無人飛行器系統感測和避免傳感器融合航跡初始化的制作方法
【技術領域】
[0001] 本申請涉及一種無人飛行器系統感測和避免傳感器融合航跡初始化。
【背景技術】
[0002] 聯邦航空管理局（FAA)已經規定在美國的國家空域（NAS)中操作的無人飛行器系 統（UAS)(在本文中也稱為遠程操作飛行器（ROA)) "必須提供等價的安全水平，與用于有人 駕駛飛行器的看到并避開（SAA)要求相當"。與術語"感測到并避開（SAA)"互換地使用術 語看到并避開。SAA的目的是為UAS提供針對有或沒有活動的基于應答器的防撞系統的所 有空中交通執行自分離（self separation)和防撞操縱的能力。當前，在世界上的任何地 方都不存在已被證明的ROA SAA能力。沒有SAA的NAS中的在操作中的遠程操作飛行器要 求來自FAA的授權證書，并且要求追蹤平面(追蹤ROA的平面)或ROA的基于地面的觀察者。
[0003] 用于UAS的SAA能力的開發已被FAA識別為使得UAS能夠在NAS中操作所需的關 鍵之一。用于這些UAS的非軍事應用包括監視邊境以對非法邊境活動進行定位、監視危險 且潛在致命的天氣事件或監視交通條件。
[0004] NAS中的UAS的任何使用（不考慮制造商)必須遵循由FAA建立的規則和要求。SAA 要求UAS檢測并跟蹤本機（ownship) UAS的操作附近的入侵飛行器以識別執行自分離和防 撞所需的指導策略。檢測和跟蹤功能是用于UAS SAA能力的關鍵使能者（enabler)，因為 UAS不能針對未檢測到的、未被跟蹤的入侵飛行器執行自分離或防撞操縱。
【發明內容】
[0005] 本申請涉及一種用以根據傳感器測量結果對航跡進行初始化的方法。該方法包括 基于在三個連續時間下從至少一個傳感器收集的數據來識別至少一個試驗航跡；針對所識 別的試驗航跡對確認/刪除航跡過濾器（track filter)進行初始化；以及將根據狀態矢量 統計而計算的門（gate)用于以下各項中的一個：確認至少一個試驗航跡；對至少一個試驗 航跡進行再處理；或刪除至少一個試驗航跡。
【附圖說明】
[0006] 圖1是用以在交通工具的環境中檢測和跟蹤所感測對象的交通工具中的交通工 具跟蹤系統的實施例； 圖2是用以確認或刪除試驗航跡的過程的實施例的流程圖； 圖3是用于用以根據傳感器測量結果對航跡進行初始化的方法的實施例的流程圖； 圖4是指示用以執行3/3測量到測量數據關聯的球形門的示例性使用的圖；以及 圖5是3/3測量到測量數據關聯算法的實施方式的實施例的擴展流程圖。
[0007] 根據一般慣例，各種所述特征并未按比例繪制，而是為了強調與本發明有關的特 征而繪制。遍及各圖和正文，相似的參考符號表示相似的元件。
【具體實施方式】
[0008] 在下面的詳細描述中，對形成其一部分的附圖進行參考，并且其中以圖示的方式 示出了其中可實施本發明的特定說明性實施例。足夠詳細地描述了這些實施例以使得本 領域的技術人員能夠實施本發明，并且應理解的是在不脫離本發明的范圍的情況下，可利 用其它實施例，并且可進行邏輯、機械和電氣修改。因此不應以限制性意義進行以下詳細描 述。
[0009] 感測到并避開（SAA)要求無人飛行器系統（UAS)檢測并跟蹤本機UAS的操作附近 的入侵飛行器以識別執行自分離和防撞所需的指導策略。在本文中互換地使用術語"本機 的操作附近"和"本機的環境"。SAA還用來指導靠自動駕駛儀進行操作的任何交通工具，而 不管交通工具中的人的存在。如在本文中定義的，術語"本機交通工具"是容納跟蹤在本機 交通工具的附近的其它交通工具的無人交通工具系統的交通工具。在本實施例的一個實施 方式中，本機交通工具是本機UAS。在本實施例的另一實施方式中，本機交通工具是在自動 駕駛儀模式下操作的汽車。檢測和跟蹤功能是用于UAS SAA能力的關鍵使能者，因為UAS 不能針對未檢測到的、未被跟蹤的入侵飛行器執行自分離或防撞操縱。檢測功能指的是使 用監控傳感器來測量入侵飛行器相對于本機UAS的位置。跟蹤功能指的是將監控傳感器測 量結果融合在一起以估計入侵飛行器相對于本機UAS的軌跡統計(例如，航跡)。
[0010] 本文所述的技術使用監控傳感器來為入侵交通工具的測量提供能夠作為時間的 函數而相關或隨機的對應測量標識符。在本文中互換地使用術語"監控傳感器"和"傳感 器"。本文所使用的術語"測量"是由傳感器進行以提供關于在本機交通工具的環境中的交 通工具的數據的測量。跟蹤功能：1)使用數據關聯算法來估計入侵飛行器的航跡以向當前 航跡指派測量結果，其包括已確認航跡和試驗航跡兩者；2)使用過濾器將所指派傳感器測 量結果與航跡的當前估計融合；以及3)監視（oversee)傳感器融合操作，確認航跡，并在軌 跡管理器處刪除航跡。跟蹤功能將用于進入傳感器的視場的入侵交通工具的新航跡初始化 或將用于在傳感器的視場內的先前未檢測到的入侵交通工具的新航跡初始化。本文所述的 技術提供了用以將用于入侵交通工具(例如，入侵飛行器）的新航跡初始化以促進跟蹤功能 的技術。諸如最鄰近（nearest neighbor)或聯合概率數據關聯（JPDA)之類的明示數據關 聯技術不具有對新航跡進行初始化的能力。
[0011] 交通工具可以是飛行器、水上交通工具或陸地交通工具。本文中的某些所述實施 例描述了飛行器，然而，不應將這解釋為該技術的限制。例如，可以在被設計成在幾乎沒有 來自汽車中的駕駛員的輔助的情況下自己駕駛的汽車中實施此技術。在此后一種情況下， 跟蹤交通工具系統是靠自動駕駛儀駕駛的汽車中的系統。
[0012] 根據一組傳感器測量結果對新航跡進行初始化。存在兩種類型的傳感器測量結 果：1)入侵交通工具或對象發起的傳感器測量結果；以及2)源自于混亂（clutter)的假測 量結果。對于與傳感器測量結果一起輸出標識（ID)的監控傳感器而言，存在三種類型的傳 感器測量結果ID分類。第一 ID分類是用于合作傳感器測量結果。合作傳感器測量結果包 括廣播式自動相關監控（ADS-B)或具有相關航跡ID的交通防撞系統（TCAS)模式S。這些 類型的傳感器執行內部數據關聯并輸出跨測量時間一致(即，相關）的國際民航組織（ICAO) 飛行器ID。第二ID分類是用于具有相關航跡ID的非合作傳感器測量結果。在這種情況 下，傳感器執行內部數據關聯并輸出跨測量時間一致(相關）的唯一飛行器ID。第三ID分 類是用于沒有相關航跡ID的非合作傳感器測量結果。此分類內的傳感器是低級且廉價的； 傳感器輸出跨測量時間不一致(相關）的測量標志符。
[0013] 航跡初始化算法使用包括以下各項的三個主要步驟將新航跡初始化：1)使用3/3 測量到測量（measurement-to-measurement)數據關聯算法來識別試驗航跡；2)使用三個 連續傳感器測量結果來計算試驗航跡的軌跡統計；以及3)確認或刪除傳感器測量結果ID 分類內的用于每個傳感器的試驗航跡。如果用3/3數據關聯算法從一系列測量結果識別到 試驗航跡，則針對該試驗航跡將確認/刪除航跡過濾器初始化并將該航跡視為用于本機交 通工具的環境中的新交通工具的可能航跡。
[0014] 本文所述的算法要求至少一個傳感器的三個連續測量結果以識別試驗航跡。由于 監控傳感器提供使用遍及傳感器的視場的均勻分布建模的假測量結果，所以使用三個連續 測量結果來對航跡進行初始化使根據假測量結果識別的試驗航跡的數目最小化且使針對 假航跡初始化的過濾器的數目最小化。
[0015] 本文所述的算法在最小二乘法公式化中使用試驗航跡的三個連續的測量結果來 估計用于入侵交通工具相對于本機交通工具的三維（3D)位置、速度以及加速度的統計。航 跡統計的這些估計提供用以對用于試驗航跡的過濾器進行初始化的系統化方法并使過濾 器會聚所需的時間最小化。
[0016] 本文所述的算法使用取決于傳感器測量結果標識符跨時間是否相關而使用測量 至航跡關聯的確認試驗航跡的兩個替換方法。在其中傳感器測量結果標識符相關的情況 下，該算法使用ID與最近鄰方法的組合來識別被關聯到試驗航跡的測量結果。針對每個試 驗航跡在零點處將航跡分數進行初始化且隨后在候選測量結果被關聯至航跡時被更新。將 已更新航跡分數與所選閾值相比較以確認或刪除試驗航跡。由算法的設計者針對給定交通 工具系統來選擇該閾值。
[0017] 航跡分數是用每個所指派的測量結果計算的分數的累計總數。在本實施例的一個 實施方式中，航跡分數是針對每個所指派的測量結果或移動平均數而計算的有限數目的分 數的累計總數。用于每個所指派測量結果的分數是預測測量矢量與實際測量矢量之間的卡 方（chi-squared)距離的函數。設計者具有選擇在確認航跡之前選擇被關聯到試驗航跡的 最小數目的候選測量結果的選項。此外，設計者還具有選擇用來累積航跡分數的測量結果 的數目、使得較舊的測量結果不再對航跡分數有貢獻以有利于較新測量結果的選項。
[0018] 在其中傳感器測量結果標識符不相關的情況下，算法使用JPDA來將候選測量結 果關聯到試驗航跡，因為傳感器測量結果標識符未指示潛在的關聯。JPDA允許指派給試驗 航跡的多個候選測量結果的可能性。針對每個試驗航跡在零點處對航跡分數進行初始化 且隨后在候選測量結果被關聯至航跡時被更新。如果向試驗航跡指派多個候選測量結果， 則根據所述多個測量結果來計算平均航跡分數，并使用該平均航跡分數來更新當前航跡分 數。
[0019] 圖1是用以檢測和跟蹤交通工具20的環境12中的所感測對象15 (1-N)的交通 工具20中的交通工具跟蹤系統10的實施例，其中，N是正整數。在本實施例的一個實施方 式中，交通工具20是無人交通工具20。所感測對象15 (1-N)正在以相應的速度V (1- N)移動。交通工具20包括慣性導航系統25和交通工具跟蹤系統10。交通工具跟蹤系統 10包括至少一個傳感器85、至少一個處理器80以及包括至少一個確認/刪除航跡過濾器 70、存儲器86以及軟件95的存儲介質90。該至少一個確認/刪除航跡過濾器70在本文中 也稱為航跡過濾器70。
[0020] 傳感器85被通信耦合以向處理器80輸出數據。傳感器85可操作以感測交通工 具20的環境12中的對象15 (1-N)。傳感器85可以是能夠