CN108352122B - 蜂窝飞行器交通控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种飞行器交通控制系统，包括：地面系统；无人驾驶飞行器；地面系统与无人驾驶飞行器之间的无线通信链路；无人驾驶飞行器被配置成在三维空域中行进；所述三维空域被划分成多个单独的三维虚拟蜂窝；具有与每一个虚拟蜂窝相关联的独有授权令牌的数据库；被配置成每次把数据库中的每一个令牌指派给不超过一台无人驾驶飞行器的事务处理引擎；以及被配置成控制无人驾驶飞行器，从而使得在没有首先为无人驾驶飞行器指派针对蜂窝的令牌的情况下限制无人驾驶飞行器进入这样的蜂窝的控制器。

Description

蜂窝飞行器交通控制系统和方法

技术领域

本发明总体上涉及飞行器控制系统的领域，并且更具体来说涉及无人驾驶飞行器空域控制和授权系统。

背景技术

空中交通主要由人类借助于工具来控制，所述工具帮助提供在例如机场之类的高度拥塞的区域内提供分隔和安全性。调度员尝试基于在其管理下的飞机的定格图像来保持飞机之间的飞行时间方面的分隔。新兴的4D轨迹建模技术增强了空中交通调度员预测和避免冲突的能力。当前的系统能够提出路线解决方案以避免损害分隔。过去、当前和新兴的工具基本上都工作在“模拟”范例中，其中空域是连续体并且飞机“飞”过空域。

移动电话使用蜂窝塔网络，从而允许随着呼叫者在各个塔的范围当中行进而保持不间断的呼叫。从塔到塔的交接自动发生。所述系统对于服务提供商而言是透明的，从而允许从一个提供商漫游到另一个。所述系统不依赖于知道移动电话的速度或方位或路线。交接主要通过无线电信号的强度发起。在任何给定的时间，移动电话连接到单个塔。

发明内容

当在括号中提到所公开的实施例的相应的部件、部分或表面时仅仅是为了进行说明而不是作出限制，提供了一种空中交通控制方法，包括以下步骤：把三维空域(16)划分成多个单独的三维虚拟蜂窝(18)；为空域中的每一个虚拟蜂窝提供独有的令牌(52)；请求(105)把针对所选蜂窝(18b)的令牌指派给无人驾驶飞行器(19)；以及根据针对所选蜂窝的令牌是否可用于(308)指派给无人驾驶飞行器而决定(106)是否要把针对所选蜂窝的令牌指派给无人驾驶飞行器。

所述方法可以包括以下步骤：如果无人驾驶飞行器没有首先获取(107)针对所选蜂窝的令牌，则限制(110)无人驾驶飞行器进入所选蜂窝。所述方法可以包括以下步骤：把针对所选蜂窝的令牌指派(207)给无人驾驶飞行器。所述方法可以包括以下步骤：无人驾驶飞行器从邻近蜂窝(18a)进入(108)所选蜂窝。所述方法可以包括以下步骤：在无人驾驶飞行器离开邻近蜂窝之后，释放(109)针对邻近蜂窝的令牌。所述方法可以包括以下步骤：在预定的到期时间(402)之后，从无人驾驶飞行器取回(209)针对邻近蜂窝的令牌。

所选蜂窝可以处在无人驾驶飞行器的所期望的航线(21)上。无人驾驶飞行器可以包括机载全球定位系统(23)，并且可以包括确定(102，103)无人驾驶飞行器所处的蜂窝的步骤。决定是否要把针对所选蜂窝的令牌指派给无人驾驶飞行器的步骤可以是根据雷达系统(24，25)，所述雷达系统验证(309，411)所选蜂窝是否可用于无人驾驶飞行器。决定是否要把针对所选蜂窝的令牌指派给无人驾驶飞行器的步骤可以是根据被应用于无人驾驶飞行器的优先级指定。所述方法可以包括以下步骤：对令牌指派进行审核(409)，以便确保每一个令牌每次只被指派给一台无人驾驶飞行器。所述方法可以包括以下步骤：确定无人驾驶飞行器的目的地蜂窝和空域，并且计算去往目的地蜂窝的航线。所述方法可以包括以下步骤：计算去往目的地蜂窝的替换航线。

虚拟蜂窝可以不具有相同的体积(volume)。请求把针对所选蜂窝的令牌指派给无人驾驶飞行器的步骤可以包括以下步骤：通过无线通信网络(26，27)从无人驾驶飞行器向地面控制系统(17)发送无线信号(32，33，34)。无线通信网络可以包括蜂窝基础设施和专用频道。所述方法可以包括以下步骤：把针对第二所选蜂窝(18c)的第二令牌指派给无人驾驶飞行器。所述方法可以包括以下步骤：限制无人驾驶飞行器在给定时间获取多于预定最大数目的令牌。

在另一个方面中，提供一种无人驾驶飞行器交通控制系统(15)，包括：地面系统(17)；无人驾驶飞行器(19)；地面系统与无人驾驶飞行器之间的无线通信链路(32)，所述无人驾驶飞行器被配置和安排成在三维空域(16)中行进，所述三维空域被划分成多个单独的三维虚拟蜂窝(18)；具有与每一个虚拟蜂窝相关联的独有令牌(52)的数据库(37)；被配置成每次把数据库中的每一个令牌指派给不超过一台无人驾驶飞行器的事务处理引擎(29)；以及被配置成控制无人驾驶飞行器的控制器(22)，从而使得在没有首先为无人驾驶飞行器指派针对蜂窝的令牌的情况下限制无人驾驶飞行器进入蜂窝。

事务处理引擎可以被配置成：在无人驾驶飞行器离开蜂窝之后从无人驾驶飞行器(209)取回针对蜂窝的令牌。事务处理引擎可以被配置成：根据自从把令牌指派给无人驾驶飞行器以来所过去的时间(402)，在无人驾驶飞行器离开蜂窝之后从无人驾驶飞行器取回(405)针对蜂窝的令牌。无人驾驶飞行器可以包括全球定位系统。地面系统可以包括雷达系统(24，25)，并且事务处理引擎可以被配置成：在把针对蜂窝的令牌指派给无人驾驶飞行器之前，从雷达系统获得关于蜂窝可用于无人驾驶飞行器的验证(309，411)。事务处理引擎可以被配置成：对令牌指派进行审核，以便确保每一个令牌每次只被指派给一台无人驾驶飞行器。地面系统可以包括多个位置分开的地面站(24，25，26，27，29)。所述系统可以包括多台无人驾驶飞行器(19，20)。地面系统与无人驾驶飞行器之间的无线通信链路可以包括蜂窝基础设施和专用频道。所述系统还可以包括冗余备份数据库。事务处理引擎可以被配置成：把数据库中的多个令牌同时指派给一台无人驾驶飞行器。事务处理引擎可以被配置成：限制无人驾驶飞行器在给定时间获取多于预定最大数目的令牌。

在另一个方面中，提供一种空中交通控制系统，包括：被划分成多个单独的三维虚拟蜂窝(18)的三维空域(16)；针对每一个虚拟蜂窝的独有授权令牌(52)；被配置成每次把每一个令牌指派给不超过一台飞行器的交通控制器(29)；飞行器与交通控制器之间的通信网络(29，35a，35b，26，27)，其被配置成允许交通控制器把令牌选择性地指派给飞行器；以及被配置成控制飞行器的飞行器控制器(22)，从而使得在未把针对蜂窝的令牌指派(207)给飞行器的情况下限制飞行器飞入到蜂窝中。

飞行器与交通控制器之间的通信网络可以被配置成允许交通控制器从飞行器选择性地取回(209)令牌。飞行器控制器可以被配置成选择性地请求(105)和获取(107)令牌。飞行器控制器可以被配置成选择性地释放(109)令牌。交通控制器可以选择性地把已指派或自由令牌状态记录在数据库(37)中。

附图说明

图1是改进的飞行器交通控制系统的第一实施例的示意图。

图2是图1中示出的三维空域蜂窝划分的部分视图。

图3是图2中示出的单独虚拟蜂窝的视图。

图4是经过图1中示出的蜂窝的飞行器路线的部分视图。

图5是图1中示出的飞行器控制器的示意图。

图6是图1中示出的事务处理引擎的示意图。

图7是控制器处理方法流程图。

图8是事务引擎处理方法流程图。

图9是示例性的蜂窝数据库记录。

图10A-10E是图1中示出的事务处理引擎的数据库记录处理和管理流程图。

图11A和11B是图1中示出的事务处理引擎的异常处理和管理流程图。

具体实施方式

首先应当清楚地理解，相同的附图标记意图在几幅图中始终标识相同的结构单元、部分或表面，通过整个书面说明书可以进一步描述或解释这样的单元、部分或表面，此具体实施方式部分是说明书的一个组成部分。除非另行表明，否则附图应当与说明书一起来阅读(例如交叉影线、部件安排、比例、度数等等)，并且应当被视为本发明的整个书面描述的一部分。在后面的描述中使用的术语“水平”、“垂直”、“左”、“右”、“上”和“下”及其形容词和副词衍生词(例如“水平地”、“向右”、“向上”等等)简单地是指当特定附图面向读者时的所示出的结构的指向。类似地，视情况而定，术语“向内”和“向外”通常是指表面相对于其伸长轴或旋转轴的指向。

现在参照附图，更具体来说是参照图1，其中提供了飞行器交通控制系统，在15处总体上表明其一个实施例。如图所示，系统15通常包括地面系统17、具有控制和通信电子装置22的飞行器19和20以及交通控制器29。如图所示，地面控制系统17包括无线通信塔26和27，所述无线通信塔26和27分别通过地面链路35a和35b提供飞行器19和20与交通控制器29之间的无线通信链路32、33和34。在该实施例中，地面系统17还包括分别具有空域16的雷达覆盖区30和31的雷达塔24和25。交通控制器29分别通过地面链路36a和36b与雷达塔20和25进行通信。

在该实施例中，飞行器19和20是被授权行经空域16的无人驾驶飞行器(UAV)，其中空域16出于交通控制目的被划分成多个单独的蜂窝并且分别在18处表明。但是已经设想到，有人驾驶或其他类型的飞行器可以与系统15一起使用，或者系统15可以与用于其他类型的飞行器的其他空中交通控制系统相结合来使用。

如图1-3中所示，空域16被划分成各个单独的虚拟三维蜂窝。如图2和3中所示，单个矩形3D蜂窝18被安排在无重叠网格16中。各个蜂窝在所有维度中彼此无缝邻接。这样确保所有空间都受到所述系统控制。因此，空域16由蜂窝空间定义和指示符的蜂窝列表表示。虽然这一划分被示出为图1-3中的均匀三维网格，其中每一个蜂窝的体积是相同的，但是各个蜂窝的体积可以是不同的，并且每一个蜂窝的尺寸和配置可以被修改成与正被监管的飞行器的机动能力相一致并且与针对这样的飞行器的法规要求相一致。基于在其中操作的飞行器的速度和机动性来选择每一个单独蜂窝的尺寸和形状。举例来说，鉴于其速度和机动性方面的差异，可以对固定翼飞机和旋翼飞机应用不同的蜂窝体积。此外，可以创建蜂窝结构和尺寸的分级结构，其中基础层级蜂窝被分组在一起，并且针对这样的群组成块指派虚拟令牌，正如后面所描述的那样，所述虚拟令牌象征针对飞行器进入蜂窝的授权。这例如可以允许快速移动的飞机沿着飞行路径保留足够的蜂窝，以便确保高效地经历控制空间而不会遇到临时通知堵塞。如图4中所示，飞行器19在飞行路径21上经历两个水平邻近的蜂窝18a和18b。在飞行器最初进入或最终离开空域和网格16的外部边界处可以采取特殊规定。

如图5中所示，飞行器19和20当中的每一个包括控制和通信电子装置22。在该实施例中，电子装置22包括全球定位系统(GPS)23、无线通信收发器39、处理器和数据存储装置40以及飞行器控制系统41。

GPS 23允许飞行器19确定其在空域16中的位置，并且使用该位置来确定其当前所处的蜂窝18a和这样的蜂窝的边界，以及其希望在飞行路径21中行进到其中以及所经过的下一个蜂窝18b或多个蜂窝。因此，飞行器19能够在持续的基础上确定去往其所处蜂窝的边界的相对距离以及航向。收发器39与塔26和27传送和接收无线信号，并且允许飞行器19与交通控制器29进行通信。飞行器控制系统41开动飞行器19的飞行控制以便控制飞行器19的方向和速度。处理器40接收来自GPS 23和收发器39的输入，并且向飞行器控制41提供输出。

如图7中所示，处理器40被编程来实施若干空中交通控制功能。在飞行器19所处的蜂窝与飞行器19计划进入的蜂窝或蜂窝块之间的每一次过渡之前，遵循一个序列。处理器40首先通过GPS 23获取101其当前位置和航向。该位置和航向通过收发器39被报告到空域交通控制器29。由空域交通控制器29提供本地蜂窝地图或列表，并且由飞行器19通过收发器39接收103。基于飞行器19的优选飞行路径21，飞行器19标识出其希望请求虚拟令牌的一个或多个蜂窝。针对蜂窝的虚拟令牌表示针对飞行器占用这样的蜂窝的边界内的空域的授权。因此，处理器40确定飞行器19需要进入以便沿着其飞行路径(例如路径21)前进的下一个蜂窝(例如18b)或蜂窝块。飞行器19随后通过收发器39从空域交通控制器29请求105针对其希望进入的蜂窝的令牌。正如后面进一步描述的那样，空域交通控制器29或者106通过为这样的所选蜂窝指派令牌而作出肯定响应，或者不为这样的所选蜂窝指派令牌，从而充当针对进入这样的蜂窝的拒绝许可。

如果令牌未被指派，因此没有授予进入这样的蜂窝的许可，则由处理器40和飞行器控制41指示飞行器19保持110在其当前蜂窝(例如蜂窝18a)内。如果没有首先获取针对空域蜂窝的令牌或授权，则飞行器19不会被授权进入这样的蜂窝。如果令牌未被指派给飞行器19，则飞行器19保持在其当前蜂窝中，并且处理器40被编程来继续周期性地请求105针对这样的蜂窝的令牌，或者替换地或同时地计算替换路线并且开始请求针对替换的邻近蜂窝(例如蜂窝18c)指派令牌。

另一方面，如果通过收发器39针对这样的蜂窝为飞行器19指派了令牌，则飞行器19接收或获取107令牌，并且在获取令牌之后进入108这样的蜂窝。在飞行器19进入下一个所选蜂窝(例如蜂窝18b)之后，其通过收发器39释放109针对其所处的前一个蜂窝(例如蜂窝18a)的令牌。一旦飞行器19释放其所处的前一个蜂窝的令牌，所述序列再次开始，并且对于蜂窝之间的每一次过渡依次继续。

因此，飞行器19和20当中的每一个的控制和通信电子装置22充当有资格把飞行器保持在得到授权的一个或多个蜂窝内的约束机制。飞行器保持蜂窝空间定义和指示符的相关蜂窝列表的拷贝，保持其被指派的令牌的列表，能够关于蜂窝边界确定其自身的位置，并且被操纵以保持在对应于其被指派的一个或多个令牌的一个或多个蜂窝的边界内。

如图6中所示，交通控制器29通常包括中央处理器43、令牌数据库37、收发器45以及蜂窝占用验证监测器44。收发器45从塔26和27传送和接收信号，并且允许与飞行器19进行通信。蜂窝占用验证监测器44通过雷达站24和25监测空域16中的蜂窝18是否被飞行器占用。处理器43被配置成与数据库37、蜂窝占用监测器44和收发器45进行通信。

处理器43被编程来关于每一台飞行器以及从一个蜂窝到另一个蜂窝(或蜂窝块)的每一次飞行器过渡遵循交通控制例程，从而使得交通控制被精简到飞行器与空域交通控制器29之间的单一原子事务。在这一层级，交通控制器通过关于蜂窝执行两个事务的其中之一来管理令牌，即令牌指派和令牌取回。如果对象蜂窝的状态是“自由”或可用，则状态被切换到“已指派”或不可用，并且与发出请求的飞行器进行确认。对于令牌取回，被释放的蜂窝的状态被设定到“自由”，并且与飞行器进行确认。

如图8中所示，接收201飞行器19的位置和航向并且取回202来自数据库37的本地蜂窝地图或列表，并且通过收发器45传送203到飞行器19。通过收发器45接收204蜂窝令牌指派请求。处理器43在数据库37中查找所选蜂窝，以便确定针对该蜂窝的独有虚拟令牌52是否可用或“自由”以供指派给飞行器。针对给定蜂窝的数据库37中的令牌将是可用或不可用。如图9中所示，在该实施例中，数据库记录37对于每一个蜂窝18存储三维空间中的对象虚拟蜂窝的位置50(x,y,z)，三维空间中的对象蜂窝的体积或尺寸51(Δx,Δy,Δz)，针对对象蜂窝的授权令牌状态52，令牌何时被指派和取回的时间戳53，雷达虚拟蜂窝占用验证或检查结果54，以及雷达验证或检查的时间戳55。还可以存储附加的数据。因此，数据库37存储所有蜂窝18的地图，并且对于每一个蜂窝把针对这样的蜂窝的令牌状态设定为“自由”，在这种情况下这样的蜂窝被认为是空的，或者设定为“已指派”，在这种情况下这样的蜂窝被认为已被占用。如果已指派，则记录针对这样的蜂窝的令牌何时被指派给所表明的飞行器的时间戳，并且作为一种选项，可以记录针对所表明的飞行器的飞行器标识号。

如果令牌状态不是“自由”，则通过收发器45向飞行器19传送接进拒绝，并且不为飞行器19指派令牌。正如前面所表明的那样，如果没有指派针对蜂窝的令牌，则飞行器无法跨越边界进入这样的蜂窝。如果针对所选蜂窝的令牌是“自由”或可用，则经过后面描述的特定验证步骤，通过收发器45把令牌指派207给飞行器19并且批准接进所选蜂窝。数据库37被同时更新以便反映出令牌状态是“已指派”而不是可用，以及表明所选蜂窝被占用的这样的指派的时间53。还可以记录令牌最近一次被指派到的飞行器的标识号。当飞行器19离开其当前蜂窝(例如18a)并且释放针对这样的蜂窝的令牌时，针对这样的蜂窝的令牌被取回209并且数据库37被更新210到“自由”的令牌状态，以便反映出令牌已被返回并且现在可用于该蜂窝以及这样的取回的时间。

随着飞行器19沿着路线21行进，针对后续的蜂窝重复这一序列。对于蜂窝之间的每一次过渡，针对空域16中的每一台得到授权的飞行器也重复这一序列。虽然在该实施例中处理器40从空域交通控制器29接收蜂窝地图并且飞行器19决定将对于哪一个蜂窝继续，但是设想到处理器43可以检视蜂窝地图并且决定飞行器19应当进入以便沿着路线21前进的一个或多个蜂窝。

如图10A、10B、10C、10D和10E中所示，数据库37和处理器43提供若干操作。如图10A中所示，首先利用正被管理的蜂窝记录以及图9中示出的针对每一个蜂窝的相关联的信息来初始化301数据库37。所有令牌都被重置到“自由”或可用。数据库37随后能够侦听或接收请求302。如图10B中所示，在飞行器19或20发出针对其飞行路径上的蜂窝令牌或授权的请求之前，其需要知道附近的蜂窝的地图。这样的请求被接收303，发出针对飞行器的给定位置附近的蜂窝的查询304，并且返回305蜂窝列表。这一数据库功能从而向飞行器提供蜂窝列表以及蜂窝空间定义和指示符。

图10C示出了主要数据库操作。当接收到306针对对象蜂窝的令牌的请求时，取回307对象蜂窝记录，并且检查令牌可用性308(令牌状态是否为“自由”)和实际占用309全部二者。如果二者都不可用，则拒绝318请求。如果两项检查都通过，则指派令牌以准许接进请求，并且相应地利用飞行器令牌指派310(令牌状态被设定到“已指派”)和令牌时间戳311来更新312数据库37蜂窝记录。可以提供附加的或冗余的功能。举例来说，可以检查时间戳以确保占用数据或令牌状态不太旧，并且这样的检查可以在令牌授予之前触发雷达验证请求，正如后面所描述的那样。

在飞行器离开已指派的蜂窝之后，其应当返回或释放接进令牌。图10D示出了用于取回该令牌并且相应地更新数据库37的例程。如图所示，发出令牌释放请求313，查询314蜂窝记录，对象令牌由飞行器释放并且由数据库37取回，更新316对象令牌时间戳，并且把对象蜂窝记录相应地更新317到“自由”的令牌状态。

图10E示出了被用来扫描实际蜂窝占用的例如雷达之类的次要可选机制。如图所示，发出雷达更新请求318，查询319蜂窝记录，相应地更新320蜂窝占用，更新321占用时间戳，并且相应地更新322蜂窝令牌记录。因此，由雷达验证系统提供的信息被用来更新蜂窝记录中的占用字段。这一验证更新可以针对特定蜂窝按需实施，或者通过周期性地在后台中扫描所有蜂窝。可以提供管理备份、日志记录、完整性检查等等的附加处理和功能。

系统15可以提供特定的异常功能。图11A和11B示出了可以在后台中周期性地运行或者在请求下运行的两个例程。图11A示出了数据库时间戳检查和验证处理400，其扫描数据库令牌时间戳401以便检查402被占用的令牌是否已到期(给定某一预定义的超时值)。如果发现到期的令牌，则强制占用检查403。如果这样的占用检查404表明蜂窝为空或清空，则取回令牌405，通知其逾期所有者，并且将异常406记入日志。如果蜂窝实际上仍然被占用，则尝试从其所有者407获得状态，并且随后例如基于预定义的规则集合相应地处置异常408。

图11B示出了基于雷达的占用验证或检查409。周期性地扫描410飞行器的蜂窝占用。如果蜂窝为空411并且令牌可用或自由412，则在数据库37中更新416检查状态和时间戳。类似地，如果蜂窝被占用并且令牌已指派415，则在数据库37中更新416检查状态和时间戳。然而如果蜂窝为空411但是令牌已指派412，则查询413所有者，并且遵循特殊异常处置规程414。如果蜂窝被占用但是令牌被记录为自由或可用，则立即阻止指派417令牌，并且遵循特殊异常处理418。

因此，为操作在空域16中的UAV提供法规要求的集合。最低要求包括：UAV建立UAV相对于蜂窝边界的自身位置、航向和速度的可证明地准确的方式；UAV建立并且保持与空域交通控制器29的无线通信的可证明地可靠的方式；有资格控制UAV的UAV控制器，从而在未向邻近蜂窝指派令牌并且向前前进或替换路径不可用的情况下使得UAV保持在给定蜂窝的边界内；具有处理引擎的UAV，所述处理引擎允许其在进入新蜂窝之前从空域交通控制器29请求并获取令牌；以及具有处理引擎的UAV，所述处理引擎允许把已被UAV腾空的蜂窝的令牌释放或返回到空域交通控制器29。

在所示出的实施例中，通过无线蜂窝通信基础设施(比如3G或4G网络)来提供UAV19与20之间的通信。但是也可以使用替换的通信基础设施，包括而不限于ISM频带无线电装置(例如WIFI、ZigBee)、卫星通信或者专有执照频带无线电装置。专有执照频带无线电装置可以被用来提高控制通信对于为了其他目的使用带宽的其他用户的干扰的免疫性。

相应地，一般来说，令牌处理引擎29管理并且跟踪对应于空域16中的每一个蜂窝18的独有令牌的指派和取回。得到授权的UAV保持在为其指派的蜂窝内，并且如果没有首先请求并且获得针对另一个蜂窝的令牌则不可以进入该蜂窝。如果针对该蜂窝的令牌已被指派给另一台UAV，则所述令牌不可用。处理器43和数据库37执行非常简单的原子事务；其向系统中的UAV指派并且取回令牌。每一个令牌在任何给定时间最多只能被指派给单一UAV。因此，系统有能力确保任何给定蜂窝在任何给定时间被最多一台飞行器占用。虽然令牌交换的通信量可能非常高，但是每一个独有事务在执行和验证起来是非常直接明了并且简单的。对于每一个蜂窝创建一个独有令牌并且存储在控制数据库37中。当请求并授权时，可以把令牌与给定的UAV相关联。这需要把该令牌锁定在数据库37中，在该实施例中也就是通过把令牌状态从“自由”改变到“已指派”，并且把所述关联无线传送到发出请求的飞行器。采用握手协议来验证令牌状态在数据库37与飞行器之间是同步的。这必须在飞行器进入由给定令牌控制的空间之前完成。当离开所指派的蜂窝空间时，飞行器负责通过使用握手协议把令牌再次返回到控制数据库37，从而在该实施例中导致令牌状态从“已指派”改变到“自由”。当完成取回针对蜂窝的令牌时，空域交通控制器29使得令牌和相关联的空域可用于其他飞行器。

取决于其速度、位置、准确度和计划的飞行路径，飞行器可以提前请求针对另外的空域蜂窝的附加令牌，或者可以一次成块请求针对多个蜂窝的多个令牌。这方面的一个实例可以是保持令牌的先入先出队列的飞行器，其中随着飞行器在其飞行路径中前进而获取和释放令牌。队列的尺寸可以取决于令牌可用性以及飞行器速度和飞行路径，以及在给定时间可以被指派给飞行器的最大令牌数目方面可以被编程到控制处理器38中的特定限制。令牌队列可以被用来减少事务数量，这是因为令牌队列同时减少了单独事务的数目并且降低了总体空中交通控制系统15的占用水平。

空中交通控制系统15可以包括用于验证所使用的数据的机制。这可以包括通过单独的方法来验证飞行器数据，例如飞行器的给定位置。举例来说，飞行器可以通过使用其机载GPS单元23来确定其位置和速度数据。但是空域交通控制器29可以通过使用替换的技术(比如基于雷达的跟踪)独立地检查这些参数。虽然不作要求，但是雷达塔24和25允许独立地验证空域16中的飞行器的位置、航向和速度。

可以可选地使用类似的机制来验证只有被指派了令牌的飞行器进入给定的空域蜂窝，并且/或者飞行器在离开时应当立即释放令牌。同样地，雷达塔24和25允许可选地独立验证飞行器是否处在空域16内的特定蜂窝18中。

采用数据库审核和一致性检查来验证令牌未被复制或完全丢失。这包括使用分布在多台服务器当中的冗余数据库。通过在地理上分布这些冗余数据库还将减轻任何局部化服务器停机的影响，而不会影响总体交通流。可以使用双重或三重冗余配置来确保数据库一致性。通过使用握手和并发错误检查协议进一步增强了系统的总体可靠性和安全性。

如图所示，控制系统15采用两种技术来安全并且高效地管理空中交通。正如前面所描述的那样，安全关键第一系统(较低层)使用实施和证明起来简单并且直接明了的基于令牌的方法。可以使用更加复杂并且作出关于未来交通状态的预测的效率优化第二系统(更高层)。

举例来说，可以指派不同的“服务质量”类别以便为更快的飞行器保留航道。此外，所述系统可以被用来围绕拥塞区域改道交通。如果最初请求的蜂窝(或者沿着预测路径的多个蜂窝)是拥塞的，则可以为发出请求的飞行器给出针对替换路径的令牌。这样的系统可以把每一台飞行器的历史飞行路径信息与预测器相结合来使用以便优化总体交通流，所述预测器是基于例如飞行器先前飞行的路径、日间时、天气之类的因素以及其他因素或变量。

在未经授权的飞行器进入未被分配的蜂窝的情况下，可以为该飞行器给出针对该空间的临时授权，直到所述情况可以得到解决为止。这将防止其他飞行器占用相同的空域。但是如果该蜂窝不是空的，则可以采取更加激烈的措施，例如向得到授权和未经授权的飞行器都给出立即撤离该蜂窝的命令并且提供分开的离开路径。这当然可能对于相邻的蜂窝以及必须计划和考虑的当前和未来交通具有连锁反应。

空域蜂窝18是虚拟构造，但是依赖于通常的一般体系结构的物理实现方式。这可能需要可以实施在城市地区中的现有基础设施(比如蜂窝塔、街灯/交通灯)之上的具有适当范围的无线电装置。对于包括通信和基于雷达的位置跟踪的无线链路，为了保持可靠的操作，可能重要的是缓解多径状况。可以使用多个宏基站或子站以便确保总是至少有一条从基站到飞行器的直接路径，从而将允许基于飞行时间的距离测量。对于三角定位，可能需要多条直接路径。基站信号的时间同步可以进一步帮助过滤掉多径信号。每一个基站知道其自身的位置，这例如是通过使用也可以被用作定时参考的GPS接收器。为了冗余性，可以通过专用的回传链路以及在基于对等的网格配置中传送信标。信标通信链路还可以被用来更新信标控制器中的本地固件。类似地，虽然飞行器提供其自身的通信链路，飞行器也可以利用信标网络以作为紧急备份。

系统15可以与现有的交通控制方法相结合来使用。举例来说，在有人驾驶和无人驾驶自主飞行器的混合交通中，有人驾驶飞行器可以在现有的空中交通控制系统内被管理，并且在仅控制无人驾驶飞行器的蜂窝系统内被给出“先行权(right of way)”。两个系统之间的接口可以简单地由来自有人驾驶系统的单向信号构成，所述信号由所有飞行器的位置和海拔高度构成。一般的航空飞机以及不受控制地飞行的其他飞机将需要传送位置和海拔高度的手段。

正如后面进一步描述的那样，可以通过不同的计算机配置来实践处理和管理，包括互联网电器、手持式设备、可穿戴计算机、多处理器系统、可编程消费电子装置、网络PC、大型计算机、芯片上系统或者例如FPGA(现场可编程门阵列)或PLD(可编程逻辑设备)之类的可编程逻辑设备。各种替换的存储器或数据库设备可以与计算机包括在一起，比如闪存、硬盘驱动器或者其他固态存储器设备。编程可以通过被编程、配置或构造来实施对象指令(subject instruction)的任何形式的计算机可读介质或者专用计算机或数据处理器来具体实现。本文中所使用的术语“计算机”或“处理器”是指任何前述设备以及任何其他数据处理器。处理器的一些实例有微处理器、微控制器、CPU、PIC、PLC、PC或微型计算机。计算机可读介质包括被配置成存储或传输计算机可读代码或者可以在其中嵌入计算机可读代码的介质。计算机可读介质的一些实例有CD-ROM盘、ROM卡、软盘、闪存ROM、RAM、非易失性ROM、磁带、计算机硬盘驱动器、传统硬盘以及网络上的服务器。在前面和后面描述的计算机系统仅仅是出于示例的目的。所描述的实施例和方法可以被实施在任何类型的计算机系统或者编程或处理环境中。此外还意图涵盖在分布式计算环境中实施的处理，其中任务或模块由多于一个处理设备实施或者由通过通信网络运行的远程处理设备实施，所述通信网络比如是局域网、广域网或因特网。因此，术语“计算机”应当被宽泛地解释，并且本发明的系统的示例性实施例主要是在用于执行空中交通控制系统的功能完全的计算机系统的情境中来描述的。相应地，所述控制系统可以被具体实现在计算机程序产品中，所述计算机程序产品被布置在信号承载介质上以便与任何适当的数据处理系统一起使用。这样的信号承载介质可以是用于机器可读信息的传输介质或可记录介质，包括磁性介质、光学介质或者其他适当的介质。可记录介质的实例包括硬盘驱动器或软磁盘中的磁盘、用于光学驱动器的紧致盘、磁带、固态存储器设备以及本领域技术人员将会想到的其他可记录介质。传输介质的实例包括用于语音通信的电话网络以及数字数据通信网络，比如Ethernet^TM以及与互联网协议和万维网进行通信的网络。本领域技术人员将立即认识到，具有适当的编程装置的任何计算机系统将能够执行具体实现在程序产品中的所公开的方法的各个步骤。本领域技术人员将立即认识到，虽然在本说明书中描述的其中一些示例性实施例是针对安装并且执行在计算机硬件上的软件，但是被实施成固件或硬件的替换实施例也落在本公开内容的范围内。

图5-11中的流程图和方块图示出了根据本公开内容的各个实施例的系统和方法的可能实现方式的架构、功能和操作。在这方面，流程图或方块图中的每一个方块可以表示代码的模块、片段或部分，其包括用于实施所规定的(多项)逻辑功能的一条或多条可执行指令。还应当提到的是，在一些替换实现方式中，在方块中提到的功能可以按照不同于附图中所标示的顺序发生。举例来说，取决于所涉及的功能，相继示出的两个方块可以实际上基本上被并发地执行，或者所述方块有时可以按照相反的顺序被执行。还应当提到的是，方块图和/或流程图的每一个方块以及方块图和/或流程图中的方块组合可以通过实施所规定的功能或动作的基于专用硬件的系统来实施，或者通过专用硬件与计算机指令的组合来实施。

数字系统通常包括执行软件的一个或多个处理器以及可以通过软件控制的各种硬件设备。举例来说，数字系统包括：计算机系统，比如台式计算机、膝上型计算机、上网机、服务器、工作站等等；移动设备，比如蜂窝电话、个人数字助理、智能电话等等；以及其他专用设备。硬件设备通常可以提供特定功能，比如存储(例如硬盘驱动器、闪存、光学驱动器等等)、通信(例如联网、无线操作等等)以及其他输入/输出功能(触摸屏、键盘、鼠标、显示器、音频等等)。所示出的计算设备包括主存储器，比如随机存取存储器(RAM)，并且还可以包括次要存储器。次要存储器例如可以包括硬盘驱动器、连接到可移除存储单元的可移除存储驱动器或接口或者其他类似的装置。本领域技术人员将认识到，可移除存储单元包括其中存储有计算机软件和/或数据的计算机可用存储介质。创建次要存储器的附加装置的实例可以包括程序卡盒和卡盒接口(比如可以在视频游戏设备中找到)，可移除存储器芯片(比如EPROM或PROM)和相关联的插口，以及允许把软件和数据从可移除存储单元传输到计算机系统的其他可移除存储单元和接口。在某些实施例中，把数据“保持”在计算设备的存储器中意味着按照便于由所讨论的算法按需取回的形式存储在该存储器中，并且按照需要取回、更新或删除数据。

所述处理和管理计算设备可以包括通信接口。通信接口允许在计算设备与外部设备之间传输软件和数据。通信接口可以包括调制解调器、网络接口(比如以太网卡)、通信端口、PCMCIA插槽和卡或者用以把计算设备耦合到外部设备的其他装置。经由通信接口传输的软件和数据可以采取信号的形式，所述信号可以是能够由通信接口接收的电子、电磁、光学或其他信号。这些信号可以经由连线或线缆、光纤、电话线、蜂窝电话链路以及射频链路或其他通信信道被提供到通信接口。在某些实施例中，如果设备或组件与计算设备相关从而使得所述产品或装置与所述设备可以作为一台机器一起操作，则称设备或组件“耦合”到计算设备。具体来说，如果一件电子装备被合并在计算设备中，通过能够在所述装备与设备之间传播信号的连线附接到所述设备，通过取代连线传播信号的能力的无线技术系连到所述设备，或者通过由多台机器之间的无线和有线连接构成的某种网络中的共享成员关系与计算设备相关，则称所述电子装备耦合到计算设备。计算设备可以耦合到第二计算设备；例如服务器可以耦合到客户端设备。本文中所讨论的系统实施例中的通信接口促进计算设备与数据输入设备(比如GPS和网络连接)之间的有线或无线耦合。在某些实施例中，“数据输入设备”是耦合到计算设备的可以被用来把数据输入到该设备中的任何装备。这一定义包括而不限于键盘、计算机鼠标、触摸屏、数字摄影机、数字视频摄影机、无线天线、GPS设备、陀螺仪指向传感器、邻近传感器、罗盘、扫描器和专业化读取设备，以及能够感测电磁辐射、电磁场、重力、电磁力、温度、振动、压力、空气速度等等的任何硬件设备。计算设备的“人工数据输入设备”是允许用户使用人工操纵把数据输入到计算设备中的耦合到计算设备的所有数据输入设备的集合。人工输入设备包括而不限于键盘、小键盘、触摸屏、触摸板、计算机鼠标、按钮以及其他类似的组件。正如前面所讨论的那样，所述处理和管理计算设备还可以拥有导航设施。计算设备的“导航设施”可以是耦合到计算设备的允许设备准确地计算该设备在地球表面上的位置的任何设施。导航设施可以包括被配置成与全球定位系统或者与类似的卫星网络进行通信的接收器，以及移动电话或其他设备使用来例如通过与蜂窝塔进行通信而确定其位置的任何其他系统。

耦合到计算设备的代码扫描器是可以从附着到物体上的“代码”提取信息的设备。在一个实施例中，代码包含与其所附着到的物体有关并且可以由扫描器自动提取的数据；举例来说，代码可以是条形码，其数据可以使用激光扫描器来提取。代码可以包括快速读取(QR)代码，其数据可以通过数字扫描器或摄影机来提取。代码可以包括射频标识(RFID)标签；所述代码可以包括主动式RFID标签。所述代码可以包括被动式RFID标签。计算设备还可以耦合到代码导出器；在一个实施例中，代码导出器是可以把数据变成代码的设备。举例来说，如果代码是打印在纸上的二维图像或者三维打印的物体或者另一物体，则代码导出器可以是打印机。如果代码是不可写入的RFID标签，则代码导出器可以是能够产生不可写入的RFID标签的设备。如果代码是可写入的RFID标签，则代码导出器可以是RFID写入器；在某些实施例中，代码导出器还可以是代码扫描器。在某些实施例中，计算设备的“显示器”是计算设备能够借以显示图像的耦合到计算设备的设备。显示器包括而不限于监视器、屏幕、电视设备以及投影仪。

计算机程序(也被称作计算机控制逻辑)被存储在主存储器和/或次要存储器中。计算机程序还可以经由通信接口取回。这样的计算机程序在被执行时使得处理器设备能够实施前面所讨论的系统实施例。相应地，这样的计算机程序表示系统的控制器。如果实施例是使用软件来实施，则软件可以被存储在计算机程序产品中，并且使用可移除存储驱动器或接口、硬盘驱动器或者通信接口被加载到计算设备中。计算设备还可以把数据存储在可由所述设备访问的数据库中。数据库是任何结构化的数据总集。数据库可以包括“NoSQL”数据存储库，其在例如数组之类的几个关键字-值结构中存储数据，以供使用已知的关键字集合(例如数组索引)快速取回。另一种可能性是关系型数据库，其可以把所存储的数据划分成表示有用的数据类别的字段。其结果是，所存储的数据记录可以使用已被存储在该记录中的数据的任何已知部分并且通过在数据库内的该已知数据的类别内进行搜索而被快速取回，并且可以使用例如结构化查询语言之类的语言通过更加复杂的查询来访问，所述查询基于作为参数和关系在正被取回的数据之间传递的限制值来取回数据。还可以使用例如图像匹配查询之类的更加专业化的查询来搜索某些数据库。数据库可以被创建在任何数字存储器中。

本领域技术人员还将认识到，虽然任何计算设备必须包括用以实施处理器、通信基础设施、至少主存储器并且通常还有通信接口的功能的设施，但是并非所有设备都将必然分开容纳这些设施。例如在前面所定义的某些形式的计算设备中，正如在神经网络中那样，处理和存储器可以通过相同的硬件设备分布，因此通信基础设施可以是该特定硬件设备的配置的属性。许多设备确实实践前面所阐述的任务的物理划分，但是即使当物理组件被合并时，本领域技术人员仍将理解所适用的任务的概念分离。

所述处理和管理系统可以通过若干方式来部署，包括部署在独立的计算设备上，部署在一起工作在网络中的计算设备集合上，或者部署在web应用上。本领域技术人员将认识到web应用作为被设计成跨越网络(比如因特网)运作的特定的一种计算机程序系统。web应用平台通常包括作为前面所描述的计算设备的至少一个客户端设备。客户端设备通过某种形式的网络连接而连接到网络(比如因特网)。所述网络可以是把计算设备链接在一起的任何安排，并且包括而不限于本地和国际有线网络，包括电话、有线电视和光纤网络，使用电磁辐射的信号交换信息的无线网络，包括蜂窝通信和数据网络，以及这些有线和无线网络的任意组合。此外，至少一台服务器连接到网络，所述服务器也是前面所描述的计算设备，或者是通过本地或网络连接彼此通信并且协同工作的计算设备的集合。当然，本领域技术人员将认识到，web应用可以并且通常确实运行在几台服务器以及大量持续改变的客户端设备群体上。客户端设备和服务器上的计算机程序配置全部两种设备实施web应用所需的功能。web应用可以被设计成使其大部分处理任务由被配置成通过其web应用程序来实施这些任务的服务器实现，或者替换地由客户端设备实现。某些web应用被设计成使得客户端设备仅显示由服务器向其发送的内容，并且服务器实施所有处理、业务逻辑以及数据存储任务。这样的“瘦客户端”web应用有时被称作“云端”应用，这是因为基本上所有计算任务都由仅作为单一不透明实体对客户端可见的服务器和数据中心的集合来实施，其在图示中常常被表示成云。

虽然示出并描述了空中交通控制系统的当前优选的形式并且讨论了几项修改，但是本领域技术人员将很容易认识到，在不背离通过权利要求定义和区分的本发明的范围的情况下，可以作出许多附加的改变和修改。

Claims (34)

1.一种空中交通控制方法，包括以下步骤：

提供具有飞行器控制系统和飞行控制的无人驾驶飞行器；

提供具有处理器并正与所述无人驾驶飞行器进行无线信号通信的交通控制器；

把三维空域划分成多个单独的三维蜂窝并将所述多个单独的三维蜂窝存储在所述交通控制器中作为单独的虚拟蜂窝；

向存储在所述交通控制器中的每一个单独的虚拟蜂窝指派一个独有的令牌并在所述交通控制器中存储用于每一个单独的虚拟蜂窝的所述一个独有的令牌；

在所述空域中选择所述无人驾驶飞行器的飞行路径中的单独的虚拟蜂窝；

请求把针对所选蜂窝的所述令牌指派给所述无人驾驶飞行器；

所述交通控制器根据针对所述所选蜂窝的所述令牌是否可用于指派给所述无人驾驶飞行器而确定是否要把针对所述所选蜂窝的所述令牌指派给所述无人驾驶飞行器；以及

如果所述无人驾驶飞行器没有首先被从所述交通控制器指派针对所述所选蜂窝的所述令牌，则限制所述无人驾驶飞行器从邻近蜂窝进入所述所选蜂窝的空域。

2.根据权利要求1所述的方法，包括以下步骤：把针对所述所选蜂窝的所述令牌指派给所述无人驾驶飞行器。

3.根据权利要求2所述的方法，包括以下步骤：所述无人驾驶飞行器从邻近蜂窝的空域进入所述所选蜂窝的空域。

4.根据权利要求3所述的方法，包括以下步骤：在所述无人驾驶飞行器离开所述邻近蜂窝的空域之后，释放针对所述邻近蜂窝的所述令牌。

5.根据权利要求3所述的方法，包括以下步骤：在预定的到期时间之后，从所述无人驾驶飞行器取回针对所述邻近蜂窝的所述令牌。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述所选蜂窝处在所述无人驾驶飞行器在所述空域中的所期望的航线上。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述无人驾驶飞行器包括机载全球定位系统，并且所述方法包括确定所述无人驾驶飞行器所处的所述空域的蜂窝的步骤。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，确定是否要把针对所述所选蜂窝的所述令牌指派给所述无人驾驶飞行器的所述步骤是根据雷达系统来实施的，所述雷达系统验证所述所选蜂窝是否可用于所述无人驾驶飞行器。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，确定是否要把针对所述所选蜂窝的所述令牌指派给所述无人驾驶飞行器的所述步骤是根据被应用于所述无人驾驶飞行器的优先级指定来实施的。

10.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：对令牌指派进行审核，以确保每一个令牌每次只被指派给一台无人驾驶飞行器。

11.根据权利要求1所述的方法，包括以下步骤：确定所述无人驾驶飞行器在所述空域中的目的地蜂窝，并且计算去往所述目的地蜂窝的航线。

12.根据权利要求11所述的方法，包括以下步骤：计算去往所述目的地蜂窝的替换航线。

13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述虚拟蜂窝不具有相同的体积。

14.根据权利要求1所述的方法，其中，请求把针对所述所选蜂窝的所述令牌指派给所述无人驾驶飞行器的所述步骤包括以下步骤：通过无线通信网络从所述无人驾驶飞行器向地面控制系统发送无线信号。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述无线通信网络包括蜂窝基础设施和专用频道。

16.根据权利要求1所述的方法，包括以下步骤：把针对第二所选蜂窝的第二令牌指派给所述无人驾驶飞行器。

17.根据权利要求16所述的方法，包括以下步骤：限制所述无人驾驶飞行器在给定时间获取多于预定最大数目的令牌。

18.一种无人驾驶飞行器交通控制系统，包括：

地面系统；

具有控制器的无人驾驶飞行器；

所述地面系统与所述无人驾驶飞行器之间的无线通信链路；

所述无人驾驶飞行器被配置和安排成在三维空域中行进；

所述三维空域被划分成多个单独的三维蜂窝，其中所述多个单独的三维蜂窝被存储在所述地面系统中作为单独的虚拟蜂窝；

具有与每一个所述虚拟蜂窝相关联的一个独有令牌的数据库；

被配置成每次把所述数据库中的每一个令牌指派给不超过一台无人驾驶飞行器的事务处理引擎；以及

被配置成控制所述无人驾驶飞行器，从而使得在没有首先为所述无人驾驶飞行器指派针对所选蜂窝的所述令牌的情况下限制所述无人驾驶飞行器进入所述所选蜂窝的空域的所述控制器。

19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述事务处理引擎被配置成：在所述无人驾驶飞行器离开所述所选蜂窝的空域之后从所述无人驾驶飞行器取回针对所述所选蜂窝的所述令牌。

20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述事务处理引擎被配置成：根据自从把所述令牌指派给所述无人驾驶飞行器以来所过去的时间，在所述无人驾驶飞行器离开所述所选蜂窝的空域之后从所述无人驾驶飞行器取回针对所述所选蜂窝的所述令牌。

21.根据权利要求18所述的系统，其中，所述无人驾驶飞行器包括全球定位系统。

22.根据权利要求18所述的系统，其中，所述地面系统包括雷达系统，并且所述事务处理引擎被配置成：在把针对蜂窝的令牌指派给无人驾驶飞行器之前，从所述雷达系统获得关于所述蜂窝可用于所述无人驾驶飞行器的验证。

23.根据权利要求18所述的系统，其中，所述事务处理引擎被配置成：对令牌指派进行审核，以确保每一个令牌每次只被指派给一台无人驾驶飞行器。

24.根据权利要求18所述的系统，其中，所述地面系统包括多个分离的地面站。

25.根据权利要求18所述的系统，包括多台无人驾驶飞行器。

26.根据权利要求18所述的系统，其中，所述地面系统与所述无人驾驶飞行器之间的所述无线通信链路包括蜂窝基础设施和专用频道。

27.根据权利要求18所述的系统，包括针对所述数据库的冗余备份数据库。

28.根据权利要求18所述的系统，其中，所述事务处理引擎被配置成：把所述数据库中的多个令牌同时指派给一台无人驾驶飞行器。

29.根据权利要求28所述的系统，其中，所述事务处理引擎被配置成：限制所述无人驾驶飞行器在给定时间获取多于预定最大数目的令牌。

30.一种空中交通控制系统，包括：

被划分成多个单独的三维虚拟蜂窝的三维空域；

针对每一个所述虚拟蜂窝的一个独有授权令牌；

被配置成每次把所述一个独有 授权令牌指派给不超过一台飞行器的交通控制器，所述交通控制器还被配置成根据针对所选蜂窝的令牌是否可用于指派给所述飞行器而确定是否要把针对所述所选蜂窝的所述令牌指派给所述飞行器；

所述飞行器与所述交通控制器之间的通信网络，其被配置成允许所述交通控制器把所述令牌选择性地指派给所述飞行器；以及

被配置成控制所述飞行器，从而使得在没有为所述飞行器指派针对所述所选蜂窝的所述令牌的情况下限制所述飞行器飞入所述所选蜂窝空域的飞行器控制器。

31.根据权利要求30所述的系统，其中，所述飞行器与所述交通控制器之间的所述通信网络被配置成允许所述交通控制器从所述飞行器选择性地取回所述令牌。

32.根据权利要求30所述的系统，其中，所述飞行器控制器被配置成选择性地请求和接收所述令牌。

33.根据权利要求30所述的系统，其中，所述飞行器控制器被配置成选择性地释放所述令牌。

34.根据权利要求30所述的系统，其中，所述交通控制器选择性地把已指派或自由令牌状态记录在数据库中。

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