自由飞行：无人机感知与规避系统研究

自动分离与防止空中碰撞：无人机进入国家空域需解决的问题

过去10年，在伊拉克和阿富汗的作战行动中，无人作战系统的运用实效得到印证，同时民用领域的运用范围也在扩大。目前，各种无人机系统正常规用于战场和国家空域。

然而，使无人机系统完全进入国家空域带来了一系列重大挑战，尤其是技术上的挑战。无人机系统必须适应错综复杂的航空规章，才能日常同有人驾驶同伴比翼齐飞。

以协调无人机系统航空空域飞行为重点的重大项目包括由美国国防部和联邦航空管理局主持的项目，英国以业界为主导的“自主系统技术相关空中评估”项目，以及由欧洲航管机构组织实施的欧洲研究计划。尽管这些项目可能具有不同的体系、监管问题以及项目进程表，但核心目标是共同的，即开发有效的感知与规避系统。美国联邦航空管理局将感知和规避的技术核心归纳为具有两个要素一自动分离和防止空中碰撞。

解决问题方案：陆基/空中感知与规避

各国解决无人机空域安全方案主要分成所谓“陆基感知与规避”和“空中感知与规避”。美国国防部将前一开发任务交给美国陆军，后者交给美国空军。

简言之，目前在研的感知与规避系统——无论是陆基的还是空中的——都是旨在为无人机系统及其操作人员提供“看见与避让”以及飞行的安全保障技术。

这其中最大的挑战之一在于所谓协同式飞行，即无人机与有人驾驶飞机均在已建立的空中航道和空中交通基础设施内有序飞行。尽管这对有人驾驶飞机已不是什么问题，但对于无人机系统来说却是亟待解决的。

也许最显而易见的解决办法是在无人机系统中增加机载雷达。尽管由于自身尺寸、质量和电力的限制意味着这将不是所有各类无人机系统的解决方案，但对于可以容纳这种载荷并能产生所需电能的较大航空器而言确实是个不错的选择。

美国通用原子航空系统公司在感知与规避系统研制中独占鳌头。鉴于该公司的“捕食者”无人机和“收割者”无人机被美国和世界许多国家军队广泛采用，以及各种机型被美国国土安全部和海关边境保护局所选用，该公司能够获得利益最大化就在于使这些系统进入各国的国家空域。

通用原子航空系统公司研究感知与规避系统的项目工程师布兰登·苏亚雷斯称，研制无人机机载雷达系统不是一件容易的事，他说：“这非常具有挑战性，因为我们要受到尺寸、质最和电力的限制。我们要设法搞出一个只需要很少电力的低成本解决方案。”

通用原子航空系统公司研制出了所谓的智能微感雷达，并于2012年12月在海关边境保护局的“卫士”无人机上成功进行了原型系统的飞行试验，期间，该雷达同时实时跟踪并规避5架无人机，并将跟踪情况适时传输至无人机系统的地面控制站显示屏上。

苏亚雷斯称，该雷达现在已进入“工程发展模型”阶段，并且该公司将把从原型系统飞行试验中获得的经验应用于他们认为能够满足对这种雷达全而需求的系统中。这些“工程发展模型”雷达将用以提供给选定的用户。

“自动相关监视-广播”与“人在回路”：当前研究验证的技术

虽然机载雷达能给无人机系统提供感知与避让能力，但这对大多数系统而言并非可行的解决办法。然而，这并不是说雷达技术不能以另外的方式加以利用。

美国MITRE公司无人机系统集成主管安迪·勒谢尔解释说，他的团队一直在试验一系列不同的感知与规避技术，包括分置雷达布局，即两个雷达系统组件——发射机和接收机——不位于同一处。

勒谢尔认为这种方法可以在一定程度上解决尺寸、质量和电力问题，并能提供完整机载雷达系统相当一部分的功能，具体视无人机系统使用的方式和空域而定。他解释说：“雷达发射机置于地面上，而接收机置于无人机上，操控人员时刻侦听雷达反射波。置于地面的发射机是需要有相当大尺寸、质量和电力的东西，而景于无人机上的接收机则是轻型的、低功率的。”

勒谢尔补充说，公司对这种方法的技术可行性信心较高，但还有很多工作要做，还存在一些技术风险。

在MITRE公司迄今试验的技术中，勒谢尔称，研究最多的是利用“自动相关监视-广播”系统的优势。

“自动相关监视-广播”被认为是推动向高级空中交通管理系统转换所需的关键技术。现在转换工作已在进行中，各空中交通管理局正在制定“自动相关监视-广播”飞行程序、建立操作标准、建设系统保障以及设置操作人员设备指令等。

这个系统包括两大基本组成部分。一是航空器信息传输设备，它自动将航空器的位置、航向、高度、速度和其他数据广播到远至150海里内的周边空域，通常每秒发射一次。二是战略位置地面接收机网络，通过它将数据传送至最近的空中交通管制中心，以供空中交通管制中心管控。

“自动相关监视-广播”系统的一个非常重要的优点是很小的尺寸、质量和电力需求——接收机只有几克重，从而可安装于小型的无人机系统。勒谢尔称，MITRE公司提出了一种新方法，为配备有“自动相关监视-广播”系统的无人机提供由空中交通管制生成的有关飞机航迹的信息。

“除了可以监控装备‘自动相关监视-广播’系统的无人机，通过初级雷达还可以监控未装备这一系统的飞机，然后上传和发射给空中交通管制中心”，勒谢尔解释说。

2012年8月，通用原子公司试飞了一架配备有“自动相关监视-广播”系统的“卫士”无人机。此次飞行试验在佛罗里达州卡拉维尔岬空军基地进行，与联邦航空管理局、国土安全部和海关边境保护局合作举办，目的是验证无人机系统与人机接口的“自动相关监视一广播”的接收/发送能力，以提供无人机增强的态势感知能力。该无人机在试飞中频繁变动飞行模式，并试验了与民航班机在同一空域飞行。

通用原子公司还集中力量研究“人在回路”（Man-In-The-Loop，简单而言就是在操作过程中操作者可以随时控制）中的自动分离，已研制出一种“冲突预测与显示系统”，同样用于提供增强的态势感知能力。“冲突预测与显示系统”除显示可能发生潜在冲突的地点外，还具备有遥控飞行员操纵的无人机系统及其他航空器的线性外推法预测功能。

“我们这样解释吧，基本上就像你想要避开一个天气区一样。这样我们显示给飞行员他们将要在哪里分离，基本上由他们来决定如何机动，以避免碰撞。也就是说告诉飞行员：如果你要机动，这是机动的正确方向”，苏亚雷斯说。

在欧洲，卡斯蒂安公司（原欧洲EADS公司防务与安全分部）走在感知与规避系统研究的最前沿，该公司使用其“梭鱼”无人机系统进行了飞行试验。2010年7月，在加拿大鹅湾的试飞中，“梭鱼”无人机成功验证了对于一架有人驾驶追踪航空器的3个飞行方向作出反应的能力：有人驾驶航空器缓慢超越、航迹交叉、迎面航向。

卡斯蒂安公司的目标是实现与协同式飞机交互的初始作战能力，最终作战能力是实现与非协同式飞机在同一空域飞行。

自动化防止空中碰撞系统：未来需要解决的技术

尽管“自动相关监视广播”与“人在回路”系统都在解决避免飞行器的碰撞问题，但这些技术都需人员操控，对此苏亚雷斯称，无人机系统运行的一些方面最终将需要自动化，“从长远看，实现这一功能或许将不得不要求自动化，要在没有操控员干预的情况下自动执行”。苏亚雷斯称，一个经过验证的稳健的自动化防止空中相碰撞系统将是无人机系统成功进入国家空域的决定因素。同时，这项技术也适用于有人驾驶飞机。

2012年8月，在加拿大纽芬兰前美国海军远程巡逻基地的飞行试验期间，R3工程公司的“全天候感知与规避系统”验证了基于“自动相关监视一广播”系统的全自主防撞机动。在那里，“全天候感知与规避系统”安装在BIGSTIK小型无人机系统上，并应用了“自动相关监视-广播”系统的数据。’

继一系列飞行试验后，在今年4月美国海军的资助下，“全天候感知与规避系统”集成到了两个配备“短笛”自动驾驶仪的“虎鲨”无人机上。在亚利桑那州尤马试验场为期5天的测试中，设计了多个飞行场次来触发“全天候感知与规避系统”的防撞算法，以自动形成并实施机动来避免碰撞，并最终使飞机回到其原来的飞行路线。

R3工程公司的技术总监狄克·希灵称，使用“自动相关监视-广播”系统非常有利，因为不仅经纬度数据而且高度数据都非常准确。“你可以实施水平飞行机动而不必爬升或者下降。你可以右转或者左转，因为你可以预测目标从哪里出现以及机动的路线，以形成自动分离，”他解释说。

“全天候感知与规避系统”设计为同时跟踪至少24个接触点并优先解决最靠近的。此外，它还自动确保进行的任何避让机动不会造成另外的碰撞。

“陆基感知与规避”系统：亦在研究验证中

“空中感知与规避”系统为空域飞行提供了解决方案，而“路基感知与规避”也同样重要。美国陆军已经着手研究其“陆基感知与规避”系统的概念验证。概念验证工作于2009年在加利福尼亚州埃尔默拉日启动，2012年6月在犹他州达格韦试验场搭起了试验台，进行了一次验证演示。

此次测试，一共进行了7个场次的飞行试验。这些试验的特点是，实体和模拟无人机系统在有限的国家空域飞行，包括两个“影子”无人机有意作交叉航迹飞行，依靠“陆基感知与规避”系统探测、报警并提示机动安全避让非合作无人机系统。

“陆基感知与规避”系统的子系统集成计划于2013年中在波士顿麻省理工学院林肯试验室的系统集成试验室完成，正式的系统级验收试验将于2015年在达格韦试验场举行。在2014/15年期间，美国陆军打算在其“灰鹰”无人机的发射场装备这些完全合格的系统。

美国陆军“陆基感知与规避”研究计划的终极目标是，既可整合到联邦航空管理局的“下一代”监控系统，又可完全兼容“空中感知与规避”系统。

结语

无人机在军事及民用领域将发挥越来越大的作用，但其在国家空域常态飞行需解决一系列技术难题。美国与欧洲正在实施的近期与远期技术方案将促成无人机在空中飞行的更大自由度。