具体实施方式

实施例一

所述包括机轮刹车系统1、机翼扰流板控制器2、冲出跑道预防控制器3、告警模块4、显示模块5、记录模块6、地面跑道数据模块7、发动机控制器8、地面环境模块9、速度传感器10、定位模块11。

其中，所述机轮刹车系统1的刹车控制器的输出端与冲出跑道预防控制器3的第一输入端口联通，冲出跑道预防控制器接收机轮刹车系统发送的机轮刹车系统故障状态信息，所述冲出跑道预防控制器3的第一输入端口接收信息后通过AD模块进行处理。机翼扰流板控制器的输出端与冲出跑道预防控制器的第二输入端口联通，冲出跑道预防控制器接收机翼扰流板控制器发送的机翼扰流板故障状态，所述冲出跑道预防控制器的第二输入端口接收信息后通过AD模块进行处理。地面跑道数据模块的输出端与冲出跑道预防控制器的第三输入端口联通，冲出跑道预防控制器接收地面跑道数据模块发送的跑道信息、机翼扰流板、发动机反推和机轮刹车系统提供的减速率，所述跑道信息包括：跑道长度、接地长度、道面状态、跑道海拔、跑道角度、跑道经纬度、宽度以及飞机设定的着陆轨迹，所述冲出跑道预防控制器的第三输入端口接收信息后通过AD模块进行处理。发动机控制器的输出端与冲出跑道预防控制器的第四输入端口联通，冲出跑道预防控制器接收发动机控制器发送的发动机控制器故障状态信息，所述冲出跑道预防控制器的第四输入端口接收的信息通过AD模块进行处理。地面环境模块的输出端与冲出跑道预防控制器第五输入端口联通，地面环境模块将检测到的飞机预计着陆跑道的风向、风速发送到冲出跑道预防控制器，该冲出跑道预防控制器第五输入端口接收信息后通过AD模块进行处理。速度传感器的输出端与冲出跑道预防控制器的第六输入端口联通，冲出跑道预防控制器接收速度传感器检测的速度信息，所述速度信息包括：主机轮速度、前机轮速度、飞机速度、加速度，该冲出跑道预防控制器的第六输入端口接收信息后通过FPGA模块进行处理。定位模块的输出端与冲出跑道预防控制器的第七输入端口联通，冲出跑道预防控制器接收定位模块发送的飞机实时位置信息，该冲出跑道预防控制器第七输入端口接收信息后通过AD模块进行处理。

跑道预防控制器输出的听觉警告信息，包括警报和语音告警。显示模块的输入端与冲出跑道预防控制器的第二输出端口联通；该显示模块接收冲出跑道预防控制器输出的飞机相对跑道的位置信息，减速到滑行速度所需跑道距离、最严苛跑道距离和偏离跑道距离，用于显示飞机的地面信息。记录模块的输入端与冲出跑道预防控制器的第三输出端口联通，通过该记录模块接收并记录冲出跑道预防控制器发出的系统信息；所述系统信息包括冲出跑道预防系统状态、飞机偏离跑道距离、机轮速度、飞机信息、跑道信息以及故障信息。

地面跑道数据模块的输入端与冲出跑道控制器的第四输出端口联通，地面跑道数据模块接收冲出跑道预防控制器发送的机轮刹车系统、机翼扰流板和发动机的故障状态信息；所述地面跑道数据模块通过故障状态信息匹配机轮刹车系统、机翼扰流板和发动机反推能够提供的飞机减速率。

冲出跑道预防控制器的第五输出端口与机轮刹车系统的刹车控制器输入端联通。所述冲出跑道预防控制器通过刹车电流控制刹车，实现机轮刹车。

冲出跑道预防控制器的第六输出端口与机翼扰流板控制器的输入端联通，冲出跑道预防控制器通过开关量信号控制机翼扰流板的打开。

冲出跑道预防控制器的第七输出端口与发动机控制器的输入端联通，冲出跑道预防控制器通过开关量信号控制发动机控制器，实现通过发动机反推使飞机减速。

所述冲出跑道预防控制器采用现有技术，包括FPGA、DA模块以及AD模块进行，通过所述的FPGA、DA模块以及AD模块接收/传输信息，并通过CPU或DSP实现对获取信息的处理。

所述定位模块采用GPS系统或北斗星系统；地面跑道数据模块用于存储机场的跑道信息，对飞机在选定的着陆的跑道上不同故障状态的机轮刹车系统、机翼扰流板和发动机反推提供的减速率进行数据匹配，将飞机着陆的跑道信息，机轮刹车系统、机翼扰流板和发动机反推提供的减速率信息发送到冲出跑道预防控制器；地面环境模块用于将机场跑道的风速和风向发送到冲出跑道预防控制器。

所述包括机轮刹车系统、机翼扰流板控制器、发动机控制器为现有技术。

实施例二

本实施例提供了一种用于飞机着陆过程中冲出跑道预防的方法，具体过程是：

步骤1，显示飞机下滑偏离轨迹：

当飞机开始下降时，冲出跑道预防系统激活；根据飞机着陆信息，预计飞机的下降轨迹，并将预计的飞机下降轨迹与设定的机场下滑道位置进行比较，判断飞机是否偏离下滑道，当预计的下降轨迹与设定的下滑道位置一致，则认为未发生偏离；当预计的下降轨迹与设定的下滑道位置不一致，则认为发生偏离。若飞机偏离下滑道，显示偏离的位置信息；若飞机未偏离下滑道，显示预期的下滑轨迹。

所述步骤1具体过程如下：

第一步，获取飞机下滑道信息：

通过地面跑道数据模块，按常规方法获取飞机下滑道信息。

所述飞机下滑道信息是指飞机开始下降时的数据，该下降时的数据包括地面惯性坐标系中的下滑道位置信息。通过地面跑道数据模块获得该飞机下滑道信息；该飞机下滑道信息记为其中，g为地面惯性坐标系，为飞机下滑道位置。

所述地面惯性坐标系的坐标原点为飞机滑跑的起始点。该地面惯性坐标系中，X_g轴与飞机运动方向相反，Z_g轴垂直向下，Y_g轴指向符合右手法则。

第二步，确定预计的飞机下降轨迹信息：

采用常规方法确定预计的飞机下降轨迹信息：

当飞机下降高度达到1500ft时，冲出跑道预防系统激活。

冲出跑道预防系统通过速度传感器获取机体坐标系的飞机实时速度，该飞机实时速度记为通过实时速度计算飞机加速度记为其中，为飞机的速度矢量，为机体坐标系中飞机在x轴方向的速度，为机体坐标系中飞机在y轴方向的速度，为机体坐标系中飞机在z轴方向的速度，为飞机的加速度矢量，a_x机体坐标系中飞机在x轴方向的加速度，a_y为机体坐标系中飞机在y轴方向的加速度，a_z为机体坐标系中飞机在z轴方向的加速度，b代表飞机机体坐标系。

冲出跑道预防系统通过位置传感器获得飞机的实时位置信息，记为其中，为机体坐标系飞机的实时位置信息，

冲出跑道预防系统通过地面环境模块获取地面惯性坐标系中的风速和风向，记为其中，为风的速度矢量，为地面坐标系中风在x轴方向的速度，为地面坐标系中风在y轴方向的速度，为地面坐标系中风在z轴方向的速度。

所述飞机机体坐标系的坐标原点是飞机的质心O_b；该飞机机体坐标系中，X_b轴的方向与飞机机头方向一致,Z_b轴的方向垂直且指向飞机下方，Y_b轴指向符合右手法则。

通过公式(1)将机体坐标系转换到地面惯性坐标系：

其中，是飞机滚转角，θ是俯仰角，是偏航角，M_gb是机体坐标系转换到地面惯性坐标系。

通过公式(2)和(3)确定飞机的下降轨迹：

其中，x为飞机的预计下降轨迹在地面惯性坐标系X_g轴的位置信息，y为飞机的预计下降轨迹在地面惯性坐标系Y_g轴的位置信息，为获得的飞机下滑道在地面惯性坐标系X_g轴的位置信息，为获得的飞机下滑道在地面惯性坐标系Y_g轴的位置信息。

第三步，判断预计的飞机下降轨迹是否偏离下滑道：

采用常规方法判断预计的飞机下降轨迹是否偏离下滑道。

采用常规方法判断预计的飞机下降轨迹是否偏离下滑道，并通过显示模块5显示飞机已飞的轨迹以及预计的飞行轨迹，如图3-A所示，图中分别显示出机已飞的轨迹12和预计的飞行轨迹13。

通过公式(4)和(5)判断预计的飞机下降轨迹是否偏离下滑道：

其中，为第一步中获取的下滑道的位置；x、y为第二步中计算得出的预计的飞机下降轨迹；r_XC、r_YC是常数值；

对偏离轨迹进行显示，并向告警系统发送信息，提示偏离下滑道，按照第二步预计的着陆点轨迹，通过显示模块显示偏离下滑道的距离，如图3-B所示。图3-B中，显示了已飞的轨迹12、预计的飞行轨迹13、偏离轨迹14和偏离距离15。

若判断飞机下降轨迹偏离下滑道，则显示飞机偏离位置并告警。

本实施例中所述r_XC为5m，所述r_YC为3m。

步骤2，确定是否需要告警复飞：

冲出跑道预防系统通过分别接收飞机机轮刹车系统、发动机反推以及机翼扰流板三者的故障状态，通过下述第二步确定飞机减速到滑行速度所需正常跑道距离以及最严苛跑道距离，如果所述正常跑道距离的长度和最严苛跑道距离的长度均小于最严苛跑道距离，提供复飞的告警信息；反之，显示飞机所需刹车距离。

所述步骤2具体过程如下：

第一步，分别获取飞机发动机反推是否正常工作、机轮刹车系统、机翼扰流板三者的减速能力：

所述冲出跑道预防系统按常规方法分别获取发动机的故障状态、机轮刹车系统的故障状态以及机翼扰流板的故障状态。所述的故障状态包括：发动机是否能够打开到反推的最大位置；机翼扰流板是否能够完全打开；机轮刹车系统所有通道是否能够正常刹车。

第二步，定义飞机接地点位置矢量以及接地速度矢量：

飞机下降到决断高度前冲出跑道预防系统将计算飞机接地位置、接地速度和加速度。在本实施例中决断高度定义为200ft。

通过公式(6)、(7)和(8)计算飞机接地位置、接地速度和加速度：

其中，表示当前时刻飞机速度，表示当前时刻风速，表示当前时刻飞机加速度，t表示着陆到接地点所需的时间，为接地点的飞机速度，为飞机接地点位置信息。地面跑道数据模块根据第一步中分别收到的机轮刹车系统、发动机反推以及机翼扰流板三者的故障状态，通过跑道以及地面环境分别匹配出发动机反推、机轮刹车系统、机翼扰流板三者能够提供的正常减速率以及最大减速率。根据所述的飞机接地位置、接地速度和加速度信息计算飞机减速到滑行速度所需正常跑道距离以及最严苛跑道距离。

通过公式(9)和(10)计算飞机减速到滑行速度所需的正常跑道距离以及最严苛跑道距离：

其中，代表地面跑道数据模块为飞机匹配的发动机反推提供的减速率、机翼扰流板提供的减速率、以及对应跑道上机轮刹车系统提供的减速率之和；为发动机反推提供的最大减速率、机翼扰流板提供的最大减速率，以及机轮刹车系统提供的最大减速率之和；为飞机减速到滑行速度所需的正常跑道距离；为飞机减速到滑行速度所需的最严苛跑道距离。

第三步，确定复飞告警：

通过地面跑道数据模块，获取跑道信息；所述跑道信息包括跑道距离x_t。

冲出跑道预防系统将第二步计算得出的正常跑道距离、最严苛跑道距离与跑道长度x_t进行比较，如果跑道长度大于等于正常跑道距离，x_t≥x_n时，则认为飞机能够在预定跑道内使飞机停止，通过显示模块显示飞机减速到滑行速度v_mt时所需的跑道距离，如图4-A所示。图4-A中，显示了正常跑道距离17、最严苛跑道距离16和跑道长度18。如果跑道长度小于正常跑道距离且大于等于最严苛跑道距离，x_s≤x_t＜x_n时，则认为飞机应实施最大减速能力才能够使飞机在预定跑道内使飞机停止，显示飞机减速到滑行速度v_mt时所需的跑道距离，如图4-B所示。图4-B中，显示了正常跑道距离17、最严苛跑道距离16和跑道长度18。如果跑道长度小于最严苛跑道距离，x_t＜x_s时，显示飞机减速到滑行速度v_mt时所需的跑道距离，如图4-C所示，并向告警系统发送信息，提示其复飞。图4-C中，显示了正常跑道距离17、最严苛跑道距离16以及跑道长度18。

所述滑行速度v_mt根据不同机型进行设定，本实施例中为60km/h。

如果飞机冲出跑道预防系统在步骤2，第三步中提示复飞，飞行员实施复飞操作，退出冲出跑道预防系统；如果飞行员未进行复飞，继续着陆则进入步骤3。如果飞机冲出跑道预防系统在步骤2，第三步中未提示复飞，则进行步骤4。

步骤3，飞机实施最大减速能力：

冲出跑道预防系统通过分别控制飞机机轮刹车系统、发动机反推以及机翼扰流板，在飞机接地后分别激活飞机机轮刹车系统、发动机反推以及机翼扰流板使飞机减速。

所述使飞机减速的具体过程是：

第一步，分别获取飞机机轮刹车系统、发动机反推以及机翼扰流板三者的控制能力：

第二步，分别激活发动机反推、机翼扰流板以及机轮刹车系统：

在飞机接地后，通过发动机控制器激活发动机反推，使其反推能力达到最大，在机轮充分转动后，通过机轮刹车系统刹车控制器使机轮刹车系统在防滑工作情况下输出最大刹车能力，通过机翼扰流板控制器打开机翼扰流板进行减速。

步骤4，确定飞机减速到滑行速度所需跑道距离：

在飞机着陆减速过程中，确定飞机减速到滑行速度所需跑道距离，并实时显示剩余跑道距离。

所述步骤4具体过程如下：

第一步，获取飞机着陆信息：

在确定所需跑道距离时，通过空速管和定位模块，获取飞机接地后的速度、减速度和位置信息。

第二步，确定飞机减速到滑行速度所需跑道距离：

根据当前飞机速度和加速度计算飞机减速到滑行速度v_mt所需跑道距离，跑道剩余距离为飞机当前位置到地面惯性坐标系原点的距离。

通过公式(11)和(12)计算飞机减速到滑行速度所需跑道距离：

其中，t为飞机减速到滑行速度所需时间，x_n为飞机减速到滑行速度所需跑道距离，y_n为飞机减速到滑行速度时偏离航向的距离。

第三步，显示飞机减速到滑行速度所需跑道距离x_n：

将第二步得到的飞机减速到滑行速度所需跑道距离与跑道剩余距离x_l进行比较。如果跑道剩余距离大于等于飞机减速到滑行速度所需跑道距离x_n，x_l≥x_n时，则认为飞机能够在预定的跑道内使飞机停止，通过显示模块显示所需跑道距离，如图5-A所示。图5-A中，显示了飞机减速到滑行速度所需跑道距离19以及跑道剩余距离20。

如果第二步得到的所需跑道距离大于跑道剩余距离，x_l＜x_n时，则认为飞机在预定的跑道内无法停止，向飞行员提供冲出跑道告警，通过显示模块显示所需跑道距离，如图5-B所示。图5-B中，显示了飞机减速到滑行速度所需跑道距离19以及跑道剩余距离20。

第四步，判断是否提供偏离航向告警

如果飞机在地面坐标系中Y_g方向的位移绝对值|y_n|大于偏离航向门限值y_c，|y_n|＞y_c时，通过显示模块显示飞机偏离航向的距离，如图5-C所示，并向飞行员提供告警信息，提示其偏离航向。图5-C中，显示了偏离距离15、跑道剩余距离20、飞机减速到滑行速度所需跑道距离19。

通过显示模块显示飞机减速到滑行速度v_mt时所需的跑道距离，如图4-A所示。图4-A中，显示了正常跑道距离17、最严苛跑道距离16和跑道长度18。

步骤5，退出/结束：

所述步骤5具体过程如下：

第一步，接收飞机地面速度以及机轮速度：

在判断退出冲出跑道预防系统时，通过飞控系统获取飞机速度，通过机轮刹车系统分别获取飞机前机轮速度和各主机轮速度。

第二步，冲出跑道预防系统退出/结束：

当飞机地面速度小于等于滑行速度，或前机轮速度小于等于滑行速度，或各主机轮速度均小于等于滑行速度时，退出冲出跑道预防系统。在冲出跑道预防系统工作过程中，飞行员通过操纵装置终止冲出跑道预防系统。

至此，完成防止飞机着陆过程中冲出跑道预防。