CN109993995A - 无人驾驶远程控制协同决策系统 - Google Patents

Abstract

一种无人驾驶远程控制协同决策系统，包括：用于任务规划和空中状态感知的机载系统、空地数据链和地面控制网络，本发明结合客机改装货机的发展需求和无人驾驶技术的先进性特征，提供可应用性强的客改货远程控制无人驾驶体系；通过搭建空地交互和地面控制网络，并制定不同角色间的信息传输机制和协同决策机制，实现在复杂空域与多角色参与背景下对飞行过程的有效组织，在保障货机飞行安全性的同时提高航行技术先进性水平。

Description

无人驾驶远程控制协同决策系统

技术领域

本发明涉及的是一种航空运输控制领域的技术，具体是一种针对大型客机改装货机的无人驾驶远程控制协同决策系统。

背景技术

随着运输业和物流业的蓬勃发展，货运航空的运输方式得到了有关各方的重视。近年来国家战略层面上已逐渐显露出对货运航空发展的急切需求；而经济层面，近年来货运航空的增速持续领跑整个货运市场，且未来具备可观的发展前景。进而，对于货机的研制，客机改装货机是平衡了成本和性能的有效生产方式。

目前的客改货过程关注客舱的结构、内饰的更改，包括加装货舱舱门，加固地板等。但另一方面，由于飞机是各部分协调而成的整体，而构型的改动将造成全机可靠性的降低，因而飞行员安全难以得到有效的保证；此外由于夜间货运对货物的实时性要求较高，而有人驾驶的方式很难使夜间空域得到高效的利用。另外目前的对系统的改装针对环境控制系统、照明系统等的基础功能，对航空电子系统等复杂系统的改动较小，有待先进技术的探索和引入。

同时，无人驾驶是航空业新的发展方向之一。其可有效降低机组成本，并具备减小燃油消耗，提升飞行效率等优势。其中远程控制的无人驾驶技术的实现难度较小，且已经在国外无人战斗机(如全球鹰、捕食者等)，国内小型航空器领域(如顺丰航空的无人通用飞机)有了一定的探索。而对于大型客机/货机，由于其所在空域高度层的空中交通环境复杂、需要空管、航空公司等多方协同控制、对安全性要求较高等一系列特点，对于无人驾驶技术的实际应用存在着较大的实现难度。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种无人驾驶远程控制协同决策系统，结合客机改装货机的发展需求和无人驾驶技术的先进性特征，提供可应用性强的客改货远程控制无人驾驶体系；通过搭建空地交互和地面控制网络，并制定不同角色间的信息传输机制和协同决策机制，实现在复杂空域与多角色参与背景下对飞行过程的有效组织，在保障货机飞行安全性的同时提高航行技术先进性水平。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：用于任务规划和空中状态感知的机载系统、空地数据链和地面控制网络，其中：机载系统分别与卫星导航系统以及其他ADS-B系统相连并获取飞机状态信息，机载系统另外与空地数据链相连并分别在机载系统中的通信数据管理模块、通信中继卫星、卫星地球站、地面控制站之间转发飞机状态信息与控制信息；地面控制网络与卫星地球站相连并获取下行状态信息与回传上行决策信息。

所述的机载设备在进行视距内通信时，通过数据链进行直接通信；在进行视距外通信时，切换到中继卫星进行空地间的透明传输。

所述的机载系统包括：航路组织规划模块、飞机外部环境感知模块、飞机内部状态感知模块、视景信息管理模块和通信数据管理模块，其中：航路组织规划模块根据飞行计划制定水平和垂直包线并指挥飞行控制系统、燃油系统、引气系统、导航系统等飞机系统按照既定的飞行航路进行作动和调整；飞机外部环境感知模块用于感知飞机位置信息并与通过大气数据系统、惯性参考系统、机载收发机获取的信息融合，通过数据链下传至地面控制设备；飞机内部状态感知模块采集对货机飞行安全状态信息，实现对货机状态的系统性感知并通过双向数据链实现与地面控制站的交互；视景信息管理模块与通信数据管理模块相连并记录与下传视频形式的飞机前方视景信息；通信数据管理模块用于对上下传的数据进行管理与暂存，其与航路组织规划模块、飞机外部环境感知模块、飞机内部状态感知模块、视景信息管理模块相连进行机上信息的处理，与空地数据链相连对下传信息进行转发，同时其内部的校验机制也将对数据的完整性和有效性进行保障。

所述的航路组织规划模块包括：飞行管理单元以及分别与之相连的飞行控制单元、燃油与引气单元以及导航单元，其中：飞行管理单元根据飞行计划输出对应系统在每一飞行阶段的控制信息；此外飞行控制单元、燃油与引气单元、导航单元将分别反馈各自的控制舵面信息、燃油量信息、导航位置信息等给飞行管理单元进行进一步调整规划。

所述的飞机外部环境感知模块包括：ADS-B单元、大气数据单元、惯性参考单元、无线电高度表单元、环境监视单元以及应答机单元，其中：大气数据单元、惯性参考单元、无线电高度表单元分别采集飞机的位置、速度、姿态、高度信息并各自对应输出至ADS-B单元和环境监视单元，应答机单元和ADS-B单元另外对周围飞机的信息进行采集，进而由ADS-B单元和环境监视单元根据上述信息进行综合决策，实现对飞机周围的交通、地形、气象状态的感知判断。

所述的飞机内部状态感知模块对货舱的温度状态、压力状态、水汽、易燃物、爆炸物进行综合监控并通过其中的健康管理单元中进行进一步处理决策；此外防火系统的性能也将得到进一步增强，以对危险情况进行及时处理，该飞机内部状态感知模块包括：状态传感器单元、系统自检单元、健康管理单元以及快速存取记录单元，其中：状态传感器单元与健康管理单元相连并传输货机内各类状态信息，系统自检单元与健康管理单元相连并传输各类机载系统的状态监控信息，健康管理单元用于对各类状态信息的收集、处理与判断，并实施相应的处理机制；同时快速存取记录单元与健康管理单元相连并将相关状态信息打包下传给地面控制网络的航空公司组分，由其进行进一步分析。

所述的健康管理单元用于增强对飞行关键系统的状态监测能力，并通过人工智能算法对货舱中的状态传感装置所获取的各类信息进行处理、融合与状态综合评估，从而实现对货机内部状态的全面感知，并将信息通过数据链下传给地面网络进行协同决策；同时健康管理单元的失效处理权限将得到进一步增强，得以在地面控制站的控制下实现对飞机失效情况的有效处理。

所述的视景信息管理模块包括：视频采集单元、视频处理与压缩单元以及红外感知单元，其中：视频采集单元与视频处理与压缩单元相连并传输所采集的飞机前方视景信息信息，视频处理与压缩单元与通信数据管理模块相连，传输经压缩处理后的视频信息；红外感知单元与视频处理与压缩单元相连并在能见度较低或夜间环境下启动感知功能并传输信息。

所述的通信数据管理模块包括：通信数据收发单元、通信数据处理单元、数据完整性检查单元，其中：数据收发单元与空地数据链相连并传输经处理后的数据包；数据处理单元与数据收发单元相连，实现传输前后根据协议进行的数据处理工作；数据完整性检查单元与数据收发单元相连并传输对所接收数据包的检查结果信息。

所述的空地数据链包括：通信链路地面站和卫星地球站、中继通信卫星、终端的天线模块、通信数据处理管理模块。其中通信链路地面站和卫星地球站分别在空地直接通信和卫星中继通信模式下，通过通信链路与空地两端的终端收发设备相连；终端的天线与通信数据处理管理模块起着地面协同网络的信息接口作用，天线模块和通信数据处理管理模块相连，用于定期采集与处理所接收的飞机状态信息，进而转发给地面站对应显示设备；中继通信卫星用于在视距外对所传输信息的透明转发；此外卫星地球站可通过获取空地通信双方，即飞机和地面站的位置信息，调整通信卫星角度，实现通信双方对于通信卫星的分别对准。

对于空地间的直接通信模式，机载系统的通信数据管理模块通过ADS-B数据链等方式将飞机状态和态势信息等下传至ADS-B地面站，进而转发给地面控制站的天线模块，由地面站内部的通信数据处理管理模块进行进一步处理；对于空地间的卫星通信模式，空中机载系统的通信数据管理模块过串口将飞机状态信息发送至通信卫星接收机，卫星以短报文的形式周期性向地面控制站(借由卫星地球站转发)发送数据，地面控制站天线模块接收数据后经过数据处理管理模块的解析处理，以图形或文字的形式实时显示飞机各类状态参数。

所述的地面控制网络包括：地面控制站和空管及航空公司，其中：地面控制站作为空地间通信的关键角色，分别通过空地数据链与机载系统相连并传输状态与决策信息，通过互联网与地面协同控制网络的其他成员(空管、航空公司)相连并传输与同步飞行管理信息；进而，空管及航空公司将参与地面控制网络对货运飞机的组织管理过程。在飞行开始前空管及航空公司将分别通过飞行计划组织模块、信息同步模块与地面控制站一起完成对于飞行计划的规划；飞行过程中空管及航空公司通过信息同步模块采集下传数据链路中各自关注的飞机状态信息，并根据需要进行分析、处理、显示与广播；空管和航空公司内部的协同决策模块则关注各自角色在航路组织过程的协同作用。

所述的地面控制站包括：通信数据管理与分发模块、数据处理与决策模块、显示模块、操纵模块和地面站系统状态监测模块，其中：通信数据管理与分发模块对卫星数据链下传的状态信息进行接收、管理；其包括对下传信息的采集、解码和完整性、有效性的校验机制等，并将不同类型信息通过接口分发给数据处理与决策模块。同时来自其他模块的控制决策信息将由此模块进行汇总与上行传输；数据处理与决策模块将对各类态势信息和状态信息进行处理，通过传输协议发送到相应的显示界面上，同时针对不同来源的功能性信息，该模块将对功能系统的异常状态进行判断(也可能包含相关决策建议)，并通过显示界面进行指示，数据处理与决策模块对于视频信息进行图象的解压缩、处理、存储记录等功能，并提供数据给地面控制站，显示为飞机前方视景画面；显示模块包括前方视景画面单元和飞机运行参数界面单元；其中飞机前方视景画面单元为对于下传视频信息的还原；飞机运行参数界面单元分别显示飞机驾驶舱面板信息、飞机状态信息和辅助信息；控制模块参考驾驶舱布局对驾驶舱进行远程控制，系统状态监控模块对地面控制站各子系统内部状态进行监测、指示、告警。

所述的飞机驾驶舱面板信息的显示可保障地面操作员不低于原驾驶方式的态势感知能力；飞机状态信息包括飞机航路状态感知、飞机内部状态感知、空地数据链传输状态管理、飞机外部环境与引导信息3D画面等；辅助信息则来自于空管、航空公司，用于协同决策的制定。

技术效果

与现有技术相比，本发明在民航客机改装货机过程中应用无人驾驶技术，采用远程操纵方式，可由操控人员在地面完成对货运飞机的控制驾驶，可有效节约航空公司运营成本。

同时为满足航空运输业特有的复杂协同管理机制，本发明建立了囊括飞机、地面控制站、空管中心和航空公司的无人驾驶飞行管理系统组织架构；以飞行阶段为划分，设计了空地交联的“规划+控制”的协同组织模式，通过疏通空地间信息传输通路以及架设地面协同控制网络，可实现在复杂空域环境下对货机飞行过程的实时监控和管理规划，从而增强了空地整体协调管理能力，提高货运飞行效率与智能化水平。

附图说明

图1为远程无人驾驶协同控制系统架构示意图；

图2为协同控制体系空地交互关系示意图；

图3为飞行计划制定地面站-空管中心-航空公司协同示意图；

图4为系统状态综合感知决策机制示意图；

图5为系统功能显示界面示意图；

图6为飞行航线段模式示意图；

图7为飞行程序模式示意图；

图8为复飞过程程序示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例包括：用于任务规划和空中状态感知的机载系统、空地数据链和地面控制网络，其中：机载系统与卫星导航系统、他机ADS-B系统相连并获取飞机状态信息，并对各类信息进行汇总后传输至机载系统中的通信数据管理模块，进而通过空地数据链建立与地面控制网络与空中机载系统之间的通路，获取下行状态信息与回传上行决策信息，其中地面决策网络将通过互联网分别建立地面控制站、空管、航空公司之间的连接通路。

在飞行过程开始前地面控制站、空管、航空公司的飞行计划组织模块将通过地面控制网络对飞行计划进行反复修订，地面控制站通过空地数据链将决策后经批准的飞行计划信息上传至机载系统的航路组织规划模块，航路组织规划模块根据其制定水平和垂直包线，并指挥飞行控制系统、燃油系统、引气系统、导航系统等飞机系统按照既定的飞行航路进行作动和调整，飞行管理系统在发生紧急情况时由于飞机作动对飞行航路的影响通过空地数据链下传至地面网络；飞机外部环境感知模块通过GNSS卫星导航系统感知飞机位置信息，并与通过大气数据系统、惯性参考系统、机载收发机获取的信息融合，通过数据链下传至地面控制设备；飞机内部状态感知模块采集对货机飞行安全较为重要的状态信息实现对货机状态的系统性感知，并通过双向数据链实现与地面控制站的交互；视景信息管理模块与通信数据管理模块相连并记录与下传视频形式的飞机前方视景信息；通信数据管理模块用于对上下传的数据进行管理与暂存，其与航路组织规划模块、飞机外部环境感知模块、飞机内部状态感知模块、视景信息管理模块相连进行机上信息的处理，与空地数据链相连对下传信息进行转发，同时其内部的校验机制也将对数据的完整性和有效性进行保障。

进而根据传输距离的远近，通过空地数据链分别选择：

1)直接通信方式：与地面站相连并转发飞机状态信息给地面控制站；

2)卫星通信方式：借助通信中继卫星，与卫星地球站相连并转发飞机状态信息与控制信息给地面控制站，建立与地面控制网络与空中机载系统之间的通路，获取下行状态信息与回传上行决策信息。

地面控制网络中，地面控制站的通信数据管理与分发模块将对所接收的下传信息进行初步处理与转发，并由数据处理与决策模块进行综合决策，进而由相应显示模块输出给地面控制站工作人员。同时地面控制站、空管、航空公司的控制系统内部都含有飞行信息同步模块，以实现对飞行过程中各类信息的同步与通信。同时，航空公司、空管在飞行过程中将针对飞机的内部、外部状态与地面控制站进行协同监控与决策，进一步保障飞机的安全性。

所述的作动和调整是指：航路组织规划模块在飞行开始前由各利益相关方(包括地面控制站、空管、航空公司)根据自身所获取信息对初始航路信息进行约束，最终得到优化后航路的过程。而该过程往往需要对各方的职能和交互机制等进行系统规划。进而优化后的航路信息将会被上载到飞行管理系统，由其对机载设备进行组织协调和航段内具体飞行任务制定飞行过程中的航路状态信息、以及由于各类不确定性因素导致的航路变更信息，将由数据链(空-地)和互联网(地-地)动态共享至各方平台，并可在此基础上进行航路的协同组织。

所述的地面控制站所获得的信息包括ADS-B所感知和收集的各类飞机外部信息的综合(如飞机位置信息、速度信息、周围飞机信息等)，两路信息将分别通过地面网络在责任相关方的终端进行对比与同步，并由双方协商进行共同决策。决策结果通过上行数据链传递给航行中的飞机进行改出指引。

所述的健康管理单元(PHM)与快速存取记录单元(QAR)分别实现与地面控制站和航空公司的衔接，即健康管理单元将增强对重要机载设备的状态监视能力，尤其是和货舱状态相关的系统状态、功能等；快速存取记录单元将会将所采集信息一并发送给地面控制站的基础上，通过地面网络转发给航空公司，由其对机载设备状态进行专门、细致的分析。并采用相同方式处理机内状态，并将最终结论由数据链传输给机载设备。

所述的所述的健康管理单元进一步进行周期性自检，并将测试结果反馈给地面控制网络。对于异常状态将通过语音和显示界面等方式进行通告、告警。

所述的环境监视单元中进一步设有空中交通防撞系统(TCAS)、地形感知与告警系统(TAWS)、气象雷达(WXR)，该环境监视单元根据入侵飞机、危险地形、危险气象等的位置、距离、速度信息等进行感知决断。在考虑了空地下传数据延迟的基础上，该单元对各系统告警包线的安全裕度进行进一步提升，以弥补远程控制带来的危险感知滞后。对于危险环境的规避决策(尤其是潜在的两机相撞情景)，将会结合基于航迹的运行技术(TBO)进行(双方)飞机的轨迹预测，从而制定规避路线。同时，为了预防入侵飞机的非预期行为，地面控制系统在进行决策上传的同时另外传输备用决策方案，由机载系统判断对方飞机是否如期执行了上升/下降改出，进而自动决策是否切换到备用方案。此外地面控制设备始终保持最高的决策处理权限，可对机载设备进行接管。

同时，飞机改出将带来飞行航迹的变更，进而，通过将综合环境监视系统与飞行管理系统交联，飞行管理系统将根据飞机改出轨迹，对航路进行重新规划。而航路规划信息具有最高传输优先级，将通过地面网络由地面控制站同步给空管和航空公司，进而由其对所属空域内飞机的状态进行宏观调控。

所述的显示模块综合显示驾驶舱信息、货机状态、飞行计划与航路行驶状态、数据链传输状态以及辅助信息。

所述的驾驶舱信息包括：还原空中驾驶舱中所显示的重要信息，其中显示方式参照驾驶舱显示面板。其所处理的飞行参数类型包括:位置信息、高度信息(包括气压高度、相对高度、无线电高度等)、姿态信息、速度信息、舵机状态(升降舵角、方向舵角和副翼舵角)、油门状态、发动机转速。

所述的货机状态包括：飞行计划与航路行驶状态、货机状态信息、数据链传输状态、三维导航信息，货机状态信息显示界面：以图形+参数的形式对飞机系统状态以及飞机性能状态进行显示。其中将对货舱内不同位置的各类参数信息(如温度、湿度、压强、烟雾浓度等)进行重点监控。对于异常状态信息将进行告警，并设置相关应对措施。对于飞机系统的异常状态将由PHM系统进行处理，对于性能参数的异常状态，可通过接通相应系统(如环控系统、防火系统)进行处理。同时该界面还可启动对飞机系统的自检，并将结果进行回传显示。

所述的飞行计划与航路行驶状态包括：对飞机的航路状态和飞行轨迹进行图形化显示。其中航路状态包括垂直航路状态和水平航路状态。在航行开始前可通过该界面进行飞行计划的制定，在航行过程中可对飞机现有航路与预期航路的偏移，修正路径等进行显示。同时，对于异常场景或其他特殊状态下需要变更航路时，支持地面控制站对新航路点的输入和航迹的规划，进而其将通过数据链同步到机载飞行管理系统，通过地面网络同步到空管和航空公司进行审批决断。

所述的数据链传输状态包括：对数据链的上下传信息的传输状态以及系统各项配置信息进行调整，包括通信设备模式设置、参数控制等。同时对数据的异常状态进行突出显示与告警，并采取相应处理机制(如刷新重启、备份链路切换等)进行修正。

对于导航信息，将会在3维界面中对不同视角下的飞机外部状态、航路状态、周围地形、气象、交通状态等进行综合显示。同时系统的显示模式将通过选择按键进行切换。

所述的辅助信息包括：第三个界面接收地面协同控制网络中有关空管、航空公司的信息，对协同决策的制定提供帮助。

所述的机载设备在进行视距内通信时，通过数据链进行直接通信；在进行视距外通信时，切换到中继卫星进行空地间的透明传输，其中：直接通信和透明传输的信息包括飞行态势信息、飞机状态信息等；对于飞机前方视景的视频信息则通过摄像头进行采集与处理，并下传至地面控制站。

对于视频的传输内容，由于在巡航阶段，视景信息解决的是飞行员基本场景意识的建立，判断外部异常状态“有无”的问题。由于背景环境相较简单，因此视频分辨率可有所降低，并同时采取适当的视频压缩机制，以换取更高的传输实时性；而在起飞、进近、着陆阶段，对视景精度的要求将进一步提高，因此下传信道中的其他非关键状态信息的传输内容、传输频率将进一步缩减，以为视频信息的传输保留更多的空间。

所述的视频信息的传输方式，通过通信中继卫星的方式进行转发，为了满足上述的传输要求，本发明采用频率较高的Ku波段频带，该波段具有较高的EIRP值和G/T值，可有效降低发射成本；其带宽租用成本又低于C波段，且不会和地面中继通信相干扰；并采用先进的数字压缩技术，以有效降低视频的码流率。(采用MPEG-2视频压缩标准及MUSICAM音频压缩方法的DVB-S卫星数字广播)。进而，通过租用专业级中继卫星(如AsiaSat 9，转发器带宽为54MHz)，在宽频带下实现视频信息的高效下传；充分满足地面监控所需的带宽和实时性要求。

除了视频信息外，对于其他所传输信息，可采用完善的带宽分配功能和优先等级保证机制，在确保实时性的同时，提供对于关键数据的传输保障。

同时，对于空地数据链下传的信息，其中对于原有的由CPDLC链路、ADS-C链路传递给空管设备的信息；由ACARS、QAR链路等传递给航空公司的信息，地面控制站接收数据包后将不作解包处理，而是通过互联网转发给相对应的地面控制网络成员，由其进行解码和分析，以减少对单机处理能力的过度依赖和占用，同时也便于各个角色对其所关注信息进行针对性的处理。

另外地面通信信息管理模块还对视频信号和座舱各类仪表界面的显示信号进行了时间同步，以确保显示画面的一致性。

同时为了防止通讯链路的丧失，本发明保留了一次雷达、二次雷达等与空管间的通信能力，并在监测到链路失效时自动启用，作为感知飞机基本信息的重要保障。

所述的地面控制网络和机载设备对各类紧急情况进行对应处理，以保障客改货远程控制过程中对各类异常情况的及时、有效应对，

所述的紧急情况包括：数据链断路、失压、火警、发动机停转、紧急迫降。

所述的飞行计划是依据飞行计划组织的需求，针对飞行计划组织元素的构成，提供飞行航路的组织、修改和启动运行能力。飞行计划包括从起点到终点的和/或备份终点的航路点、航路、飞行高度、起飞程序和到达程序序列等。

所述的飞行计划组织是组织飞行航路、确定飞行约束和建立飞行程序。飞行计划组织过程需要机载设备(以FMS为核心)与地面控制网络的交互协同。其中地面控制网络间的信息传输通过互联网通信，机载设备与地面控制站由数据链进行传输。

所述的飞行计划的组织包括通用飞行计划制定和专用飞行计划制定两个步骤。具体飞行计划的制定过程如图3所示。

所述的通用飞行计划：最初的通用飞行计划在一定周期前由航空公司和相关民航部门协商制定，并将常用的飞行航路信息存储至飞行管理系统的导航数据库中。飞行航路信息包括有：起飞机场与跑道、标准仪表起飞过程(SID)、飞行航线(airway)、飞行航路点(waypoint)、标准到达过程(STAR)、目的机场与跑道，基于目标机场的进近过程程序等(在通常情况下，目标机场到达过程和近进过程程序在初始飞行计划组织时没有确定和建立，只有当飞机到达目标机场终端空域时，通过与终端机场空管系统协同，建立相应的近进和降落过程)。但通过FMS制定的飞行航线只包含通用航路(airway)，因此，还需要航空公司和地面控制站的辅助，根据货机的实际情况建立专属的飞行航路(routes)。进而在起飞开始前一天由航空公司和地面控制站操作人员协商后请求空管系统的批准。

首先，航空公司将依据其所分配的飞行航线，通过与地面控制站协商，针对飞行航线的飞行状态，依据自身特征和目标需求，确定的航空功能等进行特定的飞行航路(Routes)组织。进而，由地面控制站和航空公司协同完成的飞行计划将传递给空管进行确认。经确认的飞行计划将通过空地数据链载入机载飞行管理计系统的数据库中。

对于飞行过程来说，飞行航路(Routes)是由航路点(Waypoints)与定位点(Fixes)和航段(Leg)构成，定位点是地面控制站在已有航路点的基础上用于优化原飞行计划的航路，或提供新的飞行航路选择自定义点，以满足飞行环境变化和飞行能力改进需求。

因此，在飞行当天，飞机起飞前，还需要通过地面控制站载入前一天所制定的飞行计划，并根据实际飞机运行情况(如气象条件、跑道状态、旅客情况等)依据标准的飞行规范和要求，通过定位点，对之前规定的航路点进行修改完善。同时系统也支持地面控制站选择补充导航数据库，建立备份飞行计划的飞行航路和新的飞行航路点。

进而，该计划将会传递给空管进行审核，空中交通管制根据空域状况和机场环境确定的飞行要求，并与航空公司进行协同确认后，最终形成较为完善的飞行计划，并同步到地面控制网络的其他成员。地面控制站将该计划通过空地数据链传递给飞行管理计算机。飞行管理系统将该飞行航路放入就绪航路存储中，支持飞行航迹预测功能实施分析和计算，构建飞机从起飞机场到目的机场的水平和垂直飞行包线，并对机载系统实施进行进一步组织。

所述的协同组织是指：正式起飞前，地面控制人员将向塔台的空管人员申请起飞许可，获批后方可正式起飞。而在飞行过程中，将由空管、地面控制站、航空公司等对飞行态势、飞机状态、气象信息等进行监控，并在航路变更时进行协同组织，具体包括：

1、起飞前

(1)地面控制员加载飞行计划，确认飞机准备状态；

(2)地面控制员发送飞行请求至协同决策网络，空管系统确定请求和相关信息，审查飞行计划，确认航路需求和空域状态；

(3)空管系统确定机场和基础设施状态，建立目标飞机、起飞时间、跑道、滑行航路和相应约束与服务，同步到决策网络中；

(4)地面控制员据此信息构建和确认飞行计划和航路，确定ETA(预计到达时间)。进而，再次反馈到决策网络中由空管系统和航空公司协同交互，认可经修订后的飞行计划；

在正式起飞前，地面控制员将向空管系统请求起飞许可，空管系统发出基于协同飞行计划的起飞许可指令；

(5)地面控制员远程控制飞机启动滑行，至此完成地面段的协同决策过程。

2、爬升过程

1)建立TBO组织与协同

(1)飞行管理系统基于地面控制站选择的控制模式、飞行计划、飞机的性能限制、天气信息等进行航路的航迹预计，建立飞行导航路径，构建水平飞行航段和过渡过程，确定水平飞行包线；计算垂直飞行性能，确定机动过程组织和速度配置；

(2)机载设备通过空地数据链下传原ADS-C传输通道中的飞行状态和航迹信息等给地面控制站，进而由地面控制站转发给空管系统进行处理决策；

(3)空管系统根据所获取信息建立飞行间隔，确认飞行航路排序，组织飞行状态，并同步信息至地面控制网络的其他成员。

2)飞行航路与航迹评估和协同

(1)地面控制站接收飞机运行报告，通过互联网转发给空管，进而根据飞行计划与航路，预计飞机到达航路点的时间，建立空管系统关联航路的地面站(SC)统一状态；

(2)确认飞机的飞行包线，分析飞行航路点约束要求，实施飞行冲突和气象危害预计；

(3)空管与地面控制站协同飞行航路和飞行约束。

3、巡航过程

航行过程中有多种协同组织模式，以下通过飞行航路协同组织和飞行状态协同组织模式，描述了各个角色的动态协同过程。

1)飞行航路协同组织

(1)地面控制站建立飞行约束的TBO航迹

(a)地面控制站接收飞行航路和航迹，确认飞行航路状态，审阅飞行约束。进而通过水平过程组织和垂直飞行性能分析，确定飞行航路和飞行航迹可行性；分析飞行约束、当前飞行环境和飞行性能，计算飞行固定点到达所需时间(RTA)。

(b)地面控制站修改航路的飞行参数，建立修正的飞行计划和飞行航迹预计；具体而言，巡航过程的航路组织包括飞行航线段模式和飞行程序模式，分别如图6、图7所示。其分别支持地面控制站对于飞行航线段和飞行程序的修改，进而建立新的飞行计划组织。

(c)地面控制站通过互联网将修改的飞行计划给航空公司和空管系统，尤其对新的飞行计划进行批准。

(2)空管系统确认和许可新飞行计划和航迹

(a)空管系统接收修改的飞行计划和航迹，确认飞行航路、飞行约束和预计到达时间，发送给空管地面站；

(b)空管系统根据航路需求和RTA，依据交通流量，建立航路点的排序模式，确定飞行间隔要求、飞行阶段目标需求，如最高爬升定点、最高降落定点；进而对飞机新的飞行航路与航迹进行确认；

(c)空管系统传递许可指令给协同网络中的地面站，进而将修改后计划通过数据链上传至飞行管理系统。

2)飞行状态协同组织

客改货过程中最大的挑战就是如何保证飞行的安全性。而在无人驾驶的背景下，其更是本发明的核心关注点。因此，为了保证货运过程中无人驾驶的安全性，本发明在增强飞机自身感知能力的基础上，采用了地面控制站、空管、航空公司三方协同决策的策略，并分别从不同的渠道获取飞行信息，以保证对飞机内外环境的覆盖。对于组织过程可参考附图4。

(1)对于飞机的外部情况，由空管系统和地面控制站协同管理

(a)空管系统建立空域交通态势，构建空域交通秩序，确定空域内飞机的飞行意向，监视飞机航迹运行；

(b)空管系统接收飞机运行报告，提供飞行冲突和气象危害分析，支持飞行计划修改协同。对于空域交通环境(如交通阻塞和拥挤)，可结合空域气象环境(高度层风力和气流)支持动态飞行航路组织，减少因气象、航路冲突和飞行等待保持过程；

(c)地面控制站建立基于航迹的导航路径，构建飞行航迹偏移监视，建立基于航迹的引导模式；

(d)地面控制站根据由ADS-B所获取的飞机周围状态信息，对外部情况、交通态势等进行分析，决策。

(2)对于飞机内部的情况，由航空公司和地面控制站系统管理

(a)地面控制站建立飞行状态和态势，确定飞行计划和航路，启动飞行航迹，提供飞机状态报告。其中对飞机状态的监视将结合货舱各类状态信息，并通过健康管理单元进行统一管理；

(b)航空公司监视飞行计划状态，提供飞行航路气象条件，确认飞行航路的经济性和航迹状态。其中飞行状态信息将通过QAR由地面控制站转达给航空公司，以便其建立对整个飞机的内部状态的理解。

同时，本发明对货舱内部的各类参数状态设立了较为灵活的监测机制，并将部分货舱状态信息以画面的形式显示在地面控制站的显示面板上；其次，告警系统中也额外增加了针对货舱的重要失效通告。进而，缓解措施和处理机制将通过地面控制站通过数据链操纵机载健康管理单元进行处理。

4、进近过程

复飞过程程序是描述进近过程飞行约束不满足或机场条件不允许的情况下，通过复飞过程程序，实现飞往备份机场过程，复飞过程可在到达终端空域时由地面控制站建立，同时由地面导航台通过地面网络对飞机复飞过程进行指挥，具体见图8。

5、夜间航行

在低能见度运行或夜间运行时，飞机中加装的摄像机将通过红外探测飞机前方视景信息，并结合飞机机载雷达、ADS-B等建立低能见度下的运营能力，共同保障夜间货运的安全性。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (11)

1.一种无人驾驶远程控制协同决策系统，其特征在于，包括：用于任务规划和空中状态感知的机载系统、空地数据链和地面控制网络，其中：机载系统分别与卫星导航系统以及其他ADS-B系统相连并获取飞机状态信息，机载系统另外与空地数据链相连并分别在机载系统中的通信数据管理模块、通信中继卫星、卫星地球站、地面控制站之间转发飞机状态信息与控制信息；地面控制网络与卫星地球站相连并获取下行状态信息与回传上行决策信息；

所述的机载设备在进行视距内通信时，通过数据链进行直接通信；在进行视距外通信时，切换到中继卫星进行空地间的透明传输。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的机载系统包括：航路组织规划模块、飞机外部环境感知模块、飞机内部状态感知模块、视景信息管理模块和通信数据管理模块，其中：航路组织规划模块根据飞行计划制定水平和垂直包线并指挥飞行控制系统、燃油系统、引气系统、导航系统等飞机系统按照既定的飞行航路进行作动和调整；飞机外部环境感知模块用于感知飞机位置信息并与通过大气数据系统、惯性参考系统、机载收发机获取的信息融合，通过数据链下传至地面控制设备；飞机内部状态感知模块采集对货机飞行安全状态信息，实现对货机状态的系统性感知并通过双向数据链实现与地面控制站的交互；视景信息管理模块与通信数据管理模块相连并记录与下传视频形式的飞机前方视景信息；通信数据管理模块用于对上下传的数据进行管理与暂存，其与航路组织规划模块、飞机外部环境感知模块、飞机内部状态感知模块、视景信息管理模块相连进行机上信息的处理，与空地数据链相连对下传信息进行转发，同时其内部的校验机制也将对数据的完整性和有效性进行保障。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征是，所述的航路组织规划模块包括：飞行管理单元以及分别与之相连的飞行控制单元、燃油与引气单元以及导航单元，其中：飞行管理单元根据飞行计划输出对应系统在每一飞行阶段的控制信息；此外飞行控制单元、燃油与引气单元、导航单元将分别反馈各自的控制舵面信息、燃油量信息、导航位置信息等给飞行管理单元进行进一步调整规划。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征是，所述的飞机外部环境感知模块包括：ADS-B单元、大气数据单元、惯性参考单元、无线电高度表单元、环境监视单元以及应答机单元，其中：大气数据单元、惯性参考单元、无线电高度表单元分别采集飞机的位置、速度、姿态、高度信息并各自对应输出至ADS-B单元和环境监视单元，应答机单元和ADS-B单元另外对周围飞机的信息进行采集，进而由ADS-B单元和环境监视单元根据上述信息进行综合决策，实现对飞机周围的交通、地形、气象状态的感知判断。

5.根据权利要求2所述的系统，其特征是，所述的飞机内部状态感知模块对货舱的温度状态、压力状态、水汽、易燃物、爆炸物进行综合监控并通过其中的健康管理单元中进行进一步处理决策；此外防火系统的性能也将得到进一步增强，以对危险情况进行及时处理，该飞机内部状态感知模块包括：状态传感器单元、系统自检单元、健康管理单元以及快速存取记录单元，其中：状态传感器单元与健康管理单元相连并传输货机内各类状态信息，系统自检单元与健康管理单元相连并传输各类机载系统的状态监控信息，健康管理单元用于对各类状态信息的收集、处理与判断，并实施相应的处理机制；同时快速存取记录单元与健康管理单元相连并将相关状态信息打包下传给地面控制网络的航空公司组分，由其进行进一步分析。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征是，所述的健康管理单元用于增强对飞行关键系统的状态监测能力，并通过人工智能算法对货舱中的状态传感装置所获取的各类信息进行处理、融合与状态综合评估，从而实现对货机内部状态的全面感知，并将信息通过数据链下传给地面网络进行协同决策；同时健康管理单元的失效处理权限将得到进一步增强，得以在地面控制站的控制下实现对飞机失效情况的有效处理。

7.根据权利要求2所述的系统，其特征是，所述的视景信息管理模块包括：视频采集单元、视频处理与压缩单元以及红外感知单元，其中：视频采集单元与视频处理与压缩单元相连并传输所采集的飞机前方视景信息信息，视频处理与压缩单元与通信数据管理模块相连，传输经压缩处理后的视频信息；红外感知单元与视频处理与压缩单元相连并在能见度较低或夜间环境下启动感知功能并传输信息。

8.根据权利要求2所述的系统，其特征是，所述的通信数据管理模块包括：通信数据收发单元、通信数据处理单元、数据完整性检查单元，其中：数据收发单元与空地数据链相连并传输经处理后的数据包；数据处理单元与数据收发单元相连，实现传输前后根据协议进行的数据处理工作；数据完整性检查单元与数据收发单元相连并传输对所接收数据包的检查结果信息。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的空地数据链包括：通信链路地面站和卫星地球站、中继通信卫星、终端的天线模块、通信数据处理管理模块。其中通信链路地面站和卫星地球站分别在空地直接通信和卫星中继通信模式下，通过通信链路与空地两端的终端收发设备相连；终端的天线与通信数据处理管理模块起着地面协同网络的信息接口作用，天线模块和通信数据处理管理模块相连，用于定期采集与处理所接收的飞机状态信息，进而转发给地面站对应显示设备；中继通信卫星用于在视距外对所传输信息的透明转发；此外卫星地球站可通过获取空地通信双方，即飞机和地面站的位置信息，调整通信卫星角度，实现通信双方对于通信卫星的分别对准。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的地面控制网络包括：地面控制站和空管及航空公司，其中：地面控制站作为空地间通信的关键角色，分别通过空地数据链与机载系统相连并传输状态与决策信息，通过互联网与地面协同控制网络的其他成员(空管、航空公司)相连并传输与同步飞行管理信息；进而，空管及航空公司将参与地面控制网络对货运飞机的组织管理过程。在飞行开始前空管及航空公司将分别通过飞行计划组织模块、信息同步模块与地面控制站一起完成对于飞行计划的规划；飞行过程中空管及航空公司通过信息同步模块采集下传数据链路中各自关注的飞机状态信息，并根据需要进行分析、处理、显示与广播；空管和航空公司内部的协同决策模块则关注各自角色在航路组织过程的协同作用。

11.根据权利要求10所述的系统，其特征是，所述的地面控制站包括：通信数据管理与分发模块、数据处理与决策模块、显示模块、操纵模块和地面站系统状态监测模块，其中：通信数据管理与分发模块对卫星数据链下传的状态信息进行接收、管理；其包括对下传信息的采集、解码和完整性、有效性的校验机制等，并将不同类型信息通过接口分发给数据处理与决策模块。同时来自其他模块的控制决策信息将由此模块进行汇总与上行传输；数据处理与决策模块将对各类态势信息和状态信息进行处理，通过传输协议发送到相应的显示界面上，同时针对不同来源的功能性信息，该模块将对功能系统的异常状态进行判断，并通过显示界面进行指示，数据处理与决策模块对于视频信息进行图象的解压缩、处理、存储记录等功能，并提供数据给地面控制站，显示为飞机前方视景画面；显示模块包括前方视景画面单元和飞机运行参数界面单元；其中飞机前方视景画面单元为对于下传视频信息的还原；飞机运行参数界面单元分别显示飞机驾驶舱面板信息、飞机状态信息和辅助信息；控制模块参考驾驶舱布局对驾驶舱进行远程控制，系统状态监控模块对地面控制站各子系统内部状态进行监测、指示、告警。