直升机飞行终点时计算方法

温娜 葛晨

（中国直升机设计研究所 江西省景德镇市 333000）

近年来导航设备的迅速发展，为直升机航电系统传递了大量的飞行信息，航电系统利用这些信息进行处理计算并加以显示，可以直观地展示当前飞行状态。在直升机飞行过程中，终点时可随环境条件的变化实时进行动态更新，尤其在诸如危险天气条件、飞行任务时间紧迫等特殊情况下，终点时信息能够有效辅助飞行员对未来航行进行预判，及时做出飞行线路调整等措施，保证飞行的安全性和准时性。

随着导航系统被广泛地应用到航空飞行领域，国内外许多专家学者对机载设备接收的数据可靠性、计算精准性进行了探索和研究。美国国家航空航天局艾姆斯研究中心的Rhonda Slattery 和明尼苏达大学的 Yiyuan Zhao 利用飞行数据，拟合出空中交通自动化的飞行轨迹[1]；西北工业大学由嘉等基于概率模型和信息嵌入的最佳路径图来解决危险天气条件下航空器到达终点时间问题，协助管制中心自动化系统进行决策[2]；江文波等基于性能导航推算出预计到达中间进近定位点的时间，有效管理多架机降落顺序，为空管自动化提供便捷。目前，世界各国的研究机构对航空器终点时计算方面的研究日臻完善，许多新技术新算法的引用令计算结果更加精准可靠，但是由于不同航空器间的飞行特征存在差异，终点时需要根据具体的航空器条件来设计计算方案。本文基于某型直升机航电系统设计工程，研究了三种直升机终点时计算方法，通过对比分析试飞数据验证计算结果的准确性。

1 终点时计算方法基本原理

直升机的飞行任务主要分为两种类型，一种是直接到达目的地的直飞任务，另一种是包含多个中间站点的飞行计划任务。直飞任务的航行线路简单，终点时可通过机载数据总线直接从导航设备获取；而飞行计划任务的航行线路较为复杂，需要利用导航数据选择合适的方法进行计算[3]。以下针对飞行计划任务，探讨三种终点时计算方法。

1.1 基于导航数据的基础算法原理

当直升机执行飞行计划任务时，整个线路中的航路点经纬度信息及当前飞行状态信息已知，可以利用如下公式计算终点时Tend：

如上式，tnext代表预达时，即导航设备提供的直升机飞行到飞行计划中下一个航路点的预计到达时间；vt代表当前真空速；Dend代表剩余所有航段的总长度，计算公式如下：

di表示待飞的第i 条航段长度，由该条航段的起点和到点的经纬度坐标求得，设起点坐标为(x1,y1)，到点坐标(x2,y2)，地球半径长度为R，则di的计算公式如下：

图1：基础算法计算流程

通过以上计算公式，即可求得直升机在执行飞行计划任务时的终点时[4]。

1.2 剩余航段时间计算改进算法

真空速指飞行器飞行时相对于周围空气运动的速度，它指示飞行器的快慢，在执行领航和战斗等任务时发挥着重要作用[5]。计算终点时利用的剩余航段距离是地面距离，而真空速会随着当前风速风向发生改变，因此在有风的情况下，利用真空速计算终点时存在一定的误差。

地速指飞机相对于地面的速度，综合了风速风向等条件，在有风的情况下计算终点时更加准确。同时考虑到直升机悬停等特殊情况，由于地速值过小造成终点时过大，失去参考价值，所以增加地速判断条件，对剩余航段时间的计算进行改进，计算公式如下：

表1：航路点参数

表2：航段参数

式中，vg代表当前从导航设备获取的地速值，当地速值大于5km/h 时计算有效。

1.3 地速修正改进算法

由于存在天气环境突变、导航数据误差等影响因素，直接利用航电系统接收的地速值进行计算，可能导致终点时出现产生跳变、示数不稳定的情况。为了解决这一问题，采用地速修正法参与计算，地速修正值vgc计算公式如下：

如上式，vw代表30 秒内风速平均值，α 代表30 秒内风向平均值，β 代表航段方向。将地速修正值代入终点时计算公式中：

引入地速修正的计算方法通过解算30秒内的风速风向平均值，可以避免终点时随环境影响突变的情况，且综合考虑了航段方向改变的影响，使计算结果更加准确。

2 计算步骤与流程

2.1 基础算法计算流程

基于导航数据的基础算法主要步骤如下：

（1）判断当前飞行任务类型。若执行直飞任务或飞行计划中无剩余航段，则终点时与预达时相同，无需计算；若飞行计划中包含剩余航段，则根据算法进行计算。

（2）建立飞行计划数据库。利用当前飞行计划中航路点的经纬度信息计算出航路点间的距离，建立存储所有航段距离的数据库。

（3）读取剩余航段距离。判断当前直升机在整个飞行计划中所处的航段位置，从飞行计划数据库中提取下一个飞行到点与终点间的剩余航段距离。

（4）获取导航数据。通过机载数据总线，接收导航设备传递的预达时及当前真空速信息。

（5）计算终点时。将所获得的数据代入基础算法计算公式，得到终点时。

根据以上步骤分析，可得基础算法的计算流程如图1所示。

2.2 剩余航段时间计算改进算法计算流程

图2：剩余航段时间计算改进算法计算流程

剩余航段时间计算改进算法的计算步骤增加了对地速值的判断，计算流程如图2所示。

2.3 地速修正改进算法计算流程

地速修正改进算法的计算流程如图3所示。在获取导航数据后，通过记录的前30 秒的所有风速风向数据求出平均值，依次代入每条航段的地速修正值计算中，分别求出每条航段所需的飞行时间，最后结合预达时计算得到终点时。

3 终点时嵌入航电系统的具体实现

在航电系统中，终点时主要在主飞行画面中的飞行计划信息列表、数字地图画面、维护模块的数据查看画面等进行计算显示，下面以执行“地点A、地点B、地点C、地点D、地点E、地点A”这条闭环飞行计划为例，详细介绍终点时计算方法在航电系统中的具体实现。

图3：地速修正算法计算流程

图4：飞行计划数据库结构

3.1 基础算法的具体实现

3.1.1 计算航段并建立飞行计划数据库

当执行具体的飞行计划时，所有航路点的经纬度信息已知，表1为飞行计划的航路点参数，由公式（3）可以计算出每条航段的距离，计算结果如表2所示。

在航电系统软件中，建立一个总的飞行计划数据库，用来存储所有飞行计划的具体数据信息。库中每个飞行计划作为一个数据表，以飞行计划的序号进行排序，每个表中以航段序号作为ID 值，标识每条航段的距离、航向信息。飞行计划数据库结构如图4所示。

3.1.2 计算剩余航段总距离

由直升机当前所在的航段位置，可以得到下一个到点的序号，通过到点序号及飞行计划序号，即可在飞行计划数据库中读取该飞行计划中所有剩余航段的距离，计算剩余航段总距离并保存结果数据。

3.1.3 获取导航数据

导航设备通过机载总线向航电系统传送导航数据，航电系统根据传输协议识别不同的数据块，将导航数据进行解包处理、统一保存。在计算终点时的过程中，首先判断所需的预达时、真空速数据是否有效，若无效则终止计算，有效则保存数据。

3.1.4 计算并显示终点时

利用以上步骤得到的剩余航段总距离和预达时、真空速数据，计算出执行完当前飞行计划的终点时，并通过显示函数及Idata 画图工具，设计终点时的显示方式及位置，在主飞行画面中的飞行计划信息列表、数字地图画面、维护模块的数据查看画面等进行显示。

3.2 剩余航段时间计算改进算法的具体实现

剩余航段时间计算改进算法的具体实现，即是在基础算法的基础上，用地速替换真空速参与计算，并增加对地速值的判断，当地速值大于5km/h 时计算终点时，否则认为终点时无效，终止计算。

3.3 地速修正改进算法的具体实现

地速修正改进算法是在获取导航数据后，通过记录的前30 秒的所有风速风向数据求出平均值，依次代入每条航段的地速修正值计算中，分别求出每条航段所需的飞行时间，最后结合预达时计算得到终点时。

为了计算前30 秒的风速风向平均值，首先分别建立风速风向数据库。数据库内设置四种要素，分别为开始记录标志f、记录数量n、存储位置索引i，以及具体的风速风向数据w[i]。f 表示是否已经进行了记录，若未开始则存储第一组数据，并将其作为当前平均值；n 表示记录进数据库中的有效风速风向总数，i 表示当前数据应该存入数据库中的位置，w[i]表示数据库中第i 组风速风向数据。数据库建立流程如图5所示。

如图5所示，当导航设备上线时，每个运行周期内获取当前的有效数据依次进行记录入库，当数据库存储满后，取当前数据依次替换数据库中最先记录的数据，确保数据库内容实时更新。

从风速、风向数据库中读取有效数据计算得到平均值，用以计算地速修正值。然后通过飞行计划的序号以及当前航段的到点序号，从飞行计划数据库中读取剩余所有航段的距离和航向，计算得到终点时。

为使终点时在直升机多功能显示器上的示数显示更加稳定，对计算结果进行滤波处理。建立终点时计算结果数据库，记录前20次计算结果，然后通过排序算法将数据库内的数据进行排序，得到10 个中位数，滤波处理后的终点时计算公式如下：

如上式，tout代表最终滤波结果，tlast代表上一次滤波的结果，ti代表排序后10 个中位数。

4 试飞结果分析

将计算终点时的三种算法依次转换为程序语言，嵌入到航电系统操作飞行软件中。通过实验室的仿真试验以及真实的试飞过程，验证终点时计算的可靠性及准确性。通过实验室仿真试验模拟飞行状态数据，验证计算方法的可行性；通过在试飞机场执行真实的飞行计划，将试飞数据与北斗手持终端提供的数据，验证计算方法的准确性、稳定性。

通过多次执行飞行计划任务，监控直升机飞行中的终点时数据，并同时与北斗手持终端提供的终点时数据进行对比分析，得到利用基础算法的试飞结果误差在30 分钟左右且数据跳变程度大，准确性与稳定性均较差；利用剩余航段计算改进算法的试飞结果误差在10 分钟左右，稳定性较好；利用地速修正改进算法的试飞结果误差在3 分钟之内，同时具有很好的稳定性。

5 结论

本文基于某型直升机的航电系统设计工程，研究分析了基于导航数据的基础算法、剩余航段时间计算改进算法、以及地速修正改进算法三种终点时计算方法，分别设计计算流程，通过C 语言编程将每种算法嵌入到航电系统显控软件中进行试验验证。通过实验室仿真和试飞过程产生的数据，与北斗手持终端提供的终点时数据进行比较分析，验证得出利用地速修正值的计算方法可以将试验误差控制在3 分钟之内，计算结果更为稳定、准确。利用地速修正值的计算方法通过建立实时动态更新的风速、风向数据库，可以有效地管理存储飞行数据，并通过在计算过程中加入滤波算法进行优化，实现终点时的稳定显示，可以满足某型直升机的航电系统设计要求，为飞行员预判未来航行、在特殊气象条件下执行飞行任务提供重要参考和有力保障。