专利名称：为预测飞行器航迹提供数据的制作方法
技术领域：
本发明涉及提供允许预测飞行器路径的数据，例如在空中交通管理期间。特别地，本发明涉及使用飞行意图提供这样数据的方法，该飞行意图使用形式语言表达。
背景技术：
由于若干原因，预测飞行器航迹的能力是有用的。空中交通管理(ATM)从预测飞行器航迹的改善能力受益。空中交通管理负责飞行器的安全间隔，在拥挤的空域例如机场周围的特别需求任务。基于准确航迹预测的ATM决策支持装置可允许处理更大量的飞行器同时维持安全。通过航迹，可表示飞行器路径的四维描述。该描述可以是随时间的飞行器状态的演变，其中该状态可包括飞行器质心的位置及其运动的其它方面，例如速度、姿态和重量。该益处在ATM在机场中或机场周围操作的情况下特别显著。由于在机场的列位的需求增加，ATM在通过减少飞行器之间间隔增加容量的持续压力下预测飞行器航迹的提高的准确度可使其能够实现而不危害安全性。同样，飞行器航迹的更高可预测性允许更准确确定到达时间，由此使与地面操作更优协调成为可能。在当前ATM实践中，飞行器必须通常飞行给定路线。例如，在接近和离开机场时，分别通常请求飞行器飞行STAR(标准进场路线)和SID(标准仪表离场)。然而，飞行器操作员请求根据其优选飞行的另外灵活性，因此其可更优实行其业务目标。此外，具有关于ATM系统促进减少飞行器操作环境影响的增加压力。作为上面的结果，ATM系统需要主要依靠噪声和排放预测最小化对环境影响的操作员优选航迹和多条航迹的能力。另外，ATM系统必须能够与其它操作员交换这样航迹的描述，以便达到交通问题的协调、无冲突的解决方案。预测飞行器航迹的能力也有益于自主交通装置例如无人机(UAV)的管理，例如在为UAV编制飞行计划中的管理，以及在命令其航迹和解除其航迹冲突中的管理。为明确预测飞行器航迹，必须求解模拟飞行器行为和大气条件的一组不同方程。计算过程需要如来源于飞行意图的对应飞行器意图的输入。飞行器意图必须不同于飞行意图。飞行意图可以认为是飞行计划概念的概括，并因此反映操作约束和目标，例如意图的或需要的路线和操作员优选。一般地，由于飞行意图含有的信息不需要关闭飞行器运动的全部自由度，因此飞行意图不明确定义飞行器的航迹。换句话说，可能具有满足给定飞行意图的许多飞行器航迹。因此，飞行意图可以认为是飞行的基本蓝图，但缺少明确计算航迹需要的特定信息。
例如，在STAR或SID期间遵循的指令对应飞行意图的例子。另外，航线优选也可形成飞行意图的例子。为确定飞行器意图，飞行意图的实例如SID程序、航线的操作优选和实际飞行员的决策过程必须结合。这是因为飞行器意图包括通过航迹计算基础结构使用从而提供明确航迹的一组结构化指令。该指令应包括飞行器的配置详情(例如起落架展开)和在机动与正常飞行期间遵循的程序(例如跟踪某转向半径或保持给定空速)。这些指令捕捉由飞行员和飞行器的飞行管理系统处置从而引导飞行器操作的基本命令和制导模式。因此，飞行器意图可以认为是其中命令飞行器由飞行员和/或飞行管理系统运转的方式的提取。当然，飞行员的决策过程受需要的程序影响，例如需要遵循STAR/SID，或遵照如通过飞行意图定义的航线操作程序。使用呈现的一组参数表达飞行器意图以便允许求解运动的方程。形式语言的理论可用来实施该公式化飞行器意图 描述语言提供支配表达飞行器意图的可允许结合的指令和规则组，并因此允许飞行器航迹的预测。
发明内容
针对该背景并根据第一实施例，提供在使用形式语言表达的航程上飞行的飞行器的飞行意图描述的方法包括接收描述飞行器怎样飞行的信息，该信息包括描述飞行器运动的运动信息和描述飞行器空气动力学配置的配置信息，以及在数据库中存储该信息，使飞行划分到一个或更多飞行段上，并且为每个飞行段确定飞行器的哪些运动自由度通过为该飞行段存储的信息定义，以及使用形式语言为该飞行段表达飞行意图，从而定义飞行器的哪些运动自由度在飞行段期间定义，以及哪些运动自由度没有定义。根据另一实施例，预测飞行器航迹的方法包括读取提供根据任何前述权利要求使用形式语言表达的飞行意图描述的数据，获得进一步信息以使提供飞行期间飞行器航迹的明确描述，根据形式语言表达飞行器意图，由此提供飞行器航迹的明确描述，使用飞行器意图的表达式并参考飞行器性能模型和地球模型求解定义飞行器运动的运动方程，以及提供预测航迹的描述。根据另一实施例，飞行器航迹预测器系统包括读取提供使用形式语言表达的飞行意图描述的数据的装置，获得进一步信息以使提供飞行期间飞行器航迹的明确描述的装置，根据形式语言表达飞行器意图由此提供飞行器航迹的明确描述的装置，使用飞行器意图的表达式并参考飞行器性能模型和地球模型求解定义飞行器运动的运动方程的装置，以及提供预测航迹的描述的装置。本发明的其它方面与优选特征一起在权利要求中陈述。
为了本发明可以更容易理解，现在仅经由例子参考附图描述优选实施例，其中图I是使用飞行意图和飞行器意图计算飞行器航迹的系统；图2更详细示出图I的系统；图3是示出指令分类的表格；图4示出飞行意图描述语言的要素；图5是使用飞行意图描述语言要素描述的飞行意图实例的例子；以及图6是示出不同类型触发条件的图示。
具体实施例方式计算飞行器航迹的系统100在图I和2中示出。同样以波音公司名义的标题为“PREDICTING AIRCRAFT TRAJECTORY”的美国公开专利申请公开20100305781更详细描述飞行器意图。本专利申请关于飞行意I示出飞行意图101可怎样用来推导飞行器意图114，以及飞行器意图114可怎样用来推导飞行器航迹122的描述。实质上，提供飞行意图101作为到意图生成基础结构103的输入。意图生成基础结构103使用通过飞行意图101提供的明确指令和其它输入确定飞行器意图114，从而确保提供允许计算明确航迹122的一组指令。通过意图生成基础结构103输出的飞行器意图114可然后用作到航迹计算基础结构110的输入。航迹计算基础结构110使用飞行器意图114和求解飞行器运动方程需要的其它输入计算明确航迹122。图2更详细示出图I的系统。如可见，意图生成基础结构103接收作为输入的飞行意图101的描述与飞行器初始状态102的描述(在这两个输入有效相同的情况下，飞行器初始状态102可定义为飞行意图101的部分)。意图生成基础结构103包括意图生成引擎104和一对数据库，一个数据库存储用户优选模型105，并且一个数据库存储操作情境模型106。用户优选模型105实施支配飞行器的优选操作策略,例如关于载荷(有效载荷与燃料)的航线的优选；在气象条件将影响飞行器的水平和垂直路径及其速度剖面时，怎样对气象条件例如温度、风速、海拔高度、喷流、雷暴和湍流做出反应；成本结构例如最小化飞行时间或飞行成本、维护成本、环境影响；通信能力；以及安全考虑。操作情境模型106实施关于空域使用的约束。意图生成引擎104使用飞行意图101、初始状态102、用户优选模型105和操作情境模型106提供飞行器意图114作为其输出。图2示出航迹计算基础架构110包括航迹引擎112。航迹引擎112需要上面描述的飞行器意图描述114并同样需要飞行器初始状态116作为输入。在这两个输入有效相同的情况下，飞行器初始状态116可定义为飞行器意图114的部分。对于为飞行器提供计算航迹122描述的航迹引擎112，航迹引擎112使用两个模型飞行器性能模型118和地球模型 120。飞行器性能模型118提供航迹引擎112需要的飞行器性能方面的值，从而使运动方程积分。这些值取决于航迹计算的飞行器类型、飞行器当前运动状态(位置、速度、重量等)和当前本地大气条件。另外，性能值可取决于飞行器的意图操作，即取决于飞行器意图114。例如，航迹引擎112可使用飞行器性能模型118提供对应某飞行器重量、大气条件(压力高度和温度)和意图的速度计划(例如恒定校准空速)的瞬时下降速率的值。航迹引擎112也从飞行器性能模型118请求可应用限制的值，以便确保飞行器运动保持在飞行包线内。飞行器性能模型118也负责向航迹引擎112提供飞行器固有的其它性能相关方面，例如襟翼和起落架展开时间。地球模型120提供涉及环境条件的信息，例如大气状态、天气条件、重力和磁场变化。航迹引擎112使用输入、飞行器性能模型118和地球模型120求解一组运动方程。复杂性变化的许多不同组运动方程可用，而且可依靠一组必定的简化假设减少飞行器运动至IJ较低自由度。航迹计算基础结构110可以是天基的或陆基的。例如,航迹计算基础结构110可以关于飞行器飞行管理系统，该系统基于捕捉航线操作优选和业务目标的预测航迹控制飞行器。陆基航迹计算基础结构120的主要任务是用于空中交通管理。使用标准化途径描述飞行器航迹允许空域用户和管理者之间的更大互用性。其同样允许当前预测航迹的遗产软件包的许多之间的更大兼容性，即使需要解释器使信息从标准格式转换为私有格式。此外，标准化途径也产生飞行意图101和飞行器意图114的益处。例如，飞行意图101可使用飞行器意图114的指令和其它结构。另外，如在此公开的飞行意图114向用户提供允许飞行意图114公式化的飞行器意图语言的延伸，其中仅飞行器运动的某些方面已知。 由于飞行意图101可以认为是飞行器意图114的更广泛和更一般化形式，因此其对从飞行器意图114的考虑开始有用，以使可以引入同样在生成飞行意图114中使用的关键概念。飞行器意图在优选实施例中，使用形式语言表达飞行器意图114的描述。接收定义飞行器在时间间隔期间怎样飞行的信息，以及生成包括描述飞行器空气动力学配置的配置指令和描述飞行器运动的运动指令的一组指令。做出检查以确保该组指令遵照一组规则，从而确保配置指令定义飞行器的空气动力学配置，而且运动指令关闭用来描述飞行器运动的运动方程的自由度。飞行器意图描述是以明显定义飞行器航迹122的形式语言、飞行器意图描述语言的一组指令的表达式。该表达式通过航迹计算引擎112使用，从而求解支配飞行器运动的运动方程。在本领域中存在描述飞行器运动的许多不同运动方程组。该方程组由于其复杂性因此一般不同。原理上，可使用这些方程组中的任何。因为在运动方程中出现的变量也在定义飞行器意图114的指令中出现，所以运动方程的实际形式影响飞行器意图描述语言应怎样公式化。然而，由于飞行意图101可一般表达飞行意图114以使不指定使用的特别运动方程特有的任何详情，因此不这样约束飞行意图101。然而，飞行意图114可以是特别运动方程组特有，并因此可包括变量。运动方程组可描述飞行器重心的运动，其中飞行器考虑为质量变化的坚硬固体。三个坐标可描述飞行器质心的位置(经度、纬度和海拔高度)，并且三个值描述飞行器姿态(横滚、俯仰和偏航)。为推导方程，一组简化假设可应用于描述大气动力飞行的一般方程。运动方程包括涉及飞行器性能和气象条件的变量，并且这些变量通过飞行器模型118和地球模型120提供。为求解方程，必须指定飞行器的配置。例如，可需要信息从而解析起落架、速度制动(speed brakes)和高升力器件的设定。上面提到的EP-A-2040137描述使用形成七个非线性常微分方程的运动方程的系统与包括起落架设定、高升力器件设定和速度制动设定的给定飞行器配置的定义，该方程具有一个自变量(时间)、十个因变量并因此具有三个数学自由度(即，因变量数量减去方程数量)。因此，运动方程的选择意味着必需外部定义三个自由度从而获得关闭解决方案，由此明确定义飞行器航迹，加上三个进一步自由度从而定义飞行器配置(起落架、速度制动和高升力器件输入必须在任何时间关闭从而获得航迹122)。飞行器意图描述语言是其基元为指令的形式语言。形式语言的语法提供允许指令结合为描述操作的语句的框架。每个操作都含有关闭运动方程中需要的六个自由度的一组完整指令，并因此明确定义在其相关操作间隔的飞行器航迹122。指令可以认为是捕捉由飞行员和/或飞行管理系统处置的基本命令、制导模式和控制输入的信息的不可分部分。每个指令都可通过三个主要特征来表征。指令的效果通过其对飞行器运动的影响的数学描述定义。其表达为必须在其执行间隔期间与运动方程一起实现的数学方程。指令的意义通过其固有目的给出，并涉及通过指令捕捉的命令、制导模式或控制输入的操作目的。执行间隔是在指令影响飞行器运动期间的时期，即在运动方程和指令效果必须同时满足期间的时间。不同指令的执行可重叠，并且这样的指令据称是兼容的。其它指令是不兼容的，并因此不可具有重叠的执行间隔(例如导致飞行器上升和下降的冲突需求的指令)。 指令分为组，其中该划分主要集中在指令的效果上，而且集中在使不可兼容的指令组在一起，如在图3中示出。在顶级，指令分为两个组配置指令270和运动指令260。配置指令270涉及如通过高升力器件、起落架和速度制动确定的飞行器瞬时空气动力学配置。该组的任何成员的效果是相关组件的位置的时间演化。第一组称为高升力配置或HLC，并包括指令设置高升力装置(SHL)、高升力装置规则(HLL)和保持高升力装置(HHL)。第二组称为速度制动配置或SBC，并包括指令设置速度制动(SSB)、速度制动规则(SBL)、开启回路速度制动(OLSB)和保持速度制动(HSB)。第三组称为起落架配置或LGC，并包括指令设置起落架(SLG)和保持起落架(HLG)。由于飞行器的配置必须一直完全确定，因此必须总是具有源自这些组的每个的有效指令。运动指令260捕捉飞行控制命令、制导模式和可采用的导航策略。运动指令的效果定义为在指令执行间隔期间明确确定自由度的一个的数学方程。在任何时刻，三个运动指令必须有效从而关闭三个自由度。运动指令可根据其效果分类为十个组，每个组都如下含有不可兼容的指令。I. SG组-速度引导。含有速度规则(SL)和保持速度(HS)。2. HSG组-水平速度引导。含有水平速度规则(HSL)和保持水平速度(HHS)。3. VSG组-垂直速度引导。含有垂直速度规则(VSL)和保持垂直速度(HVS)。4. PAG组-路径角度引导。含有设置路径角度(SPA)、路径角度规则(PAL)和保持路径角度(HPA)。5. AG组-高度引导(本地高度引导LAG)。含有高度规则(AL)和保持高度(HA)。6. VPG组-垂直位置引导。
含有跟踪垂直路径(TVP)。7. TC组-油门控制。含有设置油门(ST)、油门规则(TL)、保持油门(HT)和开启回路油门(OLT)。8. LDC组-横向方向控制。含有设置倾斜角度(SBA)、倾斜角度规则(BAL)、保持倾斜角度(HBA)和开启回路倾斜角度(OLBA)。9. DG组-方向引导。含有航向规则(CL)和保持航向(HC)。10. LPG组-横向位置引导。
含有跟踪水平路径(THP)。涉及飞行器意图(例如飞行意图、操作员优选、飞行员选择、飞行程序等)的接收的信息可映射到上面组中的指令。例如，手动输入油门控制映射到TC组。相似地，飞行员可选择含有速度和飞行航向角的爬升程序，因此映射到VSG和PAG组，与方位一起维持其映射到LPG组。七个规则支配指令的可能结合，如下。I.操作必须具有六个指令(从下面3和4得出)。2.每个指令必须来自不同组(由于相同组的成员不兼容)。3. 一个指令必须来自HLC、LGC和SBC的每个(例如配置指令组，从而定义飞行器的配置)。4.三个指令必须来自下面组DG、LPG、LDC、TC、SG、HSG、VSG、PAG、AG 和 VPG (即运
动指令组，从而关闭三个自由度)。5. 一个并且仅一个指令必须来自DG、LPG和LDC(从而避免横向运动的冲突需求)。6 源自SG和HSG组的指令不可同时存在(从而避免速度的冲突需求)。7.源自VSG、PAG、AG和VPG组的指令不可同时存在(从而避免垂直速度、航向角和海拔高度的冲突需求)。上面的词汇规则在计算航迹之前捕捉明确定义飞行器航迹的全部可能方式。因此，遵照上面规则的飞行器意图的实例含有充足的必需信息从而计算独特飞行器航迹。由于已提供飞行器意图的描述，因此再次考虑飞行意图。飞行意图特定飞行器航迹的定义是一组给定目标和一组给定约束之间折衷的结果。这些约束和目标可考虑为无关于特定飞行器行为的飞行蓝图，应遵循该特定飞行器行为以便获得对航迹的这样限制。如上面解释，该概念称为飞行意图。重要地，飞行意图不必须明确确定飞行器运动；原理上，具有满足给定飞行意图包括的约束组的许多航迹(可能无限)。考虑飞行意图和飞行器意图之间关系的另一方式是飞行意图产生一族飞行器意图的实例，飞行器意图的每个实例导致不同的明确航迹。确定特别飞行器意图并因此确定最终航迹是意图生成引擎104的责任。如上面解释，飞行意图的每个实例都含有不单义确定飞行器运动，但代替地由一组高级条件构成的航迹相关信息，该组高级条件定义飞行器应在其运动期间遵守的某些方面(例如遵循某路线、在某区域中保持固定速度)。飞行意图捕捉必须通过航迹满足的关键操作目标和约束(例如，意图的路线、操作员优选、标准操作程序、ATC约束等)。考虑直接用来生成飞行意图的信息，可能群集相似要素进入三个分离结构飞行段、操作情境和用户优选。飞行段结合从而形成飞行器在飞行期间遵循的飞行路径。操作情境可包括可限制飞行器在一个或更多维度遵循的航迹的ATM约束组。其可包括海拔高度约束、速度约束、爬升/下降约束、航向/定向/路线约束、标准程序约束、路线结构约束、SID约束、STAR约束，以及协调和转移约束(例如，任何飞行在其从一个地区向下一个地区移动时应遵守的速度和海拔高度范围以及进入和离开点)。用户优选总是指向安全和效率，并且不同用户相互不同。最普遍的用户优选涉及操作收益例如最大化有效载重、最小化燃料消耗、最小化飞越上空(over-flight)费、最小化着陆费、最小化维护成本；环境影响例如最小化Cox和NOx排放、最小化噪声排放；以及服务质量例如提高的乘客舒适性(例如，避免突然和极端的机动)和减少延迟。
飞行意图描述语言(FIDL)提出使用形式语言表现飞行意图，该形式语言由用来生成一组字符串或字词的称为字母表的一组非空有限组符号或字母组成。同样需要语法，即支配字母表可允许串联为字符串和字符串可允许串联为语句的一组规则。字母表包括三类字母，如在图4中示出飞行段、约束和目标。通过遵循下面描述的语法规则合适结合这些要素形成语句。语句是飞行段的有序序列，即根据其何时发生有序，其中不同的约束和目标有效从而影响飞行器运动。在字母表内的飞行段表现使飞行器运动状态从一个状态改变为另一状态的意图(例如，从一个3D点平移到另一 3D点、在两个航向之间转向、在两个速度之间加速或海拔高度改变)。飞行段可通过两个飞行器运动状态表征，该两个飞行器运动状态通过为飞行的航迹建立某需求的条件或事件识别。这些条件表现飞行段的执行间隔。该条件可关闭飞行段期间飞行器的一个或更多自由度。约束表示关于航迹的限制，并且约束可通过利用在可应用飞行段期间可用的开放自由度实现。目标表现涉及航迹的期望从而最大化或最小化某泛函(例如巡航，从而最小化成本)。目标可通过利用在可应用飞行段期间可用的开放自由度实现，除用来遵守影响飞行段的约束的自由度之外。结合这些三个要素可能构建字词作为有效FIDL字符串。例如，飞行意图信息“从航路点RUSIK飞行到航路点FTV”可通过含有飞行段的FIDL字词表达，该飞行段的初始状态通过航路点RUSIK的坐标定义，并且其最终状态通过航路点FTV的坐标定义。该飞行意图信息可通过约束例如“维持飞行高度高于300(FL300)”延伸。同样，可能添加关于航迹上一些目标的信息到该FIDL字词。为确保任何约束或目标与飞行段兼容，表达为自由度的飞行器运动受影响方面不应通过飞行段先前关闭。在先前例子中，因为飞行段不定义任何垂直行为，所以飞行高度约束与飞行段兼容。然而，如果飞行段明白表示飞行器在RUSIK和FTV之间以恒定航向角下降，那么垂直自由度关闭并且不可允许约束。因此，在下面描述的FIDL词汇规则禁止该约束。
经常地，约束和目标延续飞行段序列。约束或目标可关于其可影响的一组连续飞行段。这意味着一旦实现第一飞行段的初始状态，则可在飞行器意图生成过程中考虑约束或目标，并直到最后飞行段的最终状态。这不暗示约束或目标影响全部飞行段，而是约束或目标为全部飞行段考虑，并且可以或不可以在任何特别飞行段中影响飞行器运动。图5示出使用上面提到的三个要素表达的FIDL序列的图形表现。该图表现通过在航路点FTV执行在途中转向从航路点RUSIK飞行到航路点FAYTA的意图。该序列通过下面内容形成飞行段通过航路点RUS IK定义的初始状态和通过在航路点FTV的转向机动的开始定义的最终状态之间的FS115在航路点FTV的转向机动的开始和结束之间的FS2。通过在航路点FTV的转向机动的结束定义的初始状态和通过航路点FAYTA定义的最终状态之间的FS3。约束C1，维持航向223°的横向约束。C2,处于或低于(AoB) 250节校准空速飞行的速度约束。C3，处于或高于(AoA)5000 ft飞行的海拔高度约束。目标O1，最小化成本初始和最终状态通过开始和结束触发定义，该开始和结束触发表示对飞行段在航迹上效果的激活和失活。一个飞行段的开始触发总是链接到先前飞行段的结束触发。第一飞行段的开始触发链接到飞行的初始条件。飞行段飞行段的属性是效果、执行间隔和飞行段代码。效果提供关于飞行段期间飞行器行为的信息，并且范围可以是从无信息到飞行器在飞行段期间怎样飞行的完整描述。效果总是通过复合体表征，该复合体是通过飞行器意图描述语言(AIDL)指令的组形成的聚合要素，或是其它复合体的结合。由于其可能定义效果而没有任何特定信息，因此复合体的概念一般化从而包括没有用任何AIDL指令建立的复合体，但专门通过其开始和结束触发代替定义。该定义在整个飞行段支持未知飞行器行为的情况。复合体是遵循上面解释的AIDL词汇规则的AIDL指令串联的结果，但不需要符合关闭的全部六个自由度的需求。飞行段对飞行器运动的效果等效于构成复合体的AIDL指令的个别效果的聚合。执行间隔定义间隔，在该间隔期间飞行段有效，该间隔定义初始飞行器状态和最终飞行器状态。执行间隔依靠开始和结束触发固定，并且这些开始和结束触发必须与定义该飞行段的复合体的开始和结束触发相同。开始和结束触发可采取不同形式，如在图6中表示。显式触发310分为固定312和浮动314触发。隐式触发320分为链接322、自动324和默认326触发。从显式触发开始，固定触发涉及开始或结束执行间隔的特定时刻。例如在固定时间设定空速。浮动触发取决于达到某值从而导致执行间隔开始或结束的飞行器状态变量，例如速度或海拔高度。例子是保持空速低于250节CAS，直到海拔高度超过10，000英尺。现在转到隐式触发，链接触发通过参考另一飞行段指定。这样，一系列触发可创造逻辑有序的飞行段序列，其中一连串开始触发取决于先前飞行段的结束触发。自动触发授权航迹计算引擎负责确定是否符合条件。当条件在意图生成时间未知，并且仅在航迹计算时间变得明显时需要这 样的安排。例子是跟踪VOR半径的飞行器，其意图是以恒定倾斜角执行飞越以便与另一 VOR半径交叉。在意图生成时，没有关于何时开始转向的信息。代替地，这通过航迹计算引擎计算(最可能通过在问题的不同解上迭代来计算)。默认触发表现在意图生成未知，但在航迹计算确定的条件，因为该条件依靠参考飞行器性能模型。一组倾斜角指令的上面例子具有自动开始触发，并具有通过规律确定的默认结束触发，该规律定义通过飞行器性能模型提供的飞行器倾斜角的时间演化。飞行段代码飞行段代码是字母数字的字符串，该字符串表示不通过表征飞行段效果的复合体关闭的飞行器运动的自由度。因为该信息与约束和目标只有在它们影响开放自由度时可结合，所以该信息与约束和目标一起使用。飞行段代码可如下通过五个或六个数字/字母形成。前四位取I或0的值，并涉及对应配置设定(起落架、速度制动和高升力器件)的三个自由度和定义飞行器运动的横向自由度。该值表示自由度是否开放或关闭，例如0表示关闭并且I表示开放。下面位置可以是S、V、P、1或0中的任何，从而表示纵向自由度都关闭
(O)、都开放(I)或仅一个开放(取决于哪个自由度关闭的S、v、p的结合)。对于最后例子，代码表示可受约束或目标影响的飞行器运动的方面。飞行段代码的例子是0110VP。在第一位置中的0表示起落架(LG)自由度关闭。在第二位置中的I表示涉及速度制动(SB)的自由度开放。在第三位置中的I表示涉及高升力器件(HL)的自由度开放。在第四位置中的0表示涉及横向运动(LT)的自由度关闭。在第五和第六位置中的V和P表示涉及纵向运动的自由度中的仅一个开放。字母表示可能添加影响垂直剖面(V)或推进剖面(P)-涉及速度剖面的S的约束或目标。复合体如上面描述，复合体是通过AIDL指令组或通过其它复合体形成的群集要素。复合体遵循AIDL语法规则建立，但不需求关闭全部六个自由度。复合体具有三个属性，即效果、执行间隔和复合体代码。效果是定义复合体的每个AIDL指令的个别效果的添加。同样可能生成复合体而没有效果。这样的复合体具有表征飞行器行为完全未知的飞行段的特定任务。执行间隔定义复合体有效期间的间隔。执行间隔的定义等效于上面解释，包括开始和接触触发的描述。复合体代码压缩定义复合体的AIDL指令中含有的信息。编码的信息取决于通过AIDL指令关闭的自由度。复合体代码相似于飞行段代码。然而，复合体代码表示哪个自由度通过指令关闭，同时后者表示开放的自由度。为在复合期间使复合体分类并识别不同复合体之间的兼容性，每个复合体都通过其复合体代码指明。复合体代码收集在复合体中含有的AIDL指令中存在的语法信息、受影响的自由度和在纵向自由度中存在的剖面。构建有效复合体的基本规则是应在AIDL指令的结合期间应遵守除AIDL词汇 规则I之外的AIDL语法规则(见于上面全部六个自由度的关闭)。复合体代码是由六到十个数字/字母组成的字母数字的字符串。前四位取值I (指令存在)或0 (指令不存在)，并涉及三个配置自由度(以该顺序的起落架、速度制动和高升力器件)以及横向自由度。后四位是表示涉及属于速度(S)、垂直(V)和推进⑵剖面的纵向运动的AIDL指令是否包括在复合体中的一组字母(S、V和P的结合)。只有在两个纵向线中的一个没有指令时使用最终O。复合体代码1001S0意思是复合体通过起落架(在第一位置具有I)的指令、横向运动(在第四位置具有I)的指令和仅涉及速度(在第五和第六位置具有继之以0的S)的纵向自由度中一个的指令形成。约直约束是可限制飞行器飞行的航迹的规则或限制。可通过飞行器操作员、通过操作情境或通过空中交通管理自强加约束。在任何情况下，在飞行器运动上的最终效果是在某间隔期间在飞行器行为上的限制。约束的属性是效果、应用领域和执行间隔。效果是描述约束在飞行器运动上影响的数学表达式。该影响等效于用定义的方程关闭飞行器运动的一个自由度。应用领域定义约束有效并且其效果应用到飞行器运动的间隔。该领域可以是空间间隔、时态间隔甚至更复杂的间隔。开始和结束触发表示限定执行间隔。任何约束的开始和结束触发都链接到相关飞行段的开始和结束触发。这些触发仅在其可以有效时不定义约束在何处影响飞行器运动。应用领域定义约束何时影响飞行器运动。约束可根据受约束效果影响的自由度分类。由于自由度定义其是否可应用到飞行段，因此这是有用的(即，该自由度是否开放并因此可用)。速度剖面约束(SPC)是其效果强加条件到涉及速度剖面的自由度的这些约束。垂直剖面约束(VPC)是其效果强加条件到涉及垂直剖面的自由度的这些约束。推进剖面约束(PPC)是其效果强加条件到涉及推进剖面的自由度的这些约束。横向剖面约束(LPC)是其效果强加条件到涉及横向剖面的自由度的这些约束。起落架剖面约束(LGPC)是其效果强加条件到涉及起落架剖面的自由度的这些约束。速度制动剖面约束(SBPC)是其效果强加条件到涉及速度制动剖面的自由度的这些约束。高升力器件剖面约束(HLDC)是其效果强加条件到涉及高升力器件剖面的自由度的这些约束。时间约束(TMC)是其效果为确定的飞行器状态强加固定时间的约束，例如到达航路点的请求时间。该约束不与飞行器运动的自由度直接链接，但其是强加到航迹的条件，并且必须必需影响至少一个自由度。目标目标表现影响飞行器运动从而在某应用领域上最优化某目标泛函的愿望。这些泛函可编码特定航线业务策略或飞行员程序。目标的属性是效果、控制变量、应用领域和执行间隔。效果是描述目标在飞行器运动上影响的数学表达式。目标定义为其最优化驱动发现最合适航迹的过程的泛函。功能可明白定义用于最优化的变量或多个变量，并可返回最小化或最大化泛函的该变量的值。例如，目标最小成本可表达为用速度作为用于最优化的变量评估航迹操作成本的泛函。控制变量是在最优化中明白使用的变量。获得定义的泛函的最大值或最小值返回满足最大化或最小化判据的控制变量的函数。这些变量涉及用来实现泛函的飞行器运动的自由度。因此，其指定使用一个或更多自由度的意图，从而实现最优化。在没有定义控制变量时，飞行器意图生成过程使用任何保持开放的自由度从而实现最优化。应用领域定义目标有效并影响飞行器运动的间隔。该领域可以是空间间隔、时态间隔甚至更复杂的间隔。执行间隔通过表示目标可以有效并影响飞行器运动时的开始和结束触发限定。目标可考虑可受目标效果影响的自由度分类。
速度剖面目标(SPO)是其效果强加条件到涉及速度剖面的自由度的这些目标。垂直剖面目标(VPO)是其效果强加条件到涉及垂直剖面的自由度的这些目标。推进剖面目标(PPO)是其效果强加条件到涉及速度剖面的自由度的这些目标。横向剖面目标(LPO)是其效果强加条件到涉及横向剖面的自由度的这些目标。起落架剖面目标(LGPO)是其效果强加条件到涉及起落架剖面的自由度的这些目标。速度制动剖面目标(SBPO)是其效果强加条件到涉及速度制动剖面的自由度的这些目标。高升力器件剖面目标(HLDO)是其效果强加条件到涉及高升力器件剖面的自由度的这些目标。多剖面目标(MPO)是其效果强加条件到自由度尽管该自由度不固定的目标。这些目标不在特定剖面上强加最优化。结果，可使用不通过飞行段、约束或其它目标关闭的最合适开放自由度。FIDL 的语法FIDL语法分为词汇和句法规则。前者含有支配使用飞行段、约束和目标创造有效字词的一组规则，后者含有生成有效FIDL语句的一组规则。词汇规则考虑飞行段为FIDL词位，即自身有意义的最小和不可分割的要素。约束和目标考虑为补充并增强词位意义但不个别具有任何含义的FIDL前缀(或后缀)。因此词汇规则描述怎样使词位与前缀结合以便确保生成有效FIDL字符串。其也确定通过词位和前缀形成的字符串是否在FIDL中有效。词汇规则基于表征飞行段的开放和关闭的自由度。如果飞行段没有开放自由度，那么意思是相关词位完全有意义，并且其意义不可通过任何前缀(约束或目标)补充。对于具有一个或更多开放自由度的飞行段，可添加与开放自由度一样多的前缀。词汇规则同样允许其中留下一个或更多自由度开放的飞行段和相关约束与目标。在此情况下，可能通过添加约束或目标稍后关闭自由度。考虑上面提到的词位和前缀的定义，支配有效FIDL字符串形成的词汇规则在下面概述。LRl有效FIDL字词由至少一个飞行段组成。
LR2全部自由度关闭的飞行段不可与任何约束或目标同时有效。LR3影响相同自由度的约束和目标不可同时有效速度剖面约束和速度剖面目标；垂直剖面约束和垂直剖面目标；推进剖面约束和推进剖面目标；横向剖面约束和横向剖面目标；起落架剖面约束和起落架剖面目标；速度制动剖面约束和速度制动剖面目标；高升力器件剖面约束和高升力器件剖面目标。LR4速度剖面约束和速度剖面目标可仅在具有至少一个纵向自由度开放的这些飞行段，并且飞行段效果中没有有效的速度剖面指令的情况下同时有效。LR5垂直剖面约束或垂直剖面目标可仅在具有至少一个纵向自由度开放的这些飞行段，并且飞行段效果中没有有效的垂直剖面指令的情况下同时有效。LR6推进剖面约束和推进剖面目标可仅在具有至少一个纵向自由度开放的这些飞行段，并且飞行段效果中没有有效的推进剖面指令的情况下同时有效。LR7横向剖面约束和横向剖面目标可仅在具有至少一个纵向自由度开放的这些飞行段，并且飞行段效果中没有有效的横向剖面指令的情况下同时有效。LR8起落架剖面约束和起落架剖面目标可仅在具有至少一个纵向自由度开放的这些飞行段，并且飞行段效果中没有有效的起落架剖面指令的情况下同时有效。LR9速度制动剖面约束和速度制动剖面目标可仅在具有至少一个纵向自由度开放的这些飞行段，并且飞行段效果中没有有效的速度制动剖面指令的情况下同时有效。LRlO高升力器件剖面约束和高升力器件剖面目标可仅在具有至少一个纵向自由度开放的这些飞行段，并且飞行段效果中没有有效的高升力器件剖面指令的情况下同时有效。现在转到FIDL句法规则，具有用来识别通过FIDL字词形成的语句是否有效的规则。良好形成的FIDL语句通过表现按时间连续的飞行器运动状态的串联飞行段序列定义。这些飞行器状态是定义通过飞行段触发设定的航迹上的需求。因为时间约束不直接影响特定自由度，所以必须给予时间约束特殊考虑。考虑时间约束的应用领域总是关于事件(例如在到达航路点、海拔高度或速度时的特定时间)，在时间约束之前任何飞行段中可用的任何自由度可用来获得该事件的时间。因此，使时间约束关联飞行段的必需条件是该飞行段的自由度中的一个必须开放。在应用该约束时，飞行段减少开放自由度的数量。如果时间约束关于飞行段序列，那么必需条件是源自该序列中的飞行段的一个或更多具有至少一个开放自由度。多剖面目标的状况相似于时间约束的状况。在多剖面目标关于飞行段或飞行段序列时，必需条件是具有通过目标的效果关闭的开放自由度。至于全部约束和目标，应用多剖面目标到飞行段减少开放自由度的数量在其关于飞行段序列时，该减少应用到具有开放自由度的该序列中全部飞行段。 考虑语言要素的定义和应用到该要素的词汇规则，FIDL句法规则在下面概述，该FIDL句法规则建立使用FIDL字词构建的语句的有效性。SRl有效FIDL语句通过至少一个飞行段形成。SR2除通过初始条件定义的第一开始触发之外，飞行段的开始触发总是链接到先前飞行段的结束触发。
SR3约束或目标可仅在其不为一连串飞行段的每个飞行段违反任何词汇规则时关于飞行段序列。SR4时间约束可仅关于其中具有至少一个开放自由度的飞行段，该开放自由度在应用时间约束的飞行段中或在任何先前飞行段中不受任何其它约束或目标影响。SR5不多于一个时间约束可应用到相同飞行段。SR6多剖面目标可仅关于飞行段序列，其中在不受任何其它约束或目标影响的序列中具有至少一个开放自由度。补充应用本发明可在需要预测飞行器航迹，并且其中生成飞行意图需要的信息可用(在航迹计算实际执行时或稍后)的任何应用上发现效用。例如，航迹计算基础结构110可作为飞行器的飞行管理系统的部分提供。飞行管理系统可在确定飞行器怎样飞行时利用航迹预测设施。例如，飞行管理系统可采用重复途径到飞行计划。航迹可预测并与目标例如航线业务目标(最小飞行时间、最小燃料燃烧等)比较。飞行计划的详情可调整，并且在预测航迹上的结果确定并与目标比较。如前述段落中描述预测的航迹可向空中交通管理提供，类似于详细飞行计划的提供。本发明在飞行器和空中交通管理系统不兼容的情况下具有特别效用。使用本发明，以飞行/飞行器意图描述语言表达的飞行或飞行器意图可从飞行器传递到空中交通管理。空中交通管理可然后使用该意图从而使用其自己的系统预测飞行器航迹。对于空基航迹计算基础结构，飞行管理系统可具有对生成飞行器意图需要的信息中一些的访问。例如，航线优选可本地存储以便检索和使用。此外，飞行器性能模型和地球模型可本地存储并按需更新。进一步的信息可由飞行员输入，例如遵循的特别SID、导航路线和STAR，以及其它优选如何时展开起落架、改变副翼设定、发动机额定值等。可基于推荐空速假设一些丢失的信息，例如副翼和起落架展开时间。全部该需要的信息可在飞行之前获得，以使整个飞行的航迹可以预测。可替换地，仅信息的一些可在飞行之前获得，并且剩余信息可在途中获得。该信息可在飞行员输入之后获得(或更新，如必需)，例如响应发动机额定值或飞行高度改变获得。航迹计算基础结构也可由于主要大气条件改变更新预测航迹，并因此更新以飞行器意图描述语言表达的飞行器意图，如同通过地球模型更新。更新可经飞行器和地面之间众所周知的通信链路230的任何类型通信最近的大气条件可发送到飞行器，并且修订的飞行器意图或预测航迹可从飞行器发送。空中交通管理应用相似于上面描述的空基系统。空中交通管理可具有确定飞行器意图必需的信息，例如飞行程序(SID、STAR等)，涉及飞行器性能的信息(作为飞行器性能模型)、大气条件(作为地球模型)，可能甚至具有航线优选。一些信息例如涉及何时改变飞行器配置的飞行员优选可在飞行前或在飞行期间收集。在信息不可用的情况下，空中交通管理可为生成的飞行器意图和预测的航迹做出假设。例如，可做出全部飞行员在离开跑道进口十海里或在特别空速展开他们的起落架的假设。
在计算机实施的空中交通管理方法的实施例中，一个或更多飞行器的预测航迹可比较从而识别潜在冲突。任何潜在冲突都可通过向飞行器中的一个或更多的飞行/飞行器意图建议必需改变来解决。
在另一实施例中，避免飞行器碰撞的方法可包括接收以涉及另一飞行器的飞行器意图的形式语言表达的一组指令，预测其它飞行器的航迹，以及比较两个预测航迹从而识别航迹中的任何冲突本领域技术人员认识到可向上面描述的实施例做出变化而不违背通过权利要求定义的本发明范畴。
权利要求
1.一种提供在使用形式语言表达的飞行上飞行的飞行器的飞行意图描述的方法，所述方法包括 接收描述所述飞行器怎样飞行的信息并且在数据库中存储所述信息，所述信息包括描述所述飞行器运动的运动信息和描述所述飞行器空气动力学配置的配置信息； 将所述飞行划分到一个或更多飞行段上，以及 为每个飞行段 确定所述飞行器的哪些运动自由度通过为所述飞行段存储的所述信息定义；以及使用形式语言为所述飞行段表达所述飞行意图，从而定义所述飞行器的哪些运动自由度在所述飞行段期间定义，以及哪些运动自由度没有定义。
2.根据权利要求I所述的方法，进一步包括为飞行段表达所述飞行意图，以便定义在所述飞行段期间关于飞行器运动的效果。
3.根据权利要求I所述的方法，其中每个飞行段都通过开始触发和结束触发定义，以及其中除所述第一开始触发之外的每个开始触发都链接到直接先前结束触发。
4.根据权利要求I所述的方法，进一步包括使用飞行段代码为飞行段表达所述飞行意图，所述飞行段代码定义所述飞行器的哪些运动自由度在所述飞行段期间定义，以及哪些自由度没有定义。
5.根据权利要求I所述的方法，其中为飞行段表达飞行意图进一步包括通过对所述飞行器运动的约束的效果定义所述约束。
6.根据权利要求5所述的方法，其中为飞行段表达飞行意图进一步包括通过对最优化的所述飞行器运动的所述约束的效果定义目标。
7.根据权利要求5所述的方法，其中只有当所述飞行段期间相关自由度开放时可定义约束和目标。
8.根据权利要求I所述的方法，其中为飞行段表达飞行意图包括定义飞行器意图的指令。
9.一种预测飞行器航迹的方法，所述方法包括 读取提供根据任何前述权利要求使用形式语言表达的飞行意图描述的数据； 获得进一步信息以使提供所述飞行期间所述飞行器航迹的明确描述； 根据形式语言表达所述飞行器意图，由此提供所述飞行器航迹的明确描述； 使用所述飞行器意图的表达式并参考飞行器性能模型和地球模型求解定义飞行器运动的运动方程；以及 提供所述预测航迹的描述。
10.根据权利要求9所述的方法，其中使用形式语言表达所述飞行器意图包括提供必需的所述信息和可在哪里发现所述信息的参考中的至少一个，所述信息对于求解描述飞行器飞行的运动方程并从而计算所述飞行器的航迹是必需的。
11.根据权利要求9所述的方法，进一步包括 接收涉及另一飞行器的所述飞行器意图的以形式语言表达的一组指令；以及 比较所述预测航迹，从而识别所述航迹中的任何冲突。
12.—种飞行器航迹预测器系统，包括 读取提供飞行意图描述的数据的装置，所述飞行意图描述使用形式语言表达；获得进一步信息以使提供所述飞行期间所述飞行器航迹的明确描述的装置； 根据形式语言表达所述飞行器意图由此提供所述飞行器航迹的所述明确描述的装置； 使用飞行器意图的表达式并参考飞行器性能模型和地球模型求解定义飞行器运动的运动方程的装置；以及 提供所述预测航迹的描述的装置。
13.根据权利要求12所述的系统，包括接收必需的信息和可在哪里发现所述信息的参考中的至少一个的装置，所述信息对于求解描述多个飞行器的飞行器飞行的运动方程和为所述多个飞行器的每个计算航迹是必需的。
14.根据权利要求13所述的系统，进一步包括 比较所述预测航迹以识别任意的所述多个飞行器之间潜在冲突的装置。
全文摘要
本发明提供产生使用形式语言表达的飞行器飞行意图的描述的系统和方法。该描述可用来生成预测的飞行轨迹，例如通过空中交通管理生成。关于被提供以形式语言表达飞行器飞行意图的信息使用规则。飞行意图按照飞行段描述飞行，并提供飞行的路径的信息及其怎样飞行。飞行意图不必需明确定义飞行期间飞行器的空气动力学配置和飞行器运动。飞行意图与其它信息一起使用从而生成明确描述飞行器航迹的飞行器意图。
文档编号G05D1/10GK102621987SQ201210020409
公开日2012年8月1日 申请日期2012年1月29日 优先权日2011年1月28日
发明者E·卡萨度, F·A·纳瓦罗, J·洛佩兹·利奥尼斯, M·维拉普拉纳 申请人:波音公司