(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
航空機の飛行管理システムであって、
プロセッサと、
前記プロセッサからアクセス可能なメモリであって、
前記航空機と第２の航空機との間の潜在的な管制間隔の喪失（ＬＯＳ）を識別し、
所定のパラメータを使用する第１の速さ操縦を実行することが前記潜在的なＬＯＳを回避すると予測されるかどうかを判定し、
前記第１の速さ操縦が前記潜在的なＬＯＳを回避すると予測される時に第２の速さ操縦のパラメータを判定する
ための前記プロセッサによって実行可能な命令を格納する、メモリと
を含み、
前記所定のパラメータは、前記航空機について許容される最大の速さ操縦を指定し、前記第２の速さ操縦は、前記最大の速さ操縦よりも容易である、飛行管理システム。
【請求項２】
前記第２の速さ操縦を実行するためにフライトコントロールシステムに制御信号を送るための前記プロセッサによって実行可能な命令をさらに含む、請求項１に記載の飛行管理システム。
【請求項３】
航空機の飛行管理システムであって、
プロセッサと、
前記プロセッサからアクセス可能なメモリであって、
前記航空機と第２の航空機との間の潜在的な管制間隔の喪失（ＬＯＳ）を識別し、
所定のパラメータを使用する第１の速さ操縦を実行することが前記潜在的なＬＯＳを回避すると予測されるかどうかを判定し、
前記第１の速さ操縦が前記潜在的なＬＯＳを回避すると予測される時に第２の速さ操縦のパラメータを判定し、
前記第１の速さ操縦が前記潜在的なＬＯＳを回避しないと予測される時に前記潜在的なＬＯＳを回避するための旋回を判定する
ための前記プロセッサによって実行可能な命令を格納する、メモリと
を含む飛行管理システム。
【請求項４】
航空機の飛行管理システムであって、
プロセッサと、
前記プロセッサからアクセス可能なメモリであって、
前記航空機と第２の航空機との間の潜在的な管制間隔の喪失（ＬＯＳ）を識別し、
所定のパラメータを使用する第１の速さ操縦を実行することが前記潜在的なＬＯＳを回避すると予測されるかどうかを判定し、
前記第１の速さ操縦が前記潜在的なＬＯＳを回避すると予測される時に第２の速さ操縦のパラメータを判定し、
前記第１の速さ操縦が前記潜在的なＬＯＳを回避しないと予測される時に前記潜在的なＬＯＳを回避するための高度の変更を判定する
ための前記プロセッサによって実行可能な命令を格納する、メモリと
を含む飛行管理システム。
【請求項５】
航空機の飛行管理システムであって、
プロセッサと、
前記プロセッサからアクセス可能なメモリであって、
前記航空機と第２の航空機との間の潜在的な管制間隔の喪失（ＬＯＳ）を識別し、
所定のパラメータを使用する第１の速さ操縦を実行することが前記潜在的なＬＯＳを回避すると予測されるかどうかを判定し、
前記第１の速さ操縦が前記潜在的なＬＯＳを回避すると予測される時に第２の速さ操縦のパラメータを判定する
ための前記プロセッサによって実行可能な命令を格納する、メモリと
を含み、
前記第２の速さ操縦の前記パラメータを判定することは、開始位置で始まるホールドなし減速操縦を実行することが前記潜在的なＬＯＳを回避するかどうかを判定することを含み、前記ホールドなし減速操縦は、所定の加速度が即座に続く所定の減速度を含む、飛行管理システム。
【請求項６】
前記第２の速さ操縦の前記パラメータを判定することは、前記ホールドなし減速操縦が前記潜在的なＬＯＳを回避する時に前記潜在的なＬＯＳを回避する最小の減速度を判定することをさらに含む、請求項５に記載の飛行管理システム。
【請求項７】
前記第２の速さ操縦の前記パラメータを判定することは、前記ホールドなし減速操縦が前記潜在的なＬＯＳを回避しない時に前記潜在的なＬＯＳを回避する最小のホールド時間を判定することをさらに含む、請求項５に記載の飛行管理システム。
【請求項８】
第１航空機上で、前記第１航空機と第２航空機との間の潜在的な管制間隔の喪失（ＬＯＳ）を自動的に識別することと、
所定の速さ操縦を実行することが前記ＬＯＳを回避するかどうかを判定することと、
前記所定の速さ操縦が前記潜在的なＬＯＳを回避しない時に、前記潜在的なＬＯＳを回避する非速さ操縦を判定することとを含む、方法。
【請求項９】
前記所定の速さ操縦が前記ＬＯＳを回避する時に、前記潜在的なＬＯＳを回避するために速さ操縦のパラメータを自動的に判定することと、前記パラメータに従って前記速さ操縦を実行することとを含み、
前記速さ操縦の前記パラメータを判定することは、ホールド時間を判定することを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記所定の速さ操縦が前記ＬＯＳを回避する時に、前記潜在的なＬＯＳを回避するために速さ操縦のパラメータを自動的に判定することと、前記パラメータに従って前記速さ操縦を実行することとを含み、
前記速さ操縦の前記パラメータを判定することは、減速の量を判定することを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
第１航空機上で、前記第１航空機と第２航空機との間の潜在的な管制間隔の喪失（ＬＯＳ）を自動的に識別することと、
前記潜在的なＬＯＳを回避するために速さ操縦のパラメータを自動的に判定することと、
前記パラメータに従って前記速さ操縦を実行することと
を含み、
前記速さ操縦を実行することは、前記パラメータのうちの少なくとも１つに基づいて第１の速さから第２の速さに減速することと、前記パラメータのうちの少なくとも１つに基づいてある期間にわたって前記第２の速さを維持することと、前記期間の後に前記第１の速さまで加速することとを含む、方法。
【請求項１２】
前記速さ操縦を実行することは、前記速さ操縦を実行している間に慣性進路を維持することを含む、請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権の主張
本願は、２００９年１１月１３日に出願した米国特許出願第１２／６１７，８２２号の一部継続出願であり、その優先権を主張するものである。
【０００２】
本開示は、全般的には航空機の間の管制間隔の喪失（ｌｏｓｓ  ｏｆ  ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ）を回避するために操縦を実行するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
航空機の間の管制間隔の喪失は、航空機の間の指定された管制間隔要件が破られる時に必ず、発生する可能性がある。空域の最小管制間隔基準は、ＦＡＡ（連邦航空局）基準に基づいてエアトラフィックサービス（ＡＴＳ）当局によって指定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願第１２／６１７，８２２号
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｂｒｏｎｓｈｔｅｉｎ他、「Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
潜在的な管制間隔の喪失（ＬＯＳ）が検出される時に、そのＬＯＳに、人間の介入によって対処することができる。たとえば、管制官は、管制間隔の喪失を予測することができ、ＬＯＳを回避するためにビークルのうちの１つまたは複数に命令を与えることができる。しかし、無人航空機のデータリンクが故障した時に、管制官とリモートパイロットとの両方が、オンボード機能が他の航空機を回避できるようにすることができない。
【０００７】
別の例では、航空機衝突防止装置（ＴＣＡＳ）は、不安全な管制間隔を予測することができ、警告または高度を変更するためのビークルコントローラへの回避命令のいずれかを生成することができる。航空交通ルールは、無人システムが無人航空機の管制間隔について高度変更を許さないことを示す。たとえば、ＦＡＡ  ＣＦＲ  ９１．１１３  （ｂ）は、「Ｗｈｅｎ  ａ  ｒｕｌｅ  ｏｆ  ｔｈｉｓ  ｓｅｃｔｉｏｎ  ｇｉｖｅｓ  ａｎｏｔｈｅｒ  ａｉｒｃｒａｆｔ  ｔｈｅ  ｒｉｇｈｔ−ｏｆ−ｗａｙ，  ｔｈｅ  ｐｉｌｏｔ  ｓｈａｌｌ  ｇｉｖｅ  ｗａｙ  ｔｏ  ｔｈａｔ  ａｉｒｃｒａｆｔ  ａｎｄ  ｍａｙ  ｎｏｔ  ｐａｓｓ  ｏｖｅｒ，  ｕｎｄｅｒ，  ｏｒ  ａｈｅａｄ  ｏｆ  ｉｔ  ｕｎｌｅｓｓ  ｗｅｌｌ  ｃｌｅａｒ．（このセクションのルールが別の航空機に進路権を与える時には、パイロットは、その航空機に進路を譲らなければならず、非常にはっきり見える場合を除いて、その航空機の下、上、または前を通過してはならない。）」と述べている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本明細書で開示されるシステムおよび方法は、航空機上での管制間隔の喪失回避能力を提供することができる。たとえば、感知および回避システム（ｓｅｎｓｅ  ａｎｄ  ａｖｏｉｄ  ｓｙｓｔｅｍ）などの制御システムを、航空機に一体化することができる。この制御システムは、潜在的な管制間隔の喪失状態を識別でき、管制間隔の喪失を回避するために操縦を実行することができる。この制御システムは、潜在的な管制間隔の喪失を回避するために特定のタイプの操縦を実行できるかどうかを判定するために、所定のパラメータを使用して初期テストを実行することができる。特定のタイプの操縦が管制間隔の喪失を回避できる可能性があることを判定した後に、この制御システムは、やはり管制間隔の喪失を回避する、特定のタイプの過酷度の低い操縦を見つけることを試みることができる。そのような制御システムは、無人航空機が、管制間隔の喪失に関する飛行安全ルールに違反せずに領空域を飛ぶことを可能にすることができる。
【０００９】
特定の実施形態は、航空機のフライトコントロールシステムを含む。フライトコントロールシステムは、プロセッサと、プロセッサからアクセス可能なメモリとを含むことができる。メモリは、当該航空機と第２の航空機との間の潜在的な管制間隔の喪失（ＬＯＳ）を識別するためにプロセッサによって実行可能な命令を格納することができる。命令は、所定のパラメータを使用する第１の速さ操縦を実行することが潜在的なＬＯＳを回避すると予測されるかどうかを判定するためにプロセッサによってさらに実行可能とすることができる。命令は、第１の速さ操縦が潜在的なＬＯＳを回避すると予測される時に第２の速さ操縦のパラメータを判定するためにプロセッサによってさらに実行可能とすることができる。潜在的なＬＯＳは、当該航空機と第２の航空機との飛行ベクトルを外挿することによって識別される。所定のパラメータは、最大減速度および最小ホールド持続時間のうちの少なくとも１つを含む。
【００１０】
特定の実施形態では、方法は、第１航空機上で、第１航空機と第２航空機との間の潜在的な管制間隔の喪失（ＬＯＳ）を自動的に識別することを含むことができる。この方法は、潜在的なＬＯＳを回避するために速さ操縦のパラメータを判定することをも含むことができる。この方法は、パラメータに従って速さ操縦を実行することをさらに含むことができる。上記パラメータは、減速度およびホールド時間のうちの少なくとも１つを含むことができる。所定の速さ操縦がＬＯＳを回避する時に、速さ操縦のパラメータを判定することができる。
【００１１】
特定の実施形態では、当該航空機と第２の航空機との間の潜在的な管制間隔の喪失（ＬＯＳ）に応答してその航空機に操縦を実行させる感知および回避システムを含むことができる。この感知および回避システムは、所定のパラメータを使用する第１の速さ操縦を実行することが潜在的なＬＯＳを回避するかどうかを判定することによって操縦を実行することができる。第１の速さ操縦を実行することがＬＯＳを回避する時には、感知および回避システムは、潜在的なＬＯＳを回避するための第２の速さ操縦のパラメータを判定することができる。第２の速さ操縦を、判定されたパラメータに従って実行することができる。
【００１２】
説明した特徴、機能、および利益を、さまざまな実施形態で独立に達成することができ、あるいは、他の実施形態で組み合わせることができ、そのさらなる詳細が、次の説明および図面を参照して開示される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】回避操縦システム（ａｖｏｉｄａｎｃｅ  ｍａｎｅｕｖｅｒｉｎｇ  ｓｙｓｔｅｍ）を含む航空機を示すブロック図である。
【図２】特定の実施形態での横操縦モデルの制御変数を示す図である。
【図３】横回避操縦を解く方法の特定の実施形態を示す流れ図である。
【図４】横操縦解がない潜在的なケースを示す図である。
【図５Ａ】平行航程が最接近点（ＣＰＡ）計算に含まれる時の逸脱時間の関数を示す概念的なグラフである。
【図５Ｂ】平行航程が最接近点（ＣＰＡ）計算に含まれない時の逸脱時間の関数を示す概念的なグラフである。
【図６】最小持続時間の平行航程（すなわち、平行航程なし）がＬＯＳをもたらさない潜在的なケースを示す図である。
【図７】フォールスポジション（ｆａｌｓｅ−ｐｏｓｉｔｉｏｎ）検索法の特定の実施形態を示す流れ図である。
【図８】最接近点（ＣＰＡ）を判定する方法の特定の実施形態を示す流れ図である。
【図９】特定の実施形態で旋回を判定するのに使用される成分を示す図である。
【図１０】特定の実施形態で旋回を判定するのに使用される成分を示す図である。
【図１１】特定の実施形態で速さの変更に対応する慣性進路の変更を示す図である。
【図１２】飛行経路を判定する方法の特定の実施形態を示す流れ図である。
【図１３】速さ回避操縦を解く方法の特定の実施形態を示す流れ図である。
【図１４】感知および回避システムを含む航空機を示すブロック図である。
【図１５】速さ回避操縦を実行する方法の特定の実施形態を示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
管制間隔の喪失を回避するために、各航空機の飛行経路を記述する変数（たとえば、機首方位、速さ、高度、その他）など、多数の変数を考慮することができる。時宜を得た効率的な形で（すなわち、いずれかの航空機が過剰な燃料を費やすことも不必要な操縦を実行することもなく、両方の航空機が期待される到着時刻のできる限り近くにその目的地に到着することを可能にする形で）管制間隔の喪失を回避することが望ましい可能性がある。効率および時宜のよさが考慮される時に、管制間隔の喪失の回避は、さらにより複雑な多変量問題になる可能性がある。本明細書で開示される実施形態は、この複雑な多変量問題をより効率的な一連の単一変数問題に分解する。たとえば、この問題を、１つまたは複数の標準的な零発見問題としてモデル化することができ、「フォールスポジション」問題（挟みうち法）を使用して、副問題を解くことができる。本明細書で開示される問題の分解は、優れた処理時間を提供することができ、航空機上でのリアルタイム処理によく適する可能性がある。
【００１５】
本明細書で開示される特定の実施形態は、不必要な煩わしい操縦を実行せずに管制間隔の喪失状態を回避することができる。たとえば、管制間隔の喪失が将来の時点に発生するかどうかを判定するために、各航空機が将来のその時点にどこにあるのかの予測を行うことができる。既知の制御の下の第１の航空機（たとえば、本明細書で「オウンシップ」とも呼ばれる、管制間隔の喪失判定がオンボードで行われる航空機）が将来の時点でどこにあるのかの予測は、不確実性の対象である場合がある。たとえば、気象（たとえば、変化する横風または突風）などの外部状態が、予測にある不確実性を与える場合がある。未知のまたは独立の制御の下の航空機（本明細書では、「侵入機」とも呼ばれる）が将来の時点にどこにあるのかの予測は、さらにより多くの不確実性の対象になる可能性がある。たとえば、侵入機の経路が、その意図が未知である可能性があるパイロットの自由裁量での変更の対象である場合がある。さらに、オウンシップが不必要な操縦を実行することは、望ましくない可能性がある。たとえば、不必要な操縦の実行は、操縦がオウンシップに見かけの上では誤ったまたは予測不能な形で振る舞わせる可能性があるので、リモートパイロットに煩わしいと考えられる場合があり、燃料を浪費する可能性があり、遅れを引き起こす可能性があり、安全性問題を引き起こす可能性がある。不必要な操縦を実行する尤度または頻度を下げるために、操縦を、管制間隔の喪失が発生すると予測される時刻のできる限り近くに実行することができる。この形で操縦の実行を延期することは、操縦を回避できまたは変更できるようにするために、予測のいくつかの不確実性を解決することを可能にする場合がある。
【００１６】
特定の実施形態は、速度低下操縦システムを含む。速度低下操縦システムは、オウンシップの速さを変更することによって管制間隔の喪失を回避することができる。特定の実施形態では、速度低下操縦システムは、ＴＣＡＳまたは横操縦システムなどの他の回避操縦生成システムを置換するのではなく補足することができる。たとえば、速度低下操縦システムを、他の回避操縦生成システムと一体化し、またはこれに結合することができる。例示のために、速度低下操縦システムを、他の感知および回避システムに結合することができ、この２つのシステムは、異なる状況について適切な回避操縦を提供するために競争することができる。ＴＣＡＳは、管制間隔を提供するために高度変更を使用することができる。横操縦システムは、管制間隔を提供するために方向変更を使用することができる。速度低下操縦システムは、速さ変更を使用して管制間隔を提供する。いくつかの状況で、速さ操縦は、管制間隔の喪失を回避するのに十分ではない場合があり、その場合には、ＴＣＡＳシステムが、管制間隔の喪失を回避するために高度の変更操縦を提供することができ、あるいは、横操縦システムが、管制間隔の喪失を回避するために方向変更を提供することができる。
【００１７】
横操縦システムは、地面基準旋回（ｇｒｏｕｎｄ  ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  ｔｕｒｎ）ではなく慣性基準旋回（ｉｎｅｒｔｉａｌ  ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｄ  ｔｕｒｎ）を作成するために風ベクトルを利用することができる。慣性基準旋回を使用することは、指令された経路または飛行経路に従うフライトコントローラの能力を改善することができる。たとえば、地面基準旋回を、所望の地上航跡に従うためにバンク角を変更することによって実行することができる。風および旋回半径に応じて、バンク角が、航空機の実行能力の外になる場合がある。したがって、航空機は、地面基準旋回に従うことができない場合があり、これは、管制間隔の喪失につながる可能性がある。
【００１８】
次の用語が、本明細書で使用される。これらの用語は、限定であることを意図されているのではなく、単に、管制間隔の喪失を回避する開示されるシステムおよび方法の説明を単純にするために使用される。
【００１９】
オウンシップ  管制間隔の喪失を回避するために操縦を実行しなければならないビークル（たとえば、航空機）を指す。すなわち、オウンシップは、第２のビークルに進路権を与えつつあるビークルである。特定の実施形態では、オウンシップは、オウンシップ上での自動化された管制間隔の喪失回避を可能にする、管制間隔の喪失を回避するためのオンボードシステムをホスティングすることができる。
【００２０】
侵入機  オウンシップが回避しつつあるビークルを指す。
【００２１】
衝突  所望のミスディスタンスＳに基づくオウンシップと侵入機との間の予測された管制間隔の喪失（ＬＯＳ）を指す。
【００２２】
管制間隔領域  所望のミスディスタンスＳの半分である半径を有する円形の領域を指す。
【００２３】
ＣＰＡ（最接近点）  オウンシップと侵入機との間の距離がその最小値である位置を指す。ＣＰＡを、場所、距離、時間、またはその任意の組合せとして指定することができる。ＣＰＡは、管制間隔の喪失の後に発生する可能性がある。
【００２４】
解決  実行された場合に、所望のミスディスタンスを維持させる操縦を指す。
【００２５】
操縦開始時刻（または逸脱時刻）  解決を実施するために操縦が実行を開始する時点を指す。例示のために、ビークルは、解決を実行し始めるまでは、その現在の意図を変更しない（すなわち、逸脱しない）。解決が実行され始める時刻が、操縦開始時刻である。
【００２６】
不必要な操縦  管制間隔の喪失を回避するために要求されるのではない（たとえば、管制間隔の喪失をずれなしで回避できた時）オウンシップによって実行される操縦（すなわち、オウンシップの割り当てられた速さまたは経路からのずれ）を指す。
【００２７】
下で開示される式は、２次元デカルト座標系を使用し、この２次元デカルト座標系は、オウンシップと侵入機との両方に共通する局所接平面である。オウンシップおよび侵入機の飛行経路が、十分な垂直管制間隔がない期間にわたって共通の座標系に射影されると仮定する。ＦＡＡ進路権ルールは、ビークルが降下または上昇しつつある時の特殊な命令を含み、感知および回避システム内のより高いレベルの機能は、降下ルールおよび上昇ルールに従うプロセスを呼び出すべき時を判定することができる。したがって、いくつかの実施形態（たとえば、ＴＣＡＳを含む実施形態）で高度変更を使用することができるが、高度変更操縦の判定は、詳細には説明されない。
【００２８】
図１は、回避操縦システム１２８を含む航空機１００のブロック図である。特定の実施形態では、航空機１００を、無人航空機（ＵＡＶ）とすることができる。回避操縦システム（ＡＭＳ）１２８は、速さ回避操縦システム、横回避操縦システム、その両方を含むことができる。
【００２９】
航空機１００は、飛行管理システム（ＦＭＳ）１０２をも含むことができる。ＦＭＳ  １０２は、空対空通信システム１０４、空対地通信システム１０６、受動トラフィックセンサ１０８（たとえば、カメラまたは光センサ）、能動トラフィックセンサ１１０（たとえば、レーダー）、またはその任意の組合せを介して情報を受信することができる。空対空通信システム１０４は、Ａｕｔｏｍａｔｉｃ  Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ  Ｓｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅ  −  Ｂｒｏａｄｃａｓｔ（ＡＤＳ−Ｂ）システム１１８を含むことができる。ＡＤＳ−Ｂ  １１８は、航空機の位置およびおそらく他の情報を地上局または他の航空機に周期的にまたは時折ブロードキャストすることができる。空対空通信システム１０４は、航空機衝突防止装置（ＴＣＡＳ）１２２をも含むことができる。ＴＣＡＳ  １２２は、不安全な管制間隔を予測することができ、警告または航空機１００の高度を変更するための回避命令のいずれかを生成することができる。
【００３０】
ＦＭＳ  １０２は、航空機１００の状態に関する情報をビークル状態データ１１４として受け取ることができる。ビークル状態データ１１４は、航空機１００の位置、航空機１００の速さ、航空機１００の機首方位または進路、航空機１００の高度、航空機１００上のシステムに関する情報、またはその任意の組合せなどの情報を含むことができる。ＦＭＳ  １０２は、空対空通信システム１０４、受動トラフィックセンサ１０８、能動トラフィックセンサ１１０、空対地通信システム１０６、ビークル状態データ１１４、またはその任意の組合せから受け取った情報を使用して、航空機１００のフライトコントロール１１２に送るべきコマンドを判定することができる。たとえば、ＦＭＳ  １０２が、潜在的な管制間隔の喪失を検出する時に、ＦＭＳ  １０２は、回避操縦（たとえば、速さ回避操縦または横回避操縦）を実行するコマンドを判定することができ、そのコマンドをフライトコントロール１１２に送ることができる。
【００３１】
ＦＭＳ  １０２は、データ融合マネージャ１１６を含むことができる。データ融合マネージャ１１６は、ビークル状態データ１１４、センサ１０８および１１０からのデータ、ならびに空対空通信システム１０４からのデータを受け取ることができる。データ融合マネージャ１１６は、データを処理して、航空機１００に対応するデータのセットと侵入機に対応するデータのセットとを生成することができる。すなわち、データ融合マネージャ１１６は、オウンシップの状態を表す状態データの第１セットと、侵入機の状態を表す状態データの第２セットとを出力することができる。状態データの第１セットおよび第２セットを、回避マネージャ１２４に供給することができる。
【００３２】
回避マネージャ１２４は、状態データを処理して、潜在的な管制間隔の喪失を識別することができる。潜在的な管制間隔の喪失が識別される時に、回避マネージャ１２４は、ＡＭＳ  １２８を使用して、管制間隔の喪失を回避するために実行できる操縦を判定することができる。その操縦を実行すべき時刻に達する時に、回避マネージャ１２４は、回避コマンドを代理パイロット（ｓｕｒｒｏｇａｔｅ  ｐｉｌｏｔ）１２６に送ることができる。特定の実施形態では、回避マネージャ１２４は、ＡＭＳ  １２８を実施するためにソフトウェアを実行するコンピュータシステムである。別の特定の実施形態では、回避マネージャ１２４は、ＡＭＳ  １２８を実施するように適合された、特定用途向け集積回路などの回路網または他のハードウェアを含む。
【００３３】
ＡＭＳ  １２８は、横回避操縦システム（ＬＡＭＳ）、速さ回避操縦システム（ＳＡＭＳ）、またはその両方を含むことができる。ＡＭＳ  １２８は、少なくとも２つのモードで動作することができる。たとえば、第１のモードでは、回避コマンドを、ＡＭＳ  １２８から代理パイロット１２６を介してフライトディレクタ／オートパイロット１３０に送ることができる。フライトディレクタ／オートパイロット１３０は、管制間隔の喪失を回避する操縦を航空機１００に実行させる命令をフライトコンピュータ１３２に発行することができる。したがって、第１のモードでは、航空機１００は、予測された管制間隔の喪失を回避するために操縦を自動的に（すなわち、人間の介入なしで）実行することができる。
【００３４】
第２のモードでは、ＡＭＳ  １２８は、操縦を実施しなければならないことをリモートパイロット（たとえば、遠隔制御によってビークルを飛行させつつある地上のパイロット）に助言するためにメッセージを送信することができる。リモートパイロットは、その操縦を受け入れ、または拒否することができるものとすることができる。第２のモードでは、ＡＭＳ  １２８は、操縦情報を代理パイロット１２６に送ることができる。代理パイロット１２６は、空対地通信システム１０６のリモートパイロットデータリンク１３４を介してリモートパイロットに操縦情報を送信することができる。その後、代理パイロット１２６は、リモートパイロットデータリンク１３４を介してリモートパイロットから操縦の受入または拒否を示すメッセージを受信することができる。リモートパイロットが操縦を受け入れる場合には、操縦情報を実行のためにフライトディレクタ／オートパイロット１３０に転送することができる。リモートパイロットが操縦を拒否する場合には、操縦情報をフライトディレクタ／オートパイロット１３０に転送しないものとすることができる。操縦の受入または拒否を示すメッセージが受信されない場合には、操縦情報を実行のためにフライトディレクタ／オートパイロット１３０に送ることができ、あるいは、操縦情報をリモートパイロットに送信するもう１つの試みを行うことができる。したがって、第２のモードでは、航空機１００は、操縦がリモートパイロットによって拒否されない時に、予測された管制間隔の喪失を回避するために操縦を自動的に実行することができる。すなわち、操縦を、人間がその操縦をオーバーライドするために介入しない時に自動的に実行することができる。特定の実施形態では、ＡＭＳ  １２８は、ＵＡＶとすることができる航空機１００が１つまたは複数の他の航空機との管制間隔の喪失を回避することを可能にする。
【００３５】
横操縦
図２を参照すると、航空機１００の横操縦モデルが示されている。図２の横操縦モデルは、管制間隔の喪失を回避するための横操縦を判定するために図１のＡＭＳ  １２８によって実行できる計算を示す。図２の横操縦モデルは、８つの点によって接続された７つの線分を含む。たとえば、線分は、４つの弧または旋回２０５〜２０８と３つの直線航程２０２〜２０４とを含む。各弧は、同一の旋回半径を使用することができる。たとえば、旋回半径を、航空機１００の所望のバンク角および対気速度に基づいて決定することができる。旋回半径２０９すなわちｒを、ｒ＝Ｖ２／（ｇ＊ｔａｎ（Φ））として計算することができ、ここで、ｒ＝メートル単位の旋回半径２０９、Ｖ＝メートル／秒単位の対気速度、ｇ＝メートル／秒２単位の重力、Φ＝ラジアン単位の所望のバンク角であり、記号＊は乗算を表す。
【００３６】
制御変数のセットを使用して、横操縦を生成しまたは定義することができる。たとえば、横操縦の制御変数は、［θａ，θｃ，ｍ，ｐ，ｑ，ｄ］を含むことができ、ここで、θａは、第１旋回２０５および第２旋回２０６の持続時間または角度値（たとえば、ラジアン単位または度単位）であり、θｃは、第３旋回２０７および第４旋回２０８の持続時間または角度値であり、ｍは、第１航程２０２の慣性長（たとえば、メートル単位）であり、ｐは、第２航程２０３の慣性長（たとえば、メートル単位）であり、ｑは、初期位置からの逸脱時間（たとえば、秒単位）であり、ｄまたはｄｂａｎｋは、初期バンク方向（たとえば、左または右）である。
【００３７】
特定の実施形態では、第１および第２旋回２０５および２０６は、同一の持続時間を有し、その結果、第２航程２０３は、最初の経路またはベクトル２０１に平行になる。さらに、第３および第４の旋回を、同一の持続時間を有するものとすることができる。最後の航程２０４は、操縦が最初のベクトル２０１と交差するようにセットされる、従属値とすることができる。すなわち、最後の航程２０４の長さを、第４旋回２０８が実行された後に航空機１００がもう一度最初の経路２０１に沿って飛んでいるようになるように選択することができる。
【００３８】
制御変数の範囲を、順方向の運動だけが発生するように確立することができる。開始時刻を、管制間隔の喪失の予測された時刻までに制限することができる。制御変数または他のパラメータに関する他の制限を、構成可能とすることができる。特定の実施形態では、次の制限を制御変数に課すことができる。θａは、［０，９０］度対地進路（ｇｒｏｕｎｄ  ｃｏｕｒｓｅ）変更の範囲を有することができ、θｃは、［０，９０］度対地進路変更の範囲を有することができ、ｍは、［０，Ｍ］メートルの範囲を有することができ、Ｍは、構成可能な最大オフパス（ｏｆｆ−ｐａｔｈ）距離（すなわち、最初の経路２０１と第２航程２０３との間の最大横距離）であり、ｐは、［０，Ｐ］メートルの範囲を有することができ、Ｐは、構成可能な最大通過距離であり、ｑは、［０，Ｌ］秒の範囲を有することができ、Ｌは、管制間隔の喪失の時刻であり、ｄｂａｎｋは、−１または＋１の値を有することができる（−１は、左バンクに対応し、＋１は、右バンクに対応する）。バンク方向ｄｂａｎｋは、事前に決定され、制御変数として除去されるものとすることができ、これは、ＦＡＡ進路権ルールのいくつかの遵守を容易にすることができる。たとえば、バンク方向ｄｂａｎｋを、右旋回だけを許容するように事前に決定することができる。
【００３９】
制御変数［θａ，θｃ，ｍ，ｐ，ｑ，ｄｂａｎｋ］を使用して、図２に示された横操縦を定義する飛行経路を生成することができる。たとえば、標準的な運動方程式を使用することができる。本開示を単純にするために、飛行経路を決定するための詳細な計算を、下の飛行経路計算セクションで提供する。飛行経路を計算するのに使用できる式の要約（制御変数および航空機１００の初期位置Ｐ、風ベクトル
0005933244.tif 000002
、慣性速さｓ、慣性進路ｉ、ならびに旋回半径ｒを与えられて）を、表１で提供する。ラジアンを使用して、表１の計算を実行することができるが、読者の便宜のために、度が示されている。表１の旋回中心計算の符号の相違は、まず右に旋回すること、左に２回旋回すること、およびもう一度右に旋回すること（すなわち、図２の旋回２０５〜２０８）に対応する。これらの計算は、最初の旋回が左である時に異なる符号を有するはずである。
【００４０】
【表１】
0005933244.tif 000003
【００４１】
第３航程２０４の持続時間を、第３旋回２０７の出口位置に依存するものとすることができる。第３航程２０４の持続時間を、操縦の終りに航空機１００が最初のベクトル２０１にインターセプトし、これに戻るようにするために決定することができる。インターセプトは、飛行経路計算セクションの「風内での標的ベクトルとのインターセプト」という題名の部分で説明されているように計算することができる。θｃの所与の値を使用する時には、第３旋回２０７と第４旋回２０８との両方を行うのに十分な余地がない場合がある。たとえば、第４旋回２０８の終りが、最初のベクトル２０１を「オーバーシュート」する可能性がある。この場合には、方法「平行ベクトルとのインターセプトを見つける」（やはり飛行経路計算セクションで説明される）を使用して、インターセプトを見つけることができる。
【００４２】
特定の実施形態では、図１のＡＭＳ  １２８は、２つのベクトルの最接近点（ＣＰＡ）の時刻ｔをも計算する。たとえば、ＡＭＳ  １２８は、次の式を使用することができ
【００４３】
【数１】
0005933244.tif 000004
ここで、ｘ１は、オウンシップ（たとえば、図２の航空機１００）の初期ｘ位置（たとえば、ｘ−ｙ平面内のｘ座標）であり、ｙ１は、オウンシップの初期ｙ（たとえば、ｘ−ｙ平面内のｙ座標）位置であり、ｖｘ１は、オウンシップの初期ｘ速度であり、ｖｙ１は、オウンシップの初期ｙ速度であり、ｘ２は、侵入機（図２には図示せず）の初期ｘ位置であり、ｙ２は、侵入機の初期ｙ位置であり、ｖｘ２は、侵入機の初期ｘ速度であり、ｖｙ２は、侵入機の初期ｙ速度である。
【００４４】
ＣＰＡの時刻ｔは、ＣＰＡが既に発生済みである（たとえば、ＣＰＡが過去にあり、オウンシップおよび侵入機が管制間隔を得つつある）時に、負になる。この場合には、初期位置での距離を、ＣＰＡと解釈することができる。有限の時間ベクトル（たとえば、旋回を通るオウンシップの経路を近似するのに使用されるベクトル）について、時刻ｔは、そのベクトルの終点の後（たとえば、ベクトルが、旋回を通るオウンシップの経路を近似するのに使用され終えた後）に発生し得る。この場合に、最短持続時間が、ＣＰＡの時刻を見つけるのに使用される。そうでない場合に、上の式で判定された時刻ｔを、ＣＰＡの時刻を定義するのに使用することができる。
【００４５】
オウンシップおよび侵入機の位置を、ＣＰＡまで外挿することができ、オウンシップと侵入機との間の距離を、ＣＰＡで計算することができる。計算された距離は、オウンシップと侵入機との間で発生すると期待される最も近い距離である。計算された距離が所望の管制間隔距離Ｓより短い場合には、管制間隔の喪失（ＬＯＳ）が発生すると予測される。
【００４６】
一連の旋回および航程のＣＰＡを計算する時には、上の手順を繰り返すことができ、最短距離を見つけることができる。検索時間枠を使用して、計算を実施することができる。たとえば、検索は、異なる時間枠を使用して実行され、各検索は、検索枠の開始時刻から検索枠の終了時刻まで計算を実行することができる。
【００４７】
侵入機に対する相対的な操縦のＣＰＡを計算するために、横操縦を使用して、旋回（たとえば、図２の旋回２０５〜２０８）を通る一連の線形近似を作成することができる。たとえば、飛行経路計算セクションの式（３）〜（１０）を使用して、旋回を通ってステップすることができる。連続する点および１つのステップ時間（すなわち、各ステップの持続時間）を使用して、対地ベクトル（ｇｒｏｕｎｄ  ｖｅｃｔｏｒ）を作成することができる。この方法の近似誤差は、ステップのサイズに正比例する可能性がある。たとえば、誤差を、ｒ＊［１−ｃｏｓ（θ／２）］とすることができ、ここで、ｒは、半径であり、θは、ステップ角度値である。対応する対地枠誤差（ｇｒｏｕｎｄ  ｆｒａｍｅ  ｅｒｒｏｒ）が、風に伴って増加する可能性がある。対地ベクトルのシーケンスを使用して、上で説明したＣＰＡ計算技法を使用して横操縦と侵入機の対地ベクトルとの間の最小距離を見つけることができる。
【００４８】
したがって、図１のＡＭＳ  １２８は、複数の変数によって制約された最適化問題をより効率的な一連の単一変数問題にばらばらにする分解を使用することができる。たとえば、制御変数のセットを、検索が特定の制御変数について実行される間に一定にホールドすることができる。各検索を、標準的な零／根発見問題として行うことができる。フォールスポジション法を使用して、標準的な零／根発見問題を解くことができる。フォールスポジション法は、問題が有界である場合に収束し、したがって、問題分解は、検索に関する界を作成するように設計された。この文脈で、「有界」は、単一変数関数ｆ（ｘ）とｘの２つの初期値ｘ０およびｘ１とについて、解ｆ（ｘ０）および解ｆ（ｘ１）が反対の極性を有することを意味する。すなわち、ｆ（ｘ）は、ｆ（ｘ０）とｆ（ｘ１）との間で０値を有する。上で説明したプロセスの関数ｆ（ｘ）は、最小ＣＰＡ距離から所望のミスディスタンスＳを引いたものである。この関数は、最小ＣＰＡ距離と所望のミスディスタンスとが等しい時に０であり、余分な管制距離がある時（すなわち、最小ＣＰＡ距離が所望のミスディスタンスより大きい時）に正であり、ＬＯＳがある時（すなわち、最小ＣＰＡ距離が所望のミスディスタンスより小さい時）に負である。
【００４９】
上で説明した計算を、θａと等しくなるようにθｃをセットすることによって単純化することができる。さらなる単純化を、横操縦の初期旋回として特定の方向の旋回だけを使用することによって達成することができる。たとえば、初期旋回を右旋回に制約することができる。θａと等しくなるようにθｃをセットし、初期旋回が特定の方向であることを要求することは、制御変数の個数を４つに減らす（θａ、ｍ、ｐ、ｑ）。計算を実行するためには、θａまたはｍの一方（両方ではなく）が必要である。したがって、３つのフォールスポジション検索だけを実行して、完全な操縦を見つけることができる。初期テストを使用して、横操縦の制約を判定することができる。たとえば、初期テストで、図２の第１および第２の旋回２０５および２０６の角距離に、最大値（たとえば９０°）をセットすることができ、第１航程２０２の長さまたは持続時間に、最小値（０メートル）をセットすることができる。初期テストは、それでもＬＯＳがあるまたはないのいずれかを見つける。初期テストでＬＯＳがない時には、第１航程２０２を延ばすことが、ＬＯＳを回避するために必要ではない余分な管制間隔距離をもたらすだけなので、第１航程２０２の長さを延ばす理由がない可能性がある。したがって、第１航程２０２を、初期テストに使用される最小値に制約することができる。この場合に、第１および第２の旋回２０５および２０６の角距離を、移動される距離を減らすために最大値未満に（たとえば、９０°未満に）減らすことができる。初期テストでＬＯＳがある時には、第１および第２の旋回２０５および２０６の角距離を、最大値（たとえば、９０°）のままにすることができ、θａの検索は、不要である。この場合に、第１航程２０２の長さを増やして、管制間隔を達成する（すなわち、ＬＯＳを回避する）ことができる。したがって、ｍの検索を実行することができる。
【００５０】
図３は、横回避操縦を解く方法の特定の実施形態の流れ図である。図３では、フォールスポジション検索が、３１４、３１６、３１８、および３２４で行われる。管制間隔距離Ｓ未満の最接近点（ＣＰＡ）が識別される時に、３０２で、ＬＯＳを予測する。３０４で、検索を準備する。検索の準備は、次のように変数をセットすることを含むことができる。
【００５１】
【表２】
0005933244.tif 000005
【００５２】
各変数の最大値および最小値は、たとえばミッション仕様に基づいて、オウンシップの特性に基づいて、または他の判断基準に基づいて、事前に決定することができる。特定の実施形態では、ｑの最小値を０とすることができ（すなわち、ｑｍｉｎ＝０秒）、θａの最大値を９０度とすることができる（すなわちθａ，ｍａｘ＝９０度）。これらの値は、即座に始まり、最大の第１旋回２０５を行う操縦を指定する。これらの値は、最初の経路２０１に平行な操縦の第２航跡２０３の持続時間ｐを延ばしもする。
【００５３】
ある種の状況では、ＬＯＳを回避するための横操縦解が存在しないことが可能である（たとえば、ＬＯＳが切迫しすぎている時）。横操縦解が存在するかどうかを判定するために、３０６で、ミスディスタンスを、第１旋回２０５の初めから第２旋回２０６を通ってテストする。３０６でＬＯＳがある時には、横操縦解は存在せず、３０８で、この方法は終了する。横操縦解が存在しない時には、速さの変更または高度の変更など、ＬＯＳに対する別の解を判定することができる。
【００５４】
３０６でＬＯＳがない時には、ＬＯＳを回避するための横操縦を判定するために１つまたは複数の検索を実行することができる。３１０で、検索される変数を選択するために判定を行うことができる。たとえば、上で説明した初期テストを、第１旋回２０５の最大値（すなわち、最大第１旋回持続時間）および第１航程２０２の最小持続時間（すなわち、最小第１航程持続時間）を用いてＬＯＳが発生するかどうかを判定することによって、実行することができる。３１０でＬＯＳがない時には、最大の第１および第２の旋回が十分であり、３１６で、検索を実行して、最小の第１航程持続時間を用いてＬＯＳを回避する減らされた旋回持続時間を見つけることができる。３１０でＬＯＳがある時には、３１２で、最大第１航程持続時間および最大第１旋回持続時間を用いてＬＯＳがあるかどうかの判定を行うことができる。最大第１航程持続時間および最大第１旋回持続時間がＬＯＳをもたらす時には、横操縦解はなく、この方法は３０８で終了する。最大第１航程持続時間および最大第１旋回持続時間がＬＯＳをもたらさない時には、３１４で検索を実行して、最大第１旋回持続時間を使用してＬＯＳをもたらさない、最大第１航程持続時間未満の第１航程持続時間を見つける。
【００５５】
第１航程持続時間の検索３１４が実行されるのか第１旋回持続時間の検索３１６が実行されるのかにかかわらず、検索枠は、平行航程（すなわち、図２の第２航程２０３）の終了時刻に終わる。フォールスポジション法が、ＣＰＡが所望のミスディスタンスと等しくなることを引き起こす第１航程持続時間または第１旋回持続時間を見つけるのに使用される。フォールスポジション法の境界となる値は、検索される変数（たとえば、第１航程持続時間または第１旋回持続時間）の最小値および最大値である。例示のために、第１旋回持続時間の検索３１６について、境界となる値は、最小持続時間旋回および最大持続時間旋回である。第１旋回持続時間に最小値（たとえば、０）がセットされた状態で、図２に示された操縦は、膨らみがなくなり、経路は、単純に最初の経路２０１である。最初の経路２０１は、ＬＯＳを有する（３０２で識別されたように）ので、０の旋回持続時間は、ＬＯＳをもたらし、ｆ（０）は、負の値を有する（すなわち、最小ＣＰＡ距離は、所望のミスディスタンスより小さい）。最大旋回持続時間は、ＬＯＳをもたらさず（３１０で判定されたように）、ｆ（ｍａｘ）は、正の値を有する（すなわち、最小ＣＰＡ距離は、所望のミスディスタンスより大きい）。したがって、関数ｆ（ｘ）は、有界である。
【００５６】
第１航程持続時間検索の検索３１４について、境界となる値は、最小航程持続時間および最大航程持続時間である。最小航程持続時間を使用すると、それでもＬＯＳがあり（３１０で判定されるように）、ｆ（ｍｉｎ）は、負である。最大航程持続時間を使用すると、ＬＯＳはなく（３１２で判定されるように）、ｆ（ｍａｘ）は、正の値を有する。したがって、関数ｆ（ｘ）は、有界である。
【００５７】
図４は、横操縦解がない潜在的なケースを示す図である。図４では、管制間隔の喪失が、遭遇１で予測される（たとえば、「最初のＬＯＳ」）。さらに、第１航程の最大持続時間を使用して横操縦を実行することも、遭遇２でＬＯＳ（すなわち、「第１航程上のＬＯＳ」）を引き起こす。図４に示された状況を、図３の３１２で実行される判断によって識別することができる。すなわち、３１２での判断が、第１航程持続時間が最大値を有し、第１旋回持続時間が最大値を有する時にＬＯＳが生じることである時には、関数ｆ（ｘ）は、非有界であり、このプロセスは、横解がないので３０８で終了する。
【００５８】
３１８で、もう１つの検索を行って、操縦開始時刻すなわち逸脱時刻ｑを見つける。フォールスポジション法を使用して、この検索を実行することができる。フォールスポジション検索の検索枠は、現在時刻で始まることができる。検索枠は、第２旋回２０６の終了時刻に終わることができる。第１航程持続時間および第１旋回持続時間は、平行航程（すなわち、図２の第２航程２０３）のＣＰＡが所望のミスディスタンスと等しくなるように、既に判定されている。したがって、平行航程が３１８での検索のＣＰＡ計算に含まれる場合には、関数ｆ（ｘ）は、図５Ａの概念的なグラフに示されているように検索をわかりにくくする大きい０領域（すなわち、ＣＰＡが所望のミスディスタンスと等しい領域）を有する。この０領域は、フォールスポジション検索に、逸脱時刻の任意の値を見つけさせる可能性がある。したがって、平行航程は、この検索から除外され、図５Ｂに示された概念的なグラフに示された関数をもたらす。
【００５９】
逸脱時刻の検索３１８が実行される時に、ＬＯＳを回避する操縦の旋回および航程の値は、既に識別されている。逸脱時刻の検索３１８は、操縦の開始時刻を最大にするため（すなわち、不確実性を解決することを可能にするためにできる限り長く操縦を遅らすため）のものである。より前の検索（すなわち、第１航程持続時間の検索３１４または第１旋回持続時間の検索３１６）は、最小開始時刻値を使用した。最小開始時刻値を使用するとＬＯＳがなかったので、関数ｆ（ｍｉｎ）は、正の値を有する。最大開始時刻は、最初のＬＯＳ（３０２で識別された）が始まる時である。したがって、関数ｆ（ｍａｘ）は、負の値を有し、この問題は、有界である。
【００６０】
３２０では、最小平行航程持続時間がＬＯＳを引き起こすかどうかの判定を行うことができる。最小平行航程持続時間がＬＯＳを引き起こさない場合には、その最小平行航程持続時間が使用され、この方法は、解が見つかっているので３２６で終了する。図６は、最小持続時間の平行航程（すなわち、平行航程なし）がＬＯＳをもたらさない潜在的なケースを示す図である。すなわち、旋回は、単独で解決を提供し、これによって、航空機１００（すなわち、オウンシップ）は、第２の航空機６００（たとえば、侵入機）を回避する。この場合に、平行航程の長さの検索（３２４で実行される検索など）は、非有界になるはずである。しかし、この解決は、衝突なしであり、したがって、このプロセスは、３２６で単純に成功して終了する。平行航程は、主に「通過」に使用される可能性があり、したがって、しばしば、使用されない可能性がある。
【００６１】
平行航程が、通過に使用される時には、最大平行航程持続時間が、関数を有界にするためにＬＯＳを解決しなければならない。図３の３２２では、平行航程の持続時間が最大値を有する時にＬＯＳがあるかどうかの判定を行うことができる。平行航程持続時間の最大値を使用してＬＯＳがある時には、関数ｆ（ｍａｘ）は、負の値を有する。したがって、この関数は非有界であり、この手続きは、３０８で終了する。
【００６２】
平行航程持続時間の最大値を使用してＬＯＳがない時には、関数ｆ（ｍａｘ）は正の値を有し、この関数は有界である。この場合には、この方法は３２４に進み、ここで、検索を実行して、平行航程の持続時間を見つける。フォールスポジション法を使用して、平行航程の持続時間の検索３２４を実行することができる。検索枠は、第３旋回の初めに開始することができる。上で説明したように、平行航程のＣＰＡは、所望のミスディスタンスと等しい。平行航程がＣＰＡ計算に含まれる場合には、関数は、図５Ａの概念的なグラフに示されているように検索を隠す可能性がある大きい０領域を有する可能性がある。検索枠の終りは、将来の穏当に離れた時刻でなければならない。平行航程持続時間が識別される時に、このプロセスは、３２６で成功して終了する。
【００６３】
図７は、フォールスポジション検索法の特定の実施形態の流れ図である。図７のフォールスポジション検索法を、図３の検索３１４、３１６、３１８、および３２４のうちの１つまたは複数に使用することができる。７０２で、所与の決定変数、検索開始時刻、および検索終了時刻を用いて検索関数を呼び出す。検索開始時刻および検索終了時刻は、検索の検索枠の境界を定める。７０４で、決定変数の最小値の入力から生じる決定値を評価する。結果の最小決定値は、ｆ＿ｍｉｎに格納される。例示のために、決定変数が第１旋回持続時間である時に、この関数の値を、最小第１旋回持続時間を使用して判定することができる。７０６で、決定変数の最大値の入力から生じる決定値を評価し、結果の最大決定値をｆ＿ｍａｘに格納する。たとえば、値ｆ＿ｍｉｎおよびｆ＿ｍａｘを、それぞれ関数（ＣＰＡｍｉｎ−Ｓ）の最小値および最大値とすることができ、ここで、ＣＰＡｍｉｎは、最小ＣＰＡ距離であり、Ｓは、所望のミスディスタンスである。
【００６４】
７０８では、ｆ＿ｍｉｎおよびｆ＿ｍａｘが反対の極性を有するかどうかの判定を行う。ｆ＿ｍｉｎおよびｆ＿ｍａｘが反対の極性を有しない時には、７１０で検索を終了し、解が存在しないことを示すメッセージを返すことができる。ｆ＿ｍｉｎおよびｆ＿ｍａｘが反対の極性を有する時には、７１２で、ｆ＿ｖａｌｕｅを含むフォールスポジション変数を初期化する。特定の実施形態で、ｆ＿ｍｉｎおよびｆ＿ｍａｘが反対の極性を有することが前もってわかっている場合があることに留意されたい。たとえば、検索３１４が図３の方法で実行される時には、第１航程持続時間が最小である（すなわち、第１航程持続時間のｆ（ｍｉｎ））時にＬＯＳがあることの判定が、３１０で既に行われており、したがって、関数ｆ（ｍｉｎ）は、負の値を有する（すなわち、ＬＯＳがある）。３１２では、第１航程持続時間が最大である（すなわち、第１航程持続時間のｆ（ｍａｘ））時にＬＯＳがないことの判定も行われており、したがって、関数ｆ（ｍａｘ）は、正の値を有する。ｆ＿ｍｉｎおよびｆ＿ｍａｘの極性が反対になることが前もってわかっている実施形態では、図７の方法は、７１２でフォールスポジション検索変数を初期化することから始めることができる。
【００６５】
７１４では、ｆ＿ｖａｌｕｅが十分に０に近いかどうかの判定を行う。構成可能な緩衝値εを使用して、ｆ＿ｖａｌｕｅが十分に０に近い時を判定するしきい値を指定することができる。たとえば、ｆ＿ｖａｌｕｅ≦εの時には、ｆ＿ｖａｌｕｅが十分に０に近いと考えることができる。ｆ＿ｖａｌｕｅが十分に０に近い時には、７１６で、根発見問題の解を返す。ｆ＿ｖａｌｕｅが十分に０に近くはない時には、７１８で、フォールスポジション変数を更新し、新しい決定値をセットする。７２０で、新しい決定値を評価し、検索プロセスは、７１４でのｆ＿ｖａｌｕｅが十分に０に近いか否かの決定に戻ることができる。このプロセスは、解が識別され、７１６で返されるまで、この形で反復して継続することができる。
【００６６】
用語「フォールスポジション変数」は、当業者に既知の変数である、フォールスポジション検索によって使用される変数を指す。たとえば、フォールポジション変数は、決定変数と、下にリストされ、説明される変数とを含むことができる。
【００６７】
入力変数
ｖａｌ＿ｍａｘ  図８を参照して説明される関数など、関数に渡される最大値を格納する。たとえば、検索が第１旋回持続時間に関するものである時には、ｖａｌ＿ｍａｘを９０°とすることができる。
【００６８】
ｖａｌ＿ｍｉｎ  関数に渡される最小値を格納する。たとえば、検索が第１旋回持続時間に関するものである時には、ｖａｌ＿ｍｉｎを０°とすることができる。
【００６９】
ｍａｘ＿ｉｔｅｒａｔｉｏｎｓ  フォールスポジション法は、通常、２つの逃げ道（すなわち、プロセスを打ち切る形）を有する。第１の逃げ道は、関数の出力が十分に０に近いと判定される（たとえば、図７の７１４で判定される）時とすることができる。第２の逃げ道は、試行の最大回数に達した時とすることができる。ｍａｘ＿ｉｔｅｒａｔｉｏｎｓ変数は、試行の最大回数を指定するのに使用することができる。
【００７０】
局所変数
ｉｔｅｒａｔｉｏｎ  検索が反復されるたびに、ｉｔｅｒａｔｉｏｎ変数を増分して、ｍａｘ＿ｉｔｅｒａｔｉｏｎｓ変数との比較のためのカウントを維持することができる。ｉｔｅｒａｔｉｏｎ変数を、０に初期化することができる。
【００７１】
ｖａｌ＿ｒｉｇｈｔ  右側の境界を定めるのに使用される値を格納する。ｖａｌ＿ｒｉｇｈｔ変数を、ｖａｌ＿ｍａｘ変数の値に初期化することができる。
【００７２】
ｖａｌ＿ｌｅｆｔ  左側の境界を定めるのに使用される値を格納する。ｖａｌ＿ｌｅｆｔ変数を、ｖａｌ＿ｍｉｎ変数の値に初期化することができる。
【００７３】
ｖａｌ＿ｄｅｃｉｓｉｏｎ  決定変数の値を格納する。ｖａｌ＿ｄｅｃｉｓｉｏｎの値が、関数に近似的に０を出力させる時に、ｖａｌ＿ｄｅｃｉｓｉｏｎ変数が、フォールスポジション法によって出力される。ｖａｌ＿ｄｅｃｉｓｉｏｎ変数を、０に初期化することができる。
【００７４】
ｆｕｎｃ＿ｖａｌ＿ｒｉｇｈｔ  ｖａｌ＿ｒｉｇｈｔ変数の値を関数に入力することによって引き起こされる関数出力の値を格納する。ｆｕｎｃ＿ｖａｌ＿ｒｉｇｈｔ変数を、ｖａｌ＿ｍａｘの値によって引き起こされる関数出力の値に初期化することができる。
【００７５】
ｆｕｎｃ＿ｖａｌ＿ｌｅｆｔ  ｖａｌ＿ｌｅｆｔ変数の値を関数に入力することによって引き起こされる関数出力の値を格納する。ｆｕｎｃ＿ｖａｌ＿ｌｅｆｔ変数を、ｖａｌ＿ｍｉｎ変数の値によって引き起こされる関数出力の値に初期化することができる。
【００７６】
ｆｕｎｃ＿ｖａｌ＿ｄｅｃｉｓｉｏｎ  ｖａｌ＿ｄｅｃｉｓｉｏｎ変数の値を関数に入力することによって引き起こされる関数出力の値を格納する。ｆｕｎｃ＿ｖａｌ＿ｄｅｃｉｓｉｏｎ変数を、０に初期化することができる。
【００７７】
ｓｉｄｅ  関数は、０を出力させる入力値を有する。０の右のｘ軸値を右側と呼び、他方の値を左側と呼ぶ。フォールスポジション法は、ｖａｌ＿ｄｅｃｉｓｉｏｎ変数の現在値がどちらの側を出力させるかを追跡する。ｓｉｄｅ変数を、０に初期化することができる。最初の反復の後に、ｓｉｄｅ変数は、＋１（すなわち、関数の出力が右側にある時）または−１（すなわち、関数の出力が左側にある時）のいずれかになることができる。
【００７８】
図８は、最接近点（ＣＰＡ）を判定する方法の特定の実施形態の流れ図である。図８の方法を、関数が図７で評価されるたびに、すなわち、図７の７０４、７０６、および７２０で使用することができる。図８の方法を使用して、単一値最小ＣＰＡを計算することができる。
【００７９】
８０２では、図８の評価関数が、決定値のセット、検索開始時刻、および検索終了時刻を用いて呼び出される。８０４では、検索開始時刻から検索終了時刻までの（たとえば、図２の第３旋回２０７を経て）地上航跡を生成することができる。８０６では、最終旋回に最初のベクトルをインターセプトさせる最終航程（たとえば、図２の第３航程２０４）の長さが存在するかどうかの判定を行う。たとえば、飛行経路計算セクションで説明される計算を使用して、この判定を行うことができる。
【００８０】
最終旋回に最初のベクトルをインターセプトさせる最終航程の長さが存在する時には、８０８で、その最終航程距離に、インターセプトを引き起こす値をセットする。その後、評価プロセスは、８１４で残りの地上航跡を生成する。最終航跡長が、最終旋回に最初のベクトルをインターセプトさせない時には、８１０で、最終航程距離に最小値をセットする。８１２では、ニュートンラフソン法を使用して（飛行経路計算セクションで説明されるように）、最初のベクトルとのインターセプトが達成されるまでθｃを減らすことができる。８１４では、残りの地上航跡を生成することができる。
【００８１】
８１６では、検索時刻に所与の検索開始時刻をセットし、最小ＣＰＡ値に大きい数をセットすることができる。８１８では、検索時刻が検索終了時刻を超えるかどうかの判定を行う。検索時刻が検索終了時刻を超えない時には、評価関数は、８２０で、オウンシップ位置および侵入機位置を検索時刻まで進める（すなわち、外挿する）。８２２では、地上航跡近似での侵入機ベクトルと現在のオウンシップベクトルとの間のＣＰＡを計算する。８２４では、最小ＣＰＡに最小ＣＰＡと現在のＣＰＡ（８２２で判定された）とのうちの小さい方をセットする。８２６では、検索時刻に、検索時刻と現在のオウンシップベクトルの持続時間との和をセットする。その後、評価関数は、ループバックして、８１８で、検索時刻が検索終了時刻を超えるかどうかを判定する。この方法は、検索時刻が検索終了時刻を超えるまで、８２０、８２２、８２４、８２６、および８１８を反復して繰り返す。各反復中に、ＣＰＡが、現在のベクトルの機首方位に基づいてベクトルごとに計算される。検査時刻が検索終了時刻を超えるようになる時に、８２８で、最小ＣＰＡの現在値を返す。
【００８２】
開示される横操縦を解くシステムおよび方法は、実行までの時間を最大化し、最初の経路からのずれを最小化し、所望のミスディスタンスを提供する操縦を判定することができる。たとえば、上で説明したシステムおよび方法を使用して、所望のミスディスタンスを達成し、無人航空機などの航空機をその最初の経路または飛行経路に戻すルート変更を出力することができる。ルート変更を、所望のミスディスタンス、所望のバンク角、航空機の状態ベクトル、風の状態ベクトル、および侵入機の状態ベクトルのうちの１つまたは複数の関数として判定することができる。
【００８３】
飛行経路計算セクション
このセクションでの計算を、角度を指定するのにラジアンを使用して実行することができる。しかし、読者の便宜のために、度を示す。
【００８４】
垂直（高度）速度を伴わない運動の共通の式は、次を含むことができる。
ｘ＝ｘ０＋ｔ＊ｖｘ＋ｔ＊Ｗｘ                    （１）
ｙ＝ｙ０＋ｔ＊ｖｙ＋ｔ＊Ｗｙ                    （２）
ｈ＝ｒ＊ｃｏｓ（ｗ０＋１８０°）＋ｔ＊Ｗｙ      （３）
ｋ＝ｒ＊ｓｉｎ（ｗ０＋１８０°）＋ｔ＊Ｗｙ      （４）
ｘ＝ｈ＋ｒ＊ｃｏｓ（ｗ＊ｔ＋ｗ０）＋ｔ＊Ｗｙ    （５）
ｙ＝ｋ＋ｒ＊ｓｉｎ（ｗ＊ｔ＋ｗ０）＋ｔ＊Ｗｘ    （６）
ｘ＝ｈ＋ｄ＊ｃｏｓ（ｃ）＋ｔ＊Ｗｙ              （７）
ｙ＝ｋ＋ｄ＊ｓｉｎ（ｃ）＋ｔ＊Ｗｘ              （８）
ｗ０＝ｉ−９０°  （左旋回）                    （９）
ｗ０＝ｉ＋９０°  （右旋回）                    （１０）
ここで、式（１）および（２）は、直線運動／外挿に関係し、式（３）〜（１０）は、円運動に関係する。
【００８５】
ウィンドトライアングルの式は、次を含むことができる。
ｖｘｉ＝ｖｙｇ＋Ｗｙ                                    （１１）
ｖｙｉ＝ｖｘｇ＋Ｗｘ                                    （１２）
ｉ＝ａｔａｎ２（ｖｘｉ，ｖｙｉ）                        （１３）
慣性速さ＝ｓｑｒｔ（ｖｘｉ＊ｖｘｉ＋ｖｙｉ＊ｖｙｉ）      （１４）
ｃ＝ａｔａｎ２（ｖｘｇ，ｖｙｇ）                        （１５）
式（１）〜（１５）で、ｘ０は、初期ｘ位置であり、ｙ０は、初期ｙ位置であり、ｖｘは、オウンシップのｘ速度成分であり、ｖｙは、オウンシップのｙ速度成分であり、ｖｘｉは、オウンシップのｘ慣性速度成分であり、ｖｙｉは、オウンシップのｙ慣性速度成分であり、ｖｘｇは、オウンシップのｘ対地速度（ｇｒｏｕｎｄ  ｖｅｌｏｃｉｔｙ）成分であり、ｖｙｇは、オウンシップのｙ対地速度成分であり、ｗ０は、開始角すなわち中心から円の開始ヘの方向であり、ｗは角加速度であり、Ｗｘは、風のｘ速度成分であり、Ｗｙは、風のｙ速度成分であり、ｉは、慣性進路であり、ｈは、円中心ｘ値であり、ｋは、円中心ｙ値であり、ｃは、外挿の地上方向（進路）であり、ｄは、外挿の距離であり、ｔは、ｗ０またはｘ０のいずれかからの時間である。
【００８６】
図９は、特定の実施形態で旋回を判定するのに使用される成分を示す図である。図９では、点Ｐは、初期位置であり、点Ｒは、初期位置Ｐから対地速度ベクトル
0005933244.tif 000006
に沿った距離ｄである。点Ｑは、固定されたベクトル
0005933244.tif 000007
に沿ってＲから固定された距離である。図９は、地上標的ベクトル
0005933244.tif 000008
および風ベクトル
0005933244.tif 000009
をも示す。距離ｄは、図２の第３および第４の旋回２０７、２０８などの２つの旋回の間の大圏距離である。
【００８７】
特定の実施形態では、最後の２つの旋回（たとえば、図２の第３および第４の旋回２０７、２０８）は、事前にセットされ、計算される必要がない。横操縦を使用する時には、最後の旋回の後（すなわち、図９の点Ｑの後）の方向は、その方向が標的ベクトルの方向と等しい時に正しい。しかし、点Ｑの最終位置が、標的ベクトルからオーバーシュートしまたはアンダーシュートする場合がある。したがって、距離ｄを、点Ｑが標的ベクトル上にあるように決定することができる。下で説明するプロセスは、一般的であり、最終的な方向が標的ベクトルの方向と等しい限り、使用することができる。したがって、たとえば、Ｐの前のベクトルが、標的ベクトルと平行である必要はない。
【００８８】
解は、点Ｑが
0005933244.tif 000010
に乗るまで
0005933244.tif 000011
に沿ってＲを「滑らせる」ことによって見つけられる。点Ｑは、点Ｒから固定された距離および方向であり、したがって、ＲおよびＱは、「堅固な」関係を有する。一般に、ＲとＱとの間の真の経路は、関連性がなく、多数の旋回および航程からなるものとすることができる。
【００８９】
この問題は、標的ベクトルがｘ軸になるように成分を回転し、かつ／または並進させることと、その後、ｙＱ（すなわち、点Ｑのｙ軸座標）が０と等しい場合のｄＰＲの値について解くことによって、解くことができる。この解は、大圏距離なので、風は、この解を解くために必要ではない。しかし、風を、対地ベクトル
0005933244.tif 000012
を慣性ベクトルに変換するのに使用することができる。問題陳述は、次の通りである：入力Ｐ、
0005933244.tif 000013
、
0005933244.tif 000014
、
0005933244.tif 000015
、および
0005933244.tif 000016
またはＱを与えられて、ｄを見つけること。解を、次のように判定することができる。
・標的ベクトルがｘ軸になるように、図９に示されているように系を回転し、かつ／または並進させる。回転点は、標的ベクトル上の任意の点とすることができる。
・定数ｆがＲとＱとの間の距離を表すものとする
・１）ｙＲ＝ｙＰ＋ｄＰＲ＊ｓｉｎ（ψＶ）    ＰからＲへの外挿
・２）ｙＱ＝ｙＲ＋ｆ＊ｓｉｎ（ψＸ）    ＲからＱへの外挿
・３）ｙＱ＝ｙＰ＋ｄＰＲ＊ｓｉｎ（ψＶ）＋ｆ＊ｓｉｎ（ψＸ）    １を２に代入する
・４）０＝ｙＰ＋ｄＰＲ＊ｓｉｎ（ψＶ）＋ｆ＊ｓｉｎ（ψＸ）    ｙＱ＝０をセットする
・５）
【００９０】
0005933244.tif 000017
ｄＰＲについて解く。
【００９１】
ｄＰＲの値は、ベクトル
0005933244.tif 000018
の方向が、標的ベクトル
0005933244.tif 000019
に対して相対的に０°または１８０°である時には定義されない。これは、ベクトル
0005933244.tif 000020
に平行または逆平行に移動する時に、ｄＰＲを調整することが、Ｑからベクトル
0005933244.tif 000021
までの距離に影響しないことを意味する。本明細書で開示される横操縦を用いると、第３旋回は、ある持続時間を有し、したがって、ベクトル
0005933244.tif 000022
は、ベクトル
0005933244.tif 000023
と平行または逆平行にはならない。
【００９２】
ｄＰＲの値が負になる場合があり、これは、ＲをＰに向かって逆方向に外挿する必要があることを示す。この状態は、「オーバーシュート」と考えられ、２つの旋回の持続時間が長すぎることを意味し、ｄＰＲが０の時には、Ｑは、
0005933244.tif 000024
未満である（負のｙ領域）。オーバーシュート状態に対処する方法は、下で説明する。
【００９３】
風の中で平行ベクトルをインターセプトすることは、２つの対向する旋回の１つの適切な旋回持続時間を見つけることによって解くことができる。標的ベクトルは、移動されつつあるベクトルに平行なので、旋回は、持続時間において等しく、方向において反対である。この問題を、図１０に示す。図１０に示された成分は、初期位置Ｐと、Ｐから始まる対地速度ベクトル
0005933244.tif 000025
と、地上標的ベクトル
0005933244.tif 000026
と、風ベクトル
0005933244.tif 000027
と、旋回半径ｒと、右側旋回の中心点Ａと、左側旋回の中心点Ｃと、中心ＡとＣとの間の中点Ｂと、
0005933244.tif 000028
および
0005933244.tif 000029
から計算される開始慣性進路ｉと、単一の旋回の持続時間ｔと、角速度ｗとを含む。
【００９４】
この問題は、標的ベクトル
0005933244.tif 000030
がｘ軸になり、第１の旋回が左になるように系を回転し、かつ／または並進させることによって解くことができる。Ｑのｙ値ｙＱが０と等しくなるようにするｔの値を計算することができ、ここで、ｔは、旋回ごとに使用される持続時間である（持続時間の和ではない）。したがって、ＰからＱまでの持続時間は、２ｔである。
【００９５】
逆方向の運動が望まれないと仮定すると、ｔの最大値を、第１の旋回が対地進路を９０°だけ変更するのに要する時間とすることができる。この値は、回転の後に、１８０°＋９０°の正規化された対地進路である、２７０°対地ベクトルの慣性進路を見つけることによって見つけることができる。慣性進路ｃの変更を、制限時間ｓ＝ｃ／ｗに変換することができ、ここで、角速度ｗは、（慣性速さ）／半径である。旋回中心は、そのそれぞれの慣性ベクトルを基準とするので、角度に伴って変化し、したがって、この問題を解くのに、風ベクトルを使用することができる。また、第２の旋回の初期角度ｗ０は、第１の中心点に依存する。
【００９６】
この問題を解くために、ニュートンラフソン法を使用することができる。ニュートンラフソン法は、Ｂｒｏｎｓｈｔｅｉｎ他、「Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ」で詳細に説明されている。関数ｆ（ｔ）は、Ｑのｙ値である。この関数は、次の通りである。入力Ｐ、
0005933244.tif 000031
、
0005933244.tif 000032
、
0005933244.tif 000033
、およびｒを与えられて、ｓを見つける。
【００９７】
解は、次のように見つけることができる。
・標的ベクトル
0005933244.tif 000034
がｘ軸になるように、図１０に示されているように系を回転し、かつ／または並進させる。回転点は、標的ベクトル上の任意の点とすることができる。
・ｗ０Ａ＝ｉＡ＋９０°
・ｋＡ＝ｒ＊ｓｉｎ（ｗ０Ａ＋１８０°）＋ｔ＊Ｗｙ
・ｙＢ＝ｒ＊ｓｉｎ（ｗ０Ａ−ｗ＊ｔ）＋ｔ＊Ｗｙ    中間点
・ｗ０Ｃ＝ｗ０Ａ−ｗ＊ｔ＋１８０°                反対の第１の最終角度
・ｋＣ＝ｒ＊ｓｉｎ（ｗ０Ｃ＋１８０°）＋ｔ＊Ｗｙ
・ｙＱ＝ｋＣ＋ｒ＊ｓｉｎ（ｗ＊ｔ＋ｗ０Ｃ）＋ｔ＊Ｗｙ
【００９８】
上の最後の式を使用して、標準的な微積分ベースの導関数を計算し、ニュートンラフソン法と共に使用することができる。ｔの初期値には、ｔの範囲の１／２がセットされる。
【００９９】
速さ操縦
特定の実施形態では、図１１に示されているように、管制間隔の喪失を回避するための速さ操縦を、４つのフェーズで実施することができる。図１１の図は、速さ１１０２の変更に対応する慣性進路１１０４の変更を示す。この図の左のｙ軸は、慣性速さを示し、この図の右のｙ軸は、慣性進路を示す。第１フェーズ（図１１で約０秒と約１０秒との間）に、ビークル（たとえば、オウンシップ）は、速さを維持する。たとえば、オウンシップに、ミッションパラメータ、リモートパイロットからの入力、または他の要因に基づいて速さを割り当てることができる。割り当てられた速さを、管制間隔の喪失を回避するために速さ変更操縦が実行されるまで、維持することができる。第２フェーズ（図１１で約１０秒と約２０秒との間）に、ビークルは、減らされた速さまで減速することができる。第３フェーズ（図１１で約２０秒と約３２秒との間）に、ビークルは、減らされた速さをホールドする。第４フェーズ（図１１で約３２秒と約４２秒との間）に、ビークルは、減らされた速さから割り当てられた速さまで加速し、割り当てられた速さを維持する。
【０１００】
風ベクトルがあり、ビークルがその慣性速さを遅くする時には、ビークルの対地進路も変化する可能性がある。対地進路の変化は、減らされた慣性速さおよび風ベクトルについて補償するためにウィンドトライアングルに従って慣性進路を変更することによって減らすことができる。
【０１０１】
特定の実施形態では、速さ操縦を、３つの制御変数すなわち、現在位置から減速が始まる位置までの距離ＸＳ、標的速さまたは割り当てられた速さからのパーセント速度低下ＸＰ、および減らされた速さをホールドするホールド距離ＸＨを使用して指定することができる。構成可能な減速度パラメータおよび加速度パラメータを制御変数と共に使用して、オウンシップ飛行経路を見積もることができる。構成可能な減速度パラメータおよび加速度パラメータは、速さ操縦を実施するために、それぞれオウンシップが減速しまたは加速する割合を定義することができる。
【０１０２】
開始距離ＸＳは、０（すなわち、即座に開始する）から距離ｄＬまでの範囲を有することができ、この距離ｄＬは、ＬＯＳが発生すると予測されるところまでの距離に対応する。したがって、ビークルは、即座からＬＯＳが発生する時までのいつでも減速を開始することができる。パーセント速度低下ＸＰは、０（すなわち、速さの低下なし）から割合ｐＭまでの範囲を有することができ、この割合ｐＭは、標的速さから最小の許容できる慣性速さを引き、標的速さによって割ったものに対応する。最小慣性速さを、ビークル、ビークルのミッション、または他の要因に基づいて指定することができる。たとえば、最小慣性速さを、適切な安全係数と共にビークルのストールスピードに基づいてセットすることができる。
【０１０３】
ホールド距離ＸＨは、０（すなわち、ホールドなし）からｄＬ（すなわち、ＬＯＳが始まると予測されるところまでの距離）までの範囲を有することができる。たとえば、ホールド距離ＸＨは、ビークルが減らされた速さまで減速し、その後、即座に標的速さまで加速を開始する時に、０とすることができる。例示のために、ある種の状況で、減速および加速を、ゆっくりと実施することができ、ホールドは、ＬＯＳを回避するために必要でないものとすることができる。しかし、類似する状況で、減速を即座にすばやく実施することができ、この場合に、ビークルは、より長い距離にわたって減らされた速さをホールドすることができる。
【０１０４】
制御変数を使用して、現在の対地ベクトルに沿った速度スケジュールを生成することができる。たとえば、飛行経路計算セクションにリストされた運動方程式および外挿を使用することができる。例示的な実施形態では、制御変数は、ビークルの飛行経路の線形近似を作成するのに使用される。飛行経路の近似は、一連のベクトルを含むことができ、ここで、各ベクトルは、位置、速度、および持続時間を有する。このプロセスを、図１２を参照してさらに説明する。
【０１０５】
図１２は、ビークルの飛行経路を判定する方法の特定の実施形態の流れ図である。図１２では、各アスタリスクが、スカラ間またはスカラとベクトルとの間のいずれかの乗算演算子を表す。使用される他の記号は、次を含む。
Ｘ  制御変数ベクトル
Ｐ０  初期オウンシップ位置
ＰＣ  計算のための現在のオウンシップ位置
Ｗ  風ベクトル
ｄＳ  ステップ距離
ｓＣ  現在の反復に関する速さ
ｔＳ  ベクトル持続時間
ｓＴ  標的速さ
ａＣ  速さ操縦を実行するのに使用される速さの変化の割合を指定する速さ変更定数
Ｖ  計算されつつあるベクトル。ベクトルＶの成分は、次を含む。
ＶＰ  ベクトルの位置
ＶＤ  ベクトルの慣性進路（方向）
ＶＴ  ベクトルの持続時間
ＶＳ  ベクトルの速さ
【０１０６】
図１２の方法は、１２０２で、制御変数ベクトルＸ、初期位置Ｐ０、慣性速度、減速度定数、加速度定数、風ベクトルＷ、およびステップ距離ｄＳを用いて呼び出される。１２０４では、減速フェーズ（すなわち、図１１を参照して説明した第２フェーズ）を生成する方法を準備する。１２０４では、現在位置から開始距離ＸＳを通って延びるベクトルを作成する。１２０６では、現在の慣性速さｓＣがパーセント速度低下ＸＰだけ減らされたかどうかの判定を行う。たとえば、この判定は、現在の慣性速さｓＣの値を、パーセント速度低下ＸＰに標的速さｓＴをかけた値と比較することができる。
【０１０７】
１２０８では、速度スケジュール内のベクトルを判定することができる。１２０８では、式ＶＤ＝ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ（Ｗ，ｓＣ）を使用して、風ベクトルおよび慣性速さを考慮して慣性進路を計算することができる。この計算は、風向き、風量（速さ）、対地進路、および慣性量（速さ）を与えられて、正弦法則を適用する（ベクトルの交差角、風ベクトルの大きさ、慣性速さ、および慣性方向を使用する）ことによって、実行することができる。ステップ距離は、構成可能であり、線形近似誤差に影響する可能性がある。ｓＣの新しい値を、１２０６で現在の慣性速さｓＣがパーセント速度低下ＸＰだけ減らされると判定されるまで、１２０８で反復して計算することができる。
【０１０８】
現在の慣性速さｓＣが、パーセント速度低下ＸＰだけ減らされると判定された後に、１２１０で、ＸＨによって示されるホールド距離を判定することができる。さらに、加速フェーズ（たとえば、図１１を参照して説明した第４フェーズ）の計算を準備することができる。
【０１０９】
１２１２では、現在の慣性速さｓＣが標的速さｓＴ（すなわち、最初の速さ）と等しいかどうかの判定を行うことができる。現在の慣性速さｓＣが標的速さｓＴと等しくない時には、１２１４で、速度スケジュール内のベクトルを生成する。１２１２で現在の慣性速さｓＣが標的速さｓＴと等しいと判定されるまで、１２１４で、追加のベクトルが反復して生成される。現在の慣性速さｓＣが標的速さｓＴと等しいと判定される時には、１２１６で、速度スケジュール内の最後のベクトルの持続時間が無限と仮定され、これは、オウンシップが指令された飛行経路および速さに戻ったことと、指令された飛行経路および速さに無限に留まることとを暗示する。この方法は、完全な速度スケジュールが生成された時に、１２２０で脱出する。
【０１１０】
特定の実施形態では、図１のＡＭＳ  １２８などの回避操縦システムは、次の式を使用して、２つのベクトルの最接近点（ＣＰＡ）の時刻を計算することができる。
【０１１１】
【数３】
0005933244.tif 000035
【０１１２】
ここで、Ｕは、侵入機ベクトルであり、Ｖは、オウンシップ飛行経路を近似するベクトルのうちの１つであり、ＶＰおよびＵＰは、位置であり、ＶＧおよびＵＧは、対地速度であり、・は、ベクトル数学点乗積演算子である。対地速度は、ＶＳ＊ＶＤ・Ｗとして判定することができ、ここで、ＶＳおよびＶＤは、図１２を参照して説明したように判定することができる。
【０１１３】
ＣＰＡの時刻ｔは、ＣＰＡが過去にあり、オウンシップおよび侵入機が管制間隔を得つつある時には負になる。この場合には、初期位置での距離を、ＣＰＡと解釈することができる。有限の時間ベクトルについて、ＣＰＡの時刻ｔが、ベクトル持続時間のうちの１つの後に発生する可能性がある。この場合に、最短持続時間を使用して、ＣＰＡの時刻を見つけることができる。そうではない場合には、時刻ｔを使用して、ＣＰＡの時刻を定義することができる。
【０１１４】
オウンシップおよび侵入機の位置が、ＣＰＡまで外挿され、オウンシップと侵入機との間の距離が、ＣＰＡで計算される。この計算された距離は、オウンシップと侵入機との間で発生すると期待される最短距離である。計算された距離が所望の管制間隔Ｓ未満である場合には、ＬＯＳが発生すると予測される。
【０１１５】
一連のベクトル（たとえば、図１１を参照して説明した速さ操縦のフェーズに対応するベクトル）についてＣＰＡを計算する時には、ＣＰＡを、ベクトルごとに識別することができ、すべてのベクトルの間の最小距離を、一連のベクトルのＣＰＡと解釈することができる。検索時間枠を使用して、計算を実施することができる。たとえば、検索を、異なる時間枠を使用して実行することができ、各検索は、検索枠の開始時刻から検索枠の終了時刻までの計算を実行することができる。
【０１１６】
図１のＡＭＳ  １２８などの回避操縦システムは、複数の変数によって制約された最適化問題を一連の単一変数問題にばらばらにする分解を使用することができる。この問題を、標準的な零／根発見問題としてモデル化することができ、フォールスポジション法を使用して、副問題を解くことができる。上で説明したように、フォールスポジション法は、問題が有界である場合に収束する。本明細書で説明される問題分解は、検索の境界を作成する。この文脈で、「有界」は、単一変数関数ｆ（ｘ）ならびにｘの２つの初期値ｘ０およびｘ１について、ｆ（ｘ０）およびｆ（ｘ１）が反対の極性を有する（すなわち、ｆ（ｘ）が、ｆ（ｘ０）とｆ（ｘ１）との間に０値を有する）ことを意味する。上で説明したプロセスの関数ｆ（ｘ）は、最小ＣＰＡ距離から所望のミスディスタンスＳを引いたものである。この関数は、最小ＣＰＡ距離とミスディスタンスとが等しい時に０であり、余分な管制距離がある時（すなわち、最小ＣＰＡ距離が所望のミスディスタンスより大きい時）に正であり、ＬＯＳがある時（すなわち、最小ＣＰＡ距離が所望のミスディスタンスより小さい時）に負である。
【０１１７】
図１３は、速さ回避操縦を解く方法の特定の実施形態の流れ図である。図１３では、フォールスポジション検索が、１３１０、１３１４、および１３１６で行われる。１３０２で、管制間隔距離Ｓより小さい最接近点（ＣＰＡ）が識別される時には、ＬＯＳが予測される。１３０４では、検索を準備する。検索の準備は、次のように変数をセットすることを含むことができる。
【０１１８】
【表３】
0005933244.tif 000036
【０１１９】
すなわち、初期検索を、即座に始まり（すなわち、最小の開始距離ＸＳ）、最大減速度（すなわち、最大のパーセント速度低下ＸＰ）を使用し、最大のホールド（すなわち、最大のホールド距離ＸＨ）を使用する操縦に基づいて準備することができる。各変数の最大値および最小値は、たとえばミッション仕様に基づいて、オウンシップの特性に基づいて、または他の判断基準に基づいて、事前に決定することができる。
【０１２０】
速さ解が存在しないことがありうる。たとえば、衝突が切迫しすぎている時、減速度パラメータまたは最小速さパラメータがＬＯＳの回避を可能にするのに十分ではない時、または侵入機が静止しているか接近する時である。１３０６では、速さ解が存在するかどうかの判定を行うことができる。たとえば、判定は、即座の最大減速度および最大ホールドがＬＯＳを回避するかどうかを評価することができる。即座の最大減速度および最大ホールドがＬＯＳを回避しない場合には、速さ解が存在しないので、この方法は１３０８で脱出する。速さ解が存在しない時には、ＬＯＳを回避するために別の操縦を判定することができる。たとえば、図２〜１０を参照して説明した横回避操縦を解く方法を使用して、ＬＯＳを回避するための横操縦を判定することができる。その代わりにまたはそれに加えて、ＴＣＡＳを使用して、ＬＯＳを回避するための高度変更を判定することができる。
【０１２１】
１３１０では、第１検索を実行して、操縦開始距離ＸＳを見つける。最大減速度（すなわち、最大のパーセント速度低下ＸＰ）および最大ホールド（すなわち、最大のホールド距離ＸＨ）を使用して、操縦開始距離ＸＳを見つけることができる。最大減速度および最大ホールドを使用することは、操縦が実行されるまでの時間を最大にすることができる。最大減速度および最大ホールドを用いると、ＬＯＳはなく（１３０６で判定されたように）、したがって、開始距離ＸＳを、ＬＯＳが識別されるまで前進させることができる。フォールスポジション検索は、ＬＯＳを引き起こさない、最も前進された（すなわち、最も遠い将来の）開始距離ＸＳの値を見つける。検索枠は、現在時刻に始まることができ、構成可能な検索枠の終りに終わることができる。
【０１２２】
１３１２では、最大減速度および最小ホールド（たとえば、ホールドなし）を使用してＬＯＳがあるかどうかの判定を行う。最大減速度および最小ホールドがＬＯＳを引き起こす時には、ホールドを延長する必要がある可能性がある。したがって、この方法は、１３１４に進んで、ＬＯＳを回避する（最大減速度を使用して）ホールド距離を見つけるために検索を実行することができる。最大減速度および最小ホールドがＬＯＳを引き起こさない時には、減速度を減らして、不必要な遅れを回避することができる。したがって、この方法は、１３１６に進んで、ＬＯＳを回避する（最小ホールドを使用して）減速度を見つけるために検索を実行することができる。その後、このプロセスは、１３１８で成功して終了する。
【０１２３】
特定の実施形態では、１３１０、１３１４、および１３１６での検索を、上で説明したように速さ操縦について最小値および最大値を使用する図７のフォールスポジション検索法を使用して実行することができる。たとえば、入力変数ｖａｌ＿ｍａｘおよびｖａｌ＿ｍｉｎを、速さ操縦関連値に対応するように選択することができる。例示のために、減速度に関する検索を実行することは、ｖａｌ＿ｍａｘ入力変数に最大減速度をセットすることと、ｖａｌ＿ｍｉｎ入力変数に最小減速度（たとえば、０）をセットすることとを含むことができる。
【０１２４】
図１４は、航空機１４００の特定の実施形態のブロック図である。航空機１４００を、図１、２、４、６、および１０の航空機１００とすることができる。航空機１４００は、図１のＦＭＳ  １０２などの飛行管理システム１４０２を含むことができる。飛行管理システム１４０２は、感知および回避システム１４０６を含むことができる。たとえば、感知および回避システム１４０６は、図１のＡＭＳ  １２８などの回避操縦システム（ＡＭＳ）とすることができ、あるいはこれを含むことができる。感知および回避システム１４０６を、潜在的な管制間隔の喪失（ＬＯＳ）を識別し、ＬＯＳを回避するための操縦を判定するように適合させることができる。操縦は、高度変更操縦、横操縦、または速さ操縦とすることができる。特定の実施形態では、感知および回避システム１４０６は、ＬＯＳを回避するための複数の操縦を判定し、その後、選択判断基準に基づいて実施すべき特定の操縦を選択するように適合される。たとえば、感知および回避システム１４０６は、ＬＯＳを回避するために横操縦および速さ操縦を判定することができる。その後、感知および回避システム１４０６は、所定のプリファレンス（たとえば、横操縦が識別される時に横操縦を実行する所定のプリファレンスまたは速さ操縦が識別される時に速さ操縦を実行する所定のプリファレンス）に基づいて、どの操縦が最も効率的であるのか（たとえば、より少ない燃料を使用する、ミッションに対するより少ない影響を有するなど）に基づいて、他の選択判断基準に基づいて、またはその任意の組合せで、横操縦または速さ操縦のいずれかを実施することを選択することができる。
【０１２５】
特定の実施形態では、感知および回避システム１４０６は、所定の順序で特定のタイプの操縦を判定することを試みるように適合される。たとえば、潜在的なＬＯＳが識別される時に、感知および回避システム１４０６は、ＬＯＳを回避するために第１のタイプの操縦（たとえば、横操縦、速さ操縦、または高度変更）を判定することを試みることができる。ＬＯＳを回避する第１タイプの操縦が識別される場合には、その操縦を実行することができる。しかし、ＬＯＳを回避する第１タイプの操縦が識別されない場合には、感知および回避システム１４０６は、ＬＯＳを回避するために第２のタイプの操縦を判定することを試みることができる。同様に、ＬＯＳを回避する第２タイプの操縦が識別されない場合には、感知および回避システム１４０６は、ＬＯＳを回避するために第３のタイプの操縦を見つけることを試みることができる。
【０１２６】
感知および回避システム１４０６は、プロセッサ１４０８およびプロセッサ１４０８からアクセス可能なメモリ１４１０を含むことができる。メモリ１４１０は、航空機１４００と第２の航空機との間の潜在的な管制間隔の喪失（ＬＯＳ）を識別するためにプロセッサ１４０８によって実行可能な命令１４１２を含むことができる。潜在的なＬＯＳを、航空機１４００および第２の航空機の飛行ベクトルを見積もるか外挿することによって識別することができる。たとえば、プロセッサ１４０８は、センサ１４１８からのデータを分析して、航空機１４００の位置、進路、および速さと、第２の航空機の位置、進路、および速さとを判定することができる。２つの航空機の位置、進路、および速さを外挿することによって、プロセッサ１４０８は、この２つの航空機が将来の時に所望の管制間隔距離より近くなるかどうかを判定することができる。
【０１２７】
命令１４１２を、ＬＯＳを回避するための操縦（たとえば、速さ操縦、横操縦、または高度変更）を判定するためにプロセッサ１４０８によって実行可能とすることもできる。たとえば、命令１４１２をプロセッサ１４０８によって実行して、所定のパラメータ１４１６を使用する第１の速さ操縦を実行することが潜在的なＬＯＳを回避するかどうかを判定することができる。たとえば、所定のパラメータ１４１６は、遅れなし（すなわち、操縦の即座の実行）、最大減速度、および最小ホールド持続時間を含むことができる。第１の速さ操縦が潜在的なＬＯＳを回避しない時には、命令１４１２を、潜在的なＬＯＳを回避ための現在の高度での１つまたは複数の旋回を判定するためにプロセッサ１４０８によって実行可能とすることができる。その代わりにまたはそれに加えて、第１の速さ操縦が潜在的なＬＯＳを回避しない時に、命令１４１２を、潜在的なＬＯＳを回避するための高度の変更を判定するためにプロセッサ１４０８によって実行可能とすることができる。
【０１２８】
第１の速さ操縦が潜在的なＬＯＳを回避する時に、命令１４１２を、第２の速さ操縦のパラメータ１４１４を判定するためにプロセッサ１４０８によって実行可能とすることができる。第２の速さ操縦のパラメータ１４１４を判定することは、操縦開始位置を判定することを含むことができる。操縦開始位置を、最大減速度および最大ホールド時間を含む速さ操縦を使用してＬＯＳを回避できる、航空機１４００の現在位置から最も遠い点として判定することができる。
【０１２９】
第２の速さ操縦のパラメータ１４１４を判定することは、操縦開始位置で始まるホールドなし減速操縦を実行することが潜在的なＬＯＳを回避するかどうかを判定することを含むことができる。ホールドなし減速操縦は、所定の加速度（たとえば、最大加速度）が即座に続く所定の減速度（たとえば、最大減速度）を含むことができる。第２の速さ操縦のパラメータ１４１４を判定することは、第２の速さ操縦のホールド時間を判定することを含むことができる。たとえば、第２の速さ操縦は、最小ホールド時間より長いホールド時間を含むことができる。第２の速さ操縦のパラメータ１４１４を判定することは、第２の速さ操縦の減速度を判定することを含むことができる。たとえば、第２の速さ操縦は、最大減速度より少ない減速度を含むことができる。例示のために、第２の速さ操縦のパラメータを判定することは、ホールドなし減速操縦が潜在的なＬＯＳを回避する時に、潜在的なＬＯＳを回避する最小の減速度を判定することを含むことができる。
【０１３０】
特定の実施形態では、フライトコントロールシステム１４０２は、第２の速さ操縦を実行するために航空機１４００の他のコンポーネントに制御信号を送ることができる。
【０１３１】
図１５は、速さ回避操縦を実行する方法の特定の実施形態の流れ図である。この方法は、１５０２で、第１の航空機と第２の航空機との間の潜在的な管制間隔の喪失（ＬＯＳ）を第１の航空機上で自動的に（たとえば、人間の介入なしで）識別することを含む。たとえば、第１の航空機は、図１、２、４、６、および１０の航空機１００または図１４の航空機１４００を含むことができる。
【０１３２】
この方法は、１５０４で、所定の速さ操縦を実行することがＬＯＳを回避するかどうかを自動的に判定することを含むことができる。１５０６で、所定の速さ操縦が潜在的なＬＯＳを回避しない時には、１５０８で、潜在的なＬＯＳを回避する非速さ操縦を判定することができる。
【０１３３】
１５０６で、所定の速さ操縦が潜在的なＬＯＳを回避する時には、１５１０で、潜在的なＬＯＳを回避する別の速さ操縦（たとえば、所定の速さ操縦以外の速さ操縦）のパラメータを自動的に判定することができる。速さ操縦のパラメータは、減速の量、減速の割合、およびホールド時間のうちの少なくとも１つを含むことができる。たとえば、速さ操縦のパラメータを判定することは、１５１２で、ホールド時間を判定することを含むことができる。別の例では、速さ操縦のパラメータを判定することは、１５１４で、減速の量を判定することを含むことができる。
【０１３４】
この方法は、１５１６で、パラメータに従って速さ操縦を実行することをも含むことができる。１５１８で、速さ操縦が実行される間に航空機の慣性進路を維持することができる。速さ操縦を実行することは、１５２０でパラメータに基づいて第１の速さから第２の速さに減速すること、１５２２でパラメータに基づいてある時間の期間にわたって第２の速さを維持すること、および１５２４で時間の期間の後に第１の速さまで加速することを含むことができる。
【０１３５】
したがって、本明細書で開示されるシステムおよび方法は、航空機上での管制間隔の喪失回避能力を提供することができる。たとえば、感知および回避システムなどの制御システムを、航空機に一体化することができる。この制御システムは、潜在的な管制間隔の喪失状態を識別することができ、管制間隔の喪失を回避するために操縦を実行することができる。この制御システムは、管制間隔の喪失を回避するために特定のタイプの操縦を実行できるかどうかを判定するために、所定のパラメータを使用して初期テストを実行することができる。特定のタイプの操縦が管制間隔の喪失を回避できる可能性があることを判定した後に、この制御システムは、やはり管制間隔の喪失を回避する、特定のタイプの過酷度の低い操縦を見つけることを試みることができる。そのような制御システムは、無人飛行機が、管制間隔の喪失に関する飛行安全ルールに違反せずに領空域を飛ぶことを可能にすることができる。
【０１３６】
本明細書で説明される実施形態の例示は、さまざまな実施形態の構造の全般的な理解を提供することを意図されている。これらの例示は、本明細書で説明される構造または方法を利用する装置またはシステムの要素および特徴のすべての完全な説明として働くことを意図されたものではない。多数の他の実施形態が、本開示を再検討する時に当業者に明白になる可能性がある。他の実施形態を利用し、本開示から派生させることができ、その結果構造的なおよび論理的な置換および変更を、本開示の範囲から逸脱せずに行うことができる。たとえば、方法ステップを、図面に示されたものとは異なる順序で実行することができ、あるいは、１つまたは複数の方法ステップを省略することができる。したがって、本開示および図面は、制限的ではなく例示的とみなされなければならない。
【０１３７】
さらに、特定の実施形態を図示し、本明細書で説明したが、同一のまたは類似する結果を達成するように設計されたすべての後続の配置を、図示の特定の実施形態と置換できることを了解されたい。本開示は、さまざまな実施形態の任意のすべての後続の適合または変形形態を包含することを意図されている。上記の実施形態の組合せおよび本明細書で具体的には説明されない他の実施形態が、この説明を再検討する時に当業者に明白になるであろう。
【０１３８】
要約書は、これが請求項の範囲または意味を解釈しまたは限定するのに使用されないことの理解と共に提出される。さらに、前述の発明を実施するための形態では、さまざまな特徴が、開示を簡素化するために、一緒にグループ化され、あるいは単一の実施形態で説明される場合がある。本開示は、特許請求される実施形態が各請求項で明示的に具陳されるものより多くの特徴を必要とするという意図を反映するものと解釈されてはならない。そうではなく、次の特許請求の範囲が反映するように、特許請求される主題は、開示される実施形態のいずれかの特徴のすべてより少ないものを対象とする可能性がある。
【符号の説明】
【０１３９】
１００  航空機
１０２  飛行管理システム（ＦＭＳ）
１０４  空対空通信システム
１０６  空対地通信システム
１０８  受動トラフィックセンサ
１１０  能動トラフィックセンサ
１１２  フライトコントロール
１１４  ビークル状態データ
１１６  データ融合マネージャ
１１８  Ａｕｔｏｍａｔｉｃ  Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ  Ｓｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅ  −  Ｂｒｏａｄｃａｓｔ（ＡＤＳ−Ｂ）システム
１２２  航空機衝突防止装置（ＴＣＡＳ）
１２４  回避マネージャ
１２６  代理パイロット
１２８  回避操縦システム（ＡＭＳ）
１３０  フライトディレクタ／オートパイロット
１３２  フライトコンピュータ
１３４  リモートパイロットデータリンク
２０１  最初の経路またはベクトル
２０２  直線航程
２０３  直線航程
２０４  直線航程
２０５  弧または旋回
２０６  弧または旋回
２０７  弧または旋回
２０８  弧または旋回
２０９  旋回半径
６００  第２の航空機
１１０２  速さ
１１０４  慣性進路
１４００  航空機
１４０２  飛行管理システム
１４０６  感知および回避システム
１４０８  プロセッサ
１４１０  メモリ
１４１２  命令
１４１４  パラメータ
１４１６  所定のパラメータ
１４１８  センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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