CN104272364B - 飞行器避让方法以及提供有用于实现所述方法的系统的无人机 - Google Patents

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Abstract

一种使得不具有TCAS系统的航空无人机能够避让入侵飞行器的方法，该方法包括以下步骤：获得入侵飞行器的位置，以便确定航空飞行器和入侵飞行器之间的距离；测量入侵飞行器(10)在水平面中的角速度；以及确定入侵飞行器是否安装有TCAS系统，并且如果是，则接收由入侵飞行器的TCAS传送的解决忠告，并跟随先前确定的避让路径。本发明还提供安装有实现该方法的系统的无人机。

Description

飞行器避让方法以及提供有用于实现所述方法的系统的无人机
本发明涉及飞行器之间的防撞，并且更具体地，涉及与被安装到民用飞行器的机载防撞系统(ACAS)相兼容的确定飞行器避让路径的方法。
本发明还涉及提供有用于执行确定避让所驾驶的飞行器的路径的方法的系统的无人机。
本领域的状态
航空无人机是一种在机上没有人类驾驶员的飞行器。该飞行器可提供有用于按自主方式执行其飞行的自动化系统，并且它还可提供有传感器，并且由地面上的驾驶员来进行远程控制。航空无人机在军事领域(尤其对于战场监视、侦察或实际的地面攻击)有不断增长的用途。
已提议在民用领域使用这样的无人机来执行监视或侦察任务。由于它们很好的飞行续航能力，这样的无人机是有利的，但它们也受到很差的机动性(maneuverability)的困扰，尤其是在其上升或下降能力方面。缺少机上驾驶员意味着无人机无法满足在民用空域中生效的飞行规则，这些规则特别要求飞行器必须能够执行“看见并避让”功能来防撞。结果，无人机没有被授权在未被隔离的空域中(即在与机上有人类驾驶员的民用飞行器相同的位置和相同的时间)飞行。
防撞系统已知用于供安装到被授权进行仪表飞行的特定驾驶飞行器。那个系统被称为空中交通防撞系统(TCAS)，并且它符合依据国际民用航空公约定义的ACAS标准。在欧洲，要求具有十九个以上旅客席的所有商用飞机都安装有那个系统的第II版本，该第II版本包含S模式应答器。该系统被安排成收集关于位于处于2.5英里(4公里(km))到30英里(48km)的范围内的距离处的所有飞行器的航向和位置的信息。该信息主要包括距这样的飞行器的距离、它们的压力高度和近似的方位角信息。被检测到的飞行器被称为“入侵飞行器”。该信息通过询问入侵飞行器的应答器来找回，该应答器可是S模式 或S模式型应答器，并且该信息被TCAS II系统用来确定与“入侵飞行器”的碰撞是否可能发生。术语“碰撞”应该被理解为意指飞行器将在比具有先前输入到该系统中的值的标准更近的距离处彼此交叉相遇。优先权被给予第一飞行器的TCAS II系统(此后被称为“主”TCAS系统)，以进入与其他飞行器的TCAS II系统(此后被称为“从”TCAS系统)的联系。在TCAS系统检测到潜在碰撞的情况下，通过驾驶舱中发出的可听警报来通知每一飞行器的驾驶员。这样的警报被称为“空中交通忠告”。在这样的警报后，如果碰撞的风险没有被降低，并且碰撞看起来即将发生，则主TCAS确定将由安装有该主TCAS的飞行器来执行的避让飞行动作，并且它将包含该信息的解决忠告传送给从TCAS，该从TCAS进而确定协调一致的避让飞行动作。每一解决忠告(RA)还经由导航仪表中包括的显示器被传送给相关的驾驶员，并且它被可听警报备份。该忠告指定与该警报对应的入侵飞行器并且还将控制命令给予驾驶员：维持当前路径、上升、下降或监视垂直速度。当从TCAS从主TCAS接收到了RA时，它将协调一致的控制(maneuver)命令发送给其自己的驾驶员。在大多数场景中，TCAS II系统推荐这些飞行器之一上升，并推荐其他飞行器下降，由此具有非常快速地增加这两架飞行器之间的间隔距离的效果。为了很好的工作，TCAS II系统要求安装有它的飞行器在上升或下降速度方面具有某一最小性能水平。
无人机在上升和下降方面的差机动性以及能够解释TCAS II系统的指令的驾驶员的缺席意味着不可能允许各航空无人机在未被隔离的空域中行进，并因此减缓了无人机用途到诸如民用侦察、火灾预防或道路安全性之类的范围的扩展。通过将无人机的机动性改善为符合执行TCAS系统所指定的避让控制所需的水平将增加这样的飞行器的重量和成本，并将使这样的飞行器的本质性能特征(尤其在续航能力、最小飞行速度、噪声和燃油消耗方面)降级。
发明目的
本发明的目的是向无人机提供“看见和避让”功能，即给予它避免与入侵飞行器碰撞的能力。
发明概述
为此，本发明提供一种使得不具有TCAS系统的航空无人机能够避让入侵飞行器的方法，该方法包括以下步骤：
获得入侵飞行器的位置，以便确定航空无人机和入侵飞行器之间的距离；
测量入侵飞行器在水平面中的角速度；以及
确定入侵飞行器是否安装有TCAS系统，并且如果是，则接收由入侵飞行器的TCAS传送的解决忠告，并确定避让路径。
该方法因此使得航空无人机能够检测并避让入侵飞行器。
在特别有利的实现中，可在水平面中确定避让路径，由此允许无人机有以下机动性：使得该无人机能够不应用TCAS命令，以便能够按完全安全的方式避让安装有TCAS系统并因此正在应用由其所推荐的命令的飞行器，而不管该命令可能是什么。
本发明还提供一种提供有飞行控制系统的无人机，该飞行控制系统被安排为执行本发明的避让方法。
附图简述
参见附图，在附图中：
图1是本发明的飞行器和无人机之间的交叉相遇情况的概略立体图；
图2是在本发明的第一实现中通过检测入侵飞机来触发的事件的流程图；
图3是在本发明的第二实现中通过检测入侵飞行器来触发的事件的流程图；
图4是本发明方法的第三实现中飞行器和无人机之间的交叉相遇情况的概略立体图；以及
图5是在图4的实现中通过检测入侵飞机来触发的事件的流程图。
本发明的至少一个实现的详细描述
参考图1，本发明的航空无人机(被给予总附图标记1)是飞机(airplane)， 该飞机包括S模式应答器2、问答器13、具有测向能力的两根天线3(各自被放置在无人机1的各机翼中的相应机翼上)、以及连接到飞行控制系统5(尤其包括一计算机)的自动数据分析系统4。
无人机1正沿着在点A处与提供有与S模式应答器12相关联的TCAS II系统(在该图中被给予附图标记11)的入侵飞机10的飞行路径交叉相遇的航向前进。图1包括具有投影在其上的两架飞行器1和10的位置的水平面H的表示。
自动数据分析系统4具有计算机计算单元，该计算机计算单元被安排成执行用于执行确定避让路径的方法的计算机程序。
参考图2和3，接着是被无人机1用来确定避让飞机10的路径的方法的描述。在这些流程图中，长圆形表示由数据分析系统4准备给无人机1的指令，且菱形表示由分析系统4执行的逻辑操作。
在入侵飞机10进入其中入侵飞机10接收来自无人机1的S模式应答器2的信号的区域时，该无人机响应于其应答器2所传送的消息而接收关于入侵飞机10的位置和航向的消息。这对应于该流程图中的步骤20。与接收该信息同时地，无人机10传送指定其控制能力的消息(步骤21)。在这个示例中，该无人机指定了“差机动性”。
该关于入侵飞机10的信息由数据分析系统4来处理，数据分析系统4随后确定无人机1和入侵飞机10之间的距离(步骤22)，并确定是否存在碰撞风险(步骤23)。
如果没有检测到碰撞风险，则无人机维持其初始路径(步骤24)。
如果存在碰撞风险，则分析系统4在其测向天线3的帮助下在水平面H中执行对飞机10相对于无人机1的角行进速度的准确测量(步骤25)。通过使用诸如测向天线之类的无线电装置来确定正在发射无线电波的交通工具的位置是公知技术。
一旦获得了这个角速度，分析系统4就确定飞机10是否具有TCAS II系统(步骤26)。这通过接收或不接收飞机10对来自无人机1的应答器2的第一询问的响应来实现。
如果该系统检测到飞机10具有TCAS II系统，则系统4等待将由飞机 10的TCAS II系统所传送的解决忠告RA(步骤27)，以便确定避让路径(步骤28)并将该避让路径发送给无人机1的飞行控制系统5以供执行(步骤29)。在入侵飞机10传送了解决忠告RA后，系统4确定与该避让路径相对应的控制，以避免干扰TCAS II的操作。在入侵飞机10的TCAS II已确定防撞解决方案之前执行的控制有使该TCAS II系统的监视功能降级的风险。因此，如由无人机1所确定的避让路径与对应于飞机10的TCAS II所给出的解决忠告RA的避让控制在相同的时间执行。由于入侵飞机10的TCAS II所给出的解决忠告RA涉及纵向避让(上升或下降的指令)，数据分析系统4所确定的避让路径有利地在按考虑入侵飞机10的角速度及其在传送该解决忠告RA的时刻的位置的方向上被包含在水平面中。该路径使得以下成为可能：确保这两架飞行器快速分开，同时保证这两个同时发生的控制不会导致碰撞，因为这两个控制在位于正交的平面的方向中发生。
如果入侵飞机10没有对无人机1的应答器2的第一询问作出响应，则数据分析系统4将此解释为意指入侵飞机10不具有TCAS II系统，并且它随后确定避让路径(步骤30)以供飞行控制系统5尽可能快地执行(步骤31)。该避让路径可包括在垂直平面和/或水平平面中的控制。在特别有利的实现中，避让路径包括在水平面中向右转。该控制符合适用于目视飞行规则(VFR)飞行的空中交通法规，并对应于常规飞行器在这样的条件下的预期反应。
应当观察到，在该实施例中，解决忠告RA的内容被忽略，并且在该方法中仅考虑解决忠告的传输。
本发明的方法的另一实现是参考图3针对以下情形描述的：无人机1具有与TCAS II系统的要求协调一致的下降机动性(例如，超过500英尺每分钟(即大约150米每分钟)的下降速度)，并且该特征已被输入到负责确定避让路径的数据分析系统4中。在这个特定实现中，当这样的无人机1与具有TCASII系统的侵入者飞行器10交叉相遇，并检测到碰撞风险时，先前已经检测到该侵入者飞行器10具有TCAS II系统这一事实的无人机1等待该侵入者飞行器10的TCAS II系统传送解决忠告RA(步骤27)。在接收到该解决忠告RA后，数据分析系统4分析由侵入飞机10的TCAS II系统所传送的解决忠告RA的内容(步骤32)。如果该解决忠告RA包括使侵入飞行器10上升的命令，则由 数据分析系统4所确定的避让路径将是下降(步骤33)。否则，避让路径包括在水平面中转向(步骤34)。在已传送了RA后立即执行以这种方式确定的避让控制(步骤35和36)。
根据第二实现的方法在其他方面与根据第一实现的方法相同。
参考图4和图5，以下是对本发明的方法的第三实现的描述。在该实现中，无人机1具有S模式应答器2、连接到飞行控制系统5的自动数据分析系统4、雷达51和问答器13的仅“接收”部分52。在侵入飞机10进入雷达51的检测区域后，雷达获得侵入飞机10的位置、其航向、其速度、其高度、以及其在水平面中的角速度(步骤40)。在无人机1无法询查侵入者飞机10的应答器12的情况下，它可通过直接测量来仅收集关于其位置的信息。与这些测量并行地，问答器13的“接收”部分52监听无线电环境，并因此可响应于来自其他飞行器或地面上的控制单元的请求而接收入侵飞机10所传送的消息。这些消息可包括关于飞行器的身份(由A模式的应答器传送)和/或其高度、其航向、其速度以及它是否拥有TCAS系统(由C模式应答器传送)的信息。这对应于步骤41。
在获得之后，该信息由数据分析系统4来处理，以便确定无人机1和入侵飞机10之间的距离以及是否存在碰撞风险(步骤42)。该信息被持续更新，并且针对进入雷达51的范围内的每一飞行器在一循环中重复步骤40到42。如果没有检测到碰撞风险，则无人机1维持其初始路径(步骤43)。如果标识出碰撞风险，则分析系统4基于最新近更新的关于入侵飞机10的位置和移动的信息来确定避让路径(步骤28)。如果无人机1已确定入侵飞机10不具有TCAS系统，则避让控制被立即执行。否则即如果无人机1检测到入侵飞机10具有TCAS系统，则无人机1维持其路径，直到问答器13的“接收”部分52接收到解决忠告RA。在该时段期间，关于飞行器的位置的信息还有方法的步骤40到42在循环中被重复，以便使避让控制和执行避让控制的针对性与入侵飞行器10的路径中的任何可能的改变相适应和/或与在雷达51的范围中的第二入侵飞行器的出现相适应。
自然，本发明不限于所述实现，而覆盖落在本发明的如由权利要求所限定的范围内的任何变型。
尤其地：
虽然用于测量入侵飞机10的角速度的装置包括测向天线3或雷达51形式的无线电装置，本发明同样地适用于用来测量角速度的其他装置，诸如例如至少一个光电传感器，诸如相机、激光检测和测距(激光雷达)设备、或适合测量角速度和使得该方法能够被执行的任何其他装置；
虽然本发明是参考避让飞机(airplane)来描述的，但本发明的方法同样适用于避让其他类型的飞行器(aircraft)，诸如例如飞艇、滑翔机、或超轻型或微型飞行器(ULM)；
虽然在所描述的示例中，由无人机1向入侵飞机10传送的关于其机动性的信息包括提到的“差机动性”，但本发明的方法同样地适用于发送关于无人机的机动性的其他消息，诸如例如“无人机”、“不可控制”、或“仅下降机动性”，无人机不传送这种类型的信息也是可能的。
虽然入侵飞行器的位置如上所述是通过收集由其C模式应答机在无人机请求时所传送的信息或通过使用雷达进行直接测量来获得的，但本发明还适用于以其他方式来获得位置，诸如例如使用至少一个光电传感器，诸如相机、激光雷达、或使得能够以适于使该方法能够被执行的方式来获得位置的任何其他装置；
虽然关于入侵飞行器是否安装有TCAS系统的事实如上所述是通过以下方式来确定的：分析入侵飞行器对无人机的应答器的第一询查的响应或监听响应于来自其他飞行器或来自地面控制单元的请求的传输，但是本发明也适用于确定入侵飞行器是否具有TCAS系统(诸如在广播式自动相关监视(ADS-B)接收机的帮助下进行监听)的其他装置；
虽然关于无人机是否安装有TCAS系统的事实如上所述是由无人机的应答器在入侵飞机的第一询查期间确定，但本发明同样地适用于例如当正在ADS－B接收机的帮助下进行监听时，随后再确定入侵飞机是否安装有TCAS系统。确定入侵飞机是否安装有TCAS系统的步骤也可在已知装置已确定是否存在碰撞风险之后再实施，以便避免混乱的无线空间。
执行该方法的步骤的次序可相对于所述的方法修改，并且例如：入侵飞行器上TCAS的存在性可以在确定入侵飞行器的位置之前或在测量到其角速度 之前确定。

Claims (11)

1.一种使得不具有TCAS系统的航空无人机能够避让入侵飞行器的方法，该方法包括以下步骤：
获得所述入侵飞行器的位置，以便确定所述航空飞行器和所述入侵飞行器之间的距离；
测量所述入侵飞行器在水平面中的角速度；以及
确定所述入侵飞行器是否安装有TCAS系统，并且如果是，则接收由所述入侵飞行器的TCAS传送的解决忠告，并跟随先前确定的避让路径。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述避让路径是在水平面中确定的。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述避让路径是在接收到所述解决忠告之后确定的。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，确定避让路径的步骤包括以以下方式来分析由所述入侵飞行器的TCAS所传送的解决忠告的之前操作：如果该忠告包括使所述入侵飞行器上升的命令，则所述避让路径包括下降，并且否则所述避让路径包括在水平面中的转向。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括向所述入侵飞行器的TCAS传送关于所述航空无人机的机动性的信息的附加步骤。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，如果所述入侵飞行器不安装有TCAS系统，则所述避让路径被尽快确定。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述避让路径包括在水平面中向右转。
8.一种航空无人机，所述航空无人机安装有S模式应答器、问答器、用于获得入侵飞行器的位置并测量其角速度的装置，所述应答器和所述装置连接到飞行控制系统，所述飞行控制系统被安排成执行根据任何前述权利要求的方法。
9.根据权利要求8所述的航空无人机，其特征在于，用于在水平面中测量所述入侵飞行器的角速度的装置包括至少一个光电传感器。
10.根据权利要求8所述的航空无人机，其特征在于，用于在水平面中测量所述入侵飞行器的角速度的装置包括无线电装置。
11.根据权利要求10所述的航空无人机，其特征在于，用于在水平面中测量所述入侵飞行器的角速度的无线电装置包括测向天线。
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