用于飛行器的自動(dòng)自主著陸的方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明一般地涉及航空領(lǐng)域，并且更具體地涉及自動(dòng)著陸系統(tǒng)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 著陸階段是飛行器的飛行的關(guān)鍵階段，因?yàn)榇蠖鄶?shù)事件和事故發(fā)生在該階段期 間。為了使飛行員的任務(wù)簡(jiǎn)易，已經(jīng)提出了大量的自動(dòng)著陸系統(tǒng)。特別地，已知以下儀器 著陸系統(tǒng)或ILS :其被裝配至大容量客機(jī)并且其地面基礎(chǔ)設(shè)施存在于國(guó)際機(jī)場(chǎng)。在一些歐 洲機(jī)場(chǎng)中，也能夠利用MLS微波著陸系統(tǒng)。這些系統(tǒng)使用無(wú)線電或微波信號(hào)來(lái)在其進(jìn)場(chǎng) (approach)階段中既相對(duì)于跑道的軸橫向地又相對(duì)于進(jìn)場(chǎng)平面（下滑道）垂直地引導(dǎo)飛行 器。然而，它們表現(xiàn)出以下缺點(diǎn)：尤其由于其高成本而不能夠在所有機(jī)場(chǎng)利用，并且表現(xiàn)出 嚴(yán)重的使用制約。此外，地面基礎(chǔ)設(shè)施表現(xiàn)出1〇 3/小時(shí)級(jí)的故障概率。因此，飛行器不一 定能夠以自動(dòng)模式執(zhí)行著陸。最近出現(xiàn)了使用衛(wèi)星定位的被稱為GLS(基于地面的增強(qiáng)系 統(tǒng)著陸系統(tǒng)）或SLS(基于衛(wèi)星的著陸系統(tǒng)）的自動(dòng)著陸系統(tǒng)。由于當(dāng)前衛(wèi)星定位系統(tǒng)不可 以獲得執(zhí)行著陸所需要的精度，所以它們必須增設(shè)有地面參考站，如WAAS (廣域增強(qiáng)系統(tǒng)） 或EGNOS (歐洲地球同步導(dǎo)航重疊服務(wù)）網(wǎng)絡(luò)的地面參考站。這些系統(tǒng)仍然不是很普遍，并 且表現(xiàn)出相對(duì)低的利用率（99. 5%級(jí)），這再次不可以永久保證以自動(dòng)模式著陸。
[0003] 由于這樣的地面基礎(chǔ)設(shè)施的空間和時(shí)間不可利用性，關(guān)注已經(jīng)轉(zhuǎn)向使用由機(jī)載相 機(jī)捕獲的地面的視頻圖像的自主著陸系統(tǒng)。
[0004] 這些自主系統(tǒng)通常使用由機(jī)載相機(jī)捕獲的視頻圖像以及與跑道有關(guān)的信息來(lái)估 計(jì)飛行器相對(duì)于跑道的姿態(tài)和位置。之后，基于由此確定的位置和姿態(tài)來(lái)計(jì)算飛行器引導(dǎo) 命令。然而，該估計(jì)是復(fù)雜的運(yùn)算，這通常要求機(jī)場(chǎng)的地形的機(jī)載數(shù)字模型的可用性或至少 與著陸跑道有關(guān)的幾何和地形信息。此外，當(dāng)包含數(shù)字模型的數(shù)據(jù)庫(kù)不可用時(shí)或者在緊急 著陸在任意現(xiàn)場(chǎng)的情況下，前面提到的自主系統(tǒng)不工作。
[0005] 由本申請(qǐng)人提交的申請(qǐng)F(tuán)R-A-2835314提出了不需要知道著陸跑道的特征的著陸 輔助系統(tǒng)。然而，根據(jù)非常類(lèi)似于道路交通背景下的驅(qū)動(dòng)輔助的原理，該系統(tǒng)僅當(dāng)飛行器距 地面幾米時(shí)進(jìn)行操作。特別是，它不可以在整個(gè)最后進(jìn)場(chǎng)期間，也就是說(shuō)在最后十千米左右 期間來(lái)引導(dǎo)飛行器。
[0006] 本發(fā)明的目的是提出用于飛行器的自動(dòng)著陸的系統(tǒng)，該系統(tǒng)尤其是魯棒的，能夠 在全部或部分缺少關(guān)于著陸跑道的信息的情況下進(jìn)行操作，并且能夠在整個(gè)最后進(jìn)場(chǎng)期間 以自主方式引導(dǎo)飛行器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明涉及用于飛行器在著陸跑道上自動(dòng)著陸的系統(tǒng)，其包括：
[0008] 機(jī)載圖像捕獲系統(tǒng)，其由所述飛行器攜帶，并且意在捕獲地面的一系列連續(xù)圖 像；
[0009] 圖像分析裝置，用于在圖像中檢測(cè)著陸跑道，并且用于在該圖像中確定將所述跑 道上的計(jì)劃碰撞點(diǎn)P與所述圖像的滅點(diǎn)（vanishing point) Ω連接的線段[Ρ，Ω]的特征。
[0010]自動(dòng)著陸系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于其包括：
[0011]測(cè)量裝置，用于基于線段[Ρ，Ω]的特征來(lái)測(cè)量與跑道相關(guān)聯(lián)的慣性坐標(biāo)系中的 多個(gè)可觀測(cè)量，所述多個(gè)可觀測(cè)量包括：由飛行器相對(duì)于跑道的中軸的相對(duì)航向角（Φ)定 義的第一可觀測(cè)量、由飛行器的位置相對(duì)于所述碰撞點(diǎn)的橫向偏離與垂直偏離的比率定義 的第二可觀測(cè)量
以及由飛行器的位置相對(duì)于所述碰撞點(diǎn)的縱向偏離與垂直偏離 的比率定義的第三可觀測(cè)量
[0012] 估計(jì)裝置，用于基于第一可觀測(cè)量、第二可觀測(cè)量和第三可觀測(cè)量的測(cè)量來(lái)估計(jì) 在慣性坐標(biāo)系中表達(dá)的、飛行器的位置相對(duì)于所述碰撞點(diǎn)的縱向位置偏離（AX)、橫向位置 偏離（A Υ)和垂直位置偏離（Δ Η);
[0013] 引導(dǎo)裝置，用于基于這樣估計(jì)的縱向位置偏離、橫向位置偏離和垂直位置偏離以 及所述相對(duì)航向角來(lái)計(jì)算用于飛行器的引導(dǎo)命令。
[0014] 可觀測(cè)量的特定選擇使得可以以尤其簡(jiǎn)單的方式估計(jì)包括在慣性坐標(biāo)系中表達(dá) 的、飛行器相對(duì)于碰撞點(diǎn)的縱向位置偏離、橫向位置偏離和垂直位置偏離的狀態(tài)向量。這些 偏離可以由引導(dǎo)裝置直接利用。
[0015] 有利地，在圖像中線段[Ρ，Ω]的特征是：直線（ΡΩ)與圖像的垂直線之間的角度 ζ、點(diǎn)P與水平線隊(duì)的距離dy以及點(diǎn)P在水平線上的正交投$Ph與滅點(diǎn)Ω之間的距離dF。
[0016] 在第一實(shí)施方式中，圖像捕獲系統(tǒng)包括機(jī)載相機(jī)，并且相對(duì)航向角Φ在圖像中由 測(cè)量裝置借助于以下關(guān)系式來(lái)測(cè)量：
[0018] 其中，f是機(jī)載相機(jī)的焦距，Φ是飛行器的滾轉(zhuǎn)角，并且Θ是飛行器的俯仰角。
[0019] 在該同一實(shí)施方式中，第二可觀測(cè)量在圖像中由測(cè)量裝置借助于以下關(guān)系式來(lái)測(cè) 量：
[0021] 同樣地，第三可觀測(cè)量在圖像中由測(cè)量裝置借助于以下關(guān)系式來(lái)測(cè)量：
[0023] 有利地，飛行器的位置相對(duì)于所述碰撞點(diǎn)的縱向位置偏離、橫向位置偏離和垂直 位置偏離由估計(jì)裝置借助于動(dòng)態(tài)模型來(lái)估計(jì)，該動(dòng)態(tài)模型用作狀態(tài)方程
其 中，u (t) = (ΔΧ，Δ γ，ΔΗ)Τ是包括時(shí)刻t下的縱向位置偏離、橫向位置偏離和垂直位置偏 離的向量，v(t)是飛行器在慣性坐標(biāo)系中的速度向量，并且該動(dòng)態(tài)模型用作觀測(cè)方程r(t) =g (u (t)) +n (t)，其中，r (t)是第二可觀測(cè)量和第三可觀測(cè)量的向量，并且g是將任意向量 u(t) = (ΔΧ，ΔΥ，'!{^映射至向量
的函數(shù)，n(t)是測(cè)量噪聲向 量。
[0024] 飛行器引導(dǎo)命令包括例如負(fù)載系數(shù)設(shè)置和滾轉(zhuǎn)速率設(shè)置，引導(dǎo)裝置通過(guò)以下關(guān)系 式來(lái)計(jì)算負(fù)載系數(shù)設(shè)置：
[0026] 其中：
是垂直速度，并且Kz，Kvz是預(yù)定常數(shù)，并且引導(dǎo)裝置 通過(guò)以下關(guān)系式來(lái)計(jì)算滾轉(zhuǎn)速率設(shè)置：
[0028] 其中，ΚΥ，ΚΦ和K ^是預(yù)定常數(shù)。
[0029] 著陸系統(tǒng)還可以包括飛行控制計(jì)算機(jī)，其適于計(jì)算要被應(yīng)用于飛行器的控制面的 致動(dòng)器的控制以滿足所述引導(dǎo)命令。
[0030] 在第二實(shí)施方式中，圖像分析裝置還確定來(lái)自均將跑道的頂點(diǎn)連接至滅點(diǎn)Ω的 多個(gè)線段中的至少一個(gè)線段（[Α，Ω])的特征，測(cè)量裝置基于所述至少一個(gè)線段的特征來(lái) 測(cè)量與跑道相關(guān)聯(lián)的慣性坐標(biāo)系中的多個(gè)附加可觀測(cè)量，所述多個(gè)附加可觀測(cè)量包括：由 飛行器相對(duì)于通過(guò)跑道的頂點(diǎn)和滅點(diǎn)的直線的相對(duì)航向角（Φ Α)定義的第一附加可觀測(cè) 量、由飛行器的位置相對(duì)于所述頂點(diǎn)的橫向偏離與垂直偏離的比率定義的第二附加可觀測(cè) 量
以及由飛行器的位置相對(duì)于所述頂點(diǎn)的縱向偏離與垂直偏離的比率定義的第三 附加可觀測(cè)量
估計(jì)裝置然后基于第一附加可觀測(cè)量、第二附加可觀測(cè)量和第三 附加可觀測(cè)量的測(cè)量來(lái)估計(jì)在慣性坐標(biāo)系中表達(dá)的、飛行器的位置相對(duì)于跑道的所述頂點(diǎn) 的附加縱向位置偏離（AXa)、附加橫向位置偏離（AYa)和附加垂直位置偏離（AZa)，自動(dòng) 著陸系統(tǒng)還包括合并裝置，其用于將縱向位置偏離、橫向位置偏離和垂直位置偏離的估計(jì) 與相對(duì)于跑道的所述頂點(diǎn)的所述附加縱向位置偏離、所述附加橫向位置偏離和所述附加垂 直位置偏離的估計(jì)融合，并且提供飛行器與計(jì)劃碰撞點(diǎn)之間的合并的縱向位置偏離、合并 的橫向位置偏離和合并的垂直位置偏離。
[0031] 在第二實(shí)施方式中，在將縱向位置偏離估計(jì)、橫向位置偏離估計(jì)和垂直位置偏離 估計(jì)與附加縱向位置偏離、附加橫向位置偏離和附加垂直位置偏離融合之后，引導(dǎo)裝置基 于縱向位置偏離估計(jì)、橫向位置偏離估計(jì)和垂直位置偏離估計(jì)來(lái)計(jì)算飛行器引導(dǎo)命令。
[0032] 然后，估計(jì)裝置還可以基于附加縱向位置偏離、附加橫向位置偏離和附加垂直位 置偏離的估計(jì)來(lái)提供著陸跑道的長(zhǎng)度和/或斜率的估計(jì)。
[0033] 最后，本發(fā)明還涉及飛行器在著陸跑道上自動(dòng)著陸的方法，包括：
[0034] 捕獲地面的一系列連續(xù)圖像；
[0035] 進(jìn)行圖像分析，用于在圖像中檢測(cè)著陸跑道的存在，并且用于在該圖像中確定將 所述跑道上的計(jì)劃碰撞點(diǎn)P與所述圖像的滅點(diǎn)Ω連接的線段[ρ，Ω]的特征；
[0036] 基于所述線段[Ρ，Ω]的特征來(lái)測(cè)量與跑道相關(guān)聯(lián)的慣性坐標(biāo)系中的多個(gè)可觀測(cè) 量，所述多個(gè)可觀測(cè)量包括：由飛行器相對(duì)于跑道的中軸的相對(duì)航向角（Φ)定義的第一可 觀測(cè)量、由飛行器的位置相對(duì)于所述碰撞點(diǎn)的橫向偏離與垂直偏離的比率定義的第二可觀 測(cè)量
以及由飛行器的位置相對(duì)于所述碰撞點(diǎn)的縱向偏離與垂直偏離的比率定義 的第三可觀測(cè)量
[0037] 基于第一可觀測(cè)量、第二可觀測(cè)量和第三可觀測(cè)量的測(cè)量來(lái)估計(jì)在慣性坐標(biāo)系中 表達(dá)的、飛行器的位置相對(duì)于所述碰撞點(diǎn)的縱向位置偏離（AX)、橫向位置偏離（ΔΥ)和垂 直位置偏離（AH);以及
[0038] 基于這樣估計(jì)的縱向位置偏離、橫向位置偏離和垂直位置偏離以及所述相對(duì)航向 角來(lái)計(jì)算用于飛行器的引導(dǎo)命令。
【附圖說(shuō)明】
[0039] 結(jié)合下面的圖，在閱讀本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式時(shí)，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將變 得明顯：<