生成支持区域、国内和国际无人机系统的基于网络云系统的系统及方法与流程

生成支持区域、国内和国际无人机系统的基于网络云系统的系统及方法
1.交叉引用相关专利申请本技术涉及美国专利申请no.13/792,259，申请日为2013年03月11日，名称为“与小型无人机系统(suas)的操作人员进行实时数据通信及信息传递的系统及方法”，在此引入其全部内容作为参考。
2.本技术也涉及美国专利申请no.14/318,569，申请日为2014年7年27日，名称为“无人载具任务规划、协调及合作”，在此引入其全部内容作为参考。
3.本技术还涉及美国专利申请no.14/612,273，申请日为2015年02月02日，名称为“为提高态势感知使用本地、可获得的广播式自动相关监视(ads-b)信息米增加其它来源“认识”的由无人驾驶飞行器地面控制站处理的本地飞行器位置信息”，在此引入其全部内容作为参考。
技术领域
4.本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种生成支持区域、国内和国际无人机系统的基于网络云系统的系统及方法。


背景技术：

5.术语“无人驾驶飞行器”(uavs)一般指没有人在机内的飞行载具。术语“无人机系统”(uass)一般指的是一类uavs，通常指的是作为遥控飞机和/或遥控飞行器(rpvs)，可以像传统的飞机一样，通过飞行操作控制飞行从起飞到收回和/或着陆。这些uass的控制系统可以是远程控制台的操作人员通过与特定的uas不断进行沟通获得的实时或近实时的飞行简况的控制，或者，所述uass的控制系统也可以是执行预先计划和预编程序飞行计划，这些计划可以通过特定的uas独立自主执行。所述控制计划也可以是上述两种控制系统的集合，这样可以使一个航班既包括远程操作控制时段又包括预编程控制时段。
6.关于uass(通常为uavs)的操作信息时常不是现成的或者其它某一相关部分是未知的，来自空中交通指挥员、国家航空当局(例如：美国境内的联邦航空管理局，或faa)、及其它类似于uass飞行器(人工操作或无人驾驶)操作人员的操作。uass操作信息的缺乏可能会导致无法想象的后果。这就是需要改进的所在。


技术实现要素：

7.一方面，本发明所公开的实施例涉及一种支持无人机操作的分层系统。所述系统包括一较高层次服务器，一与所述较高层次服务器直接通信连接的较低层次服务器，及一与所述较低层次服务器直接通信连接的控制站。所述控制站可以被构形用以：控制一无人机的飞行操作；获得所述无人机的飞行信息和位置信息；及为所述较低层次服务器提供关于所述无人机的飞行信息和位置信息的更新。所述较低层次服务器可以被构形用以：处理收到的来自所述控制站的飞行信息和位置信息；及为所述较高层次服务器提供关于从所述
控制站接收的飞行信息和位置信息的更新。
8.再一方面，本发明所公开的实施例涉及一种支持无人机操作的分层系统。所述系统包括一较高层次服务器及分别与所述较高层次服务器直接通信连接的多个较低层次服务器。其中所述多个较低层次服务器中的每个较低层次服务器被构形用以：接收米自至少一个控制站的有关由所述至少一个控制站控制的至少一个无人机的信息飞行信息和位置信息的更新；合并从所述至少一个控制站接收的所述飞行信息和位置信息；以及为所述较高层次服务器提供合并的飞行信息和位置信息。
9.另一方面，本发明所公开的实施例涉及一种支持无人机操作的方法，所述方法可以包括：定义一较高层次服务器；定义分别与所述较高层次服务器直接通信连接的多个较低层次服务器，形成一分层网络服务器；及构形所述多个较低层次服务器中的每个较低层次服务器用以从至少一个控制站接收关于至少一个无人机的飞行信息和位置信息的更新；合并自所述至少一个控制站接收的飞行信息和位置信息；及提供合并的飞行信息和位置信息给所述较高层次服务器。
10.应当理解，以上概述及以下详述仅为本发明的示范和解释，并不用以限制本发明，附图被纳入并构成说明书的一部分，与说明书共同解释本发明的实施例，说明本发明的原理。
附图说明
11.通过参考下列附图，本领域技术人员可更好理解本发明的多个优点：图1为根据本发明一个典型实施例所述的一地面控制站与一区域性的无人机系统(uas)服务器通信连接，形成第一层基于网络云分层系统的示意图；图2为根据本发明一个典型实施例所述的多个区域性uas服务器与一国家uas服务器建立通信，形成第二层基于网络云分层系统的示意图；图3为根据本发明一个典型实施例所述的多个接入点被构形用以促进与uas服务器通信连接的示意图；图4为根据本发明一个典型实施例所述的基于网络云分层系统提供一综合态势感知解决方案的示意图；图5为根据本发明一个典型实施例所述的一地面控制站与一区域性uas服务器通信连接，一区域性uas服务器与一国家uas服务器通信连接，形成一分层系统的框图；和图6为根据本发明一个典型实施例所述的支持无人机操作的方法的实施例的流程图。
具体实施方式
12.详细参考在此公开的本发明内容的示例性实施例，其中的例子已在附图进行说明。
13.注意到各种系统和方法已经被开发用于提供无人机系统(uass)的态势感知。例如，美国专利no.8,886,459，名称为“小型无人机系统的定位跟踪及获得任务数据的系统及方法”(在此引入其全部内容作为参考)，公开了与一个或多个控制站通信连接的飞机信息服务器被构形用以提供用来对uas操作进行控制与追踪的接口。其它的一些技术，例如在以
下文件中公开的：“与小型无人机系统(suas)的操作人员进行实时数据通信及信息传递的系统及方法”的美国专利申请文件no.13/792,259，“无人载具的任务规划、协调及合作”的美国专利申请文件no.14/318,569，及“为提高态势感知使用本地的、可获得的广播式自动相关监视(ads-b)信息来增加其它来源“认识”的由无人驾驶飞行器地面控制站处理的本地飞行器位置信息”的美国专利申请文件no.14/612,273，这些技术已经被开发用于支持各种通信线路和/或协议的应用，以促进信息共享及提高uass的态势感知。
14.根据本发明实施例所公开的进一步提高上述系统及方法米建立基于网络云的分层体系结构，可以为大量用户提供服务及综合的态势感知解决方案，这些用户包括uas的运营商、空中交通管理指挥员、国家航空当局，也包括其它运营商，例如国家空域系统(nas)运营商等等。术语“网络云”指的是计算机基础设施，可以通过私人或公共网络建立和管理。术语“分层体系”指的是一种实施，其通过位于多个层次上的不同组件来共同形成计算机基础设施。基于网络云的分层体系结构被构形用以为本发明所述的uass(为了简化呈文可以将其称为“c-uas”系统)提供服务及态势感知解决方案，因此所述分层体系结构可以适用于本地、区域、国内、国际层次的操作及提供服务。
15.图1中描述说明了地面控制站102与区域性uas服务器104通信连接，所述区域性uas服务器驻留在c-uas系统100内，并提供所述地面控制站102本地访问所述c-uas系统100。与美国专利no.8,886,459中公开的地面控制站相似，所述地面控制站102可以被构形用以对一个或多个uass 106的操作进行管理/控制。所述地面控制站102也能够获得所述uas 106的飞行信息(例如：飞行状态、计划路线等等)和实时位置信息(例如地理位置)。通过所述地面控制站102获得的信息包括所述uas 106的位置信息和其它态势感知信息，可以通过定期更新提供给所述区域性uas服务器104。可以预想到，所述定期更新的频率适应所述地面控制站102与所述区域性uas服务器104之间的带宽。在特定实施例中，如果可用宽带允许，可以实时或近实时提供所述更新。
16.可以预想到，所述地面控制站102可以通过有线或无线通信信道与所述的区域性uas服务器104通信连接，且所述可用宽带可以根据所述实施例进行变化。也可预想到，所述地面控制站102与所述区域性uas服务器104之间可以建立为双向通信，这样就能做到所述地面控制站102除提供先前提到的必要的更新外，还可获得来自所述区域性uas服务器104提供的服务，所述区域性uas服务器104提供的服务包括，例如，天气报告服务、交通警报服务、飞行计划服务、地图服务、导航服务等诸如此类。进一步可以预想到，虽然在图1中仅显示了一个地面控制站102，但是同一个区域性uas服务器104还可以连接附加地面控制站102，这些都不脱离本发明的发明构思范围。
17.图2中描述说明了多个区域性uas服务器104与国家性uas服务器108通信连接，形成第二级分层uas系统100。与第一级中(如图1所示)的每个地面控制站102汇报给区域性uas服务器104的方式相似，每个区域性uas服务器104将其从不同地面控制站102所获得的信息更新所述国家性uas服务器108，有效地将态势感知从所述区域性uas服务器104传递到所述国家性uas服务器108。与第一级中(如图1所示)地面控制站102获得来自区域性uas服务器104提供的服务的方式相似，每个区域性uas服务器104同样也可获得来自所述国家性uas服务器108，有效地将服务信息从所述国家性uas服务器108传递到所述区域性uas服务器104。
18.应该理解，以上提到的术语“区域性”和“国家性”的使用仅代表在一个分层体系中的不同层次，术语“区域性”和“国家性”不一定是局限在特定的地理区域和/或国家。区域性层次可以被理解为比国家层次低的一个层次。可以预想到，可以设置另外的层次置于它们之间或之上(例如多个国家性uas服务器108可以与一个或多个全球服务器建立)，这些都不脱离本发明的发明构思范围。值得注意的是，为了简化呈文，在如下的描述中继续将较低层次服务器104作为区域性服务器104，较高层次服务器108作为国家性服务器108。
19.要注意，按照以上描述的实施分层c-uas系统100可以有许多优势，例如，在不同地面控制站102与它们的区域性uas服务器104之间建立所需通道比直接在所述国家性uas服务器108上建立通道更可行。这种配置也避免了瓶颈的产生，即使每条记录必须到达单独的国家性服务器。另外的，如果所述国家性uas服务器108或建立在所述国家性uas服务器108上的通道无法正常运转，那么为了防止这种错误，所述区域性uas服务器104可以被选中以作为一新的(或暂时的)国家性uas服务器，可以提供所述c-uas系统100继续操作。值得注意的是，每个区域性uas服务器104也被构形用以在信息被送达所述国家性uas服务器108之前，进行优化、合并或者压缩接收的来自所述地而控制站102的态势感知信息，这种方式可以使所述区域性服务器104节省宽带且可以提供隐私保护(如果可用)。另外，预期报告数据的数量会增多(例如，所述uass 106上带有另外的传感器应用)，所以，相比于将信息直接送达到所述国家性uas服务器108上的方式，从地面控制站102到它们的区域性uas服务器104的通信数据可以更便于管理。
20.所述c-uas系统100也可以通过所述区域性uas服务器104更有效为所述地面控制站102提供不同有用的基于位置的服务。例如，诸如天气报告之类基于位置的服务可以关联有相同天气报告的地区。天气报告可以迅速从所述国家性uas服务器108送达到一个特定的区域性uas服务器104上，同时所述特定的区域性uas服务器104也可以轮流服务多个地面控制站102，来自所述国家性uas服务器108上的数据流可以得到优化。另外的，所述所述区域性uas服务器104的运营商(或拥有者)可以从国家性uas服务器108购买一次固定服务，再将所购买的服务多次服务多个uas操作者。
21.要注意，所述c-uas系统100基于网络云的性质也可以赋予系统可扩展性、灵活性，允许所述c-uas系统100随着uas市场的增长进行增长。另外的，这种形式的c-uas系统100被构形用以允许有效的区域化的操作，其中所述区域性uas服务器104被构形用以满足区域化操作的需求，且没有影响到所述c-uas系统100其余服务器。例如，如果在一个特定区域需要一个新的服务(例如，为了在一个特定区域使用uass，进出网络云的信息流都需要进行自定义)，这个区域可以设置属于自身的(或者重新配置现有的)区域性uas服务器104，定义进出网络云的信息流来支持这个新服务。只要所述区域性uas服务器104被正确构形用以提供这一区域所需的新服务，那么所述区域性uas服务器104就可以加入网络云并且与所述c-uas系统100的其余部分功能进行无缝连接，而没有影响所述c-uas系统100的其余部分的需求、交通流、和/或其它服务流。
22.所述c-uas系统100也可以在不同的接入点之间为流动和交接提供无缝处理。术语“接入点”指的是一个装置可以与uas 106建立连接，并将所述uas 106连接到地面控制站102上。随着所述uas 106在空中穿行，所述uas 106离开第一接入点覆盖的区域进入第二接入点覆盖的区域。从第一接入点转移建立的连接到达第二接入点的处理可以被称为一交接
处理。图3为描述在同一地区内不同接入点之间交接处理的示意图。
23.如图3所示，多个控制和非有效载荷通信(cnpc)塔110被作为接入点使用，这些cnpc塔110通过所述c-uas系统100中的区域性uas服务器104连接在一起，有效地形成一核心网络，为所述cnpc塔110提供所需的网络正常运行的能力。随着所述uas 106通过这个区域，当所述区域性uas服务器104(通常与所述c-uas系统100)接收到所述uas 106的位置和飞行信息，所述区域性uas服务器104(通常与所述c-uas系统100)可以利用所述uas 106的位置和飞行信息来有效地对不同cnpc塔110之间进行交接处理。
24.可以预想到，所述c-uas系统100也可以穿过不同区域进行交接处理(例如支持长距离飞行)。回到图2中所示的，假定一个通过地面控制站102控制的uas 106a穿过由第一区域性uas服务器104a支持的区域进入到另一个由第二区域性uas服务器104b支持的区域，所述c-uas系统100基于网络云的性质可以让第一区域性uas服务器104a作为第二区域性uas服务器104b的代理服务器(或者作为虚拟服务器)。这种能力使所述地面控制站102a维持对所述uas 106a的控制，而不必担心穿过不同区域进行的交接。换句话来说，所述c-uas系统100的内部进程可以避开操作人员并且可以被设计为提供及时的服务(可以在本地或者通过代理服务)用以确保态势感知数据传递到适当的服务器，使所述c-uas系统100可以成为可扩展的、适应性的、灵活性的系统。
25.上述引用的cnpc塔可以被理解为仅仅是一个典型例子，各种类型的通信标准和/或协议都可以用来在c-uas系统100的各个组件之间建立连接。例如，卫星链路、除cnpc之外的点对多点访问波形、蜂窝网络技术、和/或wi-fi技术，这些都不脱离本发明的发明构思范围。事实上，在一些实施例中，所述c-uas系统100被设置为独立的网络连接类型，例如，所述c-uas系统100的界面是基于软件化的，因此不局限于任何特定链路类型，uass 106与地面控制站102之间的链路、地面控制站102与区域性uas服务器104之间的链路、区域性uas服务器104与国家性uas服务器108之间的链路，这些链路都可以独立的建立，且它们可以与c-uas系统100中其它元件无缝的发挥功能。
26.也可以预想到，本发明所述的c-uas系统100被构形用以连接国家航空当局维护或管理的系统。图4描述了c-uas系统100被构形用以连接国家空管系统(nas)及由美国faa维护或管理的其它系统。更具体地，所述nas的一部分为面向航空行业飞机状态显示(或者说是asdi)服务器114，这是载人飞机飞行态势感知信息系统。通过在防火墙112后设置国家性uas服务器108，且在所述国家性uas服务器108与asdi服务器114之间建立接口连接，态势感知信息可以在国家性uas服务器108与asdi服务器114之间进行交换，创建一个解决方案提供美国境内的载人飞机和无人机的综合的态势感知信息。值得注意的是，所述综合的态势感知信息对目前的nas用户/运营商116及uas操作人员/地面控制站102都是可以使用的。进一步地可以预想到，国家性uas服务器108被构形用以连接faa维护或管理的其它系统118，这些都不脱离本发明的发明构思范围。要注意，美国专利no.8,886,459中公开的各种连接都可以被用来促进国家性uas服务器108与不同的faa系统(包括asdi服务器114及其它系统118)之间的通信。
27.根据本发明所述的c-uas系统100设置有具有可扩展性、适应性、灵活性的基于网络云的分层体系结构，对uass未来的使用前景和发展都是必要的。所述c-uas系统100可以提供有效的操作控制、服务交付、对美国境内交通的管理，同时与其它态势感知系统的无缝
集成。所述的c-uas系统100允许各种类型的服务来提供给uav运营商，包括现行的一些服务(如，天气报告、交通警报、飞行计划、地图、导航等诸如此类)及一些为uass特别创建的新服务。c-uas系统100的云结构也可以做到智能信息传送，也可以支持如之前所述的跨地区的无缝交接处理。
28.另外，所述c-uas系统100可用的信息也可以作为分析目的使用。例如，可以数据挖掘和分析可以作为c-uas系统100的一部分运行来分析区域层次和国家层次的信息。这种分析的一个实例是“检测与避免”分析，可以被用在无人和载人飞机的位置和飞行轨迹的实时数据分析产生“检测与避免”信息。同样的，数据挖掘和分析可以用在区域层次和/或国家层次，这些都不脱离本发明的发明构思范围。其它的数据挖掘和分析也可以作为c-uas系统100的一部分进行，这些都不脱离本发明的发明构思范围，或不牺牲所有材料的技术优势。
29.可以预想到的是，在c-uas系统100中的每个地面控制站102、区域性uas服务器104及国家性uas服务器108都设有一个或多个处理器(例如，专门处理单元、专用集成电路(asics)、现场编程门阵列(fpgas)或者各种其它类型的处理器或处理单元)外加上用以存储处理器执行代码的永久处理器可读媒体，被构形用以促进处理器执行其预定功能。例如，在图5中，地面控制站102包括被构形用以对一个或多个uass提供飞行控制的一个或多个处理器120，所述一个或多个处理器120也被构形用以方便采集来自uass的飞行和位置信息。所述地面控制站102还包括通信模块122，可促进地面控制站102与所述区域性uas服务器104之间的通信。
30.所述区域性uas服务器104也包括一个或多个处理器126。所述区域性uas服务器104上的所述一个或多个处理器126可以收集由不同地面控制站102提供的信息，处理收集到的信息，并如之前所述的将处理(如合并)后的信息传送给所述国家性uas服务器108。同样的，所述国家性uas服务器108也包括一个或多个处理器132来收集并处理收到来自不同区域性uas服务器104的信息。要注意，所述区域性uas服务器104与所述国家性uas服务器108可以每一个都分别地包括通信模块128和134，来促进所述c-uas系统100内的通信。
31.也可以预想到，区域性uas服务器104与国家性uas服务器108上的一个或多个处理器120，126和132，如之前所述的，进一步被构形用以为地面控制站102提供各种服务，这些服务包括天气报告、交通警报、地图服务等等。进一步可以预想到，地面控制站102、区域性uas服务器104及国家性uas服务器108上的一个或多个处理器120，126和132分别地与一个或多个数据存储装置124，130和136可通信地耦合。这些数据存储装置124，130和136被用作永久处理器可读媒体，可以用来存储处理器执行代码和/或数据。某些类型的数据可以被写为日志、记录或报告，可以用于各种目的，包括数据挖掘和分析。
32.在图6中描述了支持无人机操作方法600的实施例的流程图。以之前描述的作为参考，国家性uas服务器，也可以看作为较高层次服务器，被定义在602步骤中。多个区域性uas服务器，也可以看作为较低层次服务器，被定义在604步骤中。所述较高层次服务器与所述较低层次服务器共同形成一服务器的分层结构网络可以看作是c-uas。
33.根据上述描述，在606步骤中，每个较低层次服务器被构形用以从一个或多个控制站的收到更新(如定期的、实时的或近实时)。这些控制站提供的更新包括关于这些控制站控制的一个或多个无人机的飞行数据和位置数据的信息。每个较低层次服务器轮流合并从所述控制站接收的飞行信息和位置信息，并且用收集和处理的合并的飞行信息及位置信息
更新(如定期的、实时的或近实时)所述较高层次服务器。
34.可以预想到，在c-uas中的数据流不仅仅局限于将来自较低层次服务器的更新提供给较高层次服务器。在c-uas中的服务器可以被理解为使用网络传递数据，且随着服务器传递数据与其它位于分层结构中较高层次、较低层次、或者相同层次的服务器通信。例如，一较高层次服务器向下传递数据给一个或多个较低层次服务器米帮助更好地管理一些态势。跨越不同地区的交接处理就是一个典型的例子，其中较高层次服务器传递数据到一个或多个较低层次服务器来帮助更好地为受命于不同区域较低层次服务器提供代理服务。这些较低层次服务器之间也可以相互交换数据，没有(或最低)来自较高层次服务器的干预。在另一个例子中，一较高层次服务器向一个或多个较低层次服务器传递数据，并允许这些较低层次服务器预取数据来提高效率。同样的，一较高层次服务器向一个或多个较低层次服务器发送指令来储备或获得一定的带宽，确保在c-uas中正确通信，如果较高层次服务器需要与一个或多个较低层次服务器建立实时通信，或者如果较高层次服务器需要增加带宽消耗米支持特定的操作，例如视频流、监测或其它类似的操作，这种方式就显得极为重要。
35.可以预想到，一较高层次服务器也可以通过一个或多个较低层次服务器给不同的uass传达指示。例如，如果确定了(如通过国家航空当局)一个特定区域(或所有区域)内所有的uass必须短暂停飞，这个命令从较高层次服务器发布传递到受命于这个特定区域(或所有区域)内的所有较低层次服务器，然后依次将命令传达给所有uass。可以被理解为，其它形式的数据及指令用相同的方式都可以在c-uas中与其它的各种服务器进行交换，这些都不脱离本发明的发明构思范围。
36.根据上述描述，在606步骤中，对于载人飞机(例如由faa提供)，所述较高层次服务器被构形用以连接载人飞机的态势感知信息系统，共同地提供载人飞机及无人机的综合的态势感知信息系统。可以预想到，在610步骤中，服务器(包括较高层次服务器及一个或多个较低层次服务器)被构形用以提供多种如之前描述的其它服务和功能，例如，在服务器分层结构网络中的一个或多个服务器可以提供数据挖掘分析、服务传送，也支持之前提到的代理(虚拟)服务。
37.本发明公开的发明构思的实施例不限于任何潜在的实施技术。本发明公开的发明构思能够利用任何软件、固件和硬件技术的结合而实施，并且可以利用各种技术，这些技术不会背离本发明公开的发明构思的范围或者不牺牲所有材料的技术优势。
38.这是可以理解的，公开过程中步骤的特定顺序或层次是一个示范性方法的例子。这同样也是可以理解的，过程中的步骤的特定顺序或层次能够重排，同时保持本发明在此公开的发明构思的范围之内。补充的方法要求样品顺序中各步骤现有的元素，并不意味着被限制于特定的顺序或层次结构。
39.人们认为在此公开的本发明的发明构思和许多随之而来的优点将通过前面的描述被理解，并且在形式，构建，和组件的排列方面可做出不同的变化，并且不脱离本发明的发明构思的范围或不牺牲所有材料的技术优势，这将是很明显的。在此之前，仅仅是一个解释性的实施例描述的形式，这是后面的包括这些变化的权利要求的意图。