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CN109388153A - 用于控制尾随飞行器相对前导飞行器的路径的方法和装置 - Google Patents

用于控制尾随飞行器相对前导飞行器的路径的方法和装置 Download PDF

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CN109388153A
CN109388153A CN201810845631.1A CN201810845631A CN109388153A CN 109388153 A CN109388153 A CN 109388153A CN 201810845631 A CN201810845631 A CN 201810845631A CN 109388153 A CN109388153 A CN 109388153A
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CN
China
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aircraft
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risk
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Application number
CN201810845631.1A
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English (en)
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让-卢克·罗宾
约瑟·托拉尔瓦
朱利耶·勒巴斯
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Airbus Operations SAS
Original Assignee
Airbus Operations SAS
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Abstract

本发明涉及一种用于控制尾随飞行器相对前导飞行器的路径的方法和装置。‑所述装置(1)用于控制尾随飞行器(AC2)相对于前导飞行器(AC1)的路径，这些飞行器(AC1，AC2)呈编队(F)飞行，所述装置包括：数据接收单元，所述数据接收单元被配置成接收与所述前导飞行器(AC1)相关的碰撞风险信息项；计算单元，所述计算单元被配置成在接收到碰撞风险信息项时确定至少一个所谓的安全位置(PS)，所述安全位置(PS)对应于所述尾随飞行器(AC2)不受由所述前导飞行器(AC1)产生的涡流(V1，V2)的影响的位置；以及控制单元，所述控制单元被配置成一旦所述计算单元已确定所述安全位置(PS)，就使得所述尾随飞行器(AC2)进入所述安全位置(PS)。

Description

用于控制尾随飞行器相对前导飞行器的路径的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于尤其是当存在碰撞风险时控制被称为尾随飞行器的飞行器相对于在所述尾随飞行器前方的被称为前导飞行器的飞行器的路径的方法和装置，所述前导飞行器和尾随飞行器呈编队飞行。
背景技术
编队飞行包括至少两个飞行器、特别是运输机，即，前导飞行器(或前导机)以及一个或多个尾随飞行器。尾随飞行器尾随它们直接尾随的飞行器(即，前导飞行器或另一尾随飞行器)飞行，其方式为保持它们之间的恒定间距。在一个特定应用中，特别是在巡航时，飞行器在同一飞行高度上以相同的前进方向和相同的速度彼此前后飞行。还可以提供的是，对尾随飞行器施加速度控制指令，这些指令使得它们允许所述尾随飞行器具有与前导飞行器在过去的给定时间段所具有的相同的位置、相同的速度以及相同的加速度。
此外，飞行器(特别是客机)配备有TCAS(对应‘空中防撞系统’)防撞系统，使得有可能通过警告飞行中碰撞风险来确保空中交通的安全。
因此，当前导飞行器的防撞系统检测到与编队外部的环境中的飞行器或者与编队中尾随它的尾随飞行器存在碰撞风险时，该防撞系统通常传输警报并且执行规避操纵以便消除碰撞情况的可能性(或风险)。这样的规避操纵通常包括在所讨论的飞行器之间执行竖直隔离，对于客机而言一般为700英尺。
现在，使编队中的至少一个飞行器产生高度变化的这种规避操纵可能导致尾随飞行器不得不穿过在所述尾随飞行器前方的前导飞行器的下游形成的尾涡流。
这种潜在穿过尾涡流会对尾随飞行器造成扰动，从而可能对尾随飞行器的机舱产生负面影响。
因此，当存在碰撞风险时，对编队飞行的规避操纵的这种传统管理并不令人满意。
发明内容
本发明的目的是改正这个缺点。本发明涉及一种用于在发生碰撞风险的情况下控制被称为尾随飞行器的飞行器相对于在所述尾随飞行器前方的被称为前导飞行器的飞行器的路径的方法，所述前导飞行器和尾随飞行器呈编队飞行。
根据本发明，所述方法包括一系列步骤，所述一系列步骤在尾随飞行器上实施并且至少包括：
-接收步骤，所述接收步骤由数据接收单元实施并且包括接收与前导飞行器相关的至少一个碰撞风险信息项；
-计算步骤，所述计算步骤由计算单元实施并且包括在接收到碰撞风险信息项时确定至少一个所谓的安全位置，所述安全位置对应于尾随飞行器不受由前导飞行器产生的涡流的影响的位置；以及
-控制步骤，所述控制步骤由控制单元执行并且包括使得尾随飞行器进入所述安全位置。
因此，借助于本发明，一旦传输前导飞行器的碰撞风险信息项并且原则上由前导飞行器执行常规的规避操纵，就有可能在由前导飞行器的规避操纵产生的涡流的潜在风险移动对尾随飞行器产生影响之前使得尾随飞行器进入安全位置(而没有涡流)。
在本发明的上下文中，前导飞行器的碰撞风险可以涉及与尾随飞行器碰撞或者与编队外部(或非外部)的环境中的另一飞行器碰撞的风险。
有利地，接收步骤包括接收来自前导飞行器的防撞系统的碰撞风险信息项。因此，即使在尾随飞行器的防撞系统出现故障的情况下，也会警告尾随飞行器有碰撞风险。因此，除了允许使尾随飞行器进入安全位置之外，还有可能检测到尾随飞行器的防撞系统的故障。
作为变型或此外，接收步骤有利地包括接收来自尾随飞行器的防撞系统的碰撞风险信息项。
此外，计算步骤有利地包括将相对于在规避操纵期间前导飞行器会沿循的至少一个预期路径至少横向间隔开的、且旨在消除碰撞风险的位置确定为安全位置，并且在所述安全位置，尾随飞行器不受由前导飞行器产生的涡流的影响。
此外，在接收到碰撞风险信息项之前，控制步骤有利地包括将尾随飞行器保持在所谓的最佳位置，在所述最佳位置，呈编队飞行的所述尾随飞行器受益于由前导飞行器产生的涡流中的至少一个涡流的影响。
此外，控制步骤包括，通过使得尾随飞行器进入安全位置：
-在第一实施例中，维持编队飞行；并且
-在第二实施例中，打破编队飞行。
本发明还涉及一种用于在发生碰撞风险的情况下控制被称为尾随飞行器的飞行器相对于在所述尾随飞行器前方的被称为前导飞行器的飞行器的路径的装置，所述前导飞行器和尾随飞行器呈编队飞行。
根据本发明，控制装置包括安装在尾随飞行器上的以下各项：
-数据接收单元，所述数据接收单元被配置成接收与前导飞行器相关的至少一个碰撞风险信息项；
-计算单元，所述计算单元被配置成在接收到碰撞风险信息项时确定至少一个所谓的安全位置，所述安全位置对应于尾随飞行器不受由前导飞行器产生的涡流的影响的位置；以及
-控制单元，所述控制单元被配置成一旦计算单元已确定所述安全位置，就使得尾随飞行器进入所述安全位置。
在第一实施例中，数据接收单元被配置成接收来自前导飞行器的防撞系统的碰撞风险信息项。
此外，作为变型或此外，在第二实施例中，数据接收单元被配置成接收来自尾随飞行器的防撞系统的碰撞风险信息项。
另外，本发明涉及一种飞行器、特别是运输机，所述飞行器配备有诸如以上所述的路径控制装置。
附图说明
附图将使得容易理解如何实施本发明。在这些图中，相同参考号表示相似元件。更具体地：
-图1是根据本发明的控制装置的第一实施例的示意性概览；
-图2是根据本发明的控制装置的第二实施例的示意性概览；
-图3是编队飞行的示意性描述，示出了产生涡流的前导飞行器和尾随飞行器相对于这些涡流的两个可能位置；以及
-图4示意性地示出了由控制装置实施的用于控制尾随飞行器的路径的方法。
具体实施方式
使得可以展示本发明并且在图1和图2中以两个不同的实施例示意性地示出的装置1是用于控制尾随飞行器AC2相对于在所述尾随飞行器前方的前导飞行器AC1的路径(如图3所示)的装置。所述前导飞行和尾随飞行器(例如，两架运输机)呈编队F飞行。设备1安装在尾随飞行器AC2上，如图3中高度示意性地示出。
如常规的，编队F包括前导飞行器AC1以及一个或多个尾随飞行器、即，在图3的示例中的单一尾随飞行器AC2，该一个或多个尾随飞行器尾随前导飞行器AC1(位于位置PI)，其方式为使得保持它们之间的恒定的纵向间距E。在一个特定应用中，特别是在巡航时，飞行器AC1和AC2在同一飞行高度上以相同的前进方向和相同的速度彼此前后飞行。
此外，在实现方式的一个优选模式下，尾随飞行器AC2相对于前导飞行器AC1所沿的路径TV略微横向偏移，并且它位于所谓的最佳位置PO来受益于由前导飞行器AC1产生的涡流V1、V2的影响，如下文说明。
为了有利于描述，图3示出了由三个相互正交的轴线(或方向)X、Y和Z形成的正交坐标系R，所述轴线使得：
-X是前导飞行器AC1的机身在前导飞行器AC1的行进方向S上正向定向的纵向轴线；
-Z是竖直轴线，该轴线与X轴线一起形成与前导飞行器AC1的竖直对称平面相对应的平面；并且
-Y是与所述X轴线和Z轴线正交的横向轴线。
在一个特定实施例中，装置1形成在尾随飞行器AC2上的编队飞行管理单元(未具体示出)的一部分。至少对于尾随飞行器AC2，这样的单元被配置成管理编队飞行。
根据本发明，如图1和图2所示，装置1包括：
-数据接收单元2A、2B，该数据接收单元被配置成接收如下文说明的与前导飞行器AC1相关的碰撞风险信息项；
-计算单元3，该计算单元被配置成一旦(经由链路4A、4B)接收到碰撞风险信息项，就确定至少一个所谓的安全位置PS。安全位置PS对应于尾随飞行器AC2不受由前导飞行器AC1产生的涡流V1、V2的影响的位置，如图3所示且如下文说明；以及
-控制单元5，该控制单元被配置成一旦接收到碰撞风险信息项并且已由计算单元3计算出安全位置PS(并且通过链路6传输到控制单元5)，就使得尾随飞行器AC2进入所述安全位置PS(并将其保持在那里)。
在一个特定实施例中，接收单元2A、2B和计算单元3被集成到同一中央处理单元7中。
此外，控制单元5包括手动或自动驾驶尾随飞行器AC2所需的所有常用装置。在下面的说明中没有进一步描述此控制单元5。
因此，装置1使得一旦传输前导飞行器AC1的碰撞风险信息项(下文说明)并且具体地传统上由前导飞行器执行规避操纵，就有可能在由前导飞行器AC1的规避操纵产生的涡流的潜在风险移动对所述尾随飞行器AC2产生影响(通常几秒钟后)之前使得尾随飞行器AC2进入安全位置PS(而没有涡流)。
因此，装置1使得有可能预测前导飞行器AC1的规避操纵，以便在由规避操纵产生的涡流的影响(沿纵向轴线X)到达尾随飞行器AC2的纵向位置之前，通过尾随飞行器的预期命令和移动将尾随飞行器AC2带到涡流区域的外部。
在第一实施例中(在图1中以实线示出)，数据接收单元2A被配置成接收由前导飞行器AC1的防撞系统8生成的碰撞风险信息项。
在此第一实施例中，与前导飞行器AC1相关的碰撞风险(被装置1考虑在内)可以涉及前导飞行器AC1与尾随飞行器AC2的碰撞风险，或者前导飞行器AC1与在前导飞行器AC1的周围环境中的另一飞行器(未示出)的碰撞风险，这些周围环境在编队F的外部(或非外部)。
优选地，所述防撞系统8是TCAS(对应‘空中防撞系统’)。这种防撞系统8使得有可能如常规那样通过警告飞行中碰撞风险来确保空中交通的安全。因此，当两架飞行器朝向彼此靠拢时，安装在这些飞行器中的一个上的防撞系统会计算碰撞时间的估计值，并且传输警报来通知空勤人员未来可能发生的碰撞：这种警报通常被称为‘交通提示’或‘TA警报’。必要时，为了引起空勤人员的注意，防撞系统还会传输在竖直平面中进行规避操纵的命令(例如，经由显示单元)，以便消除碰撞情况的可能性：这种规避操纵命令通常被称为‘决断提示’或‘RA警报’。TA警报和RA警报通常体现为语音消息(经由警报单元)并且体现为驾驶舱中的信息显示(经由显示单元)。在实践中，机载防撞系统通常计算水平面中的碰撞时间(两架飞行器的水平距离与其相对水平速度之间的关系)以及竖直平面中的碰撞时间(两架飞行器的竖直距离与其相对竖直速度之间的关系)。将因此计算的碰撞时间与TA警报和RA警报的预定阈值进行比较(所述预定阈值此外取决于高度)，并且当计算的碰撞时间比对应的预定阈值短时触发所述警报。
前导飞行器AC1的防撞系统8以电磁波的形式在外部传输信息(如由图1中的箭头9所示)，这些电磁波能够由安装在尾随飞行器AC2上的适合的接收装置(诸如，应答器10)检测到。
形成装置1的一部分的应答器10经由链路11将从防撞系统8接收的信息传输到数据接收单元2A。
因此，在此第一实施例中，即使在尾随飞行器的防撞系统出现故障的情况下，也会通过从前导飞行器AC1接收的信息项来警告尾随飞行器有碰撞风险。因此，除了允许使尾随飞行器AC2进入安全位置PS之外，在此第一实施例的情况下，还可能检测到尾随飞行器AC2的防撞系统的故障。
此外，在第二实施例中(如图2所示)，数据接收单元2B被配置成(经由链路13)接收由尾随飞行器AC2的防撞系统12生成的碰撞风险信息项。此防撞系统12优选地类似于如上所述的前导飞行器AC1的防撞系统8。
在此第二实施例中，装置1仅考虑在尾随飞行器AC2上检测到的在尾随飞行器AC2与前导飞行器AC1之间的碰撞风险。
此外，在第三优选实施例中，如图1所示(包括以实线示出的元件和以虚线示出的元件)，装置1包括上述第一实施例和第二实施例的所有元件。
在此第三实施例中，为了控制尾随飞行器AC2的路径，装置1可以考虑由前导飞行器AC1的防撞系统8传输的碰撞风险信息项以及由尾随飞行器AC2的防撞系统12传输的那些碰撞风险信息项两者。
在本发明的上下文中，碰撞风险信息项优选地对应于‘决断提示’或‘RA警报’规避操纵命令。然而，它也可以是：
-‘交通提示’或‘TA警报’警报；或者
-警告存在碰撞风险和/或规避操纵的任何信息项。
此外，在一个特定实施例中，计算单元3被配置成将相对于当前位置PO至少横向(沿Y轴)间隔开距离ΔY的位置确定为安全位置PS。目的在于将尾随飞行器AC2与前导飞行器AC1的预期路径TA间隔开，在规避操纵期间所述前导飞行器会沿循所述预期路径(在由图3中的箭头C所示)。安全位置PS优选地是也相对于当前位置PO竖直地(沿Z轴)间隔开距离ΔZ的位置，如图3所示。
安全位置PS与飞行路径TA以及涡流V1和V2横向相距足够远(通常至少200米)，以使得尾随飞行器AC2感觉不到最接近涡流V1的任何影响。为了限定这个安全位置PS，可以使用供应给涡流转运模型的ADS-B数据、测量数据等。涡流转运模型(如常规地)取决于前导飞行器AC1的特征(质量、翼展等)和飞行点的特征(尾随飞行器AC2的速度、风等)。安全位置PS的位置直接取决于模型及其输入数据的准确度。
在安全位置PS，尾随飞行器AC2可以或可以不继续呈编队飞行(并且因此负责其与前导飞行器AC1分离)，具体取决于预期的实施例。
因此，在第一实施例中，控制单元5被配置成通过在检测到碰撞风险时使得尾随飞行器AC2进入安全位置PS来在尾随飞行器AC2的这个操纵期间维持尾随飞行器AC2与前导飞行器AC1之间的编队飞行。
所述装置1因此使得安装有该装置的尾随飞行器AC2仍然保有呈编队飞行(特别是在成本方面)的优点。
此外，在第二实施例中，控制单元5被配置成通过使得尾随飞行器AC2进入安全位置PS来在尾随飞行器AC2的这个操纵期间打破尾随飞行器AC2与前导飞行器AC1之间的编队飞行。
此外，在实现方式的一个优选模式下(其可以以适应于上述实施例中的每一者的方式来应用)，装置1被配置成在编队飞行期间在接收到碰撞风险信息项之前并且只要没有接收到碰撞风险信息项，就具体地使用控制单元5使得尾随飞行器AC2进入(如果需要的话)并保持在所谓的最佳位置PO。在这个最佳位置PO，呈编队F飞行的尾随飞行器AC2受益于由前导飞行器AC1产生的涡流V1、V2中的至少一个涡流V1的影响。
如常规地，由中央处理单元7的位置确定元件(未示出)来确定这个最佳位置PO。
在这种情况下，如图3所示，前导飞行器AC1沿循飞行路径TV，并且主要在其尾流中产生两个涡流V1和V2，即，由于每个机翼的下表面与上表面之间的压力差以及由此产生的空气流的向下偏转而引起的从飞行器的每个机翼AL1和AL2开始的涡流V1和V2。这些涡流V1和V2是反向旋转的涡流、并且以风场为特征，该风场总体上在这些涡流的外部上升并且总体上在这些涡流之间落下。从机翼AL1和AL2开始，涡流V1和V2首先趋于移动得更靠近彼此，并且然后彼此维持或大或小的恒定距离，同时相对于产生涡流的高度而下降，如图3的双箭头H所示。由于涡流的这种构造，对于尾随产生涡流的前导飞行器AC1的尾随飞行器AC2而言有益的是能够利用上升气流来降低其燃料消耗量，并且因此使得尾随飞行器AC2进入最佳位置PO。
这个最佳位置PO使得：
-能够驾驶尾随飞行器AC2；
-最佳位置不干扰尾随飞行器AC2的系统、结构以及发动机；
-最佳位置不会令尾随飞行器AC2的乘客产生不适；并且
-最佳位置为尾随飞行器AC2提供了特别是在燃料消耗方面的益处。
如上所述，在尾随飞行器AC2(图3)上的所述装置1在发生碰撞风险的情况下在编队飞行F期间实施以下一连串步骤，如图4所示，这些步骤包括：
-接收步骤E1，该接收步骤由数据接收单元2A或数据接收单元2B实施，包括接收与前导飞行器AC1相关的碰撞风险信息项，该信息项是由前导飞行器AC1的防撞系统8生成或者由尾随飞行器AC2的防撞系统12生成；
-计算步骤E2，该计算步骤由计算单元3实施，包括在接收到这种碰撞风险信息项时确定安全位置PS，所述安全位置PS对应于尾随飞行器AC2不受由前导飞行器AC1在规避操纵期间产生的涡流V1、V2的影响的位置；以及
-控制步骤E3，该控制步骤由控制单元5实施，包括一旦这个安全位置PS被确定，就使得尾随飞行器AC2进入并保持在所述安全位置PS。
因此，在编队飞行期间，尾随飞行器AC2相对于前导飞行器AC1保持在适当的位置，并且优选地保持在它受益于编队飞行和涡流V1的积极影响两者的所述最佳位置PO。
当由前导飞行器AC1的防撞系统8检测到碰撞风险时，前导飞行器AC1进行规避操纵，并且使用控制单元5使得尾随飞行器AC2迅速进入(由计算单元3确定的)安全位置PS，如由图3中的箭头B所示，其中打破或不打破编队飞行，具体取决于预期的实施例。
这同样适用于由尾随飞行器AC2的防撞系统12检测到碰撞风险的情况。
此外，如果与尾随飞行器AC2存在碰撞风险，并且如果尾随飞行器AC2的防撞系统12未检测到该风险，那么装置1使得有可能检测到两个防撞系统8与12之间的不一致以及(在适用的情况下)尾随飞行器AC2的防撞系统12的故障。

Claims (13)

1.一种用于在有碰撞风险的情况下控制被称为尾随飞行器(AC2)的飞行器相对于在所述尾随飞行器前方的被称为前导飞行器(AC1)的飞行器的路径的方法，所述前导飞行器(AC1)和所述尾随飞行器(AC2)呈编队(F)飞行，
其特征在于，所述方法包括一系列步骤，所述一系列步骤在所述尾随飞行器(AC2)上实施并且至少包括：
-接收步骤(E1)，所述接收步骤由数据接收单元(2A，2B)实施并且包括接收与所述前导飞行器(AC1)相关的至少一个碰撞风险信息项；
-计算步骤(E2)，所述计算步骤由计算单元(3)实施并且包括在接收到碰撞风险信息项时确定至少一个所谓的安全位置，所述安全位置(PS)对应于所述尾随飞行器(AC2)不受由所述前导飞行器(AC1)产生的涡流(V1，V2)的影响的位置；以及
-控制步骤(E3)，所述控制步骤由控制单元(5)实施并且包括一旦所述安全位置(PS)被确定，就使得所述尾随飞行器(AC2)进入所述安全位置(PS)。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，所述接收步骤(E1)包括接收来自所述前导飞行器(AC1)的防撞系统(8)的碰撞风险信息项。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的方法，
其特征在于，所述接收步骤(E1)包括接收来自所述尾随飞行器(AC2)的防撞系统(12)的碰撞风险信息项。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，
其特征在于，所述计算步骤(E2)包括将相对于在规避操纵期间所述前导飞行器(AC1)会沿循的至少一个预期路径(TA)至少横向间隔开的、且旨在消除所述碰撞风险的位置确定为安全位置(PS)，在所述安全位置(PS)，所述尾随飞行器(AC2)不受由所述前导飞行器(AC1)产生的涡流(V1，V2)的影响。
5.根据权利要求4所述的方法，
其特征在于，所述第一计算步骤(E2)包括将相对于所述前导飞行器(AC1)的所述预期路径(TA)还竖直地间隔开的位置确定为安全位置(PS)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，
其特征在于，在接收到碰撞风险信息项之前，所述控制步骤(E4)包括将所述尾随飞行器(AC2)保持在所谓的最佳位置(PO)，在所述最佳位置，呈编队(F)飞行的所述尾随飞行器(AC2)受益于由所述前导飞行器(AC1)产生的所述涡流(V1，V2)中的至少一个涡流(V1)的影响。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，
其特征在于，所述控制步骤(E3)包括通过使得所述尾随飞行器(AC2)进入所述安全位置(PS)来维持所述编队飞行。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，
其特征在于，所述控制步骤(E3)包括通过使所述尾随飞行器(AC2)进入所述安全位置(PS)来打破所述编队飞行。
9.一种用于在有碰撞风险的情况下控制被称为尾随飞行器(AC2)的飞行器相对于在所述尾随飞行器前方的被称为前导飞行器(AC1)的飞行器的路径的装置，所述前导飞行器(AC1)和所述尾随飞行器(AC2)呈编队(F)飞行，
其特征在于，所述装置包括安装在所述尾随飞行器(AC2)上的以下各项：
-数据接收单元(2A，2B)，所述数据接收单元被配置成接收与所述前导飞行器(AC1)相关的至少一个碰撞风险信息项；
-计算单元(3)，所述计算单元被配置成在接收到碰撞风险信息项时确定至少一个所谓的安全位置(PS)，所述安全位置(PS)对应于所述尾随飞行器(AC2)不受由所述前导飞行器(AC1)产生的涡流(V1，V2)的影响的位置；以及
-控制单元(5)，所述控制单元被配置成一旦所述计算单元(3)已确定所述安全位置(PS)，就使得所述尾随飞行器(AC2)进入所述安全位置(PS)。
10.根据权利要求9所述的装置，
其特征在于，所述数据接收单元(2A)被配置成接收来自所述前导飞行器(AC1)的防撞系统(8)的碰撞风险信息项。
11.根据权利要求9和10中任一项所述的装置，
其特征在于，所述数据接收单元(2B)被配置成接收来自所述尾随飞行器(AC2)的防撞系统(12)的碰撞风险信息项。
12.根据权利要求11所述的装置，
其特征在于，所述装置包括所述尾随飞行器(AC2)的所述防撞系统(12)。
13.一种飞行器，所述飞行器包括根据权利要求9至12中任一项所述的路径控制装置(1)。
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