1.本发明涉及一种系统，该系统用于实时计算要遵循的轨迹以使飞行器沿着要观察的垂直轨迹轮廓并根据要遵循的到目的地的方向从飞行中的当前地理位置转运到地理参考目的地。
背景技术：2.当飞行器在飞行中时，提供自动辅助以便自动确定可能将飞行器带到地理参考位置的轨迹可以是合需的。当确定可飞行轨迹时，必须考虑许多障碍：地形起伏、气象障碍、禁止飞越的军事区域、飞行器的运行状态(客舱降压、发动机停机，等等)。可飞行轨迹是指在所有点上相对于任何所标识的障碍物(起伏等)提供最小(或预定)距离裕量且飞行器在给定其运行状态(可能的降压、发动机损失等)下可遵循的轨迹。在无人机驾驶的情况下，提供这种自动辅助是尤其合需的。文献us 6424889 b1公开了一种用于为飞行器生成水平危险区避开轨迹的方法。
3.在当前现有技术中，实时自动确定这样的轨迹需要大量的处理资源，并且尤其是大量的计算时间。因此，克服现有技术的这些缺点是合需的。
4.尤其合需的是，提供一种解决方案，使其能够通过观察预先建立的垂直轨迹轮廓，确定将当前飞行中的飞行器从其当前地理位置带到地理参考目的地所遵循的安全轨迹。更特别合需的是提供一种使得能够在短时间内确定该轨迹的解决方案。还合需的是提供一种使得能够指示这样的轨迹是否存在的解决方案。
技术实现要素：5.本发明的目的是提出一种用于生成轨迹以将飞行中的飞行器从飞行器的当前位置带到具有地理参考位置的目的地的方法，该方法由以嵌入在飞行器中的电子电路系统的形式的用于自动生成轨迹的系统来实现，该方法包括以下步骤：获取代表飞行器从飞行器的当前位置到目的地可能遇到的障碍物的多边形，每个多边形与高度层相关联，其中障碍物包括在所述多边形中；定义相对于飞行器的当前飞行方向相切的两个第一圆，相对于飞行器的当前位置，一个以右侧为中心，另一个以左侧为中心，第一圆的半径是飞行器根据其运行状态可以执行的最小转弯半径；定义相对于到目的地要遵循的方向相切的两个第二圆，相对于目的地的地理参考位置，一个以右侧为中心，另一个以左侧为中心；定义包围所述多边形的顶点的第三圆，其半径等于预定横向裕量和转弯半径之间的最大值，飞行器在到达多边形的顶点时根据其速度可以执行转弯半径；通过观察预建立的垂直轨迹轮廓、飞行器的当前飞行方向和到目的地要遵循的方向、以及多边形的预定横向裕量和预定垂直裕量，通过搜索所述圆之间的切向轨迹，通过在顶点旁边绕过多边形来搜索在飞行器的当前位置和目的地之间的可飞行横向轨迹；以及，对于至少一个多边形边，该方法还包括以下步骤：-计算飞行器的当前位置与每个多边形边之间的距离；
[0006]-当垂直轨迹轮廓对应于爬升时，根据垂直轨迹轮廓，确定在已经行进了距边的距
离减去横向裕量后，飞行器的高度是否大于所述边的高度加上垂直裕量，并且如果是这种情况，则从可飞行横向轨迹搜索中排除该边；或者
[0007]-当垂直轨迹轮廓对应于下降时，根据垂直轨迹轮廓，确定在已经行进了距边的距离加上横向裕量后，飞行器的高度是否低于所述边以下的高度层的高度加上垂直裕量，并且如果是这种情况，则从可飞行横向轨迹搜索中排除该边。因此，由于圆的定义，对可飞行轨迹的搜索被简化，从而减少了寻找此类轨迹所需的时间。
[0008]
根据特定实施例，该方法还包括以下相继步骤：在所有方向上按预定的横向裕量扩张多边形；按高度层合并相接触或交叠的多边形；在所有方向上按预定横向裕量缩回多边形。根据特定实施例，该方法还包括以下步骤：
[0009]-通过观察预建立的垂直轨迹轮廓、飞行器的当前飞行方向以及到目的地要遵循的方向、以及多边形的预定横向裕量和预定垂直裕量，搜索一个所述第一圆和一个所述第二圆之间的可飞行切向轨迹；当在一个所述第一圆和一个所述第二圆之间尚未找到切向可飞行轨迹时，通过绕过多边形顶点，搜索从飞行器的当前位置到目的地位置的可飞行轨迹。根据一特定实施例，该方法还包括以下步骤：
[0010]
通过在所述圆之间逐圆地行进来确定候选轨迹，并将候选轨迹存储在列表中；根据成本函数f，从列表l中选择最有希望继续的候选轨迹，该成本函数使得：
[0011]
f＝g+h，
[0012]
其中g是行进到候选轨迹的当前末端的距离，且h是低估到目的地仍要行进的距离的路径搜索启发(heuristic)。
[0013]
根据一特定实施例，该方法还包括以下步骤：当自动轨迹生成系统已经找到到多边形顶点v的第一安全候选轨迹p1时，保存其距离值g，表示为gv；当自动轨迹生成系统找到设想以表示为gp的当前距离值g绕过顶点v来与它相遇的第二候选轨迹p2时，测试以下条件：
[0014]
gp+d
min
》gv，
[0015]
其中d
min
是所考虑的轨迹停止的位置与顶点v之间的路径长度的下限。并且当条件满足时，保存未更改的列表，并且否则，在列表中用第二候选轨迹p2替换第一候选轨迹p1。
[0016]
根据一特定实施例，该方法还包括以下步骤：当自动轨迹生成系统已经找到到多边形顶点的候选轨迹时，计算相关候选轨迹的当前值g加上从相关顶点到第三圆的距离加上从该第三圆到一个所述第二圆的距离之和；如果计算出的和大于已经找到的将飞行器从当前位置带到目的地的轨迹的成本函数f的值，则放弃将所述候选轨迹扩张到所述多边形顶点。
[0017]
根据一特定实施例，该方法包括以下步骤：仅保留根据恒定高度或由垂直轨迹轮廓定义的高度区间相关的层的多边形。
[0018]
根据一特定实施例，仅考虑障碍物的最右侧和最左侧的拐角以执行障碍物的绕过。
[0019]
根据一特定实施例，该方法还包括以下步骤，对于表示在d
obst
方向上以速度v
obst
移动的气象障碍物的至少一个多边形：如下计算距离l
ext
：
[0020][0021]
其中d
max
表示到以相关多边形顶点为中心的第三圆的最大距离，且de表示通过计算所述顶点上的到达时间t0和所述顶点上的实际最大到达时间t
max
而考虑的欧几里德距离；一旦与在d
obst
方向上的距离l
ext
的位移相等的移位将每个顶点从相关多边形向外位移，就通过对所述顶点施加该移位来扩展相关多边形的尺寸。
[0022]
根据一特定实施例，该方法还包括以下步骤：如下计算距离l
extc
：
[0023][0024]
其中α是飞行器从相关多边形的顶点可以执行的以弧度表示的最大转弯角度，并且r表示飞行器可以执行的转弯半径；一旦与距离lext和额外距离lextc之和相等的移位将所述顶点从相关多边形向外位移，就通过应用该移位来扩展多边形的尺寸。
[0025]
还提出了一种包括指令的计算机程序，所述指令用于当所述指令由处理器执行时根据上述方法的实施例中的任何一个来实施所述方法。还提出了一种存储指令的信息存储介质，当所述指令从信息存储介质读取并由处理器执行时所述指令用于根据上述方法的实施例中的任何一个来实现所述方法。
[0026]
还提出了一种用于将飞行中的飞行器从飞行器的当前位置带到具有地理参考位置的目的地的自动轨迹生成系统，所述系统包括配置成执行以下步骤的电子电路系统：获取代表飞行器从飞行器的当前位置到目的地可能遇到的障碍物的多边形，每个多边形与高度层相关联，其中障碍物包括在所述多边形中；定义相对于飞行器的当前飞行方向相切的两个第一圆，相对于飞行器的当前位置，一个以右侧为中心，另一个以左侧为中心，第一圆的半径是飞行器根据其运行状态可以执行的最小转弯半径；定义相对于到目的地要遵循的方向相切的两个第二圆，相对于目的地的地理参考位置，一个以右侧为中心，另一个以左侧为中心；定义包围所述多边形的顶点的第三圆，其半径等于预定横向裕量和转弯半径之间的最大值，飞行器在到达多边形的顶点时根据其速度可以执行转弯半径；通过观察预建立的垂直轨迹轮廓、飞行器的当前飞行方向和到目的地的要遵循的方向、以及多边形的预定横向裕量和预定垂直裕量，通过搜索所述圆之间的切向轨迹，通过在顶点旁边绕过多边形来搜索在飞行器的当前位置和目的地之间的可飞行横向轨迹；以及，对于至少一个多边形边，该系统包括配置成实现以下步骤的电子电路系统：
[0027]-计算飞行器的当前位置与每个多边形边之间的距离；
[0028]-当垂直轨迹轮廓对应于爬升时，根据垂直轨迹轮廓，确定在已经行进了距边的距离减去横向裕量后，飞行器的高度是否大于所述边的高度加上垂直裕量，并且如果是这种情况，则从可飞行横向轨迹搜索中排除该边；或者
[0029]-当垂直轨迹轮廓对应于下降时，根据垂直轨迹轮廓，确定在已经行进了距边的距离加上横向裕量后，飞行器的高度是否低于所述边以下的高度层的高度加上垂直裕量，并且如果是这种情况，则从可飞行横向轨迹搜索中排除该边。
[0030]
还提出了包括上述自动轨迹生成系统的航空电子设备。还提出了一种包含这种航
空电子设备的飞行器。
附图说明
[0031]
在阅读以下对至少一个示例性实施例的描述时，上述本发明的特征以及其他特征将变得更加清楚，所述描述是参照附图给出的，其中：
[0032]
[图1]通过侧视图示意性地解说了配备有自动轨迹生成系统的飞行器；
[0033]
[图2]示意性地解说了自动轨迹生成系统；
[0034]
[图3]示意性地解说了自动轨迹生成系统的硬件架构的示例；
[0035]
[图4]示意性地解说了用于简化一组多边形的算法；
[0036]
[图5a]示意性地解说了要被简化的地形高程多边形的示例；
[0037]
[图5b]在扩张操作之后继续图5a的示例；
[0038]
[图5c]在缩回操作后继续图5a和5b的示例；
[0039]
[图6a]示意性地解说了地形高程多边形的示例，其边被简化；
[0040]
[图6b]示意性地解说了地形高程多边形的形式的示例，其边未被简化；
[0041]
图7通过侧视图示意性地解说了观察到能够考虑可飞行轨迹的垂直裕量；
[0042]
图8通过俯视图示意性地解说了要观察到能够考虑可飞行轨迹的横向裕量；
[0043]
[图9]示意性地解说了预备横向轨迹搜索的算法；
[0044]
[图10a]示意性地解说了垂直轨迹轮廓的第一示例；
[0045]
[图10b]示意性地解说了垂直轨迹轮廓的第二示例；
[0046]
[图10c]示意性地解说了垂直轨迹轮廓的第三示例；
[0047]
[图10d]示意性地解说了垂直轨迹轮廓的第四示例；
[0048]
[图10e]示意性地解说了垂直轨迹轮廓的第五示例；
[0049]
[图11]示意性地解说了横向轨迹搜索算法；
[0050]
[图12a]示意性地解说了飞行器的当前位置和要到达的目的地之间的第一轨迹模式；
[0051]
[图12b]示意性地解说了飞行器的当前位置和要到达的目的地之间的第二可能轨迹模式；
[0052]
[图12c]示意性地解说了飞行器的当前位置和要到达的目的地之间的第三可能轨迹模式；
[0053]
[图12d]示意性地解说了飞行器的当前位置和要到达的目的地之间的第四可能轨迹模式；
[0054]
[图13a]示意性地解说了基于绕过诸多边形顶点的搜索开始算法；
[0055]
[图13b]示意性地解说了基于绕过诸多边形顶点的迭代搜索继续算法；
[0056]
[图14a]示意性地解说了通过绕过诸多边形顶点的轨迹延伸的第一示例；
[0057]
[图14b]示意性地解说了通过绕过诸多边形顶点的轨迹延伸的第二示例；
[0058]
[图15a]示意性地解说了考虑垂直轨迹轮廓的第一示例；
[0059]
[图15b]示意性地解说了考虑垂直轨迹轮廓的第二示例；
[0060]
[图16a]通过横截面图示意性地解说了一组多边形，这些多边形按高度层表示与飞行器高度相比的地形起伏障碍物；
[0061]
[图16b]通过横截面图示意性地解说了一组多边形，这些多边形按高度层表示与飞行器高度区间相比的地形起伏障碍物；
[0062]
[图17]示意性地解说了根据图10c的垂直轨迹轮廓按高度层选择的多边形；
[0063]
[图18]示意性地解说了根据图10b的垂直轨迹轮廓按高度层选择的多边形；
[0064]
[图19]示意性地解说了相对于多边形顶点定义的距离和相对于链接这些顶点的多边形边定义的距离之间的差异；
[0065]
[图20]示意性地解说了考虑障碍物移动的多边形尺寸的扩展；以及
[0066]
[图21]示意性地解说了考虑障碍物移动的最大多边形顶点绕过角。
具体实施方式
[0067]
图1通过侧视图示意性地解说配备有自动轨迹生成atg(“自动轨迹生成器”)101的飞行器100。
[0068]
atg系统101是嵌入式电子装备。例如，atg系统101形成飞行器100的航空电子设备的电子电路系统的一部分。优选地，atg系统101被包括在飞行器的计算机中，例如飞行器100的飞行管理系统fms，或者与飞行管理系统fms不同的另一轨迹计算系统中。
[0069]
atg系统101是一种驾驶辅助系统，用于实时确定要遵循的安全、可飞行轨迹，以在飞行器100飞行时将其从其当前地理位置带到地理参考目的地，诸如举例而言，飞行器或航空母舰的当前位置。
[0070]
atg系统101在图2中示意性地解说。atg系统101被配置成将由航空电子设备提供的一组信息作为输入：飞行器100的当前地理位置(表示为a_pos)、飞行器100的当前速度或速率(表示为a_vel)、如由飞行器100的姿态所定义的飞行器100的当前飞行方向(表示为a_dir)、关于目的地的地理位置信息(表示为t_pos)和到目的地要遵循的方向信息(表示为t_trk)。atg系统101还被配置成将要观察的到目的地的垂直轨迹轮廓作为输入(表示为vprof)。atg系统101被配置成提供输出轨迹信息(表示为t_inf)。
[0071]
在此回顾，可飞行轨迹是在所有点上都提供相对于任何所标识的障碍物(起伏等)的最小(或预定)距离裕量并且飞行器100可以在给定其运行状态(可能的降压、发动机损失，等等)下遵循的轨迹。为了确定轨迹信息t_inf，atg系统101还具有由一组数据库提供的信息。更具体地：pdtdb数据库(pdtdb代表“多边形数字地形数据库”)201，它以多边形的形式按高度地层提供地形高程信息；pdtdb数据库(pdtdb代表“多边形数字军事数据库”)202，它以禁止飞越的军事区域的多边形的形式优选地按高度地层提供地理参考信息；pdwdb数据库(pdwdb代表“多边形数字天气数据库”)204，它以多边形的形式优选地按高度地层提供地理参考信息，这些信息是由于气象条件(风暴云等)而要避开的区域；以及pdb数据库(pdb代表“性能数据库”)203，其根据飞行器100的运行状态提供关于该飞行器100的性能信息。
[0072]
上述数据库可完全并入飞行器100的计算系统中。在起飞之前，数据库被更新，例如使用电子飞行包efb。这些数据库可以并入到地面的计算系统中，例如运营飞行器100的航空公司的计算机中心。然后使用空地通信agc进行数据库的更新。这两种办法可以相组合，在起飞前预加载数据库并在飞行中进行更新，例如以考虑数实时据变化(天气条件等)。
[0073]
pdtdb数据库201包含表示地形层的多边形的描述符。因此，每个多边形都与(在较低层限制和较高层限制之间)高度层相关联。多边形的集合是地形的量化(近似)，并且完全
包含真实地形，这意味着如果轨迹避开了这些多边形障碍物，则在真实世界中应用该轨迹也会避开地形起伏。
[0074]
表示地形层的多边形必须忠实地这样做，这意味着它们不能将地形放大到可飞行区域被视为障碍物并且安全轨迹随后被视为危险并被atg系统101拒绝的点。此外，从上面看，代表一层的地形的多边形必须被代表较低层中的地形的多边形完全包围。假设飞行器越高地形起伏的约束就越小的这种要求是必要的，这就使得加快轨迹搜索的计算简化成为可能。
[0075]
类似地，pdmdb数据库202的军事区域和pdwdb数据库204的气象障碍物以多边形的形式表示，这些多边形得自对这些军事区域和这些气象障碍物的量化(近似)。例如，表示风暴云类型的障碍物的多边形与一个或多个高度层相关联，从而使得以探索在上述气象障碍物上方或下方通过的轨迹称为可能。
[0076]
在军事区域的情况下，变量优选地与相应多边形的描述符相关联，并指示军事区域是开放的(授权飞越)还是关闭的(禁止飞越)。该变量可通过无线电传输至飞行中的飞行器100，以实时通知该军事区的状态变化(开放/关闭)。
[0077]
每个多边形由其边定义，并与最低高度和最高高度(层)相关联。因此，数据库存储多边形描述符，包括包含例如以下信息的边描述符：
[0078]-边的一顶点的经度和纬度
[0079]-边的另一顶点的经度和纬度
[0080]-层的最低高度
[0081]-层的最高高度
[0082]-边所属的多边形的标识符
[0083]-多边形内的边的标识符
[0084]
因此，每个多边形描述符可以由优选地在覆盖相关多边形的外围时以顺时针方向或逆时针方向以有序的顺序呈现的连贯的边描述符组成，。
[0085]
在气象障碍物的情况下，相应的多边形描述符包含例如以下信息：
[0086]-日期戳
[0087]-障碍物的总体速度，移动方向
[0088]-增长因子。
[0089]
此外，为了更多细节，气象障碍物多边形的每个边描述符可以包含关于该边的每个顶点的速度或速率的信息。因此，通过该信息，atg系统101能够从日期戳给出的时刻并使用气象模型来推断相关多边形的形状的动态变化。
[0090]
如果经常使用并且如果这样可以节省计算时间，则额外信息可被存储。例如，每个边描述符可以指示多边形在第一个顶点处是凸的还是凹的，或者该边是否属于多边形的凸包络。
[0091]
因此，当atg系统101执行要遵循的轨迹的实时计算以使飞行器100从飞行中的当前地理位置转移到地理参考目的地时，atg系统101如下文所述操纵多边形。
[0092]
图3示意性地说明了atg系统101的硬件架构的示例，其包括通过通信总线310链接的如下部件：处理器或cpu(中央处理单元)301；ram(随机存取存储器)存储器302；rom(只读存储器)存储器303，例如闪存；数据存储设备，诸如hdd(硬盘驱动器)硬盘，或存储介质读取
器，诸如sd(安全数字)读卡器304；允许atg系统101与飞行器100的航空电子设备交互的至少一个通信接口305。
[0093]
处理器301能够执行从rom 303、从外部存储器(未示出)、从诸如sd卡之类的存储介质或者从通信网络(未表示)加载到ram 302中的指令。当atg系统101上电时，处理器301能够从ram 302读取指令并执行它们。这些指令形成使处理器301实现此处描述的行为、步骤和算法的计算机程序。
[0094]
此处描述的所有或部分行为、步骤和算法因此可以通过借助可编程机器，诸如dsp(数字信号处理器)或微控制器执行一组指令以软件形式实现，或者通过机器或专用组件(或芯片)或一组专用组件(或芯片)，诸如fpga(现场可编程门阵列)或asic(特定应用集成电路)以硬件形式来实现。一般而言，atg系统101包括布置和配置成实现这里描述的行为、步骤和算法的电子电路系统。
[0095]
为了执行轨迹计算，atg系统101操纵多边形以限制所研究的候选轨迹的数量。因此，图4示意性地了解说用于简化由atg系统101在特定实施例中实现的多边形集合以潜在地合并某些多边形的算法。atg系统101执行扩张-缩回操作，这使得有可能合并彼此太近的多边形以使得现实中在观察保护走廊的同时，飞行器100在它们所代表的障碍物之间导航成为可能。这些多边形的扩张、合并和缩回操作优选地在搜索飞行器100的可飞行轨迹的上游执行，而不是实时执行，以便限制计算时间。
[0096]
事实上，在计算关于要避开的障碍物的轨迹时，必须横向观察横向裕量lm，如图8中所解说的，其中在从点p1到点p2的距离d2上，横向裕量lm没有任何障碍物800。横向裕量lm可根据高度、飞行器100的飞行模式或地理区域而预先确定或可变。此外，还必须在计算轨迹中垂直观察关于要避开的障碍物的垂直裕量vm，如图7中所解说的，其中在从点p1到点p2的距离d2上，垂直裕量vm没有任何障碍物800。垂直裕量vm和侧向裕量lm是预定义值，其使得确保仪器导航的可靠性成为可能，即确保安全且可飞行的轨迹。
[0097]
如前所述，在步骤401中，atg系统101以高度地层获得多边形形式的障碍物信息。
[0098]
在步骤402中，atg系统101扩张多边形。换句话说，atg系统101在所有方向上(在所考虑的层中)放大多边形。在每个方向上，增加横向裕量lm。
[0099]
然后，在步骤403中，对于每一层，atg系统101合并(按高度层)接触或交叠的多边形。作为示例，图5b示意性地示出了预定区域500中的一组多边形502，其由图5a中示意性地解说的一组多边形501的扩张和合并产生。
[0100]
并且，在步骤404中，atg系统101在任何合并之后以与步骤402中相同的比例缩回多边形。作为示例，图5c示意性地示出了一组多边形503，其由图5b中示意性地解说的一组多边形502的缩回产生。
[0101]
因此，要操纵的多边形数量减少，而不会以任何方式放弃本来可飞行的轨迹。因此，步骤402、403和404使得通过仅保留飞行器100可以在其之间导航的障碍物来简化飞行器100周围的地形的表示成为可能。atg系统101避开研究本来就将使得不可能观察到保护走廊的障碍物绕过轨迹。
[0102]
在步骤405中，atg系统101寻求简化多边形的边。根据一种配置，atg系统101标识多边形的位于多边形的凹部的所有顶点。atg系统101针对它们中的每一个，确定其两个相邻顶点中的至少一个顶点是否位于小于简化阈值的距离(图6a和6b中的半径为r_ps的圆)
处。如果是这种情况，则atg系统101消除凹度并直接链接所述两个相邻顶点；否则atg系统101保持多边形的形式。图6a示意性地解说了其中顶点v2位于顶点v1和顶点v3之间的凹面中的多边形。顶点v3与顶点v2的距离小于简化阈值r_ps。在这种情况下，atg系统101消除了将顶点v1链接到顶点v2并且将顶点v2链接到顶点v3的边，并创建了将顶点v1直接链接到顶点v2的边。然后顶点v2消失。图6b示意性地解说了多边形，其中顶点v3与顶点v2的距离大于简化阈值r_ps。在此，顶点v2被保留。显然，本发明不限于多边形的边简化的这种配置。这里给出的配置是针对位于多边形的凹面部分中的多边形顶点的情况，并且根据距相邻顶点的距离的准则的具体示例。
[0103]
因此，要操纵的多边形形式更简单，并具有更少的顶点，这减少了要研究的候选轨迹的数量。多边形边的这种简化是可任选的，并且可以独立于扩张-合并-缩回操作来执行。
[0104]
为了能够提供导航仪器易于遵循的可飞行轨迹，atg系统101构建仅由直线段和圆弧组成的候选轨迹，并且其半径符合pdb数据库203中检索到的飞行器100的性能水平。
[0105]
图9示意性地解说了横向轨迹搜索的预备对数。
[0106]
在步骤901，atg系统101获得垂直轨迹轮廓。预先确立要观察的垂直轨迹轮廓。垂直轨迹轮廓定义飞行器100预期的高度变化。例如，如果机舱降压正在进行，则atg系统101必须考虑水平下降，以便使飞行器100达到根据飞行器100的运行状态定义的最大高度alt
max
。图10a示意性地解说了垂直轨迹轮廓的第一示例。在该示例中，没有进行高度变化，并且飞行器100的当前高度ca例如保持在最大高度值alt
max
。如果飞行器100的当前高度ca大于根据飞行器100的运行状态定义的最大高度alt
max
，则垂直轨迹轮廓下降，以使飞行器100以所允许的最大高度alt
max
飞行，如图10b中示意性解说的。如果飞行器100的当前高度ca低于所允许的最大高度alt
max
，则垂直轨迹轮廓可以爬升以使飞行器在最大高度alt
max
处飞行，并面对限制较小的环境(特别是地形起伏)，如在图10c中示意性解说的。在最大高度alt
max
由于机舱降压而小于飞行器100的当前高度ca的情况下，垂直轨迹轮廓包含机舱降压规程并观察到按层下降，如图10d中示意性解说的。如图10e中所解说的，垂直轨迹轮廓可以考虑在要找到横向轨迹的目的地(表示为dest)和位于下方的最终目的地(表示为fdest)之间的保持电路图案(参见图10e中的虚线)的迭代数量。在另一实施例中，垂直轨迹轮廓可包括下降轨迹。
[0107]
在步骤902中，atg系统101获得飞行器100的当前位置a_pos、飞行器100的飞行方向a_dir、以及飞行器100的当前速度a_vel。飞行器100的当前速度a_vel使得确定第一转弯的半径成为可能。
[0108]
在步骤903中，atg系统101获得目的地dest的位置t_pos，以及其高度和到目的地要遵循的方向t_trk。
[0109]
在步骤904中，atg系统101按高度层以多边形的形式获得关于障碍物(地形、天气、军事区域)的信息。该多边形形式的信息从前面提到的pdtdb 201、pdmdb 202和pdwdb 204数据库中获得。例如，atg系统101获取关于存在于预定表面积的地理区域中的障碍物的信息，该地理区域包括飞行器100的当前位置和目的地的位置。该地理区域优选是尽可能最小的，以便获得关于包括飞行器100的当前位置和目的地的位置的最小地理区域中存在的障碍物的信息。
[0110]
在可任选步骤905中，atg系统101应用在轨迹计算中要避开的多边形的至少一个
简化过滤器。例如，使用多边形的扩张-合并-缩回和/或已经关于图4、5a、5b、5c、6a和6b描述的多边形边的简化的操作来实现这样的过滤器。可以应用其他简化过滤器，如下详述。随着可飞行轨迹搜索的进行，简化过滤器可以显著应用。优选地，在构造pdtdb数据库201期间，在飞行之前在地面上执行这些可能需要大量计算时间的过滤。
[0111]
在步骤906中，atg系统101通过遵循在步骤901中获得的垂直轨迹轮廓，并因此通过避开由在步骤904中获得的多边形表示的障碍物，来搜索从飞行器的当前位置a_pos到目的地t_pos的位置的可飞行轨迹。轨迹搜索考虑了飞行器100的当前飞行方向a_dir、到目的地要遵循的方向t_trk，以及飞行器100在其运行状态下的性能。下文参照图11详细说明特定实施例。
[0112]
图11示意性地解说了横向轨迹搜索算法。
[0113]
在步骤1101中，atg系统101定义与飞行器100的当前飞行方向a_dir相切的两个第一圆，其预定半径取决于飞行器100的性能，相对于飞行器100的当前位置a_pos，一个以右侧为中心，另一个以左侧为中心。飞行器100可以相对于飞行器100的当前飞行方向a_dir向右或向左转弯。第一圆的半径等于飞行器100根据其运行状态可以执行的最小转弯半径。
[0114]
在步骤1102中，atg系统101定义了相对于到目的地要遵循的方向t_-trk相切的两个第二圆，其具有取决于飞行器100的性能的相同预定半径，相对于目的地的位置t_pos，一个以右侧为中心，另一个以左侧为中心。到目的地要遵循的方向t_trk定义了所述第二圆的飞行器100可能行进方向。根据一种配置，第二圆的半径等于第一圆的半径。根据另一配置，第二圆的半径不同于第一圆的半径。第二圆的半径是根据飞行器100计划到达所述第二圆时的速度或性能计算的。飞行器100计划到达第二圆时的速度由速度轮廓确定，该速度轮廓是飞行器100高度的函数。实际上，飞行器100到达第二圆的高度是通过使用飞行器100和这些第二圆之间的距离作为针对垂直轨迹轮廓的输入，并且根据由飞行器100行进的距离来确定的。换句话说，知道飞行器100和第二圆之间的距离，飞行器100到达第二圆时的速度(这取决于高度)就基于作为所行进距离函数的垂直轨迹轮廓来确定。通过具有飞行器100的速度，atg系统101可以推断出第二圆的半径。
[0115]
在步骤1103中，atg系统101通过观察飞行器100的当前飞行方向a_dir和到目的地要遵循的方向t_trk，在步骤1101中定义的一个所述第一圆和步骤1102中定义的一个所述第二圆之间搜索切向可飞行轨迹。已通过观察在步骤901中获得的垂直轨迹轮廓来执行该轨迹搜索。考虑到在飞行器100的当前位置a_pos和目的地的位置t_pos之间没有障碍物，可能的轨迹在图12a到12d中示意性地解说。
[0116]
在图12a中，轨迹是这样的：飞行器100从位置a_pos向左执行转弯，遵循相对于位置a_pos以左侧为中心的第一圆，然后遵循相对于位置t_pos以左侧为中心的第二圆的切线，并通过遵循所述第二圆到目的地的位置t_pos执行向左转弯。在图12b中，轨迹是这样的：飞行器100从位置a_pos执行向左转弯，遵循相对于位置a_pos以左侧为中心的第一圆，然后遵循相对于位置t_pos以右侧为中心的第二圆的切线，并通过遵循所述第二圆到目的地的位置t_pos执行向右转弯。在图12c中，轨迹是这样的：飞行器100从位置a_pos执行向右转弯，遵循相对于位置a_pos以右侧为中心的第一圆，然后遵循相对于位置t_pos以左侧为中心的第二圆的切线，并通过遵循所述第二圆到目的地的位置t_pos执行向左转弯。在图12d中，轨迹是这样的：飞行器100从位置a_pos执行向右转弯，遵循相对于位置a_pos以右侧
为中心的第一圆，然后遵循相对于位置t_pos以右侧为中心的第二圆的切线，并通过遵循所述第二圆到目的地的位置t_pos执行向右转弯。
[0117]
应注意的是，在轨迹搜索开始时，仍有可能允许飞行器100如向右转弯那么多地执行向左转弯。如果飞行器100当前正在向右转弯，并且期望飞行器100随后向左转弯，则引入裕量以允许向左转弯的轨迹搜索。然而，从飞行器100的转弯开始扩张(这与到达多边形顶点的角度不一致)是不可能的。
[0118]
在步骤1104中，atg系统101检查在步骤1103中是否可以找到一个或多个可飞行轨迹。如果是这种情况，则执行步骤1105；否则执行步骤1106。
[0119]
在步骤1105中，atg系统101提供在步骤1103中找到的轨迹，该轨迹使得飞行器100根据要观察的垂直轨迹轮廓从其在飞行中的当前地理位置a_pos转运到目的地的位置t_pos成为可能。如果已经找到若干可飞行轨迹，则atg系统101通过应用至少一个预定准则来选择其中一个。通常，atg系统101选择最短的轨迹。然后结束图11的算法。
[0120]
在步骤1106中，atg系统101通过绕过多边形顶点，执行对从其在飞行中的当前地理位置a_pos到目的地的位置t_pos的可飞行轨迹的搜索。这方面在下文中相对于图13a和13b来详述。
[0121]
在步骤1107中，atg系统101在步骤1106中通过绕过诸多边形的顶点来检查是否已找到可飞行轨迹。如果是这种情况，则执行步骤1105；否则执行步骤1108。
[0122]
在步骤1108中，atg系统101警告在给定条件下，尚未能够找到满足目的地的横向轨迹。在根据存在的障碍物观察到目的地要遵循的方向t_trk时，atg系统101根据当前位置和根据飞行器100的姿态，无法找到使得能够满足目的地的位置t_pos的可飞行轨迹。然后，必须选择另一目的地和/或遵循到目的地要遵循的另一方向和/或另一垂直轨迹轮廓。例如，考虑到航空电子设备的轨迹计算系统可以访问包括可能目的地(例如机场)的有序列表的数据库，以便例如在机舱降压后的紧急情况下转移飞行器100，轨迹计算系统根据有序列表向atg系统101提交目的地。如果atg系统101能够找到由轨迹计算系统提交的到目的地的可飞行轨迹，则所述轨迹被编程到轨迹计算系统中并被遵循以使飞行器100转运到该目的地。否则，轨迹计算系统向atg系统101提交有序列表中的下一目的地。
[0123]
图13a示意性地解说了基于绕过多边形顶点的搜索开始算法。
[0124]
在步骤1301中，atg系统101定义包围表示在步骤904中获得的障碍物的诸多边形的顶点的第三圆。可以通过atg系统101应用过滤，从而不考虑代表由pdtdb 201、pdmdb 202和pdwdb 204数据库带给atg系统101的知识的障碍物的所有多边形的顶点。根据pdb数据库203中定义的其性能，以及到达多边形顶点的其速度，第三圆的半径是上述横向裕量lm(定义保护走廊)和飞行器100能够达到的最小转弯半径之间的最大值。特别是，第三圆到达多边形顶点的半径至少等于横向裕量lm。在下一次扩张时，离开多边形顶点的第三圆的半径等于横向裕量lm和飞行器100能够达到的最小转弯半径之间的最大值。因此，根据飞行器100在该转弯处的到达速度计算每个第三圆的半径。到达多边形顶点时第三圆的半径可以不同于离开所述多边形顶点时第三圆的半径。因此，每个第三圆具有因其而异的半径，并且因此用于扩张的第三圆与用于目标多边形顶点的第三圆不同。
[0125]
在步骤1302中，atg系统101通过观察飞行器100的当前飞行方向a_dir和适用的垂直轨迹轮廓，在步骤1101中定义的一个所述第一圆和步骤1301中定义的一个所述第三圆之
间搜索切向可飞行轨迹。如前所述，可能从向右转弯或从向左转弯搜索可飞行轨迹。鉴于飞行器100到达所述多边形顶点的方向(因此定义了所述第三圆的行进方向)，一条所述可飞行轨迹必须使得绕过相关多边形的顶点成为可能。图14a中示意性地解说了一示例。
[0126]
在图14a中，仅通过解说来表示三个障碍物1400。位置a_pos和位置t_pos之间不存在可飞行直接轨迹，同时也观察方向a_dir和t_trk。因此，有必要绕过一个或多个障碍物。图14a示出了在步骤1101中定义的第一圆1401。其中还示出了针对特定数量顶点v3、v4、v7、v8和v9的第三圆1402。如图14a中粗箭头线所解说的，这些是已经针对它们找到的至少一条切向可飞行轨迹的多边形顶点(为了画图清晰，没有表示某些可能的切向可飞行轨迹)。必须进一步探索这些轨迹，以找到通向目的地的位置t_pos的路径。对于顶点v1、v2、v5、v6和v10，不存在切向可飞行轨迹(因为存在障碍物，并且遵守横向裕量lm(尤其是相对于顶点v5))。
[0127]
在步骤1303中，atg系统101检查在步骤1302中是否已经找到一个或多个可飞行轨迹。如果是这种情况，则执行步骤1304；否则执行步骤1308。
[0128]
在步骤1304中，atg系统101将在步骤1302中找到的每个轨迹添加到列表l中。并且，在步骤1305中，atg系统101探索列表l的至少一个候选轨迹，如下文关于图13b所述。接着，在步骤1306中，atg系统101检查在步骤1305中是否已经找到一个或多个可飞行轨迹。如果是这种情况，则执行步骤1307；否则执行步骤1308。
[0129]
在步骤1307中，atg系统101提供在步骤1305中找到的轨迹，这使得飞行器100根据要观察的垂直轨迹轮廓从其在飞行中的当前地理位置a_pos转运到目的地的位置t_pos成为可能。如果已经找到若干可飞行轨迹，则atg系统101通过应用至少一个预定准则来选择其中一个。通常，atg系统101选择最短的轨迹。步骤1307与步骤1105相同。然后结束图11的算法。
[0130]
在步骤1308中，atg系统101警报在给定条件下，尚未能够找到满足目的地的横向轨迹。步骤1306与步骤1108相同。
[0131]
图13b示意性地解说了基于绕过多边形顶点的迭代搜索继续算法(图13a的步骤1305的细节)。
[0132]
在步骤1351中，atg系统101从列表l中提取候选轨迹。
[0133]
在特定实施例中，atg系统101根据路径搜索启发在列表l中选择最有希望的候选轨迹。例如，使用算法a*的启发h或其变型之一，诸如举例而言，所谓的“任意时间a*”算法。然后，atg系统101将成本函数f与列表l中的每条轨迹相关联，从而：
[0134]
f＝g+h，
[0135]
其中g是行进到所考虑轨迹的当前末端的距离，并且h是启发，它低估了仍要行进的距离(对于终点在目的地的可飞行轨迹，h＝0)。atg系统101然后从列表l中提取使成本函数f最小化的候选轨迹。
[0136]
在步骤1352中，atg系统101通过观察到达时要遵循的方向t_trk和适用的垂直轨迹轮廓，搜索在候选轨迹停止于其上的第三圆(扩张的起始圆，其半径等于横向裕量lm和飞行器100可执行的转弯半径之间的最大值，该半径是根据飞行器100的当前速度并通过知道飞行器100的高度来计算的)和步骤1102中定义的一个所述第二圆之间的切向可飞行轨迹。atg系统101因此进行搜索，以查看是否所有障碍物都已被绕过，以及是否存在到目的地的
直接可飞行轨迹(轨迹的最后一个分支(“腿”)。例如，图14a中包围顶点v5的第三圆就是这种情况，而不是顶点v3。在步骤1353中，atg系统101检查在步骤1352中是否已经找到一个或多个可飞行轨迹。如果是这种情况，则执行步骤1354；否则执行步骤1355。在步骤1354中，atg系统101提供如在步骤1352中找到的轨迹，这使得飞行器100根据要观察的垂直轨迹轮廓从其在飞行中的当前地理位置a_pos转运到目的地的位置t_pos成为可能。如果已经找到若干可飞行轨迹，则atg系统101通过应用至少一个预定准则来选择其中一个。通常，atg系统101选择最短的轨迹。步骤1354与步骤1307和1105相同。然后结束图11的算法。在特定实施例中，atg系统101检查以查看是否存在根据所述预定一个或多个准则的更合适的可飞行轨迹。在这种情况下，atg系统101继续探索列表l的候选轨迹(以在列表l中找到具有较低成本函数f值的候选)。当找到可飞行轨迹时，此种轨迹被添加到候选列表l中，其中启发h等于0，成本函数f等于距刚刚找到的轨迹的末端的距离。当列表l中的下一候选轨迹(在列表l的开始处)具有等于0的启发h时，atg系统101确定可飞行轨迹搜索结束。
[0137]
在步骤1355中，atg系统101搜索在候选轨迹停止于其上的第一圆和另一所述第三圆之间的切向可飞行轨迹。换言之，atg系统101通过观察适用的垂直轨迹轮廓(并且优选是适用的速度轮廓)，来搜索可接近目的地的位置t_pos的要绕过的另一顶点。候选轨迹停止于其上的第三圆的行进方向取决于飞行器100到达所述第三圆的方向。可以通过atg系统101应用过滤，从而不考虑代表由pdtdb 201、pdmdb 202和pdwdb 204数据库带给atg系统101的知识的障碍物的所有多边形的顶点。图14b示意性地解说了一示例，其示意性地解说了通过遵循以下路径而基于绕过多边形顶点的轨迹搜索进展：相对于位置a_pos行进以右侧为中心的第一圆1401的一部分，然后行进在所述第一圆1401和包围多边形顶点v3第三圆1402之间的切线，然后行进包围多边形顶点v3的所述第三圆1402的一部分，然后行进在包围多边形顶点v3的所述第三圆1402和包围顶点v5的第三圆1403之间的切线，或者行进在包围多边形顶点v3的所述第三圆1402和包围多边形顶点v2的第三圆1403之间的切线。在图14b中看起来从包围顶点v5的第三圆1403开始，可以直接到达目的地的位置t_pos，同时观察到目的地要遵循的方向t_trk。因此，在对该轨迹的下一次迭代探索时，应该找到可能的轨迹。应注意，当通过向左(分别向右)转弯完成候选轨迹停止于其上的第三圆的行进时，atg系统101排除了到施加向右(分别向左)转弯的另一所述第三圆的任何可飞行轨迹。事实上，这样的可飞行轨迹可能存在，但并不认为是感兴趣的。在这种情况下，不存在观察候选轨停止于在其上的第三圆的行进方向的可飞行切向轨迹。此外，当然必定存在朝向这些多边形顶点的较短替代轨迹，并因此存在于列表l中。因此，在图14b中，atg系统101排除例如从包围多边形顶点v3的第三圆1402到顶点v7和v9的任何轨迹。
[0138]
在步骤1356中，atg系统101检查在步骤1355中是否已经找到一个或多个可飞行轨迹。如果是这种情况，则执行步骤1357；否则执行步骤1358。
[0139]
在步骤1357中，atg系统101将在步骤1355中找到的每个轨迹添加到列表l中。随后，执行步骤1358。
[0140]
在特定实施例中，atg系统101仅在列表l不是已经包含使到达所述轨迹停止处的包围多边形顶点的第三圆成为可能的更短轨迹的情况下，才向列表l添加一条所述轨迹。并且，在特定实施例中，当atg系统101将一条所述轨迹添加到列表l中时，atg系统101从列表l中移除停止在同一多边形顶点的第三圆处但比所添加的轨迹更长的任何轨迹。
[0141]
在步骤1358中，atg系统101继续探索列表l的至少一个候选轨迹，并且随后执行图13b的算法的新迭代。
[0142]
如已经提及的，atg系统101在确定轨迹时观察垂直轨迹轮廓。因此，应注意，如果垂直轨迹轮廓涉及飞行器100增加高度，这意味着随时间进展，轨迹计算不受某些层的约束，并且因此也不受多边形(障碍物)的约束。图15a中示意性地解说了该情形。通过绕过由3个相继层上的多边形定义的障碍物，研究从飞行器100的位置a_pos到目的地的位置t_pos的轨迹：第一层代表低于第二层的高度区间，第二层其本身表示低于第三层的高度区间。代表第一层中的障碍物的多边形1501包括代表第二层中的障碍物的多边形1502，后者其本身包括代表第三层中的障碍物的多边形1503。根据垂直轨迹轮廓，飞行器100绕过的序列中的第一多边形顶点是第一层的顶点v1。在绕过该多边形顶点v1后，垂直轨迹轮廓涉及飞行器100在第一层上方的爬升高度(考虑垂直裕量vm)。因此，绕过序列中的下一多边形顶点涉及第二层的顶点v3，而不是第一层的顶点v2。相反，如果垂直轨迹轮廓意味着飞行器100失去高度，这意味着轨迹计算随着时间会因某些层的约束并且因此多边形(障碍物)的约束而更受限。图15b中示意性地解说了该情形。在这种情况下，飞行器100绕过的序列中的第一多边形顶点是第一层的顶点v2。从当前位置a_pos开始，飞行器100的高度高于第一层(考虑垂直裕量vm)。然后，不需要绕过顶点v1。随着飞行器100高度下降，第一层的障碍物的约束被添加。在图15b中，根据方向a_dir从以位置a_pos的右侧为中心的第一圆到顶点v2的第三圆的切向轨迹距离第二层的顶点v4的距离大于横向裕量lm。因此，必须绕过顶点v2(而不是第二层的顶点v3)。
[0143]
对于第二和第三圆的半径保持不变的应用示例，顶点va和顶点vb(或目的地)之间的轨迹的扩张在对算法的不同调用之间保持不变，只要所使用的转弯半径相同且垂直轨迹轮廓的高度不变，顶点va和顶点vb之间的轨迹的扩张可被计算并存储在存储器中并在后续计算中重复使用。这使得在飞行期间定期询问atg系统101以确保安全且可飞行轨迹始终可用以将飞行器100带到目的地成为可能。因此，矩阵可为每对顶点(或顶点和目的地)存储与根据所考虑的高度在它们之间建立可飞行轨迹的可能性或不可能性有关的信息，并且如果必要，提供指向描述两个顶点之间适用的可飞行轨迹的存储器区域的指针。这使得减少对atg系统101的这些后续调用中的轨迹计算时间成为可能。
[0144]
在特定实施例中，当垂直轨迹轮廓要求下降时，如果atg系统101检测到飞行器100位于障碍物的多边形中(例如10000英尺处的高平面处)，则其尽快离开相关障碍物是合需的。为此，atg系统101创建虚拟顶点。
[0145]
如已经提及的，可以执行过滤操作以进一步减少计算满足目的地的可飞行轨迹的时间。这些过滤操作在轨迹搜索期间实时执行。这些过滤操作使得只考虑潜在感兴趣的轨迹并且过滤出先验不感兴趣的轨迹成为可能。可以组合下文中呈现的特定过滤实施例。
[0146]
在第一过滤实施例中，atg系统101仅通过考虑与垂直轨迹轮廓相关的多边形的顶点，基于绕过顶点来执行轨迹搜索。因此，在必须在恒定高度处执行轨迹搜索的情况下，仅将不低于飞行器100的高度减去垂直裕量vm的那些层中的最低层纳入考虑，如图16a中所示。atg系统101然后从所述轨迹搜索中排除不在所述较低层中的多边形顶点。图16a通过横截面图示意性地解说了按高度层表示地形起伏障碍物的一组多边形。障碍物在7层1601到1607上表示。假设飞行器100的考虑高度等于a0，则只将1604、1605、1606、1607(这些层不低
于飞行器100的高度减去垂直裕量vm)中的最底层1604的多边形顶点纳入考虑。不考虑较低层1601、1602、1603的多边形，因为它们低于高度a0减去垂直裕量vm。因为更高层1605、1606、1607的多边形包括在1604层的多边形中，所以也不考虑它们的顶点。事实上，更高层1605、1606、1607的这些多边形位于高度a0减去垂直裕量vm的上方，并因此必须避开，但它们包含在1604层的多边形中。通过避开层1604的多边形，更高层1605、1606、1607的多边形因此也被避开。在爬升或下降的情况下，应用相同的推理以仅保留与垂直轨迹轮廓中考虑的高度区间相关的层，如图16b中所示。所考虑的高度区间由等于要考虑的飞行器100的最小高度a1减去垂直裕量vm的上限定义，以及由等于要考虑的飞行器100的最大高度a2减去垂直裕量vm的上限定义。
[0147]
在第二过滤实施例中，atg系统101更精细地考虑垂直轨迹轮廓，以通过相对于多边形的边的距离执行过滤。事实上，如果多边形边距离飞行器100足够远，以确保即使后者直接到达该边，垂直轨迹轮廓也使得飞行器的高度将在到达所述边时充分增加，以使相应的起伏不再成为飞行器100的实际轨迹的约束，则多边形边在轨迹扩张中不需要被纳入考虑。这一方面在图17中示出，其按高度层示意性地解说了根据图10c的垂直轨迹轮廓对多边形的选择。因此，根据垂直轨迹轮廓，飞行器100的高度在已经行进距离d1后变得大于层1603的上限加上垂直裕量vm，飞行器100的高度在已经行进距离d2后变得大于1604层的上限加上垂直裕量vm，并且飞行器100的高度在已经行进距离d3后稳定在最大高度alt
max
，1605层的上限高于最大高度alt
max
减去垂直裕量vm。对于飞行器100的爬升，1603层与距离d1减去横向裕量lm有关，1604层与距离d2减去横向裕量lm有关，而1605层与距离d3减去横向裕量lm及以上有关。对于飞行器100的下降，1603层与距离d1加上横向裕量lm有关，1604层与距离d2加上横向裕量lm有关，而1605层与距离d3加上横向裕量lm及以上有关。atg系统101计算距每个多边形边的距离，就像遵循的直线段一样，这低估了到障碍物的实际距离，因为飞行器100不一定遵循这个方向，并且一个或多个转弯通常是必要的以允许飞行器100实际到达那里。接下来，根据与爬升相对应的垂直轨迹轮廓，atg系统101确定在已经行进了距边的距离减去横向裕量lm之后，飞行器100的高度是否大于所考虑的边的高度加上垂直裕量vm。如果是这种情况，则该边在轨迹计算中不需要被纳入考虑。接下来，根据与爬升相对应的垂直轨迹轮廓，atg系统101确定在已经行进了距边的距离减去横向裕量lm之后，飞行器100的高度是否大于所考虑的边的高度加上垂直裕量vm。如果是这种情况，则该边在轨迹计算中不需要被纳入考虑。使用距每个边的距离的低估保证了没有相关边被滤除。这里重要的是确定到边的距离，而不是到其顶点的距离。使用到顶点的距离可能导致滤除应该保留的边。事实上，飞行器100的位置a_pos(独立于飞行方向a_dir)和多边形1900的顶点v1(分别是v2)之间的距离d
v1
(分别为d
v2
)大于飞行器100的该位置a_pos和链接顶点v1和v2的边之间的距离，如图19中示意性解说的，其中d
th
表示如下距离：在该距离之下，根据垂直轨迹轮廓，飞行器的高度低于相关边的高度加上垂直裕量vm。
[0148]
相同的原理可应用于垂直轨迹轮廓，该轮廓施加飞行器100的下降。这一方面在图18中示出，其按高度层示意性地解说了根据图10b的垂直轨迹轮廓对多边形的选择。因此，根据垂直轨迹轮廓，在已经行进距离d1后，飞行器100的高度停止大于1604层的上限加上垂直裕量vm，在已经行进距离d2后，飞行器100的高度停止大于1603层的上限加上垂直裕量vm，在已经飞行距离d3后，飞行器100的高度稳定在最大高度alt
max
，1603层的上限大于最大
高度alt
max
减去垂直裕量vm。随后，1603层与距离d1加上横向裕量lm有关，1604层与距离d2加上横向裕量lm有关，而1605层与距离d3加上横向裕量lm及以上有关。在飞行器100的下降的情况下，如果较低层变得相关且必须被避开(多边形的边不再是自由的)，则该层之上的一层(其包括在该较低层中)将被自动避开。因此，这种过滤使得使要被执行的计算最小化成为可能，因为在上游确定较低层变得相关。
[0149]
在第三过滤实施例中，atg系统101在成本函数f的表达式中执行与距离g有关的过滤。当找到到多边形顶点的第一安全路径时，保存该路径的描述符，并将其用作参考，以过滤列表l的候选轨迹列表。该过滤防止生成到相同顶点的可能更长的轨迹，即使该轨迹是可飞行的。因此，一旦atg系统101已经找到了到顶点v的安全路径p1，其距离值g(表示为gv)被保存。接下来，每当另一候选轨迹p2也设想以当前距离值g(标记为gp)与顶点v相遇(以绕过它)时，测试以下条件：
[0150]
gp+d
min
》gv，
[0151]
其中d
min
是所考虑的轨迹停止的位置与所考虑的多边形顶点之间的路径长度的下限。此种下限对应于所考虑的轨迹停止的位置与所考虑的多边形顶点之间的欧几里得距离(对应于飞行器的轨迹已与该多边形顶点的第三圆的切线对准，并且因此无需执行转弯以到达那里的情况)。如果该条件满足，则不会创建轨迹的扩张，并且保留已经存在的候选轨迹，因为没有更好的路径到达那里。在这种情况下，列表l保持不变。否则，构建更好的路径，并且atg系统101相应地更新列表l，也就是说，路径p2替换路径p1以到达多边形顶点v的第三圆，并且距离值g也被更新。
[0152]
在第四过滤实施例中，atg系统101执行与成本函数f有关的过滤。如果列表l中存在从位置a_pos到观察垂直轨迹轮廓以及方向a_dir和t_trk的位置t_pos的可飞行轨迹，则atg系统101就在其先验地确定无论绕过该顶点的扩张如何都不可能有比已经找到的解更短的解的情况下，可放弃将轨迹扩张到包围多边形顶点的第三圆。当考虑的候选轨迹的当前值g加上到相关顶点第三圆的中心的距离加上从该第三圆的中心到一个所述第二圆的中心(相对于目的地)的距离之和大于已有解的成本函数f值时，就会出现这种情况。因此，atg系统101可以计算该和，并将其与已有解的成本函数f进行比较，并决定放弃或继续将考虑的候选轨迹扩张到此多边形顶点(以绕过它)。
[0153]
在第五过滤实施例中，atg系统101执行与极端多边形顶点有关的过滤。从飞行器100所考虑的位置和方向的角度来看，仅考虑障碍物最右侧和最左侧的拐角以执行障碍物的绕过。多边形的其他顶点可以从轨迹扩张搜索中排除。应注意，如果垂直轨迹轮廓使飞行器100爬升，并且在爬升期间所考虑的障碍物的一部分被跨越(具有垂直裕量vm)，则atg系统101仅考虑由第二滤波实施例清除的边的极端顶点，而不是完整多边形的极端顶点。还应注意，通过将飞行器100的轨迹(以及因此飞行器100必须执行的转弯)和横向裕量lm而不仅仅是飞行器100所考虑位置的视线纳入考虑，来计算极端顶点。atg系统101通过仅考虑飞行器100和考虑的多边形来确定两个极端顶点。接下来，如果另一障碍物位于路径上，这意味着必须首先绕过该另一障碍物，并且必须首先考虑该另一障碍物的两个极端顶点。
[0154]
在特定实施例中，atg系统101在轨迹计算中考虑气象障碍物的动力学性质。因此，代表这些气象障碍物的多边形的有效位置可随时间而变化。为了解决这一方面，pdwdb数据库204的多边形与通过分析雷达图像并与气象模型进行比较而获得的移动速度vobst和移
动方向dobst相关联。当顶点的移动方向指向多边形的内部时，在最初计算之后到达该顶点周围的第三圆是没有问题的。事实上，在这种情况下，障碍物距离飞行器100的距离比最初考虑的要远，并且因此该轨迹仍然是可飞行的。相反，如果顶点的移动方向指向多边形的外侧(相对于相关顶点)，则存在到达该顶点周围的第三圆的时间晚于最初计算的风险，这导致飞行器100与气象障碍物的碰撞。在考虑动态障碍物时，只要标识目标点是可能的，前面给出的计算就仍然有效：目标点是飞行器100和障碍物的目标顶点同时到达的点。在不考虑飞行器100到达顶点之前的转弯，也不考虑后续扩张期间离开多边形顶点的转弯的情况下执行该计算。因此，通过考虑飞行器100在直线上移动来执行计算。由于实际上通常在扩张的开始处有转弯，因此在顶点的移动方向指向多边形外部的情况下引入裕量。为了解决这种情况，当atg系统101注意到顶点相对于相关顶点的移动方向指向多边形外部时，atg系统101通过在移动方向d
obst
上将所述顶点移动一段距离lext来调整所述顶点的位置。距离lext代表在(以直线)计算的到达顶点的时间t0与到达顶点的实际最大时间t
max
之间的时段δt期间障碍物的估计移动。时段δt被定义如下：
[0155][0156]
其中d
max
表示所考虑的轨迹部分的最大距离(实际距离的最大值，也就是说，通过包括转弯)，而de表示通过计算到达时间t0考虑的欧几里得距离。
[0157]
以上公式导致如下计算距离lext：
[0158][0159]
因此，atg系统101计算距离lext，并通过在d
obst
方向上向每个顶点施加等于距离lext的偏移来扩展所考虑的多边形的尺寸，只要该偏移将所述顶点移向多边形的外部(没有向多边形的内部移动)，如图20中示意性地解说的。此外，在特定实施例中，atg系统101还将绕过相关顶点以继续搜索目的地的轨迹的需要纳入考虑。如图21中示意性解说的，该绕过最多以角度α来表征。在考虑到飞行器100的速度a_vel时，最大顶点绕过时间δtc定义为：
[0160][0161]
其中r是飞行器可以执行的转弯半径。在转弯半径r大于横向裕量lm的情况下，转弯半径r在计算中被纳入考虑。转弯半径r至少等于横向裕量lm。
[0162]
以上公式导致补充距离lextc计算如下：
[0163][0164]
其中角度α以弧度表示。角度α是已经从相关多边形顶点开始执行后续扩张时的最大转角。
[0165]
因此，atg系统101计算距离lextc，并以与之前相同的方式扩展所考虑的多边形的尺寸，此时在d
obst
方向(而不仅仅是距离lextc)上应用等于距离lextc和补充距离lextc之和的偏移。
[0166]
因此，尽管必须面对移动的障碍物，atg系统101仍能够搜索安全轨迹。
技术特征：1.一种用于生成轨迹以将飞行中的飞行器(100)从所述飞行器的当前位置(a_pos)带到具有地理参考位置的目的地(dest)的方法，所述方法由嵌入在所述飞行器中的电子电路系统的形式的自动轨迹生成系统(101)实现，所述方法包括以下步骤：-获取代表所述飞行器从所述飞行器的当前位置到所述目的地可能遇到的障碍物的多边形(1501,1502，1503，1900)，每个多边形与高度层(1601-1607)相关联，其中所述障碍物(800,1400)包括在所述多边形中；-定义相对于飞行器的当前飞行方向(a_dir)相切的两个第一圆(1401)，相对于所述飞行器的当前位置，一个以右侧为中心，另一个以左侧为中心，所述第一圆的半径是所述飞行器根据其运行状态能够执行的最小转弯半径；-定义相对于到所述目的地要遵循的方向(t_trk)相切的两个第二圆(1102)，相对于所述目的地的地理参考位置，一个以右侧为中心，另一个以左侧为中心；-定义包围所述多边形(1301)的顶点(v1-v10)的第三圆(1402，1403)，其半径等于预定横向裕量(lm)和转弯半径之间的最大值，所述飞行器在到达所述多边形的顶点时根据其速度能执行所述转弯半径；-通过观察预建立的垂直轨迹轮廓(vprof)、所述飞行器的当前飞行方向和到所述目的地要遵循的方向、以及所述多边形的预定横向裕量和预定垂直裕量(vm)，通过搜索所述圆(906)之间的切向轨迹，通过在所述顶点旁边绕过所述多边形来搜索在所述飞行器的当前位置和所述目的地之间的可飞行横向轨迹，以及，对于至少一个多边形边，所述方法包括以下步骤：-计算所述飞行器的当前位置与每个多边形边之间的距离(d)；-当所述垂直轨迹轮廓对应于爬升时，根据所述垂直轨迹轮廓，确定在已经行进了距所述边的距离减去所述横向裕量后，所述飞行器的高度是否大于所述边的高度加上所述垂直裕量，并且如果是这种情况，则从可飞行横向轨迹搜索中排除所述边；或者-当所述垂直轨迹轮廓对应于下降时，根据所述垂直轨迹轮廓，确定在已经行进了距所述边的距离加上所述横向裕量后，所述飞行器的高度是否低于所述边以下的高度层的高度加上所述垂直裕量，并且如果是这种情况，则从可飞行的横向轨迹搜索中排除所述边。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以下相继步骤：-在所有方向上按预定横向裕量(lm)扩张所述多边形(402)；-按高度层(1601-1607)合并相接触或交叠的所述多边形(403)；-在所有方向上按所述预定横向裕量缩回所述多边形(404)。3.如权利要求1和2中的一项所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：-通过观察预建立的垂直轨迹轮廓(vprof)、所述飞行器的当前飞行方向(a_dir)以及到目的地(dest)要遵循的方向(t_trk)、以及所述多边形(1501，1502，1503，1900)的预定横向裕量(lm)和预定垂直裕量(vm)，搜索一个所述第一圆和一个所述第二圆之间的切向可飞行轨迹(1103)；-当在一个所述第一圆和一个所述第二圆之间尚未找到切向可飞行轨迹时，通过绕过多边形顶点(v1-v10)，搜索从所述飞行器的当前位置(a_pos)到所述目的地的位置的所述可飞行轨迹(1106)。4.如权利要求1到3中的任一项所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
‑
通过在所述圆之间逐圆地行进来确定候选轨迹，并将所述候选轨迹存储在列表(1304，1357)中；-根据成本函数f，从所述列表(l)中选择最有希望继续的候选轨迹，所述成本函数使得：f＝g+h，其中g是行进到所述候选轨迹的当前末端的距离，且h是低估到所述目的地(dest)仍要行进的距离的路径搜索启发。5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：-当所述自动轨迹生成系统(101)已经找出到多边形(1501，1502，1503，1900)顶点v的第一安全候选轨迹p1时，保存其距离值g，表示为gv；-当所述自动轨迹生成系统找到设想以表示为gp的当前距离值g绕过所述顶点v来与它相遇的第二候选轨迹p2时，测试以下条件：gp+d
min
>gv，其中d
min
是所考虑的轨迹停止的位置与所述顶点v之间的路径长度下限；-当所述条件满足时，保存未更改的列表(l)，并且否则，在所述列表中用所述第二候选轨迹p2替换所述第一候选轨迹p1。6.如权利要求4或5所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：-当所述自动轨迹生成系统(101)已经找到到多边形(1501，1502，1503，1900)顶点的候选轨迹时，计算相关候选轨迹的所述当前值g加上从相关顶点到所述第三圆(1402，1403)的距离加上从这一第三圆到一个所述第二圆的距离之和；-如果计算出的和大于已经找到的将飞行中的所述飞行器(100)从所述当前位置(a_pos)带到所述目的地(dest)的轨迹的成本函数f的值，则放弃将所述候选轨迹扩张到所述多边形顶点。7.如权利要求1到6中的任一项所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：-仅保留根据恒定高度或由所述垂直轨迹轮廓(vprof)定义的高度区间相关的层的多边形(1501，1502，1503，1900)。8.如权利要求1到7中的任一项所述的方法，其特征在于，仅考虑障碍物(800，1400)的最右侧和最左侧的拐角以执行所述障碍物的绕过。9.如权利要求1到8中的任一项所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤，对于表示在d
obst
方向上以速度v
obst
移动的气象障碍物的至少一个多边形(1501，1502，1503，1900)：-如下计算距离l
ext
：其中d
max
表示到以相关多边形的顶点(v1-v10)为中心的所述第三圆(1402，1403)的最大距离，且d
e
表示通过计算所述顶点上的到达时间t0和所述顶点上的最大实际到达时间t
max
而考虑的欧几里德距离；-一旦与在d
obst
方向上的距离l
ext
的位移相等的移位将每个顶点从相关多边形向外位移，就通过对所述顶点施加这一移位来扩展相关多边形的尺寸。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：-如下计算距离l
extc
：其中α是所述飞行器(100)从相关多边形(1501，1502，1503，1900)的顶点(v1-v10)能执行的以弧度表示的最大转弯角度，并且r表示所述飞行器能执行的转弯半径；-一旦与所述距离lext和额外距离lext
c
之和相等的移位将所述顶点从相关多边形向外位移，就通过应用这一移位来扩展所述多边形的尺寸。11.一种用于将飞行中的飞行器(100)从所述飞行器的当前位置(a_pos)带到具有地理参考位置的目的地(dest)的自动轨迹生成系统(101)，所述系统包括配置成执行以下步骤的电子电路系统：-获取代表所述飞行器从所述飞行器的当前位置到所述目的地可能遇到的障碍物的多边形，每个多边形(1501，1502，1503，1900)与高度层(1601-1607)相关联，其中所述障碍物(800，1400)包括在所述多边形中；-定义相对于所述飞行器的当前飞行方向(a_dir)的两个第一相切圆(1401)，相对于所述飞行器当前位置，一个以右侧为中心，另一个以左侧为中心，所述第一圆的半径是所述飞行器根据其运行状态能执行的最小转弯半径；-定义相对于到目的地要遵循的方向(t_trk)相切的两个第二圆，相对于所述目的地的地理参考位置，一个以右侧为中心，另一个以左侧为中心；-定义包围所述多边形的顶点(v1-v10)的第三圆(1402，1403)，其半径等于预定横向裕量(lm)和转弯半径之间的最大值，所述飞行器在到达所述多边形的顶点时根据其速度能执行所述转弯半径；-通过观察预建立的垂直轨迹轮廓(vprof)、所述飞行器的当前飞行方向和到目的地要遵循的方向、以及多边形的预定横向裕量和预定垂直裕量(vm)，通过搜索所述圆之间的切向轨迹，通过在顶点旁边绕过所述多边形来搜索在所述飞行器的当前位置和目的地之间的可飞行横向轨迹；以及，对于至少一个多边形边，所述系统包括配置成实现以下步骤的电子电路系统：-计算所述飞行器的当前位置与每个多边形边之间的距离(d)；-当所述垂直轨迹轮廓对应于爬升时，根据所述垂直轨迹轮廓，确定在已经行进了距所述边的距离减去所述横向裕量后，所述飞行器的高度是否大于所述边的高度加上所述垂直裕量，并且如果是这种情况，则从可飞行横向轨迹搜索中排除所述边；或者-当所述垂直轨迹轮廓对应于下降时，根据所述垂直轨迹轮廓，确定在已经行进了距所述边的距离加上所述横向裕量后，所述飞行器的高度是否低于所述边以下的高度层的高度加上所述垂直裕量，并且如果是这种情况，则从可飞行的横向轨迹搜索中排除所述边。
技术总结为了将飞行中的飞行器从当前位置带到目的地，一种自动轨迹生成系统：获取代表可能遇到的障碍物的多边形，每个多边形与高度层关联；定义相对于飞行器的当前飞行方向的两个第一切向圆，相对于飞行器的当前位置，一个以右侧为中心，另一个以左侧为中心；定义相对于到目的地要遵循的方向相切的两个第二圆，相对于目的地的地理参考位置，一个以右侧为中心，另一个以左侧为中心；定义包围所述多边形的顶点的第三圆；以及通过观察预先建立的垂直轨迹轮廓以及相对于多边形的横向裕量和垂直裕量，通过在搜索所述圆之间的切向轨迹时在顶点旁边绕过多边形，来搜索飞行器的当前位置和目的地之间的可飞行横向轨迹。因此，减少了轨迹计算时间。时间。时间。
技术研发人员：T
受保护的技术使用者：空中客车运营简化股份公司
技术研发日：2022.04.29
技术公布日：2022/11/1
