CN116235232B - 自主空中的士间隔系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于城市空中机动的自主空域系统监测飞行间隔以符合安全间隔距离。基于最小纵向参数、最小横向参数和最小竖直参数，为参考空中的士建立参考阵型空域。当检测到所述参考阵型空域的侵入时，基于由侵入空中的士引起的所述参考阵型空域的变形而建立侵入空域。确定所述侵入空域的形心，且向所述空中的士供应与所述形心的目标间隔以重新建立安全间隔。虚拟空中的士的存在还安全地控制了间隔的程度，所述虚拟空中的士的位置在被侵入空域的外周，用以限制周围空中的士空域的潜在侵入。

Description

自主空中的士间隔系统和方法

相关申请的交叉引用

本专利申请为2022年3月21日提交的美国专利申请第17/700,382号的部分继续申请，其为2021年10月4日提交的美国专利申请第17/492,904号的继续申请，两者均以全文引用的方式并入本文中。

发明领域

本公开大体上涉及城市空中的士和相关空中机动交通工具位置控制和管理，无论有人驾驶还是无人驾驶，且更具体地说，涉及用于监测和管理共享空域中多个空中的士的间隔的方法和系统。

背景技术

城市空中机动(urban air mobility；UAM)通常指代意图在E类和G类空域(如由联邦航空管理局空域目视飞行规则(visual flight rule；VFR)法规指定)中操作的载人和无人垂直起降(VTOL和电动的eVTOL)交通工具的操作，在具有或不具有指定机场的大都市地区，离地高度(above ground level；AGL)分别介于0与700英尺和700与1200英尺之间。本文中，此类交通工具将被称为“空中的士”，以将其与在较高高度飞行且受制于所建立的空中交通管理控制和间隔标准的常规飞行器区分开。此类空中的士可包含相对较小的无人的递送无人机，以及运输大型物品和/或乘客的相对较大的有人驾驶或无人驾驶的航空器。

对于在E类和G类空域中操作的空中的士的当前安全间距要求限于能见度和云清除标准。越来越不可预测且拥挤的地面交通选项将导致空中的士需求增加，对应地间距越来越紧密，且需要新的方法来控制空中的士的间隔。行业规划文件，例如NASA的UAM目视操作概念(Concept of Operations；ConOps)UAM成熟度等级(UAM Maturity Level；UML)4，确认UAM空中交通管理(air traffic management；ATM)必须在受限的城市环境中实现安全、持续、弹性、近距离、多车辆的操作，包含非计划的情形。此外，为了递送从传统的空中交通管理预期的相同的可扩展性和弹性，UAM空域操作将类似地需要在通知传统ATM的通信、导航、监控和信息领域中具有多层系统冗余、程序特定性和技术能力。然而，在正式空中交通管理当前仅可用于更高高度和当地机场的情况下，预期UAM空中交通管理将需要由第三方服务提供。换句话说，需要可由第三方操作的更特定且有能力的城市空中的士交通系统。

大规模地，UAM交通管理将取决于分层冗余系统和促进基于紧急情况的程序，以提供所需的安全性和效率。这些将包含指定的着陆和起飞区域、专用路线规划、受保护位置(例如，发电站)周围的地理围栏、安全间隔距离、检测和回避技术，以及支持手动干预以管理交通流量且避免即将发生的碰撞的控制智能和警报系统。然而，这些能力在能见度受限、天气条件较差、通信连接性不一致、夜间操作或交通密度高的大都市环境中无法确保安全性。因此，最新的NASA行业指南指示“毫无疑问，通过车载技术改进，可以实现许多目标。人们逐渐达成共识，为使按需机动性增长，必须从规范性指南转向基于性能的指南。”(《理解城市空中机动的风险：迈向安全操作标准(Understanding Risk in Urban Air Mobility:Moving Towards Safe Operating Standards)》，NASA/TM-20205000604，NASA艾姆斯研究中心，玛丽·康纳斯(Mary Connors)，2020年2月)。

发明内容

本公开提供一种基于自动和自主系统的城市空中的士的可靠和安全的间隔策略，该系统可实施于所有空中的士上且检测入侵、管理不安全接近且建立交感(时间上同步且方向上协调)路线规划。该系统使得两个或更多个空中的士能够以互补方式调整其轨迹以避免不安全间隔，同时使可在附近的其它空中的士过于接近干扰的风险最小化。这不同于专注于相对紧密接近碰撞避免的常规检测和回避(detection and avoidance；DAA)技术。用于UAM交通工具的现有目视飞行规则下的安全间隔发生在离地数千英尺处，从而需要更好的态势感知和调整轨迹以维持间隔的能力。

公开了一种用于自主地确定、显示(例如，在显示装置上)和引导每一空中的士应当飞行的目标轨迹以恢复或维持与共享空域中的一个或多个空中的士的安全间隔的系统和方法。在一实施例中，系统导引一个或多个空中的士独立地调整轨迹以维持或恢复安全空中的士的间隔，且可在无来自空中交通控制的中心导引或飞行员之间的任何形式的通信来协调其相应操纵的情况下这样做。

还公开了一种用于确定、显示和实施过于紧密接近的两个或更多个空中的士可如何安全地和自主地操纵以在无空中交通控制员的干预的情况下、在无空中的士的飞行员之间的任何通信的情况下和在无每一空中的士上的系统之间的直接协调或链接的情况下恢复安全间隔的系统和方法。安装于多个空中的士上的所公开的系统独立地引导每一空中的士以完全自主地通过互补恢复动作恢复安全间隔。所得益处包含更安全的旅行、减轻的飞行员负担和更清晰路线图以大规模地实现空中的士间隔。

安装于所有空中的士上且承诺递送离地数千英尺的空中的士的自主安全间隔的系统可能满足三个条件才能有效：首先，其必须能够在其相关空域中检测空中的士，且确定其位置、轨迹和速度。其次，其必须能够以使得彼此朝向恢复间隔移动的方式独立地引导每一空中的士。最后，朝向间隔的移动需要被控制，以使得移动自身不会有侵入其它空中的士空域的风险。

在一实施例中，两个特征使得能够达成安全和自主间隔：首先，系统产生的初始参考阵型空域基于围绕参考空中的士的当前位置定位于安全或规范的最小纵向间隔位置、最小横向间隔位置和最小竖直间隔位置处的一组虚拟空中的士的阵型而建立虚拟周围空中的士的球体或“气泡”。举例来说，围绕参考空中的士均匀地排列的6个虚拟空中的士的球体可足以表示可能的周围交通。这些虚拟空中的士的定位围绕中心参考空中的士形成一组球体。这是用于限定安全间隔并且因此用于识别此参考阵型空域的侵入的基准。

第二特征为应用形心向量化，以建立目标间隔向量来恢复空中的士之间的安全间隔。形心为任何空间内计算出的几何平衡点，且可为用于建立朝向间隔的向量的理想目标。根据一实施例，可给定已侵入其相应空域或在将引起空域侵入的路径上的两个空中的士目标间隔向量，以将其重新引导到其相应被侵入空域的形心。被这样引导的话，每一空中的士将以恢复两个空中的士的安全间隔的方式独立地移动，同时还维持与围绕每一空中的士的原始外周就位的虚拟空中的士的间隔，这些虚拟空中的士充当可接近或趋近于最小间隔距离的任何其它空中的士的代表(proxy)。

参考阵型空域的中心处的空中的士被称为“参考空中的士”，且其占据其相应参考阵型空域的形心。在物理性质和几何形状上，形心为特定空间内的平均位置且表示空间的几何中心。如此，形心的属性使其理想地作为导引位置：其始终在参考阵型空域的几何中心，无论均匀还是不均匀；其始终在参考阵型空域内部；以及可通过机载航空电子装备的能力内的数学计算来计算形心。在空中的士的一实施例中，参考阵型空域形成球体，且形心在球体的至少两个直径的交叉点处，从而将其定位于球体的三维中心处。

当两个或更多个空中的士之间发生空域入侵时，至少一个空中的士的参考阵型空域被侵入且因此变形，从而使得每一空中的士相对于其原始阵型空域不再占据形心位置(因为阵型空域自身已经因侵入而扭曲)。在一实施例中，自主地为配备有所公开系统的每一空中的士提供目标间隔向量，其基于由原始周围虚拟空中的士的位置加上侵入空中的士的位置限定的新“侵入空域”而确定。所有这些位置都是已知的：虚拟空中的士基于其相对于参考空中的士的位置和与参考空中的士协同的移动而精确地得知，从而使得能够精确地计算每一虚拟空中的士的存在、距离、方向和位置。参考空中的士的传感器还可使用由空中的士的GPS系统和/或其它机载DAA传感器(例如相控阵列雷达和电子光学系统)接收的位置数据精确地跟踪侵入空中的士。每一空中的士的自主间隔单元(autonomous separationunit；ASU)基于虚拟空中的士位置和侵入空中的士位置两者而产生被侵入空域的尺寸。基于这些输入，针对每一空中的士相对于其自身的现在被侵入空域确定新形心。在定位新形心的情况下，每一空中的士的ASU系统产生到该位置的目标间隔向量。每一空中的士朝向其被侵入空域的形心的航向表示具有三个基本特征的最优间隔解决方案：(a)每一空中的士的被侵入空域是不同的；(b)每一航向将始终远离其它侵入的空中的士，因为其形心为不同阵型中的位置；以及(c)每一空中的士遵循的间隔向量将始终向内进入其相应被侵入的空域，因此维持与接近于空中的士外周的任何实际空中的士以及由虚拟空中的士位置表示的那些空中的士的间隔。

安全间隔的此自主解决方案的若干特征使其成为针对维持空中的士之间的安全间隔而不需要飞行员或人类控制员干预的问题的吸引人的解决方案：

a.基于虚拟空中的士位置配置的参考阵型空域可基于任何所需纵向间隔距离、横向间隔距离或竖直间隔距离设置，且不取决于从其它空中的士或系统接收真实数据，也不必被限制为球体形状；椭圆形或卵形形状也可用于描述参考空域，且参考空域也可随着参考空中的士的移动而动态地改变。

b.虽然参考阵型空域为设想的，但其具有围绕参考空中的士的真实距离和坐标，且这些真实距离和坐标在“飞行气泡”中与空中的士一起移动；

c.参考阵型空域可包括六个虚拟空中的士，四个空中的士围绕气泡的中心排列，且各一个在未被覆盖的侧部上，从而实现完全覆盖。任何额外气泡将在进入参考空中的士的外周范围内之前与外部空中的士相交。当参考阵型空域被侵入时，使用现有机载DAA传感器或GPS坐标跟踪侵入空中的士并躲避，但剩余虚拟空中的士还确保所得间隔轨迹是表示有可能在附近或从任何方向接近的所有空中的士的向量；

d.所得被侵入空域为原始参考阵型空域(其气泡中的一些可不受侵入影响)与侵入空域的被侵入部分的新坐标的组合；

e.最新形成的被侵入空域的坐标通过原始参考阵型空域坐标与至少一个侵入空中的士的新位置数据的组合而获知；

f.基于这些坐标，产生被侵入空域且确定其形心，这一过程可在侵入空中的士连续移动从而改变间隔时动态地执行。

g.被侵入空域的形心相对于虚拟空中的士和侵入空中的士限定，且以足够精确度计算以产生相对于参考空中的士具有特定位置的目的地点。这使得能够设置方位和空速以给参考空中的士新航向来朝向被侵入空域的形心移动；

h.每个侵入空中的士可产生其自身的侵入空域且各自将航线设置到其自身的新形心；

i.因为每一形心在其自身的被侵入空域的几何中心处，且因为形心将始终远离侵入点移动，所以每个空中的士朝向其自身的形心的移动将始终沿着远离其它空中的士移动的向量。

在一实施例中，该系统比常规检测和回避系统做得更多，常规系统仅帮助警示飞行员或操作员发生冲突，然后接着选择围绕正在接近的空中的士的现有路线，或减缓其间的接近速度。相比之下，ASU实现调整空中的士轨迹的修改，因此能在不需要预先限定的替代路线的情况下维持间距。

所公开系统的实施例对于空中的士飞行员和空中交通控制员具有益处：

a.对于单个指挥飞行员，系统体现于机载ASU中，ASU在现有飞行管理系统显示器上展示在可能的多个侵入空中的士之间恢复安全间隔的路径；

b.对于各自在同一共享空域中驾驶空中的士、各自配备有其自身ASU的多个飞行员，提供到每一飞行员的空域特定的指引同时恢复所有空中的士的安全间隔，而不需要飞行员或空中的士系统之间的任何形式的通信。对于单个飞行员和多个飞行员两者，当系统在与空中的士的自动驾驶仪相连的全自动状态下操作时，ASU将在不断变化的数据和操作条件下做出更快且更准确的决策，所述不断变化的数据和操作条件即使是最有经验的飞行员也可能无法应对；

c.最后，对于空中交通控制员或第三方支持操作员，该系统处理可确定形心位置和目标间隔向量的位置数据，以基于其空域中的空中的士引导每一空中的士朝向其自身的路径，从而自动为ATC提供方向智能。

在一实施例中，公开了一种用于管理城市飞行区域中多个空中的士的空中的士飞行间隔以获得安全间隔或符合基于预定间隔参数或尺寸的预定间隔标准的方法，所述方法包括以下步骤：(1)从参考空中的士接收处于目标范围内的空中的士中的每一者的当前位置数据；(2)针对空中交通信息区域中所识别空中的士中的每一者以球体形式构建参考阵型空域，所述球体具有基于间隔参数的尺寸且以阵型空域的形心作为空中的士的当前位置；(3)针对目标范围中的第一空中的士比较第一空中的士的参考阵型空域与目标范围中第二空中的士的当前位置以确定第二空中的士是否已侵入第一空中的士的参考阵型空域，且如果第二空中的士已侵入第一空中的士的参考阵型空域：(a)构建第一空中的士的侵入空域，所述第一空中的士的侵入空域表示第一空中的士的参考阵型空域的通过第二空中的士的位置数据而变形的的修改；(b)确定第一空中的士的侵入空域的形心；以及(c)生成由从第一空中的士的当前位置到第一空中的士的侵入空域的形心的方向限定的目标间隔向量。

在一实施例中，将目标间隔向量传输到第一空中的士和/或与城市出租车操作环境内的安全间隔相关联的空中交通管理操作员控制系统。

在一实施例中，对于区域中空中的士中的每一者，相对于飞行信息区域中的所有其它空中的士实时连续地执行方法步骤。

在一实施例中，可通过限定围绕参考空中的士间隔开的6个虚拟空中的士的位置而构建参考阵型空域。虚拟空中的士中的四个虚拟空中的士在水平平面上围绕参考空中的士均匀地定位，且剩余两个虚拟空中的士位于参考空中的士上方和下方。在替代实施例中，可由围绕参考阵型球体的外周布置的更多或更少虚拟空中的士限定空域。此外，可基于一组虚拟空中的士构建侵入空域，其中空中的士中最接近侵入空中的士的一个空中的士的位置经修改为侵入空中的士的位置。在替代布置中，侵入空中的士的位置可形成用于限定侵入空域的额外点。

在一实施例中，所述方法可包含配置由接近距离限定的接近风险触发器；当另一空中的士距空中的士的参考阵型空域在预定接近距离内时产生接近风险警告；以及将接近风险警告发送到所述空中的士、另一侵入空中的士或与飞行区域相关联的城市空中交通管理系统中的至少一者。

在一实施例中，公开了一种用于管理飞行期间参考空中的士的空中的士飞行间隔以符合预定安全间隔距离或标准的方法，所述方法包含以下步骤：接收参考空中的士的当前位置数据；以球体形式构建参考阵型空域，所述球体具有基于最小纵向间隔参数、最小横向间隔参数和最小竖直间隔参数的尺寸且以阵型空域的形心作为参考空中的士的当前位置；限定围绕参考空中的士间隔开的6个虚拟空中的士的位置。虚拟空中的士中的四个虚拟空中的士在水平平面上围绕参考空中的士均匀地定位，且剩余两个虚拟空中的士位于参考空中的士上方和下方：(1)构建由6个虚拟空中的士的位置限定的侵入空域，其中虚拟空中的士中最接近侵入空中的士的一个虚拟空中的士的位置经修改为侵入空中的士的位置；(2)确定侵入空域的形心；(3)生成从参考空中的士的当前位置延伸到侵入空域的形心的目标间隔向量；以及(4)将目标间隔向量发送到参考空中的士。

可连续地实时执行方法步骤。

在一实施例中，如果确定正在接近或侵入空中的士在碰撞风险距离内(例如，由于技术故障或飞行员错误)，那么所述方法可将控制移交给经编程以采取紧急动作的机载检测和回避系统。

在一实施例中，目标间隔向量可发送到机载自动驾驶系统，或如果自动驾驶系统不存在或未接通，那么目标间隔向量可显示于飞行员显示器上。

在一实施例中，可由多个侵入空中的士的位置和多个虚拟空中的士的位置限定侵入空域。

在一实施例中，公开了一种用于管理飞行期间参考空中的士的空中的士飞行间隔以符合预定安全间隔距离或标准的方法，所述方法包含以下步骤：接收参考空中的士的位置数据；以球体形式构建参考阵型空域，所述球体具有基于最小纵向间隔参数、最小横向间隔参数和最小竖直间隔参数的尺寸且以参考空中的士的位置作为参考阵型空域的形心；接收最接近参考阵型空域的至少一个其它空中的士的位置数据，且如果至少一个其它空中的士侵入到参考阵型空域中：(1)构建侵入空域，所述侵入空域表示参考阵型空域的至少通过至少一个其它空中的士的位置数据而变形的修改；(2)确定侵入空域的形心；以及(3)将表示到侵入空域的形心的方向的向量发送到参考空中的士。

在一实施例中，所述方法可限定围绕参考阵型空域间隔开的多个虚拟位置，且其中侵入空域由所述多个虚拟位置和侵入空中的士位置表示。

附图说明

可以从结合附图进行的以下详细描述理解所公开的实施例，在附图中：

图1为列明UAM交通工具和UAM空域管理域中的关键属性和核心空中交通管理(ATM)能力的表；

图2示出“周围空中的士”的阵列，那些周围空中的士与相对于中心参考空中的士纵向、横向和竖直地维持最小间隔标准紧密相关；

图3展示如图2中的压缩到其最小间隔空间的间隔相关的周围空中的士的相同阵列，因此产生由围绕中心空中的士的虚拟空中的士组成的参考阵型空域；

图4展示六个空中的士如何组合以形成具有图3中所示相同覆盖范围但此处以三维形式展示的“气泡”；

在图5A中，从气泡的外周绘制两个直径，两个直径的交叉点在圆形的形心处，该形心也是先前气泡的形心；

在图5B中，两个空中的士展示为已侵入参考阵型空域，违反由气泡表示的安全间距，和识别当前变形空域的新形心的位置；

图6A以二维形式说明标准参考阵型空域，其中四个虚拟空中的士中的每一者在相对于中心参考空中的士的最小安全空域位置处就位；

图6B展示与图6A相同的空域，但左侧空中的士中的两个侵入到参考阵型空域中，且中心空中的士基于被侵入空域的形状采取动作以移动到新形心位置；

图7A说明由处于安全间隔距离的两个空中的士组成的参考阵型空域；

图7B说明图7A的相同参考阵型空域，但其中每一空域都被侵犯，将其转向具有新形心的侵入空域且每一空中的士的互补移动独立地移动到其自身的形心位置且由周围的虚拟空中的士控制；

图8根据一实施例说明显示侵入空中的士和中心参考空中的士的仪表操纵板和引导到其相应形心以恢复间隔的每一空中的士的飞行路径；

图9是说明根据一实施例的通过自主间隔单元(ASU)执行的步骤的过程流程图；

图10根据一实施例说明与飞行管理系统、显示单元和飞行引导器系统有关的安装于空中的士中的自主间隔单元的系统框图和流程图；

图11是说明根据一实施例的通过空中交通控制区域中部署的自主间隔单元执行的步骤的过程流程图。

具体实施方式

转向图1，展示概述UAM交通工具103和UAM空域104的关键属性101和核心空中交通管理(ATM)能力102的表。在关于UAM交通工具的表的左上方展示主要特性、交通工具类型和下至导航与路线规划的属性，范围是有人驾驶和自主驾驶到无人机。通过跨越交通工具和空域两者的能力的组合实现空中交通管理(ATM)。惯常，交通工具对安全间隔的贡献为简单通信、经调节的能见度和能够掌握周围空中交通的传感器的组合。最终，类似于自主陆地交通工具中发现的例如雷达和距离测量装备(DME)的机载能力可随着交通密度的增加而部署。然而，目前和在可预见的未来，空域管理方法将成为在除即将发生的碰撞外的所有情形下安全间隔的仲裁者，其中机载检测和回避(DAA)装备提供关键交通工具能力。

相比之下，本公开描述一种使得个别空中的士和类似UAM交通工具能够产生其自身(自主)安全间隔的技术。如先前所提到，自主安全间隔需要满足三个条件：(a)检测空中的士何时已侵入参考空中的士或中心空中的士的空域；(b)独立地产生彼此可兼容或“交感”路线以恢复安全间隔；以及(c)自动控制间隔恢复的方向和范围使得移动到另一空中的士的路径中的可能性得以预先阻止。在满足这些条件的情况下，自主安全间隔为与基于空域的空中交通管理完全兼容的车载空中交通管理能力。

图2示出了四个空中的士的最小间隔圆周201相对于中心参考空中的士202的圆周203的位置。这是可在彼此的间隔球体或气泡不直接相交的情况下环绕中心空中的士的最小数量的空中的士。然而，应注意，由于每一圆周对围绕其自身的空中的士的安全间隔进行定界(subtend)，因此每一空中的士的距离视需要为最小间隔的两倍。中心参考的士周围的空中的士甚至彼此更远离。

图3采用中心空中的士的视角且使距离收缩到所有四个空中的士302，因此每一空中的士正好处于中心参考空中的士301的外周303的安全间隔距离的边缘处。由于在一实施例中的实际安全间隔间距可以由球体表示，因此该球体303S的外周上的任何位置处的空中的士处于最小安全间隔距离。中心参考空中的士301的参考阵型空域303S为最小间隔空域，且通过围绕空域303的外周定位的所有空中的士302的位置进行定界。围绕中心参考空中的士301的此阵型空域303S是数学构造，其具有内部空间和此处由虚拟空中的士302占位的具体限定的外表面或外周303。参考阵型空域303S在中心参考空中的士301移动时连续地移动。计算上，参考阵型空域303的外周的位置是已知的，并且因此如果检测到任何其他空中的士，那么还可确定该空中的士的侵入。类似地，确定侵入空中的士的位置(通过计算或感测位置)还使得能够相对于参考阵型空域303S计算侵入的深度、速率和方向。

图4示出了根据一实施例的在三个维度上观察时的空域的结构。无论是从轴线401还是轴线402的角度来看，视图为相同的。当轴线在中心参考空中的士403处相交的情况下，视图具有延伸“入”页面的三个相同球体。中心参考空中的士位于中心403处。

图5A描绘503A处的平衡空域。空中的士空间的中心(被称为参考阵型空域的形心)被计算为具有直径502A和外周501A的几何形状的平均位置或“重心”。位于中心503A处的空中的士的参考阵型空域不应该被侵入。

图5B示出了根据一实施例的在被两个真实空中的士侵入的参考阵型空域的情况中的形心的概念。出于在图5B和下文中说明的目的，用虚线圆示出虚拟空中的士，且用实心圆表示真实空中的士，例如侵入空中的士。如所示的，原始参考阵型空域501B通过已侵入参考阵型空域的空中的士而已经被修改和变形。根据一实施例，通过侵入空中的士位置来替换虚拟空中的士位置以形成侵入空域而修改参考阵型空域。在一替代实施例中，可通过利用侵入空中的士的位置作为除虚拟空中的士的位置之外的额外点以形成侵入空域而使参考阵型空域变形。在图5B中所示的实施例中，两个虚拟空中的士已经替换为两个侵入空中的士以形成被侵入空域501C。甚至此种完全变形的侵入空域仍具有形心503B，其相对于侵入空域501C的所有顶点的位置可计算为由两个侵入空中的士和两个虚拟空中的士限定的几何形状的形心。

图6A和6B示出了根据一实施例的参考阵型空域的修改，从而产生新被侵入空域，作为用于确定参考空中的士应移动到的新形心位置和目标间隔向量以尽可能快地重新建立安全间隔的基础。参考阵型空域601A控制围绕参考阵型空域的外周的一组虚拟空中的士，参考阵型空域的外周构建为圆形(以二维展示)，该圆形具有的基于目标安全间隔参数的圆形半径的尺寸作为最小间隔距离。除两个虚拟空中的士之外，空中的士602A和空中的士603A表示同样在参考阵型空域601A的边界处的真实空中的士。

图6B示出了以下布置：两个真实空中的士602B和603B已侵入参考阵型空域601A，因此使参考阵型空域601A变形且导致产生由来自参考阵型空域601A的虚拟空中的士组成的新被侵入空域601B，但其中最接近虚拟空中的士中的两个虚拟空中的士由两个侵入空中的士602B和603B替换。因此，侵入空中的士602B和侵入空中的士603B被示出为限定具有604处的最新计算形心的新侵入空域601B。为了开始重新建立间隔，基于空中的士605的当前位置到形心604的位置来计算目标间隔向量606。将目标间隔向量606提供到空中的士605，因此其可沿着目标间隔向量606朝向被侵入空域形心604导航，进而恢复或接近安全间隔。形心位置604将始终表示远离任何侵入空中的士的位置而移动的位置，同时还通过剩下的虚拟空中的士位置而被调节。形心计算的本质是恢复跨越侵入空域的所有顶点的平均平衡，且该趋势是朝向安全间隔，因为该移动远离靠近且将通过配备有ASU技术的还将远离空中的士605在互补方向上移动的其它空中的士而被补充，如将结合图7所解释。在无交互的情况下在互补方向上移动的此功能性动作被称为“交感路线规划”。

转向图7A，现将描述在先前实例中的侵入空中的士中的一者的经历。在正常条件下展示配备有自主间隔单元能力的两个空中的士702A和704A，其中空中的士均尚未侵入另一者的空域。每一空中的士在其参考阵型空域内飞行，即用于空中的士702A的参考阵型空域701A和用于空中的士704A的参考阵型空域703A，两者均定位于最小所需间隔空域的外周上。参考阵型空域如图4中所指出进行重叠，且在一实施例中，卫星GPS数据或传感器通知每一空中的士另一空中的士的存在。同样，出于注解的目的，每一真实空中的士702A和704A用实心圆示出，而框定参考阵型空域的虚拟空中的士用虚线圆示出。当在图7B中空中的士704A已移位到位置704B时(有可能由于风切变驱动空中的士偏离航线)，发生侵入。这种向侵入的转变使两个空中的士的参考阵型空域的外周“变形”，由于对于两者而言间隔都已经被侵入，因此产生新被侵入空域701B和703B，该两个空域现在含有处于安全间隔距离的属于原始参考阵型空域的虚拟空中的士和实际侵入空中的士的组合。在空中的士702B的情况下，侵入空中的士704B限定其侵入空域701B的点。在空中的士704B的情况下，一个侵入空中的士702B涉及用于产生其侵入空域703B。无关于哪一空中的士犯错造成侵入，两个空中的士均处于不安全距离，两个原始参考阵型空域均已被侵入，且理想反应是每一空中的士均采取交感动作恢复安全间隔。

空中的士704B中的ASU系统基于其侵入空域703B计算新形心，从而在现在改变空域的所有点之间产生新形心位置704CENT。类似地，空中的士702B基于空中的士704B施加的变形重新计算其自身的新形心702CENT。形心704CENT位于其被侵入空域中更深的位置并且距其当前位置更远，因为空域的原始外周的其余部分保持完好且用以控制连续移动以防入侵。此功能性动作通过施加虚拟边界来控制进一步间隔。该第三种也是最后一种能力建立自主间隔：侵入检测、交感路线规划和现在受控间隔。

图8示出了根据一实施例的两个空中的士的视觉显示器，其示出了自主间隔单元的轨迹信息。显示器801A展示被侵入空域703B中反映的情形，且其具有空中的士呼叫标志U972。对被侵入空域701B的显示展示于显示器801B中且识别为属于空中的士A231。由于每一空中的士在另一空中的士的参考阵型空域内部，因此每一显示器展示两个空中的士。UA972的显示器801A处于左下方。在此显示器中，空中的士A231呈现为粗虚线圆空中的士803A，包含其识别标记、当前速度和海拔高度。影线箭头802B展示A231 803A是显示器在右侧的空中的士。类似地，A231的显示器801B展示于右下方，且侵入空中的士U972 803B在放射状显示器的左上象限中以粗虚线圆说明且带有其识别呼叫标志、速度和海拔高度。影线802A展示空中的士U972 803B是显示器在左侧的空中的士。在此情境上下文中，且基于每一被侵入空域701B和703B内相应形心位置的后台计算，每一显示器展示每一空中的士应遵循的推荐目标间隔(SEP)向量804A和804B，指示由每一空中的士的ASU系统自主地提供的系统确定的方向和速度。在显示器801A中，向量箭头804A展示来自空中的士A231的系统确定的目标向量。类似地，显示器801B中的间隔向量804B在空中的士A231寻求与空中的士U972间隔时识别针对其提出的目标间隔向量。每一间隔向量通向由每一系统相对于其自身的被侵入空域自主地产生的相应形心目的地。因此，两个间隔向量远离彼此交感地移动以重新建立间隔；均无需任何通信或中央控制。

在一实施例中，目标间隔向量可与空中的士的当前飞行向量“组合”，以在空中的士继续其飞行时导引空中的士朝向形心。

可解决任何数目的侵入，只会导致计算出形心位置的空域的潜在收紧。此外，虽然虚拟空中的士用于框定参考阵型空域且通常用于框定侵入空域的至少一部分，但这些虚拟空中的士并非真实的，因此甚至当形心越来越近时也不会带来真正的危险。实际上，在恢复安全间隔的过程中，框定的虚拟空中的士建立潜在侵入的真实空中的士的最接近位置且限制空中的士的移动范围。

图9示出了根据一实施例的通过安装于空中的士上的自主间隔单元执行的过程流程。左侧的四个框突出显示过程流程的主要步骤：在阶段9-1中，系统基于GPS和相关定位数据建立参考阵型空域且监测侵入；在阶段9-2中，检测到侵入且产生被侵入空域模型；在阶段9-3中，计算出侵入空域形心位置且标绘到所述位置的目标间隔向量；以及在阶段9-4中，目标间隔向量被显示或供应到空中的士的自动驾驶系统，以根据目标间隔向量认定航向。

在步骤901中，通过确保下述内容来启动ASU的操作：输入空中的士ID、设置应答器、可接收到GPS和/或传感器信号，和在一实施例中启用向ATC和其它空中的士的广播和从ATC和其它空中的士的接收。在现代空中的士中，飞行管理系统在步骤902中激活，并且可设置为空中的士的手动操作903或自动驾驶操作904。在步骤905中，系统被配置成建立参考阵型空域，其纵向地、横向地且竖直地围绕处于安全距离的空中的士产生球体。另外，在一实施例中，风险触发器907可设置为管控可能的侵入空中的士在被系统跟踪且被视为威胁之前应处于多远，和空中的士的接近度何时使得间隔系统暂停且检测和回避(DAA)系统911接管。

一旦在空中，在步骤906中，ASU系统监测来自GPS和其它空中的士数据的广播或传感器数据，且在步骤907中评估任何空中的士可造成触发级风险的程度。如果来自正在接近的空中的士的威胁被视为足够的风险，那么在步骤908中，系统将产生侵入空域。在一实施例中，可限定围绕侵入空域的外周间隔开的一组虚拟空中的士，且虚拟空中的士可被来自最接近风险的真实的正在接近的空中的士的数据替换或取代。在步骤909中，评估正在接近的空中的士以确定其是否已侵入空中的士的参考阵型空域。如果正在接近的空中的士未违反间隔距离，那么系统在步骤906中返回到监测附近空中的士。另一方面，在步骤909中，如果违反间隔且正在接近的空中的士已侵入参考阵型空域，那么在步骤910中，检查进入距离以查看其是否如此接近并且接近得如此迅速，以致于在步骤911中系统自动移交到DAA。然而，如果在步骤910中，未触发DAA，那么在步骤912中合并当前和额外空中的士(如果存在)的侵入数据，且在步骤913中构建更新的侵入空域。在步骤914中，计算出侵入空域的形心，且在步骤915中，产生目标间隔向量。在步骤916中，如果在一实施例中，接通自动驾驶，那么在步骤918中，目标间隔向量被显示且供应到空中的士的自动驾驶系统以沿着目标间隔向量导航到形心，这将重新建立安全间隔。如果未接通自动驾驶，那么在步骤917中，显示目标间隔向量信息，可能会有听觉或视觉指示器警示飞行员注意侵入和推荐的目标安全间隔向量。此外，在步骤915中产生目标间隔向量之后，过程返回到步骤908以连续地更新被侵入空域直到在步骤909中确定不再存在间隔违反。

图10示出了根据一实施例的自主间隔单元(ASU)1006，ASU 1006相对于与其交互的机载空中的士系统而部署。在一实施例中，飞行管理系统1001接收并处理来自GPS或传感器系统1003的信息，以及来自通信和导航单元1004的信息，通信和导航单元1004识别其位置且接收并处理其它数据，包含在一实施例中来自空中交通控制以及其它空中的士。此信息和由于其解译而产生的数据和图像显示于飞行显示单元1005a和1005b上。这些显示器共同展示空中的士和周围空中的士的姿势、海拔高度、空速和航向以及相关环境数据。在一实施例中，自动驾驶/飞行引导器系统1007使得飞行员能够解除接入自动驾驶并手动控制空中的士，从而接通飞行控制单元1008以获取和管理电传飞行控制1009，从而导引空中的士的姿势、攻角、空速、通道路径(tunnul path)和其它飞行特性的多个方面。

根据一实施例，自主间隔单元1006可安装且通过直接访问的方式连接到飞行管理系统1001，以便促进例如图8中所示的间隔轨迹等信息的显示，且在通过飞行控制单元1008和电传飞行控制1009手动控制空中的士的情况下，可将飞行数据直接发送到自动驾驶系统1007或仅将导航数据发送到显示单元1005a和1005b。

图11示出了根据一实施例的当部署于UAM空中交通控制或等效功能设置中时通过自主间隔单元系统执行的步骤。左侧的四个框突出显示通过自主间隔单元执行的例程的主要步骤：在步骤11-1中，系统基于接收到的GPS和相关区域定位数据建立参考阵型空域且监测所有指定飞行的数据；在步骤11-2中，系统检测侵入且产生经历间隔的任何空中的士的被侵入空域模型，包含多个事件；在步骤11-3中，系统计算被侵入空域的形心位置且产生到那些形心位置的目标间隔向量；在步骤11-4中，系统显示或引导空中的士以根据其相应间隔向量呈现航向。

在一实施例中，ASU系统与区域控制中心1101整合且与可用的方向和通信系统接合。在一实施例中，如在步骤1102中所指示，ASU在途中以城市空中交通信息区域(airtraffic information region；ATIR)角色部署，指代非基于机场的控制中心，其主要参与管理前往其目的地且因此不在始发地或目的地触发和着陆点的控制范围内的在途中的空中的士。在一替代实施例中，ASU可部署于机场。ASU可在备用模式1103下操作，将数据和信息供应到接着将审查、修正(如果需要)并将推荐的间隔动作传输到多个空中的士的控制员。替代地，在自动模式1104下操作，基于区域控制中心的ASU在跟踪和计算各个参考阵型空域和(在需要时)多个空中的士的侵入空域并视需要确定其目标间隔向量之后同时将指令传输到多个空中的士。

除出于最小空间遵循目的的间隔管理之外，ASU还可计算和传输经设计以优化燃料效率且限制排放的轨迹。城市空中交通信息区域中跟踪多个空中的士且具有对GPS和所有相关传感器、定位、导航和空中的士应答器和通信的完全获取的ASU的特定操作执行以下代表性步骤：

a.在步骤1105中，ASU针对其飞行信息区域中的每一空中的士建立参考阵型空域，且跨越经度、纬度和海拔高度所有三个维度设置风险触发器。

b.接下来，在步骤1106中，ASU继续收集来自区域控制中心输入(GPS和相关传感器和数据)的信息，准备在步骤1107中触发风险限制时作出响应；否则，系统继续监测。

c.当触发风险限制且即将发生参考阵型空域侵入时，在步骤1108中，ASU产生推断侵入的模型，从而等待在步骤1109中已发生侵入的确认判定。如果在步骤1110中，所确认的侵入以此快速的速度进行以使得存在空中的士碰撞的风险，那么ASU因此向所涉及空中的士的飞行员发出警告且指示相应指挥飞行员依赖于所有空中的士上的机载检测和回避(DAA)系统1111，因此具有情景感知的各个飞行员可直接解决相关风险。

d.在步骤1112中，在可能涉及额外空中的士的动态情形下，空域的监控继续专门检测任何额外侵入或也需要加以管理的被触发侵入风险。

e.在步骤1113中，随着被侵入空域继续演变，整体被侵入空域建模和状态持续更新。

f.接着，在步骤1114中，ASU接着产生处于风险的每一空中的士的被侵入空域的形心位置，且形心位置接着在步骤1115中用于设置目标间隔向量。

g.在步骤1116中，空中交通控制员可设置或取消对空中的士的自动化指令，在步骤1117中仅支持显示或在步骤1118中支持显示和指示。

h.图11中的点线分界1119根据一实施例标记自主间隔单元的城市空中交通信息区域/空中交通控制部署中ASU操作的范围。

短语“至少一个”、“一个或多个”、“或”和“和/或”是在操作中具有连接性和间隔性的开放式表达。举例来说，表达“A、B和C中的至少一者”、“A、B或C中的至少一者”、“A、B和C中的一者或多者”、“A、B或C中的一者或多者”、“A、B和/或C”和“A、B或C”中的每一者意味着仅A、仅B、仅C、A和B一起、A和C一起、B和C一起、或A、B和C一起。

术语“一(a/an)”实体指所述实体中的一者或多者。如此，术语“一(a)”(或“一(an)”)、“一个或多个”和“至少一个”在本文中可互换使用。还应注意，术语“包括”、“包含”和“具有”可互换使用。

本文中所论述的步骤、功能和操作中的任一个可连续且自动地执行。

已关于计算装置描述本公开的示范性系统和方法。然而，为了避免不必要地混淆本公开，先前描述省略若干已知结构和装置。此省略不应被解释为限制。阐述特定细节以提供对本公开的理解。然而，应了解，可按除本文中所阐述的特定细节外的多种方式实践本公开。

此外，虽然本文中所说明的示范性方面展示系统的并置的各种组件，但系统的某些组件可远程地位于分布式网络(例如，LAN和/或因特网)的远端部分处或专用系统内。因此，应了解，系统的组件可组合成例如服务器、通信装置等一个或多个装置，或并置于例如模拟和/或数字电信网络、包交换网络或电路交换网络等分布式网络的特定节点上。应了解，根据先前描述且出于计算效率的原因，系统的组件可在不影响系统的操作的情况下布置在组件的分布式网络内的任何位置处。

此外，应了解，连接元件的各种链路可为有线或无线链路或其任何组合，或能够将数据供应和/或传达到所连接元件及从所连接元件供应和/或传达数据的任何其它已知或稍后开发的元件。这些有线或无线链路还可为安全链路且可能够传达加密信息。举例来说，用作链路的传输媒体可为用于电信号的任何合适的载体，包含同轴电缆、铜线和光纤，且可呈声波或光波的形式，例如在无线电波和红外数据通信期间产生的那些声波或光波的形式。

虽然已关于事件的特定序列论述和说明流程图，但应了解，此序列的改变、添加和省略可在不实质上影响所公开的配置和方面的操作的情况下进行。

可使用本公开的若干变化和修改。在不提供其它特征的情况下提供本公开的一些特征将是可能的。

在又一配置中，本公开的系统和方法可结合专用计算机、经编程微处理器或微控制器和外围集成电路元件、ASIC或其它集成电路、数字信号处理器、硬连线电子或逻辑电路(例如，离散元件电路)、可编程逻辑装置或栅极阵列(例如，PLD、PLA、FPGA、PAL、专用计算机、任何相当构件等)来实施。一般来说，能够实施本文中所说明的方法的任何装置或构件可用于实施本公开的各种方面。可用于本公开的示范性硬件包含计算机、手持型装置、电话(例如，蜂窝式、启用因特网、数字、模拟、混合等)和此项技术中已知的其它硬件。这些装置中的一些包含处理器(例如，单个或多个微处理器)、存储器、非易失性存储装置、输入装置和输出装置。此外，也可以构建替代软件实施，包含但不限于分布式处理或组件/对象分布式处理、并行处理，或虚拟机械处理，以实施本文中所描述的方法。

在又一配置中，所公开方法可易于使用提供可在多种计算机或工作站平台上使用的便携式源代码的对象或面向对象的软件开发环境结合软件来实施。替代地，所公开的系统可使用标准逻辑电路或VLSI设计部分地或完全地实施于硬件中。使用软件还是硬件来实施根据本公开的系统取决于系统的速度和/或效率要求、特定功能和正利用的特定软件或硬件系统或微处理器或微型计算机系统。

在又一配置中，所公开方法可部分地实施于软件中，所述软件可存储于存储媒体上、在控制器和存储器、专用计算机、微处理器等的协作下在经编程通用计算机上执行。在这些情况下，本公开的系统和方法可实施为嵌入在个人计算机上的程序，例如小程序、或CGI脚本，作为驻存于服务器或计算机工作站上的资源，作为嵌入在专用测量系统、系统组件等中的例程。系统还可通过将系统和/或方法物理地并入到软件和/或硬件系统中来实施。

如果描述，那么本公开不限于标准和协议。本文中未提及的其它类似标准和协议存在且包含在本公开中。此外，本文中所提及的标准和协议以及本文中未提及的其它类似标准和协议周期性地被具有基本上相同功能的更快或更有效等效物取代。此类具有相同功能的替换标准和协议被视为包含在本公开中的等效物。

Claims (21)

1.一种用于对共享空域中多个空中的士的空中的士飞行间隔进行管理以符合包括最小纵向间隔参数、最小横向间隔参数和最小竖直间隔参数的预定间隔标准的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

接收所述共享空域中的所述空中的士中的每一者的当前位置数据，

针对空中交通信息区域中的所述空中的士中的每一者，以球体形式构建参考阵型空域，所述球体具有基于所述最小纵向间隔参数、所述最小横向间隔参数和所述最小竖直间隔参数的尺寸且以所述参考阵型空域的形心作为所述空中的士的当前位置，

对于所述共享空域中的第一空中的士，将所述交通信息区域中的所述第一空中的士的所述参考阵型空域与第二空中的士的所述当前位置进行比较，以确定所述第二空中的士是否已侵入所述第一空中的士的所述参考阵型空域，且如果所述第二空中的士已侵入所述第一空中的士的所述参考阵型空域：

构建所述第一空中的士的侵入空域，所述第一空中的士的所述侵入空域表示所述第一空中的士的所述参考阵型空域的通过所述第二空中的士的位置数据而变形的修改，

确定所述第一空中的士的所述侵入空域的形心，以及

生成由从所述第一空中的士的所述当前位置到所述第一空中的士的所述侵入空域的所述形心的方向限定的目标间隔向量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：将所述目标间隔向量传输到所述第一空中的士。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：将所述目标间隔向量传输到与所述共享空域相关联的空中交通控制系统。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：对于所述共享空域中的所述空中的士中的每一者，相对于所述共享空域中的所有其它空中的士连续地重复接收步骤、构建步骤和比较步骤。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，构建所述第一空中的士的侵入空域的步骤通过以下步骤执行：限定围绕所述第一空中的士的所述参考阵型空域的表面间隔开的6个虚拟空中的士的位置，且将所述虚拟空中的士中最接近所述第二空中的士的一个虚拟空中的士的位置修改到所述第二空中的士的位置。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

当所述第二空中的士位于所述第一空中的士的所述参考阵型空域的接近距离内时，产生接近风险警告，和

将所述接近风险警告发送到以下中的至少一者：所述第一空中的士、所述第二空中的士或与所述共享空域相关联的空中交通控制系统。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述共享空域为飞行信息区域。

8.一种用于在飞行期间管理参考空中的士的空中的士飞行间隔以符合包括最小纵向间隔参数、最小横向间隔参数和最小竖直间隔参数的预定间隔距离的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

接收所述参考空中的士的当前位置数据，

以球体形式构建参考阵型空域，所述球体具有基于所述最小纵向间隔参数、所述最小横向间隔参数和所述最小竖直间隔参数的尺寸且以所述阵型空域的形心作为所述参考空中的士的当前位置，

限定围绕所述参考阵型空域的表面间隔开的6个虚拟空中的士的位置，

至少接收在距所述参考阵型空域的预定距离内的其它空中的士位置数据，且如果所述其它空中的士中的至少一者侵入所述参考阵型空域：

构建由所述6个虚拟空中的士的所述位置限定的侵入空域，其中将所述虚拟空中的士中最接近侵入空中的士的一个虚拟空中的士的位置修改成所述侵入空中的士的位置，

确定所述侵入空域的形心，

产生从所述参考空中的士的所述当前位置延伸到所述侵入空域的所述形心的目标间隔向量，以及

将所述目标间隔向量发送到所述参考空中的士。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，将所述目标间隔向量与所述参考空中的士的当前飞行向量结合，以提供用于导引所述参考空中的士的新向量。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，连续地实时执行所述步骤。

11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

当所述其它空中的士中的至少一者在距所述参考阵型空域的接近距离内时，产生接近风险警告，和

将所述接近风险警告发送到所述参考空中的士。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，当所述其它空中的士中的所述至少一者在距所述虚拟空中的士中的一者的所述接近距离内时，产生所述接近风险警告。

13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述接近距离至少部分地基于所述其它空中的士中的所述至少一者的方位和方向。

14.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述参考空中的士包括检测和回避系统，所述方法还包括以下步骤：

配置由碰撞风险距离限定的碰撞风险触发器，

如果所述其它空中的士中的至少一者在距当前参考空中的士位置的所述碰撞风险距离内，那么接通所述检测和回避系统。

15.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述参考空中的士包括自动驾驶系统，所述方法还包括以下步骤：

如果接通所述自动驾驶系统，那么将所述目标间隔向量发送到飞行员显示器且将所述目标间隔向量发送到所述自动驾驶系统以自主地将所述参考空中的士导引到所述侵入空域的所述形心，

如果未接通所述自动驾驶系统，那么将关于所述目标间隔向量的信息发送到飞行员显示器。

16.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，确定多个所述其它空中的士已侵入所述参考阵型空域，且所述侵入空域由所述多个侵入空中的士的位置和所述虚拟空中的士的位置限定。

17.一种用于在飞行期间管理参考空中的士的空中的士飞行间隔以符合包括最小纵向间隔参数、最小横向间隔参数和最小竖直间隔参数的预定间隔距离的方法，其特征在于，所述方法包括：

接收所述参考空中的士的位置数据，

以球体形式构建参考阵型空域，所述球体具有基于所述最小纵向间隔参数、所述最小横向间隔参数和所述最小竖直间隔参数的尺寸且以所述参考空中的士的所述位置作为所述参考阵型空域的形心，

接收最接近所述参考阵型空域的至少一个其它空中的士的位置数据，

如果所述至少一个其它空中的士侵入到所述参考阵型空域中，

构建侵入空域，所述侵入空域表示对通过至少所述至少一个其它空中的士的所述位置数据而变形的所述参考阵型空域的修改，

确定所述侵入空域的形心，以及

将向量发送到所述参考空中的士，所述向量表示到所述侵入空域的所述形心的方向。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

限定围绕所述参考阵型空域的表面间隔开的多个虚拟位置，且其中所述侵入空域由所述多个虚拟位置和侵入空中的士的位置表示。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述多个虚拟位置包括一组6个位置。

20.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

限定围绕所述参考阵型空域的表面间隔开的多个虚拟位置，且其中所述侵入空域由所述多个虚拟位置表示且所述多个虚拟位置中的一者被所述侵入空中的士的位置取代。

21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述多个虚拟位置包括一组6个位置。