CN107924196B - 用于自动辅助航空器着陆的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种方法，该方法用于通过所述航空器机载的数据处理设备自动辅助航空器从返回点(A)到终点(D)着陆在跑道上，航空器在该终点处与跑道接触，该数据处理设备被配置为被连接到高度计和偏差计，该方法包括：辅助返回导航阶段，该阶段包括基于由所述偏差计传输的航空器相对于连接所述返回点(A)和偏差计的位置(E)的参考方向的方位角偏差的测量值来从返回点(A)朝向偏差计的位置(E)对航空器进行制导，确定在与返回点(A)和偏差计的位置(E)对齐的预定的采集点(B)处航空器的位置，以及基于由高度计提供的高度数据和与航空器相关的航向与速度数据沿着预定路径从采集点(B)到与跑道的轴线大致对齐的预定的待命点(C)对航空器进行制导；辅助着陆阶段，该阶段包括从待命点(C)到终点(D)进行制导。

Description

用于自动辅助航空器着陆的方法
技术领域
本发明涉及航空器制导领域。
本发明的主题更具体地为一种用于自动制导诸如为无人驾驶飞机的航空器从远离机场的位置直至该航空器在跑道上着陆的方法。
背景技术
现有的无人驾驶飞机制导系统使得能够沿着例如对应于观察任务的路径的预定轨迹来对无人机进行自动制导。为了得到这样的制导，要以固定的时间间隔确定航空器的位置并且与待沿循的轨迹进行比较。一般使用通过卫星的诸如GPS或伽利略系统的被称为GNSS系统(“全球导航卫星系统”)的绝对定位系统的接收机来确定该位置。
然而，可能会发生由于航空器的一个部件(例如GNSS接收器)故障或由于来自定位系统的信号不可用(例如如果该信号被干扰)而导致航空器的计算机无法确定航空器的当前位置。不知道航空器的位置，则机载计算机不能对航空器进行制导以使其沿循预定轨迹。尤其是航空器制导系统于是不能使航空器到达其计划的着陆点，诸如机场的跑道或临时机场的着陆地带。因此，航空器有在未知的位置坠毁并且丢失的风险。
因此，需要一种制导方法，该制导方法使得尽管卫星定位不可用但仍能够可靠、自动地制导航空器从遥远的返回点到达跑道并且使该航空器着陆在跑道上，同时使无人驾驶飞机操作员的工作负荷最小化，甚至不需要无人驾驶飞机操作员这部分的动作。
文献US4 454 510描述了一种用于自动辅助航空器从规定点到达终点并着陆在跑道上的方法，其中，确定了航空器的距离和高度。该方法被配置为与高度计和被配置为测量航空器相对于所确定的磁北方向的方位角偏差的偏差指示器相关联。该方法也包括辅助着陆阶段。因此，对于这种方法，有必要对航空器进行地理定位并通过之前的步骤确定航空器的高度，以确定磁北位置和跑道的位置，该方法复杂并且需要校准辅助系统。
文献US 2009/055038提出了一种使用跑道方向作为参考轴来测量方位角偏差的类似方法。这里，该方法也需要对航空器进行地理定位并确定该航空器的高度，以及需要对辅助系统的校准步骤。
最后，文献GB 2 302 318描述了一种用于制导无人驾驶飞机着陆的方法，该方法包括确定航空器在预定的标记点处的定位，并根据由图像分析系统计算出的高度数据和航空器航向数据来制导该航空器从规定点到达待命点。
发明内容
第一方面，本发明涉及一种用于自动辅助航空器从返回点到达终点着陆在跑道上的方法，航空器在该终点处与跑道发生接触，所述方法通过所述航空器上机载的数据处理设备来实施，并且该数据处理设备被配置为被连接到：
-高度计，该高度计被配置为测量航空器的高度；
-偏差指示器，该偏差指示器位于地面站处并且被配置为相对于参考点测量航空器相对于连接所述返回点和偏差指示器的位置的参考方向的方位角偏差；
所述方法的特征在于，该方法包括：
-辅助返回导航阶段，该阶段包括：
-基于由偏差指示器传输的航空器相对于所述参考方向的方位角偏差的测量值沿偏差指示器的位置的方向从返回点开始对航空器进行制导；
-在预定的采集点处确定航空器的位置，该采集点与返回点和所述偏差指示器的位置大致对齐；
-根据由高度计提供的高度数据和航空器的航向与速度数据，沿着预定轨迹从采集点到与跑道的轴线大致对齐的预定的待命点对航空器进行制导；
-辅助着陆阶段，该辅助着陆阶段包括从待命点到跑道上的终点进行制导。
这里，返回点是指航空器被辅助着陆系统检测到所在的点。应当注意的是，本发明中，该返回点被限定为其位置(高度、距离等)是未知的，并且仅仅使得能够限定出参考方向，该参考方向随后被用于在辅助返回导航阶段期间对航空器进行制导。
因此，可以凭借由偏差指示器提供的方位角偏差数据将航空器引导至已知的采集位置，并且之后不需使用被集成在航空器中的高性能导航单元来从该位置到终点对航空器进行制导。
航空器在所述采集点处的定位可以根据航空器和地面上的参考点之间的距离数据来确定，该参考点与返回点和偏差指示器的位置对齐。
所述数据可使得能够沿着在返回点-偏差指示器(AE)之间延伸的参考轴线对所述航空器进行定位，由此在到达采集点B时则提供信息。
可以根据数据包在地面站和航空器之间的的传输时间的测量值来估算所述距离数据。
可以根据数据包在地面站和航空器之间的单向传输时间的测量值来估算所述距离数据，所述地面站和航空器包括同步的时钟。
可以仅仅测量用于其它需求而在航空器和地面站之间传输的包的传输时间，由此能够确定是否到达采集点，而不需要使用额外的机载系统或地面系统，由此使航空器消耗的能量最小化。
在采集点处对航空器的位置进行确定可以包括估算所述航空器的速度数据，以及根据所述速度数据确定航空器从返回点行进的距离。
数据处理设备被配置为还被连接到光电系统，该光电系统包括由航空器机载并且被定位成沿航空器的轴线的图像采集设备，以及包括适于处理所述图像的图像处理设备，所述航空器的速度数据可以由所述光电系统通过使用由所述图像采集设备采集的图像和由高度计提供的高度数据测量地面速度来估算。
因此，航空器可以不依赖航空器与偏差指示器和地面站分开的距离而精确地自动确定该航空器在返回点-偏差指示器轴线(AE)上的位置。
还可以通过测量由于航空器的运动而在在航空器和地面站之间交换的信号上产生的多普勒效应来估算所述航空器的速度数据。
因此，即使在由于恶劣的天气状况遮盖了地面的情况下，航空器的速度也能够被确定。
数据处理设备被配置为还被连接到航空器机载的图像采集设备，在采集点处航空器的位置可以通过检测在由所述图像采集设备采集的至少一个图像中具有已知位置的地标来确定。
所述检测使得能够以降低的不确定性确定出在采集点B处航空器的位置，所检测到的地标的位置可能被以较高的精度获知。
可以沿偏差指示器的位置的方向在返回点和采集点之间沿着预定的直线的轨迹对航空器进行制导。
该轨迹使得能够使所行进的距离最小化，并因此使航空器到达采集点B所消耗的能量最小化。
可在返回点和采集点之间沿着锯齿形的或台阶形的轨迹对航空器进行制导。
该轨迹使得能够通过将由偏差指示器显示的航空器的定位数据和诸如由航空器确定的对应值进行比较来提高航空器制导的精度。
数据处理设备被配置为还被连接到航空器机载的摄像头，辅助着陆阶段可包括在由摄像头采集的跑道的图像中对终点的位置进行估测，以及根据在图像中所估测的所述终点的位置和由高度计提供的高度数据来对航空器的位置进行估算，并且通过保持航空器与跑道的轴线对齐来实现从待命点到终点对航空器进行所述制导。
因此，在整个着陆阶段期间，与基于偏差指示器的测量值执行制导相比，可以以更低的不确定性来对航空器执行制导。该增加的精度使得能够在待命点与终点之间对航空器进行可靠的制导，并且使该航空器着陆。
数据处理设备还被配置为被连接到由所述航空器机载并且被用于接收由位于地面上的至少三个收发器传输的信号的收发器，辅助着陆阶段可以包括根据机载收发器和位于地面上的所述至少三个收发器之间的距离数据来对航空器的位置数据进行估算。
使用航空器和具有已知位置的固定地面点(诸如地面收发器)之间的距离数据使得能够减小航空器的位置的不确定性，并能够准确地将航空器制导至终点。
第二方面，本发明涉及一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括代码指令，以当该程序被处理器执行时执行根据第一方面的方法。
第三方面，本发明涉及一种数据处理设备，该数据处理设备被配置为实施第一方面的辅助方法。
第四方面，本发明涉及一种用于自动辅助航空器从返回点到达终点着陆在跑道上的系统，航空器在该终点处与跑道发生接触，该系统包括：
-高度计，该高度计被配置为测量航空器的高度；
-偏差指示器，该偏差指示器位于地面站处并且被配置为相对于参考点测量航空器相对于连接所述返回点和偏差指示器的位置的参考方向的方位角偏差；
-第三方面的数据处理设备。
第四方面中的所述辅助系统还可以包括光电系统，该光电系统包括由航空器机载并且被配置为被连接到数据处理设备的图像采集设备。
第四方面中的所述辅助系统还可以包括摄像头以及与该摄像头相关联的图像处理设备，该摄像头和图像处理设备均被配置为被连接到数据处理设备。
第四方面中的所述辅助系统可以额外地包括：
-位于地面上的至少三个收发器；
-被配置为接收由位于地面上的所述至少三个收发器传输的信号的收发器，该收发器由所述航空器机载并且被配置为被连接到数据处理设备。
这种计算机程序产品、数据处理设备和系统具有与针对根据第一方面的方法指出的优点相同的优点。
附图说明
通过阅读实施例的后续说明，其它的特性和优点将变得显而易见。该说明将参考附图来给出，在附图中：
图1示意性地示出了根据本发明的一个实施例的使航空器经制导从返回点到达终点着陆在跑道上的示例；
图2示出了根据本发明的能够被包括在航空器辅助着陆系统中的不同部件；
图3示出了将数据处理设备连接到地面站点的两个链路以及被包括在本发明的辅助着陆系统中的偏差指示器；
图4示出了根据本发明的一个实施例的航空器辅助着陆系统；
图5为以图表示出根据本发明的航空器自动辅助着陆方法的实施例的示例的框图；
图6示出了当辅助系统配备有摄像头时的本发明的辅助着陆阶段；
图7示出了终点处的图像中的十字线定位；
图8为示出了根据由根据本发明的一个实施例的偏差指示器发送的测量值对经校正的位置数据进行的计算的框图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的一个实施例涉及一种用于自动辅助航空器1从返回点A直至终点D从而着陆在跑道上的方法，在该终点处航空器与跑道进行接触。
该方法通过如图2所示的辅助着陆系统3的数据处理设备2来实施。该辅助着陆系统3还可包括航空器机载的高度计4，数据处理设备可被连接到该高度计。
参照图1，还可以定义以下的点：
-返回点A：在该点处由辅助着陆系统3对航空器进行检测。应当注意的是，在本发明中，该点被限定为未知航空器的位置(高度、距离等)；
-采集点B：在该点处航空器进入与着陆跑道的对齐阶段；
-待命点C：航空器着陆之前必须经过的、与跑道的轴线对齐的点。
高度计4可以是气压高度计或激光高度计。气压高度计可具有10米以内的精度，并且可以根据大气压力QNH的值来进行重新调整，该大气压力是针对仪器误差、温度误差和重力误差被校正过并且达到平均密封水平(MSL)的气压。在实践中，可以参考跑道的入口来给出该QNH压力，使得当航空器位于所讨论的跑道入口的上空时，高度计显示终点D的地理高度。激光高度计可以具有0.2米以内的精度并且在高度小于100米时可使用。
另外，众所周知，航空器1可以配备有自动驾驶仪，该自动驾驶仪被配置为当在限定的航线上和在限定的高度处飞行时维持该航空器进行飞行。
该方法提出了尽管卫星定位系统或GNSS不可用但仍能通过首先沿设定的方向、朝向具有已知位置并且相对靠近跑道的被称为采集点B的预定点对航空器进行制导来将诸如为无人机的航空器从遥远的返回点可靠地、自动地引导到跑道(例如机场跑道或更粗糙的着陆地带)，并且使航空器着陆在该跑道上，与该设定方向的偏差由地面系统根据航空器相对于该地面系统的方位角数据的测量值来确定和传输。
为此，数据处理设备2能够被承载在航空器上并且可包括计算机和通信接口。该机载计算机可以是例如为x-86型或RISC类型的处理器或微处理器、控制器或微控制器、DSP、诸如ASIC的集成电路或诸如FPGA的可编程电路、这些元件的组合或使得能够执行上文所描述的方法的计算步骤的部件的任何其它组合。该通信接口可以是使得计算机能够与辅助系统3的其它元件(诸如高度计4)交换数据的任何模拟的或数字的接口。例如，该接口可以是RS232串行接口、USB接口、火线、HDMI或以太网类型的网络接口、或航空领域使用的任何类型的接口。
如图2所示，数据处理设备2的计算机可被连接至飞行控制系统(FCS)7。飞行控制系统7可以负责使用由数据处理设备的计算机提供的制导数据、根据由集成在FCS中的传感器确定的诸如航线、滚转和俯仰的航空器姿态数据和由上面提到的地面系统提供的方位角偏差数据来沿待沿循的参考方向将航空器有效地制导向采集点B。为此，飞行控制系统可将设定点传送到航空器的使控制表面8或油门杆9致动的诸如电致动器、液压致动器或混合致动器的驱动构件。因此，航空器被沿设定方向伺服制导向该采集点B。
数据处理设备2可经由如图3所示的下述两个链路被连接到通常位于机场附近或跑道附近的地面站：
-所谓的“命令/控制C2”双向无线电链路11，该链路处于介于3GHz到6GHz之间的电磁频谱的频带内并且使得能够在地面站和航空器之间交换控制信息和命令信息。所传输的信号被使用单载波调制技术进行调制，并且通过被安装在地面站的桅顶上的全向天线被发送/接收；
-任务数据M双向无线电链路12，该链路处于介于10GHz到15GHz之间的电磁频谱的频带内并且使得能够交换由不同的机载传感器产生的数据流。所传输的信号被使用多载波调制技术进行调制，并且通过被安装在桅顶上的诸如为抛物面的定向天线被发送/接收。
辅助着陆系统3还包括偏差指示器13。该偏差指示器是被连接到地面站的定向天线并且用于任务链路12的地面系统。偏差指示器被配置为连续地测量航空器的行进方向，即航空器相对于参考方向(例如北方)的方位角。偏差指示器还可以测量航空器相对于例如为与地面相切的平面的参考面的海拔高度。航空器的方位角和海拔高度是相对于参考点，例如相对于被安装在桅顶上的定向天线的位置来进行测量的。在本文的其余部分，该参考点被称为偏差指示器的位置并且被表示为E。偏差指示器可以根据由天线定位机电设备提供的定向天线的定向来测量这些角度，该天线定位机电设备被配置为定位定向天线的方位和海拨高度，以使该定向天线指向航空器以最大程度地提高链路质量。
该方法提出了使用由偏差指示器确定的这些方位角数据来沿偏差指示器的位置的方向制导航空器。更具体地，航空器必须沿循的方向受制于下述闭合伺服环路：偏差指示器能够测量这些所测量的方位角数据和要沿循的与连接返回点A和偏差指示器的位置E的方向AE对应的方位角之间的偏差并且能够将该偏差传输至航空器。根据这些方位角偏差数据，数据处理设备的计算机确定制导数据并传输这些制导数据至飞行控制系统，于是飞行控制系统能够对航空器进行定向以抵消该偏差并制导航空器朝向偏差指示器的位置E。
因此，方法的该步骤使得能够对航空器进行相对制导而不需要如在现有技术中提出的在之前的步骤中通过确定返回点A的位置、磁北的位置或跑道的位置来确定航空器的地理位置。因此，本发明的方法更简单并且克服了对系统的在先校准的需求。该方法足以检测航空器以启动制导。另外，使用轴线AE作为参考方向避开了使用机载导航单元的需求。
在一个实施例中，航空器的海拔高度被视为其方位。偏差指示器还可以将所测量的航空器的海拔高度与一参考海拔高度之间的海拔高度偏差传输至航空器，该参考海拔高度与当航空器被定位在返回点A处时沿方向AE测量的海拔高度相对应。在这种情况下，飞行控制系统使用该海拔高度偏差来当航空器接近偏差指示器的位置时使航空器的高度逐渐降低。
在第二实施例中，仅仅方位角偏差的测量值被用于制导航空器，该方位角偏差的测量值是根据航空器的高度计的测量值而在固定不变的高度处测量的。
在第三实施例中，方位角测量值和海拔高度测量值被用于制导，但通过随时间改变用于测量海拔高度偏差的参考海波高度来将航空器的高度保持固定不变。
在最后一个实施例中，执行类似于第一实施例的制导直至航空器已经到达最低高度，在该制导之后在固定不变的高度处执行制导。
在下面描述的不同的实施例中，由高度计提供的航空器高度数据可以在需要时被校正以使其对应于航空器相对于参考点(例如相对于偏差指示器的高度)的相对高度。这使得例如能够克服航空器飞过的地形的高度的变化。
可以在该方向上制导航空器直至其被定位在相对靠近跑道的、位置已知的采集点B处。在一个实施例中，当航空器要沿循的方位与轴线AE对齐时，采集点B大致与返回点A和偏差指示器的位置E对齐。替代地，要沿循的方位可以偏离轴线AE，则采集点B将位于远离该轴线并且不与返回点A和偏差指示器的位置E对齐。
从具有已知位置的该采集点B，可对航空器加以预定的轨迹，以使航空器到达与跑道的轴线大致对齐的预定的待命点C，其中航空器前进方向也与跑道的轴线对齐。如图1所示，待命点C可以位于以终点D为中心或以偏差指示器的位置E为中心的并具有预定的半径的待命区域的周缘上。例如，该待命区域可以具有5km的或更小的半径。
辅助着陆系统3还可以包括一个或多个使得能够检测航空器在采集点B处的定位的附加系统。
因此，辅助着陆系统可包括光电系统6，该光电系统包括航空器机载的图像采集设备14和适于处理该图像并且被连接至处理设备2的图像处理设备19。图像处理设备被配置为其能够检测具有确定特征(几何特征、光特征、热特征等)的任何类型的物体，并根据该物体限定出相对于参考轴(例如相对于航空器的通过所采集的图像的中心或通过在该图像中限定的任何位置的行进轴线)的角位置。该采集设备和与其相关联的图像处理设备可以被用于检测位于采集点B处或在该采集点附近的地面地标。该地面地标可以是建筑物、地理标志物或诸如道路交叉口之类的地标。在由图像采集设备采集的图像中检测该地标使得能够及时地确定航空器大致位于采集点B处所处的时刻。图像采集设备的视野不一定以航空器的行进轴线为中心。航空器行进轴线与连接图像采集设备和由该设备采集的图像中的预定点(例如图像的中心点)的轴线之间的角度可通过作图(construction)或标度来确定，以确定航空器相对于由该设备采集的图像的前进方向。如果所采集的图像被包含在该设备的视野中并且对图像处理设备来说是已知的，则该方向可以在所采集的图像中被具体化。
还可以根据航空器和与返回点A和偏差指示器的位置E对齐的地面参考点之间的距离的测量值来确定航空器在采集点B处的定位。该地面参考点例如为偏差指示器的位置E本身。航空器和偏差指示器的位置之间的距离数据可以由地面站根据该地面站与航空器之间的信号传输时间来确定或者利用诸如雷达的另一系统来确定，并且这些距离数据可以经由命令/控制链路11被传输至航空器。替代地，如图2所示，航空器自身可以估算其与地面站分开的距离。在这种情况下，辅助系统3则可以包括航空器机载的并且负责估算该航空器和地面站之间的距离的距离估算模块5。该模块可以被集成在处理设备2中。距离估算模块可以通过在命令/控制链路11或任务链路12上测量至少一个数据包在航空器与地面站之间的传输时间来估算该距离。替代地，距离估算模块可以集成有或被连接至附加的机载收发器，该机载收发器专用于与地面站交换数据包用以测量航空器和地面站之间的距离；距离估算模块则可以通过经由该附加收发器测量至少一个数据包在航空器和地面站之间的传输时间来估算该距离。在航空器和地面站之间传输的数据包可被用时间标记，以便能够确定航空器和地面站之间的单向传输时间。在这种情况下，航空器可以具有与地面站的时钟同步的机载时钟。
航空器在采集点B处的定位还可以利用航空器相对于地面的速度数据来确定，以计算航空器从返回点A所行进的距离。这些速度数据可以经由光电系统6来得到，或者通过由如上所述的其它机载装备测量速度(例如测量在两个数据链路中的一个上交换的电磁波的多普勒效应)来得到，或者通过由航空器机载的一个或多个附加的专用设备测量速度来得到。例如，可以使用皮托管来测量航空器相对于外界空气的相对速度，可以使用另一个例如位于地面站处的传感器来测量风速，并且可以结合这两种测量方式来估计航空器相对于地面的速度。
辅助着陆系统3可以包括附加的定位系统，该定位系统专用于在着陆阶段期间在待命区域中对航空器进行制导直至到达终点。
在第一实施例中，辅助着陆系统3包括航空器机载的摄像头10，图像处理设备可以被连接到该摄像头。该摄像头可以是例如为SWIR(短波红外范围，其波长介于0.9微米到1.7微米之间)类型、MWIR(中波红外范围)类型或LWIR(长波红外范围)类型的红外全景摄像头。该摄像头还可以在可见光谱中工作。该摄像头10可以与图像采集设备14合并或者与该图像采集设备分开。由摄像头采集到的视频流首先被传输到图像处理设备19以识别跑道并经由处理设备2确定航空器相对于所着陆的跑道的位置，并且其次该视频流通过“任务”链路被传输到地面站。在一个实施例中，根据分配给摄像头的任务，摄像头为能够包括多个光场、多个检测光谱带、甚至多个图像传感器的图像采集系统。图像处理系统被配置为使得其能够使用已知的方法来组合和分析其所有图像。
在图4所示的第二实施例中，辅助着陆系统3包括位于地面上的至少一个收发器和航空器上机载的收发器15，该机载的收发器被配置为连接到数据处理设备2。这些收发器可以是ULB(超宽带)无线电信标台。通过与一个或多个地面收发器交换信号，机载的收发器能够例如通过测量信号的来回传输时间来确定其与每个地面收发器分开的距离。机载的收发器还被配置为将这些距离传输到处理设备2。获知地面收发器的位置后，处理设备2则可以根据由偏差指示器传输的方位角数据和海拔高度数据以及由机载的收发器提供的距离数据来确定航空器的经校正的位置。实际上，可以这种方式通过使用至少四个收发器或至少三个收发器加上由高度计提供的航空器高度数据来估计航空器的位置。
参照图5，后文的段落中更为详细地描述了该方法的步骤。
该方法可以包括辅助返回导航阶段P1，在该阶段期间，处理设备根据由高度计4提供的高度数据、航空器的航线和速度数据以及由偏差指示器传输的偏差数据(特别是方位角和可选的海拔高度)来对航空器沿着预定轨迹从返回点A直到与跑道的轴线大致对齐的预定待命点C执行制导。
该方法还可以包括辅助着陆阶段P2，在该阶段期间，处理设备对航空器从待命点C直到跑道上的终点D执行制导。
辅助导航阶段P1可以包括第一制导步骤E1，该第一制导步骤根据由偏差指示器传输的相对于参考方向的方位角偏差的测量值，沿偏差指示器的位置E的方向从返回点A开始对航空器进行制导。为此，连接返回点A和偏差指示器的位置E的方向AE可以被当作参考方向，并且由偏差指示器在每个时刻测量的航空器的真实方位角的测量值可以被该偏差指示器使用以确定所测量的方位角和参考方向之间在每个时刻的偏差。然后，偏差指示器可在每个时刻经由数据链路中的一个将所计算的方位角偏差传输至数据处理设备。于是处理设备可在每个时刻制导航空器以消除该偏差，从而通过将航空器引导向偏差指示器的位置E来使得航空器沿循参考方向。该第一制导步骤E1可以包括在与返回点A和偏差指示器的位置E大致对齐的预定采集点B处确定航空器的位置。因此，处理设备可以确定自从离开返回点A其真实位置即未知的航空器到达位置已知的采集点B所处的时刻。
如上所述，可以根据航空器1和地面上的与返回点A和偏差指示器的位置E(例如E点本身)对齐的参考点之间的距离数据来确定航空器在采集点B处的定位。偏差指示器的位置E和采集点B的位置是已知的，并且航空器与这两点对齐，处理设备能够根据航空器和偏差指示器之间的距离数据推算出航空器和采集点B之间的距离。当该距离为零时，在测量不确定性之内，航空器被定位在采集点B处。
可以经由双向无线电链路中的一个从地面站接收这些距离数据。还可以由处理设备自身根据航空器和地面站之间的单向传输时间或来回传输时间的测量值来确定这些距离数据。
替代地，可以通过根据航空器方位角的受控变化或当航空器足够靠近地面站时航空器的海拔高度确定航空器的位置来确定这些距离数据。该受控变化可由位于地面站的远程驾驶引起。为此，航空器可执行例如根据高度计测量值控制的预定的高度变化。该变化导致由偏差指示器得到的海拔高度测量数据的变化。该变化使得能够确定航空器的位置并因此确定航空器与偏差指示器的位置E分开的距离。
确定航空器在采集点B处的位置可以包括估算该航空器的速度数据和根据该速度数据确定航空器从返回点A行进的距离，例如通过贯穿航空器的全部行程对该速度数据进行积分。返回点A的位置和采集点B的位置是已知的，并且航空器与这两点对齐，处理设备能够根据航空器和返回点A之间的距离数据推算出航空器和采集点B之间的距离。如果该距离为零，则在测量不确定性之内，航空器被定位在采集点B处。
航空器速度数据可以由光电系统6通过使用由图像采集设备采集的图像和由高度计提供的高度数据测量地面速度来估算出来。
还可以通过测量由航空器的运动产生的多普勒效应来估算航空器速度数据。例如，数据处理设备可以测量由航空器的移动引起的、在从地面站和偏差指示器发送的两个数据链路中的一个上接收到的信号的频移。
航空器速度数据还可以由诸如皮托管的机载系统测量得到。由于该皮托管仅仅测量航空器相对于外界空气的速度，因此在有风的情况下可能不能真实地反映航空器相对于地面的速度，这些数据可以被沿着航空器所沿循的轨迹上的外界风速的数据完善。这些速度数据可以由被整合在地面站中的气象站使用已知的方法来确定。
确定航空器在采集点B处的定位还可以通过在由该图像采集设备采集的至少一个图像中检测位置已知的地标，并如上文说明的，使用由高度计提供的航空器高度数据来完成确定。图像采集设备还可以被用于在航空器到达采集点B附近之前、在从返回点开始的路径上检测位置已知的地标。该检测可以被用于验证并且在需要的情况下校正航空器的当前位置和采集点B之间的、如上述方法中的一个所确定的距离。
用于确定航空器在采集点B处的定位的该地标可以是偏差指示器的位置E本身。在第一制导步骤E1中，航空器被引导向偏差指示器的位置E，因此该偏差指示器的位置位于航空器的行进轴线上和光电系统的视场中。光电系统能够在图像采集设备的图像中检测处于大约1km至2km距离处的偏差指示器。偏差指示器通常位于跑道的附近，因此航空器位于距该跑道相当的距离处，该距离适于执行预定的移动直到待命点C，以便使航空器与跑道的轴线对齐。如果偏差指示器的位置与跑道轴线大致对齐，则待命点C还可以与偏差指示器的位置E合并。
在依靠光电系统确定航空器在采集点B处的定位的不同实施例中，例如在图像采集设备14发生故障的情况下，光电系统可以使用来自摄像头的图像。
对于这种根据偏差指示器的位置E来确定航空器在采集点B处的定位，不需要知道采集点B、待命点C以及偏差指示器的位置E的绝对地理坐标。知道这些点相对于彼此和相对于跑道的相对位置足以相对于跑道对航空器有效地进行制导，以及足以正确地定位该跑道用以进行着陆。如果跑道是临时性的并且如果在诸如例如缺少GPS信号难以精确定位跑道的情况下，这可能是特别有意义的。另外，不需要其它参考点来使光电系统能够正常运行以及对航空器进行正常制导。
最后，可以通过确定航空器的诸如经度和纬度的位置数据来确定航空器在采集点B处的定位。卫星定位数据不可用时，可以根据如下参数来确定航空器的位置：
●由偏差指示器确定的方位角；以及
●以下数据中的两个数据：
о由偏差指示器测量的航空器的海拔高度；
о如上所述所确定的航空器与偏差指示器之间的距离；
о根据高度计测量值得到的航空器相对于偏差指示器的高度。
根据由偏差指示器传输的测量值对位置数据进行的计算可以在以偏差指示器的位置E为中心的极坐标系中进行，并且所得到的航空器的位置数据可以被转换为以经度和维度的形式的笛卡尔坐标。
在第一制导步骤E1之后，航空器因此被定位在采集点B处。之后，辅助返回导航阶段P1可包括第二制导步骤E2，该第二制导步骤沿着预定轨迹从采集点B到与跑道的轴线大致对齐的待命点C对航空器进行制导。沿着该预定轨迹，航空器可能会由于风而偏离要沿循的理论轨迹。为了校正航空器的位置用以将航空器维持在预定轨迹上，可根据由高度计提供的高度数据以及航空器的航线和速度数据来执行对航空器的制导。还可以通过考虑诸如风力数据之类的当地天气数据或通过相对于特定地标(例如终点D或偏差指示器的位置E)临时地或连续地重新调整航空器来改进制导。特别地，可以通过下述方式来执行对航空器的制导：将该地标保持为在由光电系统采集的图像中处于根据沿采集点B和待命点C之间的轨迹的前进情况而限定的一角位置并可见。
在整个该第一制导步骤E1中，航空器在返回点A和采集点B之间所沿循的预定轨迹可以是沿偏差指示器的位置的方向的直线，因此使得到达采集点B的行进距离和消耗的能量最小化。
替代地，航空器在返回点A和采集点B之间所沿循的预定轨迹可以是锯齿形的或台阶形的。这样的轨迹使得地面站的定向天线的位置的定向能够被稍微改变，因此减小了涉及由偏差指示器测量的方位角和/或海拔高度的不确定性。
上述步骤使得能够以足够的精度得到航空器的位置，以使航空器到达待命点C与跑道共线。然而，所得到的精度可能被证明不足以将航空器制导至终点并使其着陆在跑道上。由于不足的定位确定性，航空器将有被制导到跑道旁边的风险。因此，可能期望以提高的精度得到航空器的位置，以保证安全着陆。
在第一实施例中，如图5和图6所示，辅助着陆阶段P2(在该阶段期间，航空器从待命点C被制导至终点D)可利用由航空器机载的摄像头10提供的跑道的和终点D的图像。为此，辅助着陆阶段P2可包括图像处理步骤E3，在该步骤期间，在由摄像头连续采集的跑道的图像流中的一个或多个图像中对终点D的位置进行估测。可在航空器接近跑道未着陆的整个过程中重复执行该步骤。
如果在图像中能够容易地检测到终点，例如如果终点在跑道上通过一地面标记物来体现，或者如果跑道本身可由于存在于地面上的一个或多个识别物(诸如在光电系统的光谱带中可见的标记或灯)而被识别，则在图像中对终点进行的该检测可以完全是自动的。于是可使用已知的形状或图像识别技术来确定终点在图像中的位置。
替代地，终点在图像中的位置可以由操作人员经由命令/控制链路11在第一图像中指定，例如如图7所示通过在图像中将瞄准十字线定位在终点上。于是，处理设备能够确保对在由机载摄像头稍后提供的图像中以十字线指出的终点的位置进行追踪，并且能够自动地调整十字线的位置以保持终点处于该十字线的中心。当跑道或终点的标记不足以用于自动检测时，或当飞行条件(夜间飞行、雨、雾……)不允许进行该自动检测时，这种手动启动追踪可能是必要的。如果有必要，操作员可通过在当前图像中对十字线的位置进行一次或多次手动调整来校正追踪定位，以使得在所处理的连续图像中，十字线保持被正确地定位在终点上。为了有助于自动追踪终点的位置，可在终点处跑道的两侧布置适于图像采集系统的检测光谱的可见光源或红外光源。
辅助着陆阶段P2还可包括第一位置确定步骤E4，在该步骤中，根据在图像处理步骤E3中在图像中所估测的终点的位置来估算航空器的位置。该估算还需要由高度计提供的航空器的高度数据和终点的坐标，该坐标可由地面站通过命令/控制链路11来提供。在第一位置确定步骤E4之后，处理设备被提供航空器的例如为经度和纬度的形式的位置。之后在第三制导步骤E6中，可利用该位置来执行对航空器的制导，直到该航空器在终点D处着陆为止，在该第三制导步骤中，通过将航空器保持为与跑道的轴线对齐来完成从待命点C到终点D对航空器进行制导。在第一位置确定步骤E4之后得到的航空器的位置数据在过滤步骤E5中可使用卡尔曼滤波器被过滤，以便在第三制导步骤E6中使用该位置对航空器进行制导之前精细调整对航空器位置的估算。
该第一位置确定步骤E4的实施例的非限制性示例将在下文的段落中给出。替代地，可实施对本领域技术人员公知的其它实施例。如图5所示，第一位置确定步骤E4可包括瞄准线计算步骤E41，在该步骤期间，在以地球为中心的参考坐标系中确定航空器在终点D处的瞄准线。
这种确定可以根据以下参数来得到：
●(DL,DG,Dz)由地面站提供的终点D的位置；
●(DH,Dv)在图像处理步骤E3之后得到的在机载摄像头的图像中由十字线指示的终点的、例如相对于图像的左上角的X-轴坐标和Y-轴坐标；
●
Figure BDA0001578818810000171
机载摄像头在附属于航空器的参考坐标系中的定位角度；
●(CAOH，CAOV)摄像头的水平孔径角和竖直孔径角；
●(CRH，CRV)摄像头的水平分辨率和竖直分辨率；
●
Figure BDA0001578818810000185
由惯性单元提供的航空器的滚转角度、俯仰角度和航向角；
●AZ由高度计提供的航空器的高度。
还标示出以下参数：
●C方位角和C海拔高度：航空器在摄像头参考坐标系中的方位角和海拔高度，
●RT：地球的半径，
●Vx：在摄像头参考坐标系中与瞄准线相关的矢量，
●Vy：在摄像头参考坐标系中与正交于瞄准线的第1法线相关的矢量，
●Vz：在摄像头参考坐标系中与正交于瞄准线的第2法线相关的矢量，
●Wx：在以地球为中心的参考坐标系中与瞄准线相关的矢量，
●Wy：在以地球为中心的参考坐标系中与正交于瞄准线的第1法线相关的矢量，
●Wz：在以地球为中心的参考坐标系中与正交于瞄准线的第2法线相关的矢量。
于是瞄准线计算步骤E41可包括以下运算：
●确定与像素相关的基本角度，
Figure BDA0001578818810000181
Figure BDA0001578818810000182
●确定瞄准线相对于摄像头的轴线的角位置，
Figure BDA0001578818810000183
Figure BDA0001578818810000184
●确定摄像头参考坐标系中的瞄准线：
与朝向终点的瞄准线相关的矢量：
Figure BDA0001578818810000191
与正交于朝向终点的瞄准线的第一法线相关的矢量：
Figure BDA0001578818810000192
与正交于朝向终点的瞄准线的第二法线相关的矢量：
Vz＝Vx∧Vy
●构建从摄像头参考坐标系到航空器参考坐标系的转换矩阵：
Figure BDA0001578818810000193
●构建终点的从航空器参考坐标系到局部陆地参考坐标系的转换矩阵：
Figure BDA0001578818810000194
●构建终点的从局部陆地参考坐标系到以地球为中心的参考坐标系的转换矩阵：
MPRTL→RTC＝(xt yt -ut)
Figure BDA0001578818810000195
Figure BDA0001578818810000201
Figure BDA0001578818810000202
●计算从摄像头参考坐标系到以地球为中心的参考坐标系的转换矩阵：
MPC→RTC＝MPRTL→RTC·MPA→RTL·MPC→A
●在以地球为中心的参考坐标系中确定瞄准线(Wx，Wy，Wz)。
在以地球为中心的参考坐标系中与瞄准线相关的矢量：
Wx＝MPC→RTC·Vx
与正交于朝向终点的瞄准线的第1法线相关的矢量：
Wy＝MPC→RTC·Vy
与正交于朝向终点的瞄准线的第2法线相关的矢量：
Wz＝MPC→RTC·Vz
于是第一位置确定步骤E4可包括位置计算步骤E42，在该位置计算步骤中：
●以下方程被求解：
о其法线ut正切于由将终点投影到航空器的高度产生的点的平面的方程，
о由(Wx,Wz)生成的平面的方程，该平面具有法线Wy并且通过(DL,DG,DZ)，
о由(Wx,Wy)生成的平面的方程，该平面具有法线Wz并且通过(DL,DG,DZ)。
●在以地球为中心的参考坐标系中确定航空器的坐标。
它们对应于这三个平面的交点：
解X是当
Figure BDA0001578818810000211
时通过求解线性方程组MX＝A得到的，
其中：
Figure BDA0001578818810000212
Figure BDA0001578818810000213
上述线性方程组的解为：
Figure BDA0001578818810000214
纬度和经度则通过下式给出：
Figure BDA0001578818810000215
G＝arg(x1+ix2)
在图5和图8所示的第二实施例中，辅助着陆阶段P2(在该阶段中，航空器被制导至待命点C和终点D)可使用航空器机载的收发器与位于地面上的至少三个收发器之间的距离数据。为此，辅助着陆阶段P2可包括第二位置确定步骤E7，在该第二位置确定步骤中，根据机载收发器与位于地面上的所述至少三个收发器之间的距离数据来估算航空器的位置数据。如上文所说明的，地面上的每个收发器与机载收发器之间的距离可通过这些发射机之间的信号交换来确定。由于地面收发器的位置是已知的，因此可使用这些距离数据来使航空器位置的不确定性最小化。可选地，对航空器的位置数据进行确定还可以在由偏差指示器传输的方位角测量值和海拔高度测量值可用时使用这些测量值。
为此，使用由偏差指示器传输的测量值和收发器(ER)之间的距离对位置数据进行的计算可通过使成本函数最小化的最小化模块16来执行。该成本函数可以是一数学表达式，该数学表达式包括在机载收发器和地面收发器之间测量的距离与根据航空器的位置和地面收发器的位置计算出的对应距离之间的幂差项，以及可选地包括航空器的真实位置坐标与由偏差指示器提供的对应坐标之间的差。可以任意选择或选定这些幂次以调整或加重相对于彼此的贡献的相对重要性。因此，期望的位置坐标是根据“最小幂”准则被选择作为使成本函数最小化的实际位置坐标的坐标。下文提供了没有考虑到由偏差指示器提供的海拔高度测量值的成本函数C的一个简单示例。例如，该成本函数包括项C1和项C2，该项C1为机载收发器和地面收发器之间的距离数据的函数，该项C2为由偏差指示器提供的方位角测量值的函数。
Figure BDA0001578818810000221
对航空器位置进行的确定是离散地完成的，在本示例中假设以采样周期T周期性地执行该确定。采用t＝kT时刻
Figure BDA0001578818810000222
Figure BDA0001578818810000223
其中，
(x(mT),y(mT))：在mT时刻航空器所保持的位置。
θ(mT)：在mT时刻航空器相对于参考方向所保持的方位角。
θe(mT)：在mT时刻测量出的航空器相对于参考方向的方位角。
σe：由偏差指示器引起的测量误差的标准差。
(xn,yn)：地面上的ER ULB的位置，下标为n。
N：地面上部署的ER ULB的数量(N≥3)。
dn(τ)：在τ时刻时，航空器和下标为n的地面ER ULB之间的距离测量值。
Figure BDA0001578818810000231
测量距离时产生的最大距离误差。
wn(τ)：如果可以进行距离测量(地面ER在机载ER的范围内)，则为1；否则为0。
o,p,q：使得成本函数能够逐渐符合“矩形井(rectangular well)”的可选参数(当o,p,q→∞)。
角度θ(t)与坐标(x(t),y(t))通过以下方式相关联：
θ(t)＝Re(-ilog(x(t)+iy(t)))
其中，Re表示实部。
作为示例给出的项C1和C2分别是在发现经校正的位置数据x(t)，y(t)所在的时刻kT之前的几个时刻mT提供的距离数据和方位角测量值的函数。距离测量值dn(mT)、位置坐标(x(mT),y(mT))和方位角测量值θ(mT)、θe(mT)在t＝kT之前的时刻已被确定或测量，假设对于这些项已知m<k。
因此，最小化C(x(t),y(t))相当于使下式最小化：
Figure BDA0001578818810000232
通过求解以下方程组，例如通过牛顿-拉夫逊法，得到如上所示的解：
Figure BDA0001578818810000241
替代地，可对地面收发器的高度zn加以考虑并且可利用使成本函数最小化来确定航空器的高度z(t)。该成本函数则可写成：
Figure BDA0001578818810000242
其中：
Figure BDA0001578818810000243
因此，最小化C(x(t),y(t),z(t))相当于使下式最小化：
Figure BDA0001578818810000244
通过求解以下方程组，例如通过牛顿-拉夫逊法，得到如上所示的解：
Figure BDA0001578818810000251
可使用卡尔曼滤波器17对通过使成本函数最小化得到的经校正的位置数据(x(t)，y(t))进行过滤，使得在使用该位置对航空器进行制导之前对航空器位置的估算进行精细调整，并且可调整滤波器的状态矩阵以考虑到航空器18要沿循的预定轨迹的轮廓。
因此，使用所提出的方法能够在尽管卫星定位不可用的情况下仍将航空器制导至终点并且使该航空器着陆。

Claims (20)

1.一种用于自动辅助航空器(1)从返回点(A)到达终点(D)着陆在跑道上的方法，所述航空器在所述终点处与所述跑道发生接触，所述方法通过所述航空器(1)机载的数据处理设备(2)来实施，并且所述数据处理设备被配置为被连接到：
-高度计(4)，所述高度计被配置为测量所述航空器的高度；
-偏差指示器(13)，所述偏差指示器位于地面站处并且被配置为测量所述航空器相对于连接所述返回点(A)和所述偏差指示器的位置(E)的参考方向的方位角偏差；
所述方法的特征在于，所述方法包括：
-辅助返回导航阶段(P1)，所述辅助返回导航阶段包括：
-基于由所述偏差指示器传输的所述航空器相对于所述参考方向的方位角偏差的测量值来沿所述偏差指示器的位置(E)的方向从所述返回点(A)对所述航空器(1)进行制导；
-在预定的采集点(B)处确定所述航空器的位置，所述采集点与所述返回点(A)和所述偏差指示器的位置(E)对齐；
-根据由所述高度计(4)提供的高度数据和所述航空器的航向与速度数据，沿着预定轨迹从所述采集点(B)到与跑道的轴线对齐的预定的待命点(C)对所述航空器(1)进行制导；
-辅助着陆阶段(P2)，所述辅助着陆阶段包括从所述待命点(C)到跑道上的所述终点(D)进行制导。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述采集点(B)处航空器的定位是根据所述航空器(1)和地面上的参考点之间的距离数据来确定的，所述参考点与所述返回点(A)和所述偏差指示器的位置(E)对齐。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述距离数据是根据数据包在所述地面站和所述航空器之间的传输时间的测量值来估算的。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述距离数据是根据数据包在所述地面站和所述航空器之间的单向传输时间的测量值来估算的，所述地面站和所述航空器包括同步的时钟。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述采集点(B)处对所述航空器的定位进行确定包括估算所述航空器的速度数据，以及根据所述速度数据确定所述航空器从所述返回点(A)行进的距离。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述数据处理设备(2)被配置为还被连接到光电系统(6)，所述光电系统包括由所述航空器(1)机载并且被定位成沿所述航空器的轴线的图像采集设备(14)，以及包括适于处理所述图像的图像处理设备，所述航空器(1)的速度数据由所述光电系统通过使用由所述图像采集设备采集的图像和由所述高度计(4)提供的高度数据测量地面速度来估算。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，通过测量由于所述航空器的运动而在在所述航空器和所述地面站之间交换的信号上产生的多普勒效应来估算所述航空器(1)的速度数据。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的方法，其中，所述数据处理设备(2)被配置为还被连接到所述航空器(1)机载的图像采集设备，在所述采集点(B)处所述航空器的定位是通过检测在由所述图像采集设备采集的至少一个图像中具有已知位置的地标来确定的。
9.根据权利要求1至7中的任一项所述的方法，其中，沿所述偏差指示器的位置(E)的方向在所述返回点(A)和所述采集点(B)之间沿着预定的直线的轨迹对所述航空器(1)进行制导。
10.根据权利要求1至7中的任一项所述的方法，其中，在所述返回点(A)和所述采集点(B)之间沿着锯齿形的或台阶形的轨迹对所述航空器(1)进行制导。
11.根据权利要求1至7中的任一项所述的方法，其中，所述数据处理设备(2)被配置为还被连接到所述航空器(1)机载的摄像头(10)，所述辅助着陆阶段(P2)包括在由所述摄像头(10)采集的跑道的图像中对所述终点(D)的位置进行估测(E3)，以及根据在图像中所估测的所述终点的位置和由所述高度计(4)提供的高度数据来对所述航空器的位置进行估算(E4)，以及其中，通过保持所述航空器与跑道的轴线对齐来实现对所述航空器从所述待命点(C)到所述终点(D)进行的所述制导。
12.根据权利要求1至7中的任一项所述的方法，其中，所述数据处理设备(2)还被配置为被连接到由所述航空器(1)机载并且被用于接收由位于地面上的至少三个收发器传输的信号的收发器(15)，所述辅助着陆阶段(P2)包括根据所述收发器(15)和位于地面上的所述至少三个收发器之间的距离数据来对所述航空器的位置数据进行估算(E7)。
13.根据权利要求1至7中的任一项所述的方法，其中，根据所述航空器相对于参考平面的海拔高度偏差的测量值来对所述航空器(1)进行进一步的制导。
14.一种计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令被处理器执行时实现权利要求1至13中任一项所述的方法。
15.一种数据处理设备(2)，所述数据处理设备被配置为执行根据权利要求1至13中任一项所述的方法。
16.一种用于自动辅助航空器(1)从返回点(A)到达终点(D)着陆在跑道上的系统(3)，所述航空器在所述终点处与所述跑道发生接触，所述系统包括：
-高度计(4)，所述高度计被配置为测量所述航空器的高度；
-偏差指示器(13)，所述偏差指示器位于地面站处并且被配置为相对于参考点测量所述航空器相对于连接所述返回点(A)和所述偏差指示器的位置(E)的参考方向的方位角偏差；
-数据处理设备(2)，所述数据处理设备被配置为执行根据权利要求1至13中任一项所述的方法。
17.根据权利要求16所述的系统(3)，其中，所述偏差指示器(13)被连接到定向天线。
18.根据权利要求16或17所述的系统(3)，所述系统进一步包括光电系统(6)，所述光电系统包括所述航空器(1)机载的图像采集设备(14)，所述图像采集设备被配置为被连接到所述数据处理设备(2)并且还被配置为实施根据权利要求1至12中的任一项所述的方法。
19.根据权利要求16或17所述的系统(3)，所述系统进一步包括摄像头(10)以及与所述摄像头相关联的图像处理设备，所述摄像头和所述图像处理设备被配置为被连接到所述数据处理设备(2)并且还被配置为实施根据权利要求1至12中的任一项所述的方法。
20.根据权利要求16或17所述的系统(3)，所述系统进一步包括：
-位于地面上的至少三个收发器；
-被配置为接收由位于地面上的所述至少三个收发器传输的信号的收发器(15)，该收发器由所述航空器(1)机载并且被配置为被连接到所述数据处理设备(2)；
这些元件被配置为实施根据权利要求1至12中的任一项所述的方法。
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