用于通过相对导航系统辅助的编队飞行的方法

摘要

本发明名称为“用于通过相对导航系统辅助的编队飞行的方法”。用于以预定的编队驾驶多个飞行器的方法，其中从飞行器的其中之一发射相对导航网格，基于发射的相对导航网格计算空间关系，以及当空间关系与预定的编队不相符时，改变至少一个飞行器的相对位置以将飞行器定位于预定的编队中。

说明书

背景技术

出于多种原因，可能期望编队飞行，有时也称为在多个飞行器以逼近的距离飞行的情况中的位置保持，这些原因包括力加乘、分散的传感器数据的协同或融合、雷达特征最小化、减少飞行器编队横贯一定区域所需的时间量等。这种与其他飞行器近距离的飞行增加了飞行器彼此干扰飞行的风险或最坏情况中空中碰撞的风险。在这种飞行器之间建立和保持期望的间隔在好天气中可以由技艺高超的飞行员以目视方式实现。在坏天气中，或无人驾驶飞行器的情况中，确保期望的间隔需要一种备选方式，以用于确定参与飞行器之间的相对位置和速度。过去，这使用复杂的设备系统和专门训练的飞行员来实现。这些系统往往开发和维护非常昂贵，需要投入大量训练，这导致飞行员高工作负荷。这些系统还发出大量射频能量，使得它们易于被检测和攻击，并且依赖于如全球定位系统（GPS）的子系统，这些子系统容易被阻塞或因其他原因被拒绝。此外，可从这些系统获得的导航信息的精确度远远小于无人驾驶飞行器集群操作所需的精确度，在无人驾驶飞行器集群操作中，必须将飞行器之间的期望间隔减到最小。

发明内容

在一个实施例中，一种以预定的编队驾驶飞行器的方法，包括：从飞行器的其中之一发射相对导航网格以在飞行器之间定义发射飞行器，基于发射的相对导航网格计算飞行器中两个飞行器之间的空间关系，确定空间关系是否与预定的编队相符，以及当空间关系与预定的编队不相符时，改变飞行器中至少其中之一的相对位置以将飞行器定位于预定的编队中。

在另一个实施例中，一种以预定的编队驾驶多个飞行器的方法，包括：从多个飞行器的至少其中之一发射相对导航网格以在多个飞行器之间定义至少一个发射飞行器，基于至少一个发射的相对导航网格计算多个飞行器之间的空间关系，确定空间关系是否与预定的编队相符，将空间关系传送到多个飞行器中至少另一个飞行器，以及当空间关系与预定的编队不相符时，改变多个飞行器中至少另一个飞行器的相对位置以将飞行器定位于预定的编队中。

附图说明

在附图中：

图1是根据本发明的第一实施例的飞行器和网格生成器的透视图。

图2是根据本发明的第二实施例的飞行器、网格生成器和反射器的透视图。

图3是根据本发明的第三实施例的飞行器、网格生成器和光学数据链路的透视图。

图4是一种用于以预定的编队驾驶飞行器的方法实施例的流程图。

图5是一种用于以预定的编队驾驶飞行器的另一个方法实施例的流程图。

具体实施方式

本发明的实施例涉及用于基于相对导航网格以预定的编队驾驶飞行器的方法。图1图示包括第一飞行器2和第二飞行器4的实施例。第一飞行器2可以装备网格生成器10，网格生成器10可以将相对导航网格，如多个交叉线投影到传送场14内的空间中。如何投影相对导航网格的一般细节在本领域中是公知的，其包括2010年3月23日公布的US 7,681,839，标题为“用于再加油的光学跟踪系统”和2011年6月23日公开的US 2011/0153205，标题为“相对导航系统”中的披露内容，二者通过引用并入本文。因此，网格生成的特定细节在本申请中将不进行全面描述，而将仅提供足以用于描述本发明的实施例的一般描述。

如图所示，投影的相对导航网格包括交叉线。在离开网格生成器10的某个距离处，将这些交叉线观察为空间中的网格，其中相对导航网格的大小随远离网格生成器10增加。飞行器4的检测器模块16可以检测并读取网格生成器10在空间中生成的相对导航网格。对于飞行器2与飞行器4之间的相对导航，假定飞行器4的检测器模块16位于网格生成器10的传送场内，从而使得检测器模块16能够“看见”相对导航网格。

出于描述的目的，可以将网格生成器10视为大致在坐标系的y方向上投影交叉线。如果要在远离网格生成器10的某个距离R₂处观察x-z平面中交叉线的投影，会观察到第一相对导航网格20。如果要在x-z平面中比第一距离R₂更大的距离R₃处观察交叉线的相同投影，会观察到第二相对导航网格30，其比第一相对导航网格20看上去相对较大。

在远离网格生成器10的距离R₂处的第一相对导航网格20在水平方向上被第一垂直线22和第二垂直线24在空间上约束。存在第一垂直线22与第二垂直线24之间在空间和时间上生成的多个垂直线。在远离网格生成器10的距离R₂处的第一相对导航网格20在垂直方向上被第一水平线26和第二水平线28在空间上约束。存在第一水平线26与第二水平线28之间在空间和时间上生成的多个水平线。距离R₂可以是相对导航网格20与网格生成器10之间的任何距离。

实际上，在远离网格生成器10的距离R₃处的第二相对导航网格30与第一相对导航网格20相同，只是处于较第一相对导航网格20更远离网格生成器10的距离处。相对导航网格30在水平方向上被第二相对导航网格30的第一垂直线32和第二相对导航网格30的第二垂直线34在空间上约束。存在第二相对导航网格30的第一垂直线32和第二相对导航网格30的第二垂直线34之间在空间上和时间上生成的多个垂直线。在远离网格生成器10的距离R₃处，第二相对导航网格30在垂直方向上被第二相对导航网格30的第一水平线36和第二相对导航网格30的第二水平线38在空间上约束。存在第二相对导航网格的第一水平线36和第二相对导航网格的第二水平线38之间在空间上和时间上生成的多个水平线。

相对导航网格20和30的相似性在投影网格线的情况中变得显而易见，其中相对导航网格30由形成相对导航网格20的相同直线形成，只是在更远离网格生成器10的距离处观察相对导航网格30，从而使得相对导航网格30看上去比相对导航网格20大。在此意义上，相对导航网格30是网格生成器10在距离R₃处生成的网格线的样子，而相对导航网格20是距离R₂处的网格线的样子。

相对导航网格20和30可以是任何数量的直线。如图所示，它们由十个垂直线与十个水平线构成。更多数量的交叉线构成的相对导航网格对于固定的传送场14以及与检测器模块16的距离可以促成较之由较少数量的交叉线构成的相对导航网格为改善的检测。相对导航网格20和30被图示为正方形，但是这不是必需如此的。相对导航网格可以是包括矩形、椭圆形或圆形的任何形状。而且，相对导航网格20和30的交叉线图示为正交的；但是这不是必需如此的。交叉线之间的角度可以在相对导航网格的不同部分中是直角、锐角或钝角。

垂直线和水平线可以由网格生成器10以任何适合的方式形成。例如，所有直线可以依次形成或一次全部形成。垂直线或水平线的其中一个可以彼此先后形成。网格生成器10可以在垂直线与水平线之间交替。当网格生成器10使用扫描激光器来形成相对导航网格时，激光器将依次形成全部垂直线和水平线其中之一，然后依次形成垂直线和水平线中另一个。依次形成这些直线的速率实际上可以非常快，以致于看似这些网格线全部是同时形成的。多个投影的直线的辐射源可以是相干或不相干的辐射源。例如，当辐射源是相干源时，它可以是发射近UV范围中的波长的辐射的固态激光器。此外，可以选择或使用滤光镜来衰减辐射频率和/或强度，以减少眼睛受损的风险。使投影的直线相交的网格可以由光栅扫描每个直线或投影和扫描细长的辐射束来生成。可以使用用于生成交叉线的任何适合的方法和设备。

虽然示出的示例使用笛卡尔坐标，但是可以使用任何适合的坐标系，包括极坐标系、圆柱坐标系或球面坐标系，以用于同时实现网格生成和网格检测。例如，为了形成可遵循极坐标表示的网格，可以由网格生成器将一系列同心圆和从这些圆的中心向外辐射的直线投影到空间中。

可以在相对导航网格的一个或多个位置处将网格数据编码。通过网格数据，这意味着相对导航网格的结构或特征提供检测器模块16可以读取或检测到的数据或信息。在一个实施例中，还以相对导航网格的不同区域中的不同网格数据将包括一系列投影的交叉线的投影的直线编码以指示交叉线网格内的区域。将网格数据编码的一种方式是通过在使用激光器来形成相对导航网格的情况中将光束调制。该调制通过更改光束的强度和/或以某个周期性阻断光束来实现。此类网格数据可以包括数字，并且可设想每个网格线可以包括数字，其向飞行器4的检测器模块16标识该网格线。

例如，可以利用指示相对导航网格内的精确位置的数据来将相对导航网格编码，该精确位置定义该点到发射飞行器2的相对位置。相对导航网格的每个扫描束或部位具有到发射飞行器2的定义且固定的参照位置。在编队飞行过程中，具有其检测器模块16的飞行器4可以检测到此调制的信号，并且通过将该信号解码，它可以确定飞行器4相对于发射飞行器2的位置，并且可以相应地调整其位置。以此方式，飞行器4可以视为读取发射的相对导航网格的读取飞行器。飞行器4可以基于发射的相对导航网格的读数来计算飞行器4与发射飞行器2之间的空间关系。可以通过飞行器4的机载处理器（未示出）执行该空间关系的计算。

将理解，在操作过程中，网格生成器10可以形成重复的相对导航网格投影，并且可以一秒投影完整的相对导航网格多次，检测器模块16检测的相对导航网格可能看上去在跳动或抖动，而对于飞行器4来说难以跟上相对导航网格。现实中，虽然相对导航网格可能呈现跳动的，但是它通常将不会实质性地移动。可以稳定相对导航网格以便考虑到网格生成器10的此类移动并提供看上去相对稳定的相对导航网格。此类稳定已在2011年11月1日提交的披露内容13/286,710以及标题为“相对导航系统”中予以描述，其通过引用并入本文。

因为可能有任何数量的飞行器以编队飞行，所以可能需要相对导航网格的更大包络。图2图示根据本发明第二实施例的备选飞行器102和104。第二实施例与第一实施例相似，因此，相似的部分将以相似的数字增加100来标识，其中应理解，除非另行注释，否则第一实施例的相似部分的描述适用于第二实施例。

第一实施例和第二实施例之间的一个不同在于飞行器102包括能够产生相对导航网格120的网格生成器110，相对导航网格120具有比网格生成器 10产生的更大的传送场。更确切地来说，网格生成器110图示为创建具有传送场114的示范相对导航网格120，传送场114具有+/- 100度赤道截面（总计200度）的球面且+/- 20度的高度。可设想可以将网格生成器110配置成为传送场114创建多种形状和大小，以便可以在相对于发射飞行器102的半球的特定扇区发射相对导航网格。

另一个不同在于飞行器104图示为包括光学反射器150而非检测器模块。飞行器104可以包括任何数量的此类光学反射器150，并且可以将此类光学反射器150置于飞行器104上的任何适合备选位置处。再者，飞行器102图示为包括检测器模块116或其他网格读取器。在编队飞行过程中，一个或多个光学反射器150可以将传送的网格的至少一部分返回到发射飞行器102；这以反射152来示意性图示。更确切地来说，光学反射器150将来自发射飞行器102的网格中它“看到”的部分返回到发射飞行器102。由此，根据光学反射器150的形状，反射或反射回的网格部分可能有所变化。飞行器102的检测器模块116可以读取反射的信号，并且通过将该信号解码，飞行器102可以确定它相对于飞行器104的位置。不同于第一实施例，在第二实施例中，读取飞行器和发射飞行器是同一个飞行器102。一旦发射飞行器102知道飞行器104上的光学反射器150的网格位置，则可以相应地调整其位置。

图3图示根据本发明第三实施例的备选飞行器202和204。第三实施例与第二实施例相似，因此，相似的部分将以相似的数字增加100来标识，其中应理解，除非另行注释，第二实施例的相似部分的描述适用于第三实施例。

飞行器202图示为包括多个网格生成器210，这些网格生成器210配置成传送统一地形成传送场214的多个相对导航网格220，传送场214创建围绕着飞行器202的两个某种程度地相对的半球。这些相对导航网格220还可以更对齐，以使传送场214创建围绕着飞行器202的球面。以此方式，可以采用以消除相对于发射飞行器202的任何盲点的方式发射相对导航网格。相对导航网格220可以从发射飞行器202上的多个位置发射，以及可以使用任何数量的网格生成器来创建围绕着飞行器202的这种球面传送场214，飞行器202包括单个网格生成器，其可以配置成围绕着飞行器202传送这种传送场。

可设想，可以在飞行器之间广播与飞行器的相对位置相关的信息。在这种情况中，读取飞行器可以将空间关系传送到发射飞行器，以及发射飞行器可以在需要的情况下调整其位置。发射飞行器202图示为包括光学数据链路260，示意性地图示为从飞行器202延伸。相似地，飞行器204图示为包括光学数据链路262。将理解，光学数据链路260和262可以包括具有某个传送范围或传送场的任何适合的通信。光学数据链路260和262能够传送和接收来自被适合地装备的、协同或合作飞行器的数据。

飞行器204图示为包括光学反射器250，以及飞行器202可以包括检测器模块216，检测器模块216可以是如图所示的单独模块或可以包括在网格生成器210中。或者，飞行器204可以包括检测器模块216。如上文描述的，飞行器202和204可以确定它们的相对位置。一旦两个飞行器202和204的其中之一知道两个飞行器202和204之间的相对位置，则可以经由光学数据链路260和262将此信息传送到另一个飞行器，并且这些飞行器的其中之一或二者可以相应地调整其位置。

对于上文实施例的任何一个，可设想可以针对任务和飞行剖面需求定制所生成的相对导航网格的相关大小和场。虽然至此提供的所有示例有两个飞行器，但是将理解任何数量的飞行器可以编队飞行，并且在它们如此适合地装备的情况下可以调整其相对位置。如果多个飞行器装备有光学数据链路，则多个飞行器能够保持仅与装备有网格生成器的一个飞行器的相对导航。可设想，在这种情况中，读取飞行器可以将空间关系传送到多个飞行器中的其他飞行器。

图4图示根据本发明的一个实施例用于两个或两个以上飞行器根据预定的编队以逼近的距离飞行而不会碰撞的方法300。这种方法可以与上文描述的实施例中任一个实施例结合使用。方法300开始于302，其中从飞行器的其中之一发射相对导航网格以在这些飞行器之间定义发射飞行器。这种发射可以包括在另一个飞行器应该处于预定的编队中所处的方向上发射相对导航网格。该方向可以是沿着发射飞行器的行进方向向前和向后的至少其中之一。作为备选，该方向可以是包括向上、向下、向一侧或多个方向的组合的备选方向。

在304处，基于发射的相对导航网格，然后可以计算飞行器中两个飞行器之间的空间关系。这可以通过读取飞行器上的处理器来实现。在306处，飞行器的其中之一然后可以确定空间关系是否与预定的编队相符。如果空间关系符合预定的编队，则该方法可以返回到在302处传送相对导航网格，并且可以重复该方法，直到确定飞行器的空间关系不符合预定的编队为止。当空间关系不符合预定的编队时，可以改变飞行器中至少其中之一的相对位置以将飞行器定位于预定的编队中。将理解，可以在飞行过程中重复发射、计算、确定和改变以将飞行器保持在编队中。

应该注意，所描述的次序仅是出于说明目的，且不意味着以任何形式限制方法300。可以理解，该方法的多个部分可以按不同的逻辑顺序进行，可以包括附加或中间部分，或可以将该方法中多个描述的部分分成多个部分，或可以在不有损所描述的方法的前提下，将该方法中多个描述的部分省略。

当多于两个飞行器在以编队飞行时，以及当这些飞行器装备有任何数量和组合的发射器、检测器模块和反射器以形成任何数量和组合的发射飞行器、偏转（deflecting）飞行器和读取飞行器时，该方法变得更为复杂。在从另一个飞行器反射的情况中，读取飞行器可以与发射飞行器是同一个飞行器，或读取飞行器可以是单独的飞行器，或二者的组合。再者，读取飞行器可以是两个飞行器以外的飞行器，可以有多个读取飞行器、多个反射飞行器和/或多个发射飞行器。作为非限制性示例，在有多于两个飞行器的情况中，可以将反射发送到不是发射飞行器的另一个飞行器，该另一个飞行器可以读取反射的相对导航网格位置，并执行期望的计算和传送等。多个读取飞行器中的多于一个飞行器可以计算空间关系数据。可设想，多个读取飞行器的至少其中之一可以确定不同两个飞行器之间的空间关系。再者，多个读取飞行器中多于一个飞行器可以向其他飞行器的至少其中一些飞行器传送空间关系数据，而无论网格信息是通过反射还是直接检测接收的。

图5图示根据本发明的另一个实施例用于以预定的编队驾驶多个飞行器的方法400。可能的编队可以包括但不限于，V形编队、方形编队、梯形编队、沿途（route）编队、梯队（echelon）编队和围墙式编队。应该注意，所描述的次序仅是出于说明目的，且不意味着以任何形式限制方法400。可以理解，该方法的多个部分可以按不同的逻辑顺序进行，可以包括附加或中间部分，或可以将该方法中多个描述的部分分成多个部分，或可以在不有损所描述的方法的前提下，将该方法中多个描述的部分省略。

方法400开始于402，其中从飞行器的其中一个或多个飞行器发射相对导航网格以在多个飞行器之间定义一个或多个发射飞行器。将理解，可以将相对导航网格传送到具有反射器和/或检测器模块的飞行器。在404处，可以由一个或多个读取飞行器通过反射和/或通过直接读取所传送的相对导航网格来接收相对导航网格位置。在406处，基于读取的相对导航网格，然后可以计算飞行器中两个飞行器之间的空间关系。

在408处，可以经由光数据链路将例如空间关系传送到多个飞行器中的其他飞行器。在410处，可以由多个飞行器中的其他飞行器接收另一个飞行器的位置。在412处，接收到数据链路信息的飞行器之一可以基于此类数据链路信息计算多个飞行器中至少其中一些的相对位置。这种计算可以在飞行器的飞行控制计算机或其他处理器中执行。在414处，可以确定空间关系是否与预定的编队相符。这也可以在飞行器的飞行控制计算机或其他处理器中执行，并且该确定假定已知预定的编队以及网格生成器在编队中的位置。如果空间关系符合，则该方法可以返回到在402处传送相对导航网格，并且可以重复该方法，直到确定飞行器的空间关系不符合预定的编队为止。如果空间关系不符合预定的编队，则方法可以进行到416。该确定可以将408处基于通过检测器模块接收的有关相对导航网格的信息所计算的相对位置和412处基于来自光学数据链路的信息所计算的任何附加相对位置纳入考虑。以此方式，可以相对于一定数量的多个飞行器确定飞行器的位置。

在416处，多个飞行器中的一个或多个飞行器可以导航以保持预定的相对位置。这可以包括在418处将飞行器与其预定位置的间隔误差发送给飞行器的自动驾驶，以使自动驾驶可以在420处调整飞行器的位置。通过使用可用电信号来电控制飞行器以实现飞行器之间的飞行协调和避免碰撞的目的，以此方式使用自动驾驶可以比人反应更精确且更快速。

上文描述的方法仅是出于示范的目的，并不意味着以任何方式限制这些发明实施例，因为要理解，该方法的多个部分可以按不同的逻辑顺序进行，可以包括附加或中间部分，或可以将该方法中多个描述的部分分成多个部分，或可以在不有损所描述的方法的前提下，将该方法中多个描述的部分省略。例如，可设想上文实施例还可以与无人驾驶飞行器结合使用，并且可以提供一种飞行器飞行控制系统的循环封闭的机制，以使无人驾驶飞行器可以自动协调它们的相对位置和速度，而无需驾驶员或外部控制。

上文描述的实施例提供多个优点。例如，上述实施例可以允许以比现代系统远远更高的精确度、远远更快的数据速率和更低可被观察的相对导航信息在更低成本下进行编队飞行。其技术效果在于，对于约100英尺间隔的飞行器，上文描述的实施例可以精确且快速地测量相邻飞行器的3维相对位置，达到好于1英寸以及50毫秒内的精确度。上文描述的实施例可以用于实时地或近实时地作出确定，并且这些确定可以自动且可靠地执行，而无需人干预或持续维护，以便满足特定应用的需求和降低系统运行成本。

本书面描述使用示例来公开包括最佳模式的本发明，并还使本领域技术人员能实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统及执行任何结合的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求定义，且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有与权利要求字面语言无不同的结构要素，或者如果它们包括与权利要求字面语言无实质不同的等效结构要素，则它们规定为在权利要求的范围之内。

部件表

2 第一飞行器

4 第二飞行器

10 网格生成器

14 传送场

16 检测器模块

20 第一相对导航网格

22 第一垂直线

24 第二垂直线

26 第一水平线

28 第二水平线

30 第二相对导航网格

32 第一垂直线

34 第二垂直线

36 第一水平线

38 第二水平线

102 备选飞行器

104 备选飞行器

110 网格生成器

114 场传送

116 检测器模块

120 相对导航网格

150 光学反射器

152 反射

202 备选飞行器

204 备选飞行器

210 网格生成器

214 传送场

216 检测器模块

220 相对导航网格

250 光学反射器

260 光学数据链路

262 光学数据链路

300 方法

302 传送网格

304 计算相对位置

306 确定

308  更改位置

400 方法

402 传送网格

404 接收网格

406 计算相对位置

408 传送位置

410 接收位置

412 计算相对位置

414 确定

416 导航

418 发送间隔误差

420 自动驾驶调整。