使用非線性規劃的飛行路徑優化的制作方法

本公開內容涉及飛行器飛行路徑優化，并且具體地涉及使用非線性規劃生成最佳爬升控制軌跡。

背景技術：

飛行管理系統(FMS)是飛行器機載的基于計算機的系統，其執行一定數目的飛行中的任務，包括飛行計劃的飛行中管理。FMS已經使用多年，且迄今由FMS使用的規劃技術是針對前幾代計算機化系統的計算能力設計的。例如，現今仍在服役的之前的FMS通常作出關于飛行路徑相關的許多復雜且變化參數的假設，包括但不限于關于飛行器及其性能特征的方面的固定(即，恒定)值，以及飛行器操作的恒定值(例如，飛行的爬升部分期間的恒定飛行器速度)。此FMS通常在飛行路徑的爬升部分期間采用恒定速度(非現實世界約束)，且依靠查找表來確定恒定爬升速度來報告至給定巡航高度和速度。

因此，存在提供可基于與包括優化飛行路徑的假定約束相反的特定飛行的實際狀態而生成控制軌跡的系統和過程的期望。

技術實現要素：

本發明的第一技術方案提供了一種使用非線性規劃優化飛行路徑的方法，所述方法包括：接收飛行器和發動機組合的性能特征的數學模型表示；在所述數學模型表示上執行基于投影的模型降階；基于所述投影的模型消除所述數學模型表示的快速動態分量；將降階模型確定為微分代數方程，其中代數方程替換所述快速動態；將飛行路徑角和油門桿角設置為控制以最小化所述模擬的飛行器和發動機組合的燃料消耗；將爬升末端成本限定為巡航高度和空速的函數；離散化所述模擬的飛行器和發動機組合的運動方程，且將優化方程公式化為非線性規劃問題；以及確定最佳開環控制，其最小化所述模擬的飛行器和發動機組合爬升至規定的巡航高度和空速的燃料消耗。

本發明的第二技術方案是在第一技術方案中，還包括驗證所述飛行器和發動機組合的所述性能特征的所述數學模型表示。

本發明的第三技術方案是在第一技術方案中，所述數學模型表示的所述快速動態分量通過將所述模擬的飛行器和發動機組合的俯仰力矩和豎直力設置為平衡值來消除。

本發明的第四技術方案是在第一技術方案中，還包括由所述模擬的飛行器和發動機的確定的最佳開環控制和運動方程來確定飛行軌跡。

本發明的第五技術方案是在第一技術方案中，所述模擬的飛行器和發動機組合爬升至所述規定的巡航高度和空速的爬升速度(和推力)是可變的。

本發明的第六技術方案是在第一技術方案中，所述飛行器和發動機組合的性能特征的所述數學模型表示包括發動機退化特征、作為飛行變量的函數的燃料焚燒、飛行動態模型和它們的組合中的至少一者。

本發明的第七技術方案提供了一種儲存處理器可執行的程序指令的非暫時性介質，所述介質包括可由計算機執行的程序指令，以：接收飛行器和發動機組合的性能特征的數學模型表示；在所述數學模型表示上執行基于投影的模型降階；基于所述投影的模型消除所述數學模型表示的快速動態分量；將降階模型確定為微分代數方程，其中代數方程替換所述快速動態；將飛行路徑角和油門桿角設置為控制以最小化所述模擬的飛行器和發動機組合的燃料消耗；將爬升末端成本限定為巡航高度和空速的函數；離散化所述模擬的飛行器和發動機組合的運動方程，且將優化方程公式化為非線性規劃問題；以及確定最佳開環控制，其最小化所述模擬的飛行器和發動機組合爬升至規定的巡航高度和空速的燃料消耗。

本發明的第八技術方案是在第七技術方案中，還包括可由計算機執行來驗證所述飛行器和發動機組合的所述性能特征的所述數學模型表示的程序指令。

本發明的第九技術方案是在第七技術方案中，所述數學模型表示的所述快速動態分量通過將所述模擬的飛行器和發動機組合的俯仰力矩和豎直力設置為平衡值來消除。

本發明的第十技術方案是在第七技術方案中，還包括可由計算機執行來由所述模擬的飛行器和發動機的確定的最佳開環控制和運動方程來確定飛行軌跡的程序指令。

本發明的第十一技術方案是在第七技術方案中，所述模擬的飛行器和發動機組合爬升至所述規定的巡航高度和空速的爬升速度(和推力)是可變的。

本發明的第十二技術方案是在第七技術方案中，所述飛行器和發動機組合的性能特征的所述數學模型表示包括發動機退化特征、作為飛行變量的函數的燃料焚燒、飛行動態模型和它們的組合中的至少一者。

本發明的第十三技術方案提供了一種系統，包括：計算裝置，包括：儲存處理器可執行的程序指令的存儲器；以及處理器，以執行所述處理器可執行的程序指令來促使所述計算裝置：接收飛行器和發動機組合的性能特征的數學模型表示；在所述數學模型表示上執行基于投影的模型降階；基于所述投影的模型消除所述數學模型表示的快速動態分量；將降階模型確定為微分代數方程，其中代數方程替換所述快速動態；將飛行路徑角和油門桿角設置為控制以最小化所述模擬的飛行器和發動機組合的燃料消耗；將爬升末端成本限定為巡航高度和空速的函數；離散化所述模擬的飛行器和發動機組合的運動方程，且將優化方程公式化為非線性規劃問題；以及確定最佳開環控制，其最小化所述模擬的飛行器和發動機組合爬升至規定的巡航高度和空速的燃料消耗。

本發明的第十四技術方案是在第十三技術方案中，還包括驗證所述飛行器和發動機組合的所述性能特征的所述數學模型表示。

本發明的第十五技術方案是在第十三技術方案中，所述數學模型表示的所述快速動態分量通過將所述模擬的飛行器和發動機組合的俯仰力矩和豎直力設置為平衡值來消除。

本發明的第十六技術方案是在第十三技術方案中，還包括由所述模擬的飛行器和發動機的確定的最佳開環控制和運動方程來確定飛行軌跡。

本發明的第十七技術方案是在第十三技術方案中，所述模擬的飛行器和發動機組合爬升至所述規定的巡航高度和空速的爬升速度(和推力)是可變的。

本發明的第十八技術方案是在第十三技術方案中，所述飛行器和發動機組合的性能特征的所述數學模型表示包括發動機退化特征、作為飛行變量的函數的燃料焚燒、飛行動態模型和它們的組合中的至少一者。

附圖說明

在參照附圖閱讀以下詳細描述時，本公開內容的這些及其它特征、方面和優點將變得更好理解，附圖中相似的標號表示附圖各處相似的部分，在附圖中：

圖1為按照本文所示或所述的一個或更多個實施例的飛行路徑的階段的示范性圖示；

圖2為按照本文所示或所述的一個或更多個實施例的過程的示范性流程圖；

圖3為按照本文所示或所述的一個或更多個實施例的示例性飛行軌跡和傳統飛行軌跡的示范性圖解示圖；以及

圖4為根據本文中的一些實施例的裝置的示范性圖示。

部件列表

100 飛行路徑的圖表

105 爬升路徑

110 巡航路徑

115 下降路徑

120 基準點

200 流程圖

205 過程操作

210 過程操作

215 過程操作

220 過程操作

225 過程操作

230 過程操作

235 過程操作

240 過程操作

300 爬升路徑的圖表

305 傳統飛行計劃圖

310 公開的飛行計劃圖

315 圖305的的跟蹤結果

320 圖310的的跟蹤結果

400 系統

405 處理器

410 緩存

415 輸入裝置

420 通信裝置

425 輸出裝置

430 儲存裝置

435 非線性規劃引擎

440 飛行路徑數據。

具體實施方式

本公開內容涉及使用非線性規劃的引導優化。如本文中所使用的，用語非線性規劃是解決連同待最大化或最小化的目標函數在一組未知實變量內的共同稱為約束的等式和不等式的系統限定的優化問題的過程，其中約束或目標函數的一些是非線性的。它為應對非線性的問題的數學優化的子領域。如本文中所使用的，用語引導限定最小化成本函數且為反饋控制系統的輸入的控制基準。在一些實施例中，本公開內容公開了一種確定最佳開環控制的方法。給定假設的初始操作狀態和環境條件，飛行路徑然后可通過對運動方程應用確定的控制來預測。在一些方面中，本公開內容具體涉及使用非線性規劃優化飛行路徑的爬升階段或部分的系統和過程。在一些方面中，非線性規劃技術可杠桿作用來更精確且高效地限定飛行路徑優化問題，且生成最佳控制軌跡。在一些方面中，非線性規劃可用于解決由一組未知實變量上的約束的系統限定的引導優化問題(例如，最小化燃料消耗)。之前的努力和系統(包括傳統FMS)通常假定各種變量為常數(例如，飛行器質量假定為恒定的，而不管由于燃料焚燒、飛行器空速將在飛行路徑的爬升部分期間恒定的命令等引起的變化)，且/或在其它情況下不考慮一些其它變量。非線性規劃技術和當前計算能力的組合使用可提供解決和生成針對引導優化的(多個)復雜非線性問題的解決方案的機構。在一些方面中，本文中的過程和系統可消除或至少最小化在確定最佳控制中不實際的假定和其它(任意)約束的使用。此外，提出的非線性規劃可處理飛行器可能需要滿足的所有類型的約束，包括高度-速度、高度-距離和速度-距離約束。如本文中所使用的，用語飛行器、飛行機或飛機可包括包含噪聲適航標準規則的美國聯邦法規25部分(14CFR 25部分)14段中提出的商用飛行器：運輸類飛機、無人機和其它航空工具。

參看圖1，以圖表格式示出了飛行器的飛行路徑100。如圖所示，飛行路徑大體上包括三個階段或部分。具體而言，圖1中示出了飛行路徑100，其包括爬升路徑105、巡航路徑110和下降路徑115。圖1中的圖表示出了固定翼飛行器的飛行器高度(豎直軸線)和范圍(水平軸線)之間的總體關系。在一些實施例中，本文公開的過程和系統可適于確定飛行路徑的爬升部分105的最佳控制，其中優化的目標在于最小化飛行路徑的爬升部分期間的燃料消耗，同時滿足飛行路徑的巡航階段開始的期望距離、高度、速度，且不限制其它類型的所需飛行路徑約束。在一些實施例中，本公開內容的方面可延伸至至少部分包括飛行路徑的巡航110和/或下降115部分。

參看圖2，公開了關于以限定的目標函數確定飛行器的最佳控制的過程200。在一些實施例中，過程200涉及確定用于特定飛行器的爬升路徑的控制軌跡。在一些實施例中，優化本文的飛行器的爬升路徑的問題消除、取消或至少最小化確定最佳控制中考慮的操作約束的程度。將注意的是，實際(即，真實)操作約束可存在，且可用于最佳飛行路徑的確定中。例如，現實世界操作約束(例如，特定低高度處的最大速度、飛行器飛至某些航點的管理實體要求和其它操作約束)可在本文的一些過程中完全解決，包括但不限于圖2中所示的過程流。

在一些實施例中，優化飛行路徑的問題可以以非線性規劃優化問題的形式計算。因此，問題的所有實際約束可使用非線性規劃來考慮。例如，約束(例如，飛行該飛行路徑的特定飛行器、結合飛行器使用的(多個)特定發動機、特定機身制造者和其對于飛行路徑的相關聯的特征、施加管制的飛行規則等)可按照本文中的一些實施例解決。這些及其它約束可轉化成非線性規劃數學方程來確定最佳解決方案，考慮了現實約束，而不需要施加不必要的非現實或任意的約束和/或假定。

大體上，本文中的一些實施例的優化問題可通過獲得相關飛行器及其(多個)發動機的準確模型、對問題施加現實世界約束和確定期望的優化函數的非線性規劃解決方案(例如，最小化飛行路徑的燃料消耗)來形式化。

過程200提供了按照本文的一些實施例的生成最佳控制的過程。在操作205處，接收飛行器和發動機組合的性能特征的數學模型表示。本文的飛行器和發動機組合的性能特征的數學模型表示準確地統一了飛行器和發動機模型，其用于提供最佳飛行路徑來加強燃料節省的非線性規劃求解器中。如本文中所提到的，飛行器和發動機組合的性能特征的數學模型表示可包括用于各個特定飛行器的準確發動機模型、用于各個特定飛行器的準確空氣動力模型、用于結合特定飛行器使用的特定發動機的發動機退化模型(例如，可從發動機制造者獲得)、特定飛行器的燃料焚燒速率(例如，作為高度、速度、油門角(throttle angle)等的函數)，以及其它附加、替換或備選的實際(即，現實世界)約束。

在一些實施例中，用于操作205中的飛行器和發動機組合的性能特征的數學模型表示可針對執行過程200的至少一些操作的實體推導出或另外確定。數學模型可在操作205之前推導出。在一些實施例中，作為操作205的一部分或作為單獨的操作，飛行器和發動機組合的性能特征的數學模型表示可由使模型與飛行實體化數據匹配的過程驗證。

操作210包括執行對操作205的數學模型表示的投影。在一些方面中，所有模型都投影在豎直平面上，使得模型將僅代表縱向運動(即，當前飛行路徑優化的相關運動)。以此方式，可減少準確且完全表示飛行路徑所需的方程數。

在操作215處，可消除如現在由操作210的模型表示的數學模型的快速動態分量。模型的快速動態分量中的至少一些可消除，以圖減少與過程200相關聯的計算負載。在一些實施例中，例如，飛行器重量的一些變化、高度變化和速度變化相比于以(多)秒計的時段中發生的其它變化(即，快速動態)，在幾分鐘內發生。通過消除這些快速動態，優化控制可高效地獲得，同時仍保持高的準確度。210和215的操作可至少部分地構成模型降階過程。

繼續至操作220，確定降階模型。降階模型包括(多個)不同代數方程(的系統)，其中代數方程替換快速動態。操作200還包括操作225，其包括設置或選擇飛行路徑角和油門桿角作為控制，以最小化模擬的飛行器和發動機組合的燃料消耗。

在一些實施例中，模擬的飛行器和發動機組合的高度可處理為獨立變量。首先，在飛行器和發動機組合的數學模型(其表示為不同代數方程)中，狀態(變量)的導數是關于時間的。在一些實施例中，獨立變量變為高度，替代時間。即，不同代數方程中的所有差別相對于高度完成。結果，包括時間的所有其它變量公式化為飛行器的數學模型中的高度上的因變量。高度的此處理是可能的，因為期望飛行器在特定高度處達到爬升的終點(即，飛行路徑的巡航階段的開始，圖1中的基準點120)。

在一些實施例中，飛行器性能和空隙限制可限定為由過程200解決的優化問題的狀態和/或控制約束。在操作230處，過程200包括將爬升端點成本限定為巡航高度和空速的函數。巡航狀態在成本限定中考慮，一旦經過爬升階段就獲得在巡航狀態中飛行的效果。巡航成本以末端成本的形式出現：(巡航狀態下每單位距離焚燒的燃料)*(總爬升距離)。利用此項，爬升優化針對行進爬升階段和部分巡航階段的所有軌跡執行，使得所有軌跡在接近爬升結束的一些點達到巡航狀態下的相同距離、高度和速度。因此，在一些實施例中，不但確定以最小燃料消耗飛行爬升階段的軌跡，而且還確定包括在巡航階段內焚燒燃料來達到與其它軌跡相同的距離且一旦達到相同距離而行駛的一些附加距離的軌跡。此類軌跡將比僅包括爬升階段的軌跡相對地消耗更多燃料。

前進至操作235，模擬的飛行器和發動機組合的運動方程(即，完整飛行路徑運動方程)可離散化且公式化為非線性規劃問題，其目標在于最小化飛行路徑的爬升部分的燃料成本。目標在于最小化飛行路徑的爬升部分的燃料成本的非線性規劃問題的實施例是最小化直接操作成本的更常見問題的特殊情況。操作235的非線性規劃問題然后可解決，以確定最佳開環控制，其最小化模擬的飛行器和發動機組合爬升至規定巡航高度和空速的燃料消耗，如圖2中的操作240處所示。規定的巡航高度和空速可對應于圖1中的120處或周圍的點。在一些實施例中，飛行軌跡可從最佳開環控制交通工具運動方程確定。

在本文的一些實施例中，過程200和結合其至少一些方面的其它過程提供了許多改善、增強和功能性。一些此類改善、增強和功能性可包括但不限于最佳地處理高度-速度、距離-速度、高度-距離約束的能力；允許可變速度、飛行路徑角和/或推力來最小化直接操作成本；允許乘坐質量和性能約束，包括急拉和加速極限；解決優化中的高空風；例如基于個性化發動機模型來在實際發動機隨時間變差時解決實際發動機性能；允許更高階運動方程(關于其它方法)，包括通過排除假定質量恒定的其它方法的假定的作為狀態變量的質量；以及允許使用成本指數來限定成本函數中的時間和燃料成本，由此允許最小化直接操作成本的過程。

在一些實施例中，過程200和其至少一個或更多個操作可延伸至完整飛行路徑優化過程。即，在一些實施例中且按照本文公開的其它方面，過程200或其部分可用于確定除爬升路徑外和/或加至爬升路徑的飛行路徑的階段或部分的優化的飛行路徑，例如，巡航路徑、下降路徑和它們的組合。

在一些實施例中，諸如飛行管理系統(FMS)的系統和裝置可設計、升級、改造、擴展和以其它方式執行為實施本文公開的操作和過程中的一個或更多個，以使用非線性規劃來優化飛行引導。在特定實施例中，過程200的操作240可由FMS和/或(多個)其它系統來執行。在一些情況中，飛行員或其它飛行器責任人員可使用本文公開的操作和過程中的一個或更多個來生成飛行路徑。因此，生成的飛行路徑計劃可隨后用作飛行器操作中的引導。在一些實施例中，FMS和/或(多個)其它系統可使用本文公開的操作和過程中的一個或更多個，以在初始或之前的飛行路徑計劃按照本文的過程生成之后，更新用于飛行器在舉例的操作狀態中充分變化(即，大于一些最小閾值)的飛行路徑計劃。在一些實施例中，過程200和其它方法，以及本文公開的系統和裝置可應用于商用(部分25)飛行器。

圖3為示出按照本公開內容的模擬的飛行器的爬升路徑的圖的圖表300的示范性圖示。具體而言，示出了之前/傳統的計劃的圖305，其中飛行器限于貫穿飛行路徑的爬升路徑而保持恒定速度。然而，圖310用于結合本公開內容的方面的飛行路徑計劃，其中飛行器不限于或限制為為了最小化燃料消耗而貫穿飛行路徑的爬升階段保持恒定速度。如圖所示，如點325處所示，用于本文公開的飛行路徑計劃310的校準的空速(CAS)在飛行器爬升至規定末端高度和速度時極大地變化。將注意的是，傳統計劃和當前公開的計劃兩者的軌跡都終止于相同距離、高度和速度。圖315和320分別繪出了傳統計劃和當前計劃的跟蹤結果。

將注意的是，本公開內容的申請人已經使用本文公開的過程實現了改善。例如，模擬具有CFM56發動機且使用本文公開的過程的Boeing 737-800，針對規定的操作方案生成了最佳飛行路徑。使用模擬的飛行器和發動機組合飛行生成的飛行路徑，且測量爬升階段期間的燃料消耗。所得的燃料消耗與飛行具有恒定速度優化的傳統飛行路徑的飛行器消耗的燃料相比較。

本文中公開的過程(包括但不限于過程200)可由配置成執行過程的操作的系統、應用或設備來實施。在一些實施例中，設備、裝置或系統的各種硬件元件執行程序指令來執行過程200。在一些實施例中，硬接線電路可用于替換或組合用于根據一些實施例的過程的實施的程序指令。可由系統、裝置或設備執行以實施過程200(和本文公開的其它過程或其部分)的程序指令可儲存在或另外體現為非暫時性有形介質。因此，實施例不限于硬件和軟件的任何特定組合。

圖4為根據一些實施例的系統或設備400的框圖概視圖。例如，系統400可與本文所述的任何裝置相關聯，包括例如配置在飛行器中的FMS、陸基系統和經由"云"傳輸的服務的一部分。系統400包括處理器405，諸如一個或更多個市售或定制的中央處理器(CPU)，其為一個芯片的微處理器或多核處理器的形式，聯接到配置成經由通信網絡(圖4中未示出)與另一裝置或系統通信的通信裝置420上。在本例中，系統400包括配置在飛行器中的裝置或系統，通信裝置420可提供用于系統400與其它機載或遠程應用、裝置、系統或服務對接的機構。系統400還可包括緩存410，諸如RAM存儲器模塊。系統還可包括輸入裝置415(例如，觸摸屏、鼠標和/或鍵盤來輸入內容)和輸出裝置425(例如，觸摸屏、計算機監視器來顯示、LCD顯示器)。

處理器405與儲存裝置430通信。儲存裝置430可包括任何適合的信息儲存裝置，包括磁儲存裝置(例如，硬盤驅動器)、光儲存裝置、固態驅動器和/或半導體存儲器裝置的組合。在一些實施例中，儲存裝置430可包括數據庫系統，在一些配置中包括內存數據庫、關系數據庫和其它系統。

儲存裝置430可儲存程序代碼或指令435，其可提供用于按照本文的過程管理飛行路徑優化生成器的處理器可執行指令。處理器405可執行程序指令435的指令，以由此按照本文所述的任何實施例操作。程序指令435可以以壓縮的非編譯和/或加密格式儲存。程序指令435還可包括其它程序元件，諸如操作系統、數據庫管理系統和/或由處理器405使用的裝置驅動器，以例如與外圍裝置(圖4中未示出)交互。儲存裝置430還可包括數據440，諸如在本文的一些實施例中公開的發動機飛行路徑數據。在一些方面中，數據440可由系統400使用，以執行本文的過程中的一個或更多個，包括獨立過程、那些過程的獨立操作，以及獨立過程和獨立過程操作的組合。

本文所述的所有系統和過程可體現在儲存于一個或更多個有形非暫時性計算機可讀介質上的程序代碼中。例如，此介質可包括軟盤、CD-ROM、DVD-ROM、閃速驅動器、磁帶和固態隨機存取存儲器(RAM)或只讀存儲器(ROM)儲存單元。因此，實施例不限于硬件和軟件的任何特定組合。

本公開內容構想出的是，除本文通過舉例具體論述的那些參數之外，附加的參數可在優化的飛行路徑的生成中考慮。還可構想出的是，包括使用非線性規劃的公開的方面和實施例可充分地運用和處理這些其它飛行相關的參數。

本文所述的實施例僅用于示出的目的。本領域的技術人員將認識到可結合改型和變型實施的其它實施例。