JP5993143B2 - 飛行経路ベースの探知および防止 - Google Patents

Description

ここに開示される主題は、無人飛行システムまたはクルーの人数が減らされて飛行する有人機などの航空機における衝突の予測および回避に関する。

無人飛行システム（ＵＡＳ：ｕｎｍａｎｎｅｄ ａｅｒｉａｌ ｓｙｓｔｅｍ）は、飛行する輸送機関を含むシステムであり、その輸送機関は、地上から操縦することができる（すなわち遠隔操作）、および／または、多かれ少なかれ自立的に飛行する（すなわち、要員が直接制御または管理することなしに）。ＵＡＳは、また、地上管制局と、地上管制局と交信し、地上管制局によって制御されるような、１つまたはいくつかの航空機とから構成することができる。かかるシステムの航空用の構成要素は、大きさがグラムからトンまでに及ぶことがあり、航空宇宙の領域においてますます広く普及するように整えられている。民間での使用には、農作物噴霧、送電線チェック、大気調査、データリンク中継および交通／安全監視などの機能を含むことができる。

パイロットを省くと、ＵＡＳプラットフォームの設計者には、有人航空機と比べたとき、操縦性能、サイズ、ペイロード、および制約事項への耐久性に関して、自由が追加される。さらに、ＵＡＳは、一般に、生存性および使い捨てが可能であることの両方で、さらにその上、費用効率が高いということで利点をもたらすと考えられている。したがって、ＵＡＳによって、リスクが大きく、危険で単調なミッションを自立的に、またはマンパワーが実質的に減少された状態で実施する機会がもたらされる。

しかし、これらの利点があるにもかかわらず、ＵＡＳの運用およびそれの規制された、または民間の空域中への組み込みに関し、いくつかの課題が存在し、これらは、安全性および信頼性、その上、コストおよび法規を含む。ＵＡＳが直面する、１つの安全性に関する課題は、他の航空機を探知し検出する能力であり、それによって空中での衝突を防止する。概念的に、衝突防止は、分離間隔保証と衝突回避に分類することができる。分離間隔管理は、通常、手続規則および航空管制指示によって達成される。衝突回避は、分離間隔が適当でない場合、必要である。衝突回避は、従来、「見て回避する」パイロットの能力に依存することができ、また、航空機衝突防止システム（ＴＣＡＳ：Ｔｒａｆｆｉｃ Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ Ａｖｏｉｄａｎｃｅ Ｓｙｓｔｅｍ）および自動従属監視‐ブロードキャスト（ＡＤＳ−Ｂ：Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｓｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅ−Ｂｒｏａｄｃａｓｔ）などの協調的な技術に依存することができる。しかし、ＵＡＳは、全くＴＣＡＳおよびＡＤＳ−Ｂのシステムだけに頼ることはできない、というのは、これらのシステムを装備していない（すなわち、協調的でない）空域の使用者が存在することになるからである。したがって、ＵＡＳが、他の航空機からの適切な分離間隔を維持し、かつ分離間隔が適切でなくなったとき、回避処置を実行するのを可能にするはずであるシステムおよび／または対策が必要である。

米国特許出願公開第２００８／００５５１４９号明細書

一実施形態では、探知防止システムがもたらされる。探知防止システムは、競合検出モジュールを含み、それは、航空機の４次元（４−Ｄ，すなわち３つの空間次元プラス１つの時間次元）の飛行経路と、他の航空機の飛行経路、または航空機が分離間隔をそこから維持すべきである領域を表す４−Ｄ構図とを受け取るように構成される。競合検出モジュールは、航空機の４−Ｄ飛行経路と４−Ｄ構図の間に、競合が存在するかどうかを決定する。探知防止システムは、また、競合検出モジュールから情報を受け取るように構成された競合解決モジュールを含む。競合解決モジュールは、競合を防止するために、航空機の４−Ｄ飛行経路に対する変更を生成する。

さらなる実施形態では、航空機上に搭載される探知防止システムが、もたらされる。探知防止システムは、１つまたは複数の通信リンクを含み、それは、地上管制局、航空管制システム、または他の航空機の１つまたは複数と交信するように構成される。探知防止システムは、また、センサスーツと、１つまたは複数の通信リンクまたはセンサスーツから受け取ったデータに基づき、４次元（４−Ｄ）構図を生成するように構成された飛行経路予測モジュールと、飛行経路計画モジュールおよび飛行経路予測モジュールを含む飛行管理システムとを含む。飛行経路予測モジュールは、航空機のために４−Ｄ飛行経路を生成する。探知防止システムは、また、飛行管理システムと交信し、かつ４−Ｄ飛行経路に沿って航空機を飛行させるように、飛行管理システムからの指示を実行するように構成された飛行制御システムと、航空機のための４−Ｄ飛行経路、および飛行経路予測モジュールによって生成された４−Ｄ構図または地上管制局または航空管制システムの１つまたは複数によって提供された４−Ｄ構図を見積もって、４−Ｄ飛行経路と４−Ｄ構図の１つまたは複数との間に競合が存在するかどうかを決定するように構成された競合検出モジュールと、競合がある場合、競合を緩和するために、４−Ｄ飛行経路に対して変更を生成し、かつ飛行管理システムにその変更を伝達して、４−Ｄ飛行経路を更新するように構成された競合解決モジュールとを含む。

追加の実施形態では、航空機がもたらされる。航空機は、４−Ｄの飛行経路または構図に基づき、競合または衝突が生じる可能性があることを検出するように構成された、飛行経路ベースの探知防止システムを含む。戦略的なタイムフレーム内で起きる可能性があると見積もられた競合または衝突は、航空機の飛行管理システムによって生成された、航空機の４−Ｄ飛行経路と、航空機の外部に在るソースによって提供された４−Ｄ構図とを使用して、識別される。戦術的なタイムフレーム内で起きる可能性があると見積もられた競合または衝突は、航空機の飛行管理システムによって生成された航空機の４−Ｄ飛行経路と、４−Ｄ構図とを使用して、識別され、その４−Ｄ構図は、そのいくつかが、航空機に搭載された予測モジュールによって少なくとも一部分生成される。クリティカルなタイムフレーム内で起きる可能性があると見積もられた競合または衝突は、機上のセンサスーツによって生成されたデータに、少なくとも一部分基づき識別される。

本発明のこれらおよび他の特徴、態様、および利点は、添付図面を参照して、次の詳細な記載を読んだとき、より良く理解されることになり、添付図面では、同様の記号が図面全体にわたって同様の構成部品を表す。

本開示の態様による、航空機と他機または地上ベースの実体の間に存在することがある通信リンクを表す図である。 本開示の態様による、飛行経路ベースの探知防止システムを表す図である。 本開示の態様による、異なる時間領域および飛行経路ベースの探知防止システムの使用に対するそれらの関係を図式的に表す図である。 本開示の態様による、他機と戦略的な分離間隔の維持に携わる、飛行経路ベースの探知防止システムの１つの実施を表す図である。 本開示の態様による、他機との戦術的な分離間隔の維持および／または防止に携わる、飛行経路ベースの探知防止システムの１つの実施を表す図である。 本開示の態様による、衝突回避に携わる、飛行経路ベースの探知防止システムの１つの実施を表す図である。

以下に、１つまたは複数の具体的な実施形態を述べる。これらの実施形態を簡潔に述べることを目指して、実際の実施の特徴すべては、本仕様書には述べないことがある。いずれものかかる実際の実施の開発では、いずれもの技術的な、または設計のプロジェクトにおけるように、開発者の具体的な目標を達成するために多数の実施に対して、それに特定の決断をなさなければならないし、その目標は、システム関連およびビジネス関連の制約の遵守などがあり、１つの実施と他の実施の間では異なることがあることを理解すべきである。さらに、かかる開発努力は、複雑である恐れがあり、時間がかかることもあるが、それにもかかわらず、本開示から利益を得る当業者のために、設計、組立および製造をごく普通に引き受けることになることを理解すべきである。

さらに、それぞれの例または実施形態は、本発明のいくつかの態様の説明を容易にするために提示されるものであり、本発明の範囲を限定するものとして解釈すべきでない。実際、本発明の範囲または精神を逸脱せずに、本発明において様々な修正および変更を実施することができることは、当業者に明らかであるはずである。たとえば、１つの実施形態または例の一部分として示した、または述べた特徴は、他の実施形態または例に関して使用して、なお、さらなる実施形態を生み出すことができる。したがって、本開示では、かかる修正および変更は、添付のクレームおよびそれらの均等物の範囲内に入るものとして、カバーされると意図される。

本開示は、無人飛行システム（ＵＡＳ）の航空機など、航空機において使用される探知防止システムに関する。探知防止システムは、多様なソース（たとえば、地上コントローラ、航空管制システム、機上センサ、他機から直接伝達されたトランスポンダ情報など）からの情報にアクセスし、それらを利用する。具体的に、いくつかの実施形態では、探知防止システムは、得られた情報を利用して、航空機のために、ならびに、他の知れている航空機すべて、または条件（たとえば、気象災害、制限空域、通信デッドゾーンなど）について４次元の飛行経路を生成する。４次元（４−Ｄ）の飛行経路に基づき、探知防止システムは、他機からの、および／または知られた条件からの適切な分離間隔を維持するように、あるいは、分離間隔がなくなった場合、その航空機またはその条件を回避するように、航空機を制御する。理解されるように、主にＵＡＳに本議論の焦点を合わせているとはいえ、他の実施形態では、ここで議論するアプローチは、クルーの人数が減らされて運用される有人機（たとえば、パイロット一人）またはオートパイロットによって長期間運用される有人機などの有人機にも適用することができる。

前述のコメントを念頭に置いて、図１を参照すると、航空機１００および航空機１００と交信する他の実体を表す図が示されている。航空機１００がＵＡＳの航空構成要素である実施形態では、１つのかかる実体は、データリンク１０４を介して航空機１００と交信する地上管制局１０２としてもよく、そのデータリンクによって、指示（飛行指示または遠隔コマンドなど）が航空機１００に送られ、そのデータリンクによって、情報またはデータ（ビデオまたは他のセンサデータ、位置データ、および／または飛行およびアビオニックスデータなど）が、航空機１００から地上管制局１０２に送られる。地上管制局１０２は、１つまたは２つ以上の航空機１００を同時に制御することができる。

航空機１００は、また、航空管制システム１０８と交信状態にあることができる。航空管制システム１０８は、航空管制システム１０８が追跡している他機の情報を、データリンク１１０を介して航空機１００に、提供することができる。航空機１００は、位置データおよび／または飛行およびアビオニックスデータを航空管制システム１０８に、データリンク１１０を介して伝達することができる。さらに、航空管制システム１０８は、他機の意図または飛行経路情報、気象アドバイザリおよび／または制限空域に関する情報など、他のタイプの情報を航空機１００に伝達することができ、それらの情報は、航空機１００のためのコースを確立することに関連付けることができる。

示した実施では、航空管制システム１０８および地上管制局１０２は、また、互いに交信状態にある。そのような場合、航空管制システム１０８は、航空管制システム１０８が追跡している航空機に関する情報を、データリンク１１２を介して地上管制局１０２に提供することができる。このようにして、航空管制システム１０８と航空機１００の間の通信が失われた場合、航空管制システム１０８から正常なら得られる情報のいくつか、またはすべてを、地上管制局１０２を介して、得ることができる。同様に、示した実施では、地上管制局１０２は、航空管制システム１０８にデータリンク１１４を介してデータを伝達することができる。そのようなデータの例は、ただし、これらに限定されないが、航空機１００に関連するフライトプランまたはミッションプロフィール、および／または航空機１００のステータスを含むことができる。

さらに、航空機１００は、交信範囲内で他機１１８と直接交信することができる。たとえば、航空機１００および／または他機１１８が、航空衝突防止システム（ＴＣＡＳ：Ｔｒａｆｆｉｃ ａｎｄ Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ Ａｖｏｉｄａｎｃｅ Ｓｙｓｔｅｍ）および／または自動従属監視‐ブロードキャスト（ＡＤＳ−Ｂ：Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ？Ｓｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅ−Ｂｒｏａｄｃａｓｔ）システムを装備している場合には、かかるシステムは、それぞれの航空機に関する情報、すなわち、それぞれの速度、位置、高度および／または予測されたコースなどを提供するために、航空機の間で（データリンク１２０を介してなどで）直接交信することができる（すなわち、集中的な通信）。通常、ＴＣＡＳおよびＡＤＳ−Ｂの場合、両方の当該の航空機は、当該のシステムを装備しなければならない。いくつかの実施形態では、両方の航空機は、航空機の間で協調して応答するのを可能にするシステム（たとえば、ＴＣＡＳまたはＡＤＳ−Ｂ）を装備することができる。他の実施形態では、他機が限定された位置または意図の情報を送信することが可能であり得るとしても、航空機の１つだけは、そのように装備してもよい。かかる実施形態では、より有能な航空機（ＴＣＡＳを装備した航空機など）は、あまり有能でない航空機がより有能な航空機を誘導する際に提供する、そのようなどのような情報でも、一方的に使用することができる。ＴＣＡＳ、ＡＤＳ−Ｂまたは同様のシステムを装備した航空機は、ここで使用するとき、協調的なものとして言及し、一方、ＴＣＡＳ、ＡＤＳ−Ｂまたは同様のシステムを装備していない航空機は、非協調的なものとして言及する。

地上管制局１０２、航空管制システム１０８および／または他機１１８すべては、航空機１００にとって可能な情報ソースを意味するが、航空機１００は、また、探知防止動作のために使用することができる情報の機上のソースを有することができる。たとえば、航空機１００は、レーダ、レーザレーダ、赤外線（ＩＲ）および／またはビデオシステムなど、機上のセンサスーツを装備することができ、それらは、非協調的な航空機などの他機の接近を確認するために使用することができ、そのような航空機は、さもなければ、検出されないままである。いくつかの実施形態では、機上センサの動作またはモニタリングは、容易に障害物を早期に検出し探知させる、１つまたは複数の適切なアルゴリズムによって、強化することができる。同様に、いくつかの実施では、いくらかでもあれば盲点、および／または機上センサパッケージの限定された動作範囲に対して、センサの動作範囲を拡張して、知られた盲点をカバーする、および／または既存のカバレッジボリュームのセンサ動作範囲を拡大する、実質的なセンサ動作範囲を形成することによって、対処することができる。

前述の情報ソースを念頭に置いて、探知防止システムの本実施形態では、これらのソースから得られたデータのいくらか、またはすべてが、利用され、または融合されて、所望の探知防止機能性が達成される。たとえば、いくつかの実施では、４次元（３つの空間次元および１つの時間次元）の構図（たとえば、４−Ｄ飛行経路または４−Ｄ多面体）が、機上センサスーツから、他機１１８から、地上管制局１０２（適用できる場合）から、および／または航空管制システム１０８から得られた情報を組み合わせたもののいくらかに、またはすべてに基づき、他機について、または当該領域（たとえば、荒れ模様の気象領域、通信品質が悪い、または限定される領域、および／または制限空域）について導き出される。４−Ｄ飛行経路は、このような飛行経路予測機能性を備えた機上の飛行管理システムを使用して、航空機１００についても計算することができる。かかる飛行管理システムの例には、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙ製の飛行管理システムのいくつかが含まれる。

このようにして、航空機１００の探知防止システムは、当該の空域内の他機または関連する条件すべてについて、それらの状況を把握する。４−Ｄの飛行経路または多面体は、競合の可能性について見積もることができ（すなわち、競合を調べる）、この見積もりに基づき、航空機１００のためのコース変更または修正を実施することができる。一実施形態では、ここで議論するように、探知防止システムは、（地上ベースの）航空管理システムなどの航空管理システムとともに使用するために受け入れられる競合プローブのアプローチおよびアルゴリズムを使用する。例として、１つのそのような競合プローブ機能は、Ｌｏｃｋｈｅｅｄ Ｍａｒｔｉｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製の途中オートメーション近代化（ＥＲＡＭ：Ｅｎ Ｒｏｕｔｅ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｒｎｉｚａｔｉｏｎ）システム内で見られる。

かかる飛行経路ベースの探知防止アプローチによって、航空機１００が、衝突を探知して回避し、かつ他機、荒れ模様の気象および／または制限空域から自動的に分離間隔を取るのを可能にすることができる。いくつかの実施では、飛行経路ベースの探知防止システムは、ここで議論するように、競合する可能性がある航空機を検出するセンサ（複数可）の精度、両方の航空機の飛行ダイナミックス、航空機のナビゲーションシステムに付随する精度および／または待ち時間、および／または衝突回避ロジックのいくつか、またはすべてを考慮に入れる。一実施形態では、飛行経路ベースの探知防止システムは、衝突予測用の競合プローブを利用して可能性がある脅威を識別し、次いで、機上の飛行管理システム（ＦＭＳ）からの飛行経路の生成能力を利用して予測された競合を防止する新しい飛行経路を作成する。

図２に、航空機１００上への搭載に適切な機上の飛行経路ベースの探知防止システムの一実施形態の特徴を示す。この例では、飛行経路ベースの探知防止システムは、上記で議論したように、地上ベースの実体および他機と交信するために、様々な通信リンクまたは回路を含む。たとえば、ＵＡＳの場合、飛行経路ベースの探知防止システムは、地上管制局１０２との通信リンク１５２を含むことができる。この通信リンク１５２は、地上管制局１０２から航空機１００にコマンドを転送し、かつ地上管制局１０２に情報を中継して戻すために、使用することができる。

同様に、通信リンク１５４を、航空機１００と航空管制システム１０８の間に設けることができる。この通信リンク１５４は、航空管制１０８が、飛行経路の同期化および飛行経路のネゴシエーションを介して、飛行経路管理を実施するのを可能にすることができる。他の形態の戦術的な航空管制も、リンク１５４を介して可能である。たとえば、航空管制１０８は、また、リンク１５４を通じてベクタリング情報を転送することができるはずである。同様に、気象アドバイザリ、または制限空域の領域に関する情報など、他のタイプの情報も、通信リンク１５４を介して（または、他の実施形態では通信リンク１５２を介して）航空機１００に伝達することができる。

さらに、航空機１００がＴＣＡＳまたはＡＤＳ−Ｂを装備している実施形態では、通信リンク１５６を、それぞれのＴＣＡＳまたはＡＤＳ−Ｂシステムを運用する航空機１００と他機１１８の間に（すなわち、協調的な航空機の間に）設けることができる。かかる実施形態では、航空機１００は、有人航空機を含む、他機１１８から情報を受け取り、それに情報を伝えることが可能であり得る。たとえば、航空機１００がＡＤＳ−Ｂトランスポンダを装備している場合、航空機１００は、トランスポンダを介して近隣の交通から監視情報を得ることになるはずである。一実施形態では、すべての形態の協調的な航空機は、分離間隔管理および衝突回避のために、通信リンク１５６を通じて航空機１００と交信する。

さらに、上記に指摘したように、地上管制局１０２（適用できる場合）および航空管制１０８は、リンク１６０を介してなどで、互いに交信することができる。リンク１６０は、航空管制１０８によって提供された航空交通情報を地上管制局１０２に使用させることができる。地上管制局１０２が、周囲の交通に関する十分な情報を受け取った場合、地上管制局１０２は、もしＵＡＳと航空管制１０８の間のリンクが失われたとき、この情報をＵＡＳに中継することができる。さらに、ミッションプロフィールおよびフライトプランの情報は、出発に先立ち、地上管制局１０２から航空管制１０８に中継することができる。

示した実施形態では、飛行経路ベースの探知防止システムは、また、機上のセンサスーツ１６２を含む、またはそれと交信する。機上センサスーツ１６２は、相補的な検知モダリティを備えた一式のセンサを含むことができ、それは、航空機１００に、人間パイロットが所有する、見て回避する能力を与える。しかし、見て回避する文脈とは異なって、センサは、有視界飛行条件の資格を与えられない条件下で、侵入機または他の競合を発見するのに有用であることができる。機上のセンサスーツ１６２中に含めることができるセンサの例は、レーダ、レーザレーダ、赤外線（ＩＲ）および／またはビデオシステムを含む。

飛行経路ベースの探知防止システムの示した例は、また、１つまたは複数の上記の通信リンクから、その上機上のセンサスーツ１６２から入力を受け取る飛行経路予測モジュール１６４を含む。飛行経路予測モジュール１６４は、１つまたは複数の適切なアルゴリズムとして実装することができ、ソフトウェアおよび／またはハードウェアを介して実装することができ、それは、１つまたは複数の通信リンクおよび／または機上のセンサスーツ１６２から入力データを受け入れ、かつ航空機１００の近傍に在ると検知された、または知られた航空機について、４−Ｄ飛行経路予測などの４−Ｄ構図１６６を、その予測に付随する不確実性に関する情報を含めて出力する。

たとえば、一実施形態では、飛行経路予測モジュール１６４は、いくつかのソースからその入力を得るセンサ融合要素として設けることができる。たとえば、飛行経路予測モジュール１６４は、外部通信リンク１５２、１５４、１５６を介して得られた細部まで明確な競合情報、その上、自分自身のセンサスーツ１６２を介して導き出された情報を結合して、時間の経過にともなう位置の進展および３次元構図の形状を予測することができる。このモジュールが生成する４−Ｄ構図１６６の１つは、航空機１００と同じ空域を共有している他機の予測された４−Ｄ飛行経路である。さらに、他の４−Ｄの予測された構図１６６は、航空機１００が回避する必要がある、対流気象、ユーザが制限された空域、または、制限ゾーンなど、他の競合ソースに対応することができ、その制限ゾーンは、ＵＡＳなどの航空機の飛行経路が高度にダイナミックであることに関連するものであり、そこでは具体的な飛行経路が知られない恐れがある。これらのさらに一般的な形態の競合は、探知防止サブシステム１６８中の競合検出モジュール１７０が処理するのに適切な形式と一致した４次元多面体（多面体の４次元バージョン）、または確率的な４−Ｄ多面体としてモデル化することができる。いくつかの実施形態では、モジュール１６４がもたらす飛行経路予測機能性によって、飛行経路予測のために使用されるソースの信頼度およびその数が増えるにつれて、その予測品質を向上させる。逆に言うと、最小限の一式の入力に基づく、たとえば、機上のセンサスーツ１６２のみに基づく予測は、高い不確実性が付随すると考えることができる。

航空機１００自体の４−Ｄ飛行経路は、航空機１００に付随する飛行管理システム１８０の構成要素によって生成することができる。飛行管理システム１８０は、飛行経路同期モジュール１８２および飛行経路ネゴシエーションモジュール１８４などのモジュールを含むことができ、それら両方は、飛行経路ベースの運用を容易にする。さらに、飛行管理システム１８０は、飛行経路計画モジュール１８６および飛行経路予測モジュール１８８を含むことができ、飛行経路予測モジュール１８８は、いくつかの実施形態では、航空機１００自体の４−Ｄ飛行経路を予測し、この予測された４−Ｄ飛行経路１９２を、ここで議論する探知防止サブシステム１６８の競合検出モジュール１７０に提供する。飛行経路計画は、フライトプラン、性能パラメータ、ナビゲーションパラメータ、競合解消など、複数の入力を使用して、飛行管理システム１８０中で実行される。飛行管理システム１８０の機能の１つは、計画プロセス中で生成された飛行経路１９２に沿って、航空機１００を誘導することである。他の実施では、飛行経路計画および／または予測は、地上ベースの航空交通管理によって実施することができ、飛行管理システム１８０に適切な通信リンク１１０を介して提供することができる。

飛行管理システム１８０が生成した指示またはコマンドは、飛行制御システム１９０において実施することができる。いくつかの実施形態では、飛行制御システム１９０は、低レベルの制御システム（たとえば、オートパイロット）を言い、それは、航空機の制御翼面を方向付けて、飛行管理システム１８０が決定したことに従って、すべての飛行フェーズおよび航空機構成に適した飛行モードを達成する。いくつかの実施形態では、ここで議論する衝突回避機能は、必要なとき、飛行制御システム１９０を制御することができる。

示した飛行経路ベースの探知防止システムは、また、探知防止サブシステム１６８を含む。示した実施形態では、探知防止サブシステム１６８は、各層が、図３に示した戦略的計画、戦術的分離間隔、および衝突回避の層など、異なる時間枠中で作動する、多層の機能性を実現する。たとえば、１つの層の機能性は、航空機１００と他機の間で適切な分離間隔を維持するように作動する分離間隔管理層とすることができる。示した実施形態では、分離間隔管理層は、競合検出モジュール１７０および競合解決モジュール１７２を介して実行される。そのような実施形態では、競合検出モジュール１７０は、入力として、航空管制１０８によって、および／または飛行経路予測モジュール１６４によって提供された、同期化された４−Ｄ構図１６６と、航空機自体の４−Ｄ飛行経路１９２とを受け取ることができる。これらの同期化された４−Ｄ飛行経路および／または多面体（たとえば、構図）は、競合検出モジュール１７０によって競合を調べることができ、いずれもの可能性がある競合は、入力として、競合解決モジュール１７２に提供することができ、次いで、それは、航空機１００の４−Ｄ飛行経路を、可能性がある競合から適切な分離間隔を維持するために、変更することができるように、勧告または指示を飛行管理システム１８０に提供することができる。それゆえ、分離間隔管理層は、飛行管理システム１８０と連動して働き、その飛行管理システムによって、飛行経路計画のプロセス中で競合解決モジュール１７２の競合解決出力が検討される。

したがって、１つのかかる実施では、分離間隔管理層は、航空機１００の４−Ｄ飛行経路１９２が他機の保護された空域ゾーンを侵害しないように防止するように、または航空機１００の４−Ｄ飛行経路１９２が、制限空域、荒れ模様の気象の領域、または通信不良または通信干渉を被り易い領域に接近しすぎないように防止するように作動する。このようにして、分離間隔管理層は、飛行管理システム１８０が生成した４−Ｄ飛行経路１９２が、競合のないことを保証するように作動する。

示した探知防止サブシステム１６８の機能性の別の層は、衝突検出モジュール１７４および衝突解決モジュール１７６を介して実行される衝突回避層である。１つのかかる実施では、衝突回避層は、自動的に分離を達成するための他の対策が失敗に終わったとき、起動される。そのような場合、緊急に衝突回避のための操縦をする必要があるので、飛行制御システム１９０を制御する飛行管理機能を組み込むことができる。たとえば、示した実施では、衝突検出モジュール１７４は、直接機上のセンサスーツ１６２から入力を受け取る。これらの入力に基づき、衝突検出モジュール１７４が衝突する可能性がある、または衝突しそうであると決定した場合、適切な指示が衝突解決モジュール１７６に発行され、それによって、飛行制御システム１９０を制御して衝突を回避する。

いくつかの実施では、分離間隔を維持するために、および／または衝突を回避するために採用されたロジックは、時間依存である。そのような実施では、異なる作動または情報のタイプを、異なるタイムフレームに関連付けることができる。たとえば、図３および４を参照すると、最低限の分離距離を侵害する可能性が、遠い距離（侵害するまで１０分以上など）で検出された場合、結果として行われる作動は、戦略的飛行経路管理と考えることができる。１０分が、戦略的飛行経路管理の境界を定めるために使用することができる期間の一例であるが、他の実施では、この境界は、他の期間によって定めることができ、および／または、当該航空機の速度および／または操縦性など、様々な他のファクタに基づき定めることができる。一例では、競合（たとえば、規定された分離距離の侵害）の可能性を決定する上で通常当てにする情報は、機上のセンサスーツ１６２の動作範囲外である情報に通常基づく。たとえば、そのような戦略的な情報は、航空交通管理インフラストラクチャ（すなわち、航空管制１０８）および／または地上管制局１０２（航空機１００がＵＡＳである実施形態では）から得られたデータから生成された４−Ｄ構図１６６すべてを含むことができる。いくつかの実施形態では、４−Ｄ飛行経路データは、航空管制通信から直接得られる（すなわち、航空管制が、近傍の航空機すべての４−Ｄ飛行経路を提供する）。そのような実施形態では、機上の飛行経路予測モジュール１６４は、４−Ｄ飛行経路データを見積もるためには利用しなくてもよい、というのは、求められた４−Ｄ飛行経路データは、競合検出モジュール１７０が使用できる形式で、既に存在するからである。

戦略的な飛行経路の管理状況では、競合検出モジュール１７０および競合解決モジュール１７２は、可能性がある競合を、いくつかの実施では、取るべき修正作動を飛行管理システム１８０に伝達することができる。いくつかの実施形態では、飛行管理システム１８０は、可能性がある競合を航空管制１０８に伝達することができ、それは、次いで、その競合を防止するために、適切な指示およびコース修正を生成することができる。他の実施形態では、飛行管理システム１８０は、それ自体、飛行経路計画モジュール１８６および飛行経路予測モジュール１８８を介して、航空機１００のために新しい競合を解除する４−Ｄ飛行経路１９２を生成することができ、それは、競合検出モジュール１７０が管理する競合プローブの制約事項を満足させる。次いで、新４−Ｄ飛行経路１９２は、飛行経路の同期化のために、または最終的に、提案された飛行経路修正が航空管制には受理できない場合、飛行経路ネゴシエーションのプロセスを始動させるために、航空管制１０８に伝達することができる。

図３および５を参照すると、戦術的な分離間隔管理の例では、可能性がある競合を解決するためのタイムフレームは、１分から１０分の範囲など、より短い。戦略的な飛行経路管理と同様に、戦術的な分離間隔管理を定める実際の時間間隔は、変化することができる、および／または、当該航空機の速度および／または操縦性、有効なセンサの動作範囲など、様々なファクタの基づき決定することができる。戦術的な分離間隔の状況に関与する距離に関する、機上のセンサスーツ１６２によって、および／または他機１１８からの空対空の通信によって獲得されたデータは、競合を決定するために使用される４−Ｄ飛行経路１６６を計算する上で、使用することができる。一実施形態では、他の航空機１１８によって、または機上のセンサスーツ１６２によって提供されたデータに基づき見積もられた４−Ｄ飛行経路は、航空交通管理の４−Ｄ飛行経路データと融合して、データの品質を向上させることができる（たとえば、誤判定を減少させるために）。組み合わされた情報に基づく、この４−Ｄ飛行経路データ１６６は、両方の機上の探知防止サブシステム１６８が使用することができる、および／または地上の航空管制システム１０８に送り戻すことができる。

戦術的な分離間隔管理の一実施では、競合検出モジュール１７０および競合解決モジュール１７２は、可能性がある競合および取るべき修正作動を飛行管理システム１８０に伝達することができる。次いで、飛行管理システム１８０は、飛行経路計画モジュール１８６および飛行経路予測モジュール１８８を介して、航空機１００のための新しい、競合を解除する４−Ｄ飛行経路１９２を生成し、それは、競合検出モジュール１７０が管理する競合プローブの制約事項を満足させる。次いで、新４−Ｄ飛行経路１９２は、同期化、またはネゴシエーションの目的で、航空管制１０８に伝達することができる。

図３および６を参照すると、一実施では、競合のタイムフレームがクリティカルな緊急タイムフレームに達した場合（たとえば、１分より短い場合）、４−Ｄ飛行経路ベースの衝突回避機能は、競合を解決するために、支配権を得る。理解されるように、競合が緊急であるとその中で判断される、実際のタイムフレームは、航空機について定められた保護される空域ゾーンに基づくなどして、および／または航空機の速度および／または操縦性に基づくなどして、異なる航空機に対して変化することができる。そのような１つの例では、頼りにするデータは、もし利用できるなら、協調的な航空機からの集中的な通信も利用することができるとはいえ、機上のセンサスーツ１６２からすべて導き出される。一例では、衝突検出モジュール１７４に提供された機上のセンサデータに少なくとも基づき、衝突が目前に迫っていると判断された場合、衝突検出モジュール１７４からの飛行経路データは、衝突解決モジュール１７６に直接提供することができる。この例では、次いで、衝突解決モジュール１７６は、飛行制御システム１９０の一時的な制御権を生成し、飛行管理システム１８０から飛行制御システム１９０の一時的な制御権を取って、衝突回避に必要な操縦を実行する。衝突が一度回避されると、制御権は、飛行管理システムに戻される。

前述では、衝突回避に関するときの飛行経路ベースの探知防止のいくつかの態様をカバーしたが、飛行経路計画に関する他の論点も、飛行経路ベースの運用に包含することができる。たとえば、航空機１００が無人である実施では、航空機との通信が失われることは、通常、望ましくない。そのような場合、航空機との通信リンクの喪失の確率は、通信カバレッジ（たとえば、リンク利用可能性）を飛行経路の計画、分離および回避のアルゴリズムにおける明確な基準にすることによって、減少させることができる。

たとえば、飛行経路の計画では、航空機と地上管制局１０２および／または航空管制１０８との間の通信リンクの利用可能性という追加の制約事項を採用してもよい。１つのそのような例では、航行することになる計画された空域は、サブボリュームに分割することができ、そこでは、それぞれが通信品質または付随した通信達成の確率を有し、それによって通信利用可能性のマップが作成される。次いで、航空機１００（この例では無人の航空機）の計画された飛行経路は、飛行経路計画プロセスにおいて通信利用可能性を考慮に入れることができる。さらに、通信が失われた、または悪化した場合、航空機１００は、通信利用可能性のマップに基づき、飛行経路を変更して、計画されたルートに沿って、通信確率が高いポイントにもっとも近いところに航空機１００を誘導することができる。このようにして、通信リンクが達成される利用可能性を際立たせ、一方、なお、当初の、または計画された飛行経路からの逸脱を最小にすることができる。

同様に、飛行経路計画アルゴリズムは、ＵＡＳなどの航空機１００のための飛行経路を生成する際、通信品質に影響を及ぼす恐れがある気象条件を考慮に入れることができる。たとえば、通信に悪影響を及ぼす恐れがある悪気象は、その悪気象を回避し、航空機１００との通信が継続する確率が高い状態を維持する、計画された飛行経路または飛行経路変更を正当化することができる。このようにして、通信を維持するために、気象予報およびパターンを飛行経路計画に組み込むことができる。

前述の議論を念頭に置いて、次の例は、本飛行経路ベースの探知防止アプローチの態様をさらに示すために提示する。第１の例では、ＵＡＳは、製造施設から運用現場に送られることになる。この例では、探知防止能力への依存は、本来、戦術的であり、戦略的な時間枠における飛行経路ベースの管理に焦点を移すことによって、ＵＡＳの運用には最小限にする、または省くことができる。具体的には、この例は、先進的な４−Ｄ飛行経路の同期化、ネゴシエーションメカニズムおよび機上のセンサスーツの融合を組み込んだ飛行経路ベースの探知防止の実施に関する。

この第１の例では、運用機関が、ＵＡＳについてフライトプランを作成して提出する。提出されたフライトプランは、承認され、その結果、一式の一時的飛行制限（ＴＦＲ：Ｔｅｍｐｏｒａｒｙ Ｆｌｉｇｈｔ Ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎｓ）となり、それは、ＵＡＳルートの出発および到着のポイントのまわりで確立され、ノータム（ＮＯＴＡＭＳ）を通じて配布される。ＵＡＳは、飛行経路ベースの探知防止のサポートの下で離陸する。ＵＡＳは、５，４８６ｍ（１８，０００ｆｔ）まで上昇する。上昇中、飛行経路のクラスＡ空域部分は、求められたＵＡＳの飛行経路の近傍で他の交通を考慮に入れて、ＵＡＳと航空管制１０８によってネゴシエーションされる。このポイントから、ＵＡＳの飛行経路は、通常の民間航空機の飛行経路と相違しない。飛行経路の同期化によって、航空管制１０８が、ＵＡＳの４−Ｄ飛行経路およびその意図に関し状況を認識していることが保証される。飛行経路の同期化および飛行経路のネゴシエーション両方によって、ＵＡＳをクラスＡ空域で運用するためのメカニズムが可能になる。この例では、ＡＤＳ−Ｂシステムが、９分である最小分離間隔より短い距離にあると予測された航空機を示す。機上の戦略的な分離アルゴリズムが、ＵＡＳ上で起動され、新しい提案された飛行経路が生成され、航空管制１０８に伝達されることになる。航空管制からの承認と同時に、新飛行経路は、機上の飛行管理システムと同期化される。ＵＡＳが、そのクラスＡ空域の飛行経路セグメントの終わりに近づいたとき、下降が開始され、行き先空港での着陸が完了する。

第２の例では、監視の実施が可能であることを述べる。この例では、ポイントからポイントへの航行シナリオが描かれた第１の例と異なり、ＵＡＳの動作は、民間航空機の飛行経路のような飛行経路を含むことがあまりなさそうである。この例では、ＵＡＳは、航空管制サービス１０８と繰り返してネゴシエーションされる、１５２から５，４８６ｍ（５００から１８，０００ｆｔ）の範囲で偵察パターンを飛行する。飛行経路の同期化は、航空管制１０８にＵＡＳの正確な位置を与えるために、予約される。飛行経路は、ＵＡＳによって、その戦略的および戦術的なミッションの要求、さらにその上、性能限界および脅威の優先度に基づき、ネゴシエーションされる。正常の状況下では、民間航空交通は、ＵＡＳの存在によって概して影響されないままである、というのは、ＵＡＳは、民間交通のために便宜を図り、邪魔しないように、その偵察パターンを適応させるからである。

しかし、この例では、高い優先度を有する対象が検出された場合、状況は逆転する。そのような場合、民間交通ルートを、高い優先度を有するＵＡＳの飛行経路に取って代えるために、航空管制１０８によって再ネゴシエーションされることになる。同様の状況が、ＵＡＳ故障の場合起きることがあり、そのときは即時の緊急着陸が求められる。同様に、当該航空機が、クルーの人数が減らされた（たとえば、パイロット一人）有人航空機であるとき、対応する状況が起きることがある。そのような航空機は、パイロットが、身体的に機能が奪われたとき、本来的にＵＡＳになる。

ＵＡＳの監視シナリオに戻ると、ＵＡＳは、提案された偵察パターンに関し、航空管制１０８と、当初、ネゴシエーションすることができる。この例では、空域中の交通は、わずかで、ＵＡＳの偵察パターンが承認される。途中の間、機上センサ１６２が、２分より短い時間で衝突するという見積もりがされた、接近する物体を検出したとする。機上の戦術的な分離アルゴリズムが起動され、機上の飛行管理システム１８０が、衝突を回避するための飛行経路を生成する。新飛行経路に基づき、ＵＡＳは、衝突を回避するために飛行経路に変更する。衝突回避が達成された後、ＵＡＳは、その新飛行経路を航空管制１０８に伝達し、機上の飛行管理システム１８０が、逸脱を最小限にして元の計画された飛行経路に戻るための飛行経路を生成する。

この例を続けると、途中の間、地上管制１０２との交信（パイロットがループ中にいる）が失われたとする。この通信の喪失に基づき、ＵＡＳは、通信リンクが達成できる確率が高い、所定の場所に飛行して、通信リンクが復活するまで徘徊する。通信リンクが復活した場合、ＵＡＳは、元の飛行経路からの逸脱を最小限にし、通信リンクが達成できる確率が最大になるようにして、その計画された飛行経路を継続する。しかし、通信リンクが復活しない場合、ＵＡＳは、自立的に着陸し、隣接する交通の間で通行権が与えられる。他の例によれば、通信を損失するとすぐに、ＵＡＳは、むしろ、最後に承認されたフライトプランを継続することができ、航空管制は、通信が復活するまで、ＵＡＳの外側周囲に他の航空機を迂回させることができる。

本発明の技術的な効果は、ＵＡＳまたはクルーの人数が減らされた航空機などの航空機を含み、その航空機は、４−Ｄ飛行経路の機上での解析を使用して、他機との分離間隔を維持するように構成される。飛行経路は、航空管制システムなどの外部のソースによって提供する、または、飛行経路予測モジュールおよび／または飛行管理システムなどの機上のシステムによって生成することができる。本発明の技術的な効果は、また、ＵＡＳまたはクルーの人数が減らされた航空機などの航空機を含み、その航空機は、４−Ｄ飛行経路の機上での解析を使用して、衝突を回避するように構成される。飛行経路は、航空管制システムなどの外部のソースによって提供する、または、飛行経路予測モジュールおよび／または飛行管理システムなどの機上のシステムによって生成することができる。

この成文の説明では、本発明を実施するための形態を含めて、本発明を開示するために、および、また、いかなる装置もまたはシステムも製造し使用する、かついかなる具体化された方法も実施することを含めて、いかなる当業者も本発明を実施することができるように、例が使用されている。本発明の特許を受けられる範囲は、クレームによって定義され、当業者に思い浮かぶ、他の例を含むことができる。そのような他の例は、それらが、クレームの文字通りの意味と相違しない構造的な要素を有する場合、またはそれらが、クレームの文字通りの意味との相違が実質的でない、均等な構造的要素を含む場合、クレームの範囲内に含まれるものと意図される。

１００ 航空機
１０２ 地上管制局
１０４ 航空機／地上管制局間のデータリンク
１０８ 航空管制
１１０ 航空機／航空管制間のデータリンク
１１２ レーダ交通のデータリンク
１１４ ミッションプロフィール／ＵＡＳステータスのデータリンク
１１８ 他機
１２０ 航空機／他機間のデータリンク
１５２ 地上管制の通信リンク
１５４ 航空管制の通信リンク
１５６ 他機の通信リンク
１６０ 地上管制局／航空管制間のデータリンク
１６２ 機上のセンサスーツ
１６４ 飛行経路予測モジュール（他機）
１６６ ４−Ｄ飛行経路作成／予測（他機）
１６８ 探知防止サブシステム
１７０ 競合検出モジュール
１７２ 競合解決モジュール
１７４ 衝突検出モジュール
１７６ 衝突解決モジュール
１８０ 飛行管理システム
１８２ 飛行経路同期モジュール
１８４ 飛行経路ネゴシエーションモジュール
１８６ 飛行経路計画モジュール
１８８ 飛行経路予測モジュール（自機）
１９０ 飛行制御システム
１９２ ４−Ｄ飛行経路（自機）

Claims (5)

1. 航空機（１００）の４−Ｄの飛行経路（１９２）および４−Ｄの構図（１６６）に基づき、可能性がある競合または衝突を検出するように構成される飛行経路ベースの探知防止システム（１６８）を含み、
   前記４ーＤ構図（１６６）は、他機（１１８）の飛行経路または前記航空機（１００）がそこから分離間隔を維持すべきである領域を表し、
   第１の戦略的なタイムフレーム中に起きると見積もられた、可能性がある競合または衝突は、前記航空機（１００）の飛行管理システム（１８０）によって生成された前記航空機（１００）の４−Ｄ飛行経路（１９２）、ならびに、航空交通管理データおよび地上管制局のうち少なくともいずれかによって生成された４−Ｄ構図（１６６）を使用して、識別され、
   前記第１の戦略的なタイムフレームよりも短い第２の戦術的なタイムフレーム中に起きると見積もられた、可能性がある競合または衝突は、前記航空機（１００）の前記飛行管理システム（１８０）によって生成された前記航空機（１００）の前記４−Ｄ飛行経路（１９２）および４−Ｄ構図（１６６）を使用して、識別され、その４−Ｄ構図のいくらかは、他機または航空交通管理データとともに機上のセンサスーツによって提供されたデータの組み合わせによって少なくとも一部分生成され、
   前記第２の戦略的なタイムフレームよりも短い第３のクリティカルなタイムフレーム中に起きると見積もられた、可能性がある、緊急とみなされる競合または衝突は、機上のセンサスーツ（１６２）によって生成されたデータに少なくとも一部分基づいて、識別される、
   航空機（１００）。
2. 前記第１の戦略的なタイムフレームは、１０分以上であり、
   前記第２の戦術的なタイムフレームは、１分と１０分の範囲であり、
   前記第３のクリティカルなタイムフレームは、１分以下である、
   請求項１に記載の航空機（１００）。
3. 前記第１の戦略的なタイムフレームまたは前記第２の戦術的なタイムフレーム中に起きると見積もられた、可能性がある競合または衝突は、前記飛行管理システム（１８０）を使用して、前記航空機（１００）の前記４−Ｄ飛行経路（１９２）に対する変更を決定し、かつ前記４−Ｄ飛行経路（１９２）に対する前記変更を実施することによって、防止される、請求項１または２に記載の航空機（１００）。
4. 前記第３のクリティカルなタイムフレーム中に起きると見積もられた、可能性がある競合または衝突は、衝突解決モジュール（１７６）が、前記可能性がある競合または衝突を回避するように、飛行制御システム（１９０）を直接制御することによって、回避される、請求項１または２に記載の航空機（１００）。
5. 前記航空機（１００）は、無人機またはクルーの人数が減らされた航空機を含む、請求項１から４のいずれかに記載の航空機（１００）。