供RNP精度不滿足的告警和提示信息給顯示系統和音頻告警系統；

所述顯示系統用於在接收到RNP精度不滿足的告警和提示信息時，對所述圓填充第一顏色。

所述音頻告警系統用於在接收到RNP精度不滿足的告警和提示信息時提供第一聲音提示。

優選地，所述綜合管理系統還用於對實際導航性能和當前RNP值的兩倍進行比較，若實際導航性能大於當前RNP兩倍時提供RNP包容度不滿足的告警和提示信息給顯示系統和音頻告警系統；

所述顯示系統用於在接收到RNP包容度不滿足的告警和提示信息時，對所述圓填充第二顏色。

所述音頻告警系統用於在接收到RNP包容度不滿足的告警和提示信息時提供第二聲音提示。

優選地，所述一種用於RNP機載性能監視與告警的裝置還包含導航傳感器和人機接口裝置；

所述導航傳感器用向綜合管理系統提供採集到的導航信息；

所述人機接口裝置提供飛行員制定飛行計劃、輸入RNP值的操作接口，並將飛行員制定的飛行計劃和輸入的RNP值發送給綜合管理系統；

所述綜合管理系統用於根據導航信息計算當前飛機位置，並根據計算當前飛機位置的誤差模型確定PEE值，再根據當前飛機位置和當前飛行計劃中的航段的起始航路點位置、終止航路點位置，確定飛機到當前航段的距離作為FTE值，進而根據PEE和FTE得到實際導航性能。

優選地，所述綜合管理系統還用於當輸入的RNP值大於飛行區域默認RNP值或大於飛行計劃航段規定的RNP值時，提供人工輸入RNP過大的告警和提示信息給顯示系統和音頻告警系統；

所述顯示系統用於在接收到人工輸入RNP過大的告警和提示信息時，對RNP值進行閃爍顯示。

所述音頻告警系統用於在接收到人工輸入RNP過大的告警和提示信息時提供第三聲音提示。

優選地，所述綜合管理系統還用於噹噹前飛機位置與某一導航傳感器位置之間距離大於RNP值時，提供導航傳感器精度降低的告警和提示信息給顯示系統和音頻告警系統；

所述顯示系統用於在接收到導航傳感器精度降低的告警和提示信息時，對導航傳感器進行閃爍顯示；

所述音頻告警系統用於在接收到導航傳感器精度降低的告警和提示信息時提供第四聲音提示。

優選地，所述一種用於RNP機載性能監視與告警的裝置還包含導航資料庫；

所述導航資料庫用於存儲飛行計劃參數信息，包含機場、跑道、航路點、終端區程序、航段規定的RNP值；

所述綜合管理系統從導航資料庫中提取飛行計劃參數信息發送給人機接口裝置供飛行員制定飛行計劃。

優選地，所述綜合管理系統計算計算當前RNP值的方法為：(1.1)採集從人機接口裝置輸入的RNP值RNP1；(1.2)從導航資料庫中獲取飛行計劃航段規定的RNP值RNP2；(1.3)根據飛機位置和飛行計劃確定飛機當前所處的飛行區域，並獲取飛行區域默認的RNP值作為RNP3；(1.4)如果RNP1有效，那麼當前RNP值等於RNP1；否則如果RNP2存在，那麼當前RNP值等於RNP2；其他情況下當前RNP值等於RNP3。

優選地，所述顯示系統是多功能控制顯示器，或者是電子飛行儀表系統。

優選地，所述綜合管理系統是單獨的處理器，或者是集成至飛行管理系統、區域導航系統中。

本發明具有如下優點：

1.通過圖形方式動態顯示當前飛機位置、PEE、FTE的大小及其與RNP精度和包容度的關係，飛行員可以在同一畫面中直觀地監視飛機的RNP運行情況，提高了RNP導航的效率；

2.通過顏色和聲音的變化提供RNP精度和RNP包容度告警功能，提高飛行員的危險情形意識；

3.提供人工輸入RNP值的防差錯提示能力，協助飛行員完成RNP值的準確輸入，減輕駕駛員負擔；

4.提供各個導航傳感器精度動態監視功能，輔助飛行員排除性能不佳或存在安全隱患的導航傳感器，提高導航定位精度，確保RNP運行的安全性。

總之，使用本發明可以顯著減輕駕駛員負擔，有效的保證了飛機的飛行安全。

附圖說明

圖1為本發明一種用於RNP機載性能監視與告警的裝置的結構示意圖。

圖2為本發明一種用於RNP機載性能監視與告警的裝置的流程示意圖

圖3為本發明中計算當前RNP值的一個優選實施例示意圖。

圖4為本發明用於顯示RNP監視與告警參數的顯示畫面的示例，其中飛機處於理想運行狀態。

圖5為本發明用於顯示RNP監視與告警參數的顯示畫面的另一示例，其中飛機處於偏離理想運行狀態但仍然符合RNP精度和包容度要求。

圖6為本發明用於顯示RNP監視與告警參數的顯示畫面的另一示例，其中飛機不符合RNP精度要求，但符合RNP包容度要求。

圖7為本發明用於顯示RNP監視與告警參數的顯示畫面的另一示例，其中飛機不符合RNP包容度要求。

圖8為本發明用於顯示導航監視頁面的示意圖。

圖9為本發明用於顯示人工輸入RNP過大告警的示意圖。

圖10為本發明用於顯示導航傳感器精度降低告警的示意圖。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面結合附圖對本發明作進一步的詳細描述。

如圖1所示為一種用於RNP機載性能監視與告警的裝置，該裝置為通用機載航空電子設備，包括：導航資料庫、導航傳感器、人機接口裝置、顯示系統、音頻告警系統和綜合管理系統，區別在於各機載航空電子設備上宿主的軟體功能不同。

導航資料庫101：存儲機場、跑道、航路點、終端區程序、航段規定的RNP值等信息；

導航傳感器102：向綜合管理系統106提供採集到的飛機位置和速度信息等導航信息。導航傳感器為飛機上已有的慣性導航系統、衛星導航系統、大氣數據系統、航姿系統以及無線電導航系統。

人機接口裝置103：提供飛行員制定飛行計劃、輸入RNP值的操作接口，並將飛行員制定的飛行計劃、輸入的RNP值發送給綜合管理系統106。人機接口裝置是多功能控制顯示器。

綜合管理系統106：加載導航資料庫101，並從導航資料庫中獲取機場、跑道、航路點、終端區程序等信息發送給人機接口裝置103供飛行員選擇；根據各個導航傳感器102提供的導航信息進行綜合計算，確定飛機當前位置，並根據計算當前位置的誤差模型確定PEE值；根據飛行計劃和導航信息，採用人工飛行或自動引導方式提供飛行的引導，根據當前飛機位置和當前飛行計劃航段的起始航路點位置、終止航路點位置，確定飛機到當前航段的距離作為FTE值，進而根據PEE和FTE得到實際導航性能(ANP)；根據飛行員輸入的RNP值、導航資料庫中當前航段規定的RNP值以及飛行區域默認的RNP值計算當前RNP值；在飛行過程中將飛機位置、當前航段、當前RNP、PEE、FTE信息以及各個導航傳感器精度等監視信息發送給顯示系統向飛行員顯示，增強飛行員RNP運行情景意識。當ANP大於RNP且小於兩倍RNP時提供RNP精度不滿足的告警和提示信息給顯示系統和音頻告警系統；當ANP大於兩倍RNP時提供RNP包容度不滿足的告警和提示信息給顯示系統和音頻告警系統；當人工輸入RNP值大於飛行區域默認RNP值或大於飛行計劃航段規定的RNP值時，提供人工輸入RNP過大的告警和提示信息給顯示系統和音頻告警系統；當飛機位置與某一導航傳感器位置之間距離大於RNP值時，給出該導航傳感器精度降低的告警和提示信息給顯示系統和音頻告警系統。其中，飛行區域包括進近區、終端區、航路區以及海洋與偏遠陸地區。飛行區域默認RNP值包括，進近區RNP 0.3海裡、終端區RNP 1.0海裡、航路區RNP 2.0海裡以及海洋與偏遠陸地區RNP 4.0海裡。綜合管理系統是單獨的處理器，或者是集成至飛行管理系統、區域導航系統中。

顯示系統104：根據綜合管理系統提供的飛機位置、當前航段、當前RNP、PEE、FTE信息以及各個導航傳感器精度以文本和圖形方法顯示。先以當前時刻的期望航段為中間分隔線，在中間分隔線的兩側繪製代表當前RNP值的第一組平行線，再在第一組平行線外側繪製代表當前RNP值兩倍的第二組平行線，最後繪製代表實際導航性能的圓，其中所述圓以當前飛機位置為中心，所述圓的半徑對應於PEE值。當接收到RNP精度不滿足的告警和提示信息時，對圓填充第一顏色，當接收到RNP包容度不滿足的告警和提示信息，對圓填充第二顏色，當接收到人工輸入RNP過大的告警和提示信息時，RNP值閃爍顯示，當接收到導航傳感器精度降低的告警和提示信息時，導航傳感器閃爍顯示。顯示系統是多功能控制顯示器，或者是電子飛行儀表系統。

音頻告警系統105，提供RNP告警的聲音提示，當接收到RNP精度不滿足的告警和提示信息時，發出第一聲音提示；當接收到RNP包容度不滿足的告警和提示信息，發出第二聲音提示；當接收到人工輸入RNP過大的告警和提示信息時，發出第三聲音提示，當接收到導航傳感器精度降低的告警和提示信息時，發出第四聲音提示。

如圖2所示為一種用於RNP機載性能監視與告警的裝置的工作流程示意圖。

1)系統開始工作時，進入制定飛行計劃程序107：綜合管理系統加載導航資料庫，並從導航資料庫中獲取機場、跑道、航路點、終端區程序等信息發送給人機接口裝置103供飛行員選擇，飛行員通過人機接口裝置103根據飛行任務進行編輯並確定整個飛行計劃和輸入RNP值，人機接口裝置103將飛行計劃和輸入RNP值發送給綜合管理系統。

2)計算飛機當前位置108：綜合管理系統根據各個導航傳感器102提供的導航信息進行綜合，計算飛機當前位置；

3)計算PEE 109：綜合管理系統根據計算當前飛機位置的誤差模型確定PEE值。

4)計算FTE 110：綜合管理系統根據飛行計劃和導航信息，採用人工飛行或自動引導方式提供飛行的引導，根據當前飛機位置和當前飛行計劃航段的起始航路點位置、終止航路點位置，根據飛機到當前航段的距離計算FTE 110，

5)計算ANP 111：根據PEE和FTE計算實際導航性能ANP 111。

6)確定RNP值112：根據飛行員輸入的RNP值、導航資料庫中當前航段規定的RNP值以及飛行區域默認的RNP值計算當前RNP值112。如圖3所示為確定RNP方法112的實施例。採集從人機接口裝置輸入的RNP值RNP1116。從導航資料庫中獲取飛行計劃當前航段規定的RNP值RNP2117。根據飛機位置和飛行計劃確定飛機當前所處的飛行區域，並獲取飛行區域默認的RNP值作為RNP3118。判斷RNP1是否有效119。如果RNP1有效，當前RNP值等於RNP1121。如果RNP1無效，判斷RNP2是否存在120。如果RNP2存在，那麼當前RNP值等於RNP2122。其他情況下，當前RNP值等於RNP3123。

7)顯示RNP監視信息113。綜合管理系統在飛行過程中將當前飛機位置、當前航段、當前RNP、PEE、FTE信息以及各個導航傳感器精度等RNP監視信息通過顯示系統向飛行員顯示，增強飛行員RNP運行情景意識。

8)滿足告警114：綜合管理系統在當ANP大於RNP且小於兩倍RNP時提供RNP精度不滿足的告警和提示信息給顯示系統和音頻告警系統；當ANP大於兩倍RNP時提供RNP包容度不滿足的告警和提示信息給顯示系統和音頻告警系統；當人工輸入RNP值大於飛行區域默認RNP值或大於飛行計劃航段規定的RNP值時，提供人工輸入RNP過大的告警和提示信息給顯示系統和音頻告警系統；當飛機位置與某一導航傳感器位置之間距離大於RNP值時，給出該導航傳感器精度降低的告警和提示信息給顯示系統和音頻告警系統

9)告警和提示115：顯示系統在接收到RNP精度不滿足的告警和提示信息時，對圓填充第一顏色；在接收到RNP包容度不滿足的告警和提示信息，對圓填充第二顏色；在接收到人工輸入RNP過大的告警和提示信息時，RNP值閃爍顯示；當接收到導航傳感器精度降低的告警和提示信息時，導航傳感器閃爍顯示。

音頻告警系統在接收到RNP精度不滿足的告警和提示信息時，發出第一聲音提示；當接收到RNP包容度不滿足的告警和提示信息，發出第二聲音提示；當接收到人工輸入RNP過大的告警和提示信息時，發出第三聲音提示，當接收到導航傳感器精度降低的告警和提示信息時，發出第四聲音提示。

圖4為本發明用於顯示RNP監視與告警參數的顯示畫面的示例，其中飛機處於理想運行狀態。在圖4中，優選地，飛機圖標124顯示在飛機位置處。直線125代表飛行計劃期望的當前航段位置，航路點127代表當前航段的起始航路點，航路點126代表當前航段的終止航路點。圓128代表當前飛機位置估計誤差PEE的範圍，其中圓128以當前飛機位置為中心，半徑對應於PEE值。當PEE值變化時，圓128的半徑大小根據PEE實時值進行實時動態變化。第一組平行線129和130代表當前RNP精度的範圍，第一組平行線129和130以當前時刻所述飛機的當前期望航段125為中間分隔線，第一組平行線129和130在當前期望航段左右兩側距離均對應於當前RNP值。第二組平行線131和132代表RNP包容度的範圍，第二組平行線131和132以當前時刻所述飛機當前期望航段125為中間分隔線，第二組平行線131和132在所述當前期望航段左右兩側距離均對應於當前RNP值的兩倍。該顯示畫面還可以動態顯示RNP值133，PEE值138和FTE值139，在第一組平行線129和130附近分別顯示RNP值的邊界值134和135，134和135值的大小對應RNP值，134符號為「-」，135符號為「+」，在第二組平行線136和137附近分別顯示RNP包容度的邊界值136和137，136和137值的大小對應兩倍的RNP值，136符號為「-」，137符號為「+」。

在圖4中，飛機圖標124在期望航段125上，代表在該時刻飛機位置與期望航段重合，此時FTE值139等於0.0海裡，並且圓128在第一組平行線129和130範圍內，代表該時刻飛機運行符合RNP精度要求。

圖5為本發明用於顯示RNP監視與告警參數的顯示畫面的另一實施例，其中飛機處於偏離理想運行狀態但仍然符合RNP精度和包容度要求。與圖4類似，圓128仍以飛機圖標124為中心，半徑對應於PEE值。當PEE值138變化時，圓128的半徑大小根據PEE實時值進行實時動態變化。當FTE值139變化時，飛機圖標124位置相對於期望航段125距離大小隨FTE值進行實時動態變化。

在圖5中，飛機圖標124不在期望航段125上，代表在該時刻飛機位置相對期望航段存在偏移，此時從期望航段125到飛機圖標124所處位置橫向偏差對應FTE，FTE值139等於0.2海裡，但圓128仍在第一組平行線129和130之間的範圍內，代表該時刻飛機運行仍符合RNP精度和包容度的要求。

圖6為本發明用於顯示RNP監視與告警參數的顯示畫面的另一示例，其中飛機不符合RNP精度要求，但符合RNP包容度要求。與圖4和圖5類似，圓128仍以飛機圖標124為中心，半徑對應於PEE值。與圖5類似，在圖6中，飛機圖標124也不在期望航段125上，代表在該時刻飛機位置相對期望航段存在偏移，此時從期望航段125到飛機圖標124所處位置橫向偏差對應FTE，FTE值139等於0.8海裡，此時圓128的一部分超出了第一組平行線129和130之間的範圍，代表該時刻飛機運行不符合RNP精度要求，但圓128仍在第二組平行線131和132之間的範圍內，代表該時刻飛機運行仍符合RNP包容度的要求，飛機觸碰障礙物的風險較小。

優選地，當飛機的運行不再符合RNP精度要求時，通過改變圓128區域填充顏色為第一顏色，並提供第一聲音告警，向飛行員提示飛機運行不再滿足RNP精度要求。在一個實施例中，當飛機運行不再滿足RNP精度要求時，將圓128區域填充顏色改變為黃色，同時通過音頻告警系統發出「不滿足RNP精度」的語音提示。

圖7為本發明用於顯示RNP監視與告警參數的顯示畫面的另一示例，其中飛機不符合RNP包容度要求。在圖7中，飛機圖標124也不在期望航段125上，代表在該時刻飛機位置相對期望航段存在偏移，此時從期望航段125到飛機圖標124所處位置橫向偏差對應FTE，FTE值139等於1.7海裡，此時圓128的一部分超出了第二組平行線131和132之間的範圍，代表該時刻飛機運行不符合RNP包容度的要求，此時飛機觸碰障礙物的風險較大。

優選地，當飛機的運行不再符合RNP包容度要求時，通過改變圓128區域填充顏色為第二顏色，並提供第二聲音告警，向飛行員提示飛機運行不再滿足RNP包容度要求。在一個實施例中，當飛機運行不再滿足RNP包容度要求時，將圓128區域填充顏色改變為紅色，同時通過音頻告警系統發出「不滿足RNP包容度」的語音提示。

圖8為本發明用於顯示導航監視頁面的示意圖。優選地，本發明提供顯示飛機位置、各個導航傳感器相對於飛機位置的距離和方位信息，提供RNP值人工輸入的接口。在一個實施例中，顯示飛機位置的經緯度信息140、衛星導航位置相對於飛機位置的距離和方位141、慣性導航位置相對於飛機位置的距離和方位142、無線電導航位置相對於飛機位置的距離和方位143。在一個實施例中，提供RNP人工輸入的接口144，飛行員通過該接口可以實現對RNP值的編輯和修改。

圖9為本發明用於顯示人工輸入RNP過大的告警示意圖。優選地，當人工輸入RNP值大於飛行區域默認RNP值或飛行計劃航段規定的RNP值時，提供RNP值第一文本閃爍，並提供第三聲音告警。在一個實施例中，當人工輸入RNP值大於飛行區域默認RNP值或飛行計劃航段規定的RNP值，提供RNP值文本閃爍，同時通過音頻告警系統發出「人工輸入RNP值過大」的語音提示，直到飛行員確認問題後告警結束。

圖10為本發明用於顯示導航傳感器精度降低的告警示意圖。優選地，當飛機位置與某一傳感器位置之間距離大於RNP值時，提供傳感器第二文本閃爍，並提供第四聲音告警。在一個實施例中，當飛機位置與慣性導航位置之間距離大於RNP值時，提供慣性導航與飛機位置之間距離和方向的文本閃爍，同時通過音頻告警系統發出「傳感器精度降低」的語音提示，直到飛行員確認問題後告警結束。