(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
時間ごとの航空機の三次元位置を特定する所定の四次元飛行経路を進むように航空機を制御する方法であって：
所定の四次元飛行経路上の対応する所望の位置に対する航空機の垂直位置を監視すること；
航空機の垂直位置の所望の垂直位置からの偏差を計算すること；
航空機のスロットルの設定を予定値から調節値へ調節することにより、垂直位置の偏差を修正すること；
を含み、スロットルの設定を調整することが：
垂直位置の偏差の変化度を計算すること；
変化度に基づいて垂直位置の予想偏差を計算すること；
垂直位置の予想偏差をスロットルの設定の調節値を比較することにより、スロットルの設定の調節値を変更すべきであるかを決定すること；
を含む方法。
【請求項２】
垂直位置と所望の垂直位置が航空機の高度によって変化する閾値を超えて異なる場合に、前記偏差を修正することが行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
高度が上がると値が上がるように変化する閾値を使用するステップを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
オートパイロットに軟正対気速度制御値を送信し、昇降舵を制御して進路上の位置での偏差を修正するステップを含む、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
航空機の垂直位置の偏差を修正することが：
垂直位置が所望の垂直位置よりも第１閾値だけ低い時に、スロットル設定値を予定値から高い値へ変更し、
垂直位置が所望の垂直位置よりも第２閾値だけ高い時に、スロットル設定値を予定値から低い値へ変更する
ステップを含む、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
スロットル設定値を調節した後に、及びスロットル設定値が調節された高い値又は低い値にある間は、所定の飛行経路上の対応する所望の垂直位置に対する航空機の垂直位置の監視を継続すること；
航空機の垂直位置が所望の垂直位置と一致したら、スロットル設定を予定値に戻すことをさらに含む、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
スロットル設定の高い値及び低い値が、予定値から共通量逸れている、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
スロットル設定の必要な調節値を計算して、所望の垂直位置を実現することを含む、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
所望の垂直位置からの実際の垂直位置の現在の偏差を計算し、垂直位置の偏差の変化度を計算し、変化度を予測期間と掛け合わせ、このように乗算した変化度を垂直位置の現在の偏差に加算して、垂直位置の予測偏差を取得することによって、垂直位置の予測偏差を繰り返し計算することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の方法を実行するためにプログラミングされた飛行制御コンピュータ。
【請求項１１】
請求項１０による飛行制御コンピュータを有する航空機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定の四次元飛行経路にできる限り正確に沿って進むように、航空機の飛行経路を制御する方法に関するものである。本発明は連続的な降下進入飛行において特に有用である。
【背景技術】
【０００２】
飛行経路は三次元、すなわち高度及び横位置でおおよそ計算される。飛行経路を四次元で計算するには、航空機の三次元位置を複数の時点で指定する必要がある。
【０００３】
時間の関数としての航空機の位置が予測可能であるように、所定の飛行経路に従って正確に航空機を飛ばす能力は、航空交通管制において重要性が増してきている。これにより、航空交通管制が航空機間の距離間隔を縮めることができ、空域のより効率的な活用につながる。
【０００４】
航空機の全ての飛行段階に適用可能であるが、四次元飛行経路を飛行する能力を改善することにより特に益を得ることができる一領域は、航空機の空港への連続的な降下進入飛行においてである。通常は、航空機は航空交通管制官の誘導に従って空港へ進入する。航空交通管制官には、空港の収容能力を最大限に生かすようにしながらも、航空機の目的地への安全な到着を確保することが任せられている。空港の収容能力を最大限に生かすための要件は、航空機間における最小限の指定距離間隔の維持を確保することによってほぼ満たされる。航空交通管制は、例えば速度及び方向のいずれもが可変の風、及び異なるパイロット操作等の、航空機間の距離間隔を狭めるように作用し得る不確実性の影響を受ける。それにも関わらず、航空交通管制がレーダー・ベクトリング、速度の変更及び／又は高度の変更を用いてこれらの不確実性を戦術計画レベルにおいて修正することができるため、多数の航空機は比較的小さな空間に限定されながら安全に稼動することができる。この結果、通常の空港への進入飛行には、他の航空交通状況の許す範囲で、航空機が段階的に降下することが許可され、連続的に高度を下げる段階的進入飛行が伴う。
【０００５】
空港周辺の航空交通の騒音は、空港当局、航空会社及び地域社会に対し重要な社会的、政治的及び経済的な影響を及ぼす。空港近辺での騒音問題に対処する安価な方法は、高推力設定で、及び／又は（例えば着陸ギア及び／又はフラップが展開されている）障害物のある空力形状で、影響を受けやすい領域上を低高度で飛ぶ航空機の数を減らす、新しい航行手段を開発することである。残念ながら、従来の段階降下進入は、航空機が、エンジン推力が水平飛行を維持するのに十分でなければならない低高度に留まるため、この問題を悪化させることになる。
【０００６】
連続降下進入（ＣＤＡ）はよく知られている。これらの進入飛行は、エンジンをアイドリング状態に設定、あるいはアイドリングに近い状態に設定して連続的に降下することによって航空機が空港へ進入するものである。明らかに、連続降下進入は、影響を受けやすい領域上で航空機をできる限り高く保つようにすると同時に、エンジン及びフラップの最適使用により騒音の発生を騒音源において減らすため、騒音削減の観点から非常に有益である。連続降下進入はまた、燃料効率、汚染物質の放出、及び飛行時間削減にも有益である。
【０００７】
しかしながら、連続降下進入は進入を開始する前に詳細に計画されねばならず、従来の段階降下進入で使用されるような航空機間の安全な距離間隔を確保するための戦術的な修正を行うことができない。このためこれまでは、航空交通管制官には、風の変化及び他の不確実性の結果に基づいて進入飛行をするために航空機間の距離が縮まる可能性があることを踏まえつつ、航空機が安全な距離を保って空港に到着することを保証するために、航空機間に大きな距離を置く義務がある。この距離の増加は、空港の収容能力の望ましくない低下につながる。
【０００８】
連続降下進入に伴う収容能力への不利な影響により、空港における広範囲の使用が妨げられ、これまでは、連続降下進入は主に、航空交通が低レベルの空港において、又は混雑した空港の平穏時（例：夜間）において使用されてきた。このため、航空機の四次元位置履歴における不確実性を最小限に抑える連続降下進入を飛行することができるようにすることが望ましい。これにより、航空交通管制官が航空機間の距離を安全に縮めることが可能になり、現代の空港の収容能力のニーズが満たされる。
【発明の概要】
【０００９】
この背景を踏まえて、また第１態様に従って、本発明は所定の四次元飛行経路に沿って進むように航空機を制御する方法に属し、この方法は：所定の飛行経路上の対応する所望の位置に対する、航空機の実際の進路上の位置及び実際の垂直位置を監視し；航空機の昇降舵を使用して、所望の進路上の位置からの実際の進路上の位置の偏差を修正し；実際の垂直位置の所望の垂直位置との差が閾値を超えた時に、スロットルの設定を公称値から調節値に変えることによって、航空機のスロットルを使用して所望の垂直位置からの航空機の実際の垂直位置の偏差を修正するステップを含む。この方法は主として、飛行管理コンピュータによって自動的に操作される航空機の垂直航行方法として構成されている。
【００１０】
上記方法により、進路上の位置（すなわち対地速度）の一次制御が提供される。進路上の位置の制御は、昇降舵を使用し、スロットルを調節せずに行われる。昇降舵による調節により垂直位置の偏差が閾値を超えた場合は、スロットルを使用して垂直位置を制御する。スロットル設定だけの変更は、垂直位置の偏差を修正するのに使用される、つまり、（他の制御システムによって昇降舵の変更が操作される可能性があるが）垂直位置の偏差を修正するためには昇降舵は操作されない。
【００１１】
その結果、スロットルコマンドを使用して対地速度を制御する代わりに、昇降舵が用いられる。これは、昇降舵のコマンド変更に対する航空機の応答時間が、スロットルコマンドの変更に対する航空機の応答時間よりもかなり速いところに主な利点がある。この結果、実際の進路上の位置を、かなり正確に所望の進路上の位置を進むように制約することができる。
【００１２】
実際には、垂直位置に誤差を転送することによって、昇降舵制御を使用して所望の進路上の位置の追尾において誤差が修正される。このように、運動エネルギーをポテンシャルエネルギーに置き換えることで、垂直位置の精度を犠牲にして進路上の位置の精度が利益を受ける。
【００１３】
垂直位置の誤差は、スロットルコマンドを使用して修正される。しかしながら、垂直位置の誤差を連続的に修正しようとする代わりに、垂直位置の小さい誤差は許容される。その代わりに、これらの小さい誤差は監視され、自発的に許容値内にとどまることが実際に可能である。それでもなお、誤差が大きくなっていく場合は、スロットルを使用して誤差を縮小することができる。これは、実際の垂直位置が所望の垂直位置から閾値量を超えて逸れた時に、スロットル設定を変更するだけで行うことができる。このように、航空機は連続的な又は頻繁な推力設定の変更さえも必要とせずに飛行することができ、エンジンの摩耗及び裂傷を減らし、燃料が節約される。またこれにより、昇降舵とスロットル制御を切り離す効果的な方法も得られる。おおよそアイドリングに近い推力値でのスロットル設定の細かい修正は、合理的な軌道の垂直方向の制限を確保するのに十分であることが証明されている。
【００１４】
好ましくは、航空機のスロットルを使用して航空機の実際の垂直位置の偏差を修正する方法は：実際の垂直位置が所望の垂直位置よりも第１閾値だけ低い時に、スロットル設定を公称値からより高い値に増加させ、また実際の垂直位置が所望の垂直位置よりも第２閾値だけ上昇した時に、スロットル設定を公称値からより低い値へ低下させるステップを含む。任意には、第１及び第２閾値は公称設定より等量逸れていてよい。あるいは、第１閾値及び／又は第２閾値は高度によって変化してもよい。これは飛行の安全性の利点のためである。例えば、第２高度において第１閾値及び／又は第２閾値を、第１の、より低い高度における第１閾値及び／又は第２閾値よりも大きく設定することができる。このように、他の航路とぶつかる可能性のない高い高度においては閾値は大きくなるように設定することができ、閾値は、例えばより低い高度において徐々に小さくする等、小さくしてエンジンの使用を最適化することができる。
【００１５】
スロットル設定を調節した後、スロットル設定は高い値又は低い値のままであってよい。スロットル設定がこの修正された状態にある間、本方法はさらに、所定の飛行経路上の対応する所望の位置に対する、航空機の実際の推奨航路に沿った位置と実際の垂直位置を連続的に監視し；航空機の昇降舵を使用して、所望の進路上の位置からの航空機の実際の進路上の位置の偏差を修正し；航空機の実際の垂直位置が所望の垂直位置に一致した時に、スロットルの設定を公称値に戻すステップを含むことができる。この結果、航空機のスロットル設定は単に一度、高い値又は低い値に変更され、垂直位置の誤差がなくなるまでその設定のまま保持される。誤差が修正されたら、スロットル設定は単に公称値に戻される。これにより、スロットル設定があまり頻繁に変更されないため、有利である。
【００１６】
スロットルの公称設定値は、ガイダンス用参考計算を行うために、予め決定することができる。スロットルの公称設定値は必ずしも固定値ではなく、制約に合わせるために、計画された飛行に沿って変化することができる。例えば、スロットルの公称設定値は、所定の高度及び／又は速度の制約に合わせて、異なる降下部分に対し異なる値を取ることができる。
【００１７】
スロットルの修正設定値は、所定の航空機に対して予め定めることができ、又は飛行中に計算することができる。例えば、現在の総重量及び現在の飛行経路角の誤差によって、スロットルの公称値からスロットルの修正設定値を計算して、状況が大幅に変わらないことを前提に、航空機が一定時間内に垂直方向の偏差を確実になくすようにすることができる。この計算を制限することにより、スロットルがこの制限値内に保たれるようにすることが好ましい。例えば、より低いスロットルレベルの制限を、エンジンのアイドリングレベルに設定することができる。
【００１８】
一対の閾値よりも多い閾値を使用することができる。例えば、公称設定値よりも上あるいは下のいずれかの（又は上及び下両方の）二以上の閾値を使用することができ、各閾値に対して適切なスロットルの修正設定値が割り当てられる。例えば、所望の垂直位置より上の、より大きい偏差を示す閾値は、より小さい偏差を示す閾値よりもさらにスロットルの設定を下げることにつながり得る。
【００１９】
垂直位置の偏差の許容範囲の要件がより大きいところでは特に有利な改善が可能であることが分かっている。これは、スロットルコマンドに対する遅い応答時間、すなわち、新たなスロットルコマンドが送信された時に、新たなスロットル設定に対応する推力を発生させるエンジンの応答が遅延し、次にスロットルの修正設定値に対する航空機の応答がさらに遅延するためである。この遅い応答時間は、垂直位置の許容範囲の大きい状況においては受け入れることができる。しかしながら、遅い応答時間は、垂直位置の偏差に対する高い又は低い閾値を繰り返し交差する可能性があり、結果的に航空機の振動運動を引き起こすことを意味する。これにより制御欠如に陥ることないが、望ましくない回数のエンジンのスロットル変更が行われる。これはエンジンの摩耗及び裂傷の増加、及び燃料経済性の低下につながる。
【００２０】
改善点によれば、本方法は、所望の垂直位置からの航空機の実際の垂直位置の偏差の予測に基づいて、スロットルコマンドを生成するステップを含むことができる。例えば、本方法は、所望の垂直位置からの実際の垂直位置の現在の偏差を計算し、垂直位置の偏差の変化度を計算し、変化度を予測時間と掛け合わせ、そしてこのように乗算した変化度を垂直位置の現在の偏差に加算して、垂直位置の予測偏差を算出し；垂直位置の予測偏差に基づきスロットルコマンドを生成することによって、垂直位置の予測偏差を連続的に計算するステップを含むことができる。予測時間は適切に選択することができる。５秒が適切であることが分かっている。このような予測時間を使用することによって、本方法は、５秒間の垂直位置の偏差を効果的に予測する。これによりスロットルの応答時間の遅延が緩和され、航空機動作の応答も改善される（例えば、これは垂直位置の許容範囲が続いて厳しくなる時に起こる可能性のある、上述した振動運動をなくすのにも役立つ）。
【００２１】
進路上の位置の制御を行う多数の異なる方法を、本発明の範囲を逸脱せずに適用することができる。例えば、実際の進路上の位置と、所望の進路上の位置の間の偏差を監視することができ、どんなに小さな偏差もすべて、適切な昇降舵の命令によって修正することが可能である。あるいは、偏差が閾値を超えた時にのみ昇降舵を動かすコマンドが発信されるように、閾値を導入することができる。この閾値を、スロットルコマンド用の閾値に対して大幅に低く設定して、昇降舵の制御がスロットルの制御よりも優先して行われるようにすることができる。さらに、所望の進路上の位置からの実際の進路上の位置の偏差は連続的に又は間隔をおいて監視することができる。この間隔は要望通りに設定することができる。
【００２２】
昇降舵コマンドの発信により航空機の高度が変化する。例えば、航空機が推薦航路から極端に離れたところを飛行していると分かった場合に、昇降舵を使用して航空機の機首をピッチアップすることにより、航空機の対地速度を下げて航空機の推薦航路上の前進を遅らせる。進路上の位置における偏差と、昇降舵コマンドとの間の連結は多数の異なる方法で実行することができる。例えば、昇降舵にコマンドを送って設定インクリメントにより航空機のピッチを修正することができる。あるいは、昇降舵コマンドを発信して、所望の進路上の位置からの偏差に応じた航空機のピッチを変えることができる。進路上の位置の誤差と昇降舵コマンドとの間の連結の別の代替手段は、軟正対気速度（ＣＡＳ）のコマンドを発信してオートパイロットに送ることである。オートパイロットは、ＣＡＳコマンドを使用して、必要な昇降舵コマンドを次に発信する。進路上の位置の誤差をなくすのに必要なＣＡＳコマンドは、（例えば空気の熱力学的状態及び風のデータ等の追加の飛行データとともに）対地速度の誤差、進路上の位置の誤差、及び現在の軟正対気速度の関数として計算することができる。
【００２３】
上述した全ての配置構成において、昇降舵の設定及びスロットルの設定による航空機の配置形状の変更は、航空機の他の安全機構に対して行う事ができる。例えば、すべてのスロットル設定が、航空機の対気速度が安全な又は認可された制限速度内で保持されることにより、例えば速度オーバー、速度不足、又は失速状態の発生を回避するように、修正することができる。また、昇降舵の設定を修正することにより、航空機のピッチが安全な又は認可されたピッチ制限内にとどまって、例えば失速角を超えないようにすることができる。
【００２４】
さらなる安全機構を含むことができる。本方法は、垂直位置の偏差が予め設定された閾値を超えた場合に、垂直方向に制限された飛行経路に戻すステップを含むことができる。これにより、連続進入降下の航法精度要件（ＲＮＰ）を満たすように、閾値を設定することが可能になり得る。航空機がこのＲＮＰを超えた場合、（予測可能性を犠牲にすることにより、たいていは所定の四次元飛行航路からのさらに大幅な偏差につながる）垂直方向に制限された飛行経路の適用を支持して、上に記載した制御法則を放棄することができる。
【００２５】
本発明はまた、上述した全ての方法を実行するためにプログラミングされた飛行制御コンピュータにも属する。加えて本発明は、上記の飛行制御コンピュータを有する航空機に属する。飛行制御コンピュータは航空機のコックピットの中に又は近くに位置することができる。本発明はまた、実行時に上述した全ての方法を実行するコンピュータプログラムにも属する。
【００２６】
本発明をさらに容易に理解できるようにするために、単に例示的な性質を有する好ましい実施形態を下記の図面を参照しながらここで説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１は本発明の第１実施形態による航空機の飛行経路を制御する方法の概略ブロック図である。
【図２】図２は本発明の第２実施形態による航空機の飛行経路を制御する方法の概略ブロック図である。
【図３】図３は本発明の一実施形態による航空機の飛行経路を制御するために操作可能な装置の概略図である。
【図４】図４ａは航空機の進路上の位置を示す航空機の上面図であり、図４ｂは航空機の垂直位置を示す航空機の側面図である。
【図５】図５は本発明の第３実施形態による航空機の飛行経路を制御する方法の概略ブロック図である。
【図６】図６は本発明の実施形態で使用されるオートパイロット信号発生器の概略図である。
【図７】図７は本発明の第４実施形態による航空機の飛行経路を制御する方法の概略ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
所定の四次元飛行経路を進むように航空機を制御する方法を図１に示す。本方法はステップ１０で開始し、２０及び３０の２つのステップへ平行に続く。
【００２９】
ステップ２０では、航空機の進路上の位置が監視される。航空機１１の進路上の位置を図４ａに示す。つまり、航空機１１の現在位置が決定され、その時点の航空機の実際の進路上の位置が所望の進路上の位置と比較されて、もしあれば偏差が決定される。ステップ４０では、この偏差が許容範囲にあるか否かを決定するために評価される。例えば、この偏差を評価して、偏差が一般に認められた許容範囲内に入るようにすることができる。進路上の位置が許容範囲にあると判断された場合、本方法はステップ５０に進み、ここで本方法は区間６０を通って監視ステップ２０に戻る。一方、偏差が許容範囲にないと判断された場合に、本方法はステップ７０において昇降舵を調節する手順に進む。ステップ７０では、偏差を修正するために昇降舵１３の設定を調節するコマンドが生成される。例えば、航空機１１が進路上の位置から極端に離れて進んでいることがわかった場合に、昇降舵コマンドが生成されて航空機１１の機首がピッチアップされる。コマンドが生成されると、本方法は図１に示すように、区間８０及び６０を経て監視ステップ２０に進む。
【００３０】
航空機１１の垂直位置は、図１の右側に示すように個別に処理される。これを図４ｂに示す。ステップ３０では、航空機の垂直位置が監視される。つまり、航空機１１の現在の垂直位置が決定され、その時点での所望の垂直位置と比較されて偏差が確定される。ステップ９０では、この偏差が許容範囲にあるか否かを知るために評価される。この位置を、例えば位置の値が０．１秒ごとに決定されるように監視することができる。垂直位置及び進路上の位置は、ほぼ１秒に１回の割合で監視されることが好ましい。
【００３１】
例えば、偏差は高い及び低い閾値に匹敵する上限及び下限と比較される。偏差が閾値内にあると判断された場合、本方法は区間１００及び１１０を介して監視ステップ３０に戻る。一方、偏差が閾値外にあると判断された場合、本方法はステップ１２０でのスロットルを調節する手順に進む。スロットルを調節する手順１２０により、偏差に応じてスロットル設定が調節され、エンジン１５の推力レベルが変わる。例えば偏差が、航空機１１が高すぎることを示すと判断された場合、スロットル設定が下げられる。航空機１１の応答がその後監視され、さらに詳細に下に記載するように、実際の垂直位置が所望の垂直位置に戻ったら、スロットル設定が公称設定値に戻される。
【００３２】
ステップ１２０でのスロットルを調節する手順が完了したら、本方法は区間１３０及び１１０を経て監視ステップ３０に戻る。
【００３３】
図２は図１に広く対応しており、同様のパーツは同じ参照番号で示されている。基本的には、図２は昇降舵を調節する手順７０と、スロットルを調節する手順１２０を図１よりも更に詳細に示す。
【００３４】
昇降舵を調節する手順７０はステップ７１において開始され、ここで要求されるピッチ変更が決定される。昇降舵のコマンドは複数の方法で生成することができ、この好ましい実施形態では、コマンドは、進路上の位置における偏差に直接依存する航空機のピッチを増減させるために生成される。このため、偏差が大きいところでは、航空機１１のピッチに大きな変化を生じさせる昇降舵コマンドが生成される。したがって、要求されるピッチ変更は、参照テーブル、方程式、又は他の全ての既知の方法を用いて、進路上の位置における現在の偏差に対して決定される。
【００３５】
ステップ７２では、ステップ７１で決定されたピッチ角に要求される変更を使用して、適切な昇降舵コマンド信号が生成される。例えば、昇降舵の偏向の大きさを計算することができる。このように生成された昇降舵コマンド信号がステップ７３において適用され、これにより昇降舵が偏向されて航空機１１のピッチが変わる。正確なピッチ角への確実な到達は、例えば昇降舵の偏向を制御するためにフィードバックループを使用する等、あらゆる共通の方法を用いて実行可能である。航空機１１が所望のピッチ高度に設定されると、本方法は区間８０に沿って進み、進路上の位置を監視するステップ２０に戻る。
【００３６】
ここでスロットルを調節する手順１２０を見ると、ステップ１２１において垂直位置が高すぎないかどうかの決定がなされる。答えが「はい」である場合、ステップ１２２においてスロットルの設定が公称設定値から低い値に下げられる。答えが「いいえ」である場合、ステップ１２６においてスロットルの設定が公称設定値から高い値へ上げられる。スロットルの設定が低い位置に変更された場合、本方法はステップ１２３に進み、ここで垂直位置からの偏差がもう１度決定される。この場合には、プラスの垂直位置の誤差が（単に閾値内に入ったかどうかよりも）除かれたかどうかの決定が要求される。これを確認する実際的な方法は、航空機１１の垂直位置の偏差がゼロ又はマイナスの値に戻ったか否かを問い合わせることである。航空機１１が垂直位置においていまだにプラスの偏差を有していると判断された場合、垂直位置が許容範囲にあるか否かの決定での答えは「いいえ」であり、本方法は区間１２４によって決定ステップ１２３に折り返す。このループは垂直位置のプラスの偏差がなくなったと判断されるまで続き、なくなった時点で本方法はステップ１２５に進み、ここでスロットル設定が公称設定値に戻る。この変更が行われると、本方法は区間１３０を通して垂直位置を監視するステップ３０に戻る。
【００３７】
スロットルの設定が高い位置に変更された場合、本方法はステップ１２７に進み、ここで垂直位置からの偏差がもう１度決定される。この場合には、マイナスの垂直位置の誤差が（単に閾値内に入ったかどうかよりも）除かれたかどうかの決定が要求される。これを確認する実際的な方法は、航空機１１の垂直位置の偏差がゼロ又はプラスの値に戻ったか否かを問い合わせることである。航空機１１が垂直位置においていまだにマイナスの偏差を有していると判断された場合、垂直位置が許容範囲にあるか否かの決定での答えは「いいえ」であり、本方法は区間１２８によって決定ステップ１２７に折り返す。このループは垂直位置のマイナスの偏差がなくなったと判断されるまで続き、なくなった時点で本方法はステップ１２５に進み、ここでスロットル設定が公称設定値に戻る。この変更が行われると、本方法は区間１３０を通して垂直位置を監視するステップ３０に戻る。
【００３８】
航空機の飛行経路を制御する方法を今説明してきたが、これらの方法を実行するために配置されたシステムをこれから説明する。図３は上記の一配置形態の概略図である。前述したように、本方法は全ての方法を実行するためにプログラミングされ、航空機１１のコックピット１７の中又は近くに位置することができる飛行制御コンピュータ１６に属することができる（図４参照）。
【００３９】
航空機のセンサは航空機１１の位置及び速度を示すデータを、航空機センサブロック２００へ提供する。例えば、センサはＧＰＳセンサ、慣性航法装置、高度計、加速度計、圧力センサ等を含むことができる。センサ２００によって提供されたデータは、航空機１１内の他のパーツによって使用される実際の位置情報信号を生成するために、航空機センサブロック２００によって使用される。
【００４０】
加えて、ガイダンス用参考計算機ブロック２０２を使用して、航空機１１が進むべき公称四次元飛行経路が生成される。飛行経路を計算するために、ガイダンス用参照計算機ブロック２０２は、例えば、パイロットの意図、航空機１１の性能に関するデータ、優勢な予測された気象状態、及び経路制限を含む複数の入力を受信する。航空機データは、重量、及び空気力学的及び推力性能を含むことができる。気象状態は、気温、気圧、及び風のプロフィールを含むことができる。経路制限はウェイポイント、速度及び高度制限と、コスト指数を含むことができる。これらの入力を使用して、公称四次元飛行経路が決定され、そこから、航空機１１の他のパーツによって使用される所望の位置情報信号が提供される。
【００４１】
水平面内の航法をまず見てみると、航空機センサブロック２００は現時点での実際の緯度ｌａｔＡ（ｓ）と実際の経度ｌｏｎＡ（ｓ）を示す信号を生成する。これらの信号は水平面内の航法ブロック２０４へ提供される。加えて、ガイダンス用参照計算機ブロック２０２は、現時点での所望の緯度ｌａｔＮ（ｓ）と所望の経度ｌｏｎＮ（ｓ）を示す信号を生成する。水平面内の航法ブロック２０４は、航空機１１の実際の緯度及び経度を所望の値と比較し、従来のやり方で水平面内の公称経路を進むために航空機１１の操縦翼面を使用する。システムのこの部分は従来通りであるため、これ以上の説明はしない。
【００４２】
ここで昇降舵の制御に移り、現在の進路上の位置ｔＡ（ｓ）での到着時間は航空機センサブロック２００によって生成され、所望の到着時間ｔＮ（ｓ）はガイダンス参照計算機ブロック２０２によって生成され、実際の対地速度ＶｇＡ（ｓ）は航空機センサブロック２００によって生成され、所望の対地速度ＶｇＮ（ｓ）はガイダンス用参照計算機ブロック２０２によって生成される。それぞれの実際の値と所望の値との間の差は減算器２０６及び２１８で計算され、時間誤差△ｔ及び対地速度誤差△Ｖｇがそれぞれ算出される。誤差信号△ｔ及び△Ｖｇはオートパイロット信号発生器２０８に送られる。
【００４３】
オートパイロット信号発生器２０８は誤差信号、△ｔ及び△Ｖｇを用いて、誤差を修正するために航空機ＣＡＳに必要な変更を計算する。これは例えば、時間誤差、対地速度誤差、及び現在の対気速度を入力として受信するだけでなく、例えば空気の熱力学的状態と風データ等の計算に必要であり得る追加の飛行データを受信して後に、ＣＡＳへの修正を計算するフィードバック制御システムを使用して行うことができる。ＣＡＳの修正が決定されたら、オートパイロット信号発生器２０８から、このＣＡＳを表す信号２１０が生成され、オートパイロットに送られる。次に、従来のやり方で、要求されたＣＡＳが実現されるまで、昇降舵の作動を操作することによってオートパイロットがＣＡＳ信号２１０の変更に応答する。
【００４４】
オートパイロット信号発生器は前述した誤差を受信することができる、又は代替実施形態では、オートパイロット信号発生器は進路上の位置の誤差を時間の関数、△ｓ（ｔ）として、そして対地速度の誤差を時間の関数、△Ｖｇ（ｔ）として受信することができる。さらに、オートパイロット信号発生器は、ＣＡＳ、又は航空機１１の現在の対気速度だけでなく、例えば空気の熱力学的状態及び風データ等の計算に必要であり得る追加の飛行データを明らかに決定する他の全ての変数を受信することができる。
【００４５】
ここで垂直位置に注目すると、航空機センサブロック２００は航空機１１の現在の進路上の位置での実際の垂直位置を示す信号ｈＡ（Ｓ）を送信し、ガイダンス用参照計算機ブロック２０２は、航空機１１の現在の進路上の位置での所望の垂直位置を示す信号ｈＮ（ｓ）を送信する。これらの信号は減算器２１２に送信され、減算器２１２は他方から一方を減算して、垂直位置の誤差信号△ｈを算出する。この誤差信号△ｈは、自動スロットルレベルセレクタ２１４へ送信される。自動スロットルレベルセレクタ２１４はさらに、閾値△Ｈ（ｈ）、スロットルの公称設定値ＴＮ、及び高い及び低いスロットル設定値ＴＵ及びＴＬに対応する入力を受信する。
【００４６】
自動スロットルレベルセレクタ２１４は、誤差信号△ｈの大きさを閾値△Ｈ（ｈ）と比較する。誤差信号△ｈの大きさが閾値△Ｈ（ｈ）を超えており、誤差信号の値がプラスであった場合、これは航空機１１が高すぎることを意味し、自動スロットルレベルセレクタ２１４は低いスロットル設定値ＴＬに対応する自動スロットル信号２１６を生成することによって応答する。誤差信号△ｈの大きさが閾値△Ｈ（ｈ）を超えており、誤差信号の値がマイナスであった場合、これは航空機１１が低すぎることを意味し、自動スロットルレベルセレクタ２１４は高いスロットル設定値ＴＵに対応する自動スロットル信号２１６を生成することによって応答する。
【００４７】
自動スロットルレベルセレクタ２１４が高い又は低いスロットル設定値ＴＵ、ＴＬのいずれかを自動スロットル信号２１６として生成している時はいつでも、自動スロットルレベルセレクタ２１４は誤差信号△ｈがゼロに到達したことを確証するために誤差信号△ｈの監視に戻る。ゼロに到達したら、自動スロットル信号２１６はスロットル公称設定値ＴＮに一致するように変更される。
【００４８】
図示していないが、図３の配置は航空機１１の安全性を妨げないようにオーバーライド機構を含むことができる。例えば、自動スロットル信号２１６と昇降舵信号２１０は安全ブロックでフィルタに掛けて、値が安全限界値内に留まるようにすることができる。例えば、値をチェックして結果的なピッチ角が航空機１１の現在の機体形状において安全限界値内に留まり、エンジンの推奨された限界内での稼動を保持する、又はエンジン推力及び／又は特定の昇降舵コマンドの変更により航空機１１の対気速度の安全限界値からの逸脱が発生しないようにすることができる。
【００４９】
図５は図１から作成されており、共通の参照番号は共通の機構を示している。したがって、図５は所定の四次元飛行経路を進むように航空機１１を制御する方法を示す。本方法は、さらなる安全機構を含むように変更されている。図６は、図５の安全機構を実行するための手段を含む図３のオートパイロット信号発生器２０８の一実施形態を示す。
【００５０】
本方法は、進路上の位置と垂直位置に関して平行に操作される。最初に垂直位置を考慮すると、垂直位置は前のようにステップ３０にて監視される。ステップ３１では、垂直位置の偏差が計算され、最大偏差閾値と比較される。例えば、最大偏差閾値は航空交通管制によって課せられたある限界値であってよい。通常、最大偏差閾値は飛行中の操作によって変わる。連続降下進入中は、最大偏差閾値は課せられた航法精度要件（ＲＮＰ）に対応していてよく、２００フィート程度の値であってよい。最大偏差閾値は前に説明したスロットル変更閾値と同じではないことが強調される。実際はスロットル変更閾値は例えば１００フィート等の大幅に小さい値であるべきであり、これはたいてい、垂直位置の偏差が最大偏差閾値よりも大きくなるのを防ぐためにスロットルの変更を行う必要があるためである。
【００５１】
ステップ３１において、決定が垂直位置の偏差が最大偏差閾値外になったことを示す場合、飛行ガイダンスの現在の方法はステップ３２で終了し、ここでは別の制御法則、例えば経路の垂直方向が制限された制御法則へモードが切替えられる。ステップ３１での決定により、航空機１１の垂直位置の偏差がまだ最大偏差閾値内であると分かった場合は、本方法はステップ９０へ続く。ステップ９０では、垂直位置の偏差がスロットル変更閾値と比較されて、前に説明したように、ステップ１２０でスロットルを調節するべきか否かが決定される。
【００５２】
ここで進路上の位置に関して見てみると、進路上の位置は前のようにステップ２０で監視される。次に、ステップ２１において（必要な場合に）遅延が導入され、ステップ３１でのモード切替決定の結果を、本方法がステップ２２に進む前に得られるようにする。
【００５３】
ステップ２２では、航空機の現在のＣＡＳが飛行データから取得される。航空機の現在のＣＡＳを図６のステップ２１２に示す。ステップ２３において、進路上の位置の偏差が計算され、新規のＣＡＳコマンドを取得するために使用される。この実施形態では、時間誤差△ｔ、つまり航空機２００が現在の位置にどのくらい早く又は遅く到達したかが使用される。進路上の位置の修正結果をＣＡＳコマンドに同調させるのを可能にするために、この時間誤差が乗算器２２０によって換算され、ここで時間誤差はゲイン係数ｋｉで乗算される。したがって、
【数１】
0005780959.tif 000002
である。
ゲイン係数ｋｉには、例えば１ノット／秒の時間偏差修正等の小さい数が選択される。結果的に時間偏差が徐々に除去される。安定性は方程式
【数２】
0005780959.tif 000003
のラプラス演算子であるゲイン係数ｋｉを使用することによって改善することができる。
【００５４】
換算された時間誤差２２２は加算器２３０へ送られる。加算器２３０は換算された時間誤差２２２を航空機の現在のＣＡＳ２１２に加算して、新規のＣＡＳコマンド２３２を形成する。
【００５５】
ステップ２４では、ＣＡＳコマンド２３２が所望の限界値内にあることがチェックされる。これはフィルタ２４０によって行われる。フィルタ２４０はＣＡＳコマンド２３２を上限値ＣＡＳＭＡＸ（ｈ）及び下限値ＣＡＳＭＩＮ（ｈ）と比較する。これらの限界値は必要に応じて選択することができ、航空機２００の現在の飛行状態及び機体形状に従って変えることができる。例えば、一般上限値の３４０ノット又はマッハ０．８２（のいずれか小さい方）を特定の航空機に対して使用することができ、（ヨーロッパ上空において要求されるように）１万フィート以下の高度を飛行しているときは２５０ノットに下げる。高度によって直線的に変化するこれら２つの上限値の間で滑らかな遷移を実現することができる。加えて、航空機１１の現在の機体形状に対する最小操作速度に等しい最小限界値を設定することが可能である。
【００５６】
ＣＡＳコマンド２３２は、ＣＡＳがこれらの限界値内にある場合には変更されない。あるいは、フィルタ２４０は、限界値ＣＡＳＭＡＸ（ｈ）又はＣＡＳＭＩＮ（ｈ）のいずれか超過した方に対して、ＣＡＳコマンド２３２を限定する。フィルタ２４０からの出力は、ステップ２５で示すように、オートパイロットに送られるＣＡＳコマンド２１０になる。本方法は次にリターンパス６０を介して繰り返す。
【００５７】
このように、オートパイロットに送られたＣＡＳコマンド２１０は元の形態２１２から修正されて、進路上の位置の偏差を反映する。偏差の比較影響は、ゲイン係数ｋｉを適切に選択することによって適合させることができる。本方法はまた、ＣＡＳコマンドが限界値ＣＡＳＭＡＸ（ｈ）及びＣＡＳＭＩＮ（ｈ）の範囲内に留まるようにする安全機構も含む。これらの限界値は、航空機の現在の機体形状及び飛行中の操作を反映することができ、これは速度不足及び速度超過を防ぐ場合には当たり前のことである。
【００５８】
図６はまた、図５のステップ３１及び３２の特定の実行形態も示す。垂直位置の偏差信号△ｈは、比較器２５０に送信され、比較器２５０は偏差をＲＮＰ閾値△ＨＲＮＰと照合する。前に説明したように、垂直位置の偏差がＲＮＰ閾値内である場合、本方法はステップ２５２に示すように続くが、ＲＮＰ閾値外である場合は、ステップ２５４において代替モードに切り替わる。
【００５９】
図７は、図１の方法の更なる実施形態を示す。繰り返すが、同様の参照番号は同様のパーツを示している。図７は、どのように垂直位置の偏差を使用してスロットルを調節するかにおける改善点を示す。前のように、ステップ３０で垂直位置が監視される。垂直位置の偏差は次にステップ３３において計算される。ステップ３４では、垂直位置の偏差の変化度が計算される、すなわち△ｈが偏差である場合、ｄ△ｈ／ｄｔが計算される。ステップ３５では、垂直位置の予測偏差の計算が、今後の所望される時間に対して行われる。つまり、垂直位置△ｈａの予測偏差は
【数３】
0005780959.tif 000004
で計算され、ここでτは必要な予測時間である。５秒の予測時間が適切であることが分かっている。
【００６０】
次に、ステップ９１において、垂直位置の予測偏差がスロットル変更閾値と比較され、ステップ１２０においてスロットルを変更すべきかが決定される。したがって、スロットルの変更は、垂直位置の偏差が５秒間の間にどう変わると予測されるかに基づくものである。このような方法で、遅いスロットルの応答によって発生する不可避の遅延が予想される中での性能がアップする。したがって、さもなければ発生するオーバーシュートが緩和される。これは、垂直位置に厳しい許容値が要求される場合に特に有利である。例えば、これはスロットル調節閾値の厳しい許容値であってよく、又は（後にスロットル調節閾値の厳しい許容値が要求される）最大偏差閾値の厳しい許容値であってよい。上記の予測制御法則を使用することにより、スロットルを調節する回数を減らすこともできる。
【００６１】
垂直位置の偏差予測を使用する時は、垂直位置の予測偏差を最大偏差閾値と比較するよりも、図５のステップ１３０で示すように、実際の垂直位置の偏差を最大偏差閾値と比較するほうが有利であると考えられる。
【００６２】
上に記載するように、本発明は連続降下進入を飛行中において使用すると特に有益である。この場合には、本発明により、特定の任意の時点における航空機１１の位置の確実性が高められる。余裕を持たせなければいけないのは、所望の垂直位置より上の偏差を修正するのに、より低いスロットル設定値ＴＬが利用可能になるように、スロットルの公称設定値をアイドリング中のエンジン推力値よりも高く設定しなければならないことである。
【００６３】
垂直位置を監視している時に適用される適切な閾値の例として、１００フィートが、スロットル設定値の頻繁すぎる変更を避けながら、位置の精度との適切なバランスを保つことが分かっている。所望の垂直位置から１００フィート上下の閾値を用いると、通常スロットル設定値をわずかな回数変更するだけで連続降下進入を飛行することが可能であることが分かっている。
【００６４】
当業者には、添付の請求項によって規定された本発明の範囲から必ずしも逸脱することなく、上記の実施形態への修正が可能であることが明らかである。
【００６５】
例えば、図５の方法と図６の配置構成を修正して、安定性を向上させることができる。ＣＡＳコマンド２３２は、対地速度の偏差によって変わる係数を加算することによって修正することができる。したがって、本方法はステップ２３及び２４の間に更なるステップ、修正ＣＡＳコマンドが生成され、ステップ２４において修正されたＣＡＳコマンドがチェックされるステップを含むことができる。図６は対地速度の偏差、△Ｖｇに対応する入力値を受信するように構成することができる。この入力値を、これに相当する対気速度の誤差に変換することができる。次にこの偏差をゲイン係数ｋｃで換算することができる。軟正対気速度の偏差が、対地速度の偏差とは等しいが反対の符号を有するため、単一のゲイン係数が有効に働くことが分かっている。換算された軟正対気速度の偏差は減算器へ送られて、ここでＣＡＳコマンド２３２から減算されて修正ＣＡＳコマンドを形成しフィルタ２４０へ送られる。そしてフィルタ２４０が前述したように修正ＣＡＳコマンドを処理することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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