無人飛行器系統(tǒng)感測和避免傳感器融合航跡初始化的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本申請(qǐng)涉及一種無人飛行器系統(tǒng)感測和避免傳感器融合航跡初始化。
【背景技術(shù)】
[0002] 聯(lián)邦航空管理局（FAA)已經(jīng)規(guī)定在美國的國家空域（NAS)中操作的無人飛行器系 統(tǒng)（UAS)(在本文中也稱為遠(yuǎn)程操作飛行器（ROA)) "必須提供等價(jià)的安全水平，與用于有人 駕駛飛行器的看到并避開（SAA)要求相當(dāng)"。與術(shù)語"感測到并避開（SAA)"互換地使用術(shù) 語看到并避開。SAA的目的是為UAS提供針對(duì)有或沒有活動(dòng)的基于應(yīng)答器的防撞系統(tǒng)的所 有空中交通執(zhí)行自分離（self separation)和防撞操縱的能力。當(dāng)前，在世界上的任何地 方都不存在已被證明的ROA SAA能力。沒有SAA的NAS中的在操作中的遠(yuǎn)程操作飛行器要 求來自FAA的授權(quán)證書，并且要求追蹤平面(追蹤ROA的平面)或ROA的基于地面的觀察者。
[0003] 用于UAS的SAA能力的開發(fā)已被FAA識(shí)別為使得UAS能夠在NAS中操作所需的關(guān) 鍵之一。用于這些UAS的非軍事應(yīng)用包括監(jiān)視邊境以對(duì)非法邊境活動(dòng)進(jìn)行定位、監(jiān)視危險(xiǎn) 且潛在致命的天氣事件或監(jiān)視交通條件。
[0004] NAS中的UAS的任何使用（不考慮制造商)必須遵循由FAA建立的規(guī)則和要求。SAA 要求UAS檢測并跟蹤本機(jī)（ownship) UAS的操作附近的入侵飛行器以識(shí)別執(zhí)行自分離和防 撞所需的指導(dǎo)策略。檢測和跟蹤功能是用于UAS SAA能力的關(guān)鍵使能者（enabler)，因?yàn)?UAS不能針對(duì)未檢測到的、未被跟蹤的入侵飛行器執(zhí)行自分離或防撞操縱。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本申請(qǐng)涉及一種用以根據(jù)傳感器測量結(jié)果對(duì)航跡進(jìn)行初始化的方法。該方法包括 基于在三個(gè)連續(xù)時(shí)間下從至少一個(gè)傳感器收集的數(shù)據(jù)來識(shí)別至少一個(gè)試驗(yàn)航跡；針對(duì)所識(shí) 別的試驗(yàn)航跡對(duì)確認(rèn)/刪除航跡過濾器（track filter)進(jìn)行初始化；以及將根據(jù)狀態(tài)矢量 統(tǒng)計(jì)而計(jì)算的門（gate)用于以下各項(xiàng)中的一個(gè)：確認(rèn)至少一個(gè)試驗(yàn)航跡；對(duì)至少一個(gè)試驗(yàn) 航跡進(jìn)行再處理；或刪除至少一個(gè)試驗(yàn)航跡。
【附圖說明】
[0006] 圖1是用以在交通工具的環(huán)境中檢測和跟蹤所感測對(duì)象的交通工具中的交通工 具跟蹤系統(tǒng)的實(shí)施例； 圖2是用以確認(rèn)或刪除試驗(yàn)航跡的過程的實(shí)施例的流程圖； 圖3是用于用以根據(jù)傳感器測量結(jié)果對(duì)航跡進(jìn)行初始化的方法的實(shí)施例的流程圖； 圖4是指示用以執(zhí)行3/3測量到測量數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的球形門的示例性使用的圖；以及 圖5是3/3測量到測量數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法的實(shí)施方式的實(shí)施例的擴(kuò)展流程圖。
[0007] 根據(jù)一般慣例，各種所述特征并未按比例繪制，而是為了強(qiáng)調(diào)與本發(fā)明有關(guān)的特 征而繪制。遍及各圖和正文，相似的參考符號(hào)表示相似的元件。
【具體實(shí)施方式】
[0008] 在下面的詳細(xì)描述中，對(duì)形成其一部分的附圖進(jìn)行參考，并且其中以圖示的方式 示出了其中可實(shí)施本發(fā)明的特定說明性實(shí)施例。足夠詳細(xì)地描述了這些實(shí)施例以使得本 領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，并且應(yīng)理解的是在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可利 用其它實(shí)施例，并且可進(jìn)行邏輯、機(jī)械和電氣修改。因此不應(yīng)以限制性意義進(jìn)行以下詳細(xì)描 述。
[0009] 感測到并避開（SAA)要求無人飛行器系統(tǒng)（UAS)檢測并跟蹤本機(jī)UAS的操作附近 的入侵飛行器以識(shí)別執(zhí)行自分離和防撞所需的指導(dǎo)策略。在本文中互換地使用術(shù)語"本機(jī) 的操作附近"和"本機(jī)的環(huán)境"。SAA還用來指導(dǎo)靠自動(dòng)駕駛儀進(jìn)行操作的任何交通工具，而 不管交通工具中的人的存在。如在本文中定義的，術(shù)語"本機(jī)交通工具"是容納跟蹤在本機(jī) 交通工具的附近的其它交通工具的無人交通工具系統(tǒng)的交通工具。在本實(shí)施例的一個(gè)實(shí)施 方式中，本機(jī)交通工具是本機(jī)UAS。在本實(shí)施例的另一實(shí)施方式中，本機(jī)交通工具是在自動(dòng) 駕駛儀模式下操作的汽車。檢測和跟蹤功能是用于UAS SAA能力的關(guān)鍵使能者，因?yàn)閁AS 不能針對(duì)未檢測到的、未被跟蹤的入侵飛行器執(zhí)行自分離或防撞操縱。檢測功能指的是使 用監(jiān)控傳感器來測量入侵飛行器相對(duì)于本機(jī)UAS的位置。跟蹤功能指的是將監(jiān)控傳感器測 量結(jié)果融合在一起以估計(jì)入侵飛行器相對(duì)于本機(jī)UAS的軌跡統(tǒng)計(jì)(例如，航跡)。
[0010] 本文所述的技術(shù)使用監(jiān)控傳感器來為入侵交通工具的測量提供能夠作為時(shí)間的 函數(shù)而相關(guān)或隨機(jī)的對(duì)應(yīng)測量標(biāo)識(shí)符。在本文中互換地使用術(shù)語"監(jiān)控傳感器"和"傳感 器"。本文所使用的術(shù)語"測量"是由傳感器進(jìn)行以提供關(guān)于在本機(jī)交通工具的環(huán)境中的交 通工具的數(shù)據(jù)的測量。跟蹤功能：1)使用數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法來估計(jì)入侵飛行器的航跡以向當(dāng)前 航跡指派測量結(jié)果，其包括已確認(rèn)航跡和試驗(yàn)航跡兩者；2)使用過濾器將所指派傳感器測 量結(jié)果與航跡的當(dāng)前估計(jì)融合；以及3)監(jiān)視（oversee)傳感器融合操作，確認(rèn)航跡，并在軌 跡管理器處刪除航跡。跟蹤功能將用于進(jìn)入傳感器的視場的入侵交通工具的新航跡初始化 或?qū)⒂糜谠趥鞲衅鞯囊晥鰞?nèi)的先前未檢測到的入侵交通工具的新航跡初始化。本文所述的 技術(shù)提供了用以將用于入侵交通工具(例如，入侵飛行器）的新航跡初始化以促進(jìn)跟蹤功能 的技術(shù)。諸如最鄰近（nearest neighbor)或聯(lián)合概率數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)（JPDA)之類的明示數(shù)據(jù)關(guān) 聯(lián)技術(shù)不具有對(duì)新航跡進(jìn)行初始化的能力。
[0011] 交通工具可以是飛行器、水上交通工具或陸地交通工具。本文中的某些所述實(shí)施 例描述了飛行器，然而，不應(yīng)將這解釋為該技術(shù)的限制。例如，可以在被設(shè)計(jì)成在幾乎沒有 來自汽車中的駕駛員的輔助的情況下自己駕駛的汽車中實(shí)施此技術(shù)。在此后一種情況下， 跟蹤交通工具系統(tǒng)是靠自動(dòng)駕駛儀駕駛的汽車中的系統(tǒng)。
[0012] 根據(jù)一組傳感器測量結(jié)果對(duì)新航跡進(jìn)行初始化。存在兩種類型的傳感器測量結(jié) 果：1)入侵交通工具或?qū)ο蟀l(fā)起的傳感器測量結(jié)果；以及2)源自于混亂（clutter)的假測 量結(jié)果。對(duì)于與傳感器測量結(jié)果一起輸出標(biāo)識(shí)（ID)的監(jiān)控傳感器而言，存在三種類型的傳 感器測量結(jié)果ID分類。第一 ID分類是用于合作傳感器測量結(jié)果。合作傳感器測量結(jié)果包 括廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)控（ADS-B)或具有相關(guān)航跡ID的交通防撞系統(tǒng)（TCAS)模式S。這些 類型的傳感器執(zhí)行內(nèi)部數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)并輸出跨測量時(shí)間一致(即，相關(guān)）的國際民航組織（ICAO) 飛行器ID。第二ID分類是用于具有相關(guān)航跡ID的非合作傳感器測量結(jié)果。在這種情況 下，傳感器執(zhí)行內(nèi)部數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)并輸出跨測量時(shí)間一致(相關(guān)）的唯一飛行器ID。第三ID分 類是用于沒有相關(guān)航跡ID的非合作傳感器測量結(jié)果。此分類內(nèi)的傳感器是低級(jí)且廉價(jià)的； 傳感器輸出跨測量時(shí)間不一致(相關(guān)）的測量標(biāo)志符。
[0013] 航跡初始化算法使用包括以下各項(xiàng)的三個(gè)主要步驟將新航跡初始化：1)使用3/3 測量到測量（measurement-to-measurement)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法來識(shí)別試驗(yàn)航跡；2)使用三個(gè) 連續(xù)傳感器測量結(jié)果來計(jì)算試驗(yàn)航跡的軌跡統(tǒng)計(jì)；以及3)確認(rèn)或刪除傳感器測量結(jié)果ID 分類內(nèi)的用于每個(gè)傳感器的試驗(yàn)航跡。如果用3/3數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法從一系列測量結(jié)果識(shí)別到 試驗(yàn)航跡，則針對(duì)該試驗(yàn)航跡將確認(rèn)/刪除航跡過濾器初始化并將該航跡視為用于本機(jī)交 通工具的環(huán)境中的新交通工具的可能航跡。
[0014] 本文所述的算法要求至少一個(gè)傳感器的三個(gè)連續(xù)測量結(jié)果以識(shí)別試驗(yàn)航跡。由于 監(jiān)控傳感器提供使用遍及傳感器的視場的均勻分布建模的假測量結(jié)果，所以使用三個(gè)連續(xù) 測量結(jié)果來對(duì)航跡進(jìn)行初始化使根據(jù)假測量結(jié)果識(shí)別的試驗(yàn)航跡的數(shù)目最小化且使針對(duì) 假航跡初始化的過濾器的數(shù)目最小化。
[0015] 本文所述的算法在最小二乘法公式化中使用試驗(yàn)航跡的三個(gè)連續(xù)的測量結(jié)果來 估計(jì)用于入侵交通工具相對(duì)于本機(jī)交通工具的三維（3D)位置、速度以及加速度的統(tǒng)計(jì)。航 跡統(tǒng)計(jì)的這些估計(jì)提供用以對(duì)用于試驗(yàn)航跡的過濾器進(jìn)行初始化的系統(tǒng)化方法并使過濾 器會(huì)聚所需的時(shí)間最小化。
[0016] 本文所述的算法使用取決于傳感器測量結(jié)果標(biāo)識(shí)符跨時(shí)間是否相關(guān)而使用測量 至航跡關(guān)聯(lián)的確認(rèn)試驗(yàn)航跡的兩個(gè)替換方法。在其中傳感器測量結(jié)果標(biāo)識(shí)符相關(guān)的情況 下，該算法使用ID與最近鄰方法的組合來識(shí)別被關(guān)聯(lián)到試驗(yàn)航跡的測量結(jié)果。針對(duì)每個(gè)試 驗(yàn)航跡在零點(diǎn)處將航跡分?jǐn)?shù)進(jìn)行初始化且隨后在候選測量結(jié)果被關(guān)聯(lián)至航跡時(shí)被更新。將 已更新航跡分?jǐn)?shù)與所選閾值相比較以確認(rèn)或刪除試驗(yàn)航跡。由算法的設(shè)計(jì)者針對(duì)給定交通 工具系統(tǒng)來選擇該閾值。
[0017] 航跡分?jǐn)?shù)是用每個(gè)所指派的測量結(jié)果計(jì)算的分?jǐn)?shù)的累計(jì)總數(shù)。在本實(shí)施例的一個(gè) 實(shí)施方式中，航跡分?jǐn)?shù)是針對(duì)每個(gè)所指派的測量結(jié)果或移動(dòng)平均數(shù)而計(jì)算的有限數(shù)目的分 數(shù)的累計(jì)總數(shù)。用于每個(gè)所指派測量結(jié)果的分?jǐn)?shù)是預(yù)測測量矢量與實(shí)際測量矢量之間的卡 方（chi-squared)距離的函數(shù)。設(shè)計(jì)者具有選擇在確認(rèn)航跡之前選擇被關(guān)聯(lián)到試驗(yàn)航跡的 最小數(shù)目的候選測量結(jié)果的選項(xiàng)。此外，設(shè)計(jì)者還具有選擇用來累積航跡分?jǐn)?shù)的測量結(jié)果 的數(shù)目、使得較舊的測量結(jié)果不再對(duì)航跡分?jǐn)?shù)有貢獻(xiàn)以有利于較新測量結(jié)果的選項(xiàng)。
[0018] 在其中傳感器測量結(jié)果標(biāo)識(shí)符不相關(guān)的情況下，算法使用JPDA來將候選測量結(jié) 果關(guān)聯(lián)到試驗(yàn)航跡，因?yàn)閭鞲衅鳒y量結(jié)果標(biāo)識(shí)符未指示潛在的關(guān)聯(lián)。JPDA允許指派給試驗(yàn) 航跡的多個(gè)候選測量結(jié)果的可能性。針對(duì)每個(gè)試驗(yàn)航跡在零點(diǎn)處對(duì)航跡分?jǐn)?shù)進(jìn)行初始化 且隨后在候選測量結(jié)果被關(guān)聯(lián)至航跡時(shí)被更新。如果向試驗(yàn)航跡指派多個(gè)候選測量結(jié)果， 則根據(jù)所述多個(gè)測量結(jié)果來計(jì)算平均航跡分?jǐn)?shù)，并使用該平均航跡分?jǐn)?shù)來更新當(dāng)前航跡分 數(shù)。
[0019] 圖1是用以檢測和跟蹤交通工具20的環(huán)境12中的所感測對(duì)象15 (1-N)的交通 工具20中的交通工具跟蹤系統(tǒng)10的實(shí)施例，其中，N是正整數(shù)。在本實(shí)施例的一個(gè)實(shí)施方 式中，交通工具20是無人交通工具20。所感測對(duì)象15 (1-N)正在以相應(yīng)的速度V (1- N)移動(dòng)。交通工具20包括慣性導(dǎo)航系統(tǒng)25和交通工具跟蹤系統(tǒng)10。交通工具跟蹤系統(tǒng) 10包括至少一個(gè)傳感器85、至少一個(gè)處理器80以及包括至少一個(gè)確認(rèn)/刪除航跡過濾器 70、存儲(chǔ)器86以及軟件95的存儲(chǔ)介質(zhì)90。該至少一個(gè)確認(rèn)/刪除航跡過濾器70在本文中 也稱為航跡過濾器70。
[0020] 傳感器85被通信耦合以向處理器80輸出數(shù)據(jù)。傳感器85可操作以感測交通工 具20的環(huán)境12中的對(duì)象15 (1-N)。傳感器85可以是能夠