直升機飛行終點時計算方法

溫娜 葛晨

（中國直升機設(shè)計研究所 江西省景德鎮(zhèn)市 333000）

近年來導(dǎo)航設(shè)備的迅速發(fā)展，為直升機航電系統(tǒng)傳遞了大量的飛行信息，航電系統(tǒng)利用這些信息進行處理計算并加以顯示，可以直觀地展示當前飛行狀態(tài)。在直升機飛行過程中，終點時可隨環(huán)境條件的變化實時進行動態(tài)更新，尤其在諸如危險天氣條件、飛行任務(wù)時間緊迫等特殊情況下，終點時信息能夠有效輔助飛行員對未來航行進行預(yù)判，及時做出飛行線路調(diào)整等措施，保證飛行的安全性和準時性。

隨著導(dǎo)航系統(tǒng)被廣泛地應(yīng)用到航空飛行領(lǐng)域，國內(nèi)外許多專家學(xué)者對機載設(shè)備接收的數(shù)據(jù)可靠性、計算精準性進行了探索和研究。美國國家航空航天局艾姆斯研究中心的Rhonda Slattery 和明尼蘇達大學(xué)的 Yiyuan Zhao 利用飛行數(shù)據(jù)，擬合出空中交通自動化的飛行軌跡[1]；西北工業(yè)大學(xué)由嘉等基于概率模型和信息嵌入的最佳路徑圖來解決危險天氣條件下航空器到達終點時間問題，協(xié)助管制中心自動化系統(tǒng)進行決策[2]；江文波等基于性能導(dǎo)航推算出預(yù)計到達中間進近定位點的時間，有效管理多架機降落順序，為空管自動化提供便捷。目前，世界各國的研究機構(gòu)對航空器終點時計算方面的研究日臻完善，許多新技術(shù)新算法的引用令計算結(jié)果更加精準可靠，但是由于不同航空器間的飛行特征存在差異，終點時需要根據(jù)具體的航空器條件來設(shè)計計算方案。本文基于某型直升機航電系統(tǒng)設(shè)計工程，研究了三種直升機終點時計算方法，通過對比分析試飛數(shù)據(jù)驗證計算結(jié)果的準確性。

1 終點時計算方法基本原理

直升機的飛行任務(wù)主要分為兩種類型，一種是直接到達目的地的直飛任務(wù)，另一種是包含多個中間站點的飛行計劃任務(wù)。直飛任務(wù)的航行線路簡單，終點時可通過機載數(shù)據(jù)總線直接從導(dǎo)航設(shè)備獲?。欢w行計劃任務(wù)的航行線路較為復(fù)雜，需要利用導(dǎo)航數(shù)據(jù)選擇合適的方法進行計算[3]。以下針對飛行計劃任務(wù)，探討三種終點時計算方法。

1.1 基于導(dǎo)航數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)算法原理

當直升機執(zhí)行飛行計劃任務(wù)時，整個線路中的航路點經(jīng)緯度信息及當前飛行狀態(tài)信息已知，可以利用如下公式計算終點時Tend：

如上式，tnext代表預(yù)達時，即導(dǎo)航設(shè)備提供的直升機飛行到飛行計劃中下一個航路點的預(yù)計到達時間；vt代表當前真空速；Dend代表剩余所有航段的總長度，計算公式如下：

di表示待飛的第i 條航段長度，由該條航段的起點和到點的經(jīng)緯度坐標求得，設(shè)起點坐標為(x1,y1)，到點坐標(x2,y2)，地球半徑長度為R，則di的計算公式如下：

圖1：基礎(chǔ)算法計算流程

通過以上計算公式，即可求得直升機在執(zhí)行飛行計劃任務(wù)時的終點時[4]。

1.2 剩余航段時間計算改進算法

真空速指飛行器飛行時相對于周圍空氣運動的速度，它指示飛行器的快慢，在執(zhí)行領(lǐng)航和戰(zhàn)斗等任務(wù)時發(fā)揮著重要作用[5]。計算終點時利用的剩余航段距離是地面距離，而真空速會隨著當前風速風向發(fā)生改變，因此在有風的情況下，利用真空速計算終點時存在一定的誤差。

地速指飛機相對于地面的速度，綜合了風速風向等條件，在有風的情況下計算終點時更加準確。同時考慮到直升機懸停等特殊情況，由于地速值過小造成終點時過大，失去參考價值，所以增加地速判斷條件，對剩余航段時間的計算進行改進，計算公式如下：

表1：航路點參數(shù)

表2：航段參數(shù)

式中，vg代表當前從導(dǎo)航設(shè)備獲取的地速值，當?shù)厮僦荡笥?km/h 時計算有效。

1.3 地速修正改進算法

由于存在天氣環(huán)境突變、導(dǎo)航數(shù)據(jù)誤差等影響因素，直接利用航電系統(tǒng)接收的地速值進行計算，可能導(dǎo)致終點時出現(xiàn)產(chǎn)生跳變、示數(shù)不穩(wěn)定的情況。為了解決這一問題，采用地速修正法參與計算，地速修正值vgc計算公式如下：

如上式，vw代表30 秒內(nèi)風速平均值，α 代表30 秒內(nèi)風向平均值，β 代表航段方向。將地速修正值代入終點時計算公式中：

引入地速修正的計算方法通過解算30秒內(nèi)的風速風向平均值，可以避免終點時隨環(huán)境影響突變的情況，且綜合考慮了航段方向改變的影響，使計算結(jié)果更加準確。

2 計算步驟與流程

2.1 基礎(chǔ)算法計算流程

基于導(dǎo)航數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)算法主要步驟如下：

（1）判斷當前飛行任務(wù)類型。若執(zhí)行直飛任務(wù)或飛行計劃中無剩余航段，則終點時與預(yù)達時相同，無需計算；若飛行計劃中包含剩余航段，則根據(jù)算法進行計算。

（2）建立飛行計劃數(shù)據(jù)庫。利用當前飛行計劃中航路點的經(jīng)緯度信息計算出航路點間的距離，建立存儲所有航段距離的數(shù)據(jù)庫。

（3）讀取剩余航段距離。判斷當前直升機在整個飛行計劃中所處的航段位置，從飛行計劃數(shù)據(jù)庫中提取下一個飛行到點與終點間的剩余航段距離。

（4）獲取導(dǎo)航數(shù)據(jù)。通過機載數(shù)據(jù)總線，接收導(dǎo)航設(shè)備傳遞的預(yù)達時及當前真空速信息。

（5）計算終點時。將所獲得的數(shù)據(jù)代入基礎(chǔ)算法計算公式，得到終點時。

根據(jù)以上步驟分析，可得基礎(chǔ)算法的計算流程如圖1所示。

2.2 剩余航段時間計算改進算法計算流程

圖2：剩余航段時間計算改進算法計算流程

剩余航段時間計算改進算法的計算步驟增加了對地速值的判斷，計算流程如圖2所示。

2.3 地速修正改進算法計算流程

地速修正改進算法的計算流程如圖3所示。在獲取導(dǎo)航數(shù)據(jù)后，通過記錄的前30 秒的所有風速風向數(shù)據(jù)求出平均值，依次代入每條航段的地速修正值計算中，分別求出每條航段所需的飛行時間，最后結(jié)合預(yù)達時計算得到終點時。

3 終點時嵌入航電系統(tǒng)的具體實現(xiàn)

在航電系統(tǒng)中，終點時主要在主飛行畫面中的飛行計劃信息列表、數(shù)字地圖畫面、維護模塊的數(shù)據(jù)查看畫面等進行計算顯示，下面以執(zhí)行“地點A、地點B、地點C、地點D、地點E、地點A”這條閉環(huán)飛行計劃為例，詳細介紹終點時計算方法在航電系統(tǒng)中的具體實現(xiàn)。

圖3：地速修正算法計算流程

圖4：飛行計劃數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

3.1 基礎(chǔ)算法的具體實現(xiàn)

3.1.1 計算航段并建立飛行計劃數(shù)據(jù)庫

當執(zhí)行具體的飛行計劃時，所有航路點的經(jīng)緯度信息已知，表1為飛行計劃的航路點參數(shù)，由公式（3）可以計算出每條航段的距離，計算結(jié)果如表2所示。

在航電系統(tǒng)軟件中，建立一個總的飛行計劃數(shù)據(jù)庫，用來存儲所有飛行計劃的具體數(shù)據(jù)信息。庫中每個飛行計劃作為一個數(shù)據(jù)表，以飛行計劃的序號進行排序，每個表中以航段序號作為ID 值，標識每條航段的距離、航向信息。飛行計劃數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.1.2 計算剩余航段總距離

由直升機當前所在的航段位置，可以得到下一個到點的序號，通過到點序號及飛行計劃序號，即可在飛行計劃數(shù)據(jù)庫中讀取該飛行計劃中所有剩余航段的距離，計算剩余航段總距離并保存結(jié)果數(shù)據(jù)。

3.1.3 獲取導(dǎo)航數(shù)據(jù)

導(dǎo)航設(shè)備通過機載總線向航電系統(tǒng)傳送導(dǎo)航數(shù)據(jù)，航電系統(tǒng)根據(jù)傳輸協(xié)議識別不同的數(shù)據(jù)塊，將導(dǎo)航數(shù)據(jù)進行解包處理、統(tǒng)一保存。在計算終點時的過程中，首先判斷所需的預(yù)達時、真空速數(shù)據(jù)是否有效，若無效則終止計算，有效則保存數(shù)據(jù)。

3.1.4 計算并顯示終點時

利用以上步驟得到的剩余航段總距離和預(yù)達時、真空速數(shù)據(jù)，計算出執(zhí)行完當前飛行計劃的終點時，并通過顯示函數(shù)及Idata 畫圖工具，設(shè)計終點時的顯示方式及位置，在主飛行畫面中的飛行計劃信息列表、數(shù)字地圖畫面、維護模塊的數(shù)據(jù)查看畫面等進行顯示。

3.2 剩余航段時間計算改進算法的具體實現(xiàn)

剩余航段時間計算改進算法的具體實現(xiàn)，即是在基礎(chǔ)算法的基礎(chǔ)上，用地速替換真空速參與計算，并增加對地速值的判斷，當?shù)厮僦荡笥?km/h 時計算終點時，否則認為終點時無效，終止計算。

3.3 地速修正改進算法的具體實現(xiàn)

地速修正改進算法是在獲取導(dǎo)航數(shù)據(jù)后，通過記錄的前30 秒的所有風速風向數(shù)據(jù)求出平均值，依次代入每條航段的地速修正值計算中，分別求出每條航段所需的飛行時間，最后結(jié)合預(yù)達時計算得到終點時。

為了計算前30 秒的風速風向平均值，首先分別建立風速風向數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫內(nèi)設(shè)置四種要素，分別為開始記錄標志f、記錄數(shù)量n、存儲位置索引i，以及具體的風速風向數(shù)據(jù)w[i]。f 表示是否已經(jīng)進行了記錄，若未開始則存儲第一組數(shù)據(jù)，并將其作為當前平均值；n 表示記錄進數(shù)據(jù)庫中的有效風速風向總數(shù)，i 表示當前數(shù)據(jù)應(yīng)該存入數(shù)據(jù)庫中的位置，w[i]表示數(shù)據(jù)庫中第i 組風速風向數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫建立流程如圖5所示。

如圖5所示，當導(dǎo)航設(shè)備上線時，每個運行周期內(nèi)獲取當前的有效數(shù)據(jù)依次進行記錄入庫，當數(shù)據(jù)庫存儲滿后，取當前數(shù)據(jù)依次替換數(shù)據(jù)庫中最先記錄的數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)庫內(nèi)容實時更新。

從風速、風向數(shù)據(jù)庫中讀取有效數(shù)據(jù)計算得到平均值，用以計算地速修正值。然后通過飛行計劃的序號以及當前航段的到點序號，從飛行計劃數(shù)據(jù)庫中讀取剩余所有航段的距離和航向，計算得到終點時。

為使終點時在直升機多功能顯示器上的示數(shù)顯示更加穩(wěn)定，對計算結(jié)果進行濾波處理。建立終點時計算結(jié)果數(shù)據(jù)庫，記錄前20次計算結(jié)果，然后通過排序算法將數(shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)進行排序，得到10 個中位數(shù)，濾波處理后的終點時計算公式如下：

如上式，tout代表最終濾波結(jié)果，tlast代表上一次濾波的結(jié)果，ti代表排序后10 個中位數(shù)。

4 試飛結(jié)果分析

將計算終點時的三種算法依次轉(zhuǎn)換為程序語言，嵌入到航電系統(tǒng)操作飛行軟件中。通過實驗室的仿真試驗以及真實的試飛過程，驗證終點時計算的可靠性及準確性。通過實驗室仿真試驗?zāi)M飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)，驗證計算方法的可行性；通過在試飛機場執(zhí)行真實的飛行計劃，將試飛數(shù)據(jù)與北斗手持終端提供的數(shù)據(jù)，驗證計算方法的準確性、穩(wěn)定性。

通過多次執(zhí)行飛行計劃任務(wù)，監(jiān)控直升機飛行中的終點時數(shù)據(jù)，并同時與北斗手持終端提供的終點時數(shù)據(jù)進行對比分析，得到利用基礎(chǔ)算法的試飛結(jié)果誤差在30 分鐘左右且數(shù)據(jù)跳變程度大，準確性與穩(wěn)定性均較差；利用剩余航段計算改進算法的試飛結(jié)果誤差在10 分鐘左右，穩(wěn)定性較好；利用地速修正改進算法的試飛結(jié)果誤差在3 分鐘之內(nèi)，同時具有很好的穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

本文基于某型直升機的航電系統(tǒng)設(shè)計工程，研究分析了基于導(dǎo)航數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)算法、剩余航段時間計算改進算法、以及地速修正改進算法三種終點時計算方法，分別設(shè)計計算流程，通過C 語言編程將每種算法嵌入到航電系統(tǒng)顯控軟件中進行試驗驗證。通過實驗室仿真和試飛過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，與北斗手持終端提供的終點時數(shù)據(jù)進行比較分析，驗證得出利用地速修正值的計算方法可以將試驗誤差控制在3 分鐘之內(nèi)，計算結(jié)果更為穩(wěn)定、準確。利用地速修正值的計算方法通過建立實時動態(tài)更新的風速、風向數(shù)據(jù)庫，可以有效地管理存儲飛行數(shù)據(jù)，并通過在計算過程中加入濾波算法進行優(yōu)化，實現(xiàn)終點時的穩(wěn)定顯示，可以滿足某型直升機的航電系統(tǒng)設(shè)計要求，為飛行員預(yù)判未來航行、在特殊氣象條件下執(zhí)行飛行任務(wù)提供重要參考和有力保障。