用于飞行器编队相对于入侵飞行器的防撞设备及方法与流程

本发明涉及一种用于飞行器编队相对于入侵飞行器的防撞方法及设备。

在本发明的上下文中：

-入侵飞行器应当被理解为不构成编队的一部分且如果不实施避让机动则会有与编队中的至少一个飞行器发生碰撞的风险的飞行器；以及

-编队飞行被认为包括至少两个飞行器，特别是运输机，即被跟随的飞行器—称为领头飞行器—和一个或更多个跟随飞行器。跟随飞行器通过跟随他们直接跟随的飞行器(即领头飞行器或另一跟随飞行器)来飞行，以便保持它们之间的恒定间隔。

在优选的应用中，特别是在巡航飞行中，飞行器以相同的航向和相同的速度在同一飞行高度处一个接一个地飞行。还可以提供要被应用于跟随飞行器的速度控制命令，使得速度控制命令使得所述跟随飞行器能够在给定前期具有与所跟随的飞行器相同的位置、相同的速度和相同的加速度。

背景技术：

这种编队飞行尤其在燃料消耗方面提供了优点。实际上，编队通常被限定，特别是在间隔距离方面被限定，使得跟随飞行器不会被由飞行器、特别是编队中的在其前方的领头飞行器产生的涡流干扰。

如今，在这样的编队飞行期间，编队外的飞行器可能偶尔向编队的至少一个飞行器靠拢而产生碰撞的风险，从而迫使实施分离机动。

客机配备有tcas(空中防撞系统)型的防撞系统，其通过预防飞行中碰撞的风险而使得能够确保空中交通安全。因此，当两个飞行器朝向彼此靠拢时，它们的防撞系统计算碰撞时间的估计值，并且发送向每个飞行器的机组人员告知可能的将来碰撞的警报：这种警报通常称为“交通警报”或“ta警报”。如果需要，为了引起机组人员注意，所述防撞系统还发送用于在竖直平面中进行避让机动的命令，以脱离可能碰撞的情况：这种避让机动命令通常称为“解决(resolution)警报”或“ra警报”。ta警报和ra警报通过驾驶舱中的语音消息和信息显示来体现。

这种分离机动通常包括在所涉及的飞行器之间实现竖直分离，对于客机来说通常是700英尺。

目前，产生对编队中的至少一个飞行器的高度的修改的这种机动将打破编队，使得飞行器在这种情况下不再受益于编队飞行的上述优点。

因此，在有碰撞风险的情况下对编队飞行的这种标准管理不令人满意。

技术实现要素：

本发明的目的是弥补这个缺点。本发明涉及一种用于飞行器编队相对于飞行器编队外的至少一个飞行器—称为入侵飞行器—的防撞方法，所述飞行器编队包括领头飞行器和至少一个跟随飞行器，所述方法包括编队飞行管理方法，所述编队飞行管理方法在飞行器编队中的所有飞行器上实现并且包括管理飞行器编队中的所有飞行器的编队飞行。

根据本发明，所述防撞方法包括第一组步骤，所述第一组步骤包括：

-第一接收步骤，其由第一数据接收单元实现，以及包括对于所述飞行器编队中的至少一个飞行器接收关于与所述入侵飞行器碰撞的风险的信息；

-第一决策步骤，其由第一决策单元实现，以及包括在接收到关于飞行器编队中的至少一个飞行器的碰撞风险信息的情况下作出避让决策，该第一决策步骤包括生成避让决策，所述避让决策包括用于飞行器编队中的所有飞行器设计的协调式避让机动，所述协调式避让机动被确定成在被应用于飞行器编队中的所有飞行器时使得能够避免与入侵飞行器碰撞同时保持编队飞行；以及

-第一发送步骤，其由第一数据发送单元实现，以及包括将具有协调式避让机动的避让决策发送至飞行器编队中的飞行器。

有利地，所述第一组步骤在领头飞行器上实现。

因此，借助于本发明，通过实现编队中的多个飞行器的协调式避让机动，可以在入侵飞行器靠近时保持编队。这使得可以弥补上述缺点，并且因此保留了编队飞行的相应优点，尤其在成本方面。

有利地：

-关于与所述入侵飞行器碰撞的风险的所述信息是通过能够在飞行器编队中的至少一个飞行器上实现的碰撞风险检测方法来生成的；和/或

-所述第一决策步骤包括实现预定避让逻辑的步骤。

在第一实施方式中，所述第一组步骤还包括：

-第二接收步骤，其由所述第一数据接收单元实现，以及包括从所述至少一个跟随飞行器接收同意/不同意信息；以及

-第二发送步骤，其由所述第一数据发送单元实现，以及包括在接收到同意信息的情况下向所述至少一个跟随飞行器发送触发协调式避让机动的命令以使其实现该协调式避让机动。

在该第一实施方式中，所述第一组步骤包括第一应用步骤，其由第一应用单元实现以及包括在接收到不同意信息的情况下将特定避让逻辑应用于领头飞行器。

此外，在第二实施方式中，所述第一发送步骤还包括向所述至少一个跟随飞行器发送触发协调式避让机动的命令，以使其实现所述协调式避让机动。

此外，有利地，所述方法包括第二组步骤，其在飞行器编队中的所述至少一个跟随飞行器上实现，以及包括：

-第三接收步骤，其由第二数据接收单元实现，以及包括接收所述协调式避让机动；

-第二决策步骤，其由第二决策单元实现，以及包括生成关于协调式避让机动的同意/不同意信息；以及

-第三发送步骤，其由第二数据发送单元实现，以及包括将所述同意/不同意信息发送至所述领头飞行器。

有利地，所述第二组步骤包括在生成不同意信息的情况下的第二应用步骤，其由第二应用单元实现，以及包括将特定避让逻辑应用于跟随飞行器。

此外，有利地，在生成同意信息的情况下，所述第二组步骤包括：

-第四接收步骤，其由所述第二数据接收单元实现，以及包括接收用于激活协调式避让机动的命令；以及

-第三应用步骤，其由所述第二应用单元实现，以及包括将协调式避让机动应用于跟随飞行器。

此外，在包括多个跟随飞行器的飞行器编队的情况下，所述第二组步骤在飞行器编队中的每个跟随飞行器上实现。

所述防撞方法还包括检验步骤，其由验证单元实现，以及包括检验构成飞行器编队的一部分的飞行器正按编队飞行。

本发明还涉及一种用于飞行器编队相对于飞行器编队外的至少一个飞行器—称为入侵飞行器—的防撞设备，所述飞行器编队包括领头飞行器和至少一个跟随飞行器，所述防撞设备包括编队飞行管理单元，飞行器编队中的所有飞行器都配备有编队飞行管理单元，并且编队飞行管理单元被配置成管理飞行器编队中的所有飞行器的编队飞行。

根据本发明，所述防撞设备包括管理组件，所述管理组件包括：

-第一数据接收单元，其被配置成对于所述飞行器编队中的至少一个飞行器接收关于与入侵飞行器碰撞的风险的信息；

-第一决策单元，其被配置成在接收到关于飞行器编队中的至少一个飞行器的碰撞风险信息的情况下作出避让决策，第一决策单元被配置成生成避让决策，避让决策包括用于飞行器编队中的所有飞行器的协调式避让机动，所述协调式避让机动被确定成当其被应用于飞行器编队中的所有飞行器时使得能够避免与入侵飞行器碰撞，同时保持编队飞行；以及

-第一数据发送单元，其被配置成向飞行器编队中的飞行器发送包括协调式避让机动的避让决策。

在一个特定实施方式中：

-第一数据接收单元被配置成从所述至少一个跟随飞行器接收同意/不同意信息；以及

-第一数据发送单元被配置成在接收到同意信息的情况下向所述至少一个跟随飞行器发送触发协调式避让机动的命令，以使其实现该协调式避让机动。

此外，有利地，所述防撞设备包括至少一个控制组件，所述控制组件被安装在飞行器编队中的至少一个飞行器中上，以及包括：

-第二数据接收单元，其被配置成接收协调式避让机动；

-第二决策单元，其被配置成生成关于协调式避让机动的同意/不同意信息；以及

-第二数据发送单元，其被配置成将同意/不同意信息发送至领头飞行器。

本发明还涉及一种tcas型防撞系统，其包括这种防撞设备的至少一部分。

本发明还涉及一种飞行器，特别是运输机，其设有如上文所述的防撞设备和/或防撞系统。

附图说明

附图将给出对如何实现本发明的清晰理解。在这些图中，相同的附图标记表示相似的元件。具体地：

-图1是根据本发明的防撞设备的特定实施方式的框图；

-图2是示意性地示出了呈现与入侵飞行器碰撞的风险的飞行器编队；

-图3是用于领头飞行器设计的管理组件的特定实施方式的框图；

-图4和图5是由图3的管理组件实现的方法的连续步骤的框图；

-图6是用于跟随飞行器的控制组件的特定实施方式的框图；

-图7和图8是由图6的控制组件实现的方法的连续步骤的框图；以及

-图9是类似于图2的视图，其中碰撞的风险被解决。

具体实施方式

使得能够说明本发明并且在图1中示意性地展示的设备1是用于飞行器ac1、ac2的编队f—特别是运输机编队—相对于编队f外的至少一个飞行器ac0—称为入侵飞行器—的防撞设备，如图2所示。

所述编队f包括领头飞行器ac1和一个或更多个跟随飞行器，即在图2的示例中的单个跟随飞行器ac2，其以间距e跟随领头飞行器ac1。

设备1的目的是避免与入侵飞行器ac0碰撞，也就是说避免与以下飞行器碰撞，其不构成编队f的一部分且如果不实施避让机动则会有与编队f中的至少一个飞行器ac2发生碰撞的风险，如由箭头b所示。

防撞设备1包括编队飞行管理单元(未具体显示)。飞行器编队中的每个飞行器都配备有这样的单元，并且编队飞行管理单元被配置成管理飞行器编队中的每个飞行器的编队飞行。编队飞行是使得跟随飞行器通过跟随它们直接跟随的飞行器(即，领头飞行器或另一跟随飞行器)来飞行，以在它们之间保持恒定间距e，如图2所示。在优选的应用中，特别是在巡航飞行中，飞行器ac1和ac2以相同的航向和相同的速度在同一飞行高度处一个接一个地飞行。

所述防撞设备1包括被安装在领头飞行器上的第一管理组件2(unit，“管理单元”的简称)以及用于跟随飞行器的一个或更多个第二控制组件3(unit，“管理单元”的简称)。在多个跟随飞行器的情况下，所述跟随飞行器中的每一个都设置有一个这样的控制组件3。

所述组件2和3中的每一个构成嵌入式系统4、5—优选地下文详细说明的防撞系统—的一部分。

如图1所示，所述系统4和5中的每一个还包括：

-连至应答器天线7的应答器6(xpdr)；

-tcas(空中防撞系统)型的天线8，两个系统4和5各自的天线7和8之间(通过电磁波)的交叉通信由箭头9和10示出；

-声音和/或视觉类型的标准报警单元11(alert)；以及

-显示单元12(du)。

如图1所示，各种元件连至系统4、5中的相应组件2、3。

优选地，所述系统4和5中的每一个因而是tcas型的防撞系统。这种防撞系统通过防止飞行中碰撞的风险而使得能够确保空中交通安全。因此，当两个飞行器向彼此靠拢时，它们的防撞系统计算碰撞时间的估计值并且(经由警报单元11)发送用于向每个飞行器的机组人员告知可能的将来碰撞的警报：这种警报通常称为“交通警报”或“ta警报”。如果需要，为了引起机组人员注意，所述防撞系统4和5还(例如通过显示单元12)发送关于在竖直平面中进行避让机动的命令，以脱离可能碰撞的情况：这种避让机动命令通常称为“解决警报”或“ra警报”。ta警报和ra警报是通过驾驶舱中的语音消息(经由警报单元11)和信息显示(通过显示单元12)来体现。在实践中，嵌入式防撞系统4、5一般计算在水平平面中的碰撞时间(两个飞行器的水平距离与它们的相对水平速度之间的比率)和在竖直平面中的碰撞时间(两个飞行器的竖直距离与它们的相对竖直速度之间的比率)。将所述及时计算的碰撞时间与ta警报和ra警报的预定阈值(所述预定阈值也是高度的函数)进行比较，并且当所计算的碰撞时间小于相应的预定阈值时触发所述警报。

关于碰撞的风险，tcas系统经由应答器6及其天线7发送信息，以及经由天线8接收信息。

此外，如图3所示，管理组件2特别包括：

-数据接收单元14(recept)；

-决策单元15(decis)；以及

-数据发送单元16(emis)。

单元14和15是能够经由天线—特别是天线8(tcas)—发送和接收信息的标准收发器单元。

根据本发明，嵌入领头飞行器ac1上的所述管理组件2(图2)实现以下第一组下述步骤，如图4所示，包括：

-接收步骤e1，其由数据接收单元14实现，以及包括如果需要，则从编队f中的至少一个飞行器ac2接收关于与入侵飞行器ac0碰撞的风险的信息；

-决策步骤e2，由决策单元15实现，以及包括在接收关于编队f中的至少一个飞行器ac2的碰撞风险信息的情况下作出避让决策。决策步骤e2包括生成避让决策，避让决策包括用于编队f中的所有飞行器ac1和ac2的避让机动；以及

-发送步骤e3，由数据发送单元16实现，以及包括通过tcas/xpdr消息将包括协调式避让机动的避让决策发送至编队f中的其他飞行器ac1。

根据本发明，所述协调式避让机动被确定成当被应用于编队f中的所有飞行器ac1和ac2时使得能够避免与入侵飞行器ac0碰撞，同时保持编队飞行。

因此，如下文参照图9所详细说明的，借助于设备1，通过实现编队f中的不同飞行器ac1和ac2的协调式避让机动，可以在入侵飞行器ac0接近时保持编队f。这使得能够保留相应的优点，特别是在(编队)飞行成本方面。

在第一特定实施方式中，管理组件2还实现一组子步骤e5。如图5所示，该组e5包括：

-同意/不同意信息接收子步骤e5a，其由数据接收单元14实现，以及包括从所述至少一个跟随飞行器ac2接收同意或不同意信息；以及

-数据发送子步骤e5b，其由数据发送单元16实现，并且包括在子步骤e5a中接收到同意信息的情况下向所述至少一个跟随飞行器ac2发送触发协调式避让机动的命令，以使其实现该协调式避让机动。

在这种情况下，当碰撞被最终解决时，管理组件2还实现子步骤e5c，子步骤e5c包括经由数据发送单元16将碰撞解决信息发送至编队f中的所有跟随飞行器ac2。

同意信息指示发送该同意信息的跟随飞行器同意所提出的避让机动并且能够实现该避让机动。否则，该跟随飞行器发送不同意信息。

在多个跟随飞行器的情况下，认为领头飞行器已经接收到同意信息并且如果所有跟随飞行器都发送了同意信息则可以实现子步骤e5b。如果不是这种情况，则认为领头飞行器已经接收到不同意信息。

在所述第一实施方式中，在子步骤e5a中接收到不同意信息的情况下，管理组件2通过图3所示的命令应用单元17(appl)实现避让应用子步骤e5d，而不是子步骤e5b。

子步骤e5d包括在子步骤e5a中接收到不同意信息的情况下将特定避让逻辑应用于领头飞行器。

单元17生成旨在由飞行器的手动或自动领航装置使用以实现避让的命令。这些领航装置可以包括显示单元，例如显示单元12，用于向手动执行领航的飞行员显示命令。它也可以是自动实现避让的自动领航系统。

在这种情况下，在有冲突风险的情况下，管理组件2还实现计算专用于领头飞行器的避让机动的步骤e4。该避让机动由tcas系统的模块18来计算，其例如被并入管理组件2中，如图3所示。

在这种情况下，决策步骤e2考虑在两个步骤e1和e4中生成的信息。

第一组步骤还包括检验步骤e0，其由检验单元19(verif)实现，以及包括在实现步骤e1之前检验构成飞行器编队的一部分的飞行器正按编队飞行。

为了进行该检验，检验单元19例如且以非限制性方式考虑编队中的不同飞行器的距离和航向的标准。

此外，如上所述，所述防撞设备1还包括被安装在编队f中的每个跟随飞行器上的控制组件3。如图6所示，该控制组件3包括：

-数据接收单元20；

-决策单元21；

-数据发送单元22；

-命令应用单元23；

-tcas型模块24；以及

-检验单元25。

单元和模块20以及22至25类似于单元和模块14以及16至19，从而不进一步进行描述。

嵌入跟随飞行器上的所述控制组件3实现第二组后续步骤，如图7所示，包括：

-接收步骤f1，其由数据接收单元20实现，以及包括接收(由领头飞行器确定并发送的)协调式避让机动；

-决策步骤f2，其由决策单元21实现，以及包括生成关于协调式避让机动的同意/不同意信息；以及

-发送步骤f3，其由数据发送单元22实现，以及包括将同意/不同意信息发送至领头飞行器。

在生成不同意信息的情况下，所述第二组步骤包括应用步骤f4，其由应用单元23实现，以及包括将特定避让逻辑应用于跟随飞行器。

此外，在生成同意信息的情况下，所述第二组步骤实现一组子步骤f5，如图8所示，包括：

-激活接收子步骤f5a，其由数据接收单元20实现，以及包括如果必要则接收(由领头飞行器确定并发送的)用于激活协调式避让机动的命令；以及

-应用子步骤f5b，其由命令应用单元23实现，以及包括将协调式避让机动应用于跟随飞行器ac2(图9)。

在这种情况下，控制组件3还实现子步骤f5c，其包括在解决碰撞的情况下经由数据接收单元20接收由领头飞行器发送的碰撞解决信息。

第二组步骤还包括检验步骤f0(类似于上述步骤e0)，其由检验单元24实现，以及包括检验构成飞行器编队的一部分的飞行器正按编队飞行。

管理组件2的决策单元15通过考虑关于入侵飞行器的数据、关于飞行器在编队中的角色的数据以及关于嵌入式装置的可用性的数据，来生成避让决策。

为此，决策单元15实现例如在决策表上呈现的预定避让逻辑。该决策表适配于编队中的飞行器的数量。

作为例示，在具有两个飞行器ac1和ac2—包括领头飞行器ac1和跟随飞行器ac2(如图1和图9所示)—的情况下，根据入侵飞行器ac0的竖直位置和水平位置以及所述飞行器ac0、ac1和ac2的当前运动(爬升，下降)，决策表可以包括以下避让决策：

a/如果存在与其碰撞的风险的跟随飞行器正在爬升，并且如果入侵飞行器位于该跟随飞行器的后下方且正在下降，则跟随飞行器和领头飞行器爬升；

b/如果存在与其碰撞的风险的跟随飞行器正在下降，并且如果入侵飞行器位于该跟随飞行器的后上方且正在爬升，则跟随飞行器和领头飞行器下降；

c/如果存在与其碰撞的风险的领头飞行器正在爬升，并且如果入侵飞行器位于该领头飞行器的前下方且正在下降，则跟随飞行器和领头飞行器爬升；

d/如果存在与其碰撞的风险的领头飞行器正在下降，并且如果入侵飞行器位于跟随飞行器的前上方且正在爬升，则跟随飞行器和领头飞行器下降；

e/如果存在与其碰撞的风险的跟随飞行器正在爬升，并且如果入侵飞行器位于与该跟随飞行器相同的飞行高度处、在该跟随飞行器后方且正在下降，则跟随飞行器和领头飞行器爬升；

f/如果存在与其碰撞的风险的跟随飞行器正在下降，并且如果入侵飞行器位于与该跟随飞行器相同的飞行高度处、在该跟随飞行器后方并且正在爬升，则跟随飞行器和领头飞行器下降；

g/如果存在与其碰撞的风险的领头飞行器正在下降，并且如果入侵飞行器位于与该领头飞行器相同的飞行高度处、在领头飞行器前方并且正在爬升，则跟随飞行器和领头飞行器下降；

h/如果存在与其碰撞的风险的领头飞行器正在爬升，并且如果入侵飞行器位于与该领头飞行器相同的飞行高度处、在领头飞行器前方且正在下降，则跟随飞行器和领头飞行器爬升；以及

i/如果所有飞行器位于同一飞行高度处，并且入侵飞行器从右边或从左边到达，则编队被打破，并且编队中的飞行器均遵循其防撞系统的命令。

作为例示，在图2和图9的示例中：

-最初，如图2所示，入侵飞行器ac0正在编队f中的跟随飞行器ac2的后下方飞行，并且如箭头b所示地正在爬升；

-跟随飞行器ac1的tcas系统检测到碰撞风险；

-设备1实现上述步骤以在能够保持编队的情况下产生冲突解决方案；

-因此，为了解决这种冲突，编队f中的飞行器ac1和ac2如由图7中的箭头b1和b2分别所示以协调的方式爬升，而入侵飞行器ac0如箭头b0所示下降。

因此，碰撞(或冲突)的风险被快速解除，从而编队f不会被打破。

因此，如上所述，设备1特别地提供以下优点：

-通过协调式避让机动使得能够在与入侵飞行器有碰撞的风险的情况下保持编队，这使得能够保留这种编队的优点，特别是降低跟随飞行器的消耗，同时使间隔距离最小化；

-在冲突后，地面操作员可以继续管理编队和飞行器(入侵飞行器)的飞行，而不必对所涉及的所有飞行器的飞行分别进行管理；以及

-对于机上操作，更快地实现碰撞的解决方案，并且机组人员的工作量减少。