CN111796281A - 用于着陆与起飞制导的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明题为“用于着陆与起飞制导的系统和方法”。本发明公开了使用着陆地点的雷达回波图像来允许配备有至少一个雷达的运载工具起飞和着陆的技术。至少一个雷达生成着陆地点的一个或多个雷达回波图像、特别是附接到着陆地点的反射符号的一个或多个雷达回波图像，从而允许运载工具使其自身定向到着陆地点并且提供特定于着陆地点的信息。可使用至少一个雷达和制导与着陆系统来确定相对于着陆地点的位置和速度。使用位置和速度信息，制导与着陆系统可向和从着陆地点导引运载工具和/或确定障碍物是否需要使用替代着陆地点。

Description

用于着陆与起飞制导的系统和方法
背景技术
新兴技术允许运载工具(例如，空中的士、投递无人机)的操作，这些运载工具在丢失诸如由全球导航卫星系统(GNSS)接收器提供的主要位置信息的条件下，需要用于着陆和起飞的可靠、安全且精确的装置。然而，GNSS接收器可提供准确性下降的位置信息或完全不能提供任何位置信息(例如因为GNSS信号受到结构的阻塞或受到干扰)。对于着陆或起飞过程中的运载工具，即使位置信息瞬时劣化或丢失，也会造成与着陆地点或相邻障碍物发生碰撞。执行起飞或着陆的运载工具需要极大的导航精度，才能在着陆地点位于城市环境中时操作。
虽然上述问题可在人类操作运载工具时发生，但该问题对于自主运载工具而言可更为严重。在一些情况下，自主运载工具缺少辅助系统(除了GNSS接收器之外)来确定其位置。此外，一些自主运载工具不能确定其GNSS接收器何时生成了不准确的位置数据(例如因为障碍物(诸如建筑物)所引起的卫星信号的干扰或多路径)。当运载工具在起飞和着陆期间依靠GNSS时，这尤其成问题，因为需要精度以防止与环境发生碰撞。
视觉辅助器和无源光学图像传感器可用于在GNSS位置信息劣化或不可用时确定运载工具的位置。光学图像传感器允许准确识别对象和结构，并且可提供对光学图像传感器相对于所述对象和结构的位置的洞察。然而，由于存在外部变量(即，影响光学成像的天气)，光学图像传感器可能不可靠。因此，需要更稳健的装置以在起飞和着陆中协助光学图像传感器会受影响或仅仅依靠GNSS的运载工具制导。
发明内容
本发明提供了一种方法。该方法包括：从运载工具朝向着陆地点发射雷达信号；在运载工具处接收从着陆地点处的反射符号反射的雷达回波信号；使用反射符号的雷达回波图像来确定相对于着陆地点的制导向量、距离和相对速度；以及使用制导向量、距离和相对速度将运载工具导引到着陆地点。
附图说明
应当理解，附图仅示出了一些实施方案，因此不应认为是限制本发明的范围，将使用附图以附加特征和细节来描述示例性实施方案，在附图中：
图1A是根据本发明的一个实施方案的在接近着陆地点时具有制导与着陆系统的运载工具的示意图；
图1B是根据本发明的一个实施方案的着陆地点的示意图；
图2是配备有本公开的起飞与着陆系统的运载工具的示例性实施方案的框图；并且
图3是展示使用着陆地点上的反射符号来实现雷达辅助的着陆和起飞的方法的示例性实施方案的流程图。
根据惯例，所描述的各种特征未必按比例绘制，而是用于强调与示例性实施方案相关的特定特征。
具体实施方式
在以下详细描述中，参考形成其一部分的附图，并且其中通过图示方式示出了特定的例示性实施方案。然而，应当理解，可利用其他实施方案，并且可进行逻辑、机械和电气更改。
本公开的实施方案提供了系统和方法，其允许运载工具的基于雷达的着陆与起飞系统(使用反射符号)在起飞和着陆期间确定运载工具的三维位置。即，当运载工具试图着陆在特定着陆地点上时，其使用雷达来扫描运载工具下方的区域。当运载工具在着陆地点的范围内时，雷达将接收与着陆地点的反射符号相对应的雷达回波信号。每个雷达可为如随后将描述的扫描或非扫描雷达。
在一些情况下，反射符号可包括与数据符号的数据库相比较的数据符号，并且根据该数据符号与对应于着陆地点的数据库中的数据符号的关联，运载工具可将着陆地点识别为特定着陆地点。运载工具内的系统可使用存储在数据库中的有关特定着陆地点的信息来进一步协助着陆。当运载工具接近着陆地点时，运载工具使用雷达回波信号来确定运载工具相对于着陆地点的三维位置以及任选的其他运动学信息，即运载工具的速度和姿态。此外，根据雷达回波信号，运载工具可确定着陆地点上是否存在阻碍，不论是源于着陆地点上的外物的检测还是源于数据符号的遮掩。使用该信息，运载工具可着陆在着陆地点上而无需依靠(甚至部分地依靠)提供位置信息的系统，诸如GNSS接收器或一个或多个惯性测量单元(IMU)。该系统和相关联的方法还可在起飞期间以类似的方式使用。反射符号和数据符号由特定材料构成，该材料比围绕此类符号的材料更多地反射雷达信号，以使得雷达可将反射符号和数据符号与其周围区域区分开。
图1A是根据本发明的一个实施方案的在接近着陆地点时具有制导与着陆系统的运载工具的示意图100。出于教育目的，本文所示的运载工具101是自主航空垂直起降运载工具，诸如航空无人机；然而，运载工具101可为任何其他类型的运载工具，包括但不限于星载或陆地运载工具。此类其他类型的运载工具可为非航空运载工具(包括无人机)。运载工具101包括至少一个雷达，例如面向前的雷达。在此类情况下，着陆地点110可更一般地称为出发点或到达点。此外，运载工具101可由一个或多个运载工具操作员驾驶。
运载工具100上安装了面向前的雷达102、面向下的雷达104以及在一些示例中面向其他方向的至少一个或多个雷达(统称为“雷达”)。在一些示例中，面向前的雷达102和面向下的雷达104与运载工具100分开。在其他示例中，面向前的雷达102和面向下的雷达104结合在运载工具100中。反射符号112。然而，在其他实施方案中，可采用单个雷达，例如其可有效地用作面向前的雷达和面向下的雷达。
图1B是根据本发明的一个实施方案的着陆地点110的示意图。着陆地点110包括运载工具101可着陆的区域，例如表面。反射符号112位于着陆地点110上。反射符号112用于使用反射符号112的雷达回波图像来定向运载工具101。雷达回波图像由例如在一段时间期间针对一个或多个对应雷达的全部或部分能视域接收到的雷达回波信号形成。任选地，着陆地点110包括数据符号114。数据符号114用于从着陆地点110的集合之中识别该着陆地点110，并且可对应于制导与导航系统107可访问的数据。任选地，反射符号112和数据符号114可组合成一个符号或可不组合成一个符号。反射符号112和数据符号114可嵌入在着陆地点110自身内。在此类实施方案中，反射符号112和数据符号114可包括反射材料(例如，金属)的角形反射器，因此虽然这些符号无法被眼睛看见，但它们仍会反射雷达信号，使得这些符号可被识别为着陆地点110的雷达回波图像中的反射符号112和数据符号114。在其他示例中，反射符号112和数据符号114可包括着陆地点110的表面上和/或嵌入在着陆地点110中的反射材料的组合。嵌入的材料提供了不易被破坏和劣化的优点。
返回到图1A，出于教育目的，将示出两个雷达：面向前的雷达102和面向下的雷达104。然而，可另选地使用一个、三个或超过三个雷达。面向前的雷达102生成例如有关运载工具101前方的着陆地点和障碍物的信息。面向下的雷达104生成例如有关运载工具101下方的着陆地点和对象的信息。运载工具101可使用此类信息来例如在城市环境中的着陆地点上着陆和起飞。使用附连到着陆地点的反射符号112的反射材料，制导与着陆系统107可处理来自一个或多个雷达的雷达回波图像以确定离着陆区的距离以及可能运载工具的姿态和速度，并且使用此类信息来调节运载工具101的飞行控制与致动器108以在从着陆地点110起飞或着陆在该着陆地点时导引运载工具101，同时避开潜在的物理障碍物，例如阻碍着陆区域的另一运载工具。制导与着陆系统107可控制飞行控制与致动器108以在着陆地点之间行驶期间导引运载工具101。
然而，在一些示例中，可在运载工具101中采用面向除面向前或面向下以外的方向的一个或多个雷达。该一个或多个雷达可统称为“雷达”。可使用多个雷达来增加能视域，例如多达360°。此类雷达可安装在运载工具101之上和/或之中。面向前的雷达102和面向下的雷达104的描述适用于运载工具101中采用的所有雷达。
面向前的雷达102和面向下的雷达104被配置为发射雷达信号并且接收回波雷达信号。雷达信号从环境中的对象反射出。对象的反射率取决于许多因素，包括对象的形状、对象的材料以及不同材料的接近度。来自雷达102、104的经反射的回波雷达信号可用于基于回波雷达信号的强度、方向以及对应回波信号的延迟来确定视场内的对象的位置。例如，建筑物的角落将比平坦的窗玻璃更易识别。因此，城市环境内的对象的某些特征将比其他特征更易识别。着陆地点110包含被特别设计成高度反射雷达信号的反射符号112。
在图1A所示的示例中，面向前的雷达102安装在运载工具101上(例如在该运载工具前方)，使得面向前的雷达102提供运载工具101前方的体积的雷达回波图像。面向前的雷达102被配置为以至少一个定向波束发射雷达信号。在一些示例中，面向前的雷达102被配置为以至少一个窄波束中的每一个窄波束发射至少一个雷达信号并且接收对应的经反射的雷达信号。
在图1A所示的示例中，面向下的雷达104安装在运载工具101上(例如，在该运载工具底部上)，使得面向下的雷达104提供运载工具101下方的体积的雷达回波图像。面向下的雷达102被配置为以至少一个定向波束发射雷达信号。在一些示例中，面向下的雷达104被配置为以至少一个窄波束中的每一个窄波束发射至少一个窄波束无线电信号并且接收对应的经反射的无线电信号。例如，向下定向波束将例如以电子方式扫描经过运载工具101前方的宽(例如半球形)体积。在向下定向波束中，发射向下雷达信号，并且如果向下雷达信号从向下雷达信号入射的反射符号112反射，则接收向下回波信号。在一些示例中，面向下的雷达104被配置为以至少一个波束发射和接收无线电信号。一个或多个波束例如以电子方式扫描，以由雷达回波信号生成运载工具101下方的体积内的反射符号的雷达回波图像。例如，向下定向波束将扫描(例如以电子方式)经过运载工具101前方的宽(例如半球形体积)。在向下定向波束中，发射向下雷达信号，并且如果向下雷达信号从向下雷达信号入射的反射符号112反射，则接收向下雷达回波信号。在一些示例中，面向下的雷达104被配置为以至少一个波束发射雷达信号并接收雷达回波信号。一个或多个波束例如以电子方式扫描，以使运载工具101下方的体积内的反射符号112成像。
在一些示例中，每个雷达是扫描雷达(例如，相控阵雷达)或非扫描雷达(例如，合成孔径雷达(SAR)或逆SAR)。相控阵雷达可按2014年1月21日公布的美国专利No.8,633,851(‘851专利)中所述的那样实现，该专利全文以引用方式并入本文。相控阵雷达适用于运载工具，因为其可以电子方式扫描某体积，由此不需要笨重又庞大的机械扫描硬件。与机械扫描雷达不同，电子扫描相控阵雷达可几乎瞬间改变波束方向。因此，电子扫描相控阵雷达有利于极快的扫描速率–以及因此极快更新的雷达回波图像，从而有益于如本文所述的着陆和防撞应用。
‘851专利中描述的相控阵雷达包括多个雷达单元、时钟和处理系统。每个雷达单元所发射的雷达信号被锁相到时钟。每个雷达单元随后可调节其发射的雷达信号的相位和振幅。这样，相控阵雷达可被定制为发射一个或多个波束并且扫描该一个或多个波束。‘851专利中描述的相控阵雷达仅是可如何实现本发明的实施方案中的雷达的一个示例。
任选地，可将能视域分割为超过一个区域。可由来自一个或多个雷达的一个或多个波束扫描每个区域。任选地，可使用单脉冲处理来改善雷达回波图像分辨率。
另选地，作为扫描雷达的替代，可使用非扫描雷达，诸如SAR或逆SAR。SAR或逆SAR系统利用运载工具上的单个非扫描雷达以及运载工具或目标各自的运动来产生例如城市环境的详细图像。所产生的雷达图像通过计算提供雷达回波的三维图像。在一些示例中，SAR和ISAR雷达处理雷达回波信号并且为制导与着陆系统107提供雷达回波图像。在其他示例中，将本文所述的雷达回波信号提供给制导与着陆系统107，并且制导与着陆系统107被配置为将雷达回波信号处理成雷达回波图像。在一个示例中，面向前的雷达102和/或面向下的雷达104被实现为非扫描雷达。
在一个示例中，面向前的雷达102和/或面向下的雷达104被实现为扫描雷达，例如相控阵雷达。在这种示例中，面向前的雷达102发射一个或多个波束，该一个或多个波束扫描运载工具101前方的区域以生成从向前回波信号得出的向前雷达回波图像；面向下的雷达104发射一个或多个波束，该一个或多个波束扫描运载工具101下方的区域以生成从向前回波信号得出的向下雷达回波图像。
在图1A所示的示例中，制导与着陆系统107被配置为从面向前的雷达102和面向下的雷达104接收雷达回波信号。一个或多个雷达回波信号组合而形成雷达回波图像。
在一些示例中，制导与着陆系统107被配置为与其他导航部件(例如，GNSS接收器、测高仪和姿态与航向参考系统(AHRS))一起发送和接收信息。在图1A所示的示例中，制导与着陆系统107被配置为确定运载工具101相对于反射符号112的位置和轨迹。此外，制导与着陆系统107耦接到运载工具飞行控制与致动器108。飞行控制与致动器108包括例如控制面(例如一个或多个方向舵、一个或多个升降舵和/或一个或多个副翼)、一个或多个推进系统(例如一个或多个喷气式飞机、一个或多个火箭和/或一个或多个螺旋桨系统)以及用于控制前述部件的系统。飞行控制与致动器108用于控制运载工具的速度(速率和方向)和加速度。
使用运载工具101相对于反射符号112的相对位置和轨迹，制导与着陆系统107被配置为在运载工具101从着陆地点110起飞或着陆在该着陆地点上期间操作飞行控制与致动器108。
在图1A所示的示例中，虚线103表示反射符号112的中心以及运载工具正下方的跟踪。弧角“x”105示出了反射符号112的中心与运载工具正下方之间的弧角。制导与着陆系统107被配置为使用AHRS使运载工具101沿着三条轴线定向，并且可引导面向下的雷达104以使得即使当运载工具101不平时，其也与着陆地点110正交。在一些示例中，面向下的雷达104和着陆系统107被配置为跟踪特定点，例如反射符号112的中心。当运载工具101改变位置时，着陆系统107更新面向下的雷达104的方向以使得其继续指向反射符号(例如，反射符号的中心)。在一些示例中，反射符号112的中心可通过其与反射符号112的其余部分的关系来检测，并且面向下的雷达通过反射符号112的连续雷达扫描来跟踪反射符号112的中心。弧角“x”为零，反射符号112在运载工具101的正下方。当反射符号112在运载工具101的正下方时，运载工具101可垂直地下降到反射符号112上。但在其他实施方案中，运载工具101可以以不等于零的弧角下降。制导与着陆系统107还可使用方向指示118来确定运载工具101的方向，并且可改变运载工具101的姿态和航向，使得运载工具101面向适当方向(例如，沿方向指示118的方向)着陆。方向指示118可被或可不被眼睛看见。在一些示例中，方向指示118嵌入在着陆地点110中，因此不可见。
在图1A所示的示例中，虚线106表示反射符号112的边缘113的跟踪。弧角“y”109表示相对于面向前的雷达102或面向下的雷达104而言反射符号112的两个相对边缘之间的弧角。弧角“y”109以及雷达102、104与反射符号112的边缘之间的已知距离可用于确定VTOL运载工具101与着陆地点之间的距离。面向下的雷达104被配置为确定其与物理对象之间的距离。如果面向下的雷达104与反射符号112之间的确定的距离不同于如由弧角“y”109确定的运载工具101与反射符号112之间的距离，则运载工具101可确定存在对象遮掩或阻塞反射符号112。
着陆地点110可包括反射符号112、数据符号114、方向指示118以及在一些示例中风向袋116。
在图1A和图1B所示的示例中，当制导与着陆系统107检测到反射符号112时，制导与着陆系统107被配置为确定含有反射符号112的区域为着陆地点110。反射符号112可被或可不被人眼看见。在一些示例中，反射符号112包括运载工具101的优选着陆地点周围的环。在一些示例中，反射符号112是可为或可不为圆形和/或对称的几何图案。在一些示例中，反射符号112具有反射符号112的周边周围的多个反射特征。在一些示例中，反射特征沿着反射符号112的周边为对称的。例如，呈八边形形状的反射符号112在八个角中的每个角处可具有反射特征。
数据符号114可在反射符号112内。数据符号114可为或可不为反射符号112的一部分。数据符号114是着陆地点110的反射识别符，例如QR码、反射点图案和/或独特象形文字。每个数据符号114可用于识别特定着陆地点110，使得数据符号114可用于将一个着陆地点110与另一个着陆地点110区分开。在一些示例中，数据符号114对应于包含有关着陆地点110和反射符号112的进一步信息的数据条目。该进一步信息可包括或可不包括着陆地点110和反射符号112的尺寸、着陆地点110的时间表、关于附近替代着陆地点110的信息和/或有关着陆地点110的所有权的信息。在包含多个着陆地点110的综合设施(例如，停机坪)中，每个着陆地点可独特地标识以使得运载工具可被分配到特定着陆点。例如，多个着陆地点110可存在于较小邻近区内。每个着陆地点110将具有数据符号114，使得可指示制导与着陆系统107着陆在具有特定数据符号114的特定着陆地点110上。此外，当数据符号114对于着陆地点而言是独特的时，有关着陆地点的信息可与数据符号114相关联。在一些示例中，数据符号114与有关着陆地点110、方向指示118和/或反射符号112的信息相关联(例如，位置、所有者名称、投递说明、反射符号112的尺寸)。数据符号114可被或可不被眼睛看见。在其他示例中，数据符号114嵌入在着陆地点110中，因此不可见。
在图1B所示的示例中，风向袋116提供有关着陆地点110周围的状况的着陆系统信息。在一些示例中，风向袋116包含雷达反射材料。在一些示例中，风向袋安装件(例如，标杆)也包含雷达反射材料。当着陆地点110处的风足够强时，风向袋116随风改变方向。风向袋的雷达成像可用于检测着陆地点110处的风向。此外，风越强，风向袋116在其安装件上升得越高。风向袋116升得越高，其离其周围的地面越远，并且其离运载工具101及其一个或多个雷达越近。因此，风向袋的雷达成像还可用于确定着陆地点110处的风强度或速率。面向前的雷达102和面向下的雷达104被配置为生成雷达回波图像，这些雷达回波图像可例如由制导与着陆系统107处理以检测风向袋116高出表面的高度和定向以及因此检测风速率或强度和方向。利用该信息，制导与着陆系统107使用飞行控制与致动器108补偿着陆在着陆地点110处时风的影响。
图1B所示的方向指示118可包括方向的一般指示，例如基本方向。方向指示118可整合到或可不整合到反射符号112中。方向指示118将为已知的，因此制导与着陆系统107可使用方向指示118来在运载工具下降到着陆地点110上时定向运载工具。
出于教育目的，当运载工具101接近着陆地点110时，面向前的雷达102和面向下的雷达104扫描反射符号112。当雷达回波指示反射符号112时，制导与着陆系统107操纵运载工具，使得面向下的雷达104可检测反射符号112。使用面向下的雷达104，制导与着陆系统107操纵运载工具101，使得运载工具位于反射符号112的正上方。运载工具101垂直地着陆在着陆地点110上。
在一些示例中，运载工具101被配置为使用反射符号112作为参考来着陆在着陆地点110上。在一些示例中，运载工具101垂直地着陆，在其他示例中，运载工具从非垂直角(即，从不在着陆地点110的正上方)着陆。制导与着陆系统107使用运载工具的姿态在运载工具离轴倾斜时进行补偿。
在着陆的一个示例中，在运载工具101从上方接近着陆地点110时进行补偿。制导与着陆系统107使用雷达(即，面向前的雷达102和面向下的雷达104)来跟踪反射符号112。运载工具101在从使用面向前的雷达102转变为单独使用面向下的雷达104时继续水平地朝向着陆地点110。当运载工具101定位在着陆地点110的正上方时，运载工具101通过使用反射符号112的雷达回波图像确定运载工具110与着陆地点之间的距离而下降。在其他实施方案中，制导与着陆系统107可仅使用面向下的雷达104来跟踪反射符号。
运载工具101还被配置为如着陆期间那样使用反射符号112作为参考来起飞。在起飞期间，由于附近结构引起的干扰，通常用于导航的传感器(诸如GNSS接收器)可不太准确。例如，在城市环境中，当GNSS信号从附近结构反射出而使GNSS定位信息的精度降低超过起飞和着陆的容许公差时发生多径误差。在起飞的一个示例中，在起飞期间，制导与着陆系统107通过首先使用着陆符号112的雷达回波图像确定运载工具101与着陆地点110之间的距离而以着陆的相反方向操作。当运载工具101到达离着陆地点110的所需海拔高度或距离时，运载工具101上的雷达可用于在其他结构附近时确定运载工具101的三维位置。
图2是制导与着陆系统207的一个示例的框图。具有类似名称和编号的部件(即，制导与着陆系统207)的描述适用于这些部件的先前迭代，并且反之亦然。
制导与着陆系统207被配置为在运载工具101之上和/或之中操作。制导与着陆系统207使用着陆地点的一个或多个雷达回波图像来协助运载工具101的导航。制导与着陆系统207包括处理系统221，该处理系统包括符号数据库222和雷达回波图像226。处理系统221被配置为耦接到一个或多个雷达(例如，面向前的雷达102和面向下的雷达104)和飞行控制与致动器108。
任选地，制导与着陆系统207包括耦接到处理系统221的大气数据单元223、GNSS接收器225和/或AHRS 224。GNSS接收器225可为GPS接收器。大气数据单元223被配置为向处理系统223提供有关运载工具高出地面或海平面的海拔高度的数据。AHRS 224被配置为向处理系统223提供有关运载工具101的航向和姿态(包括滚转、俯仰和偏航)的数据；此类信息可用于确定运载工具三维位置和速度。AHRS 224通常比惯性导航系统(INS)或惯性参考系统(IRS)便宜得多。运载工具101的姿态意指运载工具101相对于惯性参考系(例如，相对于地球)的定向。
处理系统221(也称为处理器221)被配置为由反射符号112的雷达回波图像和AHRS224确定运载工具的三维位置、姿态和/或速度。处理系统221使用边缘检测算法来确定反射符号112的边缘113。通过参考存储在符号数据库222内的符号，处理系统221被配置为识别反射符号112和数据符号114。在一些示例中，处理系统221用反射符号112的尺寸进行预编程。在一些示例中，处理系统221通过数据符号114与符号数据库222的关联来确定反射符号112的尺寸。AHRS 224为处理系统提供运载工具110的姿态。通过使用运载工具101的姿态补偿运载工具离轴倾斜，反射符号112的雷达回波图像用作三维空间中的参考来确定运载工具101的三维位置和/或速度。通过连续地更新运载工具101关于反射符号112的三维位置和/或速度，处理系统221可将运载工具101导引到相关联的着陆地点110。为此，处理系统221被配置为生成控制信号。飞行控制致动器108被配置为耦接到处理系统221并且从制导与着陆系统107接收控制信号。在获知运载工具的三维位置的情况下，制导与着陆系统207可修改运载工具101的速度以及因此未来的三维位置，以便在着陆在着陆地点110处时避免与一个或多个障碍物发生一次或多次碰撞。
符号数据库222包含关于数据符号114和反射符号112的信息。例如，符号数据库222可包含数据符号114的索引，其具有有关相关联的着陆地点110的对应信息，即，着陆地点110的位置、所有权信息、替代着陆地点、投递时间表、反射符号112的尺寸。处理器221被配置为访问符号数据库222并且将数据符号114的雷达回波图像与符号数据库222进行比较以提取信息。在一些示例中，符号数据库222存储在处理器221内。
当利用GNSS接收器225时，运载工具101主要使用GNSS接收器225来确定其三维位置和速度直到运载工具在着陆地点110附近。当制导与着陆系统207确定着陆地点110存在反射符号112时，制导与着陆系统207可开始跟踪反射符号112。任选地，处理系统221可使用来自GNSS接收器225的三维位置数据以及着陆符号112的雷达回波图像来确定三维位置和速度。在这种示例中，可将三维位置信息与来自GNSS接收器225的位置信息进行比较。当反射符号112被障碍物遮掩时，这可特别有利。例如，如果另一个运载工具暂时遮掩反射符号112而不为运载工具101所见，则制导与导航系统207继续依靠GNSS接收器225一直到着陆地点110的位置，一旦去除暂时性的障碍物就切换回雷达导航。此外，使用来自GNSS接收器225和雷达回波图像两者的数据可用于生成更准确的相对三维位置和/或速度数据，和/或识别部分遮掩着陆地点110的障碍物。当GNSS接收器225与一个或多个雷达结合使用时，一个或多个雷达可聚焦于反射符号112的已知位置。当雷达回波信号指示反射符号112不在根据来自GNSS接收器225的位置信息应当处于的位置时，反射符号112可被障碍物完全阻碍。GNSS接收器位置数据和利用雷达回波图像的位置数据的组合可例如与处理系统221中并由该处理系统执行的卡尔曼滤波器一起使用，以更准确地确定运载工具101相对于反射符号112的三维位置和/或速度。
处理系统221包括耦接到存储器电路的处理电路。处理系统221可用模拟和/或数字电路来实现。例如，处理电路可用电子模拟电路来实现，包括用于实现电子模拟计算机的电路。在一些示例中，处理系统221被配置为使一个或多个雷达的输出与符号数据库222、大气数据单元223、AHRS224和GNSS接收器225的数据关联。在一些示例中，处理系统221结合到制导与着陆系统207内的其他部件中。
在图2所示的示例中，雷达回波图像226存储在处理系统221内。应当理解，雷达回波图像226可存储在运载工具内的另一个系统内和/或外部系统内。在一些示例中，雷达回波图像226存储在存储器电路中。雷达回波图像226包括来自雷达102、104的雷达回波信号，这些雷达回波信号已经过处理以形成运载工具101周围的环境的图像。
在图2所示的示例中，大气数据单元223被配置为耦接到处理系统221，并且提供运载工具101的海拔高度以及任选的运载工具101的海拔高度的变化速率。在一些示例中，大气数据单元223包括气压测高仪，其基于气压测高仪所测得的气压来提供有关运载工具101高出地面或海平面的海拔高度的信息。例如，当大气数据单元223确定运载工具101的海拔高度高于运载工具101正行驶的区域中的所有障碍物的最大海拔高度(或高于最大海拔高度加偏移量)时，则制导与着陆系统207和处理系统221不需要利用来自一个或多个雷达202,204的数据来执行制导与着陆功能。偏移值可用于考虑来自大气数据单元223的测量数据中的误差界限。此外，如果运载工具未在其路径中检测到障碍物，例如运载工具高于所有障碍物的最大海拔高度，则制导与着陆系统207可被配置为调节扫描策略，例如集中检测和避开其他运动对象或切换为长距离扫描和/或测绘。
在图2所示的示例中，AHRS 224向其他部件提供有关运载工具207的姿态和航向的信息。在一些示例中，AHRS 224包括至少一个加速度计、至少一个陀螺仪和至少一个磁力仪。每个加速度计测量沿着一条轴线的加速度。每个陀螺仪测量围绕一条轴线的角旋转。每个磁力仪确定环境磁场的方向。来自AHRS 224的数据可用于确定运载工具101的姿态以及因此着陆地点110的雷达回波图像的定向。此外，AHRS 224可与方向指示118一起用于确定运载工具相对于着陆地点110的水平方向。
当运载工具101被定向成离轴时，雷达回波图像必须在处理之前用姿态信息进行校正。处理系统221使用AHRS 224的输出来确定运载工具101相对于由雷达回波图像226表示的着陆地点110的参考系(例如，相对于反射符号112)的姿态和/或航向。当运载工具101被定向成离轴而未进行雷达回波图像的参考系校正时，处理系统221无法准确地确定运载工具相对于反射符号112的三维位置和/或速度，因为雷达回波图像226可导致依运载工具的姿态而定的三维位置和/或速度(相对于着陆地点110)的不准确确定。
图3示出了使用至少一个雷达来执行运载工具着陆的示例性过程300。过程300在图3中示出并且在本文中被描述为包括分立元件。此类图示是为了便于描述，并且应当认识到，这些元件所执行的功能可在一个或多个部件中组合，例如在软件和/或硬件中实现。
如果图3所示的方法300在本文描述为在以上相对于图1A、图1B和图2所述的设备中实现，则应当理解，可以其他方式实现其他实施方案。为了便于解释，流程图的框以大致顺序的方式布置；然而，应当理解，该布置仅仅是示例性的，并且应当认识到，与这些方法(和该图所示的框)相关联的处理可按不同次序发生(例如，其中与这些框相关联的处理中的至少一些处理以并行方式和/或以事件驱动方式执行)。
在框330中，朝向着陆地点发射雷达信号。在一些示例中，制导与导航系统不断扫描靠近运载工具的反射符号。在其他示例中，当确定运载工具在着陆地点附近(例如，如制导与着陆系统使用来自GNSS接收器的位置数据所确定)时，制导与导航系统开始扫描指示着陆地点的反射符号。一个或多个雷达可朝向着陆地点和反射符号预期所处的区域投射来自运载工具上的至少一个雷达的至少一个定向波束。每个雷达周期性地以每个定向波束发射雷达信号，并且可以以定向波束接收雷达回波信号。任选地，利用该至少一个定向波束中的至少一个来扫描至少一个雷达的能视域的至少一部分(着陆地点和反射符号预期所处位置)。例如，单个雷达(诸如面向前的雷达)可使用逐行扫描来扫描定向波束。然而，可使用其他扫描技术，诸如一个或多个雷达所发射的两个定向波束的隔行扫描。如果定向波束未被扫描，则例如定向波束至少在一段时间内可固定地指向雷达的能视域中的特定区域，这可提供对应视场中的着陆地点检测以及离着陆地点的距离的确定。
在框332中，确定是否在经反射的回波信号内检测到反射符号。由一个或多个经反射的回波信号生成雷达回波图像。由于反射符号被设计成高度反射雷达信号，因此反射符号可易于在雷达回波图像中检测。在一个实施方案中，通过雷达回波图像与包含反射符号的符号数据库的比较而确定反射符号在雷达回波图像内。在其他实施方案中，训练制导与着陆系统以在特定位置寻找反射符号。如果制导与着陆系统寻找到特定着陆地点并且在运载工具位于着陆地点附近时无法检测到相关联的反射符号，则着陆地点和/或反射符号可被障碍物阻碍。在一些示例中，数据符号(具有与反射符号类似的反射特性)伴随反射符号或包括在反射符号内。在此类示例中，可将数据符号与符号数据库进行比较以确定有关着陆地点的信息，例如反射符号的尺寸、着陆地点指定、和/或着陆和/或起飞指令。着陆和/或起飞指令可包括对运载工具有用的信息，诸如着陆地点的紧邻区域中的速率极限以及已知的潜在危险(诸如输电线)。导航与制导系统可继续在着陆地点附近行驶，寻找替代着陆地点，或完全中止着陆。一般来讲，如果无法检测到反射符号，则该方法返回到框334。如果可检测到反射符号，则该方法继续到框336。
在框334中，运载工具确定通往替代着陆地点的路径。在一些示例中，替代着陆地点可用，其提供与初始着陆地点相同的服务，即，允许产品投递给相同个体。例如，初始着陆地点可为着陆地点集合中的一者，当一个着陆地点被阻碍时，运载工具可寻找其他畅通无阻的着陆地点之一。在另一个示例中，如果其他可接受的着陆地点不可用，则运载工具可被编程为返回到预定着陆地点以等待进一步的指令。在一些示例中，基于符号数据库内的信息来确定通往着陆地点的替代路径。
在框336中，确定运载工具相对于着陆地点的三维位置和/或速度。在每个雷达回波图像中，描绘了具有已知尺寸的反射符号。雷达回波图像、反射符号的已知尺寸以及运载工具的姿态信息可用于在几何上确定运载工具的三维位置。在反射符号包含数据符号的示例中，有关着陆地点的进一步信息可传达三维位置和/或速度的确定。数据符号可提供或可不提供关于反射符号的尺寸的更新信息。在此类情况下，着陆符号的更新尺寸用于确定运载工具的三维位置和/或速度。
在框338中，确定着陆地点是否被阻碍。制导与着陆系统200被配置为使用若干不同方法来检测着陆地点上的阻碍。用于检测阻碍的一种方法是反射符号112的部分遮掩。一旦已识别反射符号112和对应数据符号114，制导与着陆系统200就可检测反射符号112的一部分何时被遮掩而不为雷达102、104所见。用于检测阻碍的另一种方法是指示运动(例如旋转)机制的多普勒回波。当反射符号112上的对象正在运动时，这会由从该对象反射的雷达信号引起多普勒效应。制导与着陆系统被配置为识别这些多普勒效应，并且将它们感知为反射符号112上的阻碍。用于检测阻碍的另一种方法是雷达的时序回波指示实心体位于该符号上方的情形。当某人阻碍着陆地点时，该方法可能特别有用，其中该人可能体格不够大而无法遮掩反射符号112，或该人的密度不够大而无法遮掩反射符号112使雷达不可见。雷达信号在经过实心体(诸如生命物质的实心体)时可出现延迟。如果确定着陆地点有阻碍，则该方法继续到框340。如果确定没有阻碍，则该方法继续到框342。
在框340中，确定通往着陆地点的替代路径。当反射符号112被阻碍时，制导与着陆系统200被配置为确定运载工具的替代飞行路径以便避免与该阻碍发生碰撞。在一些示例中，替代飞行路径是能避开阻碍的通往反射符号112的替代行驶路径。当阻碍远离反射符号112，但介于运载工具100与反射符号112之间时，此类替代飞行路径将是有利的。在另一个示例中，制导与着陆系统200可确定着陆在反射符号112处不可能，并且需要替代着陆地点。在这种情况下，制导与着陆系统将开始再次搜索着陆地点，使用与另一个着陆地点的已知位置有关的其已知位置来确定所提议的行驶(例如，飞行)路径。在另一个示例中，制导与着陆系统200可确定对反射符号112的阻碍可为暂时的，并且运载工具应在等待从反射符号112去除该阻碍时保持其位置。这些替代飞行路径意在为可供制导与着陆系统200使用的选项的示例，并非可用选项的详尽列表。
如果确定替代路径不可用，则运载工具可通过所述方法的另一次迭代来寻找另一个着陆地点，从而寻找到另一个着陆地点。另选地，制导与着陆系统可确定该区域中没有畅通无阻的着陆地点，并且可指示运载工具中止着陆程序。
在框342中，基于运载工具的相对位置、距离和速度来导引运载工具。使用雷达102、104中的一者或多者，制导与着陆系统200识别在雷达回波的整个视场内的何处存在所识别的反射符号112。如果数据符号114伴随反射符号112，则雷达回波图像中检测到的数据符号114以符号数据库222作为参考来确定着陆地点110是否为适当的着陆地点。如果为运载工具指定了着陆地点110，则制导与着陆系统200开始物理着陆。在一些示例中，数据符号数据库内的信息改变着陆和/或起飞的方案，例如在着陆地点附近时提供速率极限。在一个替代实施方案中，反射符号112与符号数据库222内的信息相关联，在这种情况下，以符号数据库222作为参考来确定着陆地点110是否为适当的着陆地点。多个雷达信号的回波允许制导与着陆系统对特定反射点的位置进行三角测量。符号区域的回波的时序用于确定运载工具离反射符号112的距离和距离变化率。使用运载工具相对于反射符号112的位置以及运载工具相对于反射符号112的相对运动，导航传感器计算运载工具的前向、侧向和垂直距离和速度。
示例性实施方案
实施例1包括一种使运载工具着陆和起飞的方法，该方法包括：从运载工具朝向着陆地点发射雷达信号；在运载工具处接收从着陆地点处的反射符号反射的雷达回波信号；使用反射符号的雷达回波图像来确定相对于着陆地点的制导向量、距离和相对速度；以及使用制导向量、距离和相对速度将运载工具导引到着陆地点。
实施例2包括根据实施例1所述的方法，其中该至少一个雷达信号由相控阵雷达、合成孔径雷达和逆合成孔径雷达中的至少一者发射。
实施例3包括根据实施例1至2中任一项所述的方法，还包括：在运载工具处接收从着陆地点处的数据符号反射的至少一个雷达信号；将数据符号与符号数据库进行比较；由符号数据库确定反射符号的尺寸、着陆地点指定、着陆指令和起飞指令中的至少一者；并且其中导引运载工具还包括使用反射符号的尺寸、着陆地点指定、着陆指令和起飞指令中的至少一者来导引运载工具。
实施例4包括根据实施例1至3中任一项所述的方法，其中运载工具是垂直起降运载工具。
实施例5包括根据实施例1至4中任一项所述的方法，其中该至少一个雷达信号包括被配置为沿不同方向引导的至少两个雷达信号。
实施例6包括根据实施例1至5中任一项所述的方法，还包括：在运载工具处接收从着陆地点处的风向袋反射的雷达回波信号；使用该至少一个雷达回波信号来确定着陆地点处的风的方向和强度中的至少一者。
实施例7包括根据实施例1至6中任一项所述的方法，还包括：识别着陆地点上的阻碍；确定替代着陆路径以避免与该阻碍发生碰撞；以及如果无法确定替代着陆路径，则寻找替代着陆地点。
实施例8包括根据实施例1至7中任一项所述的方法，其中运载工具是自主垂直起降运载工具。
实施例9包括一种系统，该系统包括：运载工具；附连到运载工具的至少一个雷达系统，该至少一个雷达系统被配置为发射雷达信号并且接收一个或多个雷达回波信号；具有反射符号的着陆地点；运载工具内的处理电路，该处理电路被配置为处理所接收的雷达回波信号以生成至少一个雷达回波图像，其中该处理电路被配置为基于至少一个雷达回波图像的关联来确定运载工具相对于着陆地点的制导向量、距离和闭合速度中的至少一者。
实施例10包括根据实施例9所述的系统，还包括：符号数据库，该符号数据库包括条目，该条目具有关于反射符号的尺寸、着陆地点的识别和着陆指令中的至少一者的信息；并且其中着陆地点还包括数据符号，其中数据符号对应于符号数据库中的至少一个条目。
实施例11包括根据实施例9至10中任一项所述的系统，还包括姿态与航向参考系统(AHRS)，该AHRS包括至少一个加速度计、至少一个陀螺仪和至少一个磁力仪。
实施例12包括根据实施例9至11中任一项所述的系统，其中处理电路进一步被配置为使用来自AHRS的姿态信息来调节一个或多个雷达回波信号相对于反射符号的参考系。
实施例13包括根据实施例9至12中任一项所述的系统，其中该至少一个雷达系统包括面向前的雷达系统和面向下的雷达系统。
实施例14包括根据实施例9至13中任一项所述的系统，其中该至少一个雷达系统包括被配置为发射至少一个定向波束的至少一个相控阵雷达，其中以每个定向波束发射雷达信号并且可以以每个定向波束接收雷达回波信号。
实施例15包括根据实施例9至14中任一项所述的系统，其中处理电路进一步被配置为：确定着陆地点是否被阻碍；并且如果着陆地点被阻碍，则确定替代着陆路径。
实施例16包括根据实施例9至15中任一项所述的系统，其中运载工具是自主垂直起降运载工具。
实施例17包括一种系统，该系统包括：运载工具的着陆地点；和着陆地点上的反射符号，其中反射符号包括一定图案的雷达反射材料，该图案包括已知尺寸的几何形状。
实施例18包括根据实施例17所述的系统，还包括附接到着陆地点上的安装件的风向袋，其中风向袋由雷达反射材料制成。
实施例19包括根据实施例17至18中任一项所述的系统，其中反射符号还包括基本方向的指示。
实施例20包括根据实施例17至19中任一项所述的系统，还包括包括反射材料的数据符号，其中数据符号对应于包括反射符号的尺寸、着陆地点的识别和着陆指令中的至少一者的符号数据库中的条目。
尽管本文已说明和描述了特定实施方案，但本领域的普通技术人员将认识到，经计算以实现相同目的的任何布置可替代所展示的特定实施方案。因此，显而易见的是，本发明仅受权利要求书以及其等同物所限制。

Claims (3)

1.一种系统，包括：
运载工具(101)；
至少一个雷达系统(102、104)，所述至少一个雷达系统(102、104)附连到所述运载工具(101)，所述至少一个雷达系统被配置为发射雷达信号并且接收至少一个雷达回波信号；
着陆地点(110)，所述着陆地点(110)具有反射符号(112)；
处理电路(107)，所述处理电路(107)在所述运载工具内并被配置为处理所接收的雷达回波信号以生成至少一个雷达回波图像，其中所述处理电路被配置为基于所述至少一个雷达回波图像的关联来确定所述运载工具相对于所述着陆地点的制导向量、距离和闭合速度中的至少一者。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括：
符号数据库(222)，所述符号数据库包括条目，所述条目具有关于所述反射符号(114)的尺寸、所述着陆地点(110)的识别和着陆指令中的至少一者的信息；并且
其中所述着陆地点还包括数据符号(114)，其中所述数据符号(114)对应于所述符号数据库(222)中的至少一个条目。
3.根据权利要求1所述的系统，还包括：
姿态与航向参考系统(AHRS)，所述AHRS包括至少一个加速度计、至少一个陀螺仪和至少一个磁力仪；并且
其中所述处理电路(107)进一步被配置为使用来自所述AHRS的姿态信息来调节一个或多个所述雷达回波信号相对于所述反射符号(112)的参考系。
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