特開2020-79076(P2020-79076A)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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特開2020-79076飛行の巡航フェーズにおける垂直プロファイルを最適化するための電子装置および方法
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2020-79076(P2020-79076A)
(43)【公開日】2020年5月28日
(54)【発明の名称】飛行の巡航フェーズにおける垂直プロファイルを最適化するための電子装置および方法
(51)【国際特許分類】
   B64D 45/00 20060101AFI20200501BHJP
   B64C 13/18 20060101ALI20200501BHJP
   G08G 5/00 20060101ALI20200501BHJP
【FI】
   B64D45/00 A
   B64C13/18 G
   G08G5/00 A
【審査請求】未請求
【請求項の数】15
【出願形態】OL
【外国語出願】
【全頁数】25
(21)【出願番号】特願2019-181901(P2019-181901)
(22)【出願日】2019年10月2日
(31)【優先権主張番号】16/159,749
(32)【優先日】2018年10月15日
(33)【優先権主張国】US
(71)【出願人】
【識別番号】500520743
【氏名又は名称】ザ・ボーイング・カンパニー
【氏名又は名称原語表記】The Boeing Company
(74)【代理人】
【識別番号】110002077
【氏名又は名称】園田・小林特許業務法人
(72)【発明者】
【氏名】フィグラー, バスチャン
(72)【発明者】
【氏名】ガルリド−ロペス, デーヴィッド
(72)【発明者】
【氏名】デ プリンス, ジョハン エル.
【テーマコード(参考)】
5H181
【Fターム(参考)】
5H181AA26
5H181FF14
5H181FF22
5H181FF33
(57)【要約】      (修正有)
【課題】飛行の巡航フェーズ中に航空機が飛行すべき垂直プロファイルを最適化するための電子装置および方法を提供する。
【解決手段】飛行の巡航フェーズ中に航空機が飛行すべき垂直プロファイルを最適化するための電子装置であって、航空機の潜在的な巡航飛行経路に沿った全ての潜在的に適切なステップ位置を決定すること、潜在的な巡航飛行経路に沿った全てのレベル区間とステップ区間のコストに基づく重み付きグラフを表すデジタルデータを生成すること、グラフ理論を重み付きグラフに適用することにより、巡航最適化問題を解くこと、巡航最適化問題を解いた結果として得られた最適化された垂直プロファイルのステップ位置と高度を出力すること、最適化された垂直プロファイルのステップ位置と高度に基づくルートに沿って、航空機が飛行すべき予測軌道を生成する。
【選択図】図7
【特許請求の範囲】
【請求項1】
飛行の巡航フェーズ中に航空機(42)が飛行する垂直プロファイルを最適化する方法(100)であって、
(a)前記航空機の潜在的な巡航飛行経路に沿った全ての潜在的に適切なステップ位置を決定することと、
(b)前記潜在的な巡航飛行経路に沿った全てのレベル区間とステップ区間のコストに基づいて重み付けられた重み付きグラフを表すデジタルデータを生成することと、
(c)グラフ理論を前記重み付きグラフに適用することにより、巡航最適化問題を解くことと、
(d)前記巡航最適化問題を解いた結果として得られた最適化された垂直プロファイルのステップ位置と高度を出力することと、
(e)前記最適化された垂直プロファイルの前記ステップ位置と高度に基づくルートに沿って予測軌道を生成することと、
(f)前記ルートの一部に対応する前記最適化された垂直プロファイルの少なくとも一部を、コックピットグラフィカルディスプレイシステム(15)に表示することと、
を含む方法(100)。
【請求項2】
前記予測軌道の一部に従って飛行するように前記航空機(42)を制御することを、さらに含む、請求項1に記載の方法(100)。
【請求項3】
前記予測軌道の前記一部に沿った前記航空機(42)の飛行中に手順ステップ(a)から(e)までを繰り返して、更新された予測軌道を生成することを、さらに含む、請求項1または2に記載の方法(100)。
【請求項4】
手順ステップ(a)が、
全ての潜在的なフライトレベルの区間におけるコスト曲線を並列に計算することと、
前記コスト曲線間の全ての交点を決定することと、
を含み、各区間の前記コスト曲線が、航空機パフォーマンスモデルに基づいている、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法(100)。
【請求項5】
コスト曲線を計算することが、1つの区間における潜在的なフライトレベルの各々について推定燃料消費量を計算することと、次いで、次の区間のコスト曲線計算のための航空機重量を推定するために、最小の推定燃料消費量を考慮することと、を含む、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法(100)。
【請求項6】
手順ステップ(b)が、
交点間の各フライトレベルでの全てのレベル区間の前記コストを合計することと、
各交点について、航空機パフォーマンスモデルに基づいて、交差するコスト曲線のそれぞれの2つのフライトレベル間で上昇または降下するための前記コストを計算することと、
を含み、前記計算することが、飛行しないレベル区間についての前記コストの部分を差し引くことにより前記コストを補正することを含み、前記コストのその部分が、上昇または降下中に移動した距離に比例する、請求項1から5のいずれか一項に記載の方法(100)。
【請求項7】
前記レベル区間が、前記重み付きグラフにおいて横方向エッジとして表され、前記ステップ区間が、前記重み付きグラフにおいて垂直エッジとして表される、請求項1から6のいずれか一項に記載の方法(100)。
【請求項8】
手順ステップ(c)が、経路発見アルゴリズムを使用して、前記重み付きグラフにおいて、最適な垂直プロファイルを表す横方向エッジと垂直エッジを見つけることを含む、請求項1から7のいずれか一項に記載の方法(100)。
【請求項9】
手順ステップ(a)から(e)までが、前記航空機(42)の飛行中に飛行管理コンピュータ(12)によって周期的に実行される、請求項1から8のいずれか一項に記載の方法(100)。
【請求項10】
飛行の巡航フェーズ中に航空機(42)が飛行する垂直プロファイルを最適化するための電子装置(12)であって、以下の動作:
(a)前記航空機の潜在的な巡航飛行経路に沿った全ての潜在的に適切なステップ位置を決定することと、
(b)前記潜在的な巡航飛行経路に沿った全てのレベル区間とステップ区間のコストに基づいて重み付けられた重み付きグラフを表すデジタルデータを生成することと、
(c)グラフ理論を前記重み付きグラフに適用することにより、巡航最適化問題を解くことと、
(d)前記巡航最適化問題を解いた結果として得られた最適化された垂直プロファイルのステップ位置と高度を出力することと、
(e)前記最適化された垂直プロファイルの前記ステップ位置と高度に基づくルートに沿って、前記航空機が飛行する予測軌道を生成することと、
を実行するように構成されたコンピュータシステムを含む電子装置(12)。
【請求項11】
動作(a)が、
全ての潜在的なフライトレベルの区間におけるコスト曲線を並列に計算することと、
前記コスト曲線間の全ての交点を決定することと、
を含み、各区間の前記コスト曲線が、航空機(42)パフォーマンスモデルに基づいている、請求項10に記載の電子装置(12)。
【請求項12】
コスト曲線を計算することが、1つの区間における潜在的なフライトレベルの各々について推定燃料消費量を計算することと、次いで、次の区間のコスト曲線計算のための航空機重量を推定するために、最小の推定燃料消費量を考慮することと、を含む、請求項10または11に記載の電子装置(12)。
【請求項13】
動作(b)が、
交点間の各フライトレベルでの全てのレベル区間の前記コストを合計することと、
各交点について、航空機パフォーマンスモデルに基づいて、交差するコスト曲線のそれぞれの2つのフライトレベル間で上昇または降下するための前記コストを計算することと、
を含む、請求項10から12のいずれか一項に記載の電子装置(12)。
【請求項14】
前記レベル区間が、前記重み付きグラフにおいて横方向エッジとして表され、前記ステップ区間が、前記重み付きグラフにおいて垂直エッジとして表される、請求項10から13のいずれか一項に記載の電子装置(12)。
【請求項15】
動作(c)が、経路発見アルゴリズムを使用して、前記重み付きグラフにおいて、最適な垂直プロファイルを表す横方向エッジと垂直エッジを見つけることを含む、請求項10から14のいずれか一項に記載の電子装置(12)。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【0001】
本開示は、概して、航空機の巡航プロファイルを最適化するための電子装置および方法に関する。航空機の巡航プロファイルは、巡航フェーズ中の計画された飛行経路に沿った速度の変化を示す巡航速度プロファイルと、巡航フェーズ中の計画された飛行経路に沿った高度の変化を示す巡航垂直プロファイルとを含む。詳細には、本開示は、航空機の巡航垂直プロファイルを最適化するための電子装置および方法に関する。
【0002】
航空機の運航者は通常、地点Aから地点Bへの飛行を達成するためのコストを最小化することを意図している。ある飛行の直接運用コストは、時間に関連するコストと燃料のコストによって決まる。これら2つのタイプのコストは、いわゆるコスト指数(CI)によって関係付けられる。最先端の飛行管理コンピュータ(FMC)により、乗組員は、計算された会社CIをコントロールディスプレイユニット(CDU)経由で入力できる。エコノミー(ECON)巡航モードでは、FMCは、CI、巡航フェーズ中の所与の垂直プロファイル、航空機の重量、気温、および風速に基づいて、飛行経路に沿った最適な対気速度を計算できる。長距離巡航(LRC)モードでは、FMCは、所与の巡航垂直プロファイルにおいて対気速度を計算し、トリップ燃料を最小化する(CIに基づかない)。両方の巡航法において、コストをさらに削減するための残りの自由度は、垂直プロファイル(別名、高度プロファイル)である。
【0003】
飛行管理システム(FMS)が、出発地空港から目的地空港までの飛行計画を表すパイロット入力データを受け取る。飛行計画は、水平な飛行経路を定める一続きのウェイポイントを含む。最初の巡航高度も指定されている。通常、FMSは、コスト(以下で説明する、燃料コストと時間コストの組み合わせ)を最小化する高度として定義される最適な高度を計算する。最適な高度は、航空機の総重量、速度、風、および気温によって異なる。しかしながら、航空機は通常、交通の分離を維持するために、認可された(法定)高度で飛行するように制限されている。ある法定高度から別の高度への変化は、「ステップ上昇」または「ステップ降下」と呼ばれる。航空におけるステップ上昇は、航空機の総重量が減少するにつれて、より薄い空気の中に移動することによって、燃費を改善する一続きの高度の増加である。一般に、燃料が消費されて航空機が重量を失うと、最適な巡航高度(飛行コストを最小化する高度)が増加する。長距離飛行の場合、新しい巡航高度へのステップ上昇を開始するポイントも指定される。
【0004】
従来技術は、様々な方法で、巡航フェーズにおけるコスト最適化または燃料最適化された垂直プロファイルを見つける問題を解いた。これらの手法は、FMCによって実行されるオンライン解法と、地上(FMCの外部)で実行されるオフライン解法を含む。FMCベースの機能の短所は、以下を含む:(a)見つかった垂直プロファイルは、必ずしもコストのグローバル最小値にならない。(b)有利な降下は、考慮されない。オフライン/地上ベースの機能の短所は、以下を含む:(a)最新の風と温度の予測値は考慮されない。(b)飛行経路の変更は考慮できない。(c)垂直プロファイルの最適化は静的である。つまり、飛行中に動的に再計算することはできない。
【発明の概要】
【0005】
以下に詳細に開示される主題は、飛行の巡航フェーズ中に飛行されるべき最適な垂直プロファイルに関してパイロットおよび/または自動操縦装置に助言するための電子装置および方法を対象とする。航空機の重量ならびに大気の風および温度に関する継続的に更新された情報に基づいて、一実施形態による方法は、巡航フェーズ中に飛行経路に沿ったステップ上昇および/または降下の最適なシーケンスを提供する。本明細書で提案するステップ上昇/降下プロファイルに従うと、最もコスト最適な飛行(コスト指数が選択された場合)または最も燃費の良い飛行(長距離巡航モードが選択された場合)になる。この方法は、飛行管理コンピュータまたは計算を実行するために必要な情報にアクセスできる他の任意の電子データ処理装置で実施できる。
【0006】
本明細書で開示される方法論は、航空機飛行の巡航フェーズにおけるコスト最適化または燃料最適化された垂直プロファイルを見つける問題を解決する。結果として得られる最適な垂直プロファイルは、選択された巡航法(LRC、ECON CIまたは手動で選択された巡航マッハ)、法的に利用可能なフライトレベル、航空機重量(飛行中に変化する)、大気温度プロファイル(地理的に変化する)、および風/高度プロファイル(地理的に変化する)に依存する。
【0007】
本明細書で開示される方法論は、FMCまたは計算を実行するために必要な情報にアクセスできる他の任意の電子データ処理装置に常駐し得る新しい機能を含む。この方法は、以下の手順ステップを含む:(a)コスト(ECON CIモード)またはトリップ燃料(LRCモード)のグローバル最小値を表す、飛行の巡航部分における飛行経路に沿った高度ステップ位置の完全なシーケンスを見つけること;(b)巡航中に航空機の前方のステップ上昇のシーケンスを動的に再計算すること。この方法は、最新のルートデータ、利用可能な最良の航空機重量の推定値、ならびに利用可能な最良の風と温度の予測値(実際の風/温度およびブレンドされた(blended)風/温度を含む)を考慮する。この方法は、「巡航中降下」を考慮する(パイロットまたは航空会社の選好による)。
【0008】
FMCでの上記の新しい機能の実施は、最適化を実行する計算効率の高い方法を必要とする。以下に詳細に説明する方法は、グローバルコストの最小値をもたらす垂直プロファイルを見つける機会に悪影響を与えることなく、潜在的なステップ位置(高度の変化が評価される、飛行経路に沿った位置)の数を大幅に削減する。巡航高度の利用可能な探索空間は、法的に利用可能なフライトレベル(通常は2000フィート分離されている)に制限されているので、最適化問題は、非常に離散的になる。離散化された高度を少数の潜在的なステップ位置と組み合わせると、まばらな探索グリッドが得られ、非常に効率的な最新のアルゴリズム(グラフ理論など)を使用して、最適な解を見つけることができる。
【0009】
巡航フェーズ中に航空機が飛行すべき垂直プロファイルを最適化するための電子装置および方法の様々な実施形態が、以下で詳細に説明されるが、これらの実施形態の1つ以上が、以下の態様の1つ以上によって特徴付けられ得る。
【0010】
以下に詳細に開示される主題の一態様は、飛行の巡航フェーズ中に航空機が飛行すべき垂直プロファイルを最適化する方法であって、航空機の潜在的な巡航飛行経路に沿った全ての潜在的に適切なステップ位置を決定することと、潜在的な巡航飛行経路に沿った全てのレベル区間とステップ区間のコストに基づく重み付きグラフを表すデジタルデータを生成することと、グラフ理論を重み付きグラフに適用することにより、巡航最適化問題を解くことと、巡航最適化問題を解いた結果として得られた最適化された垂直プロファイルのステップ位置と高度を出力することと、最適化された垂直プロファイルのステップ位置と高度に基づくルートに沿って予測軌道を生成することと、ルートの一部に対応する最適化された垂直プロファイルの少なくとも一部を、コックピットグラフィカルディスプレイシステムに表示することと、予測軌道の一部に従って飛行するように、航空機を制御することと、を含む方法である。
【0011】
直前の段落で説明した方法の1つの提案された実施態様によれば、手順ステップ(b)は、交点間の各フライトレベルでの全てのレベル区間のコストを合計することと、各交点について、航空機パフォーマンスモデルに基づいて、交差するコスト曲線のそれぞれの2つのフライトレベル間で上昇または降下するコストを計算することと、を含み、計算することは、飛行しないレベル区間についてのコストの部分を差し引くことによりコストを補正することを含み、コストのその部分は、上昇または降下中に移動した距離に比例する。
【0012】
以下に詳細に開示される主題の別の態様は、飛行の巡航フェーズ中に航空機が飛行すべき垂直プロファイルを最適化するための電子装置であって、以下の動作を実行するように構成されたコンピュータシステムを含む電子装置である:(a)航空機の潜在的な巡航飛行経路に沿った全ての潜在的に適切なステップ位置を決定すること、(b)潜在的な巡航飛行経路に沿った全てのレベル区間とステップ区間のコストに基づく重み付きグラフを表すデジタルデータを生成すること、(c)グラフ理論を重み付きグラフに適用することにより、巡航最適化問題を解くこと、(d)巡航最適化問題を解いた結果として得られた最適化された垂直プロファイルのステップ位置と高度を出力すること、(e)最適化された垂直プロファイルのステップ位置と高度に基づくルートに沿って、航空機が飛行すべき予測軌道を生成すること。
【0013】
以下に詳細に開示される主題のさらなる態様は、飛行の巡航フェーズ中に航空機が飛行すべき垂直プロファイルを最適化するためのシステムであって、コックピットグラフィカルディスプレイシステムと、直前の段落で述べた動作(a)から(e)までを実行するように構成され、ルートの一部に対応する最適化された垂直プロファイルの少なくとも一部を表示するように、コックピットグラフィカルディスプレイシステムを制御するコンピュータシステムと、を備えるシステムである。
【0014】
巡航フェーズ中に航空機が飛行すべき垂直プロファイルを最適化するための電子装置および方法の他の態様が、以下に開示される。
【図面の簡単な説明】
【0015】
前のセクションで説明した特徴、機能、および利点は、様々な実施形態において独立して達成されてもよいし、またはさらに他の実施形態において組み合わせられてもよい。上記および他の態様を例示する目的で、図面を参照して様々な実施形態を以下に説明する。このセクションで簡単に説明されている図は、縮尺通りに描かれてはいない。
【0016】
図1】典型的な飛行管理システムの全体的なアーキテクチャを示すブロック図である。
図2】複数の制御システムを含む航空機飛行制御アーキテクチャを示す図である。
図3】一実施形態による、飛行情報表示システムのいくつかの構成要素を示すブロック図である。
図4】航空機の飛行経路における単純化された事前プログラムされた速度プロファイルを表すグラフである。
図5】本明細書で提案する方法の概要を示すフローチャートである。
図6】利用可能な巡航高度の「法的に飛行可能な探索空間」を表す3つの法的に利用可能なフライトレベルを示すグラフである。
図7】Xに設定された会社コスト指数(CI=X)において、図6に示される探索空間の一部である各フライトレベルの例示的なコスト曲線(単位距離当たりのコスト対距離)を示すグラフである。
図8図7に示したのと同じ例示的なコスト曲線を示すグラフであるが、交点が識別されている。
図9】フライトレベルFL340での空域制限を考慮する例示的なコスト曲線を示すグラフである。
図10】最も高いフライトレベル(フライトレベルG)についてのそれぞれのコスト曲線(単位距離当たりのコスト対距離)を示すグラフであり、2つのコスト曲線は、重量補正の効果により異なっている。
図11】本明細書に開示される最適化ソルバーのための離散化された探索空間の例示的な潜在的巡航区間(圧力高度対距離)を示すグラフである。
図12】コスト曲線間の全ての交点(巡航飛行経路に沿った潜在的なステップ位置)を決定する方法の手順ステップを示すフローチャートである。
図13図8(3つの交点を特定)のグラフと同一の上のグラフと、上のグラフで特定された交点に関するフライトレベルの圧力高度対距離を示す下のグラフとを含む。
図14】コスト曲線間の交点がノードになる重み付きグラフを生成することにより、潜在的なステップ位置を見つけ、コストとステップコストを決定する方法の手順ステップを示すフローチャートである。
図15】潜在的巡航区間の区間当たりのコストの重み付きグラフである。重み付きグラフの各矢印は、特定の高度でレベル区間をたどるか、またはあるフライトレベルから別のフライトレベルに上昇/降下するかのいずれかのコストを表す。
図16図8に示す例示的なコスト曲線、および経路発見アルゴリズムを使用して導出された追加の最適コスト曲線(太線)を示す上のグラフ、ならびに上のグラフの追加の最適コスト曲線に対応するコスト最適な垂直プロファイル(矢印で示されている)を示す下のグラフを含む。
図17】提案された一実施態様による、巡航フェーズ中の航空機の垂直プロファイルを最適化する方法の手順ステップを示すフローチャートである。
図18】ステップ上昇およびステップ降下を有する垂直プロファイルの一部を示す垂直状況表示の例示的なスクリーンショットを表す図である。
【0017】
以下、図面を参照するが、異なる図面の同様の要素には同じ参照番号が付けられている。
【発明を実施するための形態】
【0018】
巡航フェーズ中に航空機が飛行すべき垂直プロファイルを最適化するための電子装置および方法の例示的な実施形態が、以下に詳細に説明される。ただし、実際の実施態様の全ての特徴が本明細書で説明されているわけではない。当業者は、そのような実際の実施形態の開発において、実施態様ごとに異なるシステム関連およびビジネス関連の制約の遵守など、開発者の特定の目標を達成するために、多くの実施態様固有の決定を行わなければならないことを、理解するであろう。さらに、そのような開発努力は、複雑で時間がかかるかもしれないが、それにもかかわらず、本開示の利益を有する技術分野の当業者にとっては日常業務であることが、理解されるであろう。
【0019】
航空機に搭載された飛行管理システム(FMS)は、様々な飛行中のタスクを自動化する専用のコンピュータシステムである。FMSの主な機能は、飛行計画の飛行中の管理である。FMSは、航空機の位置を決定するための様々なセンサと自動操縦システムを使用して、飛行計画に従って航空機を誘導することができる。通常、FMSは、飛行計画を構築する要素を含むナビゲーションデータベースを備える。飛行計画と航空機の位置が与えられると、FMSは、たどるべきコースを計算する。パイロットは、このコースを手動でたどることができる、またはコースをたどるように、自動操縦装置を設定することができる。
【0020】
飛行計画は、それぞれの許容誤差とともに、垂直軌道、横方向軌道、時間、および航空機が従うべき速度スケジュールを含み、航空機が目的地に到達できるようにする。飛行計画の計算は、航空機の特性、乗組員から提供されたデータ、およびシステムの環境に基づいている。次に、FMSによって規定された軌道上に航空機が留まり続けることができるように、位置決め機能と誘導機能が協働する。たどるべき軌道は、高度、速度、時間、モード、機首方位、その他のポイントなどの、様々な飛行ポイントに関連付けられた一連の「ウェイポイント」から構築される。「ウェイポイント」という用語は、2次元、3次元、または4次元を使用してポイントが規定されている任意の関心ポイントを含む。軌道は、出発地点から目的地点までウェイポイントを二つ一組でつなぐ一続きの区間と曲線から構築される。1つの区間または一続きの区間は、1つ以上の経済的制約(例えば、時間、燃料、および/またはコスト、またはそれらの組み合わせ)によって制約を受ける場合がある。速度スケジュールは、航空機が飛行軌道に沿って飛行する時間にわたって維持すべき速度と速度モードを表す。
【0021】
図1は、1つ以上の飛行管理コンピュータ12および1つ以上のコントロールディスプレイユニット14を含むタイプの典型的な飛行管理システム10の全体的なアーキテクチャを示すブロック図である。図1には、1つの飛行管理コンピュータ12(以下「FMC12」)および1つのコントロールディスプレイユニット14(以下「CDU14」)のみが示されている。CDUは、FMCとパイロットの間の主要なインターフェースである。
【0022】
FMCソフトウェアは、それぞれの飛行機情報管理システムキャビネット内のそれぞれのコアプロセッサに常駐できる。FMCソフトウェアは、飛行管理機能、ナビゲーション機能18、推力管理機能20、およびベースラインパフォーマンスデータベース30(例えば、空力および推進力データを含む航空/エンジンデータベース(AEDB))を含むことができる。飛行管理機能は、誘導22、飛行計画24、データリンク26、パフォーマンス管理機能28、CDUインターフェース、ベースラインパフォーマンスデータベース30へのインターフェース、および他の機能を提供する。ナビゲーション機能は、センサの選択(慣性、無線、衛星)、位置ソリューションの決定、およびその他の機能を提供する。ナビゲーション機能は、飛行機の位置、速度、航跡角、および他の飛行機パラメータ(飛行機の状態と総称される)を計算し、飛行計画、誘導、表示などのFMC機能をサポートする。
【0023】
飛行管理システム10は、これらの複数の機能を実行するために、エアデータ慣性基準システム、ナビゲーションセンサ、エンジンおよび燃料センサ、ならびに他の飛行機システム(図1には図示せず)からの情報を、内部データベースおよび乗組員が入力したデータとともに統合する。飛行管理コンピュータは、ナビゲーションデータベース(図1には示されていない)およびベースラインパフォーマンスデータベース30を含んでもよい。
【0024】
パフォーマンス管理機能28のために、飛行管理システム10は、ベースラインパフォーマンスデータベース30に保存された空力および推進力パフォーマンスデータを利用して、予測飛行プロファイルおよび推定到着時間や予測燃料消費量などの関連するトリップ予測パラメータを計算する様々な内部アルゴリズムを有する。パフォーマンス管理機能28は、空力および推進力モデルならびに最適化アルゴリズムを使用して、選択されたパフォーマンスモードと一致し、航空管制によって課される飛行計画の制約内にある、完全な飛行条件の垂直プロファイルを生成する。パフォーマンス管理機能28への入力は、燃料流量、総燃料、フラップ位置、エンジンデータおよび制限、高度、対気速度、マッハ数、気温、垂直速度、飛行経路に沿った進行、ならびにCDU14からのパイロット入力を含む。出力は、マッハ数の目標値、飛行機の最適制御のための較正された対気速度と推力、および乗組員への助言データである。
【0025】
パイロットは、エコノミー上昇、エコノミー巡航、長距離巡航などの各飛行フェーズに対して、様々なパフォーマンスモードを、CDU14を介して選択することができる。巡航飛行フェーズにおいて、複数のパフォーマンスモードを指定することができる。デフォルトモードは、速度が制限されたエコノミープロファイルである。エコノミープロファイルは、コスト指数ファクターによって決定されるような燃料または時間コストを最適化するように計算される。
【0026】
空力および推進力モデルを使用して、選択したパフォーマンスモードに最適な垂直プロファイルを生成する。自動スロットルまたは自動操縦装置が、パフォーマンス管理機能28の自動制御に関与していない場合、パイロットは、CDU14およびスピードテープの対気速度バグを参照して、最適な速度スケジュールを手動で飛行することができる。
【0027】
ベースラインパフォーマンスデータベース30は、飛行機の空力モデル、ならびにエンジンパフォーマンスモデルおよびエンジンの推力評価モデルのための事前に保存されたデータを含む。ベースラインパフォーマンスデータベース30は、パフォーマンス管理機能28によって使用されて、制限速度および目標速度などのリアルタイムパラメータを計算し、飛行計画予測などの予測計算を実行する。ベースラインパフォーマンスデータベース30は、制限推力を計算するために推力管理機能20によっても使用される。
【0028】
場合によっては、飛行計画機能24は、飛行計画/ルートプロセッサを含むFMC12内の飛行計画モジュールによって実行されてもよい。飛行計画/ルートプロセッサは、ナビゲーションデータベースから取得したデータを使用して、飛行計画/ルート情報を、ウェイポイントのリストおよび関連する飛行情報を含む飛行計画/ルートに変換する(例えば、デコードおよび翻訳によって)。デコードおよび翻訳された飛行計画/ルートの要素は、飛行オブジェクトのフィールドに(航空機の種類と装備とともに)保存され、飛行計画/ルートプロセッサおよび飛行軌道予測器(同じく、飛行計画モジュールの一部である)で使用することができる。飛行オブジェクトは、飛行オブジェクトを管理する別のプロセッサに常駐してもよい。
【0029】
いくつかの実施形態によれば、飛行軌道予測器(プロセッサでもある)は、飛行計画/ルートプロセッサから、飛行計画/ルートを構成するウェイポイントのリストを含む飛行オブジェクトを受け取り、次に、その飛行計画/ルート、元の飛行軌道(利用可能な場合)、航空機の種類と装備、環境データベースから取得した現在および/または予測される環境条件、ならびにその他の情報に基づいて、更新された予測飛行軌道を計算する。軌道予測プロセスは、飛行のどのフェーズのどの時点からでも開始することができ、利用可能な航空機の状態と飛行情報にとって適切であるように、そのプロセス方法/構成要素を変更する。環境データの適用後に、軌道予測が再計算される。飛行軌道予測器の出力は、垂直プロファイルを含む予測軌道である。予測軌道は、飛行オブジェクトに保存される。次に、パイロットまたは自動操縦装置が、予測軌道を可能な限り厳密にたどることにより、航空機を飛行させることができる。
【0030】
航空機の飛行制御システムは、航空機を安定させ制御する機能を提供する。飛行制御システムの2つの重要な要素は、誘導コマンドを生成する飛行誘導システムと、それらを実行する自動操縦装置である。図2に示すように、飛行誘導システム31は、コックピットグラフィカルディスプレイシステム15または他の表示器(図示せず)などの表示装置、制御入力装置16、飛行誘導コンピュータ32、および複数の制御システム34を含む。飛行誘導コンピュータ32および制御システム34は、図1に示される飛行管理システム10と通信する航空機飛行制御システムの構成要素であってもよい。一例では、複数の制御システム34は、側方/方向運動(またはロール/ヨー)制御システム34a、垂直運動(またはピッチ)制御システム34b、および対気速度(または自動スロットル/エンジン)制御システム34cを含む。側方/方向制御システム34aは、側方および方向制御に影響を与える飛行制御面36に結合することができ、典型的には航空機42の補助翼および/または方向舵である。垂直運動制御システム34bは、典型的には航空機の昇降舵であるピッチ制御面38に結合することができる。最後に、対気速度コントローラ34cは、いくつかの経路に基づく動作モードで航空機42のエンジン40に結合することができ、いくつかの上昇および降下動作モードで昇降舵に結合することができる。
【0031】
図3は、垂直状況表示を表示するように構成され得る飛行情報表示システム6のいくつかの構成要素を示すブロック図である。飛行情報表示システムは、本明細書で開示される機能を実行するように構成された(例えば、配置およびプログラムされた)、操縦室の既存の構成要素から構成されてもよい。別の方法では、飛行情報表示システム6は、乗組員が航空機の内外で運ぶことができるポータブルシステム(例えば、ラップトップまたはタブレットコンピュータ)であってもよい。
【0032】
図3に示されている飛行情報表示システム6は、コンピュータ62、電子入力装置64、および電子表示装置70を含む。コンピュータ62は、電子表示装置70に、計画された飛行経路における航空機のステップ上昇/降下区間およびレベル区間を表す記号を含む垂直状況表示を提示させるように構成される。電子入力装置64は、ユーザ入力に使用することができる。ユーザは、他の航空機システムを介して飛行情報表示システム6に情報を入力することもできる。例えば、ユーザは、飛行管理コンピュータ12を使用して、飛行情報表示システム6に情報と選好を入力することができる。コンピュータ62は、データベース68を格納するメモリ66(本明細書では、「非一時的な有形のコンピュータ可読記憶媒体」とも呼ばれる)を含む。データベース68は、地形、空域、飛行ルート、飛行計画、ウェイポイント、計器進入、滑走路に関する情報、および/または航空機の乗組員が必要とする可能性のある他の情報を含むことができる。コンピュータ62は、データベース68からの情報を使用して、電子表示装置70に航空機の飛行計画の側面図(例えば、垂直状況表示)を生成するようにプログラムされている。垂直状況表示は、航空機42の垂直(高度)プロファイルをグラフィカルに表示する。乗組員が選択すると、垂直状況表示は、例えば、コックピットのナビゲーションディスプレイの下部に表示されてもよい。
【0033】
図4は、航空機の飛行経路における単純化された事前プログラムされた速度プロファイルを表すグラフである。飛行経路は、上昇区間、巡航区間、降下区間を含み、事前プログラムされた速度プロファイルは、上昇区間中に増加し、所望の巡航速度で横ばいになり、降下区間中に減少する。上昇区間中の速度の増加と降下区間中の速度の減少は、特定の制約速度によって制限される場合がある。多くの場合、このような制約速度は、例えば、飛行機が10,000フィートより下を250ノット以下で飛行することを要求する法律などの、特定の高度より下を飛行する航空機のための法律によって設定される。このような制約速度は、上昇および降下区間中に10,000フィート以下の高度で上昇速度を250ノット以下に制限する。したがって、図4に示されるように、上昇区間中に、航空機は、部分aで250ノットの速度まで加速し、次いで、航空機が10,000フィートに達するまで、部分bで、250ノットの一定速度を維持することができる。その時点で、航空機は、上昇区間の部分cで、再び加速し始めることができる。巡航区間は、図4のグラフの部分dによって示されている。降下区間中、航空機は、10,000フィートで250ノットの制約速度に従うために、部分eで速度を低下させ、その後、速度プロファイルの部分fの時間、250ノットを維持し、その後、航空機がファイナルアプローチを開始するため、部分gで再び速度を低下させる。
【0034】
飛行の巡航フェーズでは、最適な垂直プロファイルに関する情報をパイロットおよび/または自動操縦装置に提供することにより、コストを削減できる。本開示は、航空機の重量ならびに大気の風および温度に関する継続的に更新された情報に基づいて、巡航フェーズ中に飛行経路に沿ったステップ上昇および/または降下の最適なシーケンスを提供するシステムおよび方法を提案する。本明細書で提案するステップ上昇/降下プロファイルに従うと、最もコスト最適な飛行(コスト指数が選択された場合)または最も燃費の良い飛行(長距離巡航モードが選択された場合)になる。この方法は、飛行管理コンピュータ(例として以下で詳細に開示される)または計算を実行するために必要な情報にアクセスできる他の任意の電子データ処理装置で実施できる。提案された方法論は、航空機飛行の巡航フェーズにおけるコスト最適化または燃料最適化された垂直プロファイルを見つける問題を解く。結果として得られる最適な垂直プロファイルは、選択された巡航法(LRC、ECON CIまたは手動で選択された巡航マッハ)、法的に利用可能なフライトレベル、航空機重量(飛行中に変化する)、大気温度プロファイル(地理的に変化する)、および風/高度プロファイル(地理的に変化する)に依存する。
【0035】
図5は、グローバル最小コストまたはグローバル最小使用燃料をもたらす巡航垂直プロファイルを見つけるための計算効率の高い方法100の概要を提供するフローチャートである。その効率性のため、提案された方法は、FMC12での「オンライン」計算、および更新された天候とATCの情報に基づく動的な再計算に適している。方法100は、高いレベルで見た場合、以下の主要な手順ステップを含む:(a)「コスト曲線交点」法を使用して、巡航飛行経路に沿った全ての潜在的に適切なステップ位置を決定する(手順ステップ102)。(b)潜在的な巡航飛行経路に沿った全てのレベルおよびステップ区間のコストに基づく重み付きグラフを生成する(手順ステップ104)。(c)グラフ理論を(例えば、経路発見アルゴリズムを使用して)重み付きグラフに適用することにより、巡航最適化問題を解く(手順ステップ106)。
【0036】
方法100は、航空機飛行の巡航フェーズにおけるコスト最適化または燃料最適化された垂直プロファイルを見つける問題を解く。最適化問題のサイズをできるだけ小さくするために、手順ステップ102が必要であり、これにより、真に最適な垂直プロファイルを最も効率的な方法で見つけることができる。法的に利用可能なフライトレベルしか考慮できないので、最適化のための垂直探索空間は、すでに非常に離散的である。フライトレベルは通常、垂直方向に2,000フィート離れている。
【0037】
図6は、利用可能な巡航高度の「法的に飛行可能な探索空間」を表す3つの法的に利用可能なフライトレベルを、例として示すグラフである。図6に示す例において、法的に利用可能な関心のあるフライトレベルは、フライトレベル320(32,000フィート)、フライトレベル340(34,000フィート)、フライトレベル360(36,000フィート)と名づけられている。
【0038】
方法100は、FMC12または計算を実行するために必要な情報にアクセスできる他の任意の電子データ処理装置に常駐し得る新しい機能を含む。FMC12での新しい機能の実施は、最適化を実行する計算効率の高い方法を必要とする。提案された方法100は、結果として得られる最適な垂直プロファイルの質を低下させることなく、問題を横方向に離散化する。この目的のために、所与のコスト指数または長距離巡航条件において飛行経路に沿った法的に利用可能な全てのフライトレベルについて「コスト曲線」を計算することが、提案されている。コスト曲線は、区間内での静的/平均状態を仮定して、飛行経路に沿った連続する短い区間のコストを計算した結果として得られる。このようなコスト曲線の積分は、それぞれのフライトレベルでの飛行の巡航フェーズ全体を飛行するコストを表す。区間のコストは、航空機のパフォーマンスデータベースと計算に基づいて計算される。より具体的には、所与のフライトレベルのコスト曲線の計算は、航空機の重量、対気速度、風速、気温に基づいている。航空機の重量の決定は、後で説明するが、最もコスト最適な垂直プロファイルを特定するのに役立つロジックに基づいている。
【0039】
図7は、Xに設定された会社コスト指数(CI=X)において、図6に示される探索空間の一部である各フライトレベルについて例示的なコスト曲線(単位距離当たりのコスト対距離)を示すグラフである。短い水平直線(FL320の場合は破線、FL340の場合は実線、FL360の場合は点線)は、飛行経路に沿った連続する短い区間についての単位距離当たりのそれぞれのコストを表し、単位距離当たりのコストは、区間内で一定であると仮定されている。
【0040】
最適化問題を横方向に離散化するために、図7に示すコスト曲線の全ての交点が、別のフライトレベルに上昇または降下するための潜在的な位置として識別される。図8は、図7に示すのと同じ例示的なコスト曲線を示すグラフであるが、交点が識別されている(例えば、FL320とFL340のコスト曲線の交点A;FL320とFL360のコスト曲線の交点B;FL340とFL360のコスト曲線の交点C)。
【0041】
空域の制限やその他の選好を考慮に入れるために、人為的にコストを増やすことができる。図9は、フライトレベルFL340での空域制限を説明する例示的なコスト曲線を示すグラフであり、追加のコスト曲線の交点がもたらされている。
【0042】
巡航フェーズにおけるコストを最小化するコスト曲線の交点を見つけるために、飛行経路に沿って変化する航空機の重量を推定するための特別なロジックを適用する必要がある。一般に、飛行経路に沿って航空機の重量が減少するにつれて、高いフライトレベルは、よりコスト効率が高くなる。これは、高いフライトレベルでの巡航は、最初は非効率的である一方、巡航フェーズの終わりに向かってますます多くの燃料が消費されるにつれて、より効率的になることを意味する(例えば、図8のFL360のコスト曲線を参照)。最も高いフライトレベルのコスト曲線が、最も高いフライトレベルで経路全体を飛行する航空機の重量履歴に基づいて作成された場合、コスト曲線は、巡航フェーズの最初の部分において燃料消費速度が高いことから生じる非効率性のために、急速に減少するであろう。ただし、これにより、最も高いコスト曲線が、他のコスト曲線と早期に交差する。
【0043】
そのようなコスト曲線は、最も高いフライトレベル(フライトレベルG)におけるそれぞれのコスト曲線(単位距離当たりのコスト対距離)を示すグラフである図10の破線によって示されている。破線のコスト曲線Dは、フライトレベルGでの燃料消費を仮定しているが、実線のコスト曲線Eは、コスト最適なフライトレベルでの燃料消費を仮定している。2つのコスト曲線DとEは、重量補正の効果により異なっている。
【0044】
本明細書で提案する新しい方法は、次の区間のコスト曲線計算のための推定航空機重量を導き出すために、コスト最適なフライトレベルの燃料消費速度を考慮に入れて、全てのコスト曲線を並列かつ区間的に(左から右へ)計算する。本明細書で開示される、コスト曲線の交点を見つける方法は、最終的に、最適化問題で効率的に評価され得る離散グリッドをもたらす。図11は、本明細書に開示される最適化ソルバーによって評価されるべき離散化された探索空間の例示的な潜在的巡航区間(圧力高度対距離)を示すグラフである。
【0045】
図12は、図5に示された手順ステップ102に対応する、「コスト曲線交点」法の手順ステップを示すフローチャートである。「コスト曲線交点」法は、FMC12(または他の電子データ処理装置)がコスト曲線間の全ての交点(巡航飛行経路に沿った潜在的なステップ位置)を決定することができるように構成されたソフトウェアとして実施されてもよい。一実施形態による「コスト曲線交点」法は、以下の手順ステップを含む。
【0046】
最初に、最適化されるべき巡航飛行経路の開始点と終了点が、パイロットによって定義または選択される(手順ステップ108)。次に、FMC12は、定義された巡航飛行経路の開始時に航空機重量を計算する(手順ステップ110)。次に、FMC12は、巡航飛行経路を区間に分割する(手順ステップ112)。次に、FMC12は、全ての区間をつなぐ(手順ステップ114)。各区間について、FMC12は、全てのフライトレベルをつなぐ(手順ステップ116)。各区間のコストが、データベースに保存された航空機パフォーマンスモデルに基づいて計算され(手順ステップ118)、この計算は、各区間の推定燃料消費量を計算することを含む。この場合、コスト曲線を計算することは、1つの区間の潜在的なフライトレベルの各々について推定燃料消費量を計算することと、次いで、次の区間のコスト曲線計算のための航空機重量を推定するために、最小の推定燃料消費量を考慮することとを、含む。より具体的には、FMC12は、コストが最小になるような、ある区間における推定燃料消費量を取得し、この推定燃料消費量に基づいて次の区間における開始航空機質量を設定する。例えば、複数のフライトレベル候補を有する最初の区間において、それぞれのフライトレベルでの燃料消費量が、計算されるが、最小燃料を燃焼するように計算されたフライトレベルの燃料消費量が、次の区間における同じフライトレベルの開始重量を取得するために、それぞれのフライトレベルでの航空機の最初の重量から差し引かれる。これらの計算の結果は、多数のフライトレベル候補のそれぞれのコスト曲線を表すデータのセットである。次に、FMC12は、それらのコスト曲線間の全ての交点を決定し(図13中の上のグラフの円で示される)、これらの交点は、巡航飛行経路に沿った潜在的なステップ位置として扱われる(図12の手順ステップ120)。図13中の下のグラフは、図13中の上のグラフで特定された交点に関するフライトレベルの圧力高度対距離を示す。
【0047】
図14は、コスト曲線間の交点がノードになる重み付きグラフを生成する(図5の手順ステップ104)ことにより、潜在的なステップ位置を見つけ、コストとステップコストを決定する方法の手順ステップを示すフローチャートである。重み付きグラフの各エッジには、重みと呼ばれる数値が関連付けられている。本出願では、重みは、重みが関連付けられている区間を飛行するコストの尺度である。重み付きグラフを表すデジタルデータを生成する方法は、FMC12(または他の電子データ処理装置)が潜在的な巡航飛行経路に沿った全てのレベルおよびステップ区間のコストに基づく重み付きグラフを表すコストデータを生成できるように構成されたソフトウェアとして、実施されてもよい。例えば、図15は、図13に示す交点の単位距離当たりのコストの例示的な重み付きグラフである。
【0048】
一実施形態による、重み付きグラフを表すデジタルデータを生成する(図5の手順ステップ104に対応する)方法は、以下の手順ステップを含む。コスト曲線間の交点(前述の「コスト曲線交点」法を使用して見つけられる)が、重み付きグラフのノードになる(手順ステップ122)。FMC12が、交点間の各フライトレベルでの全てのレベル区間のコストを合計し(ステップ124)、このコストが、重み付きグラフの横方向エッジに沿った重みとして適用される。例えば、図15に示すFL360の最初のレベル区間は、コスト重みCost360.1を有する。次に、FMC12は、全ての交点をつなぐ(手順ステップ126)。各ノードについて、FMC12は、航空機パフォーマンスモデルに基づいて、それぞれの交差するコスト曲線の2つのフライトレベル間で上昇または降下するコストを計算する(手順ステップ128)。例えば、図15に示すFL320からFL340への最初のステップ上昇区間は、コスト重みCostclimb(320−340)を有する。上昇エッジと降下エッジに割り当てられたコストは、飛行していないレベル区間のコストの補正(一部の減算)によって削減されたステップを実行するための推定される実際のコストを含み、この補正は、上昇/降下するのにかかる距離に比例する。グラフ探索(次の段階で適用される)では、水平エッジのコストは、垂直プロファイルの上流の履歴とは無関係であるので、レベルコスト補正を垂直エッジで考慮することが重要である。したがって、法的に利用可能なフライトレベルと潜在的なステップ上昇/降下位置により、既知のコスト(特定のフライトレベルでの距離に沿ったコストとステップ上昇(またはステップ降下)のコスト)のエッジで接続されたノードの「メッシュ」が得られる。
【0049】
図15は、区間当たりのコストの重み付きグラフである。重み付きグラフの各矢印は、特定の高度でレベル区間をたどるか、またはあるフライトレベルから別のフライトレベルに上昇/降下するかのいずれかのコストを表す。フライトレベルのノード間の各エッジについて、コストが、コスト曲線に基づいて(レベル区間の場合)、または計算された上昇もしくは降下コストに基づいて(上昇/降下区間の場合)、決定される。コストの削減につながる上昇および降下のみが考慮され、これにより、FMC12が重み付きグラフの左側から右側までデータを処理するときのオプションの数が大幅に減少する。フライトレベルのノード間の各エッジについて、コストが、コスト曲線に基づいて(レベル区間の場合)、または計算された上昇もしくは降下コストに基づいて(上昇/降下区間の場合)、決定される。
【0050】
メッシュを介して可能な全ての組み合わせを評価することによって(力ずくで)、またはグラフ理論に関連するアルゴリズム(経路発見アルゴリズムのような)を問題に適用することによって、コスト最適なステップ上昇/降下プロファイルを見つけることができる。一実施形態によれば、巡航最適化問題は、経路発見アルゴリズム(例えば、ダイクストラ法もしくはベルマン・フォード法)またはグラフ理論からの同様の方法を適用して、重み付きグラフを通る最小コストの飛行経路を見つけることにより、解かれる(図5の手順ステップ106)。最適化ソルバーは、FMC12(または他の電子データ処理装置)で提供されるソフトウェアとして実施されてもよい。
【0051】
上記の方法から得られるステップ上昇/降下プロファイルは、法的に飛行可能な探索空間内でグローバル最適化された垂直プロファイルを表すと予想される。全てのステップ上昇/降下位置が、飛行経路に沿って集合的に最適化された位置に設定され(フィッティングの悪影響を受けることなく)、上昇と降下のコストが、最適化アルゴリズムによって考慮されるので、フィルタリングの必要がなくなる。提案された方法は、非常に限られているが全部の数の、評価される必要のある適切なステップ上昇/降下位置のみを見つけるので、グローバル最適を見つけるための計算効率の高い方法であると期待される。
【0052】
図16は、図8からの例示的なコスト曲線と、上述の経路発見アルゴリズムを使用して導出された追加の最適コスト曲線F(太線)とを示す上のグラフを含む。図16は、上のグラフの追加の最適コスト曲線Fに対応するコスト最適な垂直プロファイル(矢印で示されている)を示す下のグラフを、さらに含む。垂直方向の矢印は、ステップ上昇を示している。図16の上のグラフの太線は、図16の下のグラフに示されるように、巡航飛行経路に沿ってフライトレベルを変更することによってたどられるべき最適コスト曲線Fを示す。
【0053】
巡航垂直プロファイルを最適化するための上記の方法によって提供される利点の1つは、適切なステップ上昇/降下位置のみが、上記の「コスト曲線交点」に基づいて見つかることである。この限定された位置のセットに、上昇と降下のコストの計算を追加して、コスト最適な巡航垂直プロファイルを見つけることができる。最適化問題を単純化する追加の側面は、上記の重量減少補正と、上昇および降下区間に対して、飛行する水平距離の減少を考慮してコスト補正が適用されるという事実とを含む。これらの特徴を、コスト曲線交点法と組み合わせることにより、最適化問題を非常に効率的な方法で解くことができる。本明細書で提案される方法論は、グローバル最適化された垂直飛行プロファイルをもたらす。「コスト曲線交点」法は、潜在的な上昇と降下のための全ての適切な位置を見つけるために使用される。さらに、グローバル最適化を可能にするために、全ての位置での上昇と降下のコスト推定値が考慮される。
【0054】
本明細書で提案する方法論の利点の1つは、(コスト曲線の計算、重量補正、および上昇/降下補正による)単純化したグラフ(グリッド)形式で最適化問題を捕らえることができることである。このグラフにより、最適な経路を非常に効率的に探索できる。加えて、コスト曲線交点を表わすノードのみを使用することにより、グラフをさらに単純化できる。後者は、計算効率をさらに向上させるが、この方法は、均等にセグメント化されたm x nグラフを使用する場合、すでに機能している。
【0055】
上記の方法は、FMC12または計算を実行するために必要なデータにアクセスできる同様の電子データ処理装置で実行されるソフトウェアとして実施される。一実施形態によれば、本明細書に開示される新しい機能は、以下の手順ステップを含む実行可能なアルゴリズムの形でFMC12に常駐する:(a)コスト(ECON CIモード)またはトリップ燃料(LRCモード)のグローバル最小値を表す、飛行の巡航部分における高度ステップ位置の完全なシーケンスを見つける。(b)巡航中に航空機の前方のステップ上昇のシーケンスを動的に再計算する。この方法は、最新のルートデータ、利用可能な最良の航空機重量の推定値、ならびに利用可能な最良の風と温度の予測値(実際の風/温度およびブレンドされた(blended)風/温度を含む)を考慮する。この方法は、「巡航中降下」を考慮する(パイロットまたは航空会社の選好による)。
【0056】
図17は、FMC12内での提案された一実施態様による、巡航フェーズ中の航空機の垂直プロファイルを最適化する方法130の手順ステップを示すフローチャートである。FMC12は、垂直プロファイル最適化ソフトウェアモジュール72(以下「垂直プロファイルオプティマイザ12」)および軌道予測エンジン74(これもソフトウェアモジュール)を含む。垂直プロファイルオプティマイザ72は、軌道予測エンジン74の支援を受けて、最適化された垂直プロファイルの計算を可能にするアルゴリズムを実行する。垂直プロファイルオプティマイザ72および軌道予測エンジン74は両方とも、パイロットによる、またはデータアップリンクを介した入力132(例えば、コスト指数または他の速度プロファイル、風の予測、ルート、および温度予測)を受け取り、他のアビオニクスシステムから入力134(例えば、航空機の状態(高度、速度など)および現在の大気条件)を受け取る。
【0057】
垂直プロファイルオプティマイザ72によって実行されるアルゴリズムは、図5図12、および図14を参照して前に説明した。重み付きグラフが、手順ステップ104で生成される。垂直プロファイルオプティマイザ72が、軌道予測エンジン74を使用して、各軌道区間のそれぞれのコストを予測する。垂直プロファイルオプティマイザ72が、軌道区間形状と初期条件を軌道予測エンジン74に送る(手順ステップ136)。軌道予測エンジン74が、巡航フェーズの各レベル区間の時間と燃料消費量を計算し、その情報を垂直プロファイルオプティマイザ72に送る(手順ステップ138)。垂直プロファイルオプティマイザ72がまた、上昇/降下位置および初期条件を軌道予測エンジン74に送る(手順ステップ140)。軌道予測エンジン74が、巡航フェーズの各上昇または降下区間の時間と燃料消費量を計算し、その情報を垂直プロファイルオプティマイザ72に送る(手順ステップ142)。垂直プロファイルオプティマイザ72が、軌跡予測エンジン74から受け取った情報を使用して、重み付きグラフを表すデジタルデータを生成および保存する(手順ステップ104)。次に、垂直プロファイルオプティマイザ72が、重み付きグラフを表す保存されたデジタルデータに経路発見アルゴリズムを適用することにより、巡航最適化問題を解く(手順ステップ106)。この解は、最適化された巡航垂直プロファイルにおけるステップ位置と高度144を含む。垂直プロファイルオプティマイザ72が、得られたステップ位置および高度144を軌道予測エンジン74に渡し、軌道予測エンジン74は、ステップ上昇/降下情報に基づいて、ルート全体に沿った予測軌道を生成する(手順ステップ146)。その予測軌道が、計画された最適なステップ上昇/降下位置を有する計画軌道の垂直プロファイルを垂直状況表示の形で表示するように構成されたコックピットグラフィカルディスプレイシステム15に送られる(手順ステップ148)。
【0058】
図18は、本明細書で提案する方法に従って決定された最適化された垂直プロファイル上昇の一部を示す垂直状況表示50の例示的なスクリーンショットを表す図である。そのような垂直状況表示50は、電子入力装置64を使用してパイロットによって入力された選択に応じて、コンピュータ62(図3参照)によって電子表示装置70に表示されることができる。垂直状況表示50は、航空機の垂直(高度)プロファイルをグラフィカルに表示する。このタイプの垂直状況表示50の基本的な特徴は、高度基準スケール52および水平距離スケール58、航空機の記号80、投影された飛行経路ベクトルを表す直線60、地形描写54、ナビゲーション補助情報、ならびに乗組員と飛行管理コンピュータが選択した様々な情報を含む。図18は、経路動作モードにおける垂直状況表示50を示す。
【0059】
図18に示される例示的な最適化された計画飛行経路44は、最適化された計画飛行経路44を表す、一続きの接続された直線を、さらに含む。図18に示す例では、最適化された計画飛行経路44は、以下の一続きの飛行区間を含む:第1のステップ上昇区間82、第1のレベル区間84、第2のステップ上昇区間86、第2のレベル区間88、およびステップ降下区間90。ステップ上昇/降下の位置は、本明細書で提案する垂直プロファイル最適化方法を使用して決定され、最適化された垂直プロファイルに従ってパイロットが航空機を飛行させるのを助けるために、コックピットディスプレイに表示される。最適化された計画飛行経路44に沿った様々なウェイポイントが、ウェイポイント名インジケータ56によって示される。最適化された計画飛行経路44を表す線は、航空機の現在位置からの距離の関数として計画高度を示す。地形描写54は、最適化された計画飛行経路44に基づいている。経路モードは、上昇終了点92、降下開始点94、および/またはナビゲーションディスプレイからの他の任意の経路に基づく記号の表示を含むことができる。
【0060】
本明細書で開示される方法論は、航空機飛行の巡航フェーズにおけるコスト最適化または燃料最適化された垂直プロファイルを見つける問題を解決する。結果として得られる最適な垂直プロファイルは、選択された巡航法(LRC、ECON CIまたは手動で選択された巡航マッハ)、法的に利用可能なフライトレベル、航空機の重量(飛行中に変化する)、大気温度プロファイル(地理的に変化する)、および風/垂直プロファイル(地理的に変化する)に依存する。
【0061】
巡航フェーズ中に航空機が飛行すべき垂直プロファイルを最適化するための電子装置および方法が、様々な実施形態を参照して説明されたが、本明細書の教示の範囲から逸脱することなく、様々な変更が行われ、均等物がその要素の代わりに置き換えられ得ることが、当業者によって理解されるであろう。加えて、その範囲から逸脱することなく、本明細書の教示を特定の状況に適合させるために、多くの修正を加えることができる。したがって、特許請求の範囲は、本明細書に開示された特定の実施形態に限定されないことが、意図されている。
【0062】
本明細書で説明する方法は、記憶装置および/またはメモリ装置を含むがこれらに限定されない、非一時的な有形のコンピュータ可読記憶媒体に具現化される実行可能命令としてエンコードされてもよい。そのような命令は、処理システムまたはコンピューティングシステムによって実行されると、本明細書で説明される方法の少なくとも一部を、システム装置に実行させる。上記で詳細に説明した実施形態は、プログラム可能なコンピュータによって実行されるルーチンなどの、コンピュータ実行可能命令を含むことができる。専用コンピュータ、または以下に説明する1つ以上のコンピュータ実行可能命令を実行するように特別にプログラムされた、構成された、または構築されたデータプロセッサなどの、他のコンピュータシステム構成が、採用されてもよい。したがって、本明細書で一般的に使用される場合、「コンピュータ」という用語は、コックピットディスプレイシステム用コンピュータ、飛行管理コンピュータ、飛行制御コンピュータ、電子フライトバッグ、ラップトップ、ラップトップ、または他のハンドヘルド装置を含む、コックピットで使用できる任意のデータプロセッサを指す。
【0063】
以下に記載される方法クレームは、クレーム文言が、ステップの一部または全てが実行される特定の順序を示す条件を明示的に指定または述べていない限り、そこに列挙されたステップがアルファベット順で(クレーム内のアルファベット順は、前に列挙されたステップを参照する目的にのみ使用される)またはそれらが列挙された順序で実行されることを要求すると解釈されるべきではない。また、方法クレームは、クレーム文言がそのような理解を排除する条件を明示的に述べていない限り、2つ以上のステップの任意の部分が同時または交互に実行されることを排除すると解釈されるべきでもない。
【0064】
本開示は、以下の条項(特許請求されているかもしれないし、いないかもしれない)に示される例示的で非網羅的な例を、さらに含む。
【0065】
条項A1
飛行の巡航フェーズ中に航空機が飛行すべき垂直プロファイルを最適化する方法であって、(a)航空機の潜在的な巡航飛行経路に沿った全ての潜在的に適切なステップ位置を決定することと、(b)潜在的な巡航飛行経路に沿った全てのレベル区間とステップ区間のコストに基づいて重み付けられた重み付きグラフを表すデジタルデータを生成することと、(c)グラフ理論を重み付きグラフに適用することにより、巡航最適化問題を解くことと、(d)巡航最適化問題を解いた結果として得られた最適化された垂直プロファイルのステップ位置と高度を出力することと、(e)最適化された垂直プロファイルのステップ位置と高度に基づくルートに沿って予測軌道を生成することと、(f)ルートの一部に対応する最適化された垂直プロファイルの少なくとも一部を、コックピットグラフィカルディスプレイシステムに表示することと、を含む方法。
【0066】
条項A2
予測軌道の一部に従って飛行するように航空機を制御することを、さらに含む、条項A1に記載の方法。
【0067】
条項A3
予測軌道の一部に沿った航空機の飛行中に手順ステップ(a)から(e)までを繰り返して、更新された予測軌道を生成することを、さらに含む、条項A1からA2のいずれか1つに記載の方法。
【0068】
条項A4
手順ステップ(a)が、全ての潜在的なフライトレベルの区間におけるコスト曲線を並列に計算することであって、各区間のコスト曲線が、航空機パフォーマンスモデルに基づいている、計算することと、コスト曲線間の全ての交点を決定することと、を含む、条項A1からA3のいずれか1つに記載の方法。
【0069】
条項A5
コスト曲線を計算することが、1つの区間における潜在的なフライトレベルの各々について推定燃料消費量を計算することと、次いで、次の区間のコスト曲線計算のための航空機重量を推定するために、最小の推定燃料消費量を考慮することと、を含む、条項A1からA4のいずれか1つに記載の方法。
【0070】
条項A6
手順ステップ(b)が、交点間の各フライトレベルでの全てのレベル区間のコストを合計することと、各交点について、航空機パフォーマンスモデルに基づいて、それぞれの交差するコスト曲線の2つのフライトレベル間で上昇または降下するコストを計算することと、を含み、計算することは、飛行しないレベル区間についてのコストの部分を差し引くことによりコストを補正することを含み、コストのその部分は、上昇または降下中に移動した距離に比例する、条項A1からA5のいずれか1つに記載の方法。
【0071】
条項A7
レベル区間が、重み付きグラフにおいて横方向エッジとして表され、ステップ区間が、重み付きグラフにおいて垂直エッジとして表される、条項A1からA6のいずれかに記載の方法。
【0072】
条項A8
手順ステップ(c)が、経路発見アルゴリズムを使用して、重み付きグラフにおいて、最適な垂直プロファイルを表す横方向エッジと垂直エッジを見つけることを含む、条項A1からA7のいずれか1つに記載の方法。
【0073】
条項A9
手順ステップ(a)から(e)までが、航空機の飛行中に飛行管理コンピュータによって周期的に実行される、条項A1からA8のいずれか1つに記載の方法。
【0074】
条項A10
飛行の巡航フェーズ中に航空機が飛行すべき垂直プロファイルを最適化するための電子装置であって、以下の動作を実行するように構成されたコンピュータシステムを含む電子装置:(a)航空機の潜在的な巡航飛行経路に沿った全ての潜在的に適切なステップ位置を決定すること、(b)潜在的な巡航飛行経路に沿った全てのレベル区間とステップ区間のコストに基づいて重み付けられた重み付きグラフを表すデジタルデータを生成すること、(c)グラフ理論を重み付きグラフに適用することにより、巡航最適化問題を解くこと、(d)巡航最適化問題を解いた結果として得られた最適化された垂直プロファイルのステップ位置と高度を出力すること、(e)最適化された垂直プロファイルのステップ位置と高度に基づくルートに沿って、航空機が飛行すべき予測軌道を生成すること。
【0075】
条項A11
動作(a)が、全ての潜在的なフライトレベルの区間におけるコスト曲線を並列に計算することであって、各区間のコスト曲線が、航空機パフォーマンスモデルに基づいている、計算することと、コスト曲線間の全ての交点を決定することと、を含む、条項A10に記載の電子装置。
【0076】
条項A12
コスト曲線を計算することが、1つの区間における潜在的なフライトレベルの各々について推定燃料消費量を計算することと、次いで、次の区間のコスト曲線計算のための航空機重量を推定するために、最小の推定燃料消費量を考慮することと、を含む、条項A10またはA11に記載の電子装置。
【0077】
条項A13
動作(b)が、交点間の各フライトレベルでの全てのレベル区間のコストを合計することと、各交点について、航空機パフォーマンスモデルに基づいて、それぞれの交差するコスト曲線の2つのフライトレベル間で上昇または降下するコストを計算することと、を含む、条項A10からA12のいずれか1つに記載の電子装置。
【0078】
条項A14
レベル区間が、重み付きグラフにおいて横方向エッジとして表され、ステップ区間が、重み付きグラフにおいて垂直エッジとして表される、条項A10からA13のいずれか1つに記載の電子装置。
【0079】
条項A15
動作(c)が、経路発見アルゴリズムを使用して、重み付きグラフにおいて、最適な垂直プロファイルを表す横方向エッジと垂直エッジを見つけることを含む、条項A10からA14のいずれか1つに記載の電子装置。
【0080】
条項A16
飛行の巡航フェーズ中に航空機が飛行すべき垂直プロファイルを最適化するためのシステムであって、コックピットグラフィカルディスプレイシステムおよび以下の動作を実行するように構成されたコンピュータシステムを含むシステム:(a)航空機の潜在的な巡航飛行経路に沿った全ての潜在的に適切なステップ位置を決定すること、(b)潜在的な巡航飛行経路に沿った全てのレベル区間とステップ区間のコストに基づいて重み付けられた重み付きグラフを表すデジタルデータを生成すること、(c)グラフ理論を重み付きグラフに適用することにより、巡航最適化問題を解くこと、(d)巡航最適化問題を解いた結果として得られた最適化された垂直プロファイルのステップ位置と高度を出力すること、(e)最適化された垂直プロファイルのステップ位置と高度に基づくルートに沿って、航空機が飛行すべき予測軌道を生成すること、(f)ルートの一部に対応する最適化された垂直プロファイルの少なくとも一部を表示するように、コックピットグラフィカルディスプレイシステムを制御すること。
【0081】
条項A17
動作(a)が、全ての潜在的なフライトレベルの区間におけるコスト曲線を並列に計算することであって、各区間のコスト曲線が、航空機パフォーマンスモデルに基づいている、計算することと、コスト曲線間の全ての交点を決定することと、を含む、条項A16に記載のシステム。
【0082】
条項A18
動作(b)が、交点間の各フライトレベルでの全てのレベル区間のコストを合計することと、各交点について、航空機パフォーマンスモデルに基づいて、それぞれの交差するコスト曲線の2つのフライトレベル間で上昇または降下するコストを計算することと、を含む、条項A16またはA17に記載のシステム。
【0083】
条項A19
レベル区間が、重み付きグラフにおいて横方向エッジとして表され、ステップ区間が、重み付きグラフにおいて垂直エッジとして表される、条項A16からA18のいずれか1つに記載のシステム。
【0084】
条項A20
動作(c)が、経路発見アルゴリズムを使用して、重み付きグラフにおいて、最適な垂直プロファイルを表す横方向エッジおよび垂直エッジを見つけることを含む、条項A16からA19のいずれか1つに記載のシステム。
図1
図2
図3
図4
図5
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図10
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【外国語明細書】
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