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基于轨迹的感测与规避

阅读：918发布：2024-01-16

专利汇可以提供基于轨迹的感测与规避专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且提供一种在飞行器 (100)上使用的基于轨迹的感测与规避系统(168)，其利用4‑D构造(166、192)，例如4‑D轨迹或4‑D多面体，来保持与其他飞行器(118)的间隔和/或规避与其他飞行器(118)的碰撞。在某些实施例中，该基于轨迹的感测与规避系统(168)利用从外部源提供的4‑D轨迹和/或基于操作期间多种数据源而评估的4‑D轨迹。，下面是基于轨迹的感测与规避专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种感测与规避系统（168），包括：
机载传感器组（162），其配置成检测飞行障碍物；
冲突检测模块（170），其配置成接收飞行器（100）的四维4-D轨迹（192）和表示其他飞行器（118）的轨迹的或所述飞行器（100）要与之保持间隔的区域的4-D构造（166），其中所述冲突检测模块（170）确定所述飞行器（100）的所述4-D轨迹（192）与所述4-D构造（166）之间是否存在冲突；
冲突解决模块（172），其配置成从所述冲突检测模块（170）接收信息，其中所述冲突解决模块（172）生成对所述飞行器（100）的所述4-D轨迹（192）的更改以规避所述冲突；以及轨迹预测模块（164），其配置成从外部通信链路和所述机载传感器组两者接收输入，基于从所述外部通信链路和所述机载传感器组中的一者或两者得出的数据而预测表示其它飞行器在时间上的轨迹的所述4-D构造的位置和形状，以及将与每个所预测的表示其它飞行器的轨迹的4-D构造相关联的不确定性基于在预测相应4-D构造中使用的数据源的数量和与预测所述相应4-D构造中使用的每个数据源相关联的置信度。
2.根据权利要求1所述的感测与规避系统（168），其中由所述飞行器（100）的飞行管理系统（180）将所述飞行器（100）的所述4-D轨迹（192）提供到所述冲突检测模块（170）。
3.根据权利要求1所述的感测与规避系统（168），其中由所述飞行器（100）外部的源来提供所述4-D构造（166）。
4.根据权利要求1所述的感测与规避系统（168），其中所述外部通信链路是空中交通控制系统（108）、其他飞行器（118）以及地面控制站（102）中的一个或多个。
5.根据权利要求1所述的感测与规避系统（168），其中所述冲突解决模块（172）将所述更改传送到飞行管理系统（180）以修改所述飞行器（100）的所述4-D轨迹（192）。
6.根据权利要求1所述的感测与规避系统（168），包括：
碰撞检测模块（174），其配置成基于至少由所述飞行器（100）的传感器组（162）提供的数据来检测所述飞行器（100）的潜在碰撞；以及
碰撞解决模块（176），其配置成从所述碰撞检测模块（174）接收所述潜在碰撞的通知，并直接向飞行控制系统（190）发出指令以规避所述潜在碰撞。
7.根据权利要求6所述的感测与规避系统（168），其中所述冲突检测模块（170）、所述冲突解决模块（172）、所述碰撞检测模块（174）和所述碰撞解决模块（176）的操作取决于对所述冲突或潜在碰撞识别的时间范围。
8.根据权利要求7所述的感测与规避系统（168），其中由所述冲突检测模块（170）和所述冲突解决模块（172）来处理被确定为在紧急时间范围外的冲突或潜在碰撞，以及其中由所述碰撞检测模块（174）和所述碰撞解决模块（176）来处理被确定为在所述紧急时间范围内的冲突或潜在碰撞。
9.一种飞行器（100），包括：
基于轨迹的感测与规避系统（168），其配置成基于4-D轨迹或构造（166、192）来检测潜在冲突或碰撞；
其中使用由所述飞行器（100）的飞行管理系统（180）生成的所述飞行器（100）的4-D轨迹（192）和由所述飞行器（100）外部的源提供的4-D构造（166）来识别在战略时间范围内发生的潜在冲突或碰撞；
其中使用由所述飞行器（100）的所述飞行管理系统（180）生成的所述飞行器（100）的所述4-D轨迹（192）和4-D构造（166）来识别在战术时间范围内发生的潜在冲突或碰撞，其中所述4-D构造（166）至少部分是由所述飞行器（100）机载的预测器模块（164）生成的；以及其中至少部分地基于机载传感器组（162）生成的数据来识别被评估为在临界时间范围内发生的潜在冲突或碰撞。
10.根据权利要求9所述的飞行器（100），其中所述战略时间范围是10分钟或更大，所述战术时间范围介于1与10分钟之间，以及所述临界时间范围是1分钟或更小。
11.根据权利要求9所述的飞行器（100），其中通过确定对所述飞行器（100）的所述4-D轨迹（192）的更改并使用所述飞行管理系统（180）实施对所述4-D轨迹（192）的更改来规避被评估为在所述战略时间范围或所述战术时间范围内发生的潜在冲突或碰撞。
12.根据权利要求9所述的飞行器（100），其中由碰撞解决模块（176）接管飞行控制系统（190）的直接控制来规避被评估为在所述临界时间范围内发生的潜在冲突或碰撞，以便规避所述潜在冲突或碰撞。
13.根据权利要求9所述的飞行器（100），其中所述飞行器（100）包括无人驾驶运输工具或精简机组成员飞行器。

说明书全文

基于轨迹的感测与规避

背景技术

[0001] 本文公开的本发明主题涉及飞行器(aircraft)方面的碰撞预测和规避，例如无人驾驶航空系统或精简机组人员随机飞行的有人驾驶飞行器。

[0002] 无人驾驶航空系统(UAS)是包括可以从地面(即以遥控方式)导航和/或或多或少自主地(即，无直接的人控制或监控)飞行的航空运输工具(aerial vehicle)的系统。UAS还可以由地面控制站和与该地面控制站通信并受其控制的一个或若干此类飞行器组成。此类系统的空中组成部分的大小可以在从几克到数吨的范围内，并且开始在航空航天领域中变得更为盛行。民用可以包括诸如农作物喷洒农药、电力线路检查、大气研究、数据链路中继和交通/安全监控的作用。

[0003] 取消飞行员较之有人驾驶飞行器在机动性能、尺寸、有效负载和续航力制约等方面为UAS平台设计人员提供额外的自由。再有，一般认为，UAS在生存性和消耗性方面以及成本效率上提供多个优点。因此，UAS为自主地或以实质性缩减的人力来执行高风险、危险及单调的任务提供了机会。

[0004] 尽管有这些优点，但是仍存在有关UAS的操作以及将UAS集成到管制的或商用空域中的若干难题，这些难题包括安全性和可靠性以及成本和规范。面对UAS的一个安全性难题是，要能够感测和检测其他空中的飞行器从而规避空中碰撞。概念上来说，可以将碰撞规避分成间隔保障和碰撞规避。间隔管理常常通过程序性规则和空中交通控制指令来实现。在没有足够的间隔的情况下需要碰撞规避。碰撞规避在传统上可以依赖于飞行员的“观察和规避”能力，并且还可以依赖于如交通防撞系统(TCAS)和非独立自动监视广播(ADS-B)的协同技术。但是，UAS无法单纯依赖于TCAS和ADS-B系统，因为会有未配备这些系统(即，非协同的)的空域用户。因此，存在允许UAS与其他空中的飞行器保持足够的间隔并在足够的间隔丧失时实施规避措施的系统和/或措施的需要。

发明内容

[0005] 在一个实施例中，提供一种感测与规避系统。感测与规避系统包括冲突检测模块，该冲突检测模块配置成接收飞行器的四维(4-D，即三个空间维加一个时间维)轨迹和表示其他飞行器的轨迹的4-D构造或该飞行器要与之保持间隔的区域。冲突检测模块确定该飞行器的4-D轨迹与该4-D构造之间是否存在冲突。感测与规避系统还包括冲突解决模块，该冲突解决模块配置成从冲突检测模块接收信息。冲突解决模块生成对该飞行器的4-D轨迹的更改以规避冲突。

[0006] 在另一个实施例中，提供一种安装在飞行器上的感测与规避系统。感测与规避系统包括一个或更多通信链路，该一个或更多通信链路配置成与地面控制站、空中交通控制系统或其他飞行器的一个或更多通信。感测与规避系统还包括：传感器组；轨迹预测器模块，其配置成基于从一个或更多通信链路或传感器组接收的数据生成四维(4-D)构造；以及飞行管理系统，其包括轨迹规划模块和轨迹预测模块。轨迹预测模块生成该飞行器的4-D轨迹。感测与规避系统还包括：飞行控制系统，其与飞行管理系统通信并配置成执行来自飞行管理系统的指令以使飞行器沿着4-D轨迹飞行；冲突检测模块，其配置成评估飞行器的4-D轨迹和由轨迹预测器模块生成的或者由地面控制站或空中交通控制系统的一个或更多提供的4-D构造以确定该4-D轨迹与一个或更多4-D构造之间是否存在冲突；以及冲突解决模块，其配置成在冲突的事件中生成对4-D轨迹的更改，并将此更改传送到飞行管理系统以更新4-D轨迹来缓解冲突。

[0007] 在一个附加实施例中，提供一种飞行器。该飞行器包括基于轨迹的感测与规避系统，该感测与规避系统配置成基于4-D轨迹或构造来检测潜在的冲突或碰撞。使用由该飞行器的飞行管理系统生成的飞行器的4-D轨迹和飞行器外部的源提供的4-D构造来识别被评估为在战略时间范围(time frame)内发生的潜在冲突或碰撞。使用由该飞行器的飞行管理系统生成的飞行器的4-D轨迹和其中一些至少部分地由该飞行器的机载预测器模块提供的4-D构造来识别被评估为在战术时间范围内发生的潜在冲突或碰撞。至少部分地基于由机载传感器组生成的数据来识别被评估为在关键时间范围内发生的潜在的冲突或碰撞。
附图说明

[0008] 当参考附图阅读下面的详细描述时，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，贯穿附图中，相似的符号表示相似部件，其中：

[0009] 图1示出根据本公开的多个方面的、在飞行器与其他飞行器或地基实体之间可能存在的通信链路；

[0010] 图2示出根据本公开的多个方面的基于轨迹的感测与规避系统；

[0011] 图3提供根据本公开的多个方面的、不同时域及其与使用基于轨迹的感测与规避系统的关系的图形描绘；

[0012] 图4示出根据本公开的多个方面的、负责保持与其他飞行器的战略间隔的基于轨迹的感测与规避系统的一个实现；

[0013] 图5示出根据本公开的多个方面的、负责保持与其他飞行器的战术间隔和/或规避的基于轨迹的感测与规避系统的一个实现；以及

[0014] 图6示出根据本公开的多个方面的、负责碰撞规避的基于轨迹的感测与规避系统的一个实现。

具体实施方式

[0015] 下面将描述一个或更多特定实施例。尽力提供对这些实施例的简明描述，本说明书中并未描述实际实现的所有特征。应该认识到在任何此类实际实现的开发中，与任何工程或设计项目中一样，必须作出多种实现特定的决策以便达到开发者的特定目标，如与系统相关以及业务相关的制约相符，这对于不同的实现可能是有所变化的。再者，应该认识到，对于从本公开获益的本领域普通技术人员来说，此类开发工作可能是复杂且耗时的，但是尽管如此仍是设计、制造和加工的例行工作。

[0016] 再有，提供每个示例或实施例以利于本发明的某些方面的解释，且不应解释为限制本发明的范围。实际上，在不背离本发明的范围或精神的情况下可以在本发明中进行多种修改和改变，这对本领域技术人员是显而易见的。例如，可以将作为一个实施例或示例的部分而图示或描述的特征与另一个实施例或示例一起使用来获得再一个实施例。因此，本公开预计涵盖在所附权利要求及其等效物的范围内的此类修改和改变。

[0017] 本公开涉及在飞行器(例如无人驾驶航空系统(UAS)的飞行器)中使用的感测与规避系统。感测与规避系统有权访问并利用来自多个源的信息(例如，地面控制器、空中交通控制系统、机载传感器、直接从其他飞行器传送的应答器(transponder)信息等)。具体来说，在某些实施例中，感测与规避系统利用可用的信息来生成该飞行器以及所有其他已知飞行器或状况(例如，气象危害、受限空域、通信死区等)的四维轨迹。基于四维(4-D)轨迹，感测与规避系统控制飞行器以便与其他飞行器和/或已知状况保持适合的间隔，或者如果间隔丧失，则规避该飞行器或状况。正如将认识到的，虽然本文论述主要集中于UAS，但是在其他实施例中，本文论述的这些方式还可以应用于有人驾驶飞行器，例如有精简机组人员(例如，单个飞行员)随机工作或延长时间在自动驾驶状态下工作的有人驾驶飞行器。

[0018] 考虑前文的注解，并转到图1，其中图示出飞行器以及与飞行器100通信的其他实体的示图。在飞行器100是UAS的空中组成部分的实施例中，一个此类实体可以是经由数据链路104正与飞行器100通信的地面控制站102，通过数据链路104向飞行器100发送指令(例如飞行指令或遥控命令)，以及通过数据链路104从飞行器100向地面控制站102发送信息或数据(例如，视频或其他传感器数据、位置数据和/或飞行及航空电子数据)。地面控制站102可以同时控制一个或多于一个飞行器100。

[0019] 飞行器100还可以与空中交通控制系统108通信。空中交通控制系统108可以经由数据链路110向飞行器100提供有关正被空中交通控制系统108跟踪的其他飞行器的信息。飞行器100可以经由数据链路110将位置数据和/或飞行及航空电子数据传送到空中交通控制系统108。此外，空中交通控制系统108可以将可能与为飞行器100建立航向相关的其他类型的信息传送到飞行器100，例如其他飞行器的意向或轨迹信息、气象通报和/或有关受限空域的信息。

[0020] 在所示出的实现中，空中交通控制系统108和地面控制站102也彼此通信。在此类情况中，空中交通控制系统108可以经由数据链路112向地面控制站102提供有关由空中交通控制系统108跟踪的飞行器的信息。以此方式，如果空中交通控制系统108与飞行器100之间失去通信，则可以经由地面控制站102获取正常情况下从空中交通控制系统108获取的一些或全部信息。同样地，在所示出的实施例中，地面控制站102可以经由数据链路14向空中交通控制系统108传送数据。此类数据的示例可以包括但不限于与飞行器100关联的飞行计划或任务剖面图(mission profile)和/或飞行器100的状态。

[0021] 此外，飞行器100可以与通信范围内的其他飞行器118直接通信。例如，就飞行器100和/或其他飞行器118配备交通防撞系统(TCAS)和/或非独立自动监视广播(ADS-B)系统的情况而言，此类系统可以在飞行器之间(例如经由数据链路120)直接通信以提供有关每个飞行器各自的速度、位置、高度和/或预计航向(即，意向通信)。通常，在TCAS和ADS-B系统的情况中，所讨论的两个飞行器都必须配备所讨论系统。在某些实施例中，两个飞行器可能配备允许飞行器之间进行协同响应的系统(例如，TCAS或ADS-B)。在其他实施例中，仅其中一个飞行器可能如此配备，而其他飞行器可以能够传输有限的位置或意向信息。在此类实施例中，较具能力的飞行器(例如配备TCAS的飞行器)可以在指引较具能力的飞行器时单方使用欠能力的飞行器提供的此类信息。正如本文所使用的，配备TCAS、ADS-B或类似系统的飞行器称为协同的，而未配备TCAS、ADS-B或类似系统的飞行器称为非协同的。

[0022] 虽然地面控制站102、空中交通控制系统108和/或其他飞行器118对于飞行器100都表示可能的信息源，但是飞行器100还可以具有可用于感测与规避操作的机载信息源。例如，飞行器100可以配备机载传感器组，诸如雷达、光雷达、红外线(IR)和/或可用于确认接近度或者其他方式可能未检测到的其他飞行器(如非协同飞行器)的视频系统。在某些实施例中，可以通过一个或更多适合的算法来增强机载传感器的操作或监视，该一个或更多算法有助于障碍物早期检测和感测。同样地，在某些实现中，可以通过扩展传感器的范围以形成覆盖已知盲点和/或扩展现有覆盖体积的传感器范围的有效传感器范围来解决机载传感器封装件的盲点(如果有的话)和/或有限的范围。

[0023] 考虑前述的信息源，感测与规避系统的本实施例利用或融合来自这些源的一些或全部可用数据以实现期望的感测与规避功能性。例如，在某些实现中，基于从机载传感器组、其他飞行器118、地面控制站102(如果适用的话)和/或空中交通控制系统108获取的一些或所有组合信息来导出其他飞行器或所关心区域(即，恶劣气象、呈现差的或受限的通信质量的区域和/或受限空域)的四维(空间上的三维和时间上的一维)构造(例如，4-D轨迹或4-D多面体)。还可以使用设有此类轨迹预测功能性的机载飞行器管理系统为飞行器100计算4-D轨迹。此类飞行管理系统的示例包括可从通用电气公司获得的某些飞行管理系统。

[0024] 以此方式，飞行器100的感测与规避系统获取相关空域内的所有其他飞行器或相关状况的情景意识(situational awareness)。可以评估4-D轨迹或多面体以找出潜在的冲突(即，探测到的冲突)以及基于此评估对飞行器100进行航向变更或校正。在一个实施例中，如本文论述的，感测与规避系统使用被接受以与空中交通管理系统(如地基空中交通管理系统)一起使用的冲突探测方法和算法。作为示例，一个此类冲突探测功能见于可从洛克希德·马丁公司获得的航路自动化现代化(En Route Automation Modernization)(ERAM)系统。

[0025] 这种基于轨迹的感测与规避方式可使飞行器100能够感测与规避碰撞，并提供与其他飞行器、恶劣气象和/或受限空域的自行间隔。在某些实现中，如本文论述的，基于轨迹的感测与规避系统将如下因素的其中一些或全部纳入考虑：传感器检测处于潜在冲突中的飞行器的精确度、两个飞行器的飞行动力学、与飞行器的导航系统关联的精确度和/或延迟时间和/或碰撞规避逻辑。在一个实施例中，基于轨迹的感测与规避系统利用碰撞预测冲突探测来识别潜在的威胁，然后利用来自机载飞行管理系统(FMS)的轨迹生成能力以创建规避所预测的冲突的新轨迹。

[0026] 图2示出适于安装在飞行器100上的机载基于轨迹的感测与规避系统的一个实施例的特征。在此示例中，正如上文所述，基于轨迹的感测与规避系统包括用于与地基实体和其他飞行器通信的多种通信链路或电路。例如，在UAS的情况中，基于轨迹的感测与规避系统可以包括与地面控制站102的通信链路152。此通信链路152可以用于从地面控制站102向飞行器100传送命令以及将信息转发回地面控制站102。

[0027] 同样地，可以在飞行器100与空中交通控制系统108之间提供通信链路154。此通信链路154可允许空中交通控制108通过轨迹同步和轨迹协商来执行轨迹管理。通过链路154，其他形式的战术空中交通控制也是可能的。例如，空中交通控制108还可以通过链路154来传输引导信息。同样地，还可以经由通信链路154(或在另一个实施例中经由通信链路152)来将其他类型的信息，例如气象通报或有关受限空域的区域的信息传送到飞行器100。

[0028] 此外，在飞行器100配备TCAS或ADS-B系统的实施例中，可以在操作各自的TCAS或ADS-B系统的飞行器100与其他飞行器118之间(即，协同飞行器之间)提供通信链路156。在此类实施例中，飞行器100能够从其他飞行器118(包括有人驾驶飞行器)接收信息以及向其传输信息。例如，如果飞行器100配备ADS-B应答器，则它会通过应答器从附近的飞行器获得监视信息。在一个实施例中，为了间隔管理和碰撞避免，所有形式的协同飞行器通过通信链路156与飞行器100通信。

[0029] 再有，如上文提到的，地面控制站102(在适用的情况下)和空中交通控制108可以经由例如链路160相互通信。链路160可以使由空中交通控制108提供的空中交通信息为地面控制站102可获得。如果地面控制站102接收到有关周围交通的足够信息，则在UAS与空中交通控制108之间失去链路的情况下，地面控制站102能够将此信息转发到UAS。此外，可以在出发之前将任务剖面图和飞行计划信息从地面控制站102转发到空中交通控制108。

[0030] 在示出的实施例中，该基于轨迹的感测与规避系统还包括机载传感器组162或与之通信。该机载传感器组162可以包括具有互补的感测模态的一组传感器，这些传感器向飞行器100提供人类飞行员所拥有的观察与规避能力。但是，不同于观察与规避环境，这些传感器还可以帮助找出入侵飞行器或不符合可见飞行状况的状况中的其他冲突。可以包括在机载传感器组162中的传感器的示例包括雷达、光雷达、红外线(IR)和/或视频系统。

[0031] 所示出的基于轨迹的感测与规避系统的示例还包括轨迹预测模块164，轨迹预测模块164从上文的通信链路中的一个或更多通信链路以及机载传感器组162接收输入。该轨迹预测模块164可以作为通过软件和/或硬件实施的一个或更多适合的算法来实施，其从一个或更多通信链路和/或机载传感器组162接受输入数据，并且输出飞行器100附近的感测的或已知的飞行器的4-D构造166(例如4-D轨迹预测)，包括有关与这些预测关联的不确定性的信息。

[0032] 例如，在一个实施例中，轨迹预测模块164可以作为从若干源获取其输入的传感器融合单元来提供。例如，轨迹预测模块164可以将经由外部通信链路152、154、156获得的明确冲突信息以及通过自有传感器组162导出的信息进行组合以预测时间上三维构造的位置和形状的演变。此模块生成的4-D构造166之一是与飞行器100共享相同的空域的其他飞行器的预测4-D轨迹。此外，其他4-D预测构造166可以对应于飞行器100需要规避的其他冲突源，例如，对流气象、受限用户空域或与飞行器的高动态轨迹(例如UAS，其中特定轨迹可能未知)关联的约束区。可以将这些更一般形式的冲突建模为4维多面体(多面体的4维版本)或匹配感测并规定子系统168中的由冲突检测模块170处理的适当格式的概率性4-D多面体。在某些实施例中，随着用于轨迹预测的源的置信度和数量增加，由模块164提供的轨迹预测功能性提高其预测的质量。相反，基于最小输入集合，例如仅基于机载传感器组162的预测可能被认为有更大的关联不确定性。

[0033] 飞行器100的4-D轨迹本身可以由与飞行器100关联的飞行管理系统180的组成部分生成。飞行管理系统180可以包括如轨迹同步模块182和轨迹协商模块184的模块，它们都利于基于轨迹的操作。此外，飞行管理系统180可以包括轨迹规划模块186和轨迹预测模块188，在某些实施例中，轨迹预测模块188预测飞行器100本身的4-D轨迹并向本文论述的感测与规避子系统168的冲突检测模块170提供所预测的4-D轨迹192。轨迹规划在飞行管理系统180中使用诸如以下的多个输入来执行：飞行计划、性能参数、协商参数、冲突解决等。飞行管理系统180的功能之一是沿着规划过程中生成的轨迹192引导飞行器100。在其他实现中，轨迹规划和/或预测可以由地基空中交通管理来执行，并经由适当的通信链路110将其提供到飞行管理系统180。

[0034] 由飞行管理系统180生成的指令或命令可以在飞行控制系统190处实施。在某些实施例中，飞行控制系统190是指低级控制系统(例如，自动驾驶)，其根据飞行管理系统180所确定的，指令飞行器的控制接口以实现适于每个飞行阶段和飞行器配置的飞行模式。在某些实现中，本文论述的冲突规避功能可以在需要时接管飞行控制系统190的控制。

[0035] 所示出的基于轨迹的感测与规避系统还包括感测与规避子系统168。在所示出的实施例中，该感测与规避子系统168提供多层功能性，其中每个层在不同的时间层上起作用，例如图3所示的战略规划层、战术间隔层和冲突规避层。例如，一个功能性层可以是间隔管理层，其起作用以保持飞行器100与其他飞行器之间的足够间隔。在示出的实施例中，间隔管理层可以通过冲突检测模块170和冲突解决模块172来实施。在这种实施例中，冲突检测模块170可以将空中交通控制108和/或轨迹预测模块164提供的同步的4-D构造和飞行器本身的4-D轨迹192作为输入来接收。这些同步的4-D轨迹和/或多面体(即，构造)可以是由冲突检测模块170探测的冲突，并且可以将任何潜在的冲突作为输入提供到冲突解决模块172，然后冲突解决模块172又可以向飞行管理系统180提供建议或指令，以便可以更改飞行器100的4-D轨迹来保持与潜在冲突的适合间隔。因此，间隔管理层与飞行管理系统180结合来工作，飞行管理系统180在轨迹规划过程中将冲突解决模块172的冲突解决输出纳入考虑。

[0036] 因此，在一个此类实现中，间隔管理层起作用以防止飞行器100的4-D轨迹192侵犯其他飞行器的受保护空域区，或者以防止飞行器100的4-D轨迹192太靠近受限空域、恶劣气象区域或易遭遇差的通信或通信干扰的区域。以此方式，间隔管理层起作用以确保由飞行管理系统180生成的4-D轨迹192是无冲突的。

[0037] 所示出的感测与规避子系统168的功能性的另一个层是碰撞规避层，其通过碰撞检测模块174和碰撞解决模块176来实施。在一个此类实现中，碰撞规避层在实现自行间隔的其他措施失效时被激活。在此类情况中，紧急碰撞规避机动的需要可以包括飞行管理功能，从而接管飞行控制系统190的控制。例如，在所示出的实现中，碰撞检测模块174直接从机载传感器组162接收输入。基于这些输入，如果碰撞检测模块174确定冲突是可能的或看上去可能，则向碰撞解决模块176发出适当的指令，其接管飞行控制系统190的控制以防止碰撞。

[0038] 在某些实现中，采用来保持间隔和/或规避碰撞的逻辑是对时间敏感的。在此类实现中，可以将不同的动作或不同类型的信息与不同的时间范围关联。例如，转到图3和图4，其中在长范围处(例如侵犯前10分钟或更多时间)检测到潜在的侵犯最小间隔距离的情况下，所导致的动作可以视为战略轨迹管理。虽然10分钟是可用于定义战略轨迹管理的界限的时间段的一个示例，但是在其他实现中，此界限可以按其他时间段来定义和/或可以基于多种其他因素来确定，例如所讨论飞行器的速度和/或机动性。在一个示例中，确定冲突(例如，指定间隔距离的侵犯)的概率时通常依据的信息通常基于机载传感器组162范围外的信息。例如，此类战略信息可以包括从获得自空中交通管理设施(即，空中交通控制108)和/或地面控制站102(在飞行器100是UAS的实施例中)的数据而生成的所有4-D构造166。在某些实施例中，直接从空中交通控制通信获得4-D轨迹数据(即，空中交通控制提供所有附近飞行器的4-D轨迹)。在此类实施例中，可以不利用机载轨迹预测模块164来评估4-D轨迹数据，因为所需的4-D轨迹数据已经以冲突检测模块170可用的形式存在。

[0039] 在战略轨迹管理情况中，冲突检测模块170和冲突解决模块172可以将潜在冲突以及在某些实现中要采取的校正动作传送到飞行管理系统180。在某些实施例中，飞行管理系统180可以将潜在冲突传送到空中交通控制108，空中交通控制108又可以生成适当的指令和航向校正以规避该潜在冲突。在其他实施例中，飞行管理系统180本身可以通过轨迹规划模块186和轨迹预测模块188为飞行器100生成满足由冲突检测模块170管理的冲突探测的制约的新的消除冲突4-D轨迹192。然后可以将新的4-D轨迹192传送到空中交通控制108以达到轨迹同步的目的或最终如果所提出的轨迹校正对于空中交通控制不可接受则触发轨迹协商过程。

[0040] 转到图3和图5，在战术间隔管理示例中，解决潜在冲突的时间范围更小，如在1分钟与10分钟之间。与战略轨迹管理的情况一样，定义战术间隔管理的实际时间区间可以有所变化和/或可以基于多种因素来确定，例如所讨论飞行器的速度和/或机动性、有效的传感器范围等。对于战术间隔情况中涉及的距离，可以在计算用于作出冲突确定的4-D轨迹166时使用由机载传感器组162获得的数据和/或来自其他飞行器118的空对空通信。在一个实施例中，可以将基于由其他飞行器118或由机载传感器组162提供的数据而评估的4-D轨迹与空中交通管理4-D轨迹数据融合以提高数据的质量(例如，降低误报
(falsepositive))。基于组合信息的此4-D轨迹数据166可以兼由机载感测与规避子系统
168使用和/或发送回地面空中交通控制系统108。

[0041] 在战术间隔管理的一个实现中，冲突检测模块170和冲突解决模块172可以将潜在冲突和要采取的校正动作传送到飞行管理系统180。飞行管理系统180又通过轨迹规划模块186和轨迹预测模块188为飞行器100生成满足由冲突检测模块170管理的冲突探测的制约的新的消除冲突4-D轨迹192。然后可以将新的4-D轨迹192传送到空中交通控制108以达到同步或协商目的。

[0042] 转向图3和图6，在一个实现中，如果冲突的时间范围达到临界紧急时间范围(例如，小于1分钟)，则基于4-D轨迹的冲突规避功能接管以解决冲突。正如将认识到的，在其内冲突被视为紧急的实际时间范围对于不同飞行器可以有所变化，例如基于为该飞行器定义的受保护空域区和/或基于该飞行器的速度和/或机动性。在一个此类示例中，虽然还可以利用来自协同飞行器的意向通信(如果有的话)，但是完全由机载传感器组162导出所依据的数据。在一个示例中，在至少基于被提供到碰撞检测模块174的机载传感器数据来将碰撞确定为危机的情况中，可以将来自碰撞检测模块174的轨迹数据直接提供到碰撞解决模块176。在此示例中，碰撞解决模块176又从飞行管理系统180接管飞行控制系统190的临时控制以实施必要的冲突规避机动。一旦该冲突被规避，则将控制返回到飞行管理系统180。

[0043] 虽然前文覆盖基于轨迹的感测与规避的某些方面，因为它涉及碰撞规避，还可以将与轨迹规划相关的其他问题涵盖在基于轨迹的操作中。例如，在飞行器100是无人的实现中，通常不期望与飞行器失去通信。在此类情况中，可以通过在轨迹规划、间隔和规避算法中对通信覆盖(例如，链路可用性)制定明确的准则来降低失去与飞行器的通信链路的概率。

[0044] 例如，在轨迹规划中，可以采用飞行器与地面控制站102和/或空中交通控制108之间的通信链路的可用性的附加制约。在一个此类示例中，可以将将要行进的规划空域划分成多个子体积，这些子体积各具有通信质量或成功率的关联概率，从而创建通信可用性地图。这样飞行器100的规划轨迹(在本示例中为无人驾驶运输工具)可以将轨迹规划过程中的通信可用性纳入考虑。再有，在失去通信或通信劣化的情况中，飞行器100可以基于通信可用性地图实施轨迹更改，以沿着规划航线将飞行器100机动到最接近的高概率通信点。在此方式中，可以加强成功通信链路可用性，同时仍将与初始或规划轨迹的偏离减少到最小。

[0045] 相似地，轨迹规划算法可以在生成飞行器100(例如，UAS)的轨迹时将可能影响通信质量的气象状况纳入考虑。例如，可能负面地影响通信的坏天气可以用于确证规划轨迹或规避该坏气象的轨迹更改，并且保持与飞行器10的持续通信的高概率。以此方式，可以将气象预测和模式并入轨迹规划中以便维持通信。

[0046] 考虑前文论述，提供以下示例进一步说明本基于轨迹的感测与规避方式的多个方面。在第一示例中，将UAS从制造设备移交到操作场所。在此示例中，可以通过将重心转移到战略时间层中的基于轨迹的管理，为UAS操作将对感测与规避能力的依赖(这本质上是战术性的)减到最小或将其消除。具体来说，此示例涉及到并入了高级4-D轨迹同步、协商机制和机载传感器组的融合的基于轨迹的感测与规避实现。

[0047] 在此第一示例中，运营机构创建并提交UAS的飞行计划。提交的飞行计划获批准，并产生围绕UAS航线的出发点和到达点建立并通过NOTAMS分发的一组临时飞行限制(TFR)。UAS在基于轨迹的感测与规避支持下起飞。UAS爬高到18,000英尺。在爬高的过程中，由UAS和空中交通控制108将所需的UAS轨迹附近的其他交通情况纳入考虑来协商轨迹的A类空域部分。从此点起，UAS轨迹与典型的商用飞机轨迹没有区别。轨迹同步确保空中交通控制108具有该UAS的4D轨迹和意向的情景意识。轨迹同步和轨迹协商都是A类空域操作中UAS的启用机制。在此示例中，ADS-B系统显示预计9分钟内将处于小于最小间隔的距离处的飞行器。
在UAS上激活机载战略间隔算法，从而导致生成新提出的轨迹，并将其传送到空中交通控制
108。当从交通控制获得批准时，将该新轨迹与机载飞行管理系统同步。随着UAS接近其A类空域轨迹段的末端，开始下降，并完成在目的地机场的着陆。

[0048] 在第二示例中，描述潜在监视实现。在此示例中，不同于其中可设想点到点行进方案的的第一示例，该UAS操作不太可能包括像商用飞行器那样的轨迹。在此示例中，UAS在与空中交通控制服务108反复地再协商的500和18,000英尺之间以耐航模式(loitering pattern)飞行。启动轨迹同步以向空中交通控制108提供UAS的精确位置。UAS基于其战略和战术任务要求以及性能限制和威胁优先级来协商轨道。在正常情况下，商用空中交通保持不受UAS的存在的大影响，因为UAS采用其耐航模式来适应商用交通并且不引人注目。

[0049] 但是，在此示例中，如果检测到高优先级主体，则情况逆反。在此类情况中，将由空中交通控制108重新协商商用交通航线以给高优先级UAS轨迹让路。相似的情况可以发生在需要立即紧急着陆时的UAS失效的情况。同样地，当所讨论飞行器具有精简机组人员(例如，单个飞行员)的有人驾驶飞行器时可能发生相应的情况。在飞行员变为物理上丧失能力时的情况中，此类飞行器实质上变成UAS。

[0050] 返回到UAS监视方案，UAS最初可以与空中交通控制108就提出的耐航模式进行协商。在此示例中，空域中的交通情况不繁忙，并且UAS耐航模式获得批准。航途中，机载传感器162检测到碰撞评估小于2分钟的接近目标。机载战术间隔算法被激活，机载飞行管理系统180生成轨迹以规避碰撞。基于新轨迹，UAS更改轨迹以规避碰撞。在实现碰撞规避之后，UAS将其新轨迹传送到空中交通控制108，并且机载飞行管理系统180生成以最小偏差返回原规划轨迹的轨迹。

[0051] 继续此示例，在航途中，失去与地面控制120的通信(人机闭环：pilot in the loop)。基于此失去通信，UAS飞向成功通信链路概率高的预定义的位置，并耐航飞行，直到恢复通信链路为止。如果恢复通信链路，UAS以与原始轨迹的最小偏离以及最大成功通信链路概率继续其规划轨迹。但是，如果通信链路未恢复，则UAS自主地着陆，并且被赋予相邻交通之中的通行权(right of way)。根据其他示例，在失去通信时，UAS而是可以继续上次获批的飞行计划，并且空中交通控制可以使其他飞行器绕开失去通信的UAS，直到通信恢复为止。

[0052] 本发明的技术效果包括配置成使用4-D轨迹的机载分析来与其他飞行器保持间隔的飞行器，如UAS或精简机组人员飞行器。这些轨迹可以由外部源，例如空中交通控制系统提供，或由机载系统，例如轨迹预测器模块和/或飞行管理系统生成。本发明的技术效果还包括配置成使用4-D轨迹的机载分析来保持规避碰撞的飞行器，如UAS或精简机组人员飞行器。这些轨迹可以由外部源，例如空中交通控制系统提供，或由机载系统，例如轨迹预测器模块和/或飞行管理系统生成。

[0053] 本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳实施方式，并且还使得本领域任何技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何设备或系统以及执行任何结合的方法。本发明的可专利范围由权利要求定义，并且可以包括本领域技术人员可设想到的其他示例。如果此类其他示例具有与权利要求的字面语言相同的结构元素或如果它们包括与权利要求的字面语言无实质性差别的等效结构元素，它们预计在权利要求的范围内。

[0054] 附图标记说明

[0055]  100   飞行器
  102   地面控制站
  104   数据链路-飞行器/地面控制站
  108   空中交通控制
  110   数据链路-飞行器/空中交通控制
  112   数据链路-雷达交通
  114   数据链路-任务概览/UAS状态
  118   其他飞行器
  120   数据链路-飞行器/其他飞行器
  152   通信链路-地面控制
  154   通信链路-空中交通控制
  156   通信链路-其他飞行器
  160   数据链路-地面控制站/空中交通控制
  162   机载传感器组
  164   轨迹预测模块(其他)
  166   4-D轨迹构造/预测(其他)
  168   感测与规避子系统
  170   冲突检测模块
  172   冲突解决模块
  174   碰撞检测模块
  176   碰撞解决模块
  180   飞行管理系统
  182   轨迹同步模块
  184   轨迹协商模块
  186   轨迹规划模块
  188   轨迹预测模块(自己)
  190   飞行器控制系统
  192   4-D轨迹(自己)

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基于轨迹的感测与规避

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