直升機飛行終點時計算方法

溫娜 葛晨

（中國直升機設計研究所 江西省景德鎮市 333000）

近年來導航設備的迅速發展，為直升機航電系統傳遞了大量的飛行信息，航電系統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。在直升機飛行過程中，終點時可隨環境條件的變化實時進行動態更新，尤其在諸如危險天氣條件、飛行任務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判，及時做出飛行線路調整等措施，保證飛行的安全性和準時性。

隨著導航系統被廣泛地應用到航空飛行領域，國內外許多專家學者對機載設備接收的數據可靠性、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 和明尼蘇達大學的 Yiyuan Zhao 利用飛行數據，擬合出空中交通自動化的飛行軌跡[1]；西北工業大學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，協助管制中心自動化系統進行決策[2]；江文波等基于性能導航推算出預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對航空器終點時計算方面的研究日臻完善，許多新技術新算法的引用令計算結果更加精準可靠，但是由于不同航空器間的飛行特征存在差異，終點時需要根據具體的航空器條件來設計計算方案。本文基于某型直升機航電系統設計工程，研究了三種直升機終點時計算方法，通過對比分析試飛數據驗證計算結果的準確性。

1 終點時計算方法基本原理

直升機的飛行任務主要分為兩種類型，一種是直接到達目的地的直飛任務，另一種是包含多個中間站點的飛行計劃任務。直飛任務的航行線路簡單，終點時可通過機載數據總線直接從導航設備獲取；而飛行計劃任務的航行線路較為復雜，需要利用導航數據選擇合適的方法進行計算[3]。以下針對飛行計劃任務，探討三種終點時計算方法。

1.1 基于導航數據的基礎算法原理

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

如上式，tnext代表預達時，即導航設備提供的直升機飛行到飛行計劃中下一個航路點的預計到達時間；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緯度坐標求得，設起點坐標為(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：基礎算法計算流程

通過以上計算公式，即可求得直升機在執行飛行計劃任務時的終點時[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，在執行領航和戰斗等任務時發揮著重要作用[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

表2：航段參數

式中，vg代表當前從導航設備獲取的地速值，當地速值大于5km/h 時計算有效。

1.3 地速修正改進算法

由于存在天氣環境突變、導航數據誤差等影響因素，直接利用航電系統接收的地速值進行計算，可能導致終點時出現產生跳變、示數不穩定的情況。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 秒內風速平均值，α 代表30 秒內風向平均值，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秒內的風速風向平均值，可以避免終點時隨環境影響突變的情況，且綜合考慮了航段方向改變的影響，使計算結果更加準確。

2 計算步驟與流程

2.1 基礎算法計算流程

基于導航數據的基礎算法主要步驟如下：

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

（2）建立飛行計劃數據庫。利用當前飛行計劃中航路點的經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據庫。

（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，從飛行計劃數據庫中提取下一個飛行到點與終點間的剩余航段距離。

（4）獲取導航數據。通過機載數據總線，接收導航設備傳遞的預達時及當前真空速信息。

（5）計算終點時。將所獲得的數據代入基礎算法計算公式，得到終點時。

根據以上步驟分析，可得基礎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。在獲取導航數據后，通過記錄的前30 秒的所有風速風向數據求出平均值，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，最后結合預達時計算得到終點時。

3 終點時嵌入航電系統的具體實現

在航電系統中，終點時主要在主飛行畫面中的飛行計劃信息列表、數字地圖畫面、維護模塊的數據查看畫面等進行計算顯示，下面以執行“地點A、地點B、地點C、地點D、地點E、地點A”這條閉環飛行計劃為例，詳細介紹終點時計算方法在航電系統中的具體實現。

圖3：地速修正算法計算流程

圖4：飛行計劃數據庫結構

3.1 基礎算法的具體實現

3.1.1 計算航段并建立飛行計劃數據庫

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

在航電系統軟件中，建立一個總的飛行計劃數據庫，用來存儲所有飛行計劃的具體數據信息。庫中每個飛行計劃作為一個數據表，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。飛行計劃數據庫結構如圖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，即可在飛行計劃數據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果數據。

3.1.3 獲取導航數據

導航設備通過機載總線向航電系統傳送導航數據，航電系統根據傳輸協議識別不同的數據塊，將導航數據進行解包處理、統一保存。在計算終點時的過程中，首先判斷所需的預達時、真空速數據是否有效，若無效則終止計算，有效則保存數據。

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達時、真空速數據，計算出執行完當前飛行計劃的終點時，并通過顯示函數及Idata 畫圖工具，設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、數字地圖畫面、維護模塊的數據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

剩余航段時間計算改進算法的具體實現，即是在基礎算法的基礎上，用地速替換真空速參與計算，并增加對地速值的判斷，當地速值大于5km/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

地速修正改進算法是在獲取導航數據后，通過記錄的前30 秒的所有風速風向數據求出平均值，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，最后結合預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據庫。數據庫內設置四種要素，分別為開始記錄標志f、記錄數量n、存儲位置索引i，以及具體的風速風向數據w[i]。f 表示是否已經進行了記錄，若未開始則存儲第一組數據，并將其作為當前平均值；n 表示記錄進數據庫中的有效風速風向總數，i 表示當前數據應該存入數據庫中的位置，w[i]表示數據庫中第i 組風速風向數據。數據庫建立流程如圖5所示。

如圖5所示，當導航設備上線時，每個運行周期內獲取當前的有效數據依次進行記錄入庫，當數據庫存儲滿后，取當前數據依次替換數據庫中最先記錄的數據，確保數據庫內容實時更新。

從風速、風向數據庫中讀取有效數據計算得到平均值，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，從飛行計劃數據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顯示更加穩定，對計算結果進行濾波處理。建立終點時計算結果數據庫，記錄前20次計算結果，然后通過排序算法將數據庫內的數據進行排序，得到10 個中位數，濾波處理后的終點時計算公式如下：

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

4 試飛結果分析

將計算終點時的三種算法依次轉換為程序語言，嵌入到航電系統操作飛行軟件中。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模擬飛行狀態數據，驗證計算方法的可行性；通過在試飛機場執行真實的飛行計劃，將試飛數據與北斗手持終端提供的數據，驗證計算方法的準確性、穩定性。

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

5 結論

本文基于某型直升機的航電系統設計工程，研究分析了基于導航數據的基礎算法、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，分別設計計算流程，通過C 語言編程將每種算法嵌入到航電系統顯控軟件中進行試驗驗證。通過實驗室仿真和試飛過程產生的數據，與北斗手持終端提供的終點時數據進行比較分析，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，計算結果更為穩定、準確。利用地速修正值的計算方法通過建立實時動態更新的風速、風向數據庫，可以有效地管理存儲飛行數據，并通過在計算過程中加入濾波算法進行優化，實現終點時的穩定顯示，可以滿足某型直升機的航電系統設計要求，為飛行員預判未來航行、在特殊氣象條件下執行飛行任務提供重要參考和有力保障。