專利名稱：一種水上飛行航行器的著水控制裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于自動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及ー種水上飛行航行器在水面起降階段的著水控制裝置及其方法。
背景技術(shù)：
水上飛機(jī)的著水現(xiàn)有技術(shù)水上起降的水上飛機(jī)以及其他相關(guān)航行器如地效飛行器(為簡(jiǎn)便起見，本文以下簡(jiǎn)稱為“航行器”)的ー個(gè)特征是在水面上降落。水面著水日常運(yùn)行面臨的主要問題在干，水不是靜止和平坦的。與陸地跑道的靜止和平坦不同，水面不僅一直在運(yùn)動(dòng)，而且，水的表面，尤其是海面等開闊水域，由于地球自轉(zhuǎn)、重力、海底地形和環(huán)流等影響，導(dǎo)致水體自身的水平和垂直 運(yùn)動(dòng)，水面像高山和峽谷一祥凹凸不平。此外，風(fēng)的影響生成了水表的波浪。水面一直在運(yùn)動(dòng)。水面平整是動(dòng)態(tài)的和相対的，當(dāng)前的海事水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)缺乏為航行器精確預(yù)報(bào)著水位置的功能，只能提供一個(gè)較大的時(shí)間段內(nèi)、某一地理區(qū)域內(nèi)的水域概況性預(yù)報(bào)，用于船舶等低速水面航行的需要。即便如此，在世界范圍內(nèi)現(xiàn)有的預(yù)報(bào)技術(shù)手段而言，滿足飛機(jī)水面起降需求、即在時(shí)間和區(qū)域兩方面均為較精確的水波預(yù)報(bào)仍然十分困難。因此，水上運(yùn)行與陸地起降的本質(zhì)區(qū)別在于，水面著陸時(shí)沒有事先知曉的ー個(gè)固定的機(jī)場(chǎng)，沒有一條事先知曉的固定跑道，更無法利用地面跑道上所標(biāo)定的接地點(diǎn)區(qū)域指示裝置來完成安全接地。在大多數(shù)情況下，尤其是海洋水面飛行情況下，事先無法進(jìn)行精確的水面情況預(yù)報(bào)。于是，至目前為止，在世界范圍內(nèi)，水面飛行時(shí)，航行器在飛抵目的地水域吋，主要依賴飛行人員自行尋找平整水面，自行決定著水方向，以及最合適的接水點(diǎn)，完成著水過程。航行器著水過程中，威脅最大的水波是重力波。根據(jù)海洋學(xué)定義，重力波主要是周期為4秒-30秒之間的風(fēng)浪、涌浪和近岸浪三種。風(fēng)浪是指本地風(fēng)カ所致的水波，涌浪是由外地風(fēng)カ所致的水波，現(xiàn)實(shí)世界中的水波是風(fēng)浪和涌浪的復(fù)合體，例如近岸浪就是風(fēng)浪和涌浪在近岸過程中，因水深急劇減少直至終止的陸地限制，水的運(yùn)動(dòng)能量驟集，造成水波波高的聚增。沖浪運(yùn)動(dòng)就是利用了這種近岸浪的巨浪效果。對(duì)于航行器的著水而言，水波的波高只是威脅著水安全的ー個(gè)因素，更重要的威脅是水波的波長(zhǎng)。同等波高的條件下，波長(zhǎng)越短，對(duì)航行器的威脅越大。為了安全著水，必須首先確定著水區(qū)域的水波波長(zhǎng)，以防航行器著水時(shí)被水波顛覆。其次，掌握風(fēng)浪和涌浪各自的傳播方向，選擇在風(fēng)浪水波上著水，還是在涌浪水波上著水。第三，最后抉擇具體的著水點(diǎn)。當(dāng)前，航行器如上的水面著水過程，通過飛行人員的人工判斷、個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和具體操作技能來實(shí)現(xiàn)。美國(guó)聯(lián)邦航空管理局的FAA-H-8083-23《水上飛機(jī)、滑撬飛機(jī)、浮子/滑撬直升機(jī)運(yùn)行手冊(cè)》中具體規(guī)定了這種人工操作技術(shù)(以下簡(jiǎn)稱FAA-H-8083-23 )，包括水面平整度情況的觀察方法和決斷過程、航向和著水點(diǎn)的選擇等具體技巧。因?yàn)樾枰w行人員肉眼觀察和人工操作，F(xiàn)AA-H-8083-23強(qiáng)調(diào)指出，對(duì)于水域情況復(fù)雜的水面，尤其是外海的遼闊海面，在這種場(chǎng)合里著水十分危險(xiǎn)。因?yàn)樾枰庋塾^察尋找合適的著水區(qū)域，F(xiàn)AA-H-8083-23強(qiáng)調(diào)指出，航行器在夜間著水也是十分危險(xiǎn)的。以上兩大危險(xiǎn)極大地限制了航行器實(shí)際使用范圍和出航能力。即便是白晝時(shí)間，F(xiàn)AA-H-8083-23指出，水面霧氣大或者云底高很低時(shí)，都會(huì)造成能見度不佳，直接影響觀測(cè)的準(zhǔn)確性；即便在睛朗的白晝里，由于水面強(qiáng)烈的陽(yáng)光反射效果，也會(huì)導(dǎo)致飛行人員的誤判。這些限制不僅提高了日常飛行的難度，也増加了培訓(xùn)飛行人 員的成本。但是，水面運(yùn)行的航行器若是作為一種運(yùn)輸工具，必須具備“全天候”的運(yùn)行能力，尤其是我國(guó)已經(jīng)著手研發(fā)大型水上飛機(jī)和大型地效飛行器，滿足國(guó)家應(yīng)急體系建設(shè)之需。這些大型航行器的“全天候”運(yùn)行，是完成應(yīng)急任務(wù)的必備能力。綜上所述，為了使這類航行器具有“全天候”運(yùn)行能力，就必須實(shí)現(xiàn)在各種條件下的著水能力、降低飛行人員的操作需求和培訓(xùn)成本。必須基于科學(xué)原理，由自動(dòng)化技術(shù)來實(shí)現(xiàn)著水控制方法，由此設(shè)計(jì)裝置及其系統(tǒng)，提升這類航行器的實(shí)用性。解決問題的難點(diǎn)陸地機(jī)場(chǎng)的機(jī)場(chǎng)區(qū)域、跑道航向以及跑道的接地點(diǎn)區(qū)域標(biāo)識(shí)都是在機(jī)場(chǎng)設(shè)計(jì)之初，通過對(duì)當(dāng)?shù)氐乩砦恢煤铜h(huán)境的長(zhǎng)年數(shù)據(jù)分析而確定的恒定值。飛行人員著陸時(shí)，根據(jù)官方公布的、經(jīng)過試飛驗(yàn)證過的飛行程序，在地面塔臺(tái)指揮人員的引導(dǎo)下，通過儀表著陸系統(tǒng)或是衛(wèi)星定位系統(tǒng)的自動(dòng)化引導(dǎo)實(shí)施著陸，保障了現(xiàn)代陸地起降的飛機(jī)具有全天候能力，使得航空運(yùn)輸不斷普及和可持續(xù)性發(fā)展。但是對(duì)于水上著陸，仍如100年前航空起步階段那樣，一切都要飛行人員自行和臨時(shí)判別，非常原始。根據(jù)2007年版的最新FAA-H-8083-23程序首先，在任務(wù)所需著陸的區(qū)域里，飛行人員在150(Γ2000英尺高空上平飛，觀察水面，確定本區(qū)域的平整水域，作為著水區(qū)域的選擇。其次，將飛機(jī)降低到500英尺高度上，詳細(xì)觀察此水域中的風(fēng)浪、涌浪和近岸浪狀況，選定著水航向，例如順波著水，還是頂波著水，與主浪群的波動(dòng)方向的夾角；第三，進(jìn)ー步下降高度到100英尺高度，保持平飛，核對(duì)上述觀察結(jié)果是否正確，決定具體的著水點(diǎn)。最后，實(shí)施著水。必須有一種可靠的技術(shù)解決手段，方便飛行人員根據(jù)FAA-H-8083-23的指導(dǎo)原貝ij，根據(jù)水的平整度來選擇合適的著水區(qū)域，這相當(dāng)于確定陸地的著陸機(jī)場(chǎng)；之后，確定與水波的夾角關(guān)系，即著水的航向，這相當(dāng)于確定陸地機(jī)場(chǎng)的某一條具體的跑道；第三，根據(jù)水波的波長(zhǎng)特征，確定一個(gè)合適的著水點(diǎn)，這相當(dāng)于建立陸地機(jī)場(chǎng)跑道上的著陸接地點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問題，本發(fā)明的目的在于提供了ー種水上飛行航行器的著水控制裝置；本發(fā)明的另ー目的在于提供這種水上飛行航行器的著水控制方法。
本發(fā)明的發(fā)明目的是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。ー種水上飛行航行器的著水控制裝置，包含數(shù)據(jù)采集裝置，處理模塊，顯示器和告警器，所述數(shù)據(jù)采集裝置包含提供基于飛機(jī)平臺(tái)的水面高度測(cè)量數(shù)據(jù)的無線電高度表，所述處理模塊包含應(yīng)用算法模塊，將無線電高度表所提供的高度測(cè)量數(shù)據(jù)輸入處理模塊，通過應(yīng)用算法模塊計(jì)算出水波信息，水波信息送至顯示器和告警器。所述數(shù)據(jù)采集裝置還包括提供解算當(dāng)前飛行軌跡所需參數(shù)數(shù)據(jù)的航空大氣數(shù)據(jù)傳感器和提供飛機(jī)當(dāng)前姿態(tài)數(shù)據(jù)的航空慣性傳感 器。所述處理模塊還包括提供航行器的飛行性能數(shù)據(jù)和使用條件的內(nèi)置于計(jì)算機(jī)平臺(tái)的航行器飛行性能模塊，內(nèi)置于計(jì)算機(jī)平臺(tái)的、航行器著水控制方法的各類應(yīng)用程序軟件模塊，基于海洋學(xué)的水波模型模塊。水波模型模塊包括與水域地理位置特征相關(guān)的風(fēng)浪、涌浪、近岸浪，以及其他相關(guān)水波數(shù)學(xué)模型。所述水上飛行航行器的著水控制裝置與航行器的飛行控制系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)相交聯(lián)。航行器的顯示器，它可以是高端的大型彩色顯示器，也可以是較簡(jiǎn)易的機(jī)電式刻度表盤。航行器告警器，它可以是高端的、具有合成語(yǔ)音和不同音調(diào)的告警系統(tǒng)，也可以是低端的蜂鳴器。這種水上飛行航行器的著水控制方法包括以下步驟步驟ー飛行人員操縱航行器在一定高度上保持平飛，無線電高度表開始連續(xù)獲取水面的高度信息；步驟ニ處理模塊計(jì)算平均水平面信息，將平均水平面與初始值和結(jié)束值時(shí)間間隔的兩端數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得出這個(gè)平均水平面的傾斜度；基于平均水平面信息，計(jì)算得到水波的高度差信息，由此得到浪峰和浪谷數(shù)據(jù)；通過比較高度差的性質(zhì)，識(shí)別風(fēng)浪、涌浪還是近岸浪；通過計(jì)算相鄰浪峰的時(shí)間差，得到波長(zhǎng)數(shù)據(jù)；根據(jù)相應(yīng)的模型公式，得到波速信息；步驟三處理模塊將步驟ニ計(jì)算出的信息送至顯示器和告警器。進(jìn)ー步，本發(fā)明數(shù)據(jù)采集裝置還包含航空大氣數(shù)據(jù)傳感器和航空慣性傳感器，所述處理模塊還包含應(yīng)用算法模塊、水波模型模塊。與前方法比較，本方法計(jì)算平均水平面信息包含通過大氣數(shù)據(jù)傳感器得到飛行軌跡數(shù)據(jù)，結(jié)合航行器飛行性能數(shù)據(jù)庫(kù)的性能數(shù)據(jù)，通過對(duì)軌跡的穩(wěn)定性評(píng)估，用于實(shí)際平飛的誤差修正；通過慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)采集無線電高度表記錄水波高度數(shù)據(jù)時(shí)的飛機(jī)實(shí)際姿態(tài)，全面修正平均水面的計(jì)算值。進(jìn)ー步與飛行控制系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)交聯(lián)，構(gòu)成具有自動(dòng)引導(dǎo)功能的航行器著水控制系統(tǒng)，作為高端航行器自動(dòng)飛行系統(tǒng)的組成部分。海洋學(xué)指出，重力波是水波能量最大的一種運(yùn)動(dòng)波形，是影響航行安全的主要因素。重力波由風(fēng)浪、涌浪和近岸浪三種形式所構(gòu)成，波動(dòng)頻率在4-30秒之間。對(duì)于航行器的著水過程來說，這個(gè)波動(dòng)周期與著水關(guān)鍵時(shí)刻相吻合。航行器著水過程的關(guān)鍵時(shí)刻指著水時(shí)的觸水、以及接下來的高速滑水階段，這個(gè)階段通常需要15-30秒時(shí)間。重點(diǎn)解決這個(gè)時(shí)刻的水波判斷和操作，與海洋學(xué)“重力波是影響航行安全的主要因素”這ー基本結(jié)論相吻合。
根據(jù)海洋學(xué)的研究成果，風(fēng)浪、涌浪和近岸浪均可用簡(jiǎn)化的正弦波描述，而他們的復(fù)合體則可用波的模型疊加來描述。海洋學(xué)對(duì)風(fēng)浪、涌浪以及近岸浪的數(shù)學(xué)模型均有各種成熟的研究成果，因?yàn)檫@些模型是設(shè)計(jì)船舶和船舶日常航行控制的基本要素之一，選擇哪ー種或者哪些算法的組合取決于航行器的預(yù)定使命，本專利不再進(jìn)ー步限制具體模型算法及其組合應(yīng)用。通過ー種無線電測(cè)量的手段，即可獲得如上模型相關(guān)的參數(shù)。為什么選擇無線電測(cè)量的手段，而不是其他手段的說明如下雖然市面上有多種測(cè)量裝置，包括激光測(cè)量裝置，但是如果用于飛機(jī)上，這些裝置必須滿足適航認(rèn)證的要求。出于成本、技術(shù)成熟度和系統(tǒng)架構(gòu)簡(jiǎn)便的考慮，本發(fā)明專利直接 采用航行器上現(xiàn)有的無線電測(cè)高裝置，即航空無線電高度表作為測(cè)量裝置。通過在現(xiàn)有飛行控制、飛行管理或者導(dǎo)航計(jì)算機(jī)上増加相應(yīng)的計(jì)算軟件，即可實(shí)現(xiàn)著水引導(dǎo)功能。于是，通過本發(fā)明的技術(shù)方案，為水上飛行的航行器提供了一種基于機(jī)載設(shè)備的儀表數(shù)據(jù)采集、分析和自動(dòng)引導(dǎo)能力，克服當(dāng)前憑借飛行人員人工經(jīng)驗(yàn)操作的局限，尤其是能見度不佳時(shí)，彌補(bǔ)肉眼觀察信息不準(zhǔn)確和不充分的缺陷，降低飛行人員精神負(fù)擔(dān)，提升航行器的可用性，特別是清晨、黃昏、惡劣氣象及夜間航行的可行性，以及在航行器發(fā)生意外時(shí)必須著水的安全性，提升航行器的全天候能力；最后，在這種發(fā)明的幫助下，更加平滑的操作可提升航行器的乘坐舒適性。


圖I是本發(fā)明水上飛行航行器的著水控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例I的算法流程圖；圖3a是正坡度顯示圖；圖3b是零坡度顯示圖；圖3c是負(fù)坡度顯示圖；圖4是本發(fā)明實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是實(shí)施例2的算法流程圖；圖6是實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖Iー圖6，進(jìn)ー步說明本發(fā)明是如何實(shí)現(xiàn)的。實(shí)施例I如圖I所示，航空無線電高度表，應(yīng)用算法模塊，指示器，告警器四者構(gòu)成了本發(fā)明的簡(jiǎn)易著水控制裝置。實(shí)際使用時(shí)，根據(jù)FAA-H-8083-23的指導(dǎo)原則，飛行人員操縱航行器在一定高度上保持平飛，這時(shí)，無線電高度表開始連續(xù)獲取水面的高度信息，這個(gè)連續(xù)的水面高度變化信息即可成為水波波形的模擬數(shù)據(jù)。應(yīng)用算法模塊按飛行人員確定的時(shí)間間隔，首先計(jì)算平均水平面信息。通過這個(gè)計(jì)算，不僅算出平均水平面，還可以將這個(gè)平均水平面與初始值和結(jié)束值即時(shí)間間隔的兩端數(shù)據(jù)(邊界值)進(jìn)行比較，得出這個(gè)平均水平面的傾斜度，即水平面的坡度?；谶@個(gè)平均水平面信息，計(jì)算得到水波的高度差信息，由此得到浪峰和浪谷數(shù)據(jù)。通過比較高度差的性質(zhì)，識(shí)別風(fēng)浪、涌浪還是近岸浪。之后，通過計(jì)算相鄰浪峰的時(shí)間差，得到波長(zhǎng)數(shù)據(jù)，最后，根據(jù)相應(yīng)的模型公式，得到波速信息。然后，將這些信息送至指示器和告警器，為飛行人員提供相關(guān)的著水引導(dǎo)信息。算法流程如圖2所示。在流程中，首先通過持續(xù)時(shí)間的平飛，例如I. 5分鐘時(shí)間的平飛，航空無線電高度表連續(xù)測(cè)得水波表面的高度變化數(shù)據(jù)。通過算術(shù)平均的簡(jiǎn)單算法，得到這I. 5分鐘時(shí)間內(nèi)的平均水波高度，作為平均水平面數(shù)據(jù)。這個(gè)平均水平面數(shù)據(jù)作為計(jì)算水波的波峰、波谷和波長(zhǎng)的橫向中心線，即波形的中軸線。此外，通過比較I. 5分鐘測(cè)量值的兩端數(shù)據(jù)(邊界值)的大小，得到這個(gè)平均水平面的坡度方向和坡度計(jì)算值。例如，I. 5分鐘起始值即第一個(gè)高度測(cè)量值減去I. 5分鐘的終止值即最后ー個(gè)測(cè)量值，如果其差為正值，則可判斷平均水平面為負(fù)坡度，即下坡；反之亦然。算法上將此坡度判斷值直接送給顯示器和告警器，以告知
飛行人員前方平均水平面的實(shí)際傾斜情況，如圖3a-圖3c所示。得出這個(gè)平均水平面數(shù)據(jù)后，繼續(xù)使用I. 5分鐘內(nèi)的各測(cè)量值與此平均值進(jìn)行簡(jiǎn)單比較，得到一系列與平均水平面的差值。例如，用各測(cè)量值減去平均水平面的差值，其中，正值為水波的波峰區(qū)域，負(fù)值為水波的波谷區(qū)域。得到這一系列與平均水平面的差值后，算法模塊進(jìn)一歩對(duì)這些差值的變化情況進(jìn)行比較。如果差值變化明顯，則可判定為風(fēng)浪，算法上進(jìn)入風(fēng)浪算法模型；如果差值變化平緩，則可判定為涌浪，算法上進(jìn)入涌浪算法模型；如果差值持續(xù)突增，則可判定為近岸浪，算法上進(jìn)入近岸浪算法模型。水波波形分類完成后，這些波形分類數(shù)據(jù)也直接送往顯示器和告警器。進(jìn)入風(fēng)浪、涌浪或近岸浪的算法模型后，依據(jù)海洋科學(xué)的現(xiàn)有模型算法，可得到相應(yīng)的波長(zhǎng)數(shù)據(jù)，送往顯示器和告警器。飛行人員通過觀察航空無線電高度表所測(cè)量得到的水波波形顯示信息，結(jié)合計(jì)算模塊計(jì)算出來的波形類型、波峰、波谷、波長(zhǎng)和平均水平面的坡度數(shù)據(jù)，由此識(shí)別相対的平整水域，作為可著水的區(qū)域。實(shí)施例2如圖4所示，航空無線電高度表，提供基于飛機(jī)平臺(tái)的水面高度測(cè)量數(shù)據(jù)。航空大氣數(shù)據(jù)傳感器，提供解算當(dāng)前飛行軌跡所需的參數(shù)數(shù)據(jù)；航空慣性傳感器，例如慣性導(dǎo)航裝置，它提供飛機(jī)的當(dāng)前姿態(tài)數(shù)據(jù)。這三個(gè)傳感器構(gòu)成了本發(fā)明第二種方式的數(shù)據(jù)采集裝置。內(nèi)置于計(jì)算機(jī)平臺(tái)的航行器飛行性能模塊提供航行器的飛行性能數(shù)據(jù)和使用條件，用于支持應(yīng)用程序軟件的解算任務(wù)。通常，它是ー種數(shù)據(jù)庫(kù)。內(nèi)置于計(jì)算機(jī)平臺(tái)的、航行器著水控制方法的各類應(yīng)用算法模塊，它負(fù)責(zé)具體的解算。基于海洋學(xué)的水波模型模塊，包括與水域地理位置特征相關(guān)的風(fēng)浪、涌浪、近岸浪以及其他相關(guān)水波數(shù)學(xué)模型，用于支持應(yīng)用程序軟件的解算任務(wù)。通常，它是ー種數(shù)據(jù)庫(kù)。航行器的地理位置可由飛行人員輸入，也可通過與航行器上的導(dǎo)航系統(tǒng)定位功能交聯(lián)，自動(dòng)實(shí)時(shí)地更新航行器的地理位置信息。用于支持應(yīng)用算法模塊的解算任務(wù)。航行器的顯示器，可以是高端的大型彩色顯示器，也可以是較為簡(jiǎn)易的機(jī)電式刻度表盤。航行器告警器，可以是高端的、具有合成語(yǔ)音和不同音調(diào)的告警系統(tǒng)，也可以是低端的蜂鳴器。算法流程如圖5所示。在流程中，首先通過持續(xù)時(shí)間的平飛，例如I. 5分鐘時(shí)間的平飛，航空無線電高度表連續(xù)測(cè)得水波表面的高度變化數(shù)據(jù)。通過算術(shù)平均算法，得到這I. 5分鐘時(shí)間內(nèi)的平均水波高度，即為平均水平面數(shù)據(jù)。通過大氣數(shù)據(jù)傳感器得到飛行軌跡數(shù)據(jù)，結(jié)合航行器飛行性能數(shù)據(jù)庫(kù)的性能數(shù)據(jù)，通過對(duì)軌跡的穩(wěn)定性評(píng)估，用于實(shí)際平飛的誤差修正，以更精確地得到水波高度測(cè)量數(shù)據(jù)。通過慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)采集無線電高度表記錄水波高度數(shù)據(jù)時(shí)的飛機(jī)實(shí)際姿態(tài)，與的數(shù)據(jù)一起，全面修正平均水面的計(jì)算值，消除飛機(jī)自身平飛誤差所造成的測(cè)量水波高度的誤差。誤差修正后平均水平面數(shù)據(jù)作為計(jì)算水波的波峰、波谷和波長(zhǎng)的橫向中心線，即波形的中軸線。通過比較I. 5分鐘測(cè)量值的兩端值的大小，得到這個(gè)平均水平面的坡度方向和坡度計(jì)算值。例如，I. 5分鐘起始值即第一個(gè)高度測(cè)量值減去I. 5分鐘的終止值即最后ー個(gè)測(cè)量值，如果其差為正值，則可判斷平均水平面為負(fù)坡度，即下坡；反之亦然。
算法流程上，將此坡度判斷值直接送給顯示器，以告知飛行人員前方平均水平面的實(shí)際傾斜情況，如圖3a_圖3c所示。其中，實(shí)線①表示水平基準(zhǔn)位置，虛線②表示實(shí)際水平面位置。當(dāng)實(shí)際水平面與水平基準(zhǔn)基本重合時(shí)，顯示為圖3b的實(shí)線；當(dāng)存在足夠大的水波高低起伏形態(tài)時(shí)，例如，涌浪的波長(zhǎng)長(zhǎng)度通常與著水距離處于同一數(shù)量級(jí)，當(dāng)涌浪足夠大時(shí)，即發(fā)生水平面傾斜的情況，即具有一定坡度；當(dāng)這種坡度沿預(yù)定起降方向呈上升趨勢(shì)時(shí)，定義為正坡度，顯示如圖3a所示。反之，定義為負(fù)坡度，顯示如圖3c所示。在得出這個(gè)平均水平面的數(shù)據(jù)之后，繼續(xù)使用I. 5分鐘內(nèi)的各測(cè)量值與此平均值進(jìn)行比較，得到一系列與平均水平面的差值。例如，用各測(cè)量值減去平均水平面的差值，其中，正值為水波的波峰區(qū)域，負(fù)值為水波的波谷區(qū)域。在得到這一系列與平均水平面的差值之后，算法模塊進(jìn)一歩對(duì)這些差值的變化情況進(jìn)行比較。如果差值變化明顯，則可判定為風(fēng)浪，進(jìn)入風(fēng)浪算法模型；如果差值變化平緩，則可判定為涌浪，進(jìn)入涌浪算法模型；如果差值持續(xù)突增，則可判定為近岸浪，進(jìn)入近岸浪算法模型。確定了水波的算法模型后，可以根據(jù)航行器所處的具體位置，從水波模型的數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用基于水域地理位置確定的水波模型誤差修正值。航行器的地理位置可由飛行人員輸入，也可通過與航行器上的導(dǎo)航系統(tǒng)定位功能交聯(lián)，自動(dòng)實(shí)時(shí)地更新航行器的地理位置信息。在進(jìn)行了水波波形分類后，這些波形分類數(shù)據(jù)也直接送往顯示裝置。在進(jìn)入風(fēng)浪、涌浪和近岸浪的算法模型后，依據(jù)海洋科學(xué)的現(xiàn)有模型算法，可得到相應(yīng)的波長(zhǎng)數(shù)據(jù)。通過上述數(shù)據(jù)和計(jì)算，進(jìn)入著水控制計(jì)算模塊，在這里，首先根據(jù)前面的數(shù)據(jù)采集和比較，得出最平緩的水面區(qū)域，作為著水的具體區(qū)域，然后，在這片平緩區(qū)域里，根據(jù)之前確定的水波波形和波長(zhǎng)，結(jié)合大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)采集的風(fēng)向風(fēng)カ數(shù)據(jù)，依據(jù)FAA-H-8083-23的指導(dǎo)原則，選擇合理著水航向；結(jié)合航行器飛行性能數(shù)據(jù)庫(kù)的性能數(shù)據(jù)，推算本次著水的最佳速度。根據(jù)之前得到的水波數(shù)據(jù)，結(jié)合航行器飛行性能數(shù)據(jù)庫(kù)中的性能數(shù)據(jù)，依據(jù)FAA-H-8083-23的指導(dǎo)原則，推算最佳接水角。至此，著水區(qū)域、著水航向、著水速度和著水姿態(tài)均已確定，將這些參數(shù)送至顯示器，為飛行人員提供相關(guān)目視指示信息。同時(shí)將這些數(shù)據(jù)送至告警裝置，告警裝置根據(jù)預(yù)定的告警邏輯，監(jiān)控飛行人員操作，一旦發(fā)生超出預(yù)定的誤差，自動(dòng)提出告誡或者告警。實(shí)施例3如圖6所示，航空無線電高度表，提供基于飛機(jī)平臺(tái)的水面高度測(cè)量數(shù)據(jù)。航空大氣數(shù)據(jù)傳感器，提供解算當(dāng)前飛行軌跡所需的參數(shù)數(shù)據(jù)；航空慣性傳感器，例如慣性導(dǎo)航裝置，它提供飛機(jī)的當(dāng)前姿態(tài)數(shù)據(jù)。這三個(gè)傳感器構(gòu)成了本發(fā)明第三種方式的數(shù)據(jù)采集裝置。內(nèi)置于計(jì)算機(jī)平臺(tái)的航行器飛行性能模塊，它提供航行器的飛行性能數(shù)據(jù)和使用條件，用于支持應(yīng)用程序軟件的解算任務(wù)。通常，它是ー種數(shù)據(jù)庫(kù)。內(nèi)置于計(jì)算機(jī)平臺(tái)的、航行器著水控制方法的各類應(yīng)用算法模塊，它負(fù)責(zé)具體的解算?；诤Ｑ髮W(xué)的水波模型模塊，包括與水域地理位置特征相關(guān)的風(fēng)浪、涌浪、近岸浪，以及其他相關(guān)水波數(shù)學(xué)模型，用于支持應(yīng)用算法模塊的解算任務(wù)。通常，它是ー種數(shù)據(jù)庫(kù)。航行器的地理位置可由飛行人員輸入，也可通過與航行器上的導(dǎo)航系統(tǒng)定位功能交聯(lián)，自動(dòng)實(shí)時(shí)地更新航行器的地理位置信息。用于支持應(yīng)用程序軟件的解算任務(wù)。
航行器的顯示裝置，它可以是高端的大型彩色顯示器，也可以是較簡(jiǎn)易的機(jī)電式刻度表盤。航行器告警裝置，它可以是高端的、具有合成語(yǔ)音和不同音調(diào)的告警系統(tǒng)，也可以是低端的蜂鳴器。航行器的飛行控制系統(tǒng)，用于接收來自內(nèi)置于計(jì)算機(jī)平臺(tái)的各類應(yīng)用算法模塊的飛行控制指令；航行器的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，用于接收來自內(nèi)置于計(jì)算機(jī)平臺(tái)的各類應(yīng)用算法模塊的動(dòng)カ控制指令。省略算法流程的說明與第二種方式相比，第三種方式的主要特點(diǎn)是將本發(fā)明的控制信息直接接入航行器的飛行控制系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，如此形成自動(dòng)化的閉環(huán)控制，具體的控制指令的需求取決于航行器的具體設(shè)計(jì)、發(fā)動(dòng)機(jī)類型及其配置，算法流程的著水引導(dǎo)部分類同于第二種方式；與飛行控制系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的閉環(huán)交聯(lián)部分則可基于現(xiàn)有常規(guī)飛機(jī)的飛行控制系統(tǒng)算法流程，不再贅述。
權(quán)利要求
1.ー種水上飛行航行器的著水控制裝置，包括數(shù)據(jù)采集裝置，處理模塊，顯示器和告警器，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集裝置包含提供基于飛機(jī)平臺(tái)的水面高度測(cè)量數(shù)據(jù)的無線電高度表，所述處理模塊包含應(yīng)用算法模塊，將無線電高度表所提供的高度測(cè)量數(shù)據(jù)輸入處理模塊，通過應(yīng)用算法模塊計(jì)算出水波信息，水波信息送至顯示器和告警器。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種水上飛行航行器的著水控制裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集裝置還包括提供解算當(dāng)前飛行軌跡所需參數(shù)數(shù)據(jù)的航空大氣數(shù)據(jù)傳感器和提供飛機(jī)當(dāng)前姿態(tài)數(shù)據(jù)的航空慣性傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種水上飛行航行器的著水控制裝置，其特征在于，所述處理模塊還包括提供航行器的飛行性能數(shù)據(jù)和使用條件的內(nèi)置于計(jì)算機(jī)平臺(tái)的航行器飛行性能模塊，內(nèi)置于計(jì)算機(jī)平臺(tái)的、航行器著水控制方法的各類應(yīng)用程序軟件模塊，基于海洋學(xué)的水波模型模塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的ー種水上飛行航行器的著水控制裝置，其特征在干，所述水波模型模塊包括與水域地理位置特征相關(guān)的風(fēng)浪、涌浪、近岸浪，以及其他相關(guān)水波數(shù)學(xué)模型。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種水上飛行航行器的著水控制裝置，其特征在于，所述水上飛行航行器的著水控制裝置與航行器的飛行控制系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)相交聯(lián)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種水上飛行航行器的著水控制裝置，其特征在于，所述顯示器為大型彩色顯示器或者是機(jī)電式刻度表盤。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種水上飛行航行器的著水控制裝置，其特征在于，所述告警器為具有合成語(yǔ)音和不同音調(diào)的告警器或者為蜂鳴器。
8.—種水上飛行航行器的著水控制方法，其特征在于，包含如下步驟 步驟ー飛行人員操縱航行器在一定高度上保持平飛，無線電高度表將飛機(jī)作為基準(zhǔn)，探測(cè)水面高度變化，連續(xù)獲取水面的高度信息； 步驟ニ 處理模塊計(jì)算平均水平面信息，將平均水平面與初始值和結(jié)束值時(shí)間間隔的兩端數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得出這個(gè)平均水平面的傾斜度；基于平均水平面信息，計(jì)算得到水波的高度差信息，由此得到浪峰和浪谷數(shù)據(jù)；通過比較高度差的性質(zhì)，識(shí)別風(fēng)浪、涌浪還是近岸浪；通過計(jì)算相鄰浪峰的時(shí)間差，得到波長(zhǎng)數(shù)據(jù)；根據(jù)相應(yīng)的模型公式，得到波速信息； 步驟三處理模塊將步驟ニ計(jì)算出的信息送至顯示器和告警器。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的ー種水上飛行航行器的著水控制方法，其特征在干，所述步驟ー還包括航空大氣數(shù)據(jù)傳感器記錄當(dāng)前飛行軌跡所需的參數(shù)數(shù)據(jù)，航空慣性傳感器記錄飛機(jī)的當(dāng)前姿態(tài)數(shù)據(jù)。
10.根據(jù)權(quán)利要8所述的ー種水上飛行航行器的著水控制方法，其特征在干，將步驟ニ計(jì)算出的信息直接接入航行器的飛行控制系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種水上飛機(jī)的著水控制方法及其設(shè)置，無線電高度表連續(xù)獲取水面的高度信息計(jì)算平均水面信息，通過計(jì)算模塊算出水波特征參數(shù)，由此得出風(fēng)浪、涌浪和近岸浪的基本特征，通過顯示裝置，為飛行人員提供水波基本特征，以便飛行人員抉擇。本發(fā)明可以彌補(bǔ)肉眼觀察信息不準(zhǔn)確和不充分的缺陷，降低飛行人員精神負(fù)擔(dān)，提升航行器的可用性，特別是清晨、黃昏、惡劣氣象及夜間航行的可行性，以及在航行器發(fā)生意外時(shí)必須著水的安全性，提升航行器的全天候能力，提升航行器的乘坐舒適性。
文檔編號(hào)B64C35/00GK102837824SQ20121036192
公開日2012年12月26日 申請(qǐng)日期2012年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月21日
發(fā)明者顧世敏 申請(qǐng)人:中國(guó)航空無線電電子研究所