[发明专利]飞机精准着陆辅助装置

说明书

本申请要求申请号为61/766,686、申请日为2013年2月19日的美国专利申请的优先权。

技术领域

本发明涉及航空领域，更确切地说，涉及飞机的着陆辅助装置。

背景技术

着陆是飞行中最具挑战性的部分。对于轻型飞机，正常着陆包括两个操作：拉平和预着陆。当飞机进入地面效应区域时，飞行员实施第一操作，即将机头拉起，使飞机水平于地面飞行。当飞机速度进一步降低，且与地面足够接近时，飞行员实施第二操作，即将机头进一步拉起，使飞机以较小的下降速度着陆。本说明书将第一操作称为拉平，开始拉平操作的时刻和高度分别称为拉平时刻和拉平高度；将第二操作称为预着陆，开始预着陆操作的时刻和高度分别称为预着陆时刻和预着陆高度。其中，拉平时刻和预着陆时刻统称为降落操作时刻，拉平高度和预着陆高度统称为降落操作高度。轻型飞机和大型飞机均使用上述定义。

对于小型飞机，拉平高度一般在地面之上5m到10m。由于飞行学员通常难以判断拉平高度，他们需要练习几百次着陆才能掌握拉平的合适时间。大量练习着陆会延长学习时间，浪费大量燃料，对环境有负面影响。尽管在拉平时雷达测高仪可能会有所帮助，但雷达测高仪较为昂贵，最好能采用低成本的着陆辅助装置来帮助飞行学员掌握拉平技巧。此外，该着陆辅助装置在飞机接近地面（≤40m）时能准确测量飞机高度，其精度最好在厘米级。

对于小型飞机，预着陆高度一般在地面之上2m左右，最好在1m左右。它对高度判断的错误容忍度远小于拉平高度。多数飞行员，甚至经验丰富的飞行员，都难以判断预着陆高度。由于雷达测高仪的精度范围在±1m内，它不能用于辅助预着陆。为了使着陆平稳，需要使用精准着陆辅助装置，它在飞机接近地面（≤10m）时能准确测量飞机高度，其精度需要在厘米级。

对于大型飞机，标准的着陆程序只有一个操作：拉平。在拉平高度时，飞行员改变飞机的仰角，并在着陆之前一直保持该仰角。在拉平过程中，一般建议使用中等下降速度（如2m/s），但是以这种速度着陆会牺牲乘客的舒适度。为了提高乘客的舒适度，最好在着陆前采用一定程度的预着陆操作。这要求使用精准着陆辅助装置，它在飞机接近地面（≤100m）时能准确测量飞机高度，其精度最好在厘米级。

美国专利7,106,424（发明人：Meneely等，授权日：2006年9月12）和专利7,400,386（发明人：Jamieson等，授权日：2008年7月15）建议使用一种脉冲激光测高仪。该测高仪直接测量激光脉冲从激光源传到测量对象，再反射回来的传输时间（TOF）。脉冲激光测高仪的测量范围在几千米之内，其精度在1米内。与雷达测高仪相似，其精度不能满足着陆的要求。因此，脉冲激光测高仪不能用作精准着陆辅助装置。

美国专利6,864,966（发明人：Giger，授权日：2005年3月8日）、美国专利5,309,212（发明人：Clark，授权日：1994年5月3日）以及美国专利4,611,912（发明人：Falk等，授权日：1986年9月16）提出了多种激光测距仪（LDM）。它们使用调制的激光束来测量距离，其测量范围为几十米，精度在毫米级。为了将精度达到毫米级，LDM需要统计评估成百上千个距离数据。这样，其评估周期T (指获得一个新的距离读数所需的时间)很长，一般为~0.1s 到 ~7s。

LDM是用来测量静止距离的，即到固定物体（或者慢速移动物体）的距离；而不能用来测量动态距离，即到快速移动物体的距离。对于快速移动物体来说，实时测量距离没有太大意义，用户更想知道的是在未来一时刻的距离（如飞机的预期高度），以便预先准备特定的操作。不幸的是，LDM不能提供该信息。此外，由于LDM的评估周期T很长，它完全不可能用于飞机着陆时的高度测量。如图1所示，降落时飞机的飞行速度为~60节 (~30m/s) 到 ~230 节 (~115m/s)，下降速度为~1.5m/s 到 ~6m/s，在一个评估周期T（~0.5s）内，飞机的飞行距离L为~15m 到 ~58m，高度差ΔA (=A1-A2)为~0.8m 到~3m。对于如此长的飞行距离L，飞行轨迹下方的任何异物（如在位置o的ILS天线）都可能导致高度数据产生较大误差。此外，飞机降落本身带来的较大高度差ΔA也会使LDM出错。因此，LDM不适用于精准着陆辅助装置。

发明内容

本发明的主要目的是在着陆时提高乘客舒适度。

本发明的另一目的是帮助飞行学员掌握着陆技巧。

本发明的另一目的是节约能源并提高环境质量。

本发明的另一目的是提供一种低成本的精准着陆辅助装置。