(57)【要約】  プロセッサは、パイロットからの入力を自動操縦装置からの制御信号と選択的に混合することにより、飛行制御システムに飛行指令を供給する。プロセッサは、現在の航空機の位置から始まり、飛行の積極性の程度に影響を与えるプロセッサによって選択可能な回復制約を使用して、連続的な反復を経て、予測回復軌道を生成する。脅威が予測回復軌道に沿って存在する場合に、検出システムは脅威の存在の状態を識別して発動する。最初の反復で脅威が存在している間のプロセッサは、許可されている混合したパイロットの入力により、最初のソフトな回復を指令する。その後の反復で脅威が存在する場合、プロセッサは、混合されたパイロット入力を減衰させながら、より積極的な回復を指令する。
2021535037.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パイロットの入力及び自動操縦システムからの飛行指令を受信することができる飛行制御システムを有する航空機のための危険回復システムであって、
パイロットの入力と自動操縦装置からの制御信号と選択的に混合することにより、前記飛行制御システムに、飛行指令を供給するようにプログラムされたプロセッサを備え、
前記プロセッサは、それぞれの現在の航空機の位置から開始し、飛行の積極性の程度に影響を与え、選択可能な回復の制約を利用し、連続的な反復を経て予測回復軌道を生成するようにプログラムされており、
予測回復軌道に沿って脅威が存在する場合に、脅威の存在状態を特定して発動する検出システムを備え、
（ａ）航空機が第１の程度の飛行の積極性で脅威を回避することを可能にするように選択された第１の回復の制約を使用して、予測回復軌道の第１の例示を飛行させるように自動操縦システムに命令し、
（ｂ）パイロットの入力に第１の重み付け係数を適用して、パイロットの入力と自動操縦制御との間の第１の程度の混合を生成する、
ように脅威が存在する状態の間、最初の反復で実行するように前記プロセッサにプログラムされており、
（ａ）前記プロセッサによって選択された第２の回復制約を使用して、航空機が第１の程度よりも大きい第２の飛行の積極性の程度で脅威を回避することを可能にするために、自動操縦装置に、予測回復軌道の第２の例示を飛行させるように命令し、
（ｂ）パイロットの入力に第２の重み付け係数を適用して、パイロットの入力と自動操縦装置の制御との間のパイロットの入力が減衰される第２の程度の混合を生成する
ように脅威が存在する状態の間、連続的な反復で実行するように前記プロセッサにプログラムされている、危険回復システム。
【請求項２】
回復に反するパイロットの入力の減衰量は、回復を補助するパイロットの入力の減衰量と異なる、請求項１に記載の危険回復システム。
【請求項３】
前記プロセッサは、前記検出システムが脅威の存在を確認したか否かに関わらず、予測軌道を連続して計算するようにプログラムされている、請求項１に記載の危険回復システム。
【請求項４】
前記プロセッサは、それぞれの一連の反復に対して、予測軌道を計算して脅威の存在を評価するように、一連の反復に対してプログラムされている、請求項１に記載の危険回復システム。
【請求項５】
前記プロセッサは、パイロットの入力が反復の度に減衰するように、脅威が存在する状態の間、重み付け係数を反復的に混合するようにプログラムされている、請求項１に記載の危険回復システム。
【請求項６】
前記プロセッサは、脅威に対する予測のマージンが増えた場合に、パイロットの入力がより早い混合の程度を生成することを可能とする混合状態に戻すようにプログラムされている、請求項１に記載の危険回復システム。
【請求項７】
前記検出システムは、共通の図式に従って複数の異なるタイプの脅威を認識するように構成されている、請求項１に記載の危険回復システム。
【請求項８】
パイロットの入力及び自動操縦システムからの飛行指令を受信することができる飛行制御システムを有する航空機のための危険回復システムであって、
先行の予測回復軌道を生成するようにプログラムされた前記プロセッサを備え、
前記プロセッサは、脅威が予測回復軌道に沿って検出されたときに、脅威が存在する状態を認識するようにさらにプログラムされており、
前記プロセッサは、脅威が存在する状態の間、最初に自動操縦に先行の予測軌道を飛行するように命令し、先行の予測軌道で検出された脅威を回避する危険回復システム。
【請求項９】
パイロットの入力と自動操縦からの制御信号を融合させ、パイロットの入力が飛行中の予測軌道を変更できるようにする信号融合システムをさらに含む、請求項７に記載の危険回復システム。
【請求項１０】
前記プロセッサは、パイロットの入力と自動操縦の制御信号入力との比率を混合するために、前記信号融合システムを制御するようにプログラムされている、請求項８に記載の危険回復システム。
【請求項１１】
前記プロセッサは、パイロットの入力と自動操縦からの制御信号を混合し、先行の予測回復軌道を飛行している間は、パイロットの入力と自動操縦装置の制御との間の第１の混合比率を生成し、後続する予測回復軌道を飛行している間は、パイロットの入力と自動操縦装置の制御との間の第２の混合比率を生成するように、信号融合システムを制御するようにプログラムされている、請求項７に記載の危険回復システム。
【請求項１２】
前記第１の混合比率とは異なる前記第２の混合比率でパイロット入力を減衰させる、請求項１０に記載の危険回復システム。
【請求項１３】
パイロットの入力及び自動操縦システムからの飛行指令を受信することができる飛行制御システムを有する航空機のための危険回復を実行する方法であって、
航空機に搭載された前記プロセッサを使用して、先行の予測回復軌道を生成し、
前記プロセッサは、脅威が予測回復軌道に沿って検出されたときに、脅威の存在状態を認識して脅威が存在する状態の間、まず先行の予測軌道を飛行するように自動操縦に命令し、
予測軌道で検出された脅威を回避するのに不十分である場合、後続の予測軌道をより積極的に飛行するよう自動操縦に命令する方法。
【請求項１４】
パイロットの入力と自動操縦からの制御信号を融合して、パイロットの入力で飛行中の予測軌道を変更できるようする、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
飛行中の予測軌道を変更するために使用される自動操縦制御信号の入力に対するパイロットの入力の比率を調整するために前記プロセッサを使用する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
パイロットの入力と自動操縦からの制御信号を融合させるセンサ融合システムを使用することと、
前記信号融合システムを制御するために前記プロセッサを使用して、先行の予測回復軌道を飛行している間に、パイロットの入力と自動操縦制御との間の前記第１の混合比率を生成し、後続の予測回復軌道を飛行している間、パイロットの入力と自動操縦制御との間の前記第２の混合比率を生成することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記第１の混合比率と比較して前記第２の混合比率はパイロット入力を減衰させる、請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１８年８月２７日に出願された米国仮出願番号第６２／７２３，１８７号（タイトル：航空機の飛行包絡線保護の構造）に基づいて優先権を有し、その全体の開示、図面や付録は、参照として本明細書に組み込まれている。
【背景技術】
【０００２】
本開示は、一般に、航空機の飛行包絡線保護システムに関して、特に航空機の予測軌道をモデル化し、航空機の制限違反及び地形回避の危険性についての航空機の包絡線保護システムに関する。
【０００３】
ここでは、必ずしも先行技術ではない本開示に関する背景技術を説明する。
【０００４】
航空機は、制御面において、一定の動作速度及び負荷の範囲内で動作するように設計されている。こうした動作範囲は飛行包絡線範囲として知られており、この範囲外においては、飛行機の損傷や制御不能を生じる可能性がある。さらに、航空機は、地上の地形や他の航空機などの物体と衝突を回避する軌道上で飛行する必要がある。従来の航空機は、飛行包絡線範囲外での動作や他の物体との衝突を防ぐため、航空機が飛行包絡線外で飛行しているか、又は現在の飛行経路上において、地面や他の物体と衝突する可能性があるかどうか判断するために、各側面を評価する多くの異なる保護システムや安全システムを利用している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
自動化システムは、包絡線違反や他の物体と衝突などの脅威から回復するために使用することができる。一般的に、このような回復システムは、脅威が検出されたときに、パイロットに警告を発するか、自動操縦システムがパイロットに代わって自動回復モードで動作することで、脅威から回復することを考慮して設計されている。従来の回復システムは、本質的には、二元であり、オン又はオフのどちらかであり、中間状態は存在しない。従来の二元的な回復システムでは、基本的な機能は行われるが、乗客の快適性にほとんど注意が払われていない。これは、パイロットがヘルメットをかぶり、脱出シートシステムに拘束され、ハードな回復時のＧ力を吸収するための準備をしている軍用ジェット機には適しているかもしれないが、商業用ジェット機やビジネスジェット機には適していない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
解決手段は、非二元的なシステムである。本開示のシステムでは、なめらかで乗員に安全でソフトな乗り心地が使用されているが、パイロットによる混合が許可されており、マージンが少なくなったり、改善に失敗したりすると、ソフトな乗り心地は自動的によりハードに回復するように混合される。
【０００７】
これを達成するために、プロセッサは、パイロットの入力と装置からの制御信号とを選択的に混合することにより、飛行制御システムに飛行指令を与える。プロセッサは、現在の航空機の位置から始まり、飛行の積極性の程度に影響を及ぼすプロセッサによって、選択可能な回復の制約を利用して、連続的な反復を経て、予測回復軌道を生成する。脅威が予測回復軌道に沿って存在する場合に、検出システムは脅威の存在状態を識別して起動する。最初の反復において、脅威が存在している間のプロセッサは、許可されているパイロットの入力との混合により、最初のソフトな回復を指令する。その後の反復で脅威が存在する場合、プロセッサは、混合したパイロットの入力を弱めながら、より積極的な回復を指令する。
【０００８】
一側面における本開示の概念は、パイロットの入力及び自動操縦システムからの飛行指令を受信することができる飛行制御システムを有する航空機のための危険回復システムを提供する。プロセッサは、パイロットの入力と自動操縦システムからの制御信号とを選択的に混合することにより、飛行制御システムに飛行指令を与えるようにプログラムされている。プロセッサは、それぞれ現在の航空機の位置から開始し、飛行の積極性の程度に影響を及ぼすプロセッサによって、選択可能な回復の制約を利用して、連続的な反復を経て、予測回復軌道を生成するようにプログラムされている。
【０００９】
検出システムは、予測回復軌道に沿って脅威が存在する場合、脅威の存在状態を識別して起動する。この脅威が存在する状態の間、プロセッサは、第１の反復を実行するようにプログラムされている。例えば、（ａ）航空機が、第一の程度の飛行の積極性で、脅威を回避が可能できるように選択された第１の回復の制約を使用して、予測回復軌道の第１の例示を飛行するように自動操縦システムに命令し、（ｂ）パイロットの入力に第１の重み付け係数を適用して、パイロット入力と自動操縦制御とで第１の程度を混合し、生成する。
【００１０】
脅威の存在する状態が後続の反復（例えば、次の反復）の間で継続する場合、プロセッサは、回復の積極性を高め、パイロットの入力を選択的に弱める。脅威が存在する状態の間のプロセッサは、後続の反復で実行するようにプログラムされている。例えば、（ａ）第１の程度よりも大きい第２の程度の飛行の積極性で、航空機が脅威を回避することを可能にするように、プロセッサによって選択された第２の回復の制約を使用して、予測回復軌道の第２の例示を飛行するように自動操縦に命令し、（ｂ）パイロットの入力に第２の重み付け係数を適用して、パイロットの入力を弱めるようなパイロットの入力と自動操縦制御との間の第２の程度の混合を生成する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
本明細書の図面は、選択した実施形態のみを例示するために記載されたものであり、全ての実施形態を例示するものではない。したがって、図面の特定の選択は、本開示の範囲を制限することを意図するものではない。
【００１２】
【図１】図１は、包絡線保護機能を実行するためのステップを実行するようにプログラムされたプロセッサと合わせて、脅威となる包絡線及び軌道座標のデータ構造を示すブロック図である。
【図２】図２は、本開示の共通の図式及び運動エネルギーモデルによって使用される特定の力ベクトル及び角度を理解するための航空機の概略図である。
【図３】図３は、共通の図及び運動エネルギーモデルによって使用される特定のエネルギー値を理解するための、例示的なエネルギー及び物体の脅威を伴う予測軌道を示す航空機の概略図である。
【図４】図４は、ｎ次元の脅威空間と軌道座標空間（時空間）との関係を示すデータモデルブロック図である。
【図５】図５は、最初に遭遇したトリガが航空機の保護応答を開始するためにどのように使用されるかを説明するための、１つの実行可能な軌道及び２つの非推奨の軌道の詳細図である。
【図６Ａ】図６Ａは、航空機の高度対地形包囲率のグラフであり、先行技術のシステムにおいて、通常、異なるパイロットに警告メッセージが生成される領域を示す。
【図６Ｂ】図６Ｂは、地形の上を飛行する航空機の図であり、先行技術のシステムにおいて、地形の勾配に関する仮定が信頼できるような望ましい場合、通常、異なるパイロットに警告メッセージを発信する場所を示す。
【図６Ｃ】図６Ｃは、最初に地形の上を飛行する航空機の図であり、先行技術のシステムにおいて、地形の勾配に関する仮定が実際の地形と一致しないような望ましくない場合に、地形との衝突が先行技術のシステムによって回避されないような場合に、異なるパイロットに通常警告メッセージを発信する場所を示す。
【図７】図７は、脅威回避のために予測軌道を反復的に修正する様子を示す説明図である。
【図８】図８は、非二元的な協働回復システムのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下の詳細な説明は本質的に単なる例示的なものに過ぎず、本発明又は本発明の適用及び用途を限定することを意図したものではない。さらに、本発明の先行する背景や以下の詳細な説明で提示された理論に縛られることを意図するものではない。
【００１４】
以下、添付図面を参照して、本発明の望ましい実施形態を説明することにより、本発明を詳しく説明する。各図面に付された同じ参照符号は、同じ部分を示す。
＜導入＞
【００１５】
本開示の航空機飛行包絡線保護システムは、飛行経路予測技術を使用して、航空機の飛行状態の全方位にわたって作動し、様々なタイプの危険に対処するために、統一した完全な包絡線保護を提供する。飛行経路予測は、運動エネルギーモデルを使用して航空機の現在の状況から継続的に計算される。複数の予測軌道が計算され、それぞれが危険の閾値又はトリガポイントに達したときに、危険状態から回復するための異なる脱出ルートを表す。このシステムは、さまざまな種類の危険に注意し、速度や高度の制限などの航空機の固有の特性を扱うものもあれば、地形や物体の回避などの外部的な事柄を扱うものもある。本開示の航空機飛行包絡線保護システムは、全てのそうした脅威となる包絡線範囲に渡って動作するように設計されている。
【００１６】
包絡線保護システムは、複数の軌道を計算するが、継続して評価を行うことで、現在の航空機の状況で実行不可能な軌道は非推奨とする。非推奨な軌道が再び実行可能になるように航空機の状況が変化しない限り、非推奨な軌道はシステムによって実行不可能として扱われる。本開示の保護システムはバックグラウンドで動作し、実行可能な予測軌道が1つだけ残っている（他の全ての予測軌道は非推奨となる）場合、脅威が起こるまで、パイロットの権限を無効にしたり、奪ったりしない。この場合、保護システムは、危険状態から回復するための回避行動を取るために、自動的に自動操縦となる。保護システムは、パイロットへ警告を発することもあるが、残っている実行可能な軌道がトリガポイントに到達した後、回復行動を取るためにパイロットに依存しないことが好ましい。
【００１７】
好ましくは、予測包絡線保護システムは、一方では乗り心地がよいソフトな回復で、他方ではハードな回復で、乗客に安全な回復行動の非二元的な方法を提供するように構成される。差し迫る脅威を回避する必要がある場合、システムはハードな回復を行う。しかし、回復するまでの時間があり、それほど極端ではない状況では、システムはソフトな回復（乗客にとって安全で滑らか）を行う。このようなソフトな回復が行われると、システムは任意でパイロットからの入力を回復のアルゴリズムに混ぜ、パイロットの能力と経験に基づいて回復の強度を変更できる。非二元協働回復システムの詳細な説明を行う前に、予測軌道がどのように作られているかを理解しておくと役に立つ。非二元協働回復システムは、脅威が検出された場合に起動され、該当する（最後に残った）予測軌道を使用する。非二元協調回復システムの詳細は、後述の＜非二元的な協働回復＞の項で説明する図７において示されている。
【００１８】
図１において、本開示における航空機の脅威包絡線保護システムの一実施形態は、航空機２８に関連した複数の異なる脅威タイプ２４が記憶されている所定の脅威包絡線データ構造２２に従って構成されたメモリ回路２０に関するプロセッサ１０を使用して実施される。プロセッサ１０及び関連するメモリ回路２０は、航空機２８に乗せられるのが好ましい。データ構造２２は、図１の脅威タイプ２４において列状で示されているように、異なる脅威タイプ２４にそれぞれ対応する記録のテーブル、リスト、又はマトリクスで構成されていてもよい。それぞれの脅威タイプ２４は、対応するトリガ条件２６が記憶されている。これらのトリガ条件２６は、ｎ次元の脅威空間に基づく共通構造又は共通図式を使用してパラメータ化され、特定の脅威条件がどのような条件で到達したかをプロセッサ１０に伝える。脅威空間の共通の図式の次元は、異なる脅威条件の全方位を、共通した最小の基本変数のセットを利用して示すことができるように選択することが重要である。現状好ましい基本変数のセットは、＜運動エネルギーモデル＞というタイトルの段落で説明する。
【００１９】
また、メモリ回路２０は、時空座標変数３２に関して、複数の軌道を記憶する軌道座標データ構造３０をサポートするように構成される。説明のために、時空座標変数３２は、直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）を用いて特定している。他の座標系（例えば、球面）を使用してもよい。
＜予測軌道の生成＞
【００２０】
軌道座標データ構造３０は、存在している時空座標の変数（モデル化された各予測軌道に対して別々に）の列から成り、それによって時空における回復軌道の形状を定める。説明のため、プロセッサ１０は、４０において、予測軌道の生成するステップを実行するようにプログラムされており、４２の時空の図で説明されているように、複数の回復予測軌道が時空座標で定義されている。各予測軌道は、航空機の現在の状態を出発点として、各回復操作がその時点で開始されたと仮定して計算される。
【００２１】
ここで示している例は、３つの予測軌道がプロセッサ１０によって生成されている。本開示の残りについては、３つの予測軌道を説明する。所定の実施形態として、異なる軌道の数が、複数の軌道の実際のセットを定義するように使用されても良い。民間機又はビジネスジェット機では、通常、脅威から乗客に安全で回復を滑らかに行うため、３つの予測軌道が適している。軍用機のような、反転飛行又は超低高度飛行することが要求されるような可能性のある航空機においては、より多くの予測軌道が望ましい。
【００２２】
プロセッサ１０が複数の軌道におけるそれぞれの時空形状を決定する様々な方法がある。一実施形態では、軌道の時空形状は、保護システムが組み込まれている航空機の類では、適切な一連の既知の危険回復操作に対応して、事前に定義した標準化されたセットの解曲線に従っている。通常、これらの曲線は、訓練を受けたパイロットが特定の危険から回避する飛行を行う可能性が高いものに基づいているものである。これらには、例えば、上昇、急降下、左旋回、及び右旋回の標準的な一連の操作を含み、乗客の安全と快適さを最大化するために、特定のパラメータ（例えば、上昇角度と傾斜角）が選択されてもよい。他の実施形態では、異なる種類の操作が一緒となった複合回復操作が使用されてもよい。例えば、ビジネスジェット機は、最適な安定状態の上昇を行いながら、最終の上昇操作の前に急上昇操作を行って、過剰な対気速度を高度に交換する複合した操作を採用する場合がある。この実施形態では、ビジネスジェットを含む多くのタイプの航空機にとって、比較的少ないの事前に定義した解曲線の標準化されたセット（例えば、３つの予測軌道）で十分である。比較的少数の解曲線と少数の基本的な運動エネルギー変数を使用することで、プロセッサ１０への負荷が最小限に抑えられる。軌道は継続的に再計算されるため、いくつかの基本的な変数に基づいて、解のセットが少数の予測軌道のみに縮小されたとしても、システムは良好な結果を生成する。もちろん、特定の航空機アプリケーションで、より多くの解が必要な場合は、プロセッサ１０により、多くの軌道を計算するようにプログラムしたり、追加の変数をサポートすることができるように計算を拡張してもよい。より多くの情報量が必要な場合は、並列処理技術及びプログラム可能なゲートアレイ回路部品を利用して、プロセッサ１０を強化又は交換することができる。
【００２３】
少数の標準化された事前定義済み解曲線のセットから予測軌道を生成する代わりに、プロセッサ１０は、保存されてる事前設定済みの解曲線のセットを、特定のタイプや脅威の種類から最適な回復のために組み込まれている種々の群から選択するようにプログラムしてもよい。したがって、失速する危険から回復するために選択された解曲線の群は、上昇限界の危険から回復するために選択された解曲線群とは異なる場合がある。どの解の群を採用すべきか評価するために、プロセッサ１０は、現在の航空機の状態をｎ次元の脅威空間で予測して、現在の航空機の状態に最も近い脅威の群がどの脅威の群にあるかを決定することができる。そうすることで、プロセッサ１０は、どの脅威が最も差し迫っているのかをリアルタイムで判断し、現在の状況に最も適した事前定義済みの解曲線の群に基づいて、予測軌道モデルを作り上げる。
＜各予測軌道の脅威トリガポイント関連＞
【００２４】
軌道が生成されるのと平行して、又は連続して軌道が生成された後、プロセッサ１０は、４４のステップにおいて、脅威包絡線データ構造２２内で識別された脅威に対応する適用可能なトリガポイントを、予測したそれぞれの軌道に沿った時空間のポイントに関連付ける。どのような軌道についても、最初は脅威が検出されない場合がある。しかし、航空機が飛行し続け、軌道が継続的に再計算されると、ある時点で脅威が検出される可能性があり、この脅威（最初に検出された）は、該当する場合においては各軌道のトリガポイントとして関連付けられる。４６の時空間に図示されているように、これらのトリガポイントは、航空機が回避又は回復行動を開始する必要がある脅威の応答限界に到達するときの時空間の軌道に沿ったポイントを表す。
【００２５】
なお、生成された予測軌道は、パイロット（又は自動化されたシステム）が従うか選択する可能性のある様々な仮定の軌道を表していることを再度強調する。これらの軌道は、それぞれ連続的に生成されているため、全て未来の航空機の状態を表してる。航空機の現在の状態は、未来の予測軌道が分岐する開始点又は特異点にある。予測軌道が複数ある限り、パイロット自身は望む進路を自由に選ぶことができる。パイロットが飛行する進路を選択したとしても、プロセッサ１０は、単に未来の所定の軌道に対する解を再計算する。
＜非推奨とされる実行不可能な予測軌道＞
【００２６】
航空機が飛行し続け、予測軌道を連続的に再計算している際、ある軌道が実行不可能になる場合がある。これは、例えば、航空機が予測軌道操作を実行するために十分なエネルギーが不足している場合や、予測軌道操作が速度制限を違反し、航空機に損傷を与える場合で発生する可能性がある。また、予測軌道が航空機を損傷させる大きな運動量を持つ物体が進路上に配置されている場合にも発生する可能性がある。プロセッサ１０は、４８のステップで、これに基づいて予測軌道のそれぞれを評価し、実行不可能な軌道を廃止又は非推奨とする。図１の５０においては、２つの予測軌道が点線で示され、非推奨になったことを示している。
【００２７】
非推奨となった軌道は、その後の保護応答では使用されない。しかし、軌道の解はプロセッサ１０によって継続的に更新されるため、非推奨となった軌道は、非推奨の原因となった条件が解除されると、実行可能な状態に戻る可能性がある。例えば、ある軌道が、他の航空機との衝突進路上にあるために非推奨とされ、他の航空機が衝突範囲外に移動した場合、プロセッサ１０は非推奨状態を解除することで、その軌道を実行可能なものとして復活させる。
＜保護応答の開始＞
【００２８】
図１の５２で図示されているように、プロセッサ１０は、実行可能な軌道が１つだけ残っている（他の全ての軌道が非推奨となっている）状態になると、保護応答を開始する。この応答は、パイロットに警告又は注意メッセージを送信することを含み、パイロットはそれを聞いても聞かなくても良い。聞くか聞かないかにかかわらず、プロセッサ１０によって開始される応答反応は、最初に遭遇する脅威を回避する又は逃れるように計算された軌道上に航空機を乗せるよう設計されている。これを行うために、プロセッサ１０は、1つ以上のコマンドを自動操縦システムに送信するが、その詳細については後述する。
【００２９】
図５は、この重要な危険回復応答プロトコルをより詳細に示している。図示しているように、軌道６２及び６４が非推奨である一方で、１つの軌道６０は実行可能なままである。実行可能な軌道６０に沿って、最初に発生した脅威６６は、保護応答が開始されるトリガとなる。保護応答が開始されると、航空機は予測軌道に従って飛行する。つまり、予測軌道が後に続く予測軌道の反復的な更新からの変更（もしあれば）を受けて、航空機が飛行する実際の軌道の例となっている。図示しているように、予測軌道は、６８のような地形の脅威を越えるために事前に計算されている。このように、６６における最初に発生した脅威（例えば、機首低状態による速度違反など）によってトリガされた場合、６８での地形の脅威を回避するように設計し、予測軌道の形状を計算する方法が用いられている。
＜運動エネルギーモデル＞
【００３０】
プロセッサ１０によって使用される現状好ましい最小の基本変数のセットは、航空機２８の物理的位置、そのエネルギー状態、及び軌道に影響を与える航空機２８に作用する力の観点から、予測軌道を定義する運動エネルギーモデルに依存している。この点で、航空機２８２の長手方向軸に垂直な力（法線力）は軌道の方向を変え、一方、航空機２８の長手方向軸に接線方向の力（接線力）は、その軌道に沿って航空機２８の速度を変える。
【００３１】
一実施形態では、ｎ次元の脅威空間の共通図式は、最小の基本変数の集合であるＮｚ、Φ、Ｐｓ及びγによって表される。図２に示すように、Ｎｚは、法線力（航空機の長手方向軸に対して、法線方向又は垂直に作用する力）を表す。図２では、航空機２８の長手方向軸が紙面へ向いている。この法線力Ｎｚは、航空機２８に作用するｇ力も表している。航空機２８が水平で安定状態で飛行しているときには、航空機２８に作用するｇ力は重力の力である。しかし、傾斜角がゼロではない状態で飛行しているときには、ｇ力の向きが変化する。
【００３２】
図３で示しているように、航空機２８のエネルギー状態は、航空機の速度に関係する運動エネルギー３６（ＫＥ＝１／２ｍｖ２、ここで、ｍは航空機の質量、ｖは速度）と、加速度を生成するために利用可能なエネルギーである位置エネルギー３８の２つの成分から構成されている。位置エネルギー３８には、航空機２８の高度に応じて増加する航空機高度成分（ＰＥ＝ｍｇｈ（ｍは航空機の質量、ｈは航空機の高度、ｇは重力定数））と、エンジンの出力を増加させることによって生み出される付加的な推力の量を表し移動可能である保存エネルギー成分が含まれている。航空機２８の運動エネルギー３６及び位置エネルギー３８の計算のために使用する測定可能な変数は多くあるが、一実施形態では、運動エネルギー３６は、真対気速度（ＴＡＳ）から得られ、位置エネルギー３８は、航空機２８の高度、余剰出力Ｐｓ（利用可能な推力から抗力を差し引いたもの）、及び飛行経路角度γから得られる。余剰出力Ｐｓは、航空機２８の重量に依存しないように正規化されており、Ｐｓは重量に依存しないエネルギーの項となっている。Ｐｓ＝０の場合は、利用可能な余剰出力がないことを意味し、全ての力がただ抗力に打ち勝っていることを意味する。Ｐｓ＝０の状態では、機首を下げて加速したり、機首を上げて減速したりすることができる。この効果は、飛行経路の角度（機首高、機首低の角度）を表す用語γで説明される。角度γが０でなくなると、運動エネルギー３６と位置エネルギー３８は交換される。すなわち、機首高角度では、運動エネルギー３６をいくらか上げて位置エネルギー３８を増加させ、逆に機首低角度では、位置エネルギー３８をいくらか上げて運動エネルギー３６を増加させる。
【００３３】
これらの変数は、図４に示されたｎ次元脅威空間８０内の脅威を表すために使用されてもよく、また、ｎ次元脅威空間８０と軌道座標空間８２との間のデータを変換するために運動エネルギーの関係を使用して、予測軌道に沿った時空間内の未来の位置における航空機２８の位置及びエネルギー状態を計算するために使用されてもよい。運動エネルギーの関係による変換は、時空間における航空機の軌道座標（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）に対応する航空機２８のＰｓ、Ｎｚ、Φ、gの脅威空間の値に関する運動エネルギーの関係を用いて、プロセッサ８４にプログラムすることによって実行されてもよい。
【００３４】
本開示の予測的な航空機脅威包絡線保護システムは、最小の基本的な変数のセットを採用した共通の図表を使用して、全ての脅威を表現することができる独自のデータモデルのため、完全な包絡線保護を提供することができる。図４に示すように、本開示の脅威包絡線保護システムは、本質的には、最小限の変数セットに基づいた運動エネルギーデータモデルと、データモデルの主要な構成要素を結びつけるプロセッサの構成を採用している。データモデルの重要な構成要素は、力変数（Ｎｚ、Φ）とエネルギー状態変数（Ｐｓ、g）の組を用いて、全ての脅威を表すｎ次元の脅威空間８０を定義している。予め分かっている保護すべき脅威は、脅威包絡線データ構造２２（図１）に事前に登録されている。事前にわかっている脅威は、例えば、失速限界、速度超過限界、速度不足限界などの様々なエネルギー限界に関連する脅威が含まれる。これらの限界は、航空機の設計時に判明するが、そのほか飛行中に計算されるものもある。
【００３５】
データモデルのもう一つの重要な要素は、時空変数（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）の観点から軌道の座標空間を定義することである。地形の物体や他の航空機（空間を占有する物理的物質の両方の例）のような脅威は、物体の位置に基づいて、座標空間でより容易に表される。例えば、システムは、飛行中に遭遇する可能性がある山などの地形物体の物理的な位置を格納するために、地図データを利用してもよい。このシステムは、エネルギーの脅威と物質の脅威の両方をモデル化することができる。例示のために、図３では、２つの脅威が航空機の軌道上にある。エネルギーの脅威５６（例えば、航空機の失速限界）と物質の脅威５８（例えば、山のような地形物体）である。
【００３６】
これら２つのデータモデルの構成要素を結びつけるため、プロセッサ１０（図１）が軌道座標空間８２内の予測軌道を計算するために、ＧＰＳなどの適するセンサから得られる現在の航空機の位置８６と、脅威空間８０内の力変数及びエネルギー状態変数を用いて、変換プロセッサ８４として機能するように、プロセッサ１０には必要な運動方程式がプログラムされている。また、必要に応じて、変換用のプロセッサ１０は、例えば航空機の現在又は予測した未来の位置が包絡線脅威限界と交わるかどうかを評価するために、軌道座標空間８２内の点を脅威空間８０内に予測することができる。
＜完全包絡線保護＞
【００３７】
本開示の航空機飛行包絡線保護システムによって提供される完全包絡線保護には、関連する側面が２つある。すなわち、（１）本開示のシステムによって与えられる保護は、最も一般的に危険なことだけでなく、全ての状況をカバーしており、（２）本開示のシステムは、複数の異なる脅威状態を同時に処理する。これは、単一の脅威に限定されない。第１の側面を説明すると、システムは、飛行包絡線の中心部や最も一般的に危険であるという条件だけでなく、全ての状況で保護を行うように設計されている。例えば、従来の超過速度保護システムは、翼面が水平に近いときにしか機能しない。非常に高い傾斜角では、超過速度保護は抑制されてしまう。この理由は論理的であり、超過速度保護は、航空機を減速させるために、機首を引き上げることによって機能する。航空機が非常に高い傾斜角にある場合、例えば機体が反転している場合、機首を上げたとしてもこの問題は軽減されるどころか悪化する。本開示のシステムにおける完全包絡線保護は、そのような制限がなく、航空機の飛行条件の全方位にわたって機能する。
【００３８】
第２の側面を説明すると、システムは、単一の脅威だけでなく、全ての脅威に対して完全な保護を行うように設計されている。例えば、従来の強化された地上接近警報システム（ＴＡＷＳ）では、地上への衝突に対する保護が提供されている。しかしながら、低速保護は提供されない。従来は、低速保護のために、別個で低速保護システムが提供されていた。一方で、本開示の航空機飛行包絡線保護システムでは、単一のシステムで、全ての脅威に対する保護を提供する。単一のシステムで全ての脅威を処理することで、連結されたシステムで生じ得る衝突を回避している。
【００３９】
具体的には、ＴＡＷＳや低速保護機能を搭載した航空機が、低速で地面に衝突するという事故が発生している。連結されたシステムは、他のシステムとの前提を認識していないことが問題である。例のケースでは、航空機は低速で飛行しており、すぐに上昇できないほどの低速であったにもかかわらず、失速状態に近いものではなかったため、低速保護が発動されなかった。地上接近システムは、航空機が滑走路へ降下中であり、上昇能力があると想定していたため、作動しなかった。どちらのシステムも、他方のシステムが脅威に近接していること、及び他方のシステムが速度及び高度に関して行った仮定を認識していなかった。本開示の航空機飛行包絡線保護システムは、全ての関連するパラメータを完全に認識した状態で、全ての脅威に対する保護を行うシームレスな包括的システムを提供している。
＜予測可能包絡線保護＞
【００４０】
従来の包絡線保護システムは、想定に基づいた経験則を用いて、差し迫る包絡線の逸脱を乗組員に警告するため、いつ警報を発生させなければならないかを判断する。設計したものは、想定されるケースに近い場合では、こういったシステムはある程度よく機能する。しかしながら、設計点と大きく異なるケースでは、システムの性能が低下したり、まったく機能しない。もう一度、経験則のみを用いた従来のＴＡＷＳについて検討する。
【００４１】
例として、従来のＴＡＷＳシステムが図６Ａに示されている。この従来のＴＡＷＳは、上昇警報のタイミングを決定するために、無線高度計の高度と変化率を使用する。図６Ｂに示すような計画通りの条件の下においては、警報は、邪魔になるほど早くはなく、パイロットが反応し、起伏のある地形を通過するために上昇を開始する十分な早さのポイントで鳴る。この方法の精度は、２つの要因に依存する。
【００４２】
まず、航空機の前方にある地形が、現在測定中の地形とある程度一致している必要がある。システムは、現在の地形のクリアランスとその変化率を見るが、地形の勾配が変化すると、クリアランスが確保できない可能性がある。図６Ｃは、地形の勾配が現在の勾配から大きく変化した場合にどうなるかを示す図である。図６Ｃに示すように、航空機前方で地形勾配が大きくなると、クリアランスが確保できない可能性があることがわかる。
【００４３】
次に、この種の従来のシステムの精度は、予想した外形を飛行することが可能であるという構成の航空機の性能に依存してる。図６Ａ〜６Ｃを再度見てみると、図示された航空機の軌道は、起伏のある地形の上を上昇できると仮定されている。これは、正確であるかもしれないし、正確でないかもしれない仮定である。従来のＴＡＷＳシステムでは、上昇性能が、海面の時よりも著しく落ちてしまう高い地形の時を考慮していない。また、総重量の影響やエンジンの故障状況も考慮していない。予想しているケースが包絡線の全体には及ばない可能性がある。一方、本開示の予測システムは、事前に計算された経験則に頼らず、代わりに現在の条件を見て、上昇性能を予測する。本開示の予測システムでは、航空機の前方にある実際の地形が使用され、実際の上昇能力が使用される。これを実行するために、航空機の上昇能力に影響を与える重要な要因がリアルタイムで考慮され、実際の地形形状と現在の上昇能力が比較され、正確な警告開始の決定をする。全ての上昇能力に影響を与える要因を考慮することができるが、実際の実施形態では、通常、適切なレベルで忠実性を確保するための十分な要因のみを考慮する必要があり、影響がなく重要でない要因は除外することができる。
＜運動学的エネルギー方法のモデル＞
【００４４】
上述したように、本開示の予測軌道保護システムは、何が起こり、なぜそれが起こるかにだけ関心があり、運動学的モデル化を行う。また、航空機の物理的位置とそのエネルギー状態に関連する予測軌道を計算する。そして、その運動を引き起こす力やモーメントには関心がなく、運動が何であるかにのみ関心がある。その結果、昇降舵の有効性、静的な縦方向の安定性、短い期間の周波数及び減衰比などのパラメータ、及び他の多くのパラメータは、意味をなさない。本開示の予測システムは、将来の軌道を予測するために、その軌道へ影響を与える力にのみ関心を持つ必要がある。
【００４５】
この点で、通常の力は軌道の方向を変化させ、接線方向の力はその軌道に沿った速度を変化させる。この点を考慮すると、本開示のシステムは、Ｐｓ、Ｎｚ、Φ及びγだけを見ることで、うまく３次元の軌道をモデル化する。垂直方向の軌道は、航空機の現在の構成及び飛行条件を使用して、容易にモデル化できるＮｚの垂直成分にのみ依存する。Ｎｚの発生率と安定状態のＮｚを用いた単純なモデル化でも、正確な軌道をモデル化するのに十分である。水平方向の軌道は、Ｎｚの水平成分にのみ依存する。傾斜角は、Ｎｚの鉛直成分と水平成分の配分を決定し、ロールは現在の機体構成と飛行条件から導き出されたロール開始率と安定状態のロール率を用いて十分にモデル化することができる。
【００４６】
軌道に沿って発生する速度変化は、軌道の垂直方向の成分とその時の航空機のＰｓにのみ依存する。Ｐｓは比余力であり、航空機が上昇や加速に使用できる余力がどれだけあるかをシステムに伝える。航空機が水平飛行中で、Ｐｓがゼロに等しい場合、航空機は現在の速度を維持する。Ｐｓが＋１００ｆｔ／secであれば、水平飛行中に加速する。Ｐｓが＋１００ｆｔ／secであっても１００ｆｔ／secで上昇中であれば、対気速度を一定に保ちながら上昇する。このように、現在の上昇と、フィート/秒で表される上昇能力を利用することで、航空機の未来の速度状態を正確に予測することができる。図３は、運動学的モデル化とエネルギー法を用いた、モデル化手順の１回の反復ステップを示している。
＜高速計算モデル＞
【００４７】
上述した予測方法は、リアルタイムで実行するため、計算量が多くなり得るので、本開示の実施形態のために開発された有用な技術である。まず、対気速度の包絡線保護を行うためには、未来の対気速度の正確な予測が必要である。モデル化された真対気速度(ＴＡＳ)から、校正対気速度(ＣＡＳ)とマッハ(ＭＡＣＨ)を計算すると、計算量は多くなる。また、正確なＰｓにおいても、計算量は多くなる。こうした計算の問題を解決するための方法の一つとして、ルックアップテーブルを使用する方法がある。もう一つの方法は、公称値（２５０ＫＣＡＳ，Ｍｉｄｗｅｉｇｈｔ，ＳＴＤ．．．．）を、高度の関数としてのＰｓに線形又は二次曲線で当てはめ、公称値以外の条件の場合にはＰｓのデビットを使って混合する。このようなデビットには、対気速度（高度の関数として）のデビット、スピードブレーキのデビット、シングルエンジンのデビット、標準的な日の温度のデビットなどがある。これらは計算されたデビットから加算／減算することができる。多くのパラメータは、モデル化中に一度だけ計算することができる。例えば、各反復モデル化に対して、緯度及び長手方向の風の流れを事前に計算しておき、その後の各反復の際に使用することで、風の流れは同じになる。
＜複数軌道＞
【００４８】
好ましい実施形態の一つとして、本開示の予測システムは、警告／回復開始時間を予測するための３つの主な軌道を使用する複数軌道システムである。別の実施形態では、航空機の反転（逆さ）状態からの回復が可能であり、６つの主な軌道を使用する。複数軌道について説明する前に、まず、単一の予測軌道システムと、それがどのように警告システムに実装されるかについて考える。単一の予測軌道システムにおいて、システムは現在の状態を見て、その時点から回復が開始されると仮定する。予測される回復はその後、保護する脅威に近付いているかどうかを、モデル化してテストする。例えば、航空機が地上に向かって急降下している場合、システムは機首を低くして回復することを予測し、対気速度制限と地形の両方に近接しているかどうかをテストする。限界値を超えておらず、マージンがあれば警告は発せられない。限界値を超えていたり、マージンが許容できないほどない場合は、例えば「上昇」などの回復警告が発せられる。多くの場合において、単一の軌道で十分である。平坦な地形に対して機首低の場合、回復に良い方法は一つだけで、それは翼を水平にしてパワーを落とし、地形と対気速度の限界がなくなるまでＮｚを回復させるように上昇させることである。
【００４９】
複数の予測軌道（例えば、好ましい一実施形態では６つの軌道）を支持する理由は、航空機が砂漠の単一のビュートに向かって水平飛行している第２の例によって説明することができる。このような場合、使用される可能性のある二つの予測軌道がある。パイロットは、左又は右に旋回して山頂を回避するか、又は進路を維持して山頂の上を越えて飛ぶことで山頂を回避することができる。ここで、どの時点でシステムが「上昇」の警告を出すべきかということが疑問としてある。水平に旋回するのが最善ということはおそらく全くない。この問題の解決策は、複数の軌道を使用することである。パイロットは、複数の危険を逃れる選択肢を持っているため、システムはそうした選択肢それぞれをモデル化する。山頂の例では、左旋回、右旋回、上昇の３つの軌道をモデルにしている。1つの軌道が制限に違反していたり、マージンがなくても、他の軌道で通過できるならば、パイロットには他の選択肢のマージンがあるため、警告は出ない。警告が発せられるのは、実行可能な軌道が1つしかなく、その軌道がトリガポイントに到達した場合のみである。したがって、ビュートの例では、左旋回と右旋回が除外されている場合、上昇軌道のマージンが希望の閾値を下回った場合に、「上昇」が発せられる。別のアプローチや地形の種類によって、上昇の軌道が除外された場合、それぞれの軌道が最後に利用可能な軌道であり、そのトリガのマージンに達したときに、「左旋回」又は「右旋回」の警告が発せられる。
【００５０】
繰り返しになるが、パイロットは複数の回避する選択肢を持っているので、１００％の保護を提供する１００％妨害のないシステムは、可能性のある全ての回避選択肢を考慮しなければならない（そしてモデル化しなければならない）。現実的な実施形態では、システムは通常、全ての選択肢をモデル化することはないが、それぞれの異なる軌道タイプの解決方法の代表的な例で十分である。例えば、ビュートの場合では、１０度の傾斜で右旋回の上昇、１５度の傾斜で右旋回の上昇などが可能である。それぞれの軌道を少しずつ調整することで、無限の軌道を作ることができる。しかしながら、３０度の傾斜と２９度傾斜の軌道は、機能的に区別がつかない。そのため、警告を防ぐためには、回復の全範囲をモデル化する必要がある。ビジネスジェット機については、地形回避のために最低三つの軌道と、速度制限のために一つの軌道を使用すると、非常に良好な結果を得られることが判明している。一実施形態に係る例示的な軌道は、高度の上昇、及び３０度の傾斜の左右の上昇の旋回を含む。七つの軌道及び無限の軌道システムも採用されてもよい。こうしたより多くの軌道は、例えば、地上の表面近くを飛行する操作を必要とする軍事システムで有用となる可能性がある。
【００５１】
３つの（３個の）主な軌道が最小セットを表すのに対し、より好ましい実施形態としては、６個の主な軌道に基づくものがある。理由として、上述した３つの軌道のそれぞれをすぐに開始できるとは考えられないからである。例えば、高度へ上昇する際、安定的な上昇を開始する前に、機首高の回復を行い、上昇速度を上げる必要のある可能性がある。ここでは、３つの最終的な上昇を最終上昇又は直上昇と呼ぶ。システムによっては、航空機は、常に最終安定上昇を直ちに行える位置にいる。ビジネスジェット機では、最適な安定状態での上昇を捉えながら、過多な対気速度を高度に変換するために、最終上昇に先立って、急角度で上昇が多々行われる。場合によっては、最終上昇のための出力を全開にすることができる姿勢になる前に、まず機首低の回復を開始し、対気速度をコントロールするための出力を残しておく必要がある。航空機は、２方向の機首高回復と２方向の機首低回復（最短方向でロールして水平になるか、垂直方向にロールして水平になる）を行うことができる、合計６つの軌道がある。
【００５２】
上記では、６つの軌道が主な軌道として選択した。必要に応じて、実施形態はまた、他の目的を達成するために、追加の軌道でサポートしてもよい。例えば、適する軌道が発見されると、より正確な警告開始の決定を助けるために、２秒間の遅延時間で、再度実行することができる。また、必要に応じて、より積極的な回復モデルを使用して、好ましい軌道を再度計算してもよい。このより積極的な回復モデルは、最初に計算された優先軌道と混ぜ、ソフトな乗り心地とハードな乗り心地の回復の選択肢を調和させるのに役立つ。
＜自動＞
【００５３】
予測航空機飛行包絡保護システムは完全自動システムであり、パイロットの介入に頼らないことを意味する。システムは、パイロットに警告を与えることができ、おそらく与えるべきであるが、システムは自動であり、保護を提供するのにパイロットへ警告を出すことには左右されない。このため、いくつかの追加的な考慮事項が必要となる。第一に、予知警告を有効にするシステムが必要である。包絡線保護操作を実行するために、何らかの形の自動操縦を実装する必要がある。その自動操縦は、ロールやピッチだけでなく、空力ブレーキとスロットルの全権限を持っていなければならない。さらに、システムは、エンジンの1つが非作動（ＯＥＩ）した場合に動作しなければならないので、自動操縦は、不釣り合いな推力状態を処理することができなければならない。本開示のシステムによって提供される解決方法は、基本的な航空機制御法則に推力の補償を追加するということである。その結果、回避が行われていない場合でも、航空機は、両エンジンの推力線が、航空機の中心線に沿っているかのように振る舞う。一実施形態では、エンジン間の差Ｎ１は、補償の方向舵が組み込まれて使用される。Ｎ１に代わるものとして使用することができる推力の補償の他にも認められている方法がある。
【００５４】
自動システムに必要な第二の特徴は、手動システムよりも故障や破損したセンサに対して、はるかに耐性があることである。手動システムでは、誤警告は容易に無視することができる。自動システムでは、誤警告は無視することができず、したがって、誤警告に対する耐性は、著しく高くなければならない。したがって、本開示のシステムは、複数の冗長化センサの間で何らかのばらつきがある時に、センサが故障した時に又は疑わしい時に判断するモニタ回路と、どのセンサ値がシステムに報告されるかを判断する投票的な回路と、を組み合わせた複数の冗長化センサを提供する。
【００５５】
最後に、この自動システムでは、パイロットの入力を、システムによって提供される制御と混ぜることができる。この種の従来のシステム（例えば、軍事用途で使用されている昔からの自動地上衝突回避システム）では、通常回復は、常に航空機の最大能力に近いものである。この理由として、乗り心地を気にすることなく、妨害することも気にしない、極端な低高度における操作（超低空飛行の操作）が要求される軍事用途に求められる性能に由来する。ビジネスジェット機では、その逆となる。極端な低空飛行は必要とされず、乗客の乗り心地が最重要視される。結果として、ビジネスジェット機において好ましいとされる回復は、通常、航空機の最大性能には遠く及ばない。
【００５６】
しかし、スムーズで乗客に安全な回復には課題がある。第一に、ジェットの後流が機体をひっくり返すようなものであったり、ウィンドシアによる機体を地面に投げつけるような動揺の場合に対して、乗客の安全を確保した滑らかな回復には十分ではない。このような極めて稀な不可抗力的のケースでは、航空機がどのようにしてそこに到達したかは関係ない。第二に、自動的に回復が開始されたが、回復中にパイロット自身がどれだけ地面に近づいているか気付き、回復性能を上げることによって地形的なマージンを増やしたいと考える場合がある。このような場合、システムはパイロットの入力と、計算したスムーズで乗客の安全な回復を調和することで、パイロットが回復を積極的に行うことを可能とする。このように、システムは、滑らかで乗客が安全な回復が適切でない場合の両極端においても柔軟に対応することができる。これらのケースに対応するために、次に説明する非二元の制御システムを実装している。
＜非二元的な協働回復＞
【００５７】
二元のシステムでは、自動回復又は警告は、オン又はオフのいずれかであり、中間状態は存在しない。前述したように、ビジネスジェット機用に設計された本開示の自動システムは、より多くの設計を必要とする。この解決手段は、非二元のシステムである。本開示のシステムでは、滑らかで乗客に安全で乗り心地よくさせているが、パイロットの操作と混ぜることが許可されており、マージンがなくなる、又は改善できない場合には、良い乗り心地は自動的に、段々とよりハードな乗り心地の回復となっていく。これを実現する一つの方法は、乗り心地の良い好ましい軌道と乗り心地のハードな軌道を同じ向きで比較し、その比較に基づいてナッジャー／フェーダーを混ぜることである。他の方法としては、限界値に近いとき、混ぜられた出力が使用され得る。例えば、プロセッサは、滑らかな乗り心地が求められているマージンがあるかどうかを評価することができる。このような場合、予測軌道のアルゴリズムは、積極性さを段階的に増加させ、それに対応してより積極的な指示を行う。ナッジャー／フェーダーの設計は、パイロットが回復するのを助けられるが、マージンがない場合においては回復が徐々に少なくならないように構築されるべきである。
【００５８】
図７を参照すると、予測軌道６０ａは、航空機が位置ａにいるときに開始するものとして図示されている。この議論において、航空機が位置ａにいるときには、積極的な脅威はないと仮定しているので、予測軌道６０ａは、脅威が現れた場合の適切であるものとしてプロセッサによって計算された経路を単に表している。図７では、単一の軌道（例えば、６０ａ）のみが図示されている。この図７は、他の軌道が既に非推奨となっている可能性がある複数の軌道システムにも適用され、また、１つの予測軌道のみが計算される単一の軌道システムにも適用される。
【００５９】
図７に示すように、航空機は、点線に沿って地点ｂに到達するまで水平飛行で前進し、地点ｂでは、山Ｍのような地形危険の存在が検出される。図示されているように、地点ｂにおける機体位置から計算された予測軌道６０ｂは、所定の軌道６０ｂに沿って危険な山の上を飛行することにより、適切に山の危険を回避する。全ての条件が、ｂ地点ではａ地点と同じであるため、予測軌道６０ｂの形状は、直前に計算された予測軌道６０ａの形状と同じである。軌道６０ａ及び６０ｂは共に、わずかなｇ力（例えば、１．２ｇ）を及ぼす滑らかで乗客に安全な軌道を用いるプロセッサによって計算される。
【００６０】
しかしながら、飛行中に航空機が地点ｃに到達したときには、軌道６０ａ、６０ｂと同じ滑らかで乗客に安全な軌道パラメータに基づく予測軌道６０ｃが、山Ｍを乗り越えるのに十分でなくなるような状況に変化する可能性がある。例えば、空気の流れやパイロットによる行動で状況が変化するかもしれない。システムは、軌道６０ｃの不適当さを修正する時間がまだあるため、従って、点ｃにおいて、より強力なｇ力（例えば、１．３ｇ）が航空機の乗客に作用することを可能にするような、より積極的な回復の方式を使用して新しい軌道６１ｃを再計算する。
【００６１】
図８は、プロセッサ１０及び関連している構成要素のようなプロセッサを使用して実装された、非二元的危険回復システムの一実施形態を示す。この実施形態において、非二元的危険回復システムは、飛行制御システム１２０に飛行指令を与えるように設計されており、飛行制御システム１２０は、飛行に影響を与える制御面、エンジン、及び他の航空機構成要素を制御する。飛行制御システム１２０は、信号混合又はミキシング回路１２２（これは、プロセッサ１０によって、又は外部信号処理又は論理ゲート回路として実装されてもよい）からの入力を受信して、パイロットからの飛行指令と自動操縦装置１２４からの飛行指令との混合を飛行制御システムに供給するようになっている。説明されるように、実施形態によっては、この入力の混合は、完全なパイロット制御から完全な自動操縦制御までの範囲であってもよく、パイロット及び自動操縦の両方が飛行制御システム１２０に送信される指令に影響を与える間における様々な混合であってもよい。
【００６２】
図示されているように、パイロットの入力は、通常、インセプタ又はフライトコントロールスティック１２６を介して供給され、その出力は、パイロット入力の重み付け減衰器１２８によって処理される。重み付け減衰器１２８は、プロセッサ１０から重み付け指令を受信し、この重み付け指令は、パイロットの入力の程度を変化させるか又は減衰させるために使用され、減衰係数は、０％（減衰が適用されない）から１００％（パイロットの信号が渡されない）までの範囲である。なお、重み付け減衰器１２８は、直線的な減衰範囲、区分的な減衰範囲、曲線的な範囲などを供給するように設計することができる。
【００６３】
より高度な実施形態では、パイロットの減衰は、単なる数値的な重み付け係数よりもかなり複雑になり得る。この実施形態では、混合の表がプロセッサ１０のアクセス可能なメモリに記憶され、この表は、軌道に対するパイロットの影響がどの程度まで許容されるかを定義するために使用される。この表は、優しい回復とハードな回復の間の範囲（必ずしも直線的な範囲ではない）を定義してもよいし、プロセッサ１０によってアクセスできるようにルックアップテーブルに格納されてもよい。言い換えると、プロセッサ１０は、線形混合モデル、非線形混合モデル、及びそれらの組み合わせを含む図表群から選択される混合図表を採用することができる。
【００６４】
プロセッサ１０はまた、予測軌道（図７に関連して論じたものなど）を計算する。上述したように、プロセッサ１０は、予測軌道を反復的に生成し、各反復は、図８に原点Ｏとして示されている航空機の現在位置から開始される。軌道曲線６０の一般的な形状は同じであるが、積極性の程度は、アルゴリズム又はルックアップテーブルによってプロセッサ１０で計算された回復の制約の特性によって制御される。プロセッサ１０は、脅威検出システム１３０からの情報に基づいて、検出した脅威へ航空機がどれだけ接近しているかを評価することによって、回復の制約、ひいては適切な積極性の程度をアルゴリズム的に決定する。
【００６５】
ここで例示している脅威検出システム１３０は、多くの場合、特定のタイプの脅威に関連する特性を感知するように各センサが選択され、異なるタイプのセンサの集合体から開発される。したがって、対気速度センサは、速度超過又は速度不足の脅威の検出を提供し、積極的な地形センサ（例えば、レーダー、ライダー）又はマップベースのＧＰＳが有効になっている消極的な地形センサは、地形衝突の脅威の検出を提供する。
＜非二元的協働回復アルゴリズム＞
【００６６】
プロセッサ１０は、連続的な反復処理により、１つ以上の予測軌道を繰り返し計算するようにプログラムされている。上述したように、これは、検出された脅威がない場合でも行われる。したがって、予測軌道は、検出器システム１３０の入力のうちの１つから脅威が検出された場合に、回復操作を実行するための潜在的な出発点として機能する。
【００６７】
関連する航空機のタイプに応じて、プロセッサ１０は、航空機のタイプに適した軌道を達成する回復の制約の特性を使用して、これらの予測軌道を計算する。民間又はビジネスジェット機では、好ましい最初の軌道は、最小のｇ力でなめらかで乗客の安全な回復を提供するものである。最初に計算した回復が成功していない場合、回復の制約の特性は後で変更されることがあるが、最初はシステムによって滑らかで乗客に安全な回復が適切であると仮定されている。
【００６８】
脅威が検出された場合（脅威の状態が存在する場合）、プロセッサ１０は、直近に計算した予測軌道を自動操縦装置１２４に供給するようにプログラムされる。脅威が検出された後のこの最初の反復の間、プロセッサ１０は、パイロットからの完全な混合の入力を同様に許可するようにプログラムされる。これは、パイロットの減衰係数を０％（減衰なし）に設定することによって達成される。この状態では、自動操縦装置１２４は、直近に計算された予測軌道に基づいて飛行指示を与え、これらの指示は、パイロットからの入力と１２２で混合される。したがって、パイロットが、より高いＧ力を維持するような回復操作の積極性を増加させることを選択した場合、それは許容されることになる。あるいは、パイロットが自動操縦操作を無効にして、自動操縦で飛行中の回復軌道を事実上キャンセルすることを選択した場合も、それは許可されることになる。
【００６９】
しかしながら、この最初の検出後の反復の間の操作による飛行中に設定された航空機の挙動は、これで終わりではない。次の（又はそれに続く任意の反復の間に）検出システム１３０が、現在実行されている軌道が危険を回避しないことを示す場合、新たなより積極的な軌道が計算され（積極性を高めるために異なる回復の制約を使用して）、それによってパイロットが新たな軌道を変更できてしまう程度を減少させるために、新たな減衰係数がパイロット入力重み付け減衰器１２８に供給される。重み付け減衰器１２８は、例えば、パイロットが、新しい軌道が求める以上に回復の積極性を増加させることを可能にするが、パイロットが積極性を減少させるか、又は新しい軌道の有効性を低下させる他の行動を取ることを制限する（又は完全に防止する）ことができる。しかし、脅威が存在する状態が取り除かれると、プロセッサ１０は、パイロットの入力が機体を完全に又は通常通りに制御することを可能にする混合状態に戻るようにプログラムされる。
【００７０】
こうして、非二元的な協働回復システムは、回復の解決法が計算され、航空機が危険をクリアするまで、この反復的な方法で動作し続ける。必要に応じて、最初のソフトな回復（例えば、１．２ｇ）から、より積極的な回復（例えば、１．３ｇ）へと、パイロットの入力を受け入れ、最終的には非常に積極的な回復（例えば、１．５ｇから２．０ｇ）へと、パイロットの入力が排除されるまでの間、積極さの程度を増やしていく。
【００７１】
このように、システムは単純にオン又はオフではない非二元的な回復を実現する。回復は、予測軌道計算の各反復において、段階的に自動で進行する。システムの自動操縦装置１２４の構成要素だけを見ると、自動操縦装置１２４は、単にオン又はオフではなく、むしろ、脅威がクリアされるまで、次第に積極的な回復軌道を実行する。この点において、パイロットからの入力を打ち消すことは、最初に計算された予測軌道が目標をクリアするのに不十分であることに終わるかどうかとは関係がないかもしれない。また、乱気流、気圧、風速の変化など、航空機の外部条件が原因となる場合もある。システムの非二元的な側面は、現在の航空機の状況を考慮して、通常は継続的に行うように設計されているプロセッサ１０が新しい反復の計算をするのと同じくらいの速さで、回復軌道を最適な乗客の快適性に合わせて適応させることを可能にする。
【００７２】
予測軌道の解における連続的な反復の価値を過大評価することはできない。連続的な反復により、非二元的回復システムはパイロットからの協働的な入力を可能にする。協働は、高度な情報処理方法でプロセッサ１０によって処理され、パイロットの入力を許可しながら安全な行動を自動操縦で完全に制御できるようにすることが、最も安全な行動である場合には、パイロットの入力を徐々に排除する。ある一側面においては、混合システムは、パイロットの入力と自動操縦制御信号入力の比率を混合する。
【００７３】
本開示のシステムの協働的側面は、人間−機械センサ融合の一形態を達成し、ここで、自動操縦システム１２４は、搭載された航空機センサ、地形データ、及び他の技術システムに基づいて生成された軌道指令が供給される。同時に、人間センサ（すなわち、パイロット）は、パイロットの人間の感覚器官によって感知された条件に反応し、パイロットの技能及び訓練に基づいてそれらを処理し、インセプタ又はフライトコントロールスティック１２６を介してこれらの飛行指令を入力する。プロセッサ１０及び混合又は混合回路１２２は、これらの２つの異なるソース（人間及び機械）のセンサ融合を実行し、航空機の軌道が正しさ以上の確実性を提供し、スムーズで乗客の安全な回復を提供し、多くの場合、最適な軌道を提供する。人間と技術の入力の融合について、人間の能力と最新の電子信号処理能力はともに非常に高性能であるが、大きく異なる重要な部分もある。
【００７４】
本開示のシステムの協働的な側面は、これらの２つの異なる入力を融合させて、ほとんどの場合、入力のうちの１つだけを単独で使用した場合に可能であることよりも、優れた解決策を提供する。このシステムは、上述したように設計されており、危険を検出した後の最初の反復では、パイロットの入力が許可されており、場合によっては全く減衰しないこともある。一方、それ以降の反復では、回復軌道が機能していない場合、パイロットの入力は減衰し、場合によっては完全に排除される。初期の反復の間に、パイロットの入力を許可することは有利である。なぜなら、パイロットは、技術センサシステムが見落としていた部分を感知する可能性があり、また、パイロットは、特定の航空機や特定の条件についての経験があり、プロセッサ１０が技術センサから生成されるものよりも洗練されている可能性があるからである。しかしながら、後の反復の間に、脅威がまだ存在する場合には、パイロットの入力を減衰させることが有利であるが、これは、パイロットが気を取られたり、調子が悪くなる可能性があるからである。
【００７５】
少なくとも１つの例示的な実施形態が前記の詳細な説明に示されているが、膨大な数のバリエーションが存在する。また、例示的な実施形態は、例示に過ぎず、本発明の範囲、適用可能性、又は構成を何ら制限することを意図していない。むしろ、前記の詳細な説明は、本明細書で意図されるような例示的な実施形態を実施するための便利なロードマップを当業者に提供している。添付の特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸脱することなく、例示的な実施形態に記載された要素の機能及び配置において様々な変更がなされ得る。
【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５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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