JP2009515771A - 自動上空旋回飛行のための制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】 航空機を、コマンドされた中心及び半径の円（サークル）をぐるりと回るように、コマンドされた高度及び速度で、自動的に飛行させる飛行制御システムを提供する。
【解決手段】 航空機のための飛行制御システムが、円形の地上航跡を画定するための、地理空間上の点の位置及び地理空間上の点を中心とする円の半径の両コマンド値を表すコマンド信号を受信するように構成されている。センサが、航空機の地理空間上の位置を決定し、航空機の位置を表す位置信号を供給する。航空機上で飛行制御装置にコマンドするためのコントローラが、航空機の飛行を制御し、コマンド信号及び位置信号を受信するように構成されている。コントローラは、コマンド信号及び位置信号を用いて飛行制御装置を操作し、概ね円形の地上航跡の接点の方へ航空機を向けるように、そして次に円形の地上航跡に沿って飛行経路を維持するように、航空機の飛行を制御する。
【選択図】 図２Ａ

Description

本発明は、航空機の飛行制御システムの分野に関し、詳細には、選択された固定点または動点の周りに円形の飛行経路を実現しかつ維持するためのシステムに関する。

例えば事故現場や捜索区域など特定の目標地域の周りに閉ループの地上航跡を描く経路で航空機を飛行させることは、多くの場合に望ましい。利点の１つは、航空機が、航空機から目標地域の方を継続して見通せるような目標地域からの距離を維持することである。

航空機に搭乗しているパイロットによってであろうと、航空機を遠隔に操縦しているパイロットによってであろうと、航空機が手動制御下で操縦されているときには、パイロットは、目標地域を視認し、視認に応じて航空機の飛行を制御することによって、所望の経路を維持し得る。これを成し遂げ得る１つの方法は、目標地域の上空を旋回するために概ね定常旋回しながら、パイロットが航空機をバンクさせた姿勢で飛行させることである。パイロットは、ある特定の点の周りに円形の経路で航空機を飛行させることを試みることがあり、そのような点は、無線信号などの従来の航行手段によって、あるいは全地球測位システムを用いて配置されることができよう。円形の経路を維持するために、パイロットは、選択された点から一定の半径距離を維持しなければならない。

閉ループを飛行するための代わりの方法は、ルーピングシーケンスにおいて、航空機をウェイポイントへ飛行させ、次のウェイポイントに向かって旋回させることである。この方法は、図１に示されており、ここでは目標地域１１の周りに概ね円形の経路１３が描かれている。経路１３は、複数のウェイポイントと、互いに隣接するウェイポイント同士を接続する飛行セグメントによって画定される。図のように、経路１３は、ＡからＨまで標識された８つのウェイポイントを含む。もっとも、経路１３は、それより多いかまたは少ないウェイポイントを含むこともある。パイロットは、各ウェイポイントから隣接するウェイポイントへ航空機を飛行させ、経路はいずれの方向に向かっていてもよい。例えば、航空機は、経路１３をウェイポイントＡから開始して、セグメント１５に沿ってウェイポイントＢに向かって一直線に飛ぶことができる。ウェイポイントＢでは、パイロットは航空機をウェイポイントＣにまっすぐ向くように旋回させ、セグメント１７に沿って航空機を飛行させる。パイロットは、一直線のセグメントに沿って後に続くウェイポイントへの飛行を続け、ウェイポイントＨからウェイポイントＡまでセグメント１９に沿って飛行させることによって経路１３を完成させる。パイロットは、その後、ウェイポイントＢへ再度飛行させることによって経路１３を辿り続けることもある。

航空機に搭乗しているかあるいは遠く離れているパイロットが手動で航空機を所望の経路で飛行させるという要求は、パイロットの作業量を増大させ、パイロットが目標地域を視認する能力を低下させる。また、風の強い条件では特に、パイロットが上空旋回中にその場所から所望の距離を維持することは困難であろう。円形の経路を描くウェイポイント手法の場合、経路は大きな半径及び／または多数のウェイポイントを有していなければならい。そのようなウェイポイント群を選択することは、困難でありかつ多大な時間を必要とするであろう。

多くの現代の航空機は、有人及び無人の航空機を含めて、選択された飛行パラメータを選択された値またはその付近に維持するための飛行制御システムを有する。これらのパラメータには、高度、機首方位、地上航跡、姿勢及び／または速度が含まれることがあり、制御システムは、航空機の飛行制御システムに送信されるコマンドによって各パラメータを維持する。速度は、航空機の対気速度または慣性速度として制御され得る。対気速度は、航空機が飛行している気団に対する航空機の前進速度として定義されるが、慣性速度は、航空機がその上空を飛行している地面に対する航空機の速度として定義される。

既存の飛行制御システムは、複数のウェイポイントへの飛行によって閉ループ経路に沿った自動飛行を提供する。代わりに、航空機は、ある領域の周りまたは近くをロイター飛行するようにコマンドされることがあり、このときには飛行制御システムが航空機を複雑なパターンまたは地上航跡で飛行させる。例えば、一部のシステムは、ＧＰＳ座標として与えられるかまたは他の座標系によって与えられることがある地上の選択された点の上空を飛行するように航空機を制御し、その後、再び同じ点の上空を飛行するように航空機を旋回させることがある。これらの経路の地上航跡は、「８の字」などの規則的なパターンであることがあり、あるいは経路は不規則な形状のものであることがある。これらのシステムの欠点は、システムが、継続して見通しを与えられないことがあり、あるいは目標地域の視認を続けるために航空機上の観測員または装置の再配置を必要とすることがあるということである。

航空機を、コマンドされた中心及び半径の円（サークル）をぐるりと回るように、コマンドされた高度及び速度で、自動的に飛行させる飛行制御システムが必要である。

従って、本発明の目的は、航空機を、コマンドされた中心及び半径の円をぐるりと回るように、コマンドされた高度及び速度で、自動的に飛行させる飛行制御システムを提供することである。

航空機のための飛行制御システムが、円形の地上航跡を画定するための、地理空間上の点の位置及び地理空間上の点を中心とする円の半径の両コマンド値を表すコマンド信号を受信するように構成される。センサが、航空機の地理空間上の位置を決定し、航空機の位置を表す位置信号を供給する。航空機上で飛行制御装置にコマンドするためのコントローラが、航空機の飛行を制御し、コマンド信号及び位置信号を受信するように構成されている。コントローラは、コマンド信号及び位置信号を用いて飛行制御装置を操作し、概ね円形の地上航跡の接点の方へ航空機を向けるように、そして次に円形の地上航跡に沿って飛行経路を維持するように、航空機の飛行を制御する。

本発明は、幾つかの利点を与えるが、そのような利点には、（１）システムが航空機を選択された中心及び半径を有する円軌道を飛行するように自動的に操作する能力と、（２）円の内側または外側に位置する最初の点から円にインターセプトして飛行する能力とが含まれる。

本発明は、航空機が選択された目標地域に向かって飛行し、指定された半径、高度及び速度で目標地域内の選択された点の上空を旋回するように航空機の飛行を自動的に制御するように構成された飛行制御システムを対象としている。具体的には、システムは、航空機を旋回時にバンクさせるためのバンクコマンドを生成し、選択された円形の経路を飛行させるために速度及び高度エラー信号とともにバンクコマンドを用いる。制御システムは、円を画定するために空間内の１つの点と半径しか必要とせず、ヘリコプター、ティルトローター、固定翼機を含む全ての種類の有人及び無人の航空機の飛行を制御するのに役立つ。本システムは、監視、捜索、救助、軍事任務を行う航空機における使用に特に適している。

例えば、外傷患者を搬送するために用いられる医療用脱出ヘリコプターは、事故現場へ派遣されるときに本システムを用いることができよう。運航管理者は、ヘリコプターの乗組員に事故の座標を与えるであろうし、システムは、ヘリコプターが陸上の目印を追跡する必要もなく可能な限り最速の時間でそこに辿り着くことを可能にするであろう。同様に、警察のヘリコプターは、指定された位置へ派遣され、パイロットからの入力の必要なしにその位置の上空を旋回することができる。交通情報を伝えるために用いられるヘリコプターのためのシステムの使用は別の例でありでありの、ヘリコプターは、指定された事故現場または交通の現場に迅速かつ容易に到着し、その後に現場上空を旋回することができる。軍用機は、本発明のシステムをガンシップに対して用いることができ、航空機に識別された標的の上空を旋回させることができる。

本発明のシステムは、次のパラメータ群、即ち、（１）円の中心点即ちサークルポイント、（２）円の半径、（３）飛行時の対気速度または慣性速度、（４）飛行時の高度、（５）飛行時に円をぐるりと回る方向、を選択することによって、任意の選択された点（経度及び緯度、または飛行制御システム内にプログラミングされた別の基準系において指定される）を中心とする円形の経路で自動的に飛行するように航空機にコマンドする。円のパターンは、半径及び／またはコマンドされた対気速度を連続的に変えることによって任意の次元の螺旋に変えられることができることに留意されたい。円の中心点が固定されたままである必要もない。中心点は、中心点の速度が航空機のコマンドされた速度より低速である限り、動く標的であってもよい。

図面を参照すると、図２Ａは、本発明による制御システムの一実施形態の概略図である。制御システム２１は、例えば図３の航空機２３などの無人の、遠隔操縦される航空機とともに用いられるように特別に構成されている。もっとも、その代わりに、システム２１は任意のタイプの有人または無人の航空機とともに用いられるように構成されることもある。航空機２３は、可動ナセル２７に回転可能に取り付けられているプロップロータ２５によって推進されるティルトローター機である。各ナセル２７は、結合されている翼２９に対して、図示されている飛行機の飛行モードに対応する姿勢と、プロップロータ２５が概ね水平な面で回転するヘリコプターモードに対応する姿勢との間で、枢動することが可能である。プロップロータは、胴体３１内または各ナセル２７内に収納される１若しくは複数のエンジン（図示せず）によって動力を供給される。タレット３３が胴体３１上に回転可能に取り付けられ、センサ（図示せず）のための回転可能な台を提供している。センサには、光センサ、赤外線光センサ、または他のタイプのセンサが含まれることがある。図２のシステム２１は、コンピュータを利用したものであり、航空機２３内に設けられるのが好ましい。もっとも、システム２１の一部は航空機から離れて配置されてもよい。

再び図２Ａ及び図２Ｂを参照すると、システム２１は、航空機２３に設けられたレシーバ３７を介して地上管制局（ＧＣＳ）３６から送信されるコマンドデータを受信する自動上空旋回飛行制御システム３５を含み、コマンドデータはコマンドされた上空旋回操作に対するパラメータを表す。さらに、システム３５には、航空機２３の位置、速度及び高度を表すデータも供給される。位置データは、少なくとも１つのポジションセンサ３９、例えば、慣性航法センサ（ＩＮＳ）、レーダーシステム、または全地球測位システム（ＧＰＳ）信号から位置を計算できるセンサなどによって供給される。少なくとも１つの速度センサ４１が、航空機２３の速度を表すデータを供給し、この速度は、上空旋回操作中にコマンドされた飛行速度との比較のために、対気速度及び／または慣性速度として測定されることがある。示されている実施形態において、コマンドされる速度及び測定される速度は、航空機２３の対気速度である。高度センサ４３が高度データを供給するが、高度データは海抜高度として、あるいは局所地形上の高度として供給されることがある。システム３５は、センサ３９、４１、４３によって供給されるデータ及びレシーバ３７からのコマンドデータを用いて航空機２３上の飛行制御装置４５を操作し、航空機２３をコマンドされたパラメータに従って飛行させる。

図２Ｂは、３つのシステムセクション４７、４９、５１を含む上空旋回飛行制御システム３５のフローチャート図であり、各セクション４７、４９、５１は、航空機２３の飛行のある側面に影響を与えるように計算を実行する。セクション４７はバンクコマンド信号５３を生成し、セクション４９は対気速度エラー信号５５を生成し、セクション５１は高度エラー信号５７を生成する。信号５３、５５、５７の組合せにより、システム３５は、航空機２３をコマンドされた経路で操作するように飛行制御装置４５にコマンドすることができる。

操作中に、システム３５のセクション４７は、ステップ５９においてコマンドされた上空旋回ポイントまでの距離及び方位を計算する。これらの計算は、レシーバ３７を介して供給される上空旋回ポイントの位置を、ポジションセンサ３９によって供給される航空機位置と比較することによって算出される。これらの計算は、次に、ステップ６１において、地上航跡を決定するために用いられる。地上航跡は、航空機２３の現在の位置からコマンドされた円に接する点への、航空機２３の上から見た航空機２３の飛行経路の２次元投射である。地上航跡は、円の中心点から接点までの距離を示す選択された半径を用いることによって、そして、地上航跡がインターセプトすることになるのは円のどちら側であるかを判定する円をぐるりと回る進行方向を用いることによって計算される。地上航跡は、接点で円の半径に垂直であるまっすぐな経路であるのが好ましいが、ぶつからないようにしたり（地勢回避）、見つからないようにしたり（検出回避）するために必要の場合には他の経路が用いられることもある。選択された半径及び進行方向（時計回りまたは反時計回り）もまた、レシーバ３７を介してシステム３５に供給される。円は、円の外側または内側のいずれか一方から進入（アプローチ）されることができ、それがいずれの側であるかはシステム２１にコマンドが与えられたときの円に対する航空機の速度及び位置によって決まる。

コマンドされた円の半径より接点までの距離の方が大きいときは、セクション４７は航空機２３の飛行を接点に向けて制御する。航空機２３が接線にインターセプトする（または接点の選択された距離内にある）ときにステップ６３が生じるや、セクション４７は、航空機２３を円の円周に沿って連続的に飛行させるようにバンクコマンド５３を生成し始める。ステップ６５では、航空機２３の位置が連続的に円の半径位置と比較され、円の中心からの航空機２３の距離が決定される。この距離がコマンドされた半径より大きければ、それは半径エラーを示しており、ステップ６５は、半径エラーを０にさせるために飛行制御装置４５へのバンクコマンド５３を変更する。

図２Ｂの実施形態において、システム３５のセクション４９は対気速度エラー５５を計算し、対気速度エラー５５は選択された対気速度を維持するように航空機２３上のスロットルまたは他の装置を制御するために用いられる。選択される対気速度は、航空機２３が所望の円の接点に向かって飛行しているときのコマンドされた対気速度（「往航（fly-to）」対気速度）または航空機２３が円をぐるりと回るように飛行しているときに維持すべきコマンドされた対気速度（上空旋回（circle）対気速度）のいずれかである。さらに、セクション４９は、対気速度の値が異なるならば、航空機２３の対気速度を「往航」対気速度から上空旋回対気速度へ変えるためのランピング機能（ramping function）を含む。ランプ率（ramp rate）は、対気速度の変化速度、例えば毎秒１ｋｔとして表される。

セクション４９の始めで、ステップ６７は、航空機２３が円にインターセプトするのとほぼ同時に航空機２３が選択された上空旋回対気速度で移動していることになるように、円からの距離がどれくらいになったら既存の対気速度コマンドからランプさせ始めるべきかを算出する。この距離出力は、図中に「Ｂ」として示されており、ステップ６９の出力と比較される。ステップ６９は、選択された半径及び円の中心までの距離を用いて接点までの距離を決定する。円の中心までの距離は、セクション４７のステップ５９から出力される。接点までの距離を表す出力値は、図中に「Ａ」として示されている。

ステップ７１では、値Ａ及びＢは比較され、ＡがＢより小さいかどうか判定される。ＡがＢより小さくなければ、それは航空機２３が接線インターセプト・ポイントからまだ遠すぎて対気速度のランピングを開始できないことを意味し、システム３５は、ノード７３への対気速度コマンド出力として前の「往航」対気速度コマンドを用い続ける。対気速度コマンド出力は、航空機２３の現在の対気速度を表すフィードバック信号と足し合わされ、その和が対気速度エラー５５になる。これは、航空機２３上の装置を操作して対気速度エラー５５が最小になるように対気速度を制御するために用いられる。ＡがＢよりも小さければ、それは航空機２３が選択されたランプ率で対気速度をランプさせるのに必要な接点からの距離または距離内にいることを意味する。ステップ７５は、前のコマンドから上空旋回対気速度コマンドへ選択されたランプ率で対気速度コマンド出力をランプさせるための新たな対気速度コマンド出力を生じさせ、この対気速度コマンド出力は、対気速度エラー５５を計算するためにノード７３で対気速度フィードバック信号と足し合わされる。

対気速度エラーを計算するのにセクション４９で用いられたのと同じ方法で、セクション５１は高度エラー５７を計算する。これは、飛行操縦翼面または選択された高度を維持するように航空機２３上の他の装置を操作するために用いられる。選択された高度は、航空機２３が所望の円の接点に向かって飛行しているときのコマンドされた高度（「往航」高度）または航空機２３が円をぐるりと回るように飛行しているときに維持すべきコマンドされた高度（上空旋回高度）のいずれかである。さらに、セクション５１は、高度の値が異なるならば、航空機２３の高度を「往航」高度から上空旋回高度へ変えるためのランピング機能を含む。ランプ率は、高度の変化速度、例えば毎分１０００フィート（３０４．８メートル）として表される。

セクション５１の始めで、ステップ７７は、航空機２３が円にインターセプトするのとほぼ同時に航空機２３が選択された上空旋回高度で移動していることになるように、円からの距離がどれくらいになったら既存の対気速度コマンドからランプさせ始めるべきかを算出する。この距離出力は、図中に「Ｃ」として示され、ステップ７９においてステップ６９の出力「Ａ」と比較されてＡがＣよりも小さいかどうかが判定される。ＡがＣよりも小さくなければ、航空機２３は接線インターセプト・ポイントからまだ遠すぎて高度のランピングを開始できず、システム３５は、ノード８１への高度コマンド出力として前の「往航」高度コマンドを用い続ける。高度コマンド出力は、航空機２３の現在の高度を表すフィードバック信号と足し合わされ、その和が高度エラー５７になる。これは、航空機２３上の装置を操作して高度エラー５７が最小になるように高度を制御するために用いられる。ＡがＣよりも小さければ、航空機２３は、選択されたランプ率で高度をランプさせるのに必要とされる接点からの距離または距離内にいる。ステップ８３は、前のコマンドから上空旋回高度コマンドへ選択されたランプ率で高度コマンド出力をランプさせるための新たな高度コマンド出力を生じさせ、この高度コマンド出力は、高度エラー５７を計算するためにノード８１で高度フィードバック信号と足し合わされる。

図に示されている実施形態には、航空機の速度を制御するために対気速度コマンドを使用することが含まれることに留意されたい。もっとも、それに加えて、またはそれに代えて、システム３５により制御される航空機の速度をコマンドするために慣性速度コマンドが用いられることもある。また、コマンドされた円を実現するために、ある一定の拘束が順守されなければならない。例えば、指定された速度及び半径は、航空機が連続的に円の円周を行き過ぎないように適合するものでなければならない。

システム２１において、システム３５に対するコマンドは、地上管制局（ＧＣＳ）から航空機へ送信されるものとして示されている。もっとも、他のコマンド入力方法が用いられることもある。例えば、航空機の飛行前にシステム３５に全てのコマンドが入力されることがあり、この方法は、航空機が、円までの所定の航路を飛行し、コマンドされたパラメータを用いて選択された時間にわたって円を描いて飛行し、その後、出航地または代替位置にある陸地へ帰航することになるときに実用的であるかもしれない。代わりに、例えば「往航」速度及び／または高度の値など、選択されたコマンドしか飛行前に入力されないことがある。選択された半径を連続的に変えることによって任意の指定された次元の螺旋に航空機を飛行させることは、システム３５を用いて容易にできることにも留意されたい。

操縦航空機では、目標位置がシステム３５に予めプログラミングされていることが可能であり、または標的が確認されているときにパイロットがデータを入力することが可能であり、あるいは目標位置が任意の数の供給源からパイロットに送信されることが可能である。完全に自動化されたシステムでは、パイロットが航空機を飛行させる必要はないであろう。システム３５は、完全に自動的に円を描いて飛行する能力の有無を問わず、操縦航空機上で用いられることもできよう。フライト・ディレクタの助けを借りて、パイロットは、指定されたサークル・インターセプト・ポイントへ航空機を手動で飛行させるため、そして円をぐるりと回るような飛行を維持するために、システム３５によって供給される次の視覚的合図によって必要な情報を与えられることができる。

システム３５が円にインターセプトするように作動する状況は２つのタイプがあり、１）上空旋回コマンドがシステム３５に与えられるときに航空機がコマンドされた円の外側にあるときと、２）上空旋回コマンドがシステム３５に与えられるときに航空機がコマンドされた円内にあるときである。図４ないし図８は、上空旋回コマンドが受信される（または、飛行前に入力されるのであれば、作動される）ときに航空機が北に向かって（機首方位０度）飛行している状況でシステム３５を用いる航空機に対する地上航跡を説明している。図４及び図５は、航空機がコマンドされた円の外側にある状況を説明しており、図６ないし図８は、航空機がコマンドされた円の内側にある状況を説明している。地上航跡は航空機の高度を示していないが、それは地上航跡が飛行経路の２次元俯瞰図だからである。

円の外側から円に進入するとき、システム３５は、次のシーケンス（手順）を実行する。

１．航空機からコマンドされた円の接点までの距離及び方向を算出する。

２．コマンドされた円をぐるりと回る方向に対応する接点で円にインターセプトするように航空機の飛行経路をコマンドする。

３．円にインターセプトするときに上空旋回速度を得るために（指定された速度ランピング率を用いて）速度／距離プロフィールを算出する。

４．上空旋回速度で円にインターセプトするために速度を変えることが必要になるまで現在のコマンドされた速度を維持し、その後は、算出された速度／距離プロフィールに従う。

５．円にインターセプトするときに上空旋回高度を得るために（指定された高度ランピング率を用いて）高度／距離プロフィールを算出する。

６．上空旋回高度で円にインターセプトするために高度を変えることが必要になるまで現在のコマンドされた高度を維持し、その後は、算出された高度／距離プロフィールに従う。

７．航空機が接点の指定範囲限界内の点に到達したとき、円中心を中心とする円の半径のところに航空機を維持するように瞬間旋回率を生じさせるためのバンクコマンドを供給する。

８．コマンドされた円を描いて飛行し続けるために、速度、高度及び旋回率をコマンドし続ける。

９．上空旋回パラメータが与えられ、かつ計算された接点を航空機が通過するときに速度が高速すぎるならば、航空機は、現在の位置から接点を再計算することによって別の進入を試み、その点への適切な経路を飛行して円を実現することになる。

図４は、中心８９及び半径９１を有する円８７にインターセプトして円８７をぐるりと回るように飛行するようにシステム３５にコマンドされた航空機に対する地上航跡８５を示している。地上航跡８５は距離グラフ上にプロットされているが、これは、円半径９１が１０００フィート（３０４．８メートル）であることと、円の中心８９が、航空機の初期位置及び機首方位の２０００フィート（６０９．６メートル）東、航空機の初期位置の２０００フィート（６０９．６メートル）北に位置していることを示している。先ず、航空機は、地上航跡８５の部分９３に沿って飛行しており、部分９３は、真北かつ０フィート（０メートル）東を示す垂直線に沿っている。上空旋回コマンドは、航空機が約５００フィート（１５２．４メートル）飛行し終えたときに作動され、航空機は、北東方向の「往航」部分９５に沿って飛行するように旋回し、円８７の西側域にインターセプトして円８７をぐるりと時計回り方向に飛行する。航空機が接点９７の選択された距離内にあるとき、システム３５は、航空機の飛行経路を中心８９の周りに半径９１で維持するように作動するバンクコマンドを供給する。図に示されているように、航空機は、先ず円８７の円周から僅かに外れた曲線状の経路を飛行することがある。もっとも、これは、システム３５がバンクコマンドを用いてエラーを最小にするように作動する際に修正されることになる。

図５は、円１０１の外側から円１０１にインターセプトしかつ維持するようにシステム３５にコマンドされた航空機に対する地上航跡９９を示している。図４の円８７のように、円１０１は、１０００フィート（３０４．８メートル）の半径１０３と、航空機の初期位置及び機首方位の２０００フィート（６０９．６メートル）東、航空機の初期位置の２０００フィート（６０９．６メートル）北に位置している中心１０５とを有する。この例においては、航空機は、円１０１をぐるりと反時計回り方向に飛行することになり、部分１０７から「往航」部分１０９への航空機の最初の旋回は、航空機を円１０１の南側域にある接点１１１の方へ向ける。航空機が接点１１１の指定範囲内に入るや、システム３５は、航空機を選択された高度及び速度で円１０１をぐるりと回るように飛行させるようにバンクコマンドを供給する。

航空機は、航空機がすでに所望の円の円周内にあるとき、円へのコマンドを受信することがある。円の内側から円に進入するとき、システム３５は、次のシーケンス（手順）を実行する。

１．円の内側から円半径に進入する速度及び方向を算出する。初期速度が高速すぎるならば、円の外側を通過して外側から進入することが必要になるであろう。

２．円半径にインターセプトする速度及び方向をコマンドする。

３．上空旋回高度を実現するために上昇または降下を開始する。高度が実現される前に円半径が実現されるならば、所望の高度が実現されるまで上昇または降下を続ける。

４．航空機が円半径の指定範囲限界内の点に到達したとき、その円半径のところに航空機を維持するように瞬間旋回率を生じさせるためのバンクコマンドを供給する。

５．コマンドされた円を描いて飛行し続けるために、速度、高度及び旋回率をコマンドし続ける。

図６は、円１１５を飛行するようにシステム３５にコマンドされた航空機に対する地上航跡１１３を示している。円１１５は、４０００フィート（１２１９メートル）の半径１１７と、航空機の初期位置の真東３０００フィート（９１４．４メートル）に位置する中心１１９とを有するので、航空機は円１１５内１０００フィート（３０４．８メートル）に位置することになる。この例では、航空機は、円１１５をぐるりと反時計回り方向に飛行するようになっており、最初の部分１２１から航空機を横に傾けて飛行する部分（バンク部分）１２３への航空機の最初の旋回は、航空機を円１１５の北西側域にあるインターセプト・ポイント１２５の方へ向ける。航空機は、航空機が円１１５を行き過ぎてしまうほど十分に高速で移動しているかもしれないが、そのような場合には所望の半径を実現するために航空機がバンク操作を続けることになる。こうする間に、システム３５は、所望の上空旋回速度を実現するために航空機に加速または減速するようにコマンドすることになる。また、システム３５は、所望の上空旋回高度を実現するために航空機に上昇または降下するようにコマンドすることになる。

図７は、円１２９を反時計回り方向に飛行するようにシステム３５にコマンドされた航空機に対する地上航跡１２７を示している。図６に示した例のように、図７の地上航跡は、航空機の初期位置が円１２９内にあり、円１２９は４０００フィート（１２１９メートル）の半径１３１と、航空機の初期位置の真東３０００フィート（９１４．４メートル）に位置する中心１３３とを有することを示している。最初の部分１３５からバンク部分１３７への航空機の最初の旋回は、航空機を円１２９の南西側域にあるインターセプト・ポイント１３９の方へ向ける。システム３５は、航空機に部分１３７で円１２９から抜け出して弧を描くようにコマンドするので、航空機は、ほとんどまたは全く行き過ぎることなくインターセプト・ポイント１３９へ飛行し、その後バンクして所望の円半径を実現しかつ維持することができる。こうする間に、システム３５は、所望の上空旋回速度を実現するために航空機に加速または減速するようにコマンドすることになる。また、システム３５は、所望の上空旋回高度を実現するために航空機に上昇または降下するようにコマンドすることになる。

図８もまた、円１４３内の初期位置から円１４３を反時計回り方向に飛行するようにシステム３５にコマンドされた航空機に対する地上航跡１４１を示している。円１４３は、１０００フィート（３０４．８メートル）の半径１４５と、航空機の初期位置の真北約８００フィート（２４３．８メートル）に位置する中心１４７とを有する。図の例では、航空機は、もし仮に航空機が最初の部分１５１から接点１４９に向かって旋回を行うようなことがあれば航空機は円１４３の円周を行き過ぎてしまうであろうほど十分に高速な初期速度を有する。それゆえ、システム３５は、バンク部分１５５上の接点に向かって旋回する前に航空機を減速するように航空機に先ずバンク部分１５３で東に向かって旋回するようにコマンドする。これによって、航空機は接点１４９またはその付近でほとんどまたは全く行き過ぎることなく円１４３にインターセプトすることができ、その後でシステム３５が所望の円半径を維持するようにバンク角をコマンドすることができるようになる。こうする間に、システム３５は、所望の上空旋回速度を実現するために航空機に加速または減速するようにコマンドすることになる。また、システム３５は、所望の上空旋回高度を実現するために航空機に上昇または降下するようにコマンドすることになる。

本発明のシステムは、無人の航空機とともに用いられるものとして上記してきたが、有人の航空機を含む全てのタイプの航空機に適用できる。本発明のシステムは、自動または自律的な捜索パターンと、標的を発見し、追跡し、その周りを回る能力と、衝突回避性能と、パイロットに制御を戻すためのオーバーライド手法とを含む追加の機能を組み込むこともある。

本発明は、幾つかの利点を与えるが、そのような利点には、（１）システムが航空機を選択された中心及び半径を有する円軌道を飛行するように自動的に操作する能力と、（２）円の内側または外側に位置する最初の点から円にインターセプトして飛行する能力とが含まれる。

本発明について例示的な実施形態を参照して説明してきたが、この説明は限定的な意味に解釈されることを意図したものではない。

例示的な実施形態及び本発明の他の実施形態の種々の改変及び組合せは、上記説明を参照すれば当業者に明らかであろう。

目標地域の周りに航空機を飛行させるために従来技術のウェイポイント法を用いるときの航空機の飛行経路の概略図。 本発明に従い、遠隔に操縦される航空機とともに用いられるように構成されている飛行制御システムの概略図。 図２Ａの飛行制御システムの一部のフローチャート図。 図２Ａに示されている飛行制御システムを有する航空機の斜視図。 航空機の飛行が円形の経路を時計回り方向に飛行するように図２Ａのシステムによって制御され、航空機が所定の円の外側から出発しているような航空機の飛行の地上航跡のプロット。 航空機の飛行が円形の経路を反時計回り方向に飛行するように図２Ａのシステムによって制御され、航空機が所定の円の外側から出発しているような航空機の飛行の地上航跡のプロット。 航空機の飛行が円形の経路を時計回り方向に飛行するように図２Ａのシステムによって制御され、航空機が所定の円の内側から出発しているような航空機の飛行の地上航跡のプロット。 航空機の飛行が円形の経路を反時計回り方向に飛行するように図２Ａのシステムによって制御され、航空機が所定の円の内側から出発しているような航空機の飛行の地上航跡のプロット。 航空機の飛行が円形の経路を反時計回り方向に飛行するように図２Ａのシステムによって制御され、航空機が所定の円の中心に向かう位置から出発しているような航空機の飛行の地上航跡のプロット。

Claims (18)

1. 航空機のための飛行制御システムであって、
   円形の地上航跡を画定するための、地理空間上の点の位置及び前記地理空間上の点を中心とする円の半径の両コマンド値を表すコマンド信号を受信するための手段と、
   前記航空機の地理空間上の位置を決定しかつ前記航空機の前記位置を表す位置信号を供給するための手段と、
   前記コマンド信号及び前記位置信号を受信するようにも構成されているような、前記航空機の飛行を制御するように前記航空機上の飛行制御装置にコマンドするためのコントローラとを含み、
   前記コントローラが、前記コマンド信号及び前記位置信号を用いて前記飛行制御装置を操作し、前記円形の地上航跡にインターセプトするように前記円形の地上航跡の接点の方へ航空機を向けるように、そして次に前記円形の地上航跡に沿って飛行経路を概ね維持するように、前記航空機の飛行を制御するようにしたことを特徴とする飛行制御システム。
2. 前記航空機の速度を決定しかつ前記航空機の前記速度を表す速度信号を供給するための手段をさらに含み、
   前記コマンド信号が、上空旋回速度のコマンド値も表し、
   前記コントローラが、前記速度信号を受信し、前記飛行制御装置を操作して、前記円形の地上航跡に沿って前記上空旋回速度を実現しかつ概ね維持するようにするようにも構成されていることを特徴とする請求項１の飛行制御システム。
3. 前記コントローラが、前記接点からの前記航空機の距離に基づき前記航空機の現在の速度を前記上空旋回速度に変えるためのランピング機能を含むことを特徴とする請求項２の飛行制御システム。
4. 前記航空機の高度を決定しかつ前記航空機の前記高度を表す高度信号を供給するための手段をさらに含み、
   前記コマンド信号が、上空旋回高度のコマンド値も表し、
   前記コントローラが、前記高度信号を受信し、前記飛行制御装置を操作して、前記円形の地上航跡に沿って前記上空旋回高度を実現しかつ概ね維持するようにするようにも構成されていることを特徴とする請求項１の飛行制御システム。
5. 前記コントローラが、前記接点からの前記航空機の距離に基づき前記航空機の現在の高度を前記上空旋回高度に変えるためのランピング機能を含むことを特徴とする請求項４の飛行制御システム。
6. コマンド信号を受信するための前記手段が、前記航空機上に配置された受信機であり、前記航空機から離れた位置から送信されたコマンド信号を受信するように構成されていることを特徴とする請求項１の飛行制御システム。
7. コマンド信号を受信するための前記手段が、前記航空機上に配置された受信機であり、前記航空機から離れた位置から送信されたコマンド信号を受信するように構成され、
   前記コマンド信号が、地上管制局から送信されることを特徴とする請求項１の飛行制御システム。
8. コマンド信号を受信するための前記手段が、前記航空機上に配置された入力装置であることを特徴とする請求項１の飛行制御システム。
9. 航空機の飛行を制御する方法であって、
   ａ）コマンドされた円形の地上航跡を画定する地理空間上の位置及び半径を表すようなコマンド値を飛行コントローラに入力するステップと、
   ｂ）前記航空機の現在の位置から前記コマンドされた円形の地上航跡の接点までの距離及び方向を前記コントローラにより算出するステップと、
   ｃ）前記コントローラを用いて前記航空機の少なくとも１つの飛行制御装置を操作し、前記航空機を前記接点の方へ向けるようにするステップと、
   ｄ）前記航空機が前記接点の指定範囲内の位置に到達したとき、前記コントローラを用いて少なくとも１つの飛行制御装置を操作し、前記コマンドされた円形の地上航跡に沿って前記航空機の飛行経路を概ね維持する前記航空機の瞬間旋回率を生じさせるようにするステップとを含むことを特徴とする方法。
10. 前記飛行コントローラに、上空旋回速度を表すコマンド値を入力するステップと、
    前記コントローラを用いて少なくとも１つの飛行制御装置を操作し、前記航空機が前記コマンドされた円形の地上航跡に沿って前記コマンドされた上空旋回速度を概ね維持するようにするステップとをさらに含むことを特徴とする請求項９の方法。
11. 前記接点からの前記航空機の距離に基づき前記航空機の現在の速度から前記コマンドされた上空旋回速度へ前記航空機の速度をランプさせるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１０の飛行制御システム。
12. 前記飛行コントローラに、上空旋回高度を表すコマンド値を入力するステップと、
    前記コントローラを用いて少なくとも１つの飛行制御装置を操作し、前記航空機が前記コマンドされた円形の地上航跡に沿って前記コマンドされた上空旋回高度を概ね維持するようにするステップとをさらに含むことを特徴とする請求項９の方法。
13. 前記接点からの前記航空機の距離に基づき航空機の現在の高度から前記コマンドされた上空旋回高度へ航空機の高度をランプさせるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１２の飛行制御システム。
14. 航空機であって、
    前記航空機の飛行経路、速度及び高度を制御するための飛行制御装置と、
    飛行制御システムとを含み、
    前記飛行制御システムが、
    円形の地上航跡を画定するための、地理空間上の点の位置及び前記地理空間上の点を中心とする円の半径の両コマンド値を表すコマンド信号を受信するための手段と、
    前記航空機の地理空間上の位置を決定しかつ前記航空機の位置を表す位置信号を供給するための手段と、
    前記コマンド信号及び前記位置信号を受信するようにも構成されているような、前記飛行制御装置にコマンドするためのコントローラとを含み、
    前記コントローラが、前記コマンド信号及び前記位置信号を用いて前記飛行制御装置を操作し、前記円形の地上航跡にインターセプトするように前記円形の地上航跡の接点の方へ航空機を向けるように、そして次に前記円形の地上航跡に沿って飛行経路を概ね維持するように、前記航空機の飛行を制御するようにしたことを特徴とする航空機。
15. 前記航空機が、無人機であることを特徴とする請求項１４の航空機。
16. コマンド信号を受信するための前記手段が、前記航空機上に配置された受信機であり、
    前記コマンド信号が、前記航空機から離れた位置から前記受信機へ送信されることを特徴とする請求項１４の航空機。
17. 前記航空機の速度を決定しかつ前記航空機の前記速度を表す速度信号を供給するための手段をさらに含み、
    前記コマンド信号が、上空旋回速度のコマンド値も表し、
    前記コントローラが、前記速度信号を受信し、前記飛行制御装置を操作して、前記円形の地上航跡に沿って前記上空旋回速度を実現しかつ概ね維持するようにするようにも構成されていることを特徴とする請求項１４の航空機。
18. 前記航空機の高度を決定しかつ前記航空機の前記高度を表す高度信号を供給するための手段をさらに含み、
    前記コマンド信号が、上空旋回高度のコマンド値も表し、
    前記コントローラが、前記高度信号を受信し、前記飛行制御装置を操作して、前記円形の地上航跡に沿って前記上空旋回高度を実現しかつ概ね維持するようにするようにも構成されていることを特徴とする請求項１４の航空機。

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