CN110036430A - 为了最佳经济和安全结果而使用动态交互轨迹的连续重新规划来提供关于轨迹管理的飞行员咨询的装置、方法和*** - Google Patents
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Abstract
航空咨询模块可以包括处理电路，其被配置为接收指示与飞机的路线优化相关的内部因素和外部因素的数据。外部因素的至少一些可以包括飞机在飞行中时可变的动态参数。处理电路还可以被配置为经由无线通信网络接收对动态参数的更新，该无线通信网络包括飞机在飞行中时来自飞机的高带宽返回链路；更新该飞机的轨迹与一个或更多个其他飞机的轨迹之间的轨迹冲突消除；以及基于动态参数、轨迹冲突消除和内部因素的结合来产生与飞机的路线相关联的引导输出。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年10月11日提交的美国序列号62/406,447的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
示例实施例总体涉及航空工业，并且更具体地，涉及向飞行中的飞机提供飞行员咨询的能力。
背景技术
基于移动设备的应用市场目前拥有大量产品，为飞行员提供改进的用于传统飞行规划的手段(例如，ForeFlight、Garmin Pilot、Jeppesen TC、JeppVFR、WingXPro、Fly！、MyWingman、ARINC Direct、AeroVie、Xavion、RocketRoute、iFlightPlanner、FlightPlan.com等)。这些产品在将规划飞行的传统、大部分手动方式转换为电子应用程序(app)方面发挥了有用的作用。这些app通过简化对天气、空域和飞机数据的访问以及通过自动化以前需要手动处理的计算来简化飞行前规划流程。
然而，目前的产品都没有提供将基于连续(或周期性)变化的预测的摄取、考虑了动态变化的空域限制和交通流量的连续重新规划与飞行轨迹目标的优化结合来向飞行员提供考虑影响轨迹的所有外部和内部因素的咨询的任何能力。外部因素包括空域、规则和程序以及飞机在其中运行的大气环境。内部因素包括飞行员或机队经理的目标以及与飞机运行相关的偏好。提供连续(或周期性)重新优化飞行路径所需的数据和信息需要飞机与这些数据和信息的来源之间的双向连接。现有的航空连接解决方案在往返飞机的足够带宽以及飞机与地面数据中心之间的消息时延(时间延迟)方面受到限制，从而有效地阻止了当前产品采取任何措施来改进其产品。
总之，现有应用程序简单地编纂了用于以数字形式管理飞行前规划功能的传统方法，而对于如何在天气、交通和空域变化的情况下能够优化管理飞行轨迹以提高安全和效率方面没有任何重大创新。此外，通过当前航空连接链路使用现有应用程序在实际操作中对于各种各样的商用、商业、通用航空和无人航空***(UAS)用户不是经济适用的且不能有效使用。
发明内容
因此，可以提供一些示例实施例以在提供改进的连接性以支持飞行路径的实时、最佳管理的***的情况下克服上述一些限制。
在一个示例实施例中，提供了航空咨询模块。该模块可以包括处理电路，该处理电路被配置为接收指示与飞机的路线优化相关的内部因素和外部因素的数据。外部因素的至少一些可以包括当飞机在飞行中时可变的动态参数。处理电路还可以被配置为经由无线通信网络接收对动态参数的更新，该无线通信网络包括当飞机在飞行中时来自飞机的高带宽、低时延返回链路；更新该飞机的轨迹与一个或更多个其他飞机的轨迹之间的轨迹冲突消除、交通流量、天气或排他性空域；以及基于动态参数、轨迹冲突消除和内部因素的结合来产生与飞机的新路线相关联的引导输出和诊断信息。
在另一个示例实施例中，提供了一种用于提供航空咨询的方法。该方法可以包括接收指示与飞机的路线优化相关的内部因素和外部因素的数据。外部因素的至少一些可以包括当飞机在飞行中时可变的动态参数。该方法还可以包括经由无线通信网络接收对动态参数的更新，该无线通信网络包括当飞机在飞行中时来自飞机的高带宽、低时延返回链路；更新该飞机的轨迹与一个或更多个其他飞机的轨迹之间的轨迹冲突消除或交通流量；以及基于动态参数、轨迹冲突消除和内部因素的结合来产生与飞机的新路线相关联的引导输出。
附图说明
因此已经概述地描述了本发明，现在将参考附图，附图不一定按比例绘制，其中：
图1示出了根据示例实施例随时间通过不同基站的覆盖区域移动的飞机；
图2示出了根据示例实施例采用航空咨询模块的***的框图；
图3示出了根据示例实施例的Fligh 5D应用模块；和
图4示出了根据示例实施例的用于执行示例咨询相关功能的方法的框图。
具体实施方式
现在将在下文中参考附图更全面地描述一些示例实施例，附图中示出了一些但非全部示例实施例。实际上，这里描述和图示的示例不应被解释为限制本公开的范围、适用性或配置。相反，提供这些示例实施例使得本公开将满足适用的法律要求。相同的附图标记始终表示相同的元件。此外，如这里所使用的，术语“或”将被解释为逻辑运算符，每当其操作数中的一个或更多个为真，该逻辑运算就为真。如这里所使用的，术语“数据”、“内容”、“信息”和类似术语可以互换使用，以指代能够根据示例实施例发送、接收、处理和/或存储的数据。因此，不应该使用任何这样的术语来限制示例实施例的精神和范围。
如本文所使用的，术语“部件”、“模块”等旨在包括计算机相关实体，例如但不限于硬件、固件或者硬件和软件的组合。例如，部件或模块可以是但不限于处理器上运行的进程、处理器、对象、可执行文件、执行线程、和/或计算机。举例来说，在计算设备上运行的应用程序和/或计算设备都能够是部件或模块。一个或更多个部件或模块能够驻留在执行线程和/或进程内，并且部件/模块可以位于一台计算机上和/或分布在两台或更多台计算机之间。此外，这些部件能够在其上存储有各种数据结构的各种计算机可读介质上执行。部件可以通过本地和/或远程进程，例如根据具有一个或更多个数据包的信号进行通信，数据包例如是来自与本地***、分布式***中和/或通过信号与其他***的诸如因特网之类的网络上的另一个部件/模块交互的一个部件/模块的数据。每个相应的部件/模块可以执行将在本文中更详细描述的一个或更多个功能。然而，应当理解，尽管根据与所执行的各种功能相对应的单独模块来描述该示例，但是一些示例可能不一定利用模块化架构来使用相应的不同功能。因此，例如，代码可以在不同模块之间共享，或者处理电路本身可以被配置为执行被描述为与本文描述的部件/模块相关联的所有功能。此外，在本公开的上下文中，术语“模块”不应被理解为用来识别用于执行相应模块的功能的任何通用装置的临时词。相反，术语“模块”应该被理解为模块化部件，其特别地配置在处理电路中或者可以能操作地耦合到处理电路，以基于硬件和/或软件来修改处理电路的行为和/或能力，所述硬件和/或软件添加到处理电路或以其他方式可操作地耦合到处理电路以相应地配置处理电路。
如上所述，一些示例实施例可以提供改进的连接以支持飞行路径的实时、最佳管理。因此，一些示例实施例可以实现计算机可执行应用程序或模块，其通过空对地、空对空或基于卫星通信的飞机连接来使用。应用程序或模块可以采用动态飞行路径管理的方法来计算和优化飞行路径。本文公开的能力可以使用轨迹优化方法来实现，该轨迹优化方法采用(例如)动力学、运动学、点质量以及六自由度路径模型。
在行业内，用于管理动态交互飞行路径的过程被称为CR5DT，被解释为五维轨迹的连续重新规划，用于五维的连续重新规划。一些示例实施例可以采用“飞行5D(Flight 5D)”应用模块(或目的地确定(Destination Certainty)应用模块)，其被配置为采用本文所述的技术。该模块(也可以被称为连续重新规划模块，或CR5DT重新规划模块)根据能力通过相应的新航空连接解决方案，为飞行员提供周期性更新的咨询，以不断获取影响任何给定飞行路径的所有未来的未来所有因素的最新预测，该咨询考虑到约束未来飞行路径解决方案空间的外部因素和内部因素。该方法考虑了外部因素，该外部因素可以包括空域排除、架构和程序；高空的风和温度；风暴、结冰、火山灰和湍流；和其他空中交通，包括用于拥挤管理的空中交通管理流量控制计划。考虑到的内部因素可以包括针对期望到达时间、避免湍流或结冰或其他飞行危险、燃料燃烧最小化和成本最小化的飞行员或操作员偏好以及策略。其他的内部因素包括当前和未来的飞机重量、速度、起落架和控制装置的配置，以及对发动机或其他飞机***(例如客舱环境、液压、电气、通信***)的异常情况(诸如故障)的性能的影响，或者以其它方式影响正常飞行操作的其他因素。总体地，这些变量和约束的组合产生飞行路径管理挑战：在飞行期间没有飞行员、机组人员或机队经理能够连续地更新以实现对从起点或当前位置到目的地的完整飞行路径的最佳解决方案。其结果是，今天的飞行路径以人为的实际方式进行管理，其造成飞行路径和空域性能的浪费和低效率。这里描述的示例实施例提供了解决方案，同时减少了飞行员和调度员的工作量并且提高了飞行路径管理的保真度和准确性。
飞行规划和飞行规划管理的进步受到之前两个关键相互依赖能力的不可用性的阻碍，(1)用于变化状况下的最佳轨迹重新规划的计算手段，和(2)用于在快速时间(未来时间)内访问、交换和获取飞行路径优化计算所需的信息的数据通信手段。这些计算和通信能力之间的相互依赖性是限制本文所述的能力的部署中的进展的主要因素。
示例实施例可以以涉及基于机载和地面(云)的替代方案的各种计算和通信架构实现。如果被提供有飞行路径的计算优化所需的所有数据以及到和来自飞机的数据通信链路，则Fligh 5D app可以作为Web服务或桌面应用程序运行。Fligh 5D应用模块可以在任何数量的计算平台(包括诸如智能电话或基于平板电脑的个人电子设备之类的移动设备)上，或者在飞机的航空电子设备面板中，或者在提供听觉、触觉或视觉提示或飞行员“可穿戴”的设备中运行。此外，Fligh 5D计算能够作为用于产生和向飞行员或调度员提供咨询的替代架构的手段在数据中心(或“云”)中有效地进行，其中在飞行中咨询被无线地提供给飞机。在基于机载或地面(云)计算的情况下，重要的能力包括对所需数据和所需信息的带宽启用访问以及为飞机操作者计算数据驱动的飞行路径咨询的手段。应用模块为飞行员提供有关最佳航向、速度、高度、航线和上升/下降速率的连续更新信息，以便从空域任何地方飞往其主要或备用目的地，此外还向飞行员提供有关他们能够选择的轨迹选项的诊断信息。
产生这些飞行轨迹解决方案需要具有足够速度并且被馈送足够的数据的计算平台，以产生与实时和快速时间相关的咨询信息。通过在包括空对地(ATG)4G LTE WiFi接入(例如)和/或ADS-B 978MHz UAT FIS-B和TIS-B数据(例如)的***中集成计算平台，应用模块首次能够产生飞行路径优化的有规律的更新，其满足用户偏好和路径目标的策略。下面描述可以采用示例实施例的ATG接入***的示例。然而，应当理解，在一些情况下，示例实施例还可以单独或者彼此组合使用空对空或卫星部件和ATG部件。
典型的无线通信***包括可以在特定位置或移动设置中使用的终端用户设备，以及可以访问因特网和/或公共交换电话网(PSTN)的互连的固定设备组。终端用户设备与固定设备(称为基站)无线通信。在ATG环境中，基站是如下多个基站中的一个，该多个基站部署在地面上(或空中)与相邻基站部分重叠，以在特定地理区域上方提供连续和不间断的覆盖，同时移动设备包括各种飞机上的设备。基站彼此互连以形成网络，并且还可以经由回程网络或部件与其他网络互连。
在一些示例中，ATG网络可以被设计为采用波束成形技术以更有效和可靠地进行通信。在这方面，例如，波束可以在由基站(或飞机)限定的小区的覆盖区域内的所期望位置处形成或被引导至该所期望位置，以扩展范围、减少干扰以及提供其他增强的通信能力。无论波束是在该环境中被引导还是形成，波束的控制可以被称为波束成形，并且可以由波束成形控制模块控制。在一些实施例中，波束成形控制模块可以设置在空对地网络(例如，飞机)的移动节点处、网络的基站处、或者中央网络位置处或云中的网络控制器处。波束成形控制模块可以利用基站和移动节点两者的位置信息来(预测地或实时地)确定引导波束的位置，以确保在单个小区内以及在期望切换到另一个小区时都能够保持连续的通信。
在一些实施例中，采用波束成形的基站可以采用天线阵列以朝向目标设备产生(例如，形成)或引导波束，从而在已知设备相对于基站的位置时增强覆盖范围。当设备的位置对基站不是已知的时，可以不朝向目标设备形成波束，并且将有效地减小基站的覆盖范围。为了解决这个潜在的问题，可以利用接收站和基站的当前和未来位置信息来促进在要建立的无线通信链路的任一端或两端的波束成形。
在ATG通信***中，终端用户设备(或接收站)可以安装或以其他方式存在于飞机或其他航空平台上。因此，如上所提到的，位置信息的使用可以不仅仅涉及纬度和经度、相对定位、全球定位***(GPS)坐标等的知识。相反，可能需要包括高度的三维(3D)位置信息的知识。在一些情况下，速度、航向以及描述当前3D位置和可能的未来位置的任何其他信息也可能是有帮助的。当在当前时间和未来时间已知飞机(或其上的通信设备)的3D位置时，无线***可以采用该位置和时间特定信息以通过增强波束成形来增强初始同步覆盖范围。该5D知识还可以增强跟踪飞机和其他飞机的轨迹的能力，以允许在两个方向上数据的完全全面通信，从而显着增强对实时内部和外部因素作出反应的咨询服务的质量。
在一些情况下，可以预先知道固定资产(即基站)的位置的知识，并且例如可以存储在对网络的任何或所有资产可访问的位置处。可以对3D空域中的所有设备(例如，飞机上的所有飞机或其他已知接收设备)主动跟踪可移动设备位置(例如，飞机)的知识。作为示例，从机场起飞的飞机(或其上的设备)可以访问机场附近的基站并且与该基站同步。一旦为无线***所知，每个设备可以周期性地发送位置信息(例如，坐标、高度和速度)到服务基站。基站可以与核心网络中或云中的中央服务器或其他设备共享位置信息。然后，中央服务器(或其他处理设备)可以跟踪每个设备，将设备位置与***中的基站的数据库进行比较，并且确定特定设备何时可以移动到不同基站的覆盖区域中。可以与新基站共享设备位置，然后新基站可以形成朝向无线设备的定向波束以共享同步信息。
因此，示例实施例可以将固定基站位置的知识与移动接收站位置的知识(例如，在5D中)组合，以在设备尚未获得相邻基站时提供来自飞机(或其上的设备)和基站的波束成形。因此，能够在ATG***内保持全波束成形覆盖的益处，从而降低网络覆盖的成本并且提高切换可靠性。通过使用定向波束的改善的增益可以使飞机能够与地面上可能较远的基站进行通信。因此，ATG网络可以潜在地用基站来建立，这些基站比地面网络中的基站之间的典型距离远得多。
利用建立的聚焦和高带宽、低时延光束与飞机(及其上的设备)通信的能力，能够极大地增强数据发送到飞机和数据从飞机发送。因此，为了最佳的经济和安全相关结果，可以类似地增强在飞机上、地面上和/或云中提供的处理能力，以提供实时数据到轨迹管理的完全结合，用于连续重新规划动态交互轨迹。
图1示出了移动通过不同基站的覆盖区域的飞机的概念视图，以示出示例实施例。如在图1中能够看到的，飞机100可以在时间t0经由无线通信链路120与第一基站(BS)110通信。因此，飞机100可以包括机载无线通信设备，其使得飞机100能够与第一BS 110通信，并且第一BS 110还可以包括能够与飞机100进行通信的无线通信设备。如下面将更详细讨论的，每端的无线通信设备可以包括无线电硬件和/或软件，用于处理在对应的天线阵列处接收的无线信号，所述对应的天线阵列设置在与其相应的无线电通信的每个相应的设备处。此外，示例实施例的无线通信设备可以被配置为采用波束成形技术来利用使用天线阵列的波束的指向聚焦、引导和/或形成。因此，出于讨论的目的，应该假设飞机100和第一BS 110之间的无线通信链路120可以使用通过波束成形建立的至少一个链路来形成。换句话说，第一BS 110或飞机100或两者都可以包括能够采用波束成形技术来建立无线通信链路120的无线电控制电路。
第一BS 110在地理上具有固定位置，并且因此能够知道关于第一BS110的位置的位置信息。在一些情况下，限定第一BS 110能够向飞机提供无线连接的区域的覆盖区域的估计也可以是已知的或可估计的(例如，在飞机100处和/或在第一BS 110或另一网络位置处)。同时，飞机在3D空间中的位置也可以在任何给定时间是已知的或可估计的(例如，在飞机100处和/或第一BS 110或另一个网络位置处)。此外，应当理解，在一些情况下，第一BS110的覆盖区域可能依赖于高度。在这方面，例如，针对第一BS 110投射到地球表面上的纵横覆盖区域对于不同的高度可以具有不同的尺寸。因此，例如，基于第一BS 110的已知位置和覆盖特性以及飞机100在时间t0处的位置信息，可以确定飞机100在时间t0处正在接近或在第一BS 110的覆盖区域的边缘处。
可以具有与第一BS 110的性能和功能特征类似的性能和功能特征的第二BS 130可以在地理上定位成使得对于飞机100的当前轨道或轨迹，第二BS 130是用于飞机100的切换的候补者，以在时间t0处保持ATG无线通信网络的基于地面的基站与飞机100之间的连续和不间断的通信链路。如上所述，对于第二BS 130来说可能是有帮助的，意识到飞机100的接近，使得当飞机100到达第二BS 130的覆盖区域时或之前，第二BS 130能够采用波束成形技术以将波束引导向飞机100。另外地或替代地，对于飞机100来说可以有帮助的是，意识到第二BS 130的存在和位置，使得当飞机100到达第二BS 130的覆盖区域时或之前，飞机100上的无线通信设备可以采用波束成形技术以将波束引导向第二BS 130。因此，第二BS 130或飞机100上的无线通信设备中的至少一个可以采用通过位置信息的知识辅助的波束成形技术，以便于在飞机100上的无线通信设备与第二BS 130之间建立无线通信链路140。在时间t0，飞机100从第一BS 110切换到第二BS 130之后，可以由无线通信链路140和第二BS130提供飞机100的服务。
根据示例实施例，可以提供波束成形控制模块，其采用固定基站位置的2D知识和关于飞机上的接收站的位置信息的至少3D知识(在某些情况下可能是4D或5D知识)，以协助波束形成技术的应用。示例实施例的波束形成控制模块可以物理地位于ATG通信网络内的多个不同位置中的任何位置。例如，波束成形控制模块可以位于飞机100处、第一BS 110和第二BS 130中的任一个或两个处，或者网络中或云中的另一个位置处。类似地，示例实施例的Fligh 5D应用模块也可以位于飞机100处、第一BS 110和第二BS 130中的任一个或两个处，或者网络中或云中的另一个位置处。图2示出了可以采用这种Fligh 5D应用模块的示例实施例的ATG通信网络的功能框图。
如图2所示，第一BS 110和第二BS 130中的每一个可以是ATG网络200的基站。ATG网络200还可以包括其他的BS 210,并且每个BS可以经由网关(GTW)设备220与ATG网络200通信。ATG网络200还可以与诸如因特网230或其他通信网络的广域网通信。在一些实施例中，ATG网络200可以包括或以其他方式耦合到分组交换核心网络。
在示例实施例中，ATG网络200可以包括网络控制器240，该网络控制器240可以包括例如切换功能。因此，例如，网络控制器240可以被配置为处理到和来自飞机100(或到飞机100上的通信设备)的路由呼叫和/或处理飞机100上的通信设备和ATG网络200之间的其他数据或通信传输。在一些实施例中，网络控制器240可以用于在飞机100上的通信设备参与呼叫时提供到陆线中继线的连接。另外，网络控制器240可以被配置用于控制消息和/或数据到和从移动终端10的转发，并且还可以控制用于基站的消息的转发。应当注意，尽管网络控制器240在图2的***中示出，但是网络控制器240仅仅是示例性网络设备，并且示例实施例不限于在采用网络控制器240的网络中使用。
网络控制器240可以耦合到诸如局域网(LAN)、城域网(MAN)和/或广域网(WAN)的数据网络(例如：因特网230)，并且可以直接地或间接地耦合到数据网络。反之，诸如处理元件(例如，个人计算机、膝上型计算机、智能电话、服务器计算机等)的设备能够经由因特网230耦合到飞机100上的通信设备。
尽管本文没有示出和描述ATG网络200的每个可能实施例的每个元件，但是应当理解，飞机100上的通信设备可以通过ATG网络耦合到多个不同网络中的任何一个或更多个。在这方面，网络能够支持根据多个第一代(1G)、第二代(2G)、第三代(3G)、***(4G)和/或未来的移动通信协议等中的任何一个或更多个的通信。在一些情况下，所支持的通信可以使用诸如2.4GHz或5.8GHz的未许可频带频率限定的通信链路。然而，另外地或替代地，通信也可以通过许可频带中的其他频率支持。此外，在一些情况下，可以在网络控制器240的控制下在许可和未许可频带通信(和/或卫星通信)之间切换。另外，在一些情况下，ATG网络200可以通过空对空或卫星通信***增强或并行操作，并且在一些情况下，在网络控制器240的控制下，可以执行切换以在ATG网络200、空对空***或卫星通信***之间交替地处理通信。
如上所述，在示例实施例中，可以在网络侧或飞机侧中的任一个或两者处的电子设备上采用Fligh 5D应用模块。因此，在一些实施例中，Fligh5D应用模块可以实施在飞机上的接收站中(例如，与飞机的通信***相关联的设备或乘客设备)。在一些实施例中，Flight 5D应用模块可以在网络控制器240中或在一些其他网络侧实体处实施。另外，在一些情况下，Fligh5D应用模块可以在位于云中的实体处实施(例如，在经由因特网230可操作地耦合到ATG网络200的位置处)。
图3示出了根据示例实施例的Fligh 5D应用模块300的架构。Fligh 5D应用模块300可以包括处理电路310，该处理电路310被配置为接收指示如本文所述的用于处理的内部和外部因素的信息。处理电路310可以配置为根据本发明的示例实施例执行数据处理、控制功能执行和/或其他处理和管理服务。在一些实施例中，处理电路310可以实施为芯片或芯片组。换句话说，处理电路310可以包括一个或更多个物理封装(例如，芯片)，所述一个或更多个物理封装包括结构组件(例如，基板)上的材料、部件和/或电线。结构组件可以为其上包括的部件电路提供物理强度、尺寸保持和/或电气交互的限制。因此，在一些情况下，处理电路310可以被配置为在单个芯片上或作为单个“片上***”实现本发明的实施例。这样，在一些情况下，芯片或芯片组可以构成用于执行用于提供本文描述的功能的一个或更多个操作的装置。
在示例实施例中，处理电路310可以包括处理器312和存储器314的一个或更多个实例，处理器312和存储器314可以与设备接口320通信或以其他方式控制设备接口320，并且在一些情况下与用户接口330通信或以其他方式控制用户接口330。这样，处理电路310可以实施为电路芯片(例如，集成电路芯片)，该电路芯片(例如，利用硬件、软件或硬件和软件的组合)配置为执行本文描述的操作。然而，在一些实施例中，处理电路310可以实施为机载计算机的一部分，或飞机100上的其他设备，或ATG网络200的任何部分处的设备。在一些实施例中，处理电路310可以与ATG网络200的各种部件、实体和/或传感器通信以接收外部因素。
用户接口330(如果实现的话)可以与处理电路310通信以在用户接口330处接收用户输入的指示和/或向用户提供听觉、视觉、机械或其他输出。这样，用户接口330可以包括例如显示器(例如，触摸屏或其他显示器)、键盘、鼠标、扬声器、一个或更多个杆、开关、指示灯、按钮或键(例如，功能按钮)和/或能够传送听觉、视觉、触觉或其他输出的其他输入/输出机构。
设备接口320可以包括一个或更多个接口机制，用于与其他设备通信(例如，当Fligh 5D应用模块300在飞机100上实例化时，ATG网络200或飞机100其本身上的模块、实体、传感器和/或其他部件)。在一些情况下，设备接口320可以是任何装置，诸如以硬件实现的设备或电路、或以被配置为从/向与处理电路310通信的ATG网络200的模块、实体、传感器和/或其他部件接收和/或发送数据的硬件和软件的组合实现的设备或电路。
处理器312可以多种不同的方式实现。例如，处理器312可以实现为各种处理装置，例如，微处理器或其他处理元件、协处理器、控制器或包括集成电路(例如，ASIC(专用集成电路)、FPGA(现场可编程门阵列)等)的各种其他计算或处理设备中的一个或更多个。在示例实施例中，处理器312可以配置为执行存储在存储器314或以其他方式可由处理器312访问的指令。这样，无论是由硬件或由硬件和软件的组合配置，处理器312可以表示在相应地配置时能够执行根据本发明实施例的操作的实体(例如，物理地实现在电路中-以处理电路310的形式)。因此，例如，当处理器312实现为ASIC、FPGA等，处理器312可以是特定配置的硬件，用于进行本文描述的操作。替代地，作为另一个示例，当处理器312实现为软件指令的执行器时，指令可以特定配置处理器312以执行本文描述的操作。
在示例实施例中，处理器312(或处理电路310)可以基于由处理电路310接收的输入(包括与内部因素340和/或外部因素345相关联的信息)实现为包括或以其他方式控制Fligh 5D应用模块300的操作。外部因素345可以包括例如飞机在其中运行的空域和环境。内部因素340可以包括飞行员或机队经理的目标以及与飞机运行相关的偏好。其他的内部因素包括当前和未来的飞机重量、速度、起落架和控制装置的配置以及对发动机或其他飞机***(例如客舱环境、液压、电气、通信***)的诸如故障之类的异常情况的性能的影响，或者以其它方式影响正常飞行操作的其他因素。因此，例如，外部因素345可以包括空域排除、架构和程序、高空的风和温度、风暴、结冰、火山灰和湍流和其他空中交通(包括用于拥挤管理的空中交通管理流量控制计划)。内部因素340还可以包括针对期望到达时间、避免湍流或结冰或其他飞行危险、燃料燃烧最小化和成本最小化的飞行员或操作员偏好以及策略、飞行员技能水平(例如，基于飞行时间、认可和/或评级)。
这样，在一些实施例中，可以说处理器312(或处理电路310)使得与处理内部和/或外部因素340和345有关的、结合Fligh 5D应用模块300描述的操作中的每一个操作响应于相应地配置处理器312(或处理电路310)的指令或算法的执行而承担与提供动态交互轨迹的连续重新规划相关的相应功能，以产生指导输出(例如，关于路径优化选项的飞行员咨询推荐)。
在示例实施例中，存储器314可以包括一个或更多个非暂时性存储器设备，例如，可以是固定的或可移动的易失性和/或非易失性存储器。存储器314可以被配置为存储用于使处理电路310能够执行根据本发明示例性实施例的各种功能的信息、数据、应用程序、指令等。例如，存储器314可以被配置为缓冲输入数据，用于供处理器312处理。另外地或替代地，存储器314可以被配置为存储指令，用于供处理器312执行。作为又一替代示例，存储器314可包括一个或更多个数据库，所述一个或更多个数据库可以响应于输入传感器和部件来存储各种数据集。在存储器314的内容中，可以存储用于供处理器312执行的应用程序和/或指令，以便执行与每个相应的应用程序/指令相关联的功能。在一些情况下，应用程序可以包括用于提供输入以控制如本文所述的Fligh 5D应用模块300的操作的指令。
在示例实施例中，存储器314可以存储内部因素340并且还可以(临时或永久地)存储外部因素345，外部因素345包括作为更新连续地或周期性地提供的动态参数。处理电路310可以被配置为处理(例如，在移动通信站(应当理解为能够发送和接收与双向通信相关的信令)处)接收的所有材料。移动通信站可以是飞机100上的无线通信设备，或者可以是飞机100自身的无线通信设备。飞机100的无线通信设备可以传送信息给(具有或不具有中间存储装置的)乘客设备和传送来自乘客设备的信息，或者可以传送信息给(具有或不具有中间存储装置的)其他飞机通信器件和传送来自其他飞机通信器件的信息。
目的地确定应用模块(例如，Fligh 5D应用模块300)可以在包括附加模块的***中实现，附加模块中的每个可以包括其各自的处理电路部件，或者可以在处理电路310的控制下操作。Fligh 5D应用模块300的模块或与Fligh 5D应用模块300通信的模块可以包括与设备接口320和/或用户接口330连接或作为其一部分操作的部件。
在示例实施例中，Fligh 5D应用模块300可以包括或以其他方式与轨迹管理器350通信。轨迹管理器350可以实现为用于飞行路径(轨迹)管理的计算引擎。能够连续重新规划五维轨迹的合适计算引擎的示例公开在共同转让的、名称为“Method And Apparatus ForDynamic Aircraft Trajectory Management”的美国专利No.8,594,917和名称为“Systemand Method for Planning,Disruption Management,and Optimization of Networked,Scheduled or OnDemand Air Transport Fleet Trajectory Operations”的美国专利No.8,554,458，其中每个专利的内容在此通过引用整体并入本文。
Fligh 5D应用模块300还可以包括数据通信管理器360或与数据通信管理器360通信。数据通信管理器360可以实现为能够与用于飞行路径(轨迹)管理的轨迹管理器350的计算引擎集成同时还管理实时ATG网络通信(或到飞机100的其他通信)的数据通信设施，该实时ATG网络通信提供与内部和外部因素340和345中的一者或两者相关的实时数据。这样，数据通信管理器360可以实现为能够访问和获取在快速时间(即，未来时间)计算所需的信息的通信设施。
在示例实施例中，Fligh 5D应用模块300还可以包括规划管理器370或与规划管理器370通信。规划管理器370可以实现为图形引擎，该图形引擎被配置为以用于飞行路径的规划或选项的形式产生指导选项375的图形描绘(其可以经由用户接口330提供给用户)。指导选项(或规划)可以以四维(例如，纬度、经度、海拔和时间)提供给飞机100的飞行员，以提供对Fligh 5D应用模块300提供的咨询信息的直观视角，用于飞行员做决定。
在示例实施例中，Fligh 5D应用模块300还可以包括飞行路径管理器380或与飞行路径管理器380通信。飞行路径管理器380也可以实现为图形引擎，其可以是与上述规划管理器370的图形引擎相同或不同的图形引擎。因此，飞行路径管理器380可以是单独的部件，或者有效地可以是规划管理器370的模块或功能上独立的部分。无论如何实现，飞行路径管理器380可以被配置为产生解决方案诊断的图形和文本表示以及各种飞行规划选项的比较益处。因此，例如，飞行路径管理器380可以被配置为在飞行员和/或乘客偏好的时间、燃料、距离、成本和/或其他参数中的任何方面比较飞行路径A、飞行路径B、飞行路径C等。然后，飞行规划管理器380可以被配置为提供路径比较385(例如，经由用户接口330)以示出用户请求的任何方面的比较，或者根据用户能够提供(和改变)的偏好来配置以用于表示。路径比较385也可以以图形或文本形式向飞行员提供路径诊断信息，解释更新的路径咨询背后的基本原理。
如上所述，Fligh 5D应用模块300可以配置为产生外部因素345和内部因素340的优化解决方案，所提供的外部因素345和内部因素340至少部分地包括经由实时无线通信(例如，经由ATG网络200)在飞机100上或从飞机100接收的数据。因此，内部和外部因素340和345可以包括各种类型的动态和/或固定参数，并且参数可以约束解决方案的优化。动态参数可以包括大气参数、空域参数和飞机参数。这些动态参数中的至少一些可以实时地(例如，经由ATG网络200)传送到飞机100或从飞机100传送，以在Fligh 5D应用模块300(无论Fligh 5D应用模块300位于何处)处使用。
可能约束优化解决方案的大气参数的一些示例包括用于当前和预测状况的以下数据(以及可能由未来的天气信息服务提供商开发的其他数据)：
当前天气(描述、冻结水平、降水等)
高空凤(包括急流等)
表面风
高空温度
露点温度数据
可见度(包括跑道视觉范围(RVR)等)
云幂高度
天空覆盖程度
雷达图像(复合和倾斜特定，包括网格天气产品)
卫星云量
彩色红外(IR)云量
Mosaic回波顶高等
火山灰
恶劣天气条件(AIRMET、SIGMET等)
雷暴和恶劣天气预报
无人航空***(UAS)操作区
结冰
湍流
飞行员报告(PiReps)
气象终端航空例行(METAR)天气报告
终端机场预报(TAF)
中心天气咨询。
可以约束飞行路径优化解决方案的国家空域***(NAS)参数(或简称空域参数)包括针对当前和预测交通状况的以下信息：
临时飞行限制(TFR)
特殊用途空域(MOA、限制区域、发射区域等)
空中交通管制交通管理计划(TMI)
航空通告(NOTAM)
机场配置变更
ATC首选路线
ATC获批路线
地面延迟计划
基于时间的流量管理
空域流量计划
地面停止
编码出发路线
和其他。
需要并入飞行路径优化过程的飞机参数包括以下各项：
当前和预测的飞机重量(基于燃料和油耗测量或建模)
飞机配置(例如襟翼和起落架位置)
当前和预测的飞机重力中心(用于减少阻力计算)
影响飞机性能计算的基于飞机的大气状况测量
对于以下每个飞行路径目标的飞行员或调度员偏好和策略：
最小路径长度
最小路径时间
所需的抵达时间
最小路径燃料
最低路径成本
在发动机储备与燃料消耗的路径成本之间的权衡成本
最小路径湍流
最小路径结冰
起飞和降落时允许的最大侧风和顺风
最小跑道长度要求
最大燃油成本(针对加油停止优化)
和其他。
在优化过程中飞行路径选项的基于飞机的约束，包括当前飞行轨迹的完整数字表示(例如，如RTCA SC214协议中或要为基于轨迹的操作(TBO)空域开发的较新协议中定义的。)
和其他。
因此，例如，Fligh 5D应用模块300可以被配置为根据至少一些动态参数考虑与路线优化相关的内部因素和外部因素，所述至少一些动态参数在飞行中时经由(例如，通过稳健的、低时延迟的、高带宽的)与飞机100(例如，经由ATG网络200)的无线通信链路实时地传送到飞机100和/或从飞机100传送。因此，Fligh 5D应用模块300考虑到多个飞机轨迹的冲突消除(例如，经由轨迹管理器350)，而且接收对可能影响飞机100的飞行路径的状况的实时动态更新(例如，经由数据通信管理器360)。基于动态参数，规划管理器370可以考虑可能影响飞行路径优化的全部因素(例如，相对于由飞行员或操作员设置的内部因素和可以动态改变的外部因素)，以以图形方式输出指导选项375。Fligh 5D应用模块300还可以(再次以图形方式)经由飞行路径管理器380向飞行员或操作员提供多个选项的视觉比较。
在用于所公开的能力的基于地面的计算-通信架构中，将动态参数并入飞行路径优化过程中的能力需要从飞机100到地面的稳健、低时延、高带宽的返回链路，用于要重新发送到飞机100的基于地面(或云)的路径咨询的计算。然而，尽管从地面到飞机100的链路在历史上能够足够大以支持这种操作，但是在历史上返回链路不足以支持这种动态响应的咨询***。在机载计算通信架构中，以有助于实时和快速时间空中消除具有空域危险的路径的冲突的方式执行这些计算的能力同样需要来自飞机的这种返回链路，用于空对空共享影响路径优化过程的内部飞机参数和最佳飞行路径意图。示例实施例采用具有返回链路的ATG网络200，该返回链路能够以至少1到2Mbps(表示前向链路(即，地对空链路)带宽的大约50％)传送。此外，在一些情况下，ATG网络200可以包括能够以至少5Mbps(表示地对空带宽的约70-80％)传送的返回链路。
所公开的能力将计算应用程序与数据通信***集成，该数据通信***使得从飞机100在每个时刻的任何地方到目的地的飞行路径能够基于由飞机操作员设定的偏好和优先级、基于针对大气、空域和飞机100的不断变化的当前和预测状况而被连续(或周期性)优化和更新咨询信息，其被提供给飞行员。
由高双向带宽、低时延连接***相互依赖地支持的Fligh 5D应用模块300(或目的地确定应用模块)为飞行员提供第一能力，以获得关于不断变化的状况的背景下的飞行路径管理和优化以及用户策略和偏好的咨询信息的访问。Fligh 5D应用模块300通常建立在动态交互飞行路径(轨迹)的连续重新规划的概念上，以提供飞行员咨询，该飞行员咨询第一次使得轨迹选择能够由飞行员基于偏好、经济性和安全性来做出。Fligh 5D应用模块300被配置为通过数据通信技术获取关于大气状况、空域状态和交通的观测和预测的数据，以计算满足用户偏好、轨迹经济性和安全性的未来飞行路径。
本文描述的能力对于改善全球当前商业、商用、通用航空的运营和无人航空***(UAS)飞机运营的安全性和效率可能具有显著价值。在未来设想的“Urban VTOL”和“ThinHaul”空中出租车运营概念中，该能力对于使这些高密度交通***能够安全和有效地运行也可以具有显著价值。该能力还可以通过针对飞行员运行路径的比较分析提供高质量、高保真度的基线飞行路径来为飞行运行质量保证(FOQA)***的运行创造先进的效用。
在一些实施例中，Fligh 5D应用模块300可以设置在飞机100处。然而，Fligh 5D应用模块300可以设置在网络控制器240处、在任何地面站处、在云中的位置处或在可以与ATG网络200的基站和/或飞机通信的任何其它位置处。在一些示例实施例中，Fligh 5D应用模块300还可以配置为在移动网格网络环境中操作。例如，Fligh 5D应用模块300可以配置为利用与多个飞机相关联的动态位置信息，以便在飞机之间形成网格通信链路。因此，例如，一个或多个飞机(在基于分组的***中)可以将信息从地面基站中继到另一个飞机。在这样的示例中，动态参数可以被提供给多个飞行中的飞机和/或来自多个飞行中的飞机。在一些实施例中，可以实现飞机之间的多个“跳跃”以到达远程定位的飞机，或者甚至在特定地面站在其中未运行的网络中提供自修复，但是在该区域中存在能够中继信息以填补非运行地面站留下的覆盖间隙的其他飞机。
因此，图2的***可以在***内的一个或更多个对应位置处包括一个或更多个Fligh 5D(或目的地确定)应用模块300。无论这些模块的数量和位置如何，与其相关的信息都可以用于产生引导选项375和/或路径比较和诊断385，引导选项375和/或路径比较和诊断385能够例如提供给双向通信链路的任一端处的操作员和/或飞行员。因此，示例实施例可以提供高能力的飞行中咨询服务，其考虑动态参数以及飞行员或操作员的期望或商业需要。然后可以采取主动资源管理、安全相关咨询服务和其他活动来改进***性能和客户满意度。
这样，图2的***可以提供一种环境，在该环境中，图3的航空咨询或控制模块可以提供一种机制，通过该机制可以实施许多有用的方法。图4示出了可以与图2的***和图3的模块相关联的一种方法的框图。从技术角度来看，上述Fligh 5D应用模块300可以用于支持图4中所述的操作的一些或所有。这样，图2中描述的平台可以用于促进若干基于计算机程序和/或网络通信的交互的实现。作为示例，图4是根据本发明的示例实施例的方法和程序产品的流程图。应当理解，流程图的每个块以及流程图中的块的组合可以通过各种方式来实现，诸如硬件、固件、处理器、电路和/或与包括一个或更多个计算机程序指令的软件的执行相关联的其他设备。例如，如上所述的过程中的一个或更多个可以由计算机程序指令实现。在这方面，实现上述过程的计算机程序指令可以由设备的存储器设备(例如，Flight 5D应用模块300等)存储，并由设备中的处理器执行。可以理解，可以将任何这样的计算机程序指令加载到计算机或其他可编程装置(例如，硬件)上以产生机器，使得在计算机或其他可编程装置上执行的指令创建用于实施流程图块中指定功能的装置。这些计算机程序指令还可以存储在计算机可读存储器中，该计算机可读存储器可以指示计算机或其他可编程装置以特定方式起作用，使得存储在计算机可读存储器中的指令产生实现在流程图块中指定的功能的制品。计算机程序指令也可以加载到计算机或其他可编程装置上，以使得在计算机或其他可编程装置上待执行的一系列操作产生计算机实现的过程，使得在计算机或其他可编程装置上执行的指令实现在流程图块中指定的功能。
因此，流程图的块支持用于执行指定功能的装置的组合和用于执行指定功能的操作的组合。还将理解，流程图中的一个或更多个块以及流程图中的块的组合能够由执行指定功能的专用基于硬件的计算机***或专用硬件和计算机指令的组合来实现。
在这方面，根据本发明的一个实施例的方法，如图4所示，可以包括在操作400处，接收指示与飞机的路线优化相关的内部因素和外部因素的数据。外部因素的至少一些可以包括当飞机在飞行中时可变的动态参数。该方法还可以包括在操作410处，经由无线通信网络接收对动态参数的更新，该无线通信网络包括当飞机在飞行中时来自飞机的高带宽、低时延返回链路；在操作420处，更新该飞机的轨迹与一个或更多个其他飞机的轨迹的轨迹冲突消除；以及在操作430处，基于动态参数、轨迹冲突消除和内部因素的结合，产生与飞机的路线相关联的引导输出。在一些情况下，可以通过为轨迹管理器产生的每个路线或路线选项产生用于实现内部因素中提供的任何目标或偏好的路线得分、排名或适合性评级来完成结合。当接收到动态参数并且可能改变时，可以基于对轨迹管理器产生的路径或路线选项的影响来更新路径或路线选项，以有效地更新路线得分、排名或适合性评级。因此，可以连续地(或周期性地)更新和评分、排序或评级可能的路线以使得一个或更多个最佳选项(例如，通过得分或排名)呈现为指导输出和/或路径比较。
上面参考图4中所述的方法可以包括附加的步骤、修改、增强和/或类似，以实现进一步的目标或增强***的操作。可以以彼此的任何组合添加附加步骤、修改、增加和/或类似物。例如，在一些情况下，可以基本上实时地改变(例如，可以修改和/或更新)至少一些动态参数。在一些示例中，内部因素可以包括飞行员或操作员策略或偏好。在示例实施例中，偏好可以限定优选的到达时间、优选的危险避免策略、优选的成本管理策略和优选的燃料管理策略。在一些情况下，内部因素可以包括飞行员技能水平。在一些示例中，外部因素可以包括空域排除、架构和程序、高空风和温度、风暴、结冰、火山灰和湍流。在示例实施例中，外部因素可以包括用于拥挤管理的空中交通管理流量控制计划。在一些情况下，动态参数可以包括大气参数、空域参数和飞机参数。在一些示例中，模块可以布置在飞机上或地面站处。在示例实施例中，无线通信网络可以是ATG网络，并且模块可以设置在相对于ATG网络内的飞机和地面站的远程位置处。在一些情况下，产生引导输出可以包括向地面站处的操作员或飞机的飞行员提供飞行路径的选项。在示例实施例中，该方法可以进一步包括提供针对其他飞行路径的一个或更多个其他选项，并且显示该飞行路径与针对其他飞行路径的一个或更多个其他选项的比较。在一些情况下，更新轨迹冲突消除包括实时更新。
对于这些发明所属领域的技术人员来说，本文所述的发明的许多修改和其他实施例也具有上述说明和相关附图中所呈现的教导的益处。因此，应当理解，本发明不限于所公开的特定实施例，并且修改和其他实施例旨在包括在所附权利要求的范围内。此外，尽管前面的描述和相关附图在元素和/或功能的某些示例性组合的背景下描述了示例性实施例，但是应当理解，在不脱离所附权利要求的范围的情况下，可以通过替代实施例提供元素和/或功能的不同组合。在这方面，例如，与上述明确描述的元素和/或功能不同的元素和/或功能的不同组合也被考虑，如可以在某些附加权利要求中阐述。在本文中描述了优点、益处或问题的解决方案的情况下，应当理解，这些优点、益处和/或解决方案可以适用于一些示例实施例，但不一定适用于所有示例实施例。因此，不应认为本文所述的任何优点、益处或解决方案对于所有实施例或本文要求保护的实施例是关键的、必需的或必要的。尽管本文采用了特定术语，但它们仅以一般性和描述性意义使用，而不是出于限制的目的。
Claims (32)
1.一种航空咨询模块，包括处理电路，所述处理电路被配置为：
接收指示与飞机的路线优化相关的内部因素和外部因素的数据，其中所述外部因素的至少一些包括当飞机在飞行中时可变的动态参数；
通过无线通信网络接收对所述动态参数的更新，所述无线通信网络包括当飞机在飞行中时来自飞机的高带宽返回链路；
更新所述飞机的轨迹与一个或更多个其他飞机的轨迹的轨迹冲突消除；和
基于动态参数、轨迹冲突消除和内部因素的结合来产生与飞机的路线相关联的引导输出。
2.根据权利要求1所述的模块，其中，所述高带宽返回链路包括至少1Mbps的链路和前向链路的带宽的至少50％的链路。
3.根据权利要求2所述的模块，其中，所述动态参数的至少一些基本上实时地变化。
4.根据权利要求2所述的模块，其中，所述内部因素包括飞行员或操作员策略或偏好。
5.根据权利要求4所述的模块，其中，所述偏好限定优选的到达时间、优选的危险避免策略、优选的成本管理策略和优选的燃料管理策略。
6.根据权利要求2所述的模块，其中，所述内部因素包括飞行员技能水平。
7.根据权利要求2所述的模块，其中，所述外部因素可以包括空域排除、架构和程序、高空风和温度、风暴、结冰、火山灰以及湍流。
8.根据权利要求2所述的模块，其中，所述外部因素包括用于拥挤管理的空中交通管理流量控制计划。
9.根据权利要求1所述的模块，其中，所述动态参数包括大气参数、空域参数和飞机参数。
10.根据权利要求1所述的模块，其中，所述模块设置在飞机上。
11.根据权利要求1所述的模块，其中，所述模块设置在地面站上。
12.根据权利要求1所述的模块，其中，所述无线通信网络包括空对地(ATG)网络。
13.根据权利要求12所述的模块，其中，所述模块设置在相对于ATG网络内的地面站和飞机的远程位置处。
14.根据权利要求1所述的模块，其中，产生引导输出包括向地面站处的操作员或飞机的飞行员提供针对飞行路径的选项。
15.根据权利要求14所述的模块，其中，所述处理电路还被配置为提供针对其他飞行路径的一个或更多个其他选项，并且显示所述飞行路径与所述针对其他飞行路径的一个或更多个其他选项的比较。
16.根据权利要求1所述的模块，其中，更新轨迹冲突消除包括实时更新。
17.一种方法，包括：
接收指示与飞机的路线优化相关的内部因素和外部因素的数据，其中所述外部因素的至少一些包括当飞机在飞行中时可变的动态参数；
通过无线通信网络接收对所述动态参数的更新，所述无线通信网络包括当飞机在飞行中时来自飞机的高带宽返回链路；
更新所述飞机的轨迹与一个或更多个其他飞机的轨迹的轨迹冲突消除；和
基于动态参数、轨迹冲突消除和内部因素的结合来产生与飞机的路线相关联的引导输出。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述高带宽返回链路包括至少1Mbps的链路和前向链路的带宽的至少50％的链路。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述动态参数的至少一些基本上实时地变化。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，所述内部因素包括飞行员或操作员策略或偏好。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述偏好限定优选的到达时间、优选的危险避免策略、优选的成本管理策略和优选的燃料管理策略。
22.根据权利要求18所述的方法，其中，所述内部因素包括飞行员技能水平。
23.根据权利要求18所述的方法，其中，所述外部因素包括空域排除、架构和程序、高空风和温度、风暴、结冰、火山灰以及湍流。
24.根据权利要求18所述的方法，其中，所述外部因素包括用于拥挤管理的空中交通管理流量控制计划。
25.根据权利要求17所述的方法，其中，所述动态参数包括大气参数、空域参数和飞机参数。
26.根据权利要求17所述的方法，其中，所述方法由设置在飞机上的模块执行。
27.根据权利要求17所述的方法，其中，所述方法由设置在地面站处的模块执行。
28.根据权利要求17所述的方法，其中，所述无线通信网络包括空对地(ATG)网络。
29.根据权利要求28所述的方法，其中，所述方法由设置在相对于ATG网络内的地面站和飞机的远程位置处的模块执行。
30.根据权利要求17所述的方法，其中，产生引导输出包括向地面站处的操作员或飞机的飞行员提供针对飞行路径的选项以及路径诊断。
31.根据权利要求30所述的方法，还包括提供针对其他飞行路径的一个或更多个其他选项，并且显示所述飞行路径与所述针对其他飞行路径的一个或更多个其他选项的比较。
32.根据权利要求17所述的方法，其中，更新轨迹冲突消除包括实时更新。
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