Navegación de una aeronave en cuatro dimensiones.

Un método de controlar una aeronave (11) para seguir una trayectoria de vuelo de cuatro dimensiones predeterminada que especifica la posición tridimensional de la aeronave sobre un número de puntos en el tiempo,

que comprende:

monitorizar una posición (20) a lo largo de la derrota y una posición (30) vertical de la aeronave en relación con las posiciones deseadas correspondientes especificadas por la trayectoria de vuelo de cuatro dimensiones predeterminada para detectar las desviaciones de las posiciones deseadas;

usar (70) los timones (13) de profundidad de la aeronave para corregir las desviaciones de la posición a lo largo de la derrota de la aeronave a partir de la posición a lo largo de la derrota deseada ; y

usar (120) el acelerador de la aeronave para corregir las desviaciones previstas de la posición vertical real de la aeronave a partir de la posición vertical deseada alterando el ajuste de aceleración a partir de un valor nominal hasta un valor ajustado cuando la posición vertical prevista difiere de la posición vertical deseada por más de un umbral, y

donde el método comprende además calcular repetidamente una desviación prevista en la posición vertical: calculando la desviación actual de la posición vertical real a partir de la posición vertical deseada, calculando la tasa de cambio de la desviación en la posición vertical, multiplicando la tasa de cambio por un periodo de tiempo de predicción, y sumando la tasa de cambio multiplicada de este modo a la desviación actual en la posición vertical obteniendo de este modo la desviación prevista en la posición vertical.

Navegación de una aeronave en cuatro dimensiones

Campo de la invención

La presente invención se refiere a métodos de control de la trayectoria de vuelo de una aeronave para seguir lo más cerca posible una trayectoria de vuelo de cuatro dimensiones predeterminada. La presente invención es especialmente útil en el vuelo de aproximaciones de descenso continuo.

Antecedentes de la invención

Las trayectorias de vuelo se calculan, en general, en tres dimensiones, es decir, la altitud y la posición lateral. Para calcular una trayectoria de vuelo en cuatro dimensiones se necesita la posición tridimensional de la aeronave que se especifica sobre un número de puntos en el tiempo.

La capacidad de volar una aeronave de acuerdo con una trayectoria de vuelo predeterminada con exactitud de tal manera que su posición sea predecible como una función del tiempo es cada vez más importante en el control del tráfico aéreo. Esto permitiría al control de tráfico aéreo relajar las separaciones entre aeronaves, conduciendo a un uso más eficiente del espacio aéreo.

Aunque es aplicable a todas las fases de vuelo de la aeronave, un área que podría beneficiarse especialmente de una mayor capacidad para volar una trayectoria de vuelo de cuatro dimensiones es en las aeronaves que vuelan aproximaciones de descenso continuo en los aeropuertos. Normalmente, las aeronaves se aproximarán a un aeropuerto bajo la dirección de los controladores aéreos. Los controladores aéreos tienen la tarea de garantizar la llegada segura de las aeronaves a su destino, garantizando al mismo tiempo que la capacidad del aeropuerto es máxima. El requisito precedente se cumple, en general, asegurando que se mantienen separaciones especificadas mínimas entre las aeronaves. El control del tráfico aéreo está sujeto a incertidumbres que pueden actuar para deteriorar la separación entre las aeronaves, tales como vientos variables, tanto en velocidad como en dirección, y las diferentes prácticas de pilotaje. No obstante, un gran número de aeronaves pueden operar con seguridad confinadas en un espacio relativamente pequeño ya que el control del tráfico aéreo puede corregir estas incertidumbres a un nivel táctico usando un radar vectorial, un cambio de velocidad y/o un cambio de altitud. Como resultado, una aproximación típica a un aeropuerto involucrará una aproximación escalonada en la que se autoriza a la aeronave a descender escalonadamente a altitudes sucesivamente más bajas como otro tráfico aéreo permita.

El ruido del tráfico aéreo alrededor de los aeropuertos tiene importantes consecuencias sociales, políticas y económicas para las autoridades aeroportuarias, las compañías aéreas y las comunidades. Una forma económica de abordar el problema del ruido en las proximidades de los aeropuertos es desarrollar nuevos procedimientos de navegación que reduzcan el número de aeronaves que vuelan sobre las zonas sensibles a baja altura con unos ajustes máximos de empuje y/o con unas configuraciones aerodinámicas no limpias (por ejemplo, con el tren de aterrizaje y/o los flaps desplegados) . Lamentablemente, las aproximaciones de descenso escalonado convencionales actúan para exacerbar este problema, ya que las aeronaves se mantienen a bajas altitudes, en las que el empuje del motor debe ser suficiente para mantener el nivel de vuelo.

Las aproximaciones de descenso continuo (CDA) son bien conocidas. Estas aproximaciones ven a la aeronave aproximarse a un aeropuerto descendiendo continuamente con el ajuste de los motores al ralentí o cerca del ralentí. Claramente, las aproximaciones de descenso continuo son altamente beneficiosas en términos de reducción de ruido ya que aseguran que la aeronave se mantiene tan alta como es posible por encima de las áreas sensibles mientras que al mismo tiempo se reduce la producción de ruido en la fuente a través del uso óptimo del motor y los flaps.

Las aproximaciones de descenso continuo también se benefician de la eficiencia de combustible, la emisión de contaminantes y reducen el tiempo de vuelo.

Sin embargo, las aproximaciones de descenso continuo deben planearse en detalle antes de comenzar la aproximación y no pueden someterse a correcciones tácticas para garantizar la separación de aeronaves segura como las usadas en las aproximaciones de descenso escalonado convencionales. Hasta la fecha, esto ha obligado a los controladores de tráfico aéreo a imponer grandes separaciones entre las aeronaves para garantizar que la aeronave llega al aeropuerto separada por una distancia de seguridad, teniendo en cuenta el potencial de reducción en la separación de la aeronave cuando se vuelan aproximaciones debido a un resultado de los cambios del viento y otras incertidumbres. Este aumento en la separación da lugar a una reducción indeseable en la capacidad del aeropuerto.

La penalización de capacidad asociada con las aproximaciones de descenso continuo ha evitado su uso 65 generalizado en los aeropuertos y, hasta la fecha, las aproximaciones de descenso continuo en su mayoría se han usado en los aeropuertos con bajos niveles de tráfico aéreo o en los aeropuertos más ocupados durante las horas

tranquilas (por ejemplo, por la noche) . Por lo tanto, es deseable ser capaz de volar aproximaciones de descenso continuo que minimicen las incertidumbres en la historia de la posición en cuatro dimensiones de la aeronave. Esto permitiría a los controladores de tráfico aéreo reducir con seguridad la separación entre aeronaves, satisfaciendo de este modo las necesidades de capacidad de los aeropuertos modernos.

Una ayuda a la navegación se describe en el documento US 6.405.107.

Sumario de la invención

En este contexto, y de acuerdo con un primer aspecto, la presente invención reside en un método de control de una aeronave para seguir una trayectoria de vuelo de cuatro dimensiones predeterminada, que comprende: monitorizar la posición a lo largo de la derrota real y la posición vertical actual de la aeronave en relación con las posiciones deseadas correspondientes en la trayectoria de vuelo predeterminada; usar el timón (es) de profundidad de la aeronave para corregir las desviaciones de la posición a lo largo de la derrota real de la aeronave a partir de la posición a lo largo de la derrota deseada; y usar el acelerador (s) de la aeronave para corregir las desviaciones de la posición vertical real de la aeronave a partir de la posición vertical deseada alterando el ajuste de aceleración desde un valor nominal a un valor ajustado cuando la posición vertical real difiere de la posición vertical deseada en más que un umbral. Este método está diseñado principalmente para ser un método de navegación vertical de la aeronave ordenado automáticamente por un ordenador de gestión de vuelo.

Tal método proporciona un control primario de la posición a lo largo de la derrota (es decir, la velocidad respecto al suelo) . El control de la posición a lo largo de la derrota se consigue usando el timón (es) de profundidad y sin ajustar el acelerador (es) . Si el ajuste del timón de profundidad conduce a una desviación de la posición vertical que supere el umbral, entonces el acelerador (s) se usa para controlar la posición vertical. El cambio en el ajuste de aceleración solo se usa para corregir la desviación en la posición vertical, es decir, no se ordena al timón (es) de profundidad que corrija la desviación en la posición vertical (aunque los cambios de timón de profundidad pueden ordenarse por otros sistemas de control) .

Por consiguiente, en lugar de usar las órdenes de aceleración para controlar la velocidad respecto al suelo, se usa en su lugar el timón (es) de profundidad. Esto tiene un beneficio importante en que el tiempo de respuesta de la aeronave a un cambio en una orden del timón de profundidad es mucho más rápido que el tiempo de respuesta de la aeronave para un cambio en una orden de aceleración. Como resultado, la posición a lo largo de la derrota real puede limitarse a seguir muy de forma cercana la posición a lo largo de la derrota deseada.

En efecto, el control del timón de profundidad se usa para corregir errores en el seguimiento de la posición a lo largo de la derrota deseada transfiriendo el error a la posición vertical. Negociando la energía cinética de la energía potencial de esta manera, se sacrifica la exactitud de la posición vertical en beneficio de la precisión en la posición a lo largo de la derrota.

Las imprecisiones en la posición vertical se corrigen usando órdenes de aceleración. Sin embargo, en lugar de intentar corregir los errores en la posición vertical de forma continua, se toleran pequeñas inexactitudes en la posición vertical. En su lugar,... [Seguir leyendo]

1. Un método de controlar una aeronave (11) para seguir una trayectoria de vuelo de cuatro dimensiones predeterminada que especifica la posición tridimensional de la aeronave sobre un número de puntos en el tiempo, 5 que comprende:

monitorizar una posición (20) a lo largo de la derrota y una posición (30) vertical de la aeronave en relación con las posiciones deseadas correspondientes especificadas por la trayectoria de vuelo de cuatro dimensiones predeterminada para detectar las desviaciones de las posiciones deseadas;

usar (70) los timones (13) de profundidad de la aeronave para corregir las desviaciones de la posición a lo largo de la derrota de la aeronave a partir de la posición a lo largo de la derrota deseada ; y usar (120) el acelerador de la aeronave para corregir las desviaciones previstas de la posición vertical real de la aeronave a partir de la posición vertical deseada alterando el ajuste de aceleración a partir de un valor nominal hasta un valor ajustado cuando la posición vertical prevista difiere de la posición vertical deseada por más de un umbral, y donde el método comprende además calcular repetidamente una desviación prevista en la posición vertical:

calculando la desviación actual de la posición vertical real a partir de la posición vertical deseada, calculando la tasa de cambio de la desviación en la posición vertical, multiplicando la tasa de cambio por un periodo de 20 tiempo de predicción, y sumando la tasa de cambio multiplicada de este modo a la desviación actual en la posición vertical obteniendo de este modo la desviación prevista en la posición vertical.

2. El método de la reivindicación 1, que comprende usar un umbral que está en función de la altitud de la aeronave.

3. El método de la reivindicación 2, que comprende usar un umbral que varía de tal manera que aumenta al aumentar la altitud.

4. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende suministrar un piloto automático con controles de velocidad calibrados para controlar el timón de profundidad para corregir las desviaciones en la posición 30 a lo largo de la derrota.

5. El método de cualquier reivindicación anterior, donde usar el acelerador de la aeronave para corregir las desviaciones de la posición vertical de la aeronave comprende:

aumentar el ajuste de aceleración a partir de un valor nominal a un valor mayor cuando la posición vertical cae por debajo de la posición vertical deseada mediante un primer umbral, y disminuir el ajuste de aceleración a partir del valor nominal a un valor menor cuando la posición vertical se eleva por encima de la posición vertical deseada mediante un segundo umbral.

6. El método de cualquier reivindicación anterior, que comprende además, después de ajustar el ajuste de aceleración y mientras el ajuste de aceleración está en el valor mayor o menor ajustado, continuar monitorizando la posición a lo largo de la derrota y la posición vertical de la aeronave en relación con las posiciones deseadas correspondientes en la trayectoria de vuelo de cuatro dimensiones predeterminada; usar los timones de profundidad de la aeronave para corregir las desviaciones de la posición a lo largo de la derrota de la aeronave a partir de la 45 posición a lo largo de la derrota deseada; y devolver el ajuste de aceleración al valor nominal una vez que la posición vertical de la aeronave corresponde a la posición vertical deseada.

7. El método de la reivindicación 6, donde los valores mayor y menor del ajuste de aceleración se compensan a partir del valor nominal mediante una cantidad común. 50

8. El método de cualquier reivindicación anterior, que comprende calcular el valor ajustado necesario del ajuste de aceleración para lograr la posición vertical deseada.

9. Una ordenador (16) de control de vuelo programado para implementar el método de cualquier reivindicación 55 anterior.

10. Una aeronave (11) que tiene un ordenador (16) de control de vuelo de acuerdo con la reivindicación 9.

11. Un programa de ordenador que, cuando se ejecuta, implementa el método de cualquiera de las reivindicaciones 60 1 a 8.