美国宇航局在无人机融入国家空域试验又迈出重要一步

蔡琰

“无人机融入国家空域”项目是美国宇航局（NASA）为了将大中小型运营无人机融入国家空域所做的努力。而美国宇航局在2018年6月12日，将其“伊卡纳”无人机在没有安全伴随飞机的情况下完成首飞。在加州爱德华兹空军基地的阿姆斯特朗飞行研究中心进行的2.5h试飞，验证了美国宇航局开发并经过大范围飞行试验的感知一避障系统符合FAA的标准。伊卡纳无人机重4.7t，装备了通用原子航空系统公司的空空雷达，霍尼韦尔公司的感知一避障原型系统（集成了空中交通防撞系统，广播式自动相关监视系统（ADS-B）和多传感器融合的感知-规避追踪器）以及罗克韦尔·柯林斯公司的数据链路系统。霍尼韦尔公司的感知一避障技术使无人机运营商可以在空中交通中保持安全，可探测到装有应答器的协作无人机，并可利用雷达追踪非协作目标。感知-规避系统为无人机飞手提供类似TCAS的自顶向下的交通情况显示。可对飞机高度和航向进行小幅度调整，还可实施飞行安全隔离，可选自动垂直机动能力来规避碰撞。

目前，该感知一规避系统仍处于开发阶段，不能完全满足技术标准规定，但美国宇航局的工程师称该系统已经非常接近于认证完成，可以证明该系统满足规定的要求。

起飞后，无人机很快进入了E级空域，在升至3000ft的雷达工作最低高度后开启了感知-规避系统。“伊卡纳”无人机在爱德华兹空军基地西边进入了20000ft高的航线飞机使用的A级空域，向北飞向弗莱斯诺，接着向南飞向维克托维尔，空管方从洛杉矶切换到了奥克兰，然后返回了基地。以往此类飞行必须要求有人机伴飞，这一历史性的飞行使得美国距离商业飞行员和私人飞行员操作无人机正常作业的目标更近了一步，是实现低空基础设施监视、高空通信中继等多种运营无人机在国家空域中进行常规超视距运营向前迈进的重要标志。

“无人机融入国家空域”项目分为两个阶段，2014年到2017年，美国宇航局已经完成项目第一阶段的4次飞行试验，其中包括5]次起降以及944次在空域中无人机与其他飞机的冲突试验。美国宇航局使用第3、4次飞行试验中收集的数据开展了最低运营性能标准（MOPS）和技术标准规定（TSO）的安全性分析。

目前，“无人机融入国家空域”项目的进展已经支持了RTCA的228特别委员会针对感知-规避系统和雷达制定的最低运营性能标准。这些标准是FAA工业界认证设备的技术标准规定的基础：针对感知-规避系统的TSO-C211和针对空空雷达的TSO-C212。

第5次飞行试验将于2018年12月完成，测试该雷达在与多架协作与非协作的不同雷达反射面积无人机冲突下的性能。第6次飞行试验将于2019年9月进行，将评估美国宇航局的Sierra-B无人机端到端的感知一规避系统性能，小尺寸、低重量、低能耗/成本（SwaP）表现以及机场空域“远离”的定义。这些测试将使无人机融入国家空域项目完结。

霍尼韦尔公司称将随美国宇航局在第5、6次飞行试验使用的保持远离规范算法一起应用于第3组无人机（国防部分类，指总重小于13201b的无人机）。该雷达将安装于美国宇航局的Sierra-B无人机，总重为4801b，翼展20ft。

“无人机融入国家空域”项目第一阶段的最低运营性能标准和相关技术标准规定用来许可大型无人机可在进入或退出A级空域或特定使用空域时途经D、E、G级空域。228特别委员会正在为能安装在小型无人机中的设备以及可在D、E、G级空域和在机场周边限制区域拓展运营制定第二阶段的最低运营性能标准。

美国宇航局和工业界正制定“无人机融入国家空域”项目第二阶段最低运营性能标准中关于机场空域中“远离”的各项具体指标。第二阶段无人机融入国家空域项目聚焦于开发低小尺寸、低重量、低能耗/成本感知一规避传感器，以应用于无法搭载通用原子航空系统公司为“伊卡納”无人机的原型-MQ-9“捕食者”B无人机开发的空空雷达的小型无人机。

第一阶段最低运营性能标准定义了雷达探测距离为14.8km，雷达重约601b，耗能1000W以上。美国宇航局称这种雷达因其物理指标和经济性而无法应用于很多无人机任务。小尺寸、低重量、低能耗/成本传感器可使小型无人机扩展在D、E、G级空域中的运营，超视距但在机场空域之外，高度500～1000ft，速度低于370km/h。

FAA规定无人机操纵者使其无人机“远离”其他飞机。228特别委员的任务之一是制定“远离”的数学表达式来使无人机的传感器代替无人机操纵者的双眼。在第一阶段的最低运营性能标准中，该数据是水平相距4000ft，垂直相距450ft，最小接近时间35s。这一指标可指导传感器目标图像、预警和导航算法、运营商数据展示系统的开发。该次飞行标志着美国宇航局的无人机融入国家空域项目聚焦于在低空空域中使用大型无人机的第一阶段即将完成。项目第一阶段完成后即将进入在小型无人机和更大范围运营上应用感知一规避技术的第二阶段。

霍尼韦尔公司与美国宇航局达成协议提供第二阶段的紧凑、轻量雷达。在第一阶段，该公司在感知、规避原型系统中提供了TCAS 2，ADS-B和融合追踪器。该公司称在第二阶段通过3面板构型中安装的DAPA轻量雷达使用相同的多传感器融合算法，推送ADS-B消息以及非协作飞机感知以提供完整的所需图景。

在项目第二阶段，美国宇航局将不会重复所有的第一阶段伊卡纳飞行测试。美国宇航局工程师称，美国宇航局将进行压力测试，加入留空运营和密集空域环境试验。试飞数据将提交给228特别委员会，委员会将于2019年发布第二阶段最低运营性能标准草案规划，并于2020年发布标准终稿。