一種基于性能導航的飛行程序設計系統及驗證平臺和驗證方法

專利名稱：一種基于性能導航的飛行程序設計系統及驗證平臺和驗證方法
技術領域：
本發明屬于航空導航領域，具體涉及一種基于性能導航的飛行程序設計系統及驗證平臺和驗證方法。
背景技術：
中國經濟的高速發展促進了民航業的迅速增長，1978年以來，中國民航運輸總周 轉量年增長率為18%，約為同期GCP增長速度的2倍左右。2000年中國民航運輸總周轉量為世界第九位，2003年為第五位，2004年為第三位，2005年躍居到世界第二位。近年來一直保持著第二的位置，已成為民航大國。雖然中國民用航空運輸系統整體保持著快速穩步發展，然而中國民航的快速發展也面臨諸多挑戰，主要包括(I)特殊機場眾多特殊機場是指飛行環境復雜、機場保障條件不足，為保證飛行安全，需要采取特別應對措施的機場。我國目前有38個特殊機場，海拔2438米(8000英尺)以上的高高原機場有8個，還有更多的高原和復雜機場正在建設中。受地形和地理條件的影響，這些機場和區域的傳統地基導航設施難以滿足運行需要，且投資巨大，維護成本高。(2)東西部發展不平衡由于我國地區經濟發展的不平衡，東部地區擁有較完善的基礎設施和地基導航系統，監視雷達可實現多重覆蓋。但西部地區的基礎設施和地面導航臺建設不完善，導航臺和監視雷達的信號覆蓋不完全。隨著西部經濟的快速發展，西部地區民航基礎設施的建設面臨嚴峻挑戰。傳統導航時利用接收地面導航臺的信號，通過向臺和背臺飛行實現對航空器的引導，其航路和飛行程序受地面導航臺的布局與設備種類的制約，精度有限，現在的運行概念和技術手段不能解決上述問題。隨著機載設備能力的提高以及衛星導航及其它先進技術的不斷發展，國際民航組織(ICAO)提出了“基于性能的導航(PBN=Performance BasedNavigation) ”概念。PBN的引入體現了航行方式從基于傳感器導航到基于性能導航的轉變。PBN較傳統程序具有如下優勢 精確地引導航空器，提高飛行運行安全性； 提供垂直引導，實施連續穩定的下降程序，減少可控撞地的風險； 改善全天候運行，保障地形復雜機場運行的安全； 實現靈活而優化的飛行航徑，增加飛機業載，減少飛行時間，節省燃油。PBN原型源于RNAV (區域導航)和RNP (所需性能導航)概念。其概念是九十年代初期國際民航組織研究發展新航行系統(FANS)時提出的，最初是應用在跨洋飛行的空域管理和空中交通間隔調配。隨著機載導航技術的不斷創新，PBN的定義和內涵也在不斷變化。國際民航組織在整合已有研究成果的基礎上，2008年正式提出了基于性能的導航概念，明確了 RNAV和RNP是兩種不同形式的PBN，其應用范圍也拓廣到了飛行的各個階段。PBN是航空強國目前正在研究的熱門課題，也是國際航空界公認為未來航行發展的趨勢。最早應用PBN技術的是美國阿拉斯加航空公司。在朱諾機場使用PBN程序后實現了地形復雜和低天氣標準運行。目前美國有近10個復雜程度不同的機場使用了 PBN程序，僅阿拉斯加航空公司2003-2004年間，經統計減少備降返航603個航班，并每年節約500萬美元。基于性能的導航技術的應用為航空公司帶來了高安全可靠性和巨大的經濟效益。國際上除美國外，加拿大、新西蘭、澳大利亞也開展了 PBN技術的研究與應用。歐盟國家也在積極關注PBN技術的發展，并在積極推動這些技術在歐洲的實施，并將PBN作為歐洲天空一體化的重要技術支撐之一。PBN技術的日臻成熟與完善，為中國民航的快速、安全發展提供了有效解決問題的途徑。國際民航組織第36屆大會決議指出“各締約國應在2009年完成PBN實施計劃，確保在2016年之前，以全球一致和協調的方式過渡到PBN運行”。中國民航局為此發布了《中國民航基于性能導航(PBN)實施路線圖》，在中國大力推廣PBN航行新技術。中國民航 PBN實施路線圖也于2009年出臺。其實施策略將分為三個階段，即近期(2009-2012)、中期(2013-2016)、遠期(2017-2025)。近期實行PBN重點應用，中期實行PBN全面應用，遠期實行PBN與CNS/ATM系統整合。西藏拉薩機場的復雜性讓傳統程序遇到了很多難以克服的瓶頸，PBN飛行程序完美地解決了這個問題。PBN技術的應用為中國民航的發展翻開了新的一頁。繼拉薩之后，目前國內有西藏林芝、邦達、阿里，以及云南的麗江、湖南的張家界、安徽的黃山、吉林的延吉等機場相繼實施了 PBN程序。PBN程序的應用解決了這些地形復雜機場運行標準高、空域復雜等弊端，為航空公司與機場帶來了可觀的效益。但上述國內機場運行的PBN程序都是國外公司所設計，核心技術依然掌握在國外公司的手里。目前具備PBN程序設計能力的只有波音公司、空客公司以及美國Naverus公司，國外公司也看好了中國市場的巨大潛力，對中國進行技術上的封鎖，這對中國民航提高安全運行，推薦新技術應用，由民航大國提升到民航強國十分不利。目前，全世界范圍內僅有法國和意大利有設計開發的PBN飛行程序設計軟件，其包括(I)GITAN(法國)Geotitan飛行程序設計軟件是法國民航學院(ENAC)與法國航空數據信息公司CGX于2001年投入研發的商用軟件。軟件主要建立了一套基于AIXM的航空地形數據庫，完全整合ICAO Doc8168-0PS/611規范，實現自動繪制保護區，自動評估障礙物，自動制作航圖和編制報告等功能。⑵FPDAM軟件(意大利)FPDAM是意大利IDS公司開發的一款先進的飛行程序設計和空域管理軟件。它的主要特點是能以三維的方式設計儀表飛行程序，并建立了一個完整的航空數據庫平臺，不僅為它的飛行程序管理軟件提供平臺提供數據，還支持雷達信號分析，空域程序設計等提供可靠數據保證，其用傳統導航信息和區域導航概念提供程序設計的交互環境。FPDAM為用戶工作提供了如下功能 對于新建機場、機場改造提供快速的儀表飛行程序設計； 在保證間隔和MEA/MEL/LSALT確認的同時，設計航路航線；
對地面導航設施臨時超出服務范圍，重新規劃路線和重新設計航線； 對有限制的空域進行定義和修改； 空域存在軍事訓練或其它重要空中事件期間，對有臨時限制的區域進行管理； 對新建機場周圍障礙物及周圍環境的評估； 對機場的總規劃進行分析； 可用飛行模式檢查所設計儀表飛行程序。 國內目前只有適用于傳統飛行程序設計與分析功能的系統，還沒有PBN飛行程序設計的系統。另外，國外航空飛行模擬飛行平臺比較成熟與完善。從初級模擬器到高級全動模擬機已成系列應用于飛行員的各個階段培訓。但是專門應用于程序驗證的平臺目前在國內外尚無商用平臺。所以目前程序的驗證都使用飛行員訓練用的全動模擬機，這對程序驗證來講存在的一個主要問題就是驗證周期時間長的問題，因為程序編碼由FMS導航數據庫公司制作，FMS導航數據庫的制作周期是28天，驗證后如果發現程序有問題需要修改，則需等到下一個制作周期才可修改，一個PBN程序設計完成一般需要修改兩三次以上，每修改一次需要等28天修改導航數據庫，修改次數越多，耗費周期越多，時間太長。同時也存在著使用全動模擬機驗證費用高昂的困難。同時，國外用于PBN程序驗證的模擬機版本差異大，跨越時間長，不是全部模擬機都具有所驗證機場的模擬機視景數據庫，在PBN程序驗證時有的模擬機可以安裝驗證機場的視景，但有的卻不能安裝，在安裝了驗證機場視景的模擬機上進行驗證時，驗證過程中EGWPS地形數據庫一旦告警，可根據機場視景直接發現問題，對程序進行修改，而缺乏視景數據的模擬機出現地形告警時，對出現的問題需要深入研究討論，多次驗證飛行來確定原因。

發明內容
本發明的目的在于解決上述現有技術中存在的難題，提供一種基于性能導航PBN飛行程序設計系統及驗證平臺，解決PBN程序設計過程中航路點的精確性、數據庫編碼的準確性、程序設計的合理性以及程序驗證周期過長等難題，滿足國內航空市場快速增長的需求，滿足ICAO和我國民航對PBN程序的運行需求，降低設計成本與航空公司的應用成本。本發明是通過以下技術方案實現的一種基于性能導航PBN飛行程序設計系統，所述系統包括三層底層、中間層和最上層，其中所述底層為基于AIXM的核心數據庫層，其收集了各種數據庫，包括AIPs和NOTAM ；所述中間層是SUPERMAP組件層，其通過數據庫引擎與底層進行雙向交互；所述最上層為應用層；所述應用層包括1)PBN飛行程序輔助設計應用模塊，其處理來自本地的數據和外部的中央數據庫的數據，通過中間層與數據庫引擎進行雙向交互；本地的數據是指Supermap SDB文件形式存儲的數據；
2)制圖應用模塊，其根據標準航圖模板生成航圖，通過中間層與數據庫引擎進行雙向交互；3) ARINC424編碼輸出應用模塊，包括對基礎數據和飛行程序數據進行編碼；對基礎數據進行編碼的過程是對數據按先后順序生成數據表格輸出，對飛行程序數據進行編碼則是提取關鍵信息，并對關鍵信息重新排序，最后按順序生成數據表格文件；數據庫引擎將數據傳送給ARINC424編碼輸出應用模塊；此模塊提供三部分功能:A，根據飛行程序方案文件中的部分基礎數據和飛行程序進行編碼前預處理；B，提供用戶對預處理后內容再次編輯；C，導出設計自動編碼功能。4) SUPERMAP DESKPR0(超圖公司的桌面軟件)瀏覽航圖應用模塊或地圖文件，利用SUPERMAP DESKPR0瀏覽航圖模塊，利用桌面軟件在地圖處理上的功能對設計好的航圖進 行加工，完成程序設計軟件不能完成的功能；數據庫引擎將數據傳送給SUPERMAP DESKPR0瀏覽航圖應用模塊或地圖文件；5)基于模板和數據的報告模塊，其根據數據庫引擎傳送來的數據，按設計的模板，自動生成報告文件。所述PBN飛行程序輔助設計應用模塊自動檢查設計是否符合PBN飛行程序航路點序列規則，并生成標稱航跡與保護區；同時按規則分段存儲，便于保護區的分段評估；實現RNAV或RNP保護區與傳統ILS保護區的無縫連接；對人工障礙物和DEM障礙物進行識別；自動進行進場、離場、起始進近、中間進近、非精密進近、ILS-0AS、APV_BAR0 OAS各個階段和目視面障礙物評估，給出參考性建議。所述PBN飛行程序輔助設計應用模塊包括三層(I)顯示層和參數設置界面所述顯示層用于可視化分層顯示PBN飛行程序設計的各個程序設計元素，所述程序設計元素包括跑道，導航臺，保護區；所述參數設置界面用于圖形化設置程序設計元素所需要的參數；(2)業務邏輯層是該模塊的核心層，其負責與所述顯示層和參數設置界面進行交互，以及與底層的數據庫進行交互，同時完成算法的調用；(3)數據存儲層包括本地配置文件、本地SUPERMAP數據源和基于AIXM的中央數據庫；所述本地配置文件通過XML解析器與業務邏輯層進行交互；所述本地SUPERMAP數據源通過SUPERMAP SDX+引擎和引擎與業務邏輯層進行交互；所述基于AIXM的中央數據庫通過SQLSERVER數據庫引擎與業務邏輯層進行交互。一種用于對所述基于性能導航的飛行程序設計系統進行驗證的驗證平臺，所述驗證平臺包括飛行動力學系統、飛行管理與導引系統、飛行控制系統、發動機系統、大氣數據與慣性平臺系統、中央監控系統、操縱系統、儀表系統和視景系統；所述發動機系統包括燃油系統；所述飛行動力學系統包括氣動系數模塊和運動方程模塊，所述氣動系數模塊是飛機各種條件下升、阻力以及力矩系數的集合，在計算過程中通過實時查詢獲得此刻的飛機各種氣動系數值。它通過接收操縱系統的飛機舵面、襟翼位置，以及相關飛行參數，利用這些參數查詢氣動系數，再利用氣動系數計算氣動力和力矩，并將計算結果輸送到運動方程模塊；所述運動方程模塊接收氣動系數模塊的氣動力和力矩、以及發動機系統的推力值、燃油重量及飛機重心位置、以及標準大氣數據，利用這些條件以及飛機初始值，解算飛機六自由度非線性全量運動方程，得到飛機的姿態、速度、升降率、位置以及其它飛行參數，并將這些參數重新反饋給氣動系統模塊，重新查詢獲取氣動系數并進行氣動力以及氣動力矩計算，再傳遞給運動方程模塊，周而復始重復上述計算過程，實現飛行動力學計算；所述飛行管理與導引系統，自身帶有導航數據庫、飛機性能數據庫以及氣動數據和發動機數據庫，實現飛行管理與飛行引導兩部分功能；所述飛行管理部分，通過人機界面輸入起飛初始參數以及離場以及進場、進近飛行程序，以使飛機按此飛行程序進行離場、降落；所述飛行引導部分，接收飛機動力學系統以及飛行控制系統傳送的信息，與數據庫中的飛行計劃比對，計算出當前的速度、航向以及航跡誤差，再傳遞給飛行控制系統與發動機系統，實現對速度、航向以及航跡偏差的控制，之后，飛機動力學系統以及飛行控制系統再將計算得到的新信息反饋給飛行管理與導引系統，再次計算偏差并進行控制，周而復始重復上述過程，完成導航過程，使飛機按預期航跡飛行。同時，飛行管理與導引系統對導航源的精度、以及位置精度進行計算，并在精度不符合要求時進行報警；所述飛行控制系統，接收飛行管理與導引系統發送的當前航跡和航向偏差，利用預先設計的控制率，計算得到修正偏差所需要的飛機舵面以及襟翼操縱量，將操縱量數據傳遞到翼面舵機，執行操作，使飛機改變姿態以及航向，按照預期的航跡飛行；所述發動機系統，接收飛行管理與導引系統發送的當前速度和高度偏差，利用預先設計的發動機油門控制率，計算得到修正偏差所需要的燃油流量以及自動油門操縱量，將操縱量數據傳遞到發動機系統，執行操作，使發動機改變推力，從而改變速度、高度等飛行參數，達到預期的飛行指標；所述大氣數據與慣性平臺系統，包括大氣數據處理部分和慣性平臺部分，所述大氣數據處理部分通過傳感器獲得大氣的動壓、靜壓、總壓、大氣溫度這些基本參數，來計算當前的大氣基本參數和氣壓高度、空速信息；所述慣性平臺部分通過三個軸向加速度計得到飛機加速度信息，通過積分獲得三軸的速度信息，再次積分獲得三維位置信息，利用大氣數據的空速信息，計算得到當前風速，利用氣壓信號，得到氣壓修正高度；所述中央監控系統，接收來自其它所有系統的數據，對各系統工作狀態和數據進行監控，一旦出現數據超限以及狀態異常，將以音頻以及視頻信息進行報警，提醒機組注 思；所述操縱系統提供了機組手動操縱飛機的設備，包括轉向輪、駕駛桿、油門桿和腳蹬，機組通過這些設備直接將操縱指令發送給飛行控制系統、翼面舵機、發動機系統，在起飛、降落以及執行流量調整、管制指令時人工進行操縱，在系統失效、突發意外時也可以人工操控飛機；所述儀表系統包括主飛行顯示器、導航顯示器；所述儀表系統接收來自大氣數據與慣性系統、飛行管理與導引系統、飛行動力學系統和飛行控制系統的參數，對當前飛行姿態、速度、升降率、馬赫數、高度、航跡、導航信息、地形信息、大氣數據、飛行計劃數據進行顯示，供機組查看，以了解目前飛行狀態；所述視景系統接收當前飛行姿態、速度、升降率、馬赫數、高度、航跡、導航信息，利用自帶的三維地形數據庫，提供飛行中的虛擬三維場景，包括三維地形、三維大氣環境、機場終端區環境、三維飛機模型；提供發動機、以及外界自然環境中的音響效果，為機組模擬飛行提供逼真的三維視覺以及聽覺信息。所述視景系統包括飛行數據接口，內存調度模塊、緩沖區管理模塊、視景裁剪模塊、渲染輸出模塊；所述飛行數據接口實時地按時間序列接收模擬機產生的飛行數據，并提取飛機的相關信息來驅動視景；所述內存調度模塊根據飛機數據接口中得到的視點位置和視野的范圍，計算需讀入內存數據的范圍保證內存中的數據范圍可以滿足未來一段時間內的渲染需要，并根據視點的變化更新內存中的數據；
所述緩沖區管理模塊的功能是調度數據、簡化模型；當觀察視點在虛擬地形場景中漫游時，根據視點的范圍和視游走向，系統將進入視野內的數據從內存中調入緩沖區；所述緩沖區包括渲染緩沖區和數據緩沖區；渲染緩沖區指的是根據當前用戶視野范圍，所劃定的一個可視范圍，落入該范圍內的地形必須進行渲染，由數據管理器負責數據緩沖區的更新；所述渲染緩沖區表現為當前渲染緩沖區中所有數據單元的指針列表，由場景管理器負責緩沖區的更新；由于數據的調度需要花費一定的時間，因此，需要在數據塊進入視野之前，需要提前調度那些可能很快進入視野的數據塊，；所述視景裁剪模塊屏幕上顯示的圖像是二維景物在垂直于視線方向的二維成像平面上的投影，渲染輸出前必須對物體和視圖體的相對位置進行判斷，然后由則所述視景裁剪模塊進行如下處理如果物體完全位于視圖體外，則拋棄掉；如果物體完全位于視圖體內，則把它變換到屏幕坐標系并進行渲染；如果物體與視圖體相交，則用視圖體對物體進行裁剪，然后渲染位于視圖體之內的那部分；所述渲染輸出模塊渲染輸出模塊根據當前渲染緩沖區中所有數據單元的指針列表進行渲染輸出；在視點移動時，場景管理器負責根據視點參數實時的對渲染緩沖區中各個單元進行更新，將新的進入渲染緩沖區的單元指針加入指針列表，并刪除那些已經移出渲染緩沖區單元的指針，同時，使用輪詢機制，不斷的向場景管理器詢問當前渲染緩沖區中的數據是否已經準備好，如準備好就繼續進行渲染，這樣實現循環的渲染視景。所述視景系統采用的是真實的地形、紋理、機場數據生成的視景數據庫；所述視景系統采用單顯卡和專用分屏硬件，所述專用分屏硬件采用圖形擴展模塊技術，將輸入的一路VGA信號分配到為三路信號，并讓Windows 2000/XP操作系統按照合適的比例將圖像信號輸出到顯示屏。使用所述驗證平臺進行驗證的方法，所述方法包括以下步驟(I)錄入導航數據庫通過升級導航數據庫界面，啟動導航數據庫編輯系統，飛行驗證人員選擇要輸入的信息類型，輸入對應的各種數據，輸入數據完畢后，生成數據庫，重啟飛行驗證平臺；(2)設置飛行參數，進行地面驗證驗證人員通過停機坪界面，設置參數，驗證人員按照標準飛行程序，進行飛行前的各種操作；(3)起飛后進行空中驗證驗證人員按照標準的飛行程序進行起飛的各種操作；(4)進近階段驗證當飛機處于進近階段時，導航系統按照預定的梯度下降至程序設計的速度，垂直制導系統將自動引導飛機到DH+50高度，不依靠儀表著陸系統，在GPSPRIMARY模式下，實現自動著陸。與現有技術相比，本發明的有益效果是(I)首次創建了航行數據交互模型，該模型能夠有效的將機場、三維數據地形、障礙物數據以及航行情報資料自動鉸鏈在一起為程序設計提供基礎數據。(2)實現了 PBN程序自動設計。本發明能夠根據航行數據庫中的基礎數據，按照ICAO和FAA的規章與規范，自動評估障礙物，智能的選取最優的進離場路線，并能快速生成航行情報文檔。極大的提高了程序設計的效率。(3)飛行程序導航數據庫完整性驗證。FPCAD能夠對已經完成的飛行程序，按照軟件格式數據要求，自動的完成程序完整性驗證。主要包括航路點、程序高度、航段是否符合 規范要求等，為飛行的安全提供一種檢驗的手段。(4)PBN程序只需在本發明的程序驗證平臺上進行飛行驗證，成本明顯比全動模擬機低，程序驗證初期不需要FMS導航數據庫公司制作編碼，可以直接在驗證平臺的導航數據庫進行添加PBN程序，驗證過程中可對導航數據庫進行編輯和修改，程序修改不需要等28天周期，實時修改導航數據庫即可再次驗證。直到程序修改完善后，再提交給FMS導航數據庫公司(Smith公司和Honeywell公司)完成編碼,交付航空公司即可投入運行。


圖I是本發明基于性能導航PBN飛行程序設計系統的架構框圖。圖2是圖I中的PBN飛行程序輔助設計應用模塊的結構框圖。圖3是本發明的驗證平臺的架構框圖。圖4是本發明基于性能導航PBN飛行程序設計系統自動生成連接的保護區圖。圖5是本發明基于性能導航PBN飛行程序設計系統中的APV-BARO VNAV障礙物評估參數輸入界面。圖6是本發明基于性能導航PBN飛行程序設計系統中的APV-BARO VNAV障礙物評估結果圖。圖7是圖6的評估結果在地圖上的顯示圖。圖8是本發明基于性能導航PBN飛行程序設計系統中的航圖自動生成界面。圖9是本發明中的視景系統的結構模塊圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述如圖I所示，一種基于性能導航PBN飛行程序設計系統，所述系統包括三層底層、中間層和最上層，其中1，底層為基于AIXM的核心數據庫層收集了 AIPs、NOTAM和其它數據；在飛行程序設計中，會涉及到諸如機場，導航臺，飛行程序、障礙物等大量數據，如何實現這些數據利于保存、查看、交互是一個重要問題，針對這個問題，本發明采用國際航空數據交換模型AIXM建立數據庫，整合航空數據資源，實現對航空信息的統一管理，為PBN程序設計和驗證系統提供準確、可靠的數據支持。
真實的導航臺，航線、機場、地形等相關數據是保證飛行程序規劃、評估制圖、編碼的基礎。采用獨立的數據庫服務機制，才能保證數據的安全性，降低數據冗余度，數據管理的有效性及數據的可靠性是實現本發明的關鍵。采用基于AIXM(航空信息交換模型)模型創建數據庫，采用以數據為中心的運行模式，從數據采集，程序設計到最后程序驗證都是由唯一的數據源生產的，減少數據在傳遞過程中出現的錯誤和誤差，保證程序質量。AIXM模型建立的目的是在通過滿足ICAO附件15所描述的對航空領域的數據要求，來支持AIS數據需求。隨著區域導航(RNAV)、所需導航性能(RNP)以及機載計算機導航系統的應用，航空數據/信息的角色和重要性發生了重大變化。航空信息/數據的損壞或者錯誤對航行安全構成潛在威脅。為了滿足機載計算機導航系統運行所需的航行資料在提 供中的統一性和兼容性要求，締約國應盡可能避免采用國際使用規定之外的標準和程序。AIXM模型的建立是基于國際民航組織(ICAO)標準和建議措施(SARPS)包含在AIPs中但未被ICAO和SARPS涵蓋的數據概念工業標準，如ARINC 424 (主要用于對儀表進近和離場程序編碼)。2，中間層是 SUPERMAP 組件層(即圖 I 中 SUPERMAP OBJECT)通過數據庫引擎與底層進行雙向交互；3，最上層為應用層其中，應用層包括PBN飛行程序輔助設計應用模塊、制圖應用模塊、ARINC424編碼輸出應用模塊、SUPERMAP DESKPR0瀏覽航圖應用模塊、基于模板和數據的報告模塊和傳統飛行程序設計應用模塊，具體如下1)PBN飛行程序輔助設計應用模塊，處理來自本地的數據和外部的中央數據庫的數據，集復雜的飛行程序、保護區、評估等業務邏輯于一體，通過SUPERMAP OBJECT與系統雙向交互；自動檢查設計是否符合PBN飛行程序航路點序列規則，并生成標稱航跡與保護區。同時按規則分段存儲，便于保護區的分段評估，實現RNAV/RNP保護區與傳統ILS保護區的無縫連接等。對人工障礙物和DEM障礙物識別，自動進行進場、離場、起始進近、中間進近、非精密進近、ILS-OAS, APV-BARO 0AS、等各階段和目視面障礙物評估，給出參考性建議，程序設計效率較人工作業大大提高。如圖2所示，PBN飛行程序輔助設計應用模塊包括三層(I)顯示層，和參數設置界面(2)業務邏輯層是該模塊的核心層，負責與顯示層和參數設置界面進行交互，以及與底層三種不同來源的數據進行交互，同時完成算法的調用。(3)數據存儲層包括本地配置文件、本地SUPERMAP數據源和基于AIXM的中央數據庫。飛行程序的存儲有三種，一般在設計時，先從SQLSEVER取業務數據，從XML文件導入配置數據，設計完成后再保存三類數據，在本地保存XML配置文件，本地SUPERMAP (圖2中的SDX是數據庫引擎)數據源，服務器數據端保存在SQLSEVER里。圖I中的數據庫引擎包括了圖2中的SQLSEVER數據庫引擎和SUPERMAP SDX+引擎等。2)制圖應用模塊，即根據標準航圖模板生成航圖，通過SUPERMAP OBJECT與數據庫引擎進行雙向交互；3)ARINC424編碼輸出應用模塊，與數據庫引擎進行單向交互；
在飛行程序設計中編碼的目的是為了讓數據編碼公司如(科林斯、霍尼韋爾等)能將飛行程序設計者的理念準確無誤的表達出來。參考ARINC424規范設計只是達到數據編碼公司能夠識別編碼，達到編碼的通用性，如何保證編碼的準確性、可靠性是我們關注的焦點。PBN飛行程序設計軟件可以準確的將設計的飛行程序自動轉換為ARINC424編碼，同時模擬機可以直接識別其編碼，自動轉化加載到導航數據庫中進行驗證，發現問題，從飛行程序設計軟件進行修改，程序設計及·驗證人員不參與對編碼數據的直接修改，減少人工操作帶來的誤差。ARINC424規范數據是被國際廣泛使用的導航數據標準格式，它也是FMC(FlightManagement Computer)所載機載導航數據的基礎。針對國內航空公司來說，大約有2/3的航空數據在FMC中得不到有效利用，給飛行和航管人員造成極大的不便。另外，不能同時正確和有效地使用國內導航數據，也是對國內航空數據的一種巨大浪費。ARINC424規范數據也是實施航空新標準和新技術的前提。從整個中國民航看，缺少的并不是航行情報導航數據，而是沒有按規范格式形成導航數據。當前中國民航的導航數據僅適用于國內出版和發行的產品，例如NAIP、航班信息匯編、AIP、航線圖等，而并不能推廣到世界應用設備或軟件中。尤其是國內不開放導航數據部分，無法推廣到國內航空公司當前使用的國外系統當中，例如，國內三大航空公司所使用由美國開發的SOC系統，主要由國外生產廠商提供的FMC等。而ARINC424規范數據正是導航數據拓展的最佳途徑。僅結合目前國航的實際情況看，所訂購的JEPPESEN“全球”數據(ARINC424規范數據)并不包括國內對外不開放導航數據，而這些數據恰是國內航空公司使用最頻繁導航數據之一。本發明能生成國內導航數據的ARINC424規范數據，替換或補充JEPPESEN “全球”數據的國內部分，實現完整的全球導航數據庫，供國內航空公司使用。4) SUPERMAP DESKPR0瀏覽航圖應用模塊，或地圖文件，與數據庫引擎單向交互；5)基于模板和數據的報告模塊，即根據系統中已知的飛行程序等數據，按設計的模板，自動報告文件，與數據庫引擎單向交互；6)傳統飛行程序設計應用模塊，此應用模塊用虛線表示將來在此架構的基礎上進行擴充后加入，與數據庫引擎單向交互。由于底層采用的是航空信息交換模型建立的數據庫，所以應用層具有很強的可擴展性。此架構以獨立的數據庫為中心，應用擴展為導向，便于對數據和應用等資源進行整合利用。本發明的基于性能導航PBN飛行程序設計系統實現了以下功能A，飛行程序設計選擇航路點后，本發明根據飛行程序選擇的導航設施和導航規范，進近類型、航空器類型等自動處理數據，具體如下 檢查航路點是否符合PBN飛行程序航路點序列規則；·自動計算航路點的ATT、XTT、BV、半寬AW值； 自動檢查計算轉變時最短穩定距離，并檢查是否符合最短穩定距離的約束規則； 自動生成標稱航跡。依據ICAO OPANS 8168 D0C，本發明完成了常用的飛行程序，進場，離場，等待，ILS，以及RNAV “T”或“Y”程序設計。B,自動繪制保護區飛行程序設計中最大的工作量在于繪制保護區，但繪制過程是一個反復修改調整
的過程，單純靠手工或CAD不但會消耗設計人員大量的精力，而且不準確易于出錯。在本發
明中，參考ICAO PAN-OPS 8168及FAA規范，利用地理信息平臺，采用參數化的方式自動繪
制保護區，減輕了程序設計人員的工作量，保證飛行程序的質量。本發明提供了參數化，智能化的保護區繪制連接過程，使復雜的業務邏輯過程變
得簡單，極大的提高了工作效率。主要體現在下面幾個方面；I、直線保護區的生成；2、轉彎保護區的生成，并分段存儲，便于保護區的分段評估；3、RNAV/RNP保護區與傳統ILS保護區的無縫連接；4、保護區之間的轉換只需調節個另的航路點的參數，例如，復飛點轉彎后接DF到
復飛點轉彎后接TF，只需改變復飛點的下一點的航跡終結碼即可。5、保護區生成過程中的智能化提示。如果設置的參數不符合生成保護區的規則，
軟件立即給出提示信息和建議信息。本發明中的保護區繪制類型主要如表I所示，自動生成的保護區圖如圖4所示。
權利要求
1.一種基于性能導航的飛行程序設計系統，其特征在于所述系統包括三層底層、中間層和最上層，其中 所述底層為基于AIXM的核心數據庫層，其收集了各種數據庫，包括AIPs和NOTAM ； 所述中間層是SUPERMAP組件層，其通過數據庫引擎與底層進行雙向交互； 所述最上層為應用層； 所述應用層包括 1)PBN飛行輔助設計應用模塊，其處理來自本地的數據和外部的中央數據庫的數據，通過中間層與數據庫引擎進行雙向交互；本地的數據是指SupermapSDB文件形式存儲的數據； 2)制圖應用模塊，其根據標準航圖模板生成航圖，通過中間層與數據庫引擎進行雙向交互； 3)ARINC424編碼輸出應用模塊，包括對基礎數據和飛行數據進行編碼；對基礎數據進行編碼的過程是對數據按先后順序生成數據表格輸出，對飛行數據進行編碼則是提取關鍵信息，并對關鍵信息重新排序，最后按順序生成數據表格文件；數據庫引擎將數據傳送給ARINC424編碼輸出應用模塊； 4)SUPERMAP DESKPR0瀏覽航圖應用模塊或地圖文件，利用SUPERMAPDESKPRO瀏覽航圖模塊，利用桌面軟件在地圖處理上的功能對設計好的航圖進行加工，完成設計軟件不能完成的功能；數據庫引擎將數據傳送給SUPERMAPDESKPRO瀏覽航圖應用模塊或地圖文件； 5)基于模板和數據的報告模塊，其根據數據庫引擎傳送來的數據，按設計的模板，自動生成報告文件。
2.根據權利要求I所述的飛行程序設計系統，其特征在于所述PBN飛行輔助設計應用模塊自動檢查設計是否符合PBN飛行航路點序列規則，并生成標稱航跡與保護區；同時按規則分段存儲，便于保護區的分段評估；實現RNAV或RNP保護區與傳統ILS保護區的無縫連接；對人工障礙物和DEM障礙物進行識別；自動進行進場、離場、起始進近、中間進近、非精密進近、ILS-OAS、APV_BAR00AS各個階段和目視面障礙物評估，給出參考性建議。
3.根據權利要求2所述的基于性能導航的飛行程序設計系統，其特征在于所述PBN飛行輔助設計應用模塊包括三層 (1)顯示層和參數設置界面所述顯示層用于可視化分層顯示PBN飛行的各個設計元素，所述設計元素包括跑道，導航臺，保護區；所述參數設置界面用于圖形化設置設計元素所需要的參數； (2)業務邏輯層是該模塊的核心層，其負責與所述顯示層和參數設置界面進行交互，以及與底層的數據庫進行交互，同時完成算法的調用； (3)數據存儲層包括本地配置文件、本地SUPERMAP數據源和基于AIXM的中央數據庫；所述本地配置文件通過XML解析器與業務邏輯層進行交互；所述本地SUPERMAP數據源通過SUPERMAP SDX+引擎和引擎與業務邏輯層進行交互；所述基于AIXM的中央數據庫通過SQLSERVER數據庫引擎與業務邏輯層進行交互。
4.一種用于對權利要求I所述的飛行程序設計系統進行驗證的驗證平臺，其特征在于 所述驗證平臺包括飛行動力學系統、飛行管理與導引系統、飛行控制系統、發動機系統、大氣數據與慣性平臺系統、中央監控系統、操縱系統、儀表系統和視景系統；所述發動機系統包括燃油系統； 所述飛行動力學系統包括氣動系數模塊和運動方程模塊，所述氣動系數模塊是飛機各種條件下升、阻力以及力矩系數的集合，在計算過程中通過實時查詢獲得此刻的飛機各種氣動系數值；它通過接收操縱系統的飛機舵面、襟翼位置，以及相關飛行參數，利用這些參數查詢氣動系數，再利用氣動系數計算氣動力和力矩，并將計算結果輸送到運動方程模塊； 所述運動方程模塊接收氣動系數模塊的氣動力和力矩、以及發動機系統的推力值、燃油重量及飛機重心位置、以及標準大氣數據，利用這些條件以及飛機初始值，解算飛機六自由度非線性全量運動方程，得到飛機的姿態、速度、升降率、位置以及其它飛行參數，并將這些參數重新反饋給氣動系統模塊，重新查詢獲取氣動系數并進行氣動力以及氣動力矩計算，再傳遞給運動方程模塊，周而復始重復上述計算過程，實現飛行動力學計算； 所述飛行管理與導引系統，自身帶有導航數據庫、飛機性能數據庫以及氣動數據和發動機數據庫，實現飛行管理與飛行引導兩部分功能；所述飛行管理部分，通過人機界面輸入起飛初始參數以及離場以及進場、進近飛行，以使飛機按此飛行進行離場、降落； 所述飛行引導部分，接收飛機動力學系統以及飛行控制系統傳送的信息，與數據庫中的飛行計劃比對，計算出當前的速度、航向以及航跡誤差，再傳遞給飛行控制系統與發動機系統，實現對速度、航向以及航跡偏差的控制，之后，飛機動力學系統以及飛行控制系統再將計算得到的新信息反饋給飛行管理與導引系統，再次計算偏差并進行控制，周而復始重復上述過程，完成導航過程，使飛機按預期航跡飛行。同時，飛行管理與導引系統對導航源的精度、以及位置精度進行計算，并在精度不符合要求時進行報警； 所述飛行控制系統，接收飛行管理與導引系統發送的當前航跡和航向偏差，利用預先設計的控制率，計算得到修正偏差所需要的飛機舵面以及襟翼操縱量，將操縱量數據傳遞到翼面舵機，執行操作，使飛機改變姿態以及航向，按照預期的航跡飛行； 所述發動機系統，接收飛行管理與導引系統發送的當前速度和高度偏差，利用預先設計的發動機油門控制率，計算得到修正偏差所需要的燃油流量以及自動油門操縱量，將操縱量數據傳遞到發動機系統，執行操作，使發動機改變推力，從而改變速度、高度等飛行參數，達到預期的飛行指標； 所述大氣數據與慣性平臺系統，包括大氣數據處理部分和慣性平臺部分，所述大氣數據處理部分通過傳感器獲得大氣的動壓、靜壓、總壓、大氣溫度這些基本參數，來計算當前的大氣基本參數和氣壓高度、空速信息；所述慣性平臺部分通過三個軸向加速度計得到飛機加速度信息，通過積分獲得三軸的速度信息，再次積分獲得三維位置信息，利用大氣數據的空速信息，計算得到當前風速，利用氣壓信號，得到氣壓修正高度； 所述中央監控系統，接收來自其它所有系統的數據，對各系統工作狀態和數據進行監控，一旦出現數據超限以及狀態異常，將以音頻以及視頻信息進行報警，提醒機組注意；所述操縱系統提供了機組手動操縱飛機的設備，包括轉向輪、駕駛桿、油門桿和腳蹬， 機組通過這些設備直接將操縱指令發送給飛行控制系統、翼面舵機、發動機系統，在起飛、降落以及執行流量調整、管制指令時人工進行操縱，在系統失效、突發意外時也可以人工操控飛機；所述儀表系統包括主飛行顯示器、導航顯示器；所述儀表系統接收來自大氣數據與慣性系統、飛行管理與導引系統、飛行動力學系統和飛行控制系統的參數，對當前飛行姿態、速度、升降率、馬赫數、高度、航跡、導航信息、地形信息、大氣數據、飛行計劃數據進行顯示，供機組查看，以了解目前飛行狀態； 所述視景系統接收當前飛行姿態、速度、升降率、馬赫數、高度、航跡、導航信息，利用自帶的三維地形數據庫，提供飛行中的虛擬三維場景，包括三維地形、三維大氣環境、機場終端區環境、三維飛機模型；提供發動機、以及外界自然環境中的音響效果，為機組模擬飛行提供逼真的三維視覺以及聽覺信息。
5.根據權利要求4所述的驗證平臺，其特征在于 所述視景系統包括飛行數據接口，內存調度模塊、緩沖區管理模塊、視景裁剪模塊、渲染輸出模塊； 所述飛行數據接口實時地按時間序列接收模擬機產生的飛行數據，并提取飛機的相關/[目息來驅動視景； 所述內存調度模塊根據飛機數據接口中得到的視點位置和視野的范圍，計算需讀入內存數據的范圍保證內存中的數據范圍可以滿足未來一段時間內的渲染需要，并根據視點的變化更新內存中的數據； 所述緩沖區管理模塊的功能是調度數據、簡化模型；當觀察視點在虛擬地形場景中漫游時，根據視點的范圍和視游走向，系統將進入視野內的數據從內存中調入緩沖區；所述緩沖區包括渲染緩沖區和數據緩沖區；渲染緩沖區指的是根據當前用戶視野范圍，所劃定的一個可視范圍，落入該范圍內的地形必須進行渲染，由數據管理器負責數據緩沖區的更新；所述渲染緩沖區表現為當前渲染緩沖區中所有數據單元的指針列表，由場景管理器負責緩沖區的更新； 所述視景裁剪模塊屏幕上顯示的圖像是二維景物在垂直于視線方向的二維成像平面上的投影，渲染輸出前必須對物體和視圖體的相對位置進行判斷，然后由則所述視景裁剪模塊進行如下處理如果物體完全位于視圖體外，則拋棄掉；如果物體完全位于視圖體內，則把它變換到屏幕坐標系并進行渲染；如果物體與視圖體相交，則用視圖體對物體進行裁剪，然后渲染位于視圖體之內的那部分； 所述渲染輸出模塊渲染輸出模塊根據當前渲染緩沖區中所有數據單元的指針列表進行渲染輸出；在視點移動時，場景管理器負責根據視點參數實時的對渲染緩沖區中各個單元進行更新，將新的進入渲染緩沖區的單元指針加入指針列表，并刪除那些已經移出渲染緩沖區單元的指針，同時，使用輪詢機制，不斷的向場景管理器詢問當前渲染緩沖區中的數據是否已經準備好，如準備好就繼續進行渲染，這樣實現循環的渲染視景。
6.根據權利要求5所述的驗證平臺，其特征在于 所述視景系統采用的是真實的地形、紋理、機場數據生成的視景數據庫； 所述視景系統采用單顯卡和專用分屏硬件，所述專用分屏硬件采用圖形擴展模塊技術，將輸入的一路VGA信號分配到為三路信號，并讓Windows 2000/XP操作系統按照合適的比例將圖像信號輸出到顯示屏。
7.一種使用權利要求4所述的驗證平臺進行驗證的方法，其特征在于 所述方法包括以下步驟(1)錄入導航數據庫首先通過升級導航數據庫界面，啟動導航數據庫編輯系統，飛行驗證人員選擇要輸入的信息類型，輸入對應的各種數據，輸入數據完畢后，生成數據庫，重啟驗證平臺； (2)設置飛行參數， 進行地面驗證驗證人員通過停機坪界面，設置參數，驗證人員按照標準飛行，進行飛行腔的各種操作； (3)起飛后進行空中驗證驗證人員按照標準的飛行進行起飛的各種操作； (4)進近階段驗證當飛機處于進近階段時，導航系統按照預定的梯度下降至設計的速度，垂直制導系統將自動引導飛機到DH+50高度，不依靠儀表著陸系統，在GPS PRIMARY模式下，實現自動著陸。
全文摘要
本發明是一種基于性能導航的飛行程序設計系統及驗證平臺和驗證方法，屬于航空導航領域。本發明的程序設計系統基于AIXM核心數據庫，能夠自動繪制程序保護區、評估障礙物、生成航圖，可實現PBN程序保護區與傳統飛行程序保護區的無縫連接等功能。系統可以根據飛行程序設計完成的數據自動生成航圖，也可根據需求客戶化編輯和修改，做到程序設計、出版一次完成。利用本發明可以直接在驗證平臺的導航數據庫進行添加PBN程序，驗證過程中可對導航數據庫進行編輯和修改。另外，本發明增加了視景數據庫，在驗證PBN飛行程序時，能根據視景中的地形地貌直觀發現程序設計的缺陷和不足，對程序進一步修改完善。
文檔編號G06F17/50GK102867073SQ20111019175
公開日2013年1月9日 申請日期2011年7月8日 優先權日2011年7月8日
發明者何運成, 李娜, 李旭, 王冠宇, 王仲 申請人:中國民航科學技術研究院