CN114911249A - 航空系统控制网络、无人航空载具系统和检查方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种航空系统控制网络、无人航空载具系统和检查方法。该航空系统控制网络用于检查铁路资产的无人航空载具，该航空系统控制网络包括：地面控制系统，该地面控制系统被配置成：将飞行计划发送至无人航空载具，该飞行计划包括铁轨系统和飞行路径，检测飞行路径上的干扰，并且基于该干扰调整飞行计划，其中，所接收的数据包括从安装在无人航空载具上的至少一个相机捕获的多个图像，其中，该地面控制系统还被配置成就铁轨系统的故障状况而言监控所述多个图像，以及其中，故障状况是从沿着所述飞行路径拍摄的第一图像与第二图像的差异识别的。

Description

航空系统控制网络、无人航空载具系统和检查方法

本申请是申请日为2018年08月15日、申请号为2018800531026、发明名称为“用于检查铁路资产的无人航空载具系统”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本公开总体上涉及铁路资产管理，并且尤其涉及用于检查铁路资产的无人航空载具系统。

背景技术

铁路操作的安全性和效率在很大程度上取决于对火车、线路(right of way)、铁轨和其他资产/设施的不断分析。有多种因素会影响轨道状况并影响火车的行驶，包括犯罪活动，以及极端天气事件，其可能导致轨道淹没和轨床侵蚀或过热(轨道可能在高温下弯曲或变形)。地震、滑坡、以及废弃车辆和同一平面上的其他物体会挡住轨道。

警惕始终是抵抗这些危害的最佳方式。因此，根据联邦铁路管理局(FederalRailway Administration，FRA)法规和公司政策，轨道/线路和桥梁维护员工会例行地检查轨道和基础设施，诸如桥梁、隧道、支撑结构和信号。目前，这项工作主要由公司人员通过机动车辆、步行、专用铁轨设备或安装在铁轨上的高铁车辆完成。这通常是劳动密集型的，并且有时是艰巨的工作。尽管铁路可能会尽一切可能使人工检查尽可能安全和准确，但是每当需要员工在轨道和铁轨结构上走动时，都会涉及不可减少的风险要素。员工可能需要爬过或爬上轨道结构，这些轨道结构可能很滑、粗糙和/或暴露于所述要素。一些诸如桥梁之类的结构在地面以上。行驶穿过检查区的火车也会增加风险，尤其是在交通密集的区域。

发明内容

本公开的实施方式提供了一种航空系统控制网络、一种无人航空载具(unmannedaerial vehicle，UAV)系统、以及一种使用无人航空载具来检查铁路资产的方法。

在一个示例实施方式中，航空系统控制网络提供了使用无人航空载具检查铁路资产的方法。航空系统控制网络包括多个塔架和连接至多个塔架的地面控制系统。该地面控制系统：经由多个通信塔架发送包括铁轨系统和飞行路径的飞行计划；在UAV监控铁轨系统的同时，经由多个通信塔架接收数据；基于所接收的数据检测飞行路径上的干扰，并基于该干扰调整飞行计划。

在另一示例实施方式中，无人航空载具(UAV)系统提供了使用无人航空载具检查铁路资产的方法。无人航空载具(UAV)系统包括UAV和航空系统控制网络。航空系统控制网络包括多个塔架和连接至多个塔架的地面控制系统。该地面控制系统：经由多个通信塔架发送包括铁轨系统和飞行路径的飞行计划；在UAV监控铁轨系统的同时，经由多个通信塔架接收数据；基于所接收的数据检测飞行路径上的干扰，并基于该干扰调整飞行计划。

在另一示例实施方式中，一种方法提供了使用无人航空载具检查铁路资产的方法。该方法包括：经由多个通信塔架发送包括铁轨系统和飞行路径的飞行计划；在UAV监控铁轨系统的同时，经由多个通信塔架接收数据；基于所接收的数据检测飞行路径上的干扰，并基于该干扰调整飞行计划。

根据以下附图、描述和权利要求，其他技术特征对于本领域技术人员而言可以是显而易见的。

附图说明

为了更全面地理解本公开及其优点，现在参考以内容下结合随附附图进行描述，在附图中相同的附图标记表示相同的部件：

图1示出了根据本公开的各种实施方式的示例性铁路网络；

图2示出了根据本公开的各种实施方式的示例性无人飞行器系统(UAS)操作飞行控制中心；

图3A和图3B示出了根据本公开的各种实施方式的示例性UAS；

图4示出了根据本公开的各种实施方式的示例性命令中心(CC)用户界面(UI)；

图5示出了根据本公开的各种实施方式的示例性地面控制系统(GCS)设施；

图6A和6B示出了根据本公开的各种实施方式的示例性电信塔架；

图7示出了根据本公开的各种实施方式的示例性无线电频率(rf)覆盖率分析；

图8示出了根据本公开的各种实施方式的示例性总体系统示意图；

图9示出了根据本公开的各种实施方式的示例性空中交通感知系统的概观；

图10示出了根据本公开的各种实施方式的示例性空中交通感知系统的概观；

图11示出了根据本公开的各种实施方式的空中交通的示例性用户界面显示；

图12示出了根据本公开的各种实施方式的示例性未缓解的空中碰撞风险；

图13示出了根据本公开的各种实施方式的示例性行人危险区；

图14示出了根据本公开的各种实施方式的示例性安全走廊空域(SCA)界面；

图15A、15B和15C示出了根据本公开的各个实施方式的示例性故障铁轨状况；

图16示出了根据本公开的各种实施方式的示例性操作的概念；

图17示出了根据本公开的各种实施方式的示例性UAS生态系统；

图18示出了根据本公开的各种实施方式的示例性UAS系统部件；

图19A、19B和19C示出了根据本公开的各种实施方式的示例性UAS；

图20示出了根据本公开的各种实施方式的示例性光学传感器；

图21A和21B示出了根据本公开的各种实施方式的示例性UAS安全边界；

图22A和22B示出了根据本公开的各种实施方式的示例性轨道完整性传感器图像；

图23A、23B、23C和23D示出了根据本公开的各个实施方式的示例性UAS潜在轨头缺陷；

图24示出了根据本公开的各种实施方式的示例性控制网络的框图；

图25示出了根据本公开的各种实施方式的示例性线路/航空系统控制网络；以及

图26示出了根据本公开的各种实施方式的使用无人航空载具检查铁路资产的示例过程。

具体实施方式

下面讨论的图1至图26以及用于描述本专利文件中的本公开的原理的各种实施方式仅是示例性的，并且不应以任何方式解释为限制本公开的范围。本领域技术人员可以理解的是，可以以任何类型的适当布置的设备或系统来实现本公开的原理。

本发明原理的优选实施方式基于能够垂直起飞和着陆的无人航空载具(飞行器)。其中，该飞行器包括与系统命令和控制基础设施进行交互的自动驾驶系统。该飞行器还处理从地理信息系统生成的导航信息，并支持提供位置信息的各种机载传感器。飞行器和总体线路系统还具有能够向机载导航信标(ADSB)和/或C模式应答器或其等效物发送信息并从之接收信息的设备。

飞行器的实施方式具有足够的机载发电能力，以向所有其他各种飞行器系统(诸如传感器、通信和控制子系统)提供可靠的电力。另外，飞行器优选地具有足够的液体燃料容量以支持超过8小时的飞行时间。飞行器还具有支持多个用于收集信息的传感器所需的有效载荷能力，并且通信和控制子系统需要将该信息实时传递至飞行操作中心。飞行器优选地还包括机载信息存储介质，以用于本地存储所收集的信息。另外，该系统包括机载和外部子系统，以便于在飞行走廊上紧急操纵和着陆飞行器。

通常，机载传感器从操作高度不少于每秒2次拍摄1/4英尺的高分辨率的精确位置照片、或拍摄更高分辨率的照片。优选地，传感器系统还具有内置的本地计算能力、其自身的导航系统、以及用于与包括自动驾驶仪在内的其他机载子系统进行通信的独立通信能力。传感器可以包括光电传感器、摄像机、热成像仪和/或多光谱传感器。特别地，传感器系统包括用于飞行员情况感知的实时日夜摄像机，其至少包括一些有限的实时保护能力。

该系统还包括专注于铁轨检测和分析线路状况的软件，该软件有利地支持对诸如轨道、桥梁之类的线性资产的检查。其中，机载和远程的系统软件均包括机器视觉软件，该软件被训练成理解和识别具有至少两个线性边界的区域内的关键状况。系统软件还能够验证线性区域上的正常功能状况。

更具体地，机载软件在传感器与基于地面的通信系统之间的线路中在飞行器上运行。机载软件处理传感器收集的数据，然后将该数据加载到基于地面的计算系统中，该计算系统继而输出有关传感器所见内容的定量和定性数据。该软件系统处理批量数据；创建另一组地理位置数据；且然后创建第三组数据。该系统软件创建与感兴趣的数据相关联的多个报告；创建地理位置文件，该地理位置文件可以允许用户容易地映射(map)选定的感兴趣的条件的位置。优选地，批量数据保持未处理，并且接收器仅接收他们真正需要的可用数据，批量数据被存储以供将来的数据挖掘和使用。

该系统软件还包括现场信息软件，该现场信息软件可以与该系统分开使用，或甚至可以与多架飞行器一起使用。现场信息软件体现了如下算法：所述算法可以映射功能并确定该软件应按什么顺序来执行操作，这有利于消除人为错误。特别地，现场信息软件接收传感器系统生成的媒体，将这些数据传输到笔记本电脑或其他处理系统中，且然后启动本地软件。本地软件会自动对数据进行编码、标记并将该数据传输到驱动器和文件，并将这些数据适当地发送给需要它们的任何人(例如，组织中的不同部门)。现场信息软件可用于与现场位置有关的任何收集的数据。现场信息软件优选地基于包括服务器或一组硬件装置的网络系统。在一些实施方式中，现场信息软件在飞行器结束飞行之后运行(即，执行飞行后数据处理)。数据可以分布在网络资源之中，该网络资源执行进一步的分析并确保对该数据进行正确的编码和存储。这有助于保持监管链并将数据错误减至最小。

在航空铁路检查系统中，线路、走廊和塔架是重要因素。本系统访问用于通过AAR实现的自动火车控制系统(automatic train control system，ATCS)的900MHz信道，然而实际使用的频谱不是用于实践本原理的严格要求——也可以使用其他安全和经许可的频谱。本系统的硬件和软件被优化为以高功能方式使用低带宽AAR信道。对于使用优选的AAR信道的系统，用户通常需要许可证，以及包括用于与飞行器进行通信的适当信道冗余的以太网控制。这些可以通过铁路电信资产来实现。

飞行器优选地是垂直起飞和着陆的飞行器，并且沿铁路资产网络的任何地点操作(包括着陆)。飞行器飞到空中后，飞行员命令自动驾驶仪开始飞行。飞行开始，并且飞行器根据地理信息系统编程的路线飞行至实际的铁路线路，并遵循该线路。换句话说，当飞行员启动自动驾驶仪时，该系统软件接管飞行器，并在越过轨道后使飞行器尽可能接近轨道飞行。该软件系统还自动使传感器能够开始每秒拍摄轨道的两张照片。同时，传感器和软件系统控制飞行器和传感器的俯仰、偏航和侧倾，使得一个或更多个适当的传感器保持聚焦并置于轨道上，以确保所需的分辨率和叠加的图像。如果分析软件在飞行后确定没有足够的叠加，或者由于线路占据而错过了轨道的区段，则迅速重新飞行该路线并且传感器会拍摄更多图像。

当自动驾驶仪启用并且传感器正在拍照时，飞行器控制系统利用天基GPS和基于地面的GPS(如果可能的话)误差校正将飞行器保持在行上方的位置并维持操作高度和线性飞行路线符合，这既保证了传感器的分辨率，又符合有关飞行路线的高度和宽度的法规要求。

同样，优选地，飞行器和传感器具有独立的导航系统。有利地，当飞行器和传感器(多个)都具有独立的导航系统时，为分配给每个部件的关键项目保留了计算能力。例如，传感器系统可以包括传感器稳定软件和硬件，并且当不在私有财产上方时，传感器也能够禁用图像收集。

优选地，飞行器经由现有的FAA监督网络(surveillance network，SBS)广播其位置、速度、高度和航向，并且还向被配备以接收这些信号的其他飞行器广播。此外，铁路的基础设施可以使用补充(追加)的ADSB/应答器接收器、雷达和沿线路放置的其他元件来支持补充的FAA SBS系统。当飞行器处于飞行中时，其操作状况、位置和总体健康会经由命令和控制链路传输给飞行员。在飞行的所有阶段期间，飞行器都可以访问多个命令和控制收发器位置，以确保命令和控制的冗余水平。

如果飞行器丢失了与命令和控制系统的连接，则在由运营商和/或FAA规则确定的一段时间后，飞行器可以启动其“丢失链路配置文件”，并且经由预定的路径重新发射，或者在丢失通信和动力时，自动下降并设置自身沿着铁路线路下落。飞行员可以感知丢失链路状况，并且基于最后的传输形式，飞行器将通知行上的用户以及飞行器明显着陆的调度员。传感器副通信和导航系统也可以帮助定位飞行器。

如果在飞行期间还有其他关键系统故障，则飞行器自动启动几个预定的飞行终止程序中的一者，返回到其发射位置或者其他编程的安全的位置。在飞行过程期间，飞行员具有使用第二传感器以对行进行实时成像的选项。该第二传感器也可以用于某些状况分析，但主要用于飞行员感知。如果在飞行过程期间识别了紧急情况，则飞行器的传感器可以利用未连接至主通信信道的副通信信道向飞行员发送即时通知。

在指定任务结束时，飞行员进行着陆程序，飞行器利用上述所有系统到达着陆点，并进行着陆程序以垂直着陆。着陆程序包括启用空对地激光为飞行器提供精确的着陆信息。在着陆前的飞行的最后阶段，飞行员使用飞行器命令和控制系统来确保安全着陆。飞行器具有机载的多个支撑系统以确保安全着陆。如果在着陆的地面或区域上存在任何妨碍安全着陆的物体，则启动着陆中止程序，并使用替代的着陆地点。安全着陆后，飞行员卸下传感器数据存储驱动器并将其插入服务器。然后，服务器系统开始进行自动化的分析和数据传递过程，其产生定制的报告和可操作的数据集的交付。

图1示出了根据本公开的各个实施方式的示例性铁路网络100。尽管在图1中示出了铁路网络，但是本公开的原理同样适用于其他类型的网络。图1所示的铁路网络100的实施方式仅用于说明。在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用铁路网络的其他实施方式。

图1所示的货运铁路网络是美国西部大部分农村地区的大约32,500英里的铁轨。为了保护这种重要的交通基础设施和附近的社区，目前使用各种有轨车辆和设备进行例行检查。为了加强这些检查，同时还改善铁路人员的职业安全，可以使用无人飞行器系统(unmanned aircraft systems，UAS)对其铁路基础设施进行航空监督。在视觉气象条件下，这些操作在白天和晚上期间可能是超视距(beyond visual line-of-sight，BVLOS)的。

使用GPS(global positioning system，全球定位系统)和诸如LIDAR(lightdetection and ranging，光检测和测距)之类的其他技术来精确测量包括货运铁路网络及其周围区域(“财产”)和财产上的资产在内的轨道。企业级地理信息系统(geographicalinformation system，GIS)包含该数据，并且该信息用于直接针对其财产进行计划和实施飞行。

无人飞行器(unmanned aircraft，UA)能够垂直起飞和着陆(vertical takeoffand landing，VTOL)，并且能够以约40kts的巡航速度以超过60kts的冲刺速度进行10个小时的续航飞行。导航是经由基于GPS航点的飞行计划进行的。飞行路线位于400英尺及以下的地面以上(AGL)高度处的铁轨正上方。巡航高度通常为380英尺AGL。自动驾驶仪可以在风平和的情况下将该高度保持在+/-10英尺内，并且可以在风或环境因素推动飞行器向上或向下时进行校正。系统的导航性能可以允许UA保持在距主铁轨的中心线约+/-100英尺的横向走廊内。该横向走廊对应于财产的边界。必要时，为确保安全，大多数避开操作或游荡(loiter)轨迹可在距主轨道中心线的+/-1,500英尺内完成。UA机载携带的传感器被设计为具有狭窄的视野，因此所收集的数据和图像仅处于轨道区域。

铁路网络被组织为分区和细分区。每个细分区包含长度为50-300英里的轨道。细分区互连。铁路细分区的每个终点附近都有占地数英亩的站场设施(yard facility)。这些站场设施可以配有雇员并配备为支持UAS的运营。运营商可以通过以下操作在其大部分网络上操作UAS：从站场发射；沿细分区飞行；在可以对UA进行检查、维护、加燃料和重新发射的下一个站场处着陆。运营商每天可以在多达100个细分区上执行两次任务。

为了监控和控制其UAS，运营商可以利用其经验来开发和部署PTC(positivetrain control，主动列车控制)的经验。运营商将其现有的电信基础设施，包括私有安全塔架设施和地面回传网络，来对UAS机队进行命令和控制(command and control，C2)，以通过VHF航空无线电实现语音通信，并向飞行组员提供来自沿轨道的一系列车站的天气信息。

电信网络被设计为健壮和冗余的。电信网络回到其总部的网络运营中心(networkoperations center，NOC)。从NOC，可以调度位于网络中任何细分区的火车。沿其路线的开关和信号受到控制，并且语音无线电的组员协调完全从该中心位置进行。类似地，每个UAS都可以由来自区域飞行控制中心或来自中心位置的一名主责飞行员(pilot-in-command，PIC)和一名副飞行员在区域飞行控制中心处从UAS的地面控制站(ground controlstation，GCS)进行控制。在飞行期间，可以从多个位置控制飞行器。例如，地区飞行控制中心可以启动飞行，然后将飞行器“移交”给另一飞行控制中心而不用着陆。可以使用专用频谱上的CNPC(command non-payload control，命令非有效载荷控制)或C2(command andcontrol，命令和控制)无线电的变化来完成命令和控制。语音通信经由安装在沿行的塔架上的遥控航空VHF收发器来完成。UAS运营还利用了本地轨道侧气象站的现有网络。

电信基础设施还被用于支持空中交通情况感知系统。该系统能够向UAS的飞行员显示合作与非合作空中交通的位置。UA本身是合作飞行器。UA可以配备有ADS-B输出的S模式应答器。

UAS运营飞行控制中心建在站场设施处，这可以使检查任务的执行更有效率和成本效益。飞行组员根据需要针对区域计划安全检查任务。从运营飞行控制中心处的专用UAS维护和数据处理设施，地面组员可以针对其任务准备UA，并监督发射和回收操作。从UA的GCS使UA飞行，飞行组员可以利用UA的航程和续航，按照每个飞行计划在一个或更多个细分区上飞行。一些数据在飞行操作期间实时流传输，而其余数据在飞行控制中心处进行后处理。所有相关数据都传输至云数据存储，以及时分发给适当的最终用户，诸如轨道检查员、工程人员和维护计划员。

图2示出了根据本公开的各个实施方式的示例性无人飞行器系统(UAS)运营飞行控制中心200。图2所示的UAS运营飞行控制中心200的实施方式仅用于说明。在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用UAS运营飞行控制中心的其他实施方式。

图2示出了飞行控制中心的概念。在铁路站场处，五个细分区相连。其他四个细分区的重要部分在175英里内。整个地区为：大量的山洪暴发地点、易受高温所致的弯曲影响的轨道区段、没有用于监控关键资产的信号反馈的地区、以及若干关键桥梁。这些相连的细分区可以从该技术所提供的航空安全检查和及时发现问题中受益。

典型的铁路细分区205开始于居民区的郊区的铁路站场，延伸到更多的农村区，并终止于居民区附近的另一站场附近。沿着路，轨道210可以靠近主道路和副道路，可以穿过或靠近小镇或村庄，并且可以穿过机场附近。然而，由于UA可以直接飞越私有财产，因此，UAS不可以直接飞越非参与者，除非在交叉路口的持续时间非常短(几秒左右)。UAS可以具有旨在在紧急情况下将UA保持在私有财产之上或上方的若干安全协议。

因为站场或细分区的部分可能位于地表的空域边界内，因此在G类、E类、D类、C类和B类空域，在400英尺或以下的AGL飞行时，UAS受到管制。UAS的运行不需要从带塔架的机场上起飞或着陆。使用程序(在段落[0102]-[0128]中描述)以在受控空域、机场附近以及航空活动已知的地点进行操作。与技术一起，还可以实施多种操作和程序安全缓解，所有这些目的都是为了保持情况感知并与有人空中交通进行协调。请注意，UA配备有应答器，并且飞行组员可以进行双向语音通信。在GCS处使用带有VFR截面图叠加图的移动地图显示来监控UA相对于机场和检测到的空中交通的位置。这样，BVLOS UAS的操作类似于有人飞行器的操作，尤其是在B、C和D类空域中。关于14CFR 91.113，使用空中交通情况感知系统可以知道其他合作空中交通的位置。为了感知非合作交通，在不干扰的情况下使用附加的传感器(如主雷达)。为了进一步冗余，可以在飞行期间将视觉观察器置于选定的位置。

图3A和3B示出了根据本公开的各种实施方式的示例性UAS 300、301。图3A所示的UAS 300和图3B所示的UAS 301的实施方式仅用于说明。在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用UAS的其他实施方式。

UAS使用混合四旋翼技术，该技术将用于长时间向前飞行的固定翼飞行器与用于垂直起飞和着陆的四旋翼系统相结合。混合四旋翼技术能够使UA从轨道附近或站场内的小区域发射和回收UA，同时仍然能够飞行数百英里以检查整个细分区。

对于BVLOS操作，UAS的示例包括HQ-40，HQ-60B和HQ-60C混合四旋翼飞行器。HQ-40是小型UAS，机翼跨度为10英尺，并且最大总重量为45磅。HQ-60B和C是更大的UAS，机翼跨度为15英尺，并且最大总重量为115磅。HQ-60B比HQ-40具有更大的航程、续航和有效载荷能力。这些飞行器共享相同的飞行计算机和飞行控制软件，以及相同的子系统中的许多子系统。两种飞行器均可从同一GCS进行驾驶。以下是对两种飞行器的简要描述。

HQ-40由单个机身、单个机翼、两个动臂、两个垂直稳定器和单个水平稳定器组成。向前飞行发动机安装在机身后面。四旋翼系统电动机(马达)安装在动臂中。飞行器使用动臂的前向部分和垂直稳定器的底部的两个支柱作为着陆支柱。飞行器通过机翼外侧部分上的副翼和水平稳定器上的升降舵来控制姿态。飞行器配备有频闪灯和正电子灯。它还具有高可见性油漆方案。下面的图3A显示了HQ-40机身。表1和表2列出了其物理测量值和性能特征。

表1.HQ-40飞行器测量值

表2.HQ-40的性能特征

HQ-60B由单个机身、单个机翼、两个动臂、两个垂直稳定器和单个水平稳定器组成。向前飞行发动机安装在机身后面。四旋翼系统电动机安装在动臂中。飞行器使用位于机身的下部中部和垂直稳定器的底部的结构作为着陆架支柱。飞行器通过机翼外侧部分上的副翼、水平稳定器上的升降舵以及每个垂直稳定器上的舵来控制姿态。每个飞行控制表面都是冗余的，并且是独立控制和致动的。飞行器配备有频闪灯和正电子灯。它还具有高可见性油漆方案。下面的图3B显示了HQ-60B机身，且表3和表4列出了其物理测量值和性能特征。

表3.HQ-40飞行器测量值

表4.HQ-40的性能特征

HQ系列UAS(HQ-40和HQ-60B)已获得实验类别(Experimental Category)的特殊适航证书(Special Airworthiness Certificates)，并已累积超过360小时的VLOS/EVLOS操作和超过880小时的BVLOS操作，其中18小时为晚上的BVLOS。截至2017年8月，这总共产生了1,258个飞行小时。

图4示出了根据本公开的各个实施方式的示例性命令中心(CC)用户界面(UI)400。图4所示的CC UI 400的实施方式仅用于说明。在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用CC UI的其他实施方式。

GCS设施配备有用于支持多个单独的飞行组员的设备，每个飞行组员可以在多个细分区上操作单个UAS。如图5所示，每个GCS可以包括以下设备：地面站笔记本电脑：运行专用于UA的GCS软件的PC计算机；包含通信无线电的地面站装置，用于遥测链路以及飞行器与操作员界面之间的无线链路和网桥的管理；地面站通信天线(多个)；以及地面站GPS天线(多个)。

除了这些部件之外，GCS还可以包括用于与电信网络连接的装置，用于铁路和航空语音无线电的设备和接口，用于与飞行控制中心通信的设备和接口，用于监控火车位置的软件，以及用于空中交通情况感知系统的设备和显示器。地面控制站还可以包括电子工具和备用电源系统，能够在飞行持续时间内支持正常操作。

HQ-60B使用UAS自动驾驶仪(机载)和地面控制系统(GCS)。该单元已被在国防部项目(DODprogram)上观看了远远超过25万个小时，取得了巨大的成功。自动驾驶仪软件具有：易于定义的任务参数和限制；航点插入；用于常用功能的上下文菜单；飞行器之间的路线复制；简易的路线计划；高性能平滑缩放2D和3D地形测绘；与用于海拔和图像的Web测绘服务器的地形数据库的集成；直观的主飞行显示器；以及在显示器上更改空速、高度和航向命令的能力。可以根据用户要求配置显示的数据。状态栏提供了高级警报界面。

飞行员可以使用操作员界面上的主飞行显示器(primary flight display，PFD)来确定飞行器的姿态，并使用默认显示器中央的地理参考图像来确定飞行器位置。飞行器的位置覆盖在该图像上。PFD和飞行器位置以最大25Hz的速率更新。

通过确认窗口来预防可能对UA的正常操作有害的任何命令。可能产生不良结果的输入被监视，并需要多个步骤来激活。

图5示出了根据本公开的各种实施方式的示例性地面控制系统(GCS)设施500。图5所示的GCS设施500的实施方式仅用于说明。在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用GCS设施500的其他实施方式。

每个飞行控制中心可以包括UAS发射和回收站(launch and recovery station，LRS)，地面组员在此处准备和维护UA并监督发射和回收操作。HQ-60B系统需要以下设备以进行飞行前准备和飞行后活动：岸电电源：30V直流电源；锂聚合物(LiPo)电池安全存储；LiPo充电站：用于为航空电子设备和VTOL电池充电；散装燃料供应和转移设备；飞行器比例(aircraft scale)；工具和备件套件：包括维护所需的工具和易损件的备件；发射中止系统：使地面组员能够出于安全原因而中止发射；用于与GCS的飞行组员进行通信的网络摄像机/VoIP设备；用于发射和回收的本地C2(命令和控制)无线电。

地面组员和飞行组员可以接受有关组员角色和职责以及有关组员资源管理的训练。[0102]-[0128]段强调了地面组员的具体职责。

图6A和6B示出了根据本公开的各种实施方式的示例性电信塔架600。图6A和6B所示的电信塔架600的实施方式仅用于说明。在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用电信塔架600的其他实施方式。图7示出了根据本公开的各种实施方式的示例性无线电频率(rf)覆盖分析700。图7所示的无线电频率覆盖率分析700的实施方式仅用于说明。在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用无线电频率覆盖分析700的其他实施方式。

UA的命令和控制可以使用无线电网络来完成。这不涉及执行移交程序的一系列GCS实例。而是，一个GCS以固定的间隔连接至沿着UA的飞行路径放置的基于地面的无线电的网络，以维持持久的通信。

为了维持UA与GCS之间的C2链路，UA必须在该网络中的一个或更多个天线的视线(line-of-sight，LOS)内。网络上的天线放置被设计用于与覆盖叠加，这意味着UA可以在沿着细分区飞行期间始终处于两个无线电的LOS内。无线电网络通过设计用于50毫秒左右延迟的网络连接至GCS。

图6A和6B示出了电信塔架。该塔架高约300英尺，且位于离轨道约1.6NM的高地上。这种类型的塔架沿着细分区以约15至30NM的间隔安置。图7显示了使用沿着轨道的塔架针对C2无线电网络的RF覆盖分析。使用七个塔架在细分区的长度的轨道海拔处提供叠加的覆盖。现有的塔架可用于沿着其他细分区安装无线电网络。在这些网络上进行例行BVLOS UAS操作之前，必须先进行RF分析以及适当的性能测试。

在UA中使用的自动驾驶仪具有在ISM(工业、科学和医学)频段(2.4GHz和900MHz)上内置的C2/遥测链路。CNPC/C2无线电的集成为飞行器添加第二个C2链路。执行正常VTOL发射和回收的要求比巡航飞行需要更高的带宽遥测链路。在发射、回收和本地操作期间，C2链路可以是2.4GHz无线电。当飞行器从发射和回收区起飞时，飞行组员将通信链路切换为通过CNPC/C2无线电网络。

图8示出了根据本公开的各个实施方式的示例性总体系统800的示意图。图8所示的系统800的实施方式仅用于说明。在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用系统800的其他实施方式。

图8是通信流程的图。在发射和回收期间，命令、控制和遥测数据在2.4GHz ISM频段上本地传输。一旦飞行器以巡航配置建立，UAS就可以通过最近的CNPC/C2塔架进入CNPC/C2网络。飞行员使用在地面站计算机上运行的自定义软件应用程序进行该更改。该软件还向飞行员提供有关CNPC/C2系统的健康和状态的反馈。如果出于任何原因，CNPC网络的链路健康不足，则可以在飞行控制中心通过本地2.4GHz ISM链路回收UA。如果出于任何原因，本地C2健康存在问题，则可以延迟航班直到问题被解决。飞行员可以监控CNPC网络上的所有无线电的健康。如果在巡航飞行期间，无线电的链路健康不足以继续飞行，则飞行员可以改变飞行计划或在轨道附近进行紧急垂直着陆。

图9示出了根据本公开的各个实施方式的示例性空中交通感知系统900的概观。图10示出了根据本公开的各种实施方式的示例性自动相关监督广播(automatic dependentsurveillance-broadcast，ADS-B)地点位置1000的概观。图11示出了根据本公开的各种实施方式的空中交通的示例性用户界面显示1100。图9所示的空中交通感知系统900、图10所示的ADS-B地点位置1000、以及图11所示的用户界面显示1100的实施方式仅用于说明。在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用空中交通感知系统900、ADS-B地点位置1000和用户界面显示1100的其他实施方式。

根据14CFR 91.113，“看到并避开”其他空中交通的能力至关重要。空中交通情况感知系统可以监控合作和非合作空中交通。该系统的组成部分可以包括本地传感器和调度系统以及测距系统软件工具。

如图9所示，调度系统链接至FAA空中交通管理系统(监督广播系统)，且也可以链接至本地传感器。可以沿着每个细分区安装ADS-B Xtend接收器的本地网络，以增大在500英尺AGL以下的覆盖。图10呈现了这种示例。RF分析导致沿着细分区在塔架上安装六个附加的接收器，以向地面(50英尺AGL)提供ADS-B覆盖。请注意，本地传感器数据可能未集成到SBS数据馈送中。

测距系统软件是旨在向UAS飞行员提供情况感知的空中交通显示。这有助于飞行员避开附近的有人空中交通，其不太可能与UA进行视觉接触。使用调度系统，将来自FAA雷达以及来自ADS-B、ADS-R、TIS-B和FIS-B的数据与来自本地传感器的检测融合，以在测距系统上向UA PIC呈现每个空中目标的轨道。各种符号和警报功能呈现了UA和任何空中交通目标的表示，如图11所示。

用于检测非合作交通的本地传感器的一个示例是雷达，该雷达已经作为该空中交通感知系统的一部分进行了测试。该雷达检测人员、陆地车辆、船舶、鸟类目标以及低空飞行的飞行器。通过被配置为检测并生成针对GA飞行器大小的目标的轨道，在5.4NM(10km)的范围内对GA飞行器进行跟踪，其中中间范围误差为20英尺(

米)。跟踪持续时间约为70至110秒。请注意，海拔数据不可用，因此来自该传感器的雷达轨道仅以二维显示。在没有任何附加协调的情况下，飞行员必须假定目标是同高度的，并且必须适当采取行动来避开这些目标。

对于测试配置和环境，空中交通感知系统允许UA PIC识别至少3NM范围内的GA空中交通(合作和非合作)。平均而言，初始识别与“入侵者”GA飞行器和UA之间的最近进近点之间至少有60秒。在一种用于对空中交通的人类视觉获取进行建模的研究中，提出了由两名飞行员主动扫描空中交通的Piper Archer(典型尺寸的GA飞行器)的视觉获取概率。在3NM的范围内，显示视觉检测的概率仅为10％(在小于0.5NM时，显示概率为100％)。来自另一个测试的结果表明，由UA PIC使用测距系统对入侵者的识别大约在由基于地面的视觉观察器识别之前约17秒发生。测试结果表明，空中交通情况感知系统的使用提供了与基于地面的或空中的视觉观察器相当或更佳的检测空中交通的能力。

用于非合作交通的本地传感器的部署可以基于以下内容：(1)ADS-B沿着细分区的长度覆盖地面，以检测合作空中交通。(2)在众所周知的非合作空中交通高度集中的位置。这些知识可能是外展努力的结果。根据活动的性质，这可能导致季节性而非全年地部署传感器(雷达)。(3)特定于轨道上的飞行走廊的风险评估。最初的部署可以基于实际的空中交通数据，或者基于由该数据验证的模型。传感器或其他缓解装置(视觉观察器)可以安置在如下位置：在所述位置处，空中碰撞的风险超过了已经被认为具有空中碰撞的可接受的未缓解风险(相对未缓解风险)的位置的风险。

当附加的空中交通避开技术变得被接受用于操作使用时，可以使用它们。这种技术的示例包括替代雷达和机载碰撞回避。

航空频率上的双向语音通信是重要的安全缓解。它允许可能看不见彼此的飞行器的飞行员宣布其意图并以安全的方式协调其行动。可以使用电信基础设施来托管CTAF、塔架和使用IP无线电网关/桥接系统的每个细分区的本地的进近频率。这样的系统提供来自安装在塔架的VHF收发器的一键通能力。这类似于具有诸如那些在机场处用于UNICOM/CTAF之类的航空地面站无线电的网络。在某些实施方式中，由于语音无线电不在UA上承载，因此地面站有助于空对空通信。

航空VHF收发器的这种使用须经FAA/FCC批准。虽然这种使用是这样的无线电的非典型部署，但该使用允许UAS以与有人航空一致的方式在NAS中操作BVLOS，并且已被证明是将UA安全集成到NAS中的关键要素。

遵循用于在VFR下飞行的AIM(aeronautical information manual，航空信息手册)中的指南和程序。以下是用于典型飞行的程序的概述。

可以以与有人航空相同的方式进行飞行计划。主责飞行员(PIC)熟悉适用于该飞行的所有信息。飞行组员可以使用现有的航空工具和信息源以及为UAS在铁路基础设施上进行飞行计划而设计的软件。该软件使用从GIS数据库、从地点调查、从公共可用数据以及从经批准的导航数据库收集的信息来帮助制定飞行计划。飞行计划可考虑以下内容：任务目标(细分区、安全检查的类型、传感器)、当地地形、发射和回收地点以及飞行路线处的当地天气、飞行路线上的人口、垂直障碍物、发射和回收的爬升和下降路径、当地空域和空中交通考虑因素、以及在轨道附近聚集的人或特殊事件。预期的飞行时间决定了飞行(多次)所需的燃料。可以确定起飞时间和总飞行时间，以便在必要时可以递送给其他NAS用户(DoD、Ag、GA)的通知，且如果需要则可以对NOTAM(Notice to Airmen，给航空员的通知)进行归档。

计划过程的输出如下：定义发射和回收位置的一组GPS坐标；定义到着陆位置的着陆模式的一组GPS坐标；定义用于正常操作的飞行路线一组GPS航点；定义用于在C2链路丢失的情况下操作的飞行路线的一组GPS航点；定义旨在防止私有财产发生偏移的空域边界(地理围栏)的一组GPS坐标；对在地理围栏之内和紧接在地理围栏之外的适当紧急着陆区域(或应避开的区域)的描述；航空图、地形和人口统计信息的地图叠加，用于GCS中的移动地图显示；飞行路线上的穿过任何空域或在任何机场附近的过境的信息和程序；发布通知和NOTAM的时间表；以及用于地面组员的有效载荷/传感器安装和燃料装载计划。

如果在飞行计划过程的任何部分期间，UAS PIC认为不能安全进行飞行，则可以延迟飞行操作，直到可以引入改变或可以实施适当的缓解为止。例如包括：在可能在轨道附近聚集大量人的特殊事件、在轨道附近进行季节性且高度局部化的农作物喷洒操作、或在可能需要游荡的地点安装了新的垂直障碍物。

飞行组员和地面组员均负责飞行前的行动。在GCS处，飞行组员可以根据飞行前的检查清单来配置所有软件和显示。可以验证UA配置文件，可以将飞行计划航点加载到自动驾驶仪界面中，可以将地图和地图叠加图加载到自动驾驶仪界面和空中交通状况感知系统中。可以预设常用的无线电频率。还可以配置任何传感器接口。可以在发射和回收站(launch and recovery station，LRS)处与地面组员建立通信。在LRS处，地面组员可以对UA进行飞行前检查，可以根据飞行计划为UA安装和配置传感器(多个)并提供燃料。在配置软件并显示后，地面组员将与飞行组员协作，为UA系统进行供电。

飞行组员和地面组员各自完成最终的GCS和UA飞行前检查，诸如将飞行计划和边界传输至自动驾驶仪、重心计算和验证、C2和有效载荷链路检查、电池电压检查、燃料量验证、飞行控制表面校准检查、IMU检查、VTOL系统检查、以及推进式电动机启动和运行检查。完成这些任务后，飞行组员和地面组员可以协调以完成起飞前检查，包括在飞行控制中心处通过视觉清理发射区。地面组成员负责发射中止控制。在GCS处，飞行组员可以与ATC进行任何必要的起飞前无线电通信，或通过CTAF进行公告。可以由PIC最终决定是否执行。

通过自动驾驶模式执行垂直发射和向向前飞行的过渡。它涉及一系列操作，这些操作无需由PIC手动控制而进行。做出“执行”决定后，可以从GCS命令发射。在发射和过渡期间，地面组员可以出于任何安全原因而中止发射。

垂直爬升剖面可以将UA带到约60英尺AGL的高度。UA从那里在向前推进电动机的动力下过渡到向前飞行。一旦UA过渡为向前飞行，GC处的PIC可以验证CNPC链路健康，并可以使UA进入CNPC网络。PIC然后可以激活飞行计划，并且UA继续飞行预编程的线路。

在巡航飞行阶段，航空载具沿着轨道遵循飞行计划到达感兴趣的特定区域，并且可以收集必要的数据。在飞行期间，飞行组员可以与ATC和其他NAS用户进行通信，并可以监控显示器以了解其他空中交通的位置。天气、UA飞行状态以及诸如发动机RPM、燃料水平、电池寿命、GPS信号和C2链路之类的健康系统也可以被持续监控。UA在运动地图上的遥测位置可用于确保飞行器正确执行飞行计划。PIC可以在任何时间进行控制，以更改UA的飞行计划或航线、速度和高度。

UA在受控空域中安全操作的关键是旨在允许BVLOS检查任务安全地进行并且对有人飞行器操作的影响最小的程序。对于B、C和D类空域中的操作，尽管UA是合作的，但鉴于巡航高度较低，其可能无法被FAA雷达检测到。对于受此问题影响的路线，可以在轨道与空域边界的交点处、以及在轨道与任何跑道的进近的交点的任一侧的1.5至3海里之间的位置处建立报告点和游荡点。这些点可以在与控制设施的协议书(Letter of Agreement，LOA)中指定和命名(点Q(纬度/经度)等)。或者，这些点可以通过距离和与地标的关联(“距铁轨与跑道36的交点1.5NM”)来参考。UA PIC可以在每个报告点按飞行方向在航空语音无线电中呼叫ATC。在D类中，除非指示保留，否则ATC的传输确认构成继续进行下一个报告点的批准。在B类和C类中，必须给出传输和许可的确认。如果要求保留在报告点和游荡点处，UAS可以在旨在避开地面上的人和结构的轨迹上飞行。当交通畅通时，UA可以继续前进，且ATC提供指令以继续前进到下一个点。

在机场附近的E类和G类中的操作类似。UA PIC可以监控CTAF并可以进行位置报告。基于语音无线电位置报告和空中交通在空中交通情况感知显示器上的变化，PIC可以使用报告点和游荡点与有人空中交通进行协调。如果必要，PIC可以在远离跑道中心线处游荡，并等待有人飞行器完成仪表进近或着陆模式。

请注意，未计划的游荡或转弯操作可能导致铁路运营商财产上方的走廊从+/-100英尺偏移1,500英尺。以安全方式执行这种操作需要了解该区域和当地地形中的垂直障碍物。该信息可以在GCS移动地图上显示给飞行员，以帮助情况感知。由于UA的巡航高度约为350英尺，因此飞行路径位于大多数未知的垂直障碍物上方(小于200英尺高的障碍物)。如果横向操作可能具有撞击障碍物的风险，则飞行员必须下降或降落在轨道旁或轨道上。

当任务结束时，可以警告LRS处的地面组员准备回收地点。当UA靠近飞行控制中心时，PIC可以将C2链路从CNPC C2网络切换至本地C2网络。地面组员可以清理并保护着陆区域。然后，在与地面组员的协调下，PIC可以启动预定义的着陆模式和进近。在到达降落点的指定距离内约60英尺的高度后，飞行器可以过渡到垂直飞行，并且可以开始垂直下降至着陆点。在到达着陆点并降落后，飞行器可以使其电动机旋转，以完成回收阶段。

着陆后，地面组员可以使用清单按照程序对UA进行飞行后检查。他们可以完成UA飞行时间、VTOL和推进式电动机运行时间、飞行器通电时间等的日志。可以按照14CFR91.417来维护日志。UAS可以被悬挂并固定。可以从机载存储传输数据。在GCS处，飞行组员可以记录PIC/SIC的飞行时间。

发动机启动：自动驾驶仪具有用于推进式和VTOL电动机的发动机熄火/待发开关。推进式和VTOL电动机都设定为在飞行前在GCS处熄火。位于机身侧面的开关被设定为“关闭”，且地面人员将VTOL电动机的待发插件移除。推进式发动机启动在飞行前检查结束时进行。首先，启用推动器发动机。接下来，将开关设定为“打开”。然后地面组成员使用电启动器来启动推进式发动机。在式发动机通过其飞行前检查后，插入VTOL发动机的插件。然后，在GCS处启用VTOL发动机。此时，地面组员可以腾出飞行器附近的区域。

发射中止：飞行的发射阶段可以出于任何原因而中止。这可以通过PIC从GCS完成，或者从LRS处的启动中止控件完成。启动中止控件是一种特殊的装置，其可以经由电信网络连接到GCS。

丢失链路计划和地理围栏更新：丢失链路飞行计划和空域边界(地理围栏)可以在长时间飞行期间根据需要进行更新，以确保考虑了最新信息。

天气：根据UA的限制，其无法在可见的湿气或强风中运行。飞行组员可以持续地监控本地气象站、航空天气预报和报告(包括天气雷达)。在不安全的天气条件下，任务可以中止，且UA可以着陆在轨道上或轨道附近。可以调度最近的地面组员来回收UA。

主责飞行员(PIC)：PIC负责飞行器的安全操作。PIC可以确保在正常、异常和紧急情况期间遵循与飞行器的操作有关的所有清单项目。GCS的飞行预检以及从“发动机启动”到“关闭”的所有飞行阶段都可以是飞行员的责任。它可以是PIC关于执行、不执行的决定以及任何与飞行安全有关的决定的最终决定权。这包括与基于空中交通情况感知系统上显示的信息来操作UA以避开空中交通有关的决定和行动。

副指挥(SIC)：SIC可以负责协助PIC提供交通警报和天气信息。SIC还可以进行位置报告并处理任何空对空、ATC或紧急通信。SIC可以在适当时与ATC通信。如果需要，SIC还可以与实体进行通信以协调飞行器的位置和使用。

PIC和SIC都可以持有FAA私人飞行员证书和三级医疗证书。

地面组员A(GCA)：GCA可以负责物理飞行器的飞行预检，并确保填写与物理飞行器部件有关的日志项目。可以要求GCA根据任何适用的纬度维护手册，确保在飞行之前完成所需的所有飞行器维护。GCA具有决定飞行器是否值得飞行的最终权力。在发射期间，如果观察到任何异常或危险，则GCA负责“中止”飞行器的起飞。在着陆期间，如有需要，GCA可以负责呼叫“中止”。回收后，GCA可以在飞行后进行彻底的四处走动，并记录飞行器发生的任何损坏、异常或其他问题。

地面组员B(GCB)：GCB可以负责地点进入和安全，并可以根据需要协助GCA。GCB可以确保发射和回收区域没有用于离开和进近的设备、人员和物体。如果GCA误操作或受伤，则在GCA启动发动机的同时，GCB可以负责禁用发动机点火开关。在发射和回收后，GCB负责确保从该地点收集和清理与该操作有关的所有设备。

地面组员可以在晚上发射和回收UA。因此，可以训练他们识别和克服由黑暗引起的视觉错觉，并了解可能会降低夜间视力的生理状况。

地面组员可以持有FAA A&P机械师证书。

UAS特定的训练计划可以在合格的指导员的指导下进行。可以向飞行组员提供关于BVLOS操作所需的所有系统的操作的地面指导——UA自动驾驶仪界面、C2网络控制和健康监控界面、空中交通情况感知软件、以及航空无线电软件界面。通过地面指导，可以对飞行组员和地面组员进行UA飞行预检、UA预防性维护以及发射和回收操作方面的训练。通过飞行指导，飞行组员可以熟练掌握正常和紧急程序。

人员可能无法在没有完成书面训练计划的位置执行飞行任务。循环训练可以包括地面训练和飞行训练的组合。

丢失语音通信：组成员之间的语音通信对于安全很重要。PIC和SIC可以占据GCS，并且可以彼此直接通信。PIC和SIC可以经由VoIP(voice over internet protocol，基于Internet协议的语音)和IP摄像机设备与远程发射/回收地点的地面组成员进行语音通信。如果无法建立或维持语音通信，则可以将操作推迟直到建立通信为止。

语音通信是BVLOS操作的重要操作安全缓解。UA可能无法进入B、C或D类空域，也无法在没有与ATC进行双向语音通信的情况下从B、C或D类空域内发射。在B、C或D类控制的空域中与ATC的语音通信的丢失可能会导致UA在其当前位置的财产上的立即VTOL回收。在没有通过本地CTAF进行双向语音通信的情况下，UA不可以进入E类空域，也无法从E类空域内发射。在没有通过CTAF进行双向语音通信的情况下，UA不可以在机场的进近的2英里内飞行。

丢失链路：如果发生C2链路丢失，则GCS上会出现警告，并伴有重复的音频警告。这是基于由PIC定义的超时触发的，且通常为30秒。自动驾驶仪使用PIC为给定的飞行任务定义的一组参数来处理丢失链路事件，其中包括飞行计时器，该计时器定义了飞行器可以飞行的最大时间量。飞行计时器通常基于装载的燃料量或任务要求。还定义了安全的丢失链路位置(纬度、经度、高度)，飞行器可以在该位置经由称为“丢失链路飞行计划”的一组规定的航点飞行。一旦到达丢失链路位置，飞行器就可以在定义的轨迹半径处的轨迹内飞行。该位置可以在飞行区域的边界内，并且远离人员或结构。对于大多数情况，它可以在铁轨上方或紧邻铁轨。可以尝试与飞行器重新建立通信。如果这不成功，则可以使用几种飞行终止技术。

如果在发射期间发生丢失链路，则飞行器可以继续其起飞计划，然后遵循丢失链路程序。在爬升、巡航和下降期间，该飞行器可以遵循丢失链路程序。在着陆期间，飞行器可以继续遵循预编程的着陆计划。如果飞行时间到期(由PIC在操作前设定的计时器长度)，则飞行器可以将自身引导至预编程的自动着陆航点。飞行器可以在自动着陆点处执行VTOL着陆。

丢失GPS：在GPS故障的情况下，飞行器将返回至惯性导航系统(inertialnavigation system，INS)。姿态和航向保持不变。使用磁力计确定航线。飞行器位置估计被传播，因此飞行器位置可能会因航向测量和风估计的误差而漂移。如果GPS的丢失是暂时的，则自动驾驶仪可以在重新获得GPS信号后切换回GPS指引。如果GPS的丢失是持续的，则可以执行飞行终止。

飞离：可以建立空域边界或地理围栏。对于自动驾驶仪仍在飞行器上运行、但飞行器正在飞离其计划航线并且不响应命令以返回航线的任何情况(很可能是由于飞行计划中的人为错误、丢失通信飞行计划中的人为错误等的结果)，关于空域边界违反的飞行终止会导致在边界的20米之内的VTOL着陆。

飞行器系统故障：UA上的主要系统故障很可能导致飞行器在受控或失控下的坠毁。VTOL电动机故障通常会导致着陆失控。向前飞行电动机的故障会导致强制、受控的着陆，因为HQ系统具有在推进式发动机发生故障的情况下自动过渡到悬停飞行并着陆的能力。单个飞行控制的失效可能会导致强制、受控的着陆。多个飞行控制的失效可能会导致失控的着陆。

GCS故障：在GCS故障的情况下，飞行器可以继续其已编程的飞行计划。然而，控制站功能的丢失可能最终会导致命令和控制链路的丢失。飞行器可以执行其丢失链路程序，直到可以重新建立通信为止。

飞行终止：可以基于以下标准中的任一者进入飞行终止模式：GPS故障(超时)；GPS和C2链路(超时)；空域违反(基于地理围栏边界)；最小/最大高度违反(限制为防止400英尺AGL以上的偏移)；

除了上述标准列表之外，PIC还可以在任何时候执行有目的的飞行终止。进入飞行终止模式后，飞行器可以自动执行紧急VTOL回收。

跨越适用的COA所定义的飞行区域或任何限制的空域或警告区域的横向或垂直边界的任何事件、事故或任何飞行操作，必须报告给UAS综合办公室。

季度的行动后报告可以记录进行的操作和未来计划的活动以及从飞行活动中学到的任何经验教训，包括但不限于遇到的异常以及对空域和其他用户(如果有)的影响。可以将这些信息提供给FAA，以支持将来的规则制定。

概括而言，以下条件适用于BVLOS航空检查操作：(1)仅白天和晚上的VMC；(2)发射和回收：仅从私有财产而不是从机场；(3)飞行路线：在400英尺或以下地面以上(AGL)处飞行，通常为350英尺AGL；仅直接在私有财产上(在距主轨道中心线+/-100英尺横向边界内)；在B、C、D、E和G类空域中，但不在机场财产之上；在偏远、农村、郊区和城市区；受“地理围栏”限制；(4)UAS：混合固定机翼配置，能够垂直起飞和着陆(VTOL)；15小时续航、750NM航程；475+小时的操作历史，并继续提供实验类别(SAC-EC)适航证书；使用具有DoD系谱的自动驾驶仪、250,000+小时并继续；配备有S应答器和ADS-B输出(如果可用，可以使用TSO单元)；配备有频闪灯和位置灯、高可见性油漆方案；飞行终止模式为紧急垂直着陆；(5)91.113：融合了FAA SBS馈送和本地传感器的空中交通状况感知系统，目标的运动地图显示类似于其他交通显示系统；(6)双向语音通信：实现飞行员之间以及与ATC的协调。

该操作可能导致以下危险：UAS与有人飞行器发生空中碰撞接近(Near Mid-AirCollision，NMAC)；且UAS会影响地面上的人员。

当飞行器丢失控制导致在财产之外着陆时，存在关于地面上的非参与人员的风险。这通过以下方式来缓解：程序；可见性增强(以便地面上的人员可以看到物体接近它们)；以及UAS的若干安全特征(包括地理围栏和飞行终止模式)，其旨在执行在各种情况下在私有财产(铁轨)上的紧急垂直着陆。

国家空域系统中固有地存在与有人飞行器碰撞的风险。对于此评估，可以采用保守的进近。可以解决空中碰撞接近(NMAC)的风险，而不是空中碰撞(mid-air collision，MAC)的风险。如果UA从计划的飞行路线和巡航高度偏离，或者如果以不期望的方式遇到有人飞行器(未被空中交通状况感知系统检测到，未经由双向语音通信响应协调的请求，以不稳定或无法预测的方式进行操作，使得操作性较差的UA无法避开)，则NMAC的该风险会增加。通过在空中交通密度较小的400英尺或以下AGL处飞行，可以缓解这些情况。其他缓解包括空中交通状况感知系统、NOTAMS(以及与DoD和其他NAS用户的通知和协调)的归档、以及可见性增强(以便有人飞行器的飞行员可以在飞行中看到UA)。

下面描述了在这些BVLOS操作中使用的安全缓解以及用于评估缓解失效的影响以防止危险的模型。

对于该风险评估，关键假设是，在正常操作下，每个单独的安全缓解可以100％有效地防止危险。如果这些缓解均未失效，则不会发生任何危险。这是一个简化的假设，用于避免对缓解及其可能的相互作用进行相对复杂的建模。

CONOPS和组员的功效：BVLOS CONOPS和组员训练由经验丰富的航空专业人员开发，其有效性将继续在R&D飞行测试计划进行评估。对于此风险评估，假设这些操作背后的摇摄功效以及可以执行这些计划的经训练的人无法防止所有空域类别的5％时间内的危险。

双向语音通信：语音通信是用于BVLOS操作的重要操作安全缓解。这允许飞行器的飞行员协调其活动，即使他们彼此之间没有视觉接触。然而，人为错误是不可避免的。如表5所示，假设这种缓解可能在所有空域类别中以25％的比率失效。还假设这种缓解对UAS撞击地面上的人员的风险没有影响。不考虑由于空中碰撞而掉落的碎屑。

空中交通情况感知系统：根据14 CFR 91.113，“看到并避开”其他空中交通的能力至关重要。空中交通状况感知系统不是经认证的基于地面的检测与避开(ground-baseddetect and avoid，GBDSAA)系统。它可以监控并显示合作和非合作空中交通的位置和轨道。这使UA的飞行员能够避开附近的有人空中交通。该能力在非受控空域中很重要。表5中的比率是在如下假设下估算的：在很可能存在更多非合作的环境中，该系统更有可能无法防止NMAC。失效率范围为从B、C和D类空域的5％到E和G类空域的20％。假设这种缓解对撞击地面上的人的风险没有影响。

具有ADS-B的UAS模式S应答器：该设备使UA成为合作飞行器，并且(连同双向无线电通信)允许UAS按照现有法规进入B和C类空域。表5中的比率是在如下假设下估算的：在可能存在更多非合作、高度低的空中交通的环境中，该系统更有可能无法防止NMAC。失效率范围为从B级和C级空域的1％，以及D级空域的10％，到E级和G级空域的20％。假定这种缓解对撞击地面上的人的风险没有影响。

机场游荡点：已经建立程序以增强机场附近的位置的安全性。这些程序要求在有人空中交通处于模式中或仪表进近上时，UA在远离伸展的跑道中心线和通往跑道的进近路径的位置处保持/游荡。这些位置已计划好，并且已知没有垂直障碍物。表5的比率是在如下假设下估算的：在可能存在更多非合作、高度低的空中交通的环境中，该系统更有可能无法防止NMAC。故障率范围为从B级、C级和D级空域的10％到E级和G级空域的20％。假设这种缓解对撞击地面上的人的风险没有影响。不考虑由于空中碰撞而掉落的碎屑。

空域类别特定程序：已经开发了用于各种空域类别的操作的程序。这些包括进入/离开受控空域之前的保持/游荡点，以及对针对特定地点定制的丢失链路飞行计划和紧急程序的使用，以考虑对地面人口、垂直障碍物和机场财产的避开。故障率表5的范围为从B级和C级的5％到D级、E级和G级空域的10％。假设这种缓解对撞击地面上的人的风险没有影响。不考虑由于空中碰撞而掉落的碎屑。

飞行前检查清单：飞行前检查的正确执行确保了系统按设计正常操作。功能齐全的系统最有可能有效地防止NMAC和防止对地面人员造成损伤。如表5所示，估计这种缓解无法在所有空域类别中以25％的比率防止NMAC和防止撞击地面上的人。再次，这类似于假设飞行员团体由C学生组成，这是保守的。

频闪和可见性油漆：UAS比有人飞行器小。高可见性油漆、频闪灯和定位灯增加了其他飞行员和地面上的人(尤其是在晚上)可以看到UAS的可能性。对于此风险评估，假设如果UA的可见性增强失效，则不能以10％的比率防止NMAC，也不能以90％的比率防止对地面上的人的影响。这意味着与有人飞行器的飞行员相比，地面上的人更有可能看到照明和油漆方案并采取行动。

NOTAM：给航空员的通知将UA飞行活动通知其他NAS用户。如果以及时的方式发布NOTAM并由其他NAS用户正确阅读并解释，这很可能会防止NMAC。对于此风险评估，假设无法发布、阅读、理解和遵守或正确使用NOTAM中的信息，发生人为错误，因此可能在25％的时间内无法防止危险。

下面的表5列出了上面提出的安全缓解，以及对该缓解的失效将无法防止危险后果的可能性的估计。

表5.安全缓解的失效导致危险的可能性

导致丢失控制而使UA偏离其计划航线的系统失效更有可能导致上述危险。这些失效和事件是使用关于UAS子系统、如何失效以及失效时会发生什么的知识来开发的。下面列出了失效条件，以及偏离私有财产上的计划航线的结果。

对于此风险评估，关于系统失效的两个关键假设是：单个系统失效发生的可能性为0.01(1％)；多个失效发生的可能性为0.0001(0.01％)；失效率是每小时的。

飞离：对于自动驾驶仪仍在飞行器上运行、但飞行器正在飞离其计划航线并且不响应命令以返回航线的任何情况(很可能是由于飞行计划中的人为错误、丢失通信飞行计划中的人为错误等的结果)，关于空域边界违反的飞行终止会导致在边界的20米之内的VTOL着陆。最大偏离为166英尺。

地面控制系统(GCS)故障：在GCS故障的情况下，飞行器可以继续其已编程的飞行计划。然而，控制站功能的丢失可能最终会导致命令和控制链路的丢失。飞行器可以执行其丢失链路程序，其最终会导致在铁路运营商的财产上受控地着陆。例如，着陆区的直径为66英尺，其位于私人财产的+/-100英尺走廊内。

丢失GPS：在GPS故障的情况下，飞行器将返回惯性导航系统(INS)。姿态和航向保持不变。使用磁力计确定航向。飞行器位置估计被传播，因此飞行器位置可能会因航向测量和风估计误差而漂移。如果GPS的丢失是暂时的，则自动驾驶仪可以在重新获得GPS信号后切换回GPS指引。如果GPS丢失是持续的，则可以执行飞行终止并且偏离为66英尺。

丢失链路：如果发生C2链路丢失，则GCS上会出现警告，并伴有重复的音频警告。这是基于由PIC定义的超时触发的，且通常为30秒。自动驾驶仪使用飞行员为给定的飞行任务定义的一组参数来处理丢失链路事件，其中包括飞行计时器，该计时器定义了飞行器可以飞行的最大时间量。飞行计时器通常基于装载的燃料量或任务要求。还定义了安全的丢失链路位置(纬度、经度、高度)，飞行器可以在该位置经由称为“丢失链路飞行计划”的一组规定的航点飞行，直到飞行计时器到期为止。一旦到达丢失链路位置，飞行器就可以在定义的轨迹半径内处的轨迹中飞行，直到飞行计时器到期为止。如果在发射期间发生丢失链路，则飞行器可以继续其起飞计划，然后遵循丢失链路程序。在爬升、巡航和下降期间，该飞行器可以遵循丢失链路程序。在着陆期间，飞行器可以继续遵循预编程的着陆计划。如果飞行时间到期(由PIC在操作前设定的计时器长度)，则飞行器可以将自身引导至预编程的自动着陆航点。飞行器可以在自动着陆点处执行VTOL着陆。着陆区的直径为66英尺，且这在私人财产的+/-100英尺走廊内。

丢失语音通信：语音通信是用于BVLOS操作的重要操作安全缓解。UA无法进入D类或C类空域，也无法在没有与ATC进行双向语音通信的情况下从D类或C类空域内发射。在D类或C类受控空域中与ATC失去语音通信可能会导致UA在其当前位置的财产上的VTOL回收。在没有通过本地CTAF进行双向语音通信的情况下，UA既无法进入E类空域，也无法从E类空域内发射。在没有通过CTAF进行双向语音通信的情况下，UA无法在机场的进近的2英里内飞行。着陆区的直径为66英尺，且这在私人财产的+/-100英尺走廊内。

电力系统分配故障：只有一个电力分配系统，不同于具有冗余电力分配系统的大型运输机。备用电池避免了某些电力损耗情况。在飞行前应经由飞行预检和定期维护检查来确定可能导致电力分配损失的连接器和电缆问题。电力的完全损失会导致自动驾驶仪失效，并可能导致推进式发动机熄火。在没有来自前向飞行发动机的动力，也没有接收控制输入的能力的情况下，静态稳定的飞行器可以沿着故障之前最后的控制表面位置所指示的轨线(trajectory)滑行。在最坏的情况下，滑行率约为8：1，飞行器将继续向前直线飞行约3200线性英尺，然后撞击地面。

飞行中的计算机故障：只有一个飞行计算机/自动驾驶仪。如果该计算机出现故障，则向前飞行发动机将通过配电板上的所谓保护电路自动关闭。这是自动驾驶仪的安全特征，其连接至向前飞行发动机点火装置。在保护电路丢失来自自动驾驶仪的硬件信号的情况下，发动机将熄火。在没有来自向前飞行发动机的动力，也没有接收控制输入的能力的情况下，静态稳定的飞行器可以沿着故障之前最后的控制表面位置所指示的轨线滑行。在最坏的情况下，滑行率约为8：1，飞行器将继续向前直线飞行约3200线性英尺，然后撞击地面。

对于该故障情况的假设是，飞行中的计算机经历“硬”故障，其中没有自动驾驶功能可用。请注意，发动机熄火会阻止真正的飞行状态。

更坏的情况是，飞行计算机内的某些功能组合以如下方式出现故障：允许UA在不响应飞行员命令的情况下以受控方式飞行。这里，UA可以飞行直到燃料耗尽为止。UA的航程为至少450NM(27,337,750英尺)。自动驾驶仪的开发者不会察觉到在该单元的操作历史中发生过任何这种故障。

IMU传感器故障：飞行器只有一个IMU，且没有冗余传感器(陀螺仪、加速计)。提供错误数据的故障可能会导致飞行失控。可能无法进行紧急VTOL着陆。在飞行期间监控系统状态。如果传感器故障导致不稳定的飞行行为，则飞行员可以启动飞行终止，导致坠落在财产上或财产附近，然而结果可能会根据传感器故障而有所不同。对于此故障，假设偏离为600英尺。

空中数据系统故障：空中数据系统的丢失可能会导致高度和空速读数不正确。虽然飞行器可能会爬升或下降(取决于故障)，但仍可以保留在其飞行路径上。由于错误的高空速读数，飞行器可能会经历空气动力学失速。在这种情况下，飞行器可能在其当前位置附近失速并坠毁。另一种可能是空速错误地低，且飞行器以空速俯冲，与地面相撞。无论哪种情况，都保持横向导航(lateralnavigation，侧向航行)。任何长时间的空中数据丢失都可能导致飞行器失控。

在飞行之前进行检查以确认空速传感器运行，以确保该系统的可用性。在飞行期间监控空中数据系统状态。如果在飞行期间快速识别出空中数据系统异常，则飞行器可以着陆在铁路运营商财产上。着陆区的直径为66英尺，且这在私人财产的+/-100英尺走廊内。

空中交通状况感知系统故障：SBS数据馈送的丢失和/或本地传感器网络的丢失，或者破坏数据融合功能的本地传感器故障，可能会导致空中交通显示不准确，这可能导致空中碰撞。飞行组员可以监控系统的健康。这包括监控系统指示器、合作目标和非合作目标的轨道的进程、以及与系统服务器的时间同步。如果在飞行期间迅速识别异常，则飞行器可以着陆在财产上。着陆区的直径为66英尺，且这在私人财产的+/-100英尺走廊内。

推进故障：自动驾驶仪仍在运行的推进系统故障允许飞行员控制着陆。通过以20度倾斜角转弯，UA可以以665英尺的转弯半径下降。

下面的表6总结了如果发生单个故障(表的对角线)以及如果发生两个故障，最有可能发生的与飞行路径走廊的偏离。该信息可用于开发下面的表7中的概率，这在第六部分中可用于确定UAS撞击/碰撞地面上的人员的风险。

表6.故障及其导致的最坏情况的航线偏移 (英尺)

使用上面开发的信息，估算出三种不同幅度的偏离事件的发生率。第一个是166英尺的偏离；第二个是3200英尺的偏离；而第三个是更长的偏离，在这种情况下，UAS被视为流氓无人机或不受控的(飞离情况)。任何与航线偏离小于100英尺的偏离均被视为UAS操作的正常部分。

表7显示了基于此分析的不同偏离发生的百分比。请注意，总计最有可能发生的最高至3200英尺，而大于166英尺。然而，在单个故障下，UAS最有可能根本不出现偏离。

表7.基于可靠性分析的偏离事件百分比

如上所述，假设每个飞行小时单个故障的发生机会为0.01，而多个故障的发生机会为0.0001(分别为1％和0.01％)。因此，将这些假设与表7中的估算值相结合，我们可以估算出针对不同幅度的偏离的与规定路径的偏离概率。这些在表8中列出。

表8.针对不同幅度的偏离的与规定路径的偏离概率

偏离事件	偏离事件的概率，P<sub>DI</sub>
		100-166英尺	9.22×10<sup>-4</sup>
167-3200英尺	1.88×10<sup>-3</sup>
		＞3200英尺	1.82×10<sup>-6</sup>

基于此分析，并且由于该UAS的设计，与较大的游荡机偏离相比，更有可能发生较短的偏离。由于游荡机偏离故障的概率幅度小于其他两个概率，因此暂时将其忽略。因此，偏离事件的概率为P_DI＝9.22×10^-4+1.88×10^-3＝2.80×10^-3。

以下部分描述了在空中碰撞分析中使用的假设以及对用于计算相关联的风险的方法的讨论。

该分析中的关键假设如下：(1)空中交通密度与空域类别相关——B类具有最大的交通量，然后是C、D、E类。G类具有最低的交通密度。(2)空中交通密度低于400英尺AGL。(3)低于400英尺的空中交通在给定类别的空域内受到均匀干扰。(4)在确定NMAC风险时不考虑偏离事件。

由AIM(7-6-3)定义的空中碰撞接近(NMAC)是“与飞行器的操作相关的事件，在该事件中，由于与另一飞行器接近小于500英尺而导致发生碰撞的概率或者报告，是从指出两架或更多架飞行器之间存在碰撞危险的飞行员或飞行组成员处收到的。”

对于该风险评估，将NMAC体积建模为飞行器周围的球体。如果两架飞行器周围的球体相交，则会发生NMAC。UA的NMAC体积是半径为500英尺的球体。由于UA的机翼跨度约为15英尺，因此该球体容纳了UA本身，并且包含500英尺的缓冲区。有人飞行器的NMAC体积是半径为700英尺的球体。由于商用客机的机翼跨度约为200英尺，因此这可以容纳最大的有人飞行器，并且还包含500英尺的缓冲区。

对于该风险评估，假设空中交通在给定类别的空域内受到均匀干扰。这允许使用基本的几何(空间)模型计算碰撞的可能性。在该假设下，将空域建模为网格单元的集合。在每个单元内，空中交通被近似为具有恒定的密度。

还假设，除了紧邻机场的空域以外，由于14 CFR91.119，对于低于交通模式高度(

英尺AGL)的高度，空中交通密度较低，而在400英尺AGL及以下的高度甚至更低。

实际上，存在飞行器高度集中的区域。飞行器更有可能遵循某些路线(胜利者航路、IR和VR路线、以及机场之间的直接航线)。机场附近通常具有较高的密度，特别是那些更多人口区域附近，以及那些获得C类和B类空域指定的区域。然而，只能利用不易获得的位置特定数据和使用更复杂的建模来解决环境的这种变化。

表9以飞行器每立方英里每小时为单位提供了在不同类别的空域中的空中交通的估计频率。这些值可用于计算在不同类别空域中的空中碰撞的风险暴露。

表9.根据空域类别的低于800英尺AGL的空中交通频率

图12示出了根据本公开的各种实施方式的示例性未缓解的空中碰撞接近风险1200。图12所示的未缓解的空中碰撞接近风险1200的实施方式仅用于说明。在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用未缓解的空中碰撞接近风险的其他实施方式。

一立方海里(每小时)内的空中交通的频率被应用于1nm乘1nm乘800英尺的单元。该区域减小使空中交通密度值变得保守。当任一飞行器侵犯另一飞行器的NMAC体积时，会发生空中碰撞接近。为了估算这种概率，执行了蒙特卡洛模拟，其中在空域单元内选择了十亿对随机点，如图12所示。计算了这些点对之间的距离小于700英尺的比率。为NMAC建立的标准达到了39％的比率。3.9×10^-1的值可以称为NMAC的几何风险。这代表了对于所有类别的空域的空中碰撞接近的未缓解的风险。

应当注意，这是一个非常保守的估算。假设在小于1200英尺的所有情况下都可能发生NMAC事件(小于500英尺为双重NMAC事件)。然而，实际上，飞行器位置遵循轨线，因此，任何低于1200英尺的值都已触发针对有人飞行器的NMAC事件。这是蒙特卡洛模拟的产物。

同样，该风险评估的关键假设是，用于这些操作的安全缓解是完全有效的。如果它们都未失效，则不会发生NMAC。最坏的情况是，所有可能的缓解系统失效均在表5中的假设下发生。下面的表10使用来自上面的值和暴露假设给出了针对不同空域类别的NMAC的概率。

表10.针对空域类别的NMAC的概率

空域类别	P<sub>NMAC</sub>
		B类	3.81×10<sup>-9</sup>
C类	2.29×10<sup>-9</sup>
		D类	2.29×10<sup>-8</sup>
E类	3.05×10<sup>-7</sup>
		G类	3.81×10<sup>-7</sup>

图13示出了根据本公开的各种实施方式的示例性行人危险区1300。图13所示的行人危险区1300的实施方式仅用于说明。在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用行人危险区的其他实施方式。

以下部分描述了在分析撞击地面人员中使用的假设以及对计算相关风险的方法的讨论。

在该分析中的关键假设如下：(1)地面上的所有人未被庇护。(2)地面人口与空域类别相关——B类位于都会区，C类位于城市区，D类位于郊区，E类和G类位于农村区。(3)在给定的空域类别内地面人口受到均匀干扰。(4)任何在铁轨上的个人都是该操作的积极参与者。闯入者不被视为特殊情况——他们从事非法活动并承担相关联的风险。(5)假设交叉路口处的人不被庇护，并且在人口密度的均匀分布中被考虑。这是保守的。(6)在确定对地面上的人的风险时考虑了航向偏离事件。

对于该风险评估，假设在给定类别的空域内人口受到均匀干扰。这允许使用基本的几何(空间)模型计算碰撞的可能性。给定UAS操作的飞行路径，在该路径的任一侧都对地面风险区进行了建模，如图13所示。每个区段的长度为1英里，且宽度由UAS的滑行能力决定。在某些实施方式中，UA可以从400英尺AGL的起始高度滑行3200英尺。每英里行人的几何风险是通常的人的面积与所讨论区段的面积之比。为了进行计算，假设人的面积(从上方看)为2.25平方英尺。得出的几何风险值为每区段6.66×10^-8。

给定飞行路线，可以在与该路径直接相邻的区域中估算沿该路线的人口密度。对于该风险评估，已基于代表性区域的人口普查数据估算了与不同类别的空域相关联的人口密度。表11列出了这些人口估算。

表11.根据空域类别的每区段假设的人口

空域类别	每区段人口
		B类	10,000
C类	1,000
		D类	100
E类	10
		G类	1

考虑到所有缓解系统都失效的最坏情况，表12中给出了：针对假设的人口的值、关于每个区段假设的人口的不同空域类别的撞击人的计算概率。这些值是应用于几何风险的区段的人口密度，并反映了撞击人的未缓解的风险的幅度。更精确的分析将使用沿特定飞行路径收集的部分人口普查数据(或来自诸如陆地扫描之类的另一来源的数据)。

表12.针对空域类别的对地面上的人的几何风险

空域类别	对于行人的未缓解的风险
		B类	6.66×10<sup>-4</sup>
C类	6.66×10<sup>-5</sup>
		D类	6.66×10<sup>-6</sup>
E类	6.66×10<sup>-7</sup>
		G类	6.66×10<sup>-8</sup>

该风险评估的关键假设是，用于这些操作的安全缓解是完全有效的。如果它们都未失效，则不会发生NMAC。最坏的情况是，所有可能的缓解系统失效均在表5中的假设下发生。下面的表13列出了使用上面的值和假设针对不同类别的空域的撞击地面上的概率。

表13.根据空域类别的对地面上的人的未缓解的风险

空域类别	P<sub>SH/DI</sub>
		B类	7.49×10<sup>-6</sup>
C类	7.49×10<sup>-7</sup>
		D类	7.49×10<sup>-8</sup>
E类	7.49×10<sup>-9</sup>
		G类	7.49×10<sup>-10</sup>

假设撞击地面上的人的概率还取决于事件的发生。除非UAS偏离航向，否则UAS可能不会撞击未参与的人。因此，除了所讨论的缓解系统之外，还必须开发评估UAS的可靠性的方法。通常，这是一项艰巨的任务，因为要么数据非常有限，要么不存在数据，以供准确评估UAS部件的可靠性。因此，必须进行估算。

因此，我们现在可以计算P_SH＝P_(SH|DI)P_DI，其中P_DI在上面的[0177]-[0178]段中定义，并提供表14以包括偏离发生的概率。

表14.给定偏离事件的根据空域类别的撞击人的概率

空域类别	P<sub>SH</sub>
		B类	4.19×10<sup>-9</sup>
C类	4.19×10<sup>-10</sup>
		D类	4.19×10<sup>-11</sup>
E类	4.19×10<sup>-12</sup>
		G类	4.19×10<sup>-13</sup>

一些估算表明，NAS中的通用航空VFR飞行的NMAC的固有风险约为每小时1.33×10^-7。该风险评估使用了保守的假设，其表明所提出的BVLOS操作处于现有风险水平的级别，并且可能不会显著增加NAS中的风险。

被任何坠落的物体击中造成的死亡的风险估算约为每小时1.44×10^-9(每年3×10^-6)²。该风险评估使用了保守的假设，其表明所提出的BVLOS操作可能不会显著增加对地面上的人的风险。表15提供了对操作风险分析的总结。

表1S.对操作风险分析的总结

图14示出了根据本公开的各个实施方式的示例性安全走廊空域(SCA)界面1400。图14所示的SCA界面1400的实施方式仅用于说明。在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用SCA界面1400的其他实施方式。

图15A、15B和15C示出了根据本公开的各种实施方式的示例性故障铁轨状况1500、1501和1502。图15A、15B和15C所示的故障铁轨状况1500、1501和1502的实施方式仅用于说明。在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用故障铁轨状况1500、1501和1502的其他实施方式。

故障状况1500被称为断轨或裂轨。故障状况1500是由快速冷却引起的，其是将铁轨拉开的区域。

故障状况1501被称为被污染的道砟(ballast)。故障状况1501是由铁轨枕木(tie)上的泥浆堆积引起的。被污染的道砟会腐蚀铁轨和枕木的底部。由于道砟从铁轨吸收火车的力，因此泥浆堆积会导致道砟对铁轨的容忍度降低。缺乏容忍度会给铁轨的组成部分(诸如铁轨枕木)造成压力，并可能会使铁轨松动或脱离。当图像中出现新的非道砟或枕木被覆盖时，可以确定被污染的道砟。

故障状况1502被称为弯曲的铁轨、波浪形铁轨或未对准的铁轨。故障状态1502是由于快速加热导致铁轨的剧烈运动而引起的。铁轨由于热量而膨胀，导致铁轨被推出。导轨的膨胀导致导轨之间的测量值出现偏差。

可以通过将图像与先前的铁轨的图像进行比较，并且还可以通过将图像与先前拍摄的铁轨的图像或一系列图像进行比较，来检测故障状况1500、1501和1502。

针对像素着色、像素密度和指示距离等的分量之间的像素数量的变化来分析所有故障条件1502。变化在单次飞行中的连续图像之间发生变化中的一种时被识别出，并且还在来自不同UAV飞行的同一条铁轨的图像发生变化中的一种时被识别出。

还可以基于特定测量来检测故障状况。例如，铁轨宽度的一种标准是1435mm(4英尺8.5英寸)。在该实施方式中，当所拍摄的图像显示铁轨偏离1435mm时，检测到弯曲的铁轨故障状况1502。

为了避免错误的检测或非实质性检测，可以为每个故障状况1500、1501和1502分配阈值。例如，连续铁轨之间的间隙的一种标准是14.30mm。为了包含公差，间隙阈值可以为14.50mm。当检测到小于14.50mm的间隙时，系统将不会识别出间隙。

此外，系统可以识别每个铁轨的长度，并使用该长度来验证不同的间隙。例如，一种标准铁轨长度为39英尺。对于该长度的铁轨，系统可以在与每个铁轨相对应的范围内使用间隙阈值。在39英尺的铁轨的实施方式中，系统可以使用间隙阈值来处理铁轨之间的间隙，但是在该范围之间使用小得多的间隙阈值。例如，对于距铁轨端部大于1英尺的距离，该系统将使用5mm的间隙阈值；且对于距导轨末端等于或小于1英尺的距离，将使用15mm的间隙阈值。

该系统还基于故障的严重性进行确定故障或报故障。某些故障可以被认为是严重的或警示性的。严重故障是可能导致火车脱轨或损坏火车或严重阻碍火车运动的故障。警示性故障是需要维护的故障，而不会造成火车脱轨、损坏或严重阻碍火车的风险。

图16示出了根据本公开的各种实施方式的操作1600的示例性概念。图16所示的操作1600的概念的实施方式仅用于说明。在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用操作概念1600的其他实施方式。

操作1600的不同概念包括但不限于：补充隧道和桥梁检查1605、资产的连续飞越1610、补充轨道检查1615、以及补充轨道完整性飞行1620。

图17示出了根据本公开的各种实施方式的示例性UAS生态系统1700。图17所示的UAS生态系统1700的实施方式仅用于说明。在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用UAS生态系统1700的其他实施方式。

UAS生态系统包括：卫星1705、GPS模块1710、螺旋桨1715、飞行控制1720、电动机控制器1730、电动机140、框架1745、LED定位照明装置1750、RC接收器155、远程控制器1760、相机安装架1765、相机1770、实时图像广播1775、虚拟现实眼镜1780、锂聚合物电池1785等。

卫星1705允许在UAS与飞行控制中心之间进行通信。

GPS模块1710是能够从GPS卫星接收位置信息的装置。GPS模块既可用于跟踪UAS，也可用于使UAS遵循编程的飞行计划。

螺旋桨1715可旋转地耦接至UAS并向UAS提供升力。螺旋桨用于起飞和着陆。UAS可以包括多个螺旋桨。

飞行控制1720包括用于UAV的起飞和着陆的飞行计划的编程。飞行控制1720安装在UAS中。飞行控制1720根据飞行计划控制螺旋桨。

电动机控制器1730包括在UAS中。电动机控制器1730控制电动机140。

电动机140为UAS提供向前推力。UAS可以包括一个以上的电动机140。

UAS的框架1745为UAS的部件提供支撑和保护。框架1745以UAS可以在推力或提升部件或系统发生故障时继续滑动的方式构造。

LED定位照明装置1750安装在UAS上。LED定位照明装置1750向其他飞行器提供UAS的指示并识别UAS的位置。LED定位照明装置还有利于低可见性环境，诸如隧道、雾、夜间等。

RC接收器1755是内置在UAS中的无线接收器。RC接收器可以与信号塔架或其他卫星通信以接收信号。命令中心通过RC接收器1755向UAS发送信号

远程控制器1760安装在UAS的框架1745中或通过RC接收器1755进行通信。远程控制器1760可以在飞行发生之前加载飞行计划，或者可以接收更新的飞行计划或通过RC接收器1755成为控制器。

相机安装架1765用于安装相机1770。摄像机安装架1765为相机1770提供支撑。相机安装架1765可以附接至框架1745的基部。

摄像机1770用于捕获铁轨系统中的图像和视频数据。一个以上的相机和不同类型的相机可以附接至UAS。

摄像机1770用于识别用于监控的铁路的网络。铁路的图像也可以用于调节飞行计划。换句话说，如果图像未从飞行计划中确认UAV的位置，则可以调整飞行计划。UAV还可以向命令中心发送差异指示，以指示从飞行计划或传感器确定的位置与从图像确定的位置之间的差异。

摄像机1770还用于识别铁轨系统中的故障。摄像机1770可以检测铁轨的障碍物，诸如滞留在或停在轨道上的车辆、垃圾或其他碎屑等。在检测故障时，可以使用相机1770来捕获用于为破坏的铁轨/铁轨间隙1500、污染的道砟1501、弯曲的铁轨1502等进行分析的铁轨的图像。

使用相机1770和RC接收器1755来执行实时图像广播1775。由相机1770捕获的图像/帧可以被广播到诸如命令中心。实时图像广播可以为用户提供实时图像或视频，以进一步分析故障情况。

虚拟现实眼镜1780可由地面上的或命令中心处的操作员使用。虚拟现实眼睛可以显示来自相机1770的实时图像广播1775。

锂聚合物电池1785内置在UAS的框架1745中。电池1785可用于为UAS的不同部件供电。

图18示出了根据本公开的各个实施方式的示例性UAS系统部件1800。图18所示的UAS系统部件1800的实施方式仅用于说明。在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用UAS系统部件1800的其他实施方式。

UAS系统部件1800包括但不限于：软件1805、UAS 1810、跟踪器控制模块1815、自动驾驶仪1820、地面传感器上方的激光高度计1825、机架安装的地面控制站1830等。

软件1805可以安装在UAS和命令中心中。软件1805可以执行本申请中的任何描述的功能。

UAS 1810是无人航空系统。UAS飞越铁轨系统以监控轨道的健康。UAS还就障碍物而言监控铁轨。

跟踪器控制模块1815在操作期间跟踪UAS。跟踪器控制模块1815可以包括飞行计划并检测UAS何时从飞行计划中阻止。跟踪器控制模块1815可以更新飞行计划，确定UAS本身的问题，或向命令中心处的用户指示警报。

自动驾驶仪1820控制UAS1810。自动驾驶仪1820可以安装在UAS中或地面上，并通过RC接收器发送指令。

地面传感器1825上方的激光高度计确定UAS 1810的高度。激光高度计1825与命令中心通信。

机架安装的地面控制站1830。机架安装的地面控制站1830为UAS 1810提供指挥中心。控制站1830可以控制UAS的飞行计划并在执行飞行计划的同时监控UAS。

图19A、19B和19C示出了根据本公开的各种实施方式的示例性UAS 1900、1905、1910。图19A、19B和19C所示的UAS 1900、1905、1910的实施方式仅用于说明。在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用UAS的其他实施方式。

图20示出了根据本公开的各种实施方式的示例性光学传感器2000。图20所示的光学传感器2000的实施方式仅用于说明。在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用光学传感器2000的其他实施方式。

图21A和21B示出了根据本公开的各种实施方式的示例性UAS安全边界2100和2101。图21A和21B所示的UAS安全边界2100和2101的实施方式仅用于说明。在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用UAS安全边界的其他实施方式。

图22A和22B示出了根据本公开的各种实施方式的示例性轨道完整性传感器图像2200、2201。图22A和22B所示的轨道完整性传感器图像2200、2201的实施方式仅用于说明。在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用轨道完整性传感器图像的其他实施方式。

在图像2200和2201中，UAS正在监控铁轨2205。UAS检查每个连接部2210可能的故障。

图23A、23B、23C和23D示出了根据本公开的各种实施方式的示例性潜在的轨头缺陷2300。图23A、23B、23C和23D所示的潜在的轨头缺陷2300的实施方式仅用于说明。在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用潜在的轨头缺陷的其他实施方式。

图像2300、2305、2310和2315示出了检测铁轨中的故障的UAS。在第一图像2300中，UAS系统检测到可能的故障。UAS系统在铁轨上放大以捕获图像2305。UAS系统对图像2315和2320进行重复放大，直到识别并确认故障状况或非故障状况。非故障状况是确定导轨不需要维修。

图24示出了根据本公开的各种实施方式的控制网络2400的示例性框图。图24所示的控制网络2400的实施方式仅用于说明。在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用控制网络的其他实施方式。

控制网络2400包括但不限于：固定的操作员位置2405、现场操作员位置2410、自动驾驶仪2415、UAS 2420、有线网络2425、塔架2430、航空频段无线电2435等。控制网络2400用于监控铁轨系统的故障或障碍物。航空频段无线电2435与可以有人或无人的另一航空载具2440通信。

固定的操作员位置2405是永久定位的命令中心。固定的操作员位置2405可以有线或无线地连接至塔架2430以与UAV通信。

现场操作员位置2410是临时定位的命令中心。换句话说，现场操作员位置2410可以远离命令中心并且监控现场的UAS。现场操作员位置2405无线地连接至塔架2430以与UAS2420通信。现场操作员位置2410还可以直接通信或控制UAS，而无需使用塔架。现场操作员位置2410还可以与固定的操作员位置2405通信。

虽然将自动驾驶仪2415示出为位于现场操作员位置2410，但也可以位于固定的操作员位置2405。自动驾驶仪2415用于控制UAS 2420。

UAS 2420飞越铁轨系统以监控故障或障碍物。UAS 2420还可以包括自动驾驶仪2415。UAS2420可以直接与自动驾驶仪2415(如果位于现场操作员位置2410处)或现场操作员位置2410的系统或塔架2430进行通信。

UAS 2420可以被编程为保持与多个塔架(例如最少两个塔架)进行通信。这意味着在失去两个连接的塔架中的一个之前，需要转移到第三个塔架。UAS 2420(或自动驾驶仪2415，位于固定的操作员位置2410或现场操作员位置2405处的系统)可以基于信号强度、信号质量等确定塔架的数量或要连接哪些塔架。

有线网络2425将操作员固定的位置与多个塔架2430连接。塔架2430各自通过有线网络2425单独连接至其他塔架。因为塔架2430与有线网络2425连接，所以在UAS已飞出现场操作员位置2410的无线信号范围之后，现场操作员位置2410可以保持与UAS 2420通信。

塔架2430与UAS、其他塔架2430以及现场操作员位置2410的系统进行发送和接收无线信号。塔架2430还连接至有线网络2425，以与固定的操作员位置2405和其他塔楼2430进行通信。

图25示出了根据本公开的各个实施方式的示例性线路/航空系统控制网络2500。图25所示的线路/航空系统控制网络2500的实施方式仅用于说明。在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用线路/航空系统控制网络的其他实施方式。

线路/航空系统控制网络2500包括但不限于：UAS 2505、主塔架2510，副塔架2515、地面控制系统2520、自动驾驶仪2530、RTK 2545、塔式无线收发器2550、UAV无线收发器2555和自动驾驶仪2560等。

远程UAS的部署集中于军事空域中或外国作战区域内的军事行动，其中有关商业航空的规则并不普遍。飞行器位置精度、避开地形、通信/命令和控制延迟以及飞行器有效载荷的考虑因素完全不同，并且在许多情况下不适用于商业、低空、家庭使用。

在开发进行远程飞行操作的方式/手段时，创建了具有以下若干关键特征的系统解决方案：

第一，控制网络2500提供如下能力：摄取FAA空中交通数据(如果可能)，并将该数据与从专有地理信息数据和安装在沿线路的各个塔架上的补充航空语音/数据接收器收集的附加空中交通和障碍数据合并。

第二，用于飞行器和各种数据收集传感器的导航保证——在低于500英尺AGL处，图25中组装的控制网络2500为任务计划者和飞行员提供导航保证，其有助于避开地形、导航精度、传感器/有效载荷焦点和位置精度以及地面以上高度的验证。RTK 2545、UAS 2505、PCC 2530、塔式无线收发器2550、UAV无线收发器2555、地面控制系统2520、主塔架2510和副塔架2515的各个部分的总和为远程航线(plot)提供了这种感知，以了解飞行器的性能、环境、飞行准确性、传感器性能以及是否遵守FAA航空法规以及我们的飞行要求。最后，如果出现紧急情况或故障，系统的总和将允许飞行员安全地将飞行器着陆在线路上。

第三，除了用于从塔式无线接收器2550和UAV无线接收器2555以及自动驾驶仪2560和地面控制器2520发送/接收数据的网络之外，航空频段无线电2435安装在每个机场附近，靠近2510以及2515，它们为飞行员提供与机场附近的其他飞行器进行通信的能力，且因此避免了在乡村/无塔架的机场附近发生低空相互作用——一种至关重要的安全特征，且对于这种部署而言非常独特。

图26示出了根据本公开的各种实施方式的用于使用无人航空载具检查铁路资产的示例过程。例如，过程2600可以使用UAS来执行。

在操作2605中，该系统执行铁轨视觉。铁轨视觉包括本地或远程处理图像，以检测铁轨系统中的障碍物或故障。铁轨视觉还包括本地存储结果并将结果传输以在命令中心处存档。该系统经由多个通信塔架传输包括铁轨系统和飞行路径的飞行计划。铁轨系统可包括跨越地理位置的多个铁轨。飞行路径是UAV将游历以监控铁轨系统的路径。飞行路径可以包括沿着轨道、围绕桥梁、通过隧道等飞行。飞行路径可以在设定的位置或不同的位置处开始和结束。

在操作2610中，该系统监控铁轨系统以检测轨道组成部分和其他特征。在无人飞行器监控铁轨系统的同时，该系统可以经由多个通信塔架接收数据。无人航空载具可以连接至多个塔架，最少两个塔架。可以基于信号强度、信号质量等来连接通信塔架。多个通信塔架包括被配置为与其他航空载具通信数据的航空频段无线电。

该系统可以基于所接收的数据来检测飞行路径上的干扰。接收到的数据可以包括来自其他来源的数据，诸如FAA的本地机场、其他航空载具等。所接收的数据可以与操作员数据组合以减少与UAV或总体飞行计划中的碰撞或干扰的变化。所接收的数据可以包括当前的空中交通数据、障碍物数据、地理信息数据、航空语音数据、天气数据等。

在操作2615中，该系统执行组飞行路径。组飞行路径包括改变航向或速度，并进行调整以避开图像叠加中的间隙。

在操作2620中，该系统执行图像拼接。连续的图像被拼接在一起，以全面了解铁轨系统。图像拼接还提供了足以进行分析的对齐。

在操作2625中，该系统对图像执行后处理。图像的结果(包括地理位置、时间等)是从相机和GPS接收器收集的。该系统可以基于所接收的数据来检测飞行路线上的故障。使用缺陷的滚动窗口逻辑。滚动窗口逻辑比较连续或连贯图像的像素颜色、像素密度、铁轨之间的像素长度等的变化。该系统识别出铁轨的像素颜色和像素密度与铁轨枕木、道砟、来自周围环境的组成部分(例如，岩石、灰尘、泥土等)的像素颜色和像素密度不同。该系统还可以识别出与常见组成部分的距离。例如，该系统识别铁轨之间的距离和铁轨枕木之间的距离等。在操作2630中，该系统执行报告生成。报告生成包括HTML导航和KML显示。该报告可以以任何已知格式发布，包括PDF、CSV等。

在操作2635中，该系统执行数据传输。数据存储在UAS的本地存储中，该数据在固定的操作员位置或现场操作员位置中的一者处被删除或下载。

尽管图26示出了用于使用无人航空载具检查铁路资产的过程2600的一个示例，但是可以对图26进行各种改变。例如，尽管在本文中被描绘为一系列步骤，但是该过程的步骤可以重叠、并行发生、以不同顺序发生或发生多次。

本公开的某些实施方式基于能够垂直起飞和着陆的UAS。其中，UAS包括与系统命令和控制基础设施进行交互的自动驾驶系统。UAS还处理从地理信息系统生成的导航信息，并支持提供位置信息的各种机载传感器。特别地，这些传感器能够通过机载导航信标(ADSB)和C模式应答器或其等效物来发送和接收信息。

飞行器的实施方式具有足够的机载发电能力，以向所有其他各种飞行器系统(诸如传感器、通信和控制子系统)提供可靠的动力。另外，飞行器优选地具有足够的液体燃料容量以支持超过8小时的飞行时间。飞行器还具有支持多个用于收集信息的传感器所需的有效载荷能力，并且通信和控制子系统需要将该信息实时传递至飞行操作中心。飞行器优选地还包括机载信息存储介质，以用于本地存储所收集的信息。另外，该系统包括机载和外部子系统，以便于在飞行走廊上紧急操纵和着陆飞行器。

通常，机载传感器从操作高度不少于每秒2次拍摄1/4英尺的高分辨率的精确位置照片、或拍摄更高分辨率的照片。优选地，传感器系统还具有内置的本地计算能力、其自身的导航系统、以及用于与包括自动驾驶仪在内的其他机载子系统进行通信的独立通信能力。传感器可以包括光电传感器、摄像机、热成像仪和/或多光谱传感器。特别地，传感器系统包括用于飞行员情况感知的实时日夜摄像机，其至少包括一些有限的实时保护能力。

该系统还包括专注于铁轨检测和分析线路状况的软件，该软件有利地支持对诸如轨道、桥梁等的线性资产的检查。其中，机载和远程的系统软件均包括机器视觉软件，该软件被训练成理解和识别具有至少两个线性边界的区域内的关键状况。系统软件还能够验证线性区域上的正常功能状况。

更具体地，机载软件在传感器与基于地面的通信系统之间的线路中的UAS上运行。机载软件处理传感器收集的数据，然后将该数据加载到基于地面的计算系统中，该计算系统继而输出有关传感器所见内容的定量和定性数据。该软件系统处理批量数据；创建另一组地理位置数据；且然后创建第3组数据。该系统软件创建与感兴趣的数据相关联的若干报告；创建地理位置文件，该地理位置文件可以允许用户轻松映射选定感兴趣的条件的位置。优选地，批量数据保持未处理，并且接收器仅接收他们真正需要的可用数据，批量数据被存储以供将来的数据挖掘和使用。

该系统软件还包括现场信息软件，该现场信息软件可以与该系统分开使用，或甚至可以与多架UAS一起使用。现场信息软件体现了如下算法：所述算法可以映射功能并确定该软件应按什么顺序来执行操作，这有利于消除人为错误。特别地，现场信息软件接收传感器系统生成的媒体，将这些数据传输到笔记本电脑或其他处理系统中，且然后启动本地软件。本地软件会自动对数据进行编码、标记并将该数据传输到驱动器和文件，并将这些数据适当地发送给需要它们的任何人(例如，组织中的不同部门)。现场信息软件可用于与现场位置有关的任何收集的数据。现场信息软件优选地基于包括服务器或一组硬件装置的网络系统。在一些实施方式中，现场信息软件在UAS结束飞行之后运行(即，执行飞行后数据处理)。数据可以分布在网络资源之中，该网络资源执行进一步的分析并确保对该数据进行正确的编码和存储。这有助于保持监管链并将数据错误减至最小。

在航空铁路检查系统中，线路、走廊和塔架是重要因素。本系统访问用于通过AAR实现的自动火车控制系统(ATCS)的900MHz信道，然而这不是用于实践本原理的严格要求。本系统的硬件和软件被优化为以高功能方式使用低带宽AAR信道。对于使用优选的AAR信道的系统，用户通常需要许可证，以及包括用于与飞行器进行通信的适当信道冗余的以太网控制。这些可以通过铁路电信资产来实现。

UAS优选地是垂直起飞和着陆的飞行器，并且沿铁路资产网络的任何地点操作(包括着陆)。UAS飞到空中后，飞行员命令自动驾驶仪开始飞行。飞行开始，并且UAS根据地理信息系统编程的路线飞行至实际的铁路行，并遵循该行。换句话说，当飞行员启动自动驾驶仪时，该系统软件接管UAS，并在越过轨道后使UAS尽可能接近轨道飞行。该软件系统还自动使传感器能够开始每秒拍摄轨道的2张照片。同时，传感器和软件系统控制UAS和传感器的俯仰、偏航和侧倾，使得一个或更多个适当的传感器保持聚焦并置于轨道上，以确保所需的分辨率和叠加的图像。如果分析软件在飞行后确定没有足够的叠加，或者由于线路占据而错过了轨道部分，则迅速重新飞行该路线并且传感器会拍摄更多图像。

当自动驾驶仪启用并且传感器正在拍照时，UAS控制系统利用天基GPS和基于地面的GPS(如果可能的话)误差校正将UAS保持在行上方的位置并维持操作高度和线性飞行路线符合，这既保证了传感器的分辨率，又符合有关飞行路线的高度和宽度的法规要求。

同样，优选地，UAS和传感器具有独立的导航系统。有利地，当UAS和传感器(多个)都具有独立的导航系统时，为分配给每个部件的关键项目保留了计算能力。例如，传感器系统可以包括传感器稳定软件和硬件，并且当不在私有财产上方时，传感器也能够禁用图像收集。

优选地，UAS经由现有的FAA监督网络(SBS)广播其位置、速度、高度和航向，并且还向被配备以接收这些信号的其他飞行器广播。此外，铁路的基础设施可以使用补充的ADSB/应答器接收器、雷达和沿线路的其他元件来支持补充的FAA SBS系统。当UAS处于飞行中时，其操作状况、位置和总体健康会经由命令和控制链路传输给飞行员。在飞行的所有阶段期间，UAS都可以访问多个命令和控制收发器位置，以确保命令和控制的冗余水平。

如果UAS丢失了与命令和控制系统的连接，则在由运营商和/或FAA规则确定的一段时间后，UAS可以启动其“丢失链路配置文件”，并且自动下降并设置自身沿着铁路行下落。飞行员可以感知丢失链路状况，并且基于最后的传输形式，UAS将通知行上的用户以及飞行器明显着陆的调度员。传感器副通信和导航系统也可以帮助定位UAS。

如果在飞行期间还有其他关键系统失效，则UAS自动启动几个预定的飞行终止程序中的一者，返回到其发射位置或者其他编程的安全的位置。在飞行过程期间，飞行员具有使用第二传感器以对行进行实时成像的选项。该第二传感器也可以用于某些状况分析，但主要用于飞行员感知。如果在飞行过程期间识别了紧急情况，则UAS的传感器可以利用未连接至主通信信道的副通信信道向飞行员发送即时通知。

在指定任务结束时，飞行员进行着陆程序，UAS利用上述所有系统到达着陆点，并进行着陆程序以垂直着陆。着陆程序包括启用空对地激光为UAS提供精确的着陆信息。在着陆前的飞行的最后阶段，飞行员使用UAS命令和控制系统来确保安全着陆。UAS具有机载的多个支撑系统以确保安全着陆。如果在着陆的地面或区域上存在任何妨碍安全着陆的物体，则启动着陆中止程序，并确认替代的着陆地点。安全着陆后，飞行员卸下传感器数据存储驱动器并将其插入服务器。然后，UAS开始进行自动化的分析和数据传递过程，其产生定制的报告和可操作的数据集的交付。

尽管已经参考特定实施方式描述了本发明，但是这些描述并不意味着以限制的意义来解释。在参考对本发明的描述之后，对于本领域技术人员而言，对所公开的实施方式的各种修改，以及本公开的替代实施方式将变得显而易见。本领域技术人员应当理解，所公开的概念和特定实施方式可以容易地用作修改或设计用于实现本公开的相同目的的其他结构的基础。本领域技术人员还应认识到，这样的等效构造不脱离所附权利要求书中阐述的本公开的精神和范围。

因此，可以预期，权利要求书可以覆盖落入本公开的真实范围内的任何此类修改或实施方式。

该专利文件中的描述不应理解为暗示任何特定元件、步骤或功能是必须包括在权利要求范围内的必要或关键元件。同样，所有权利要求均无意针对所附权利要求或权利要求元素中的任一者援引35U.S.C§112(f)，除非在特定权利要求中明确使用了确切的词语“用于……的手段”或“用于……的步骤”，其后是表示功能的分词短语。在权利要求中使用诸如(但不限于)“机构”、“模块”、“装置”、“单元”、“部件”、“元件”、“构件”、“设备”、“机器”、“系统”、“处理器”、“处理装置”或“控制器”之类的术语应理解为并且旨在表示相关领域的技术人员已知的结构，作为通过权利要求本身的特征进一步修改或增强的结构，并且不旨在援引35U.S.C§112(f)。

阐述贯穿该专利文件使用的某些单词和短语的定义可能是有利的。术语“包括”和“包含”及其派生词是指包括但不限于。术语“或”是包含性的，意味着和/或。短语“与……相关联”及其派生词可能表示包括、包括在……内、与……互连、包含、包含在……内、连接至……或与……连接、耦接至……或与……耦接、与……通信、与……合作、交错、并排、在……附近、绑定至……或与……绑定、具有、拥有、与……有关或和……有关，等等。短语“……中的至少一个”当与项目列表一起使用时，意味着可以使用所列项目中的一个或更多个项目的不同组合，并且可能只需要列表中的一个项目。例如，“A、B和C中的至少一个”包括以下组合中的任一种：A、B、C、A和B、A和C、B和C以及A和B和C。

在下文中，对本发明的一些其他方面进行描述。

方面1：一种用于检查铁路资产的无人航空载具(UAV)用的航空系统控制网络，所述航空系统控制网络包括：

多个通信塔架；以及

连接至所述多个塔架的地面控制系统，所述地面控制系统被配置成：

经由多个通信塔架发送包括铁轨系统和飞行路径的飞行计划，

在所述UAV监控所述铁轨系统的同时，经由所述多个通信塔架接收数据，

基于所接收的数据检测所述飞行路径上的干扰，以及

基于所述干扰调整所述飞行计划。

方面2：根据方面1所述的航空系统控制网络，其中，所接收的数据包括当前空中交通数据、障碍物数据、地理信息数据和航空语音数据。

方面3：根据方面1所述的航空系统控制网络，其中：

所述多个通信塔架包括被配置成与其他航空载具通信数据的航空频段无线电，以及

基于所通信的数据调整所述飞行计划。

方面4：根据方面1所述的航空系统控制网络，其中：

所述UAV包括至少一个相机，所述至少一个相机被配置成捕获所述铁轨系统的图像，以及

所接收的数据包括从安装在所述UAV上的所述至少一个相机捕获的多个图像。

方面5：根据方面4所述的航空系统控制网络，其中，所述地面控制系统还被配置成：

就与所述飞行计划的偏离而言监控所述多个图像；

调整所述飞行计划以将所述铁轨系统保持在所述多个图像中。

方面6：根据方面1所述的航空系统控制网络，其中，所述地面控制系统还被配置成：

就所述铁轨系统的故障状况而言监控所述多个图像。

方面7：根据方面6所述的航空系统控制网络，其中，所述故障状况是从以下识别的：

沿着所述飞行路径连续拍摄的第一图像与第二图像的差异；以及

所述第一图像与来自所述UAV的先前飞行的、在同一位置捕获的存储图像的差异。

方面8：一种用于监控铁轨系统的无人航空载具(UAV)系统，所述UAV系统包括：

UAV，以及

航空系统控制网络，所述航空系统控制网络包括：

多个通信塔架；以及

连接至所述多个塔架的地面控制系统，所述地面控制系统被配置成：

经由所述多个通信塔架发送包括铁轨系统和飞行路径的飞行计划，

在所述UAV监控所述铁轨系统的同时，经由所述多个通信塔架接收数据，

基于所接收的数据检测所述飞行路径上的干扰，以及

基于所述干扰调整所述飞行计划。

方面9：根据方面8所述的UAV系统，其中，所接收的数据包括当前空中交通数据、障碍物数据、地理信息数据和航空语音数据。

方面10：根据方面8所述的UAV系统，其中：

所述多个通信塔架包括被配置成与其他航空载具通信数据的航空频段无线电，以及

基于所通信的数据调整所述飞行计划。

方面11：根据方面8所述的UAV系统，其中：

所接收的数据包括从安装在所述UAV上的至少一个相机捕获的多个图像。

方面12：根据方面11所述的UAV系统，其中，所述地面控制系统还被配置成：

就与所述飞行计划的偏离而言监控所述多个图像；

调整所述飞行计划以将所述铁轨系统保持在所述多个图像中。

方面13：根据方面11所述的UAV系统，其中，所述地面控制系统还被配置成：

就所述铁轨系统的故障状况而言监控所述多个图像。

方面14：根据方面13所述的UAV系统，其中，所述故障状况是从以下识别的：

沿着所述飞行路径连续拍摄的第一图像与第二图像的差异；以及所述第一图像与来自所述UAV的先前飞行的、在同一位置捕获的存储图像的差异。

方面15：一种用于检查铁路资产的无人航空载具(UAV)的航空系统控制网络的方法，所述方法包括：

经由多个通信塔架发送包括铁轨系统和飞行路径的飞行计划；

在所述UAV监控所述铁轨系统的同时，经由所述多个通信塔架接收数据，

基于所接收的数据检测所述飞行路径上的干扰，以及

基于所述干扰调整所述飞行计划。

方面16：根据方面15所述的方法，其中，所接收的数据包括当前空中交通数据、障碍物数据、地理信息数据和航空语音数据。

方面17：根据方面15所述的方法，还包括：

经由所述多个通信塔架中的航空频段无线电与其他航空载具通信数据，

其中，基于所通信的数据调整所述飞行计划。

方面18：根据方面15所述的方法，其中：

所接收的数据包括从安装在所述UAV上的至少一个相机捕获的多个图像。

方面19：根据方面18所述的方法，还包括：

就与所述飞行计划的偏离而言监控所述多个图像；

调整所述飞行计划以将所述铁轨系统保持在所述多个图像中。

方面20：根据方面18所述的方法，还包括：

就所述铁轨系统的故障状况而言监控所述多个图像，

其中，所述故障状况是从以下识别的：

沿着所述飞行路径连续拍摄的第一图像与第二图像的差异；以及

所述第一图像与来自所述UAV的先前飞行的、在同一位置捕获的存储图像的差异。

尽管本公开描述了某些实施方式和大体上相关联的方法，但是这些实施方式和方法的变更和置换对本领域技术人员而言是显而易见的。相应地，对示例实施方式的以上描述不限定或约束本公开。在不脱离如所附权利要求所定义的本公开的精神和范围的情况下，其他改变、替换和变更也是可能的。

Claims (13)

1.一种用于无人航空载具的航空系统控制网络，所述无人航空载具用于检查铁路资产，所述航空系统控制网络包括：

地面控制系统，所述地面控制系统被配置成：

将飞行计划发送至所述无人航空载具，所述飞行计划包括铁轨系统和飞行路径，

检测所述飞行路径上的干扰，并且基于所述干扰调整所述飞行计划，

其中，所接收的数据包括从安装在所述无人航空载具上的至少一个相机捕获的多个图像，

其中，所述地面控制系统还被配置成就所述铁轨系统的故障状况而言监控所述多个图像，以及

其中，所述故障状况是从沿着所述飞行路径拍摄的第一图像与第二图像的差异识别的。

2.根据权利要求1所述的航空系统控制网络，其中，所述故障状况还从所述第一图像与来自所述无人航空载具的先前飞行的、在同一位置捕获的存储图像的差异来识别。

3.根据权利要求1所述的航空系统控制网络，所述航空系统控制网络还包括：

多个通信塔架，所述多个通信塔架具有被配置成与其他航空载具通信数据的航空频段无线电，以及

基于所通信的数据调整所述飞行计划。

4.根据权利要求1所述的航空系统控制网络，其中，

所述无人航空载具包括被配置成捕获所述铁轨系统的图像的至少一个相机。

5.根据权利要求4所述的航空系统控制网络，其中，所述地面控制系统还被配置成：

就与所述飞行计划的偏离而言监控所述多个图像；以及

调整所述飞行计划以将所述铁轨系统保持在所述多个图像中。

6.一种用于监控铁轨系统的无人航空载具系统，所述无人航空载具系统包括：

无人航空载具，以及

航空系统控制网络，所述航空系统控制网络包括：

地面控制系统，所述地面控制系统被配置成：

将飞行计划发送至所述无人航空载具，所述飞行计划包括铁轨系统和飞行路径，

基于接收的数据检测所述飞行路径上的干扰，

基于所述干扰调整所述飞行计划，以及

其中，所接收的所述数据包括从安装在所述无人航空载具上的至少一个相机捕获的多个图像，

其中，所述地面控制系统还被配置成就所述铁轨系统的故障状况而言监控所述多个图像，以及

其中，所述故障状况是从沿着所述飞行路径拍摄的第一图像与第二图像的差异识别的。

7.根据权利要求6所述的无人航空载具系统，其中，所述故障状况还从所述第一图像与来自所述无人航空载具的先前飞行的、在同一位置捕获的存储图像的差异来识别。

8.根据权利要求6所述的无人航空载具系统，所述无人航空载具系统还包括：

多个通信塔架，所述多个通信塔架具有被配置成与其他航空载具通信数据的航空频段无线电，以及

基于所通信的数据调整所述飞行计划。

9.根据权利要求6所述的无人航空载具系统，其中，所述地面控制系统还被配置成：

就与所述飞行计划的偏离而言监控所述多个图像；以及

调整所述飞行计划以将所述铁轨系统保持在所述多个图像中。

10.一种用于检查铁路资产的无人航空载具的航空系统控制网络的方法，所述方法包括：

将飞行计划发送至所述无人航空载具，所述飞行计划包括铁轨系统和飞行路径；

基于接收的数据检测所述飞行路径上的干扰，所述数据包括从安装在所述无人航空载具上的至少一个相机捕获的多个图像，

基于所述干扰调整所述飞行计划；以及

就所述铁轨系统的故障状况而言监控所述多个图像，

其中，所述故障状况是从沿着所述飞行路径拍摄的第一图像与第二图像的差异识别的。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述故障状况还从所述第一图像与来自所述无人航空载具的先前飞行的、在同一位置捕获的存储图像的差异来识别。

12.根据权利要求10所述的方法，还包括：

经由航空频段无线电与其他航空载具通信数据，以及

其中，基于所通信的数据进一步调整所述飞行计划。

13.根据权利要求10所述的方法，还包括：

就与所述飞行计划的偏离而言监控所述多个图像；以及

调整所述飞行计划以将所述铁轨系统保持在所述多个图像中。

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