Gibt es ein Handbuch, das das algorithmische Verfahren beschreibt, auf dem die Vertical Navigation Guidance basiert?

Ich interessiere mich für die Methoden, die von Flight Management Systems implementiert werden, um einen Trajektorienpfad der vertikalen Navigationsführung (VNAV) zu berechnen, der die Abschnitte der für einen Flugplan verwendeten Instrumentenverfahren berücksichtigt, unter anderem wie die Leistungsmerkmale des Flugzeugs , Wind usw.

Mit anderen Worten, ein Handbuch oder ein Leitfaden aus offiziellen Quellen (z. B. FAA, ICAO oder Eurocontrol), aber auch andere zuverlässige Lösungen von Drittanbietern würden ausreichen.

Ich interessiere mich hauptsächlich für eine Möglichkeit, das vertikale Profil eines Instrumentenflugverfahrens (SID, STAR, IAP) basierend auf seinen Abschnitten und etwaigen Überflughöhen- oder Geschwindigkeitsbeschränkungen zu bestimmen, die einem ihrer Wegpunkte zugewiesen sind.

Kann mich jemand in die richtige Richtung weisen? Mir ist bewusst, dass es nicht nur eine Möglichkeit gibt, das vertikale Profil einer Route zu bestimmen, aber ich vermute, dass es einige allgemein akzeptierte Richtlinien geben muss.

BEARBEITEN: Ich werde einige weitere Informationen darüber geben, was ich im Sinn habe, basierend auf Noahs Beitrag. Nehmen wir zum Beispiel die Abflugverfahren FINNZ2 und HHERO3 des Flughafens KSNA. Wir können sehen, dass einigen der Wegpunkte Kreuzungshöhen zugewiesen sind.

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Kann eine akzeptable Implementierung der vertikalen Navigation auf den oben genannten Überflughöhen basieren, indem sie als obligatorische Höhen betrachtet werden, die ein Flugzeug haben muss, während es von ihnen abfliegt? Dies würde bedeuten, dass jede solche Überquerungshöhe als "CROSS X AT Y ALTITUDE"-Beschränkung betrachtet würde, selbst wenn sie At oder Above, At oder Below oder Block ist.

Etwas wie die folgenden vertikalen Profile:

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Mit anderen Worten, ich versuche herauszufinden, ob dies eine nützliche oder realistische Information wäre, die ein FMS auch liefern würde.

Meine andere Idee wäre, einen vordefinierten Steiggradienten für das Flugzeug zu nehmen, sagen wir 500 Fuß pro Seemeilen, und den vertikalen Pfad anzupassen, wenn Höhenbeschränkungen beim Überqueren von Wegpunkten verletzt werden.

Die Ausrüstung an Bord des Flugzeugs kennt die Höhe und die Position, an der es sich befindet, sowie die Position des nahegelegenen Wegpunkts. Zusammen mit der Entfernung zum Wegpunkt und der Geschwindigkeit über Grund ist es eine einfache Mathematik, die Sink-/Steigrate zu berechnen, um richtig anzukommen.
Das klingt für mich nach einer Antwort...

Antworten (2)

Für diese Antwort:

  • Harte Höhenanforderung - eine feste Höhe, auf der sich ein Flugzeug befinden muss. (z. B. 7000 Fuß)
  • Soft Altitude Requirement – ​​ein Höhenfenster, in dem sich das Flugzeug befinden soll (z. B. abv. 3500 Fuß, zwischen 9000 Fuß und 12000 Fuß)
  • Verwenden eines 757 für alle Beispiele, sofern nicht anders angegeben.

Ein einfaches FMS kann einfach das Minimum einer weichen Anforderung als gewünschte Höhe annehmen und verwenden, wie Sie richtig angegeben haben.

In Verkehrsflugzeugen ist es jedoch viel üblicher, einen sogenannten "Kostenindex" (CI) zu verwenden, um Geschwindigkeiten, Steigraten und dergleichen zu berechnen. Der Kostenindex kann wie folgt berechnet werden:

CI = (Time cost/hr)/(Fuel cost/lb)

Ein CI von 9999 bedeutet, dass der FMC in jeder Flugphase auf Velocity Maximum Operating (VMO) abzielt. Während ein KI von 0 dazu führt, dass das FMS auf Folgendes abzielt: +=================================+===============+===============+ | Climb | Cruise | Descent | +=================================+===============+===============+ | Minimum fuel to cruise altitude | Maximum Range | Max L/D ratio |

Das führt also zu folgenden Geschwindigkeiten: +============+=======+========+========+ | Cost Index | Climb | Cruise | Descent| +============+=======+========+========+ | 0 | 290kn | .778m | 250kn | +------------+-------+--------+--------+ | 9999 | 345kn | .847m | 334kn | +------------+-------+--------+--------+ Jetzt haben wir Steiggeschwindigkeiten, wir können rückwärts arbeiten, um die beste Steig- oder Sinkgeschwindigkeit für diese Geschwindigkeit zu berechnen (ich kann keine verlässliche Quelle dafür finden, daher enden die praktischen Beispiele) . Von hier; TOD, TOC und TTC. Solange ein FMS auf seiner besten CI-Geschwindigkeit bleiben kann, um eine Höhenanforderung zu erfüllen, wird es dies tun. Andernfalls wird die beste CI-Geschwindigkeit um den kleinstmöglichen Betrag geändert, um die Anforderungen zu erfüllen.

Eine gute (umstrittene) Lektüre ist dieser Bericht von MITRE , einer Organisation für Informationssicherheit. Sie fanden heraus, dass die meisten getesteten FMS nur sehr geringe Abweichungen in der Zeit aufwiesen, in der sie mit dem Abstieg und Aufstieg begannen, sowie in der Höhe für einen festen CI. Sie fanden auch heraus, dass die RTCA-Standards für RNP – genannt RTCA DO-236 – allgemein in jedem getesteten FMS eingehalten wurden. Das heißt, Folgendes wurde erfüllt:

... Toleranzen für einen Flug entlang eines bestimmten vertikalen Pfades sind 160' für 0'- 5000', 210' für 5000'-29000' und 260' für 29000'- 41.000'

MITRE sagt auch:

Wenn ein vorhergehender Wegpunkt angetroffen wird, bevor die Höhe der für diesen Wegpunkt spezifizierten Beschränkung erreicht worden ist, dann wird die Beschränkungshöhe des Wegpunkts für die Referenzpfadhöhe an dem Wegpunkt angenommen.

Jetzt, bewaffnet mit unseren neuen CI-basierten Steigraten und Geschwindigkeiten, kann meine andere Antwort verwendet werden, um unsere Berechnungen abzuschließen und herauszufinden, wo (in der Z-Dimension) das Flugzeug eine weiche Anforderung erreichen wird.

Entschuldigung für das Geschwätz. Wenn Sie etwas geklärt haben, LMK.
Nochmals vielen Dank für Ihren Beitrag! Sie sind eine große Hilfe. Nur einige kleinere Klarstellungen: Zunächst einmal, was sind die Werte der Spalte "Cruise", die in Metern angegeben sind (z. B. 0,778 m)? Außerdem erwähnen Sie "Von hier; TOD, TOC und TTC". Wollten Sie dort einen Link verwenden?
Tut mir leid, das sind 77,8 % von Mach. Mach 0,778. TOD – Gipfel des Abstiegs, TOC – Gipfel des Aufstiegs, Zeit zum Klettern
Mein Fehler, das hätte ich selbst erkennen müssen. Wenn ich beide Antworten als richtig akzeptieren könnte, würde ich es definitiv tun! :-)
Übrigens, wie hast du diese Geschwindigkeitswerte berechnet? Gibt es eine Quelle/Datenbank, die mir helfen kann, Geschwindigkeitswerte basierend auf dem Kostenindex zu berechnen, wie Sie es getan haben? Darüber hinaus haben Sie erklärt: "Solange ein FMS auf seiner besten CI-Geschwindigkeit bleiben kann, um eine Höhenanforderung zu erfüllen, wird es dies tun." Dies scheint mir zu implizieren, dass die Steig- / Sinkgeschwindigkeit den Steig- / Sinkgradienten (Fuß pro Seemeile) beeinflusst. Gibt es eine Quelle, die diese Verbindung herstellt (z. B. für Flugzeuge vom Typ X ist der optimale Steiggradient dieser Wert basierend auf diesem Geschwindigkeitsbereich (Steig- / Sinkraten). Entschuldigung, wenn ich etwas zu Offensichtliches frage!
Aus dem Boeing-Dokument stammen die Details meiner Antwort, aber das Airbus-Dokument ist auch gut, es bricht CI in einem unglaublichen Ausmaß zusammen.
Auch ja, GS (in Form von CAS, korrigiert für Druckhöhe, dann Wind) ist einer der Hauptfaktoren bei der Bestimmung des Steigens/Sinkens. Die Formel lautet wie folgt: Steigrate = erforderliche Steigung x Geschwindigkeit über Grund.

Ich habe ein virtuelles FMS zum Testen neuer Atemwege und STARs programmiert und stimme dem Kommentar von @MikeBrass voll und ganz zu. Letztendlich gibt es keinen Standard dafür, wie FMS-Systeme diese Aufgabe erfüllen, solange sie zum gleichen Ergebnis kommen.

Es ist sehr einfache Trigonometrie und andere mathematische Konzepte auf Highschool-Niveau. Das FMS kennt die 3D-Koordinaten für den Wegpunkt (wir nennen diese X2, Y2, Z2) sowie die aktuellen GPS-Koordinaten, die Höhe, den wahren Kurs und eine Vielzahl anderer Sensoren, die es verwendet, um die aktuelle Position des Flugzeugs zu berechnen Leerzeichen (X1,Y1,Z1). Es verwendet auch die Unterschiede in GPS GS und CAS, um die Vorwärts- (oder Rückwärts-) Komponente des Windes zu berechnen, und die Unterschiede in True Heading und TMG, um die Seitwärtskomponente des Windes zu berechnen. Wir haben jetzt alle Informationen, die erforderlich sind, um Berechnungen für nahezu jedes Szenario durchzuführen.

Erforderliches Überquerungshöhenszenario / Geschwindigkeitsbeschränkungen:

In diesem Fall wäre die erste Berechnung eine der zu gewinnenden Höhe (ODER verlieren). Das ist so einfach wie Z2-Z1. Unter der Annahme einer festen Geschwindigkeit (vom Piloten festgelegte Geschwindigkeit oder Geschwindigkeitsbeschränkungen basierend auf dem Verfahren) können wir nun leicht eine Steigrate in FPM berechnen. Dazu wird eine 2D-Linie erstellt, die zwischen den Punkten X2, Y2 und X1, Y1 verläuft, und der Abstand zwischen diesen beiden Punkten entlang der Linie berechnet. Teilen Sie dies durch die GPS-Bodengeschwindigkeit und berechnen Sie Kurs- und GS-Änderungen entlang dieses Abschnitts, ähnlich wie es ein Flugschüler mit einem "Whiz Wheel" tun könnte. Wenn der Pilot die Geschwindigkeit ändert oder sich die Vorwärtskomponente des Windes während des Steig- oder Sinkflugs ändert, müssen Sie diese Berechnung einfach erneut ausführen, jedoch mit der neuen Position des Flugzeugs im 3D-Raum.

Gekrümmte Anflugsegmente erschweren dies etwas, aber wenn Sie diese als 2D-Kurve interpretieren, werden Ihre Berechnungen erheblich vereinfacht.

Wenn dies Ihre Frage nicht beantwortet, können Sie sie umformulieren.

@Noah vielen Dank für deine ausführliche Antwort. Was mich beunruhigt, ist, dass einem Wegpunkt nicht unbedingt eine Überflughöhe zugewiesen ist, was bedeutet, dass ein FMS die 2D-Koordinaten (Χ, Υ) und nicht die 3D-Koordinaten (X, Y, Z) dieses Wegpunkts kennt. Wie füllen Sie diese fehlenden Höhenwerte aus? Außerdem kann ich die relative Leichtigkeit dieser Berechnungen verstehen, aber haben Sie eine offizielle Dokumentation im Sinn, die die erforderlichen Gleichungen beschreibt? Weil andere Quellen komplexere Berechnungen erwähnen, die auch die Flugzeugleistung (z. B. Gewicht, maximaler Schwerpunkt usw.) berücksichtigen.
@VectorZita, Wenn es keine Kreuzung von ALT gibt, wird der Aufstieg einfach als Teil des ursprünglichen Aufstiegssegments betrachtet. Entweder zur nächsten erforderlichen Kreuzung ALT oder zur letzten Kreuzfahrt ALT. Es ist nur ein Anstieg mit einer Kurve an irgendeiner Stelle entlang. Sie haben sicherlich Recht, die meisten modernen FMS-Systeme berücksichtigen alle verfügbaren Leistungsdaten. Die Flugzeugleistung wird hauptsächlich verwendet, um Details zu berechnen, die der Autopilot (falls gekoppelt) verwendet, um den Steigflug abzuschließen, EG, Motorleistungseinstellungen, Trimmstabeinstellungen usw. Diese Daten haben wirklich sehr wenig Relevanz für die eigentliche 3D-Navigation.
Ich würde denken, dass alle Informationen wie die, die Sie anfordern, ein Geschäftsgeheimnis sind und außerhalb eines FMS-Herstellers oder OEMs wie Boeing nicht verfügbar sind. Ich würde mir zusätzlich zu DO-178C das Datenformat ARNIC 429 ansehen. ARNIC wird Ihnen sagen, welche Daten ein FMS über ein Verfahren haben wird, und DO-178C wird Ihnen alles darüber sagen, wogegen ein FMS widerstandsfähig sein muss. Vielleicht können Sie einige Ihrer Fragen mit diesen Dokumenten beantworten.
Noah nochmals vielen Dank für Ihr Feedback, sehr zu schätzen. Ich habe meine Frage bearbeitet, um eine letzte Sache zu einer Idee zu klären, die ich basierend auf Ihrem Beitrag habe. Könnten Sie es sich ansehen und auch Ratschläge zu den demonstrierten Beispielen geben?
Ah okay, jetzt verstehe ich mehr von dem, was du fragst. Ich könnte es als separate Antwort angeben, da es für diese Antwort wirklich wenig Relevanz hat.
Gibt es ein Handbuch, das das algorithmische Verfahren beschreibt, auf dem die Vertical Navigation Guidance basiert?
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