CN107218967A - 使用lidar和传统空中数据传感器的混合式空中数据系统 - Google Patents

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Abstract

使用LIDAR和传统空中数据传感器的混合式空中数据系统。空中数据系统包括光学空中数据系统，其包括每个包括用于空中数据询问的至少一个视线的一个或多个LiDAR通道，其中LiDAR通道被配置成输出一组空中数据信号。可选非光学空中数据系统包括一个或多个非光学空中数据传感器，其选自一个或多个皮托管传感器、一个或多个静压传感器、一个或多个温度传感器、一个或多个攻角叶片、一个或多个侧滑角叶片、一个或多个多功能探头或其组合。非光学空中数据传感器被配置成输出一组空中数据信号。当存在时一个或多个处理器被耦合到LiDAR通道和非光学空中数据传感器。处理器被配置成使用空中数据信号来进行信号分析、数据处理、数据增强、表决或其组合。

Description

使用LIDAR和传统空中数据传感器的混合式空中数据系统
本申请要求2016年3月22日提交的美国临时申请号62/311,805的优先权的权益，其公开通过引用被并入。
背景技术
经由各种飞行器机载仪器来收集空中数据（air data）参数。使用空中数据参数（包括空速、气温、攻角/侧滑角（AoA/AoS）和空气密度/压力（pressure）来计算实际空速（TAS）、已校准空速（CAS）、马赫数、静态气温以及密度/压力导出高度。
常规固定翼飞行器依赖于由皮托管和关联传感器、静压端口和关联传感器、温度传感器以及AoA和/或AoS叶片（vane）中的零个、一个或更多组成的传统（legacy）（也称为惯用）空中数据系统的全体来获得飞行管理系统以及座舱仪器和显示器所要求的空中数据被测变量（measurand）。替换地，零个、一个或更多的多功能探头可以提供上述功能中的全部或子集。传统空中数据传感器中的某些遭受长期稳定性问题。
皮托管探头和皮托管静态探头易遭受主要由于结冰或其它障碍物引起的故障，并且已经是多个悲剧事件中的根本原因。皮托管探头的其它缺点包括：高攻角下的准确度的降低；低速度下的空速准确度的降低；每个机身（airframe）要求的校准（静态源纠错）；尤其是在高马赫数下的空气动力阻力；随着探头磨损及其它因素（诸如油漆波纹或飞行器改装）的准确度和可重复性降低。虽然大量的研究和开发已致力于克服这些缺点，但是皮托管探头面对着不能被克服的根本限制。
发明内容
一种空中数据系统包括光学空中数据系统，其包括一个或多个光检测及测距（LiDAR）通道，所述一个或多个LiDAR通道中的每一个包括用于空中数据询问（interrogation）的至少一个视线，其中所述一个或多个LiDAR通道被配置成输出第一组空中数据信号。可选非光学空中数据系统包括一个或多个非光学空中数据传感器，所述一个或多个非光学空中数据传感器选自由一个或多个皮托管传感器（pitot sensor）、一个或多个静压传感器、一个或多个温度传感器、一个或多个攻角叶片、一个或多个侧滑角叶片、一个或多个多功能探头及其组合组成的组。所述一个或多个非光学空中数据传感器被配置成输出第二组空中数据信号。一个或多个处理器被操作耦合到一个或多个LiDAR通道和一个或多个非光学空中数据传感器（当存在时）。一个或多个处理器被配置成使用空中数据信号来进行信号分析、数据处理、数据增强（data augmentation）、表决（voting）或其组合。
附图说明
理解了附图仅仅描绘示例性实施例且因此不应被视为在范围方面是限制性的，将通过使用附图以附加的特征和细节来描述示例性实施例，在所述附图中：
图1图示出用于飞行器的混合式空中数据系统的示例性实施例；以及
图2是混合式空中数据系统的框图，其描绘了用于各种可能传感器组合的空中数据信息的流。
具体实施方式
在下面的详细描述中，参考形成其一部分的附图，并且其中以图示的方式示出了特定说明性实施例。应理解的是可以利用其它实施例，并且可以进行逻辑、机械以及电气改变。因此不应以限制性意义来理解下面的详细描述。
提供了一种用于飞行器的混合式空中数据系统，其采用以不同组合的光检测和测距（也写为LIDAR、LiDAR或LADAR）空中数据传感器以及可选传统空中数据传感器（包括多功能探头），其被用来生成各种空中数据被测变量。
该混合式空中数据系统一般地包括光学空中数据系统，其包括每个包括用于空中数据询问的至少一个视线的一个或多个LiDAR通道，其中所述一个或多个LiDAR通道被配置成输出一组空中数据信号。还可以采用可选非光学空中数据系统，并且其包括选自一个或多个皮托管传感器、一个或多个静压传感器、一个或多个温度传感器、一个或多个攻角叶片、一个或多个侧滑角叶片、一个或多个多功能探头及其组合的一个或多个非光学空中数据传感器。所述一个或多个非光学空中数据传感器被配置成输出另一组空中数据信号。另外，一个或多个处理器被操作耦合到LiDAR通道和非光学空中数据传感器（当存在时）。处理器被配置成使用空中数据信号来进行信号分析、数据处理、数据增强、表决或其组合。
LiDAR空中数据获取规避了皮托管探头及其它传统空中数据传感器遇到的问题。LiDAR传感器使用激光来远程地询问一定体积的自由流的空气并分析激光的后向散射反射（分子和气溶胶或者仅分子或仅气溶胶）以导出空中数据参数。这些空中数据参数包括但不限于实际空速矢量、气温、高度以及空气密度。空速矢量是从后向散射多普勒频移导出的。气温、高度、以及空气密度是从后向散射频谱谱线形状导出的。因为可以将LiDAR光学传感器头嵌装到飞行器运载工具并将其完全封闭在内部中，所以LiDAR传感器规避了由突出皮托管和温度传感器遇到的可靠性和空气动力阻力问题。此外，在高攻角或低速度下不存在准确度降低的根本限制。空中数据参数的处理可以在本地（诸如用空中数据计算机）或者在由空中数据模块进行馈送的某个其它可用计算平台上完成。
将传统和LiDAR空中数据传感器两者结合到单个混合式系统中的系统设计利用每个系统的优点（strength），或者在另一实施方式中加强每个系统的性能。这些系统架构可以产生更加准确和可靠的空中数据信息。此外，互补但不同技术的存在促进了更安全的飞行并避免了共模故障。另外，可以大大地降低与系统校准、空气动力阻力以及传感器维护相关联的成本。
图1是混合式空中数据系统100的示例性实施例，其包括多个LiDAR传感器110以及多个非光学传感器，该非光学传感器包括皮托管探头120、温度传感器（TAT）122、攻角和侧滑角（AoA/AoS）叶片124、以及静压端口126。如图1中所示，每个LiDAR传感器110包括用于空中数据询问的至少一个视线。另外，传感器中的每个被操作耦合到一个或多个空中数据中央处理单元（CPU）130，其使用传感器输出来进行信号分析、数据处理、数据增强、表决或其组合。
可以在一个或多个CPU中实现许多不同的处理和分析算法，包括但不限于：空中数据输出的交叉检查和验证；用来自另一传感器的信息来增强一个传感器的空中数据输出的性能（准确度、输出速率、补偿）；接收来自一个或多个传感器的输出以导出新的或冗余的（多个）空中数据参数；以及将冗余空中数据参数用于监视传感器健康和表决。CPU算法还可以将在飞行器上可用的附加信息考虑在内以更好地对传感器信号输出进行解密和分析。另外，CPU具有基于可用的原始和/或已处理数据对输入数据的重要性指派权重和表决的能力。CPU可以最终确定要传递到飞行管理系统上的最准确和/或确信的空中数据。
混合式空中数据系统可以包括大量组合的主要和备用空中数据系统，其被概括在表1中。此类组合取决于特定平台的要求，诸如尺寸、重量、功率以及成本（SWaP-C）；空中数据准确度和等待时间（latency）；冗余的数目等。例如，主要空中数据系统可以包括零个或更多传统系统和/或传感器类型（例如，静压传感器）以及一个或多个LiDAR通道。备用空中数据系统可以包括独立传统系统或LiDAR系统。
如表1中所指示的，每个传统系统传感器可以包括零个、一个或更多皮托管探头和关联传感器；零个、一个或更多静态端口和关联压力传感器；零个、一个或更多温度传感器；零个、一个或更多AoA和/或AoS叶片；以及零个、一个或更多多功能探头。每个LiDAR通道可以包括用于空中数据询问的至少一个视线（LOS）。在一个实施例中，可以使用最小值的三个LOS来获得全空速矢量分布（profile）。可以将附加LOS用于数据冗余和增强目的。在另一实施例中，如果单个LOS包含来自全部三个轴的速度贡献的话，则可以使用AoA和AoS旋转叶片输出来用该LOS推断全空速矢量分布。
当在用于一个或多个LiDAR通道或者一个或多个非光学空中数据传感器的主要空中数据系统中检测到故障时，备用空中数据系统被激活以代替有故障的一个或多个LiDAR通道或非光学空中数据传感器来操作。
在替代实施例中，主要空中数据系统可以是传统系统，并且备用空中数据系统是LiDAR系统。
图2是混合式空中数据系统200的框图，其描绘了空中数据信息从LiDAR空中数据系统210和可选传统空中数据系统220中的各种传感器组合到空中数据CPU 230的流动。图2列出了来自LiDAR空中数据系统210、传统空中数据系统220、以及空中数据CPU 230中的每一个的可能输出数据。
例如，可以实现为一个或多个系统的LiDAR空中数据系统210提供自由流询问，具有嵌装光学头，并且包括一个或多个视线。从LiDAR空中数据系统210的输出包括空速、攻角、侧滑角、气温、压力/密度、压力/密度高度以及马赫数。
可选传统空中数据系统220可以包含零个、一个或更多皮托管；零个、一个或更多静态端口；零个、一个或更多温度传感器；零个、一个或更多AoA和/或AoS叶片；以及零个、一个或更多多功能探头。从传统空中数据系统220的输出包括空速，诸如实际空速（TAS）、已校准空速（CAS）、地速（GS）以及指示空速；攻角和侧滑角；包括总气温（TAT）、静态气温（SAT）以及外部气温（OAT）的气温；压力；压力高度，以及气压修正高度；马赫数；以及爬升或下降速率。
从LiDAR空中数据系统210和传统空中数据系统220的输出被发送到CPU 230，其运行计算算法，执行求平均和滤波，执行表决操作，处理数据增强，并且产生空中数据控制参数。从CPU 230的输出包括高度速率、压力高度、气压修正高度、马赫数、等价空速、总气温、静态气温、外部气温、气压修正、总压力、静压、攻角、侧滑角、实际空速、地速、已校准空速以及指示空速。
可以使用软件、固件、硬件或其任何适当组合来实现在本系统中使用的处理器，如本领域的技术人员已知的。这些可以用专门设计的专用集成电路（ASIC）或现场可编程门阵列（FPGA）来补充或者将这些结合在其中。计算机或处理器还可以包括具有用于执行在本方法和系统中使用的各种过程任务、计算、以及控制功能的软件程序、固件或其它计算机可读指令的功能。
可以用由至少一个处理器执行的诸如程序模块或部件之类的计算机可执行指令来实现本方法。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、数据部件、数据结构、算法等。
可以用软件、固件或其它计算机或处理器可读指令来实现用于执行在本文所述方法的操作中使用的其它数据的各种过程任务、计算、以及生成的指令。这些指令通常被存储在任何适当的计算机程序产品上，其包括被用于存储计算机可读指令或数据结构的计算机可读介质。此类计算机可读介质可以是可以被通用或专用计算机或处理器或任何可编程逻辑器件访问的任何可用介质。
适当的处理器可读介质可以包括诸如磁或光学介质之类的储存器或存储器介质。例如，储存器或存储器介质可包括常规硬盘、光盘、或其它光学存储磁盘；易失性或非易失性介质，诸如随机存取存储器（RAM）；只读存储器（ROM）、电可擦可编程ROM（EEPROM）、闪存等；或者可以用来以计算机可执行指令或数据结构的形式载送或存储期望程序代码的任何其它介质。
示例性实施例
示例1包括一种空中数据系统，其包括：光学空中数据系统，其包括一个或多个光检测及测距（LiDAR）通道，所述一个或多个LiDAR通道中的每一个包括用于空中数据询问的至少一个视线，其中所述一个或多个LiDAR通道被配置成输出第一组空中数据信号；包括一个或多个非光学空中数据传感器的可选非光学空中数据系统，所述一个或多个非光学空中数据传感器选自由一个或多个皮托管传感器、一个或多个静压传感器、一个或多个温度传感器、一个或多个攻角叶片、一个或多个侧滑角叶片、一个或多个多功能探头及其组合组成的组，其中所述一个或多个非光学空中数据传感器被配置成输出第二组空中数据信号；以及被操作耦合到一个或多个LiDAR通道和一个或多个非光学空中数据传感器的一个或多个处理器（当存在时），所述一个或多个处理器被配置成使用空中数据信号来进行信号分析、数据处理、数据增强、表决或其组合。
示例2包括示例1的空中数据系统，其中所述第一组空中数据信号包括空速、攻角、侧滑角、气温、压力/密度、压力/密度高度或马赫数。
示例3包括示例1—2中的任一项的空中数据系统，其中所述第二组空中数据信号包括空速、攻角、侧滑角、气温、压力、压力高度、气压修正高度、马赫数或爬升/下降速率。
示例4包括示例1的空中数据系统，其中，所述一个或多个处理器被操作耦合到一个或多个皮托管传感器；以及可选地一个或多个多功能探头。
示例5包括示例1的空中数据系统，其中，所述一个或多个处理器被操作耦合到一个或多个静压传感器；以及可选地一个或多个多功能探头。
示例6包括示例1的空中数据系统，其中所述一个或多个处理器被操作耦合到一个或多个温度传感器；以及可选地一个或多个多功能探头。
示例7包括示例1的空中数据系统，其中，所述一个或多个处理器被操作耦合到一个或多个攻角叶片；以及可选地一个或多个多功能探头。
示例8包括示例1的空中数据系统，其中，所述一个或多个处理器被操作耦合到一个或多个侧滑角叶片；以及可选地一个或多个多功能探头。
示例9包括示例1的空中数据系统，其中，所述一个或多个处理器被操作耦合到一个或多个多功能探头。
示例10包括示例4的空中数据系统，其中，所述一个或多个处理器进一步被操作耦合到所述非光学空中数据传感器，其选自由一个或多个静压传感器；一个或多个温度传感器；一个或多个攻角叶片；以及一个或多个侧滑角叶片组成的组。
示例11包括示例5的空中数据系统，其中，所述一个或多个处理器进一步被操作耦合到非光学空中数据传感器，所述非光学空中数据传感器选自由一个或多个攻角叶片；以及一个或多个侧滑角叶片组成的组。
示例12包括示例6的空中数据系统，其中，所述一个或多个处理器进一步被操作耦合到非光学空中数据传感器，所述非光学空中数据传感器选自由一个或多个攻角叶片；以及一个或多个侧滑角叶片组成的组。
示例13包括示例7的空中数据系统，其中，所述一个或多个处理器进一步被操作耦合到一个或多个侧滑角叶片。
示例14包括示例4的空中数据系统，其中，所述一个或多个处理器进一步被操作耦合到非光学空中数据传感器，所述非光学空中数据传感器选自由一个或多个静压传感器和一个或多个温度传感器；一个或多个温度传感器和一个或多个攻角叶片；一个或多个攻角叶片和一个或多个侧滑角叶片；一个或多个静压传感器和一个或多个攻角叶片；以及一个或多个静压传感器和一个或多个侧滑角叶片组成的组。
示例15包括示例5的空中数据系统，其中所述一个或多个处理器进一步被操作耦合到非光学空中数据传感器，其选自由一个或多个温度传感器和一个或多个攻角叶片；一个或多个攻角叶片和一个或多个侧滑角叶片；以及一个或多个温度传感器和一个或多个侧滑角叶片组成的组。
示例16包括示例6的空中数据系统，其中，所述一个或多个处理器进一步被操作耦合到一个或多个攻角叶片以及一个或多个侧滑角叶片。
示例17包括示例4的空中数据系统，其中所述一个或多个处理器进一步被操作耦合到非光学空中数据传感器，其选自由一个或多个静压传感器、一个或多个温度传感器以及一个或多个攻角叶片；一个或多个温度传感器、一个或多个攻角叶片以及一个或多个侧滑角叶片；一个或多个静压传感器、一个或多个攻角叶片以及一个或多个侧滑角叶片；以及一个或多个静压传感器、一个或多个温度传感器、以及一个或多个侧滑角叶片组成的组。
示例18包括示例4的空中数据系统，其中，所述一个或多个处理器进一步被操作耦合到一个或多个静压传感器、一个或多个温度传感器、一个或多个攻角叶片、以及一个或多个侧滑角叶片。
示例19包括一种混合式空中数据系统，其包括：主要空中数据系统，该主要空中数据系统包括第一光学空中数据系统，其包括一个或多个LiDAR通道，该一个或多个LiDAR通道中的每一个包括用于空中数据询问的至少一个视线，其中所述一个或多个LiDAR通道被配置成输出第一组空中数据信号；以及可选地，第一非光学空中数据系统，其包括一个或多个非光学空中数据传感器，所述一个或多个非光学空中数据传感器选自由一个或多个皮托管传感器、一个或多个静压传感器、一个或多个温度传感器、一个或多个攻角叶片、一个或多个侧滑角叶片、一个或多个多功能探头及其组合组成的组，其中，所述一个或多个非光学空中数据传感器被配置成输出第二组空中数据信号。备用空中数据系统包括第二光学空中数据系统，其包括一个或多个LiDAR通道，该一个或多个LiDAR通道中的每一个包括用于空中数据询问的至少一个视线，其中，所述一个或多个LiDAR通道被配置成输出第三组空中数据信号；或者第二非光学空中数据系统，其包括一个或多个非光学空中数据传感器，所述一个或多个非光学空中数据传感器选自由一个或多个皮托管传感器、一个或多个静压传感器、一个或多个温度传感器、一个或多个攻角叶片、一个或多个侧滑角叶片、一个或多个多功能探头及其组合组成的组，其中，所述一个或多个非光学空中数据传感器被配置成输出第四组空中数据信号。一个或多个处理器被操作耦合到主要空中数据系统和备用空中数据系统，所述一个或多个处理器被配置成使用空中数据信号来进行信号分析、数据处理、数据增强、表决或其组合。当在用于一个或多个LiDAR通道或者一个或多个非光学空中数据传感器（当存在时）的主要空中数据系统中检测到故障时，备用空中数据系统被激活以代替有故障的一个或多个LiDAR通道或非光学空中数据传感器来操作。
示例20包括一种混合式空中数据系统，其包括：主要空中数据系统，其包括包含一个或多个非光学空中数据传感器的非光学空中数据系统，所述一个或多个非光学空中数据传感器选自由一个或多个皮托管传感器、一个或多个静压传感器、一个或多个温度传感器、一个或多个攻角叶片、一个或多个侧滑角叶片、一个或多个多功能探头及其组合组成的组，其中，所述一个或多个非光学空中数据传感器被配置成输出第一组空中数据信号。备用空中数据系统包括光学空中数据系统，其包括一个或多个LiDAR通道，该一个或多个LiDAR通道中的每一个包括用于空中数据询问的至少一个视线，其中，所述一个或多个LiDAR通道被配置成输出第二组空中数据信号。一个或多个处理器被操作耦合到主要空中数据系统和备用空中数据系统，所述一个或多个处理器被配置成使用空中数据信号来进行信号分析、数据处理、数据增强、表决或其组合。当在用于一个或多个非光学空中数据传感器的主要空中数据系统中检测到故障时，备用光学空中数据系统被激活以代替有故障的一个或多个非光学空中数据传感器来操作。
尽管在本文中已示出并描述了特定实施例，但是本领域普通技术人员将认识到，被计算成实现相同目的的任何布置可以代替示出的特定实施例。因此，本文显然旨在仅仅由权利要求及其等价物来限制本发明。

Claims (10)

1.一种空中数据系统，包括：
光学空中数据系统，其包括一个或多个光检测及测距（LiDAR）通道，所述一个或多个LiDAR通道中的每一个包括用于空中数据询问的至少一个视线，其中所述一个或多个LiDAR通道被配置成输出第一组空中数据信号；
包括一个或多个非光学空中数据传感器的可选非光学空中数据系统，所述一个或多个非光学空中数据传感器选自由一个或多个皮托管传感器、一个或多个静压传感器、一个或多个温度传感器、一个或多个攻角叶片、一个或多个侧滑角叶片、一个或多个多功能探头及其组合组成的组，其中所述一个或多个非光学空中数据传感器被配置成输出第二组空中数据信号；以及
当存在时被操作耦合到一个或多个LiDAR通道和一个或多个非光学空中数据传感器的一个或多个处理器，所述一个或多个处理器被配置成使用空中数据信号来进行信号分析、数据处理、数据增强、表决或其组合。
2.权利要求1的空中数据系统，其中，所述一个或多个处理器被操作耦合到：
一个或多个皮托管传感器；以及
可选地一个或多个多功能探头。
3.权利要求1的空中数据系统，其中所述一个或多个处理器被操作耦合到：
一个或多个静压传感器；以及
可选地一个或多个多功能探头。
4.权利要求1的空中数据系统，其中所述一个或多个处理器被操作耦合到：
一个或多个温度传感器；以及
可选地一个或多个多功能探头。
5.权利要求1的空中数据系统，其中所述一个或多个处理器被操作耦合到：
一个或多个攻角叶片；以及
可选地一个或多个多功能探头。
6.权利要求1的空中数据系统，其中，所述一个或多个处理器被操作耦合到：
一个或多个侧滑角叶片；以及
可选地一个或多个多功能探头。
7.权利要求2的空中数据系统，其中所述一个或多个处理器进一步被操作耦合到选自由以下各项组成的组的所述非光学空中数据传感器：
一个或多个静压传感器；
一个或多个温度传感器；
一个或多个攻角叶片；以及
一个或多个侧滑角叶片。
8.权利要求3的空中数据系统，其中所述一个或多个处理器进一步被操作耦合到选自由以下各项组成的组的所述非光学空中数据传感器：
一个或多个攻角叶片；以及
一个或多个侧滑角叶片。
9.权利要求4的空中数据系统，其中，所述一个或多个处理器进一步被操作耦合到选自由以下各项组成的组的所述非光学空中数据传感器：
一个或多个攻角叶片；以及
一个或多个侧滑角叶片。
10.权利要求5的空中数据系统，其中所述一个或多个处理器进一步被操作耦合到一个或多个侧滑角叶片。
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