無人機全空域飛行影響因素分析

蔡志浩

(北京航空航天大學 無人駕駛飛行器設計研究所,北京 100191)

王英勛

(中國航空工業集團公司 重大項目管理部,北京 100022)

楊麗曼

(北京航空航天大學 自動化科學與電氣工程學院,北京 100191)

李新軍

(中國航天科技集團 研究發展部,北京 100048)

無人機全空域飛行影響因素分析

蔡志浩

(北京航空航天大學 無人駕駛飛行器設計研究所,北京 100191)

王英勛

(中國航空工業集團公司 重大項目管理部,北京 100022)

楊麗曼

(北京航空航天大學 自動化科學與電氣工程學院,北京 100191)

李新軍

(中國航天科技集團 研究發展部,北京 100048)

進入全空域飛行是未來無人機發展的必然趨勢,所面臨的關鍵問題是安全性和空中交通管理.根據無人機大、中、小型,低、中、高速并存的特點,分析了無人機安全性和影響其全空域飛行能力的關鍵因素與改進方法,包括建立分類管理機制,提高自主導航與控制能力,進行動態任務規劃,采取協調機制,增強環境感知與規避能力等.進一步提出了無人機空域飛行的建模/仿真理論框架,目標是在提高無人機可靠性的基礎上,使其具備全空域飛行能力,從而降低無人機使用成本、提高空域共享能力,實現有人機、無人機共享空域.

無人機;空域;空中交通管理;自主智能體

無人機(UAV,Unmanned Aerial Vehicle)已具備全空域飛行的能力,飛行高度覆蓋從近地面的幾十米到幾萬米高空.無人機飛行范圍擴大的同時,使用時間也快速增長:2010年 4月,美國軍方統計,捕食者系列無人機總飛行時間達到 100萬小時.在無人機全空域使用、飛行頻次不斷增加的情況下,空中安全問題日益凸顯[1].美國曾在2003年初對 3種無人機進行安全性調查,以捕食者為例,它在 10萬飛行小時中總共發生 32次嚴重事故,相形之下,F-16只發生 3次.美國 2002～2027年的無人機發展路線圖中,希望無人機未來的安全表現應該減少到每 10萬小時不超過20次[2].

除本身的飛行安全問題外,無人機進入非隔離空域飛行還會遇到技術、法規和協調程序上的問題.英國《飛行》雜志稱在發生了兩次由于無人機過于靠近客機而造成的事故后,以色列航空公司飛行員協會要求出臺嚴格的制度來限制無人機使用民用飛行航線,在有關法律出臺前立刻采取措施防止類似事故的發生,主要的措施僅包括禁止沒有安裝 C模式發射機問答器的無人機在民用航線 28 km的范圍內飛行[3].因此,要保證包含無人機的空域飛行安全有序,需面對的問題就是提高無人機的自身安全性并建立空中交通管理機制,使其具備空域飛行能力.

1 無人機安全性

1.1 自身安全性

無人機自身安全性是保證空中飛行安全的前提,它受設計、制造、機載設備性能以及飛行器對惡劣環境的適應能力等因素制約,與成本直接相關.美國的研究表明,無人機飛行安全事故 37%源于發動機及其控制模塊故障.無人機的導航、飛控系統和軟件可靠性是影響其安全性的第二大因素.相當一部分無人機滯空時間長、被派到危險地區執行任務也是造成無人機毀傷的重要原因.美國 2007～2032年的無人機路線圖中對災難性事故率進行了分析,無人機飛行的災難性事故率比有人軍用飛機高出 1～2個數量級.

按預定航線飛行的準確性取決于無人機的導航精度、飛行控制精度以及飛機和設備的抗干擾能力,受飛行氣候、電磁環境等條件影響.無人機能夠“準確地飛行”是確認目標、有效防止空中沖突的必要條件.提高無人機自身安全性的措施包括改進發動機本體、燃油、滑油及控制單元在內的動力系統、傳感器系統、執行機構、軟件等各方面的可靠性,進行有別于有人駕駛飛機的獨立設計.

1.2 全空域飛行

無人機進入非隔離空域將產生與其他各種無人機及有人機之間的空中交通管理問題.美軍已經建立了防止無人機與有人飛機碰撞的機制,但還沒有達到必要的安全程度,正在致力于研究更可靠的解決方案.歐洲空管局建議在歐洲非隔離空域內飛行的軍用無人機,主要運行模式應在“飛行員”的管理下進行,而在數據鏈損失的情況下,保留以全自主飛行作為安全模式.因而無人機“飛行員”將自然對非管制空域內規定的安全間隔和防止空中相撞負責[4].國內無人機的每次飛行基本上都要“特事特辦”,臨時批準,并嚴格限制在隔離空域中飛行,一定程度上影響了無人機的研制和使用.

2 影響因素

在提高無人機自身安全性基礎上,分析以下影響因素,使其具備共享有人機空域、進行全空域飛行的能力.

2.1 分類管理

從降低使用成本的角度考慮,用于不同目的的無人機會有不同的大小和重量需要,從而帶來機載設備的裝載能力和設備技術水平的差異.因此,對不同大小的無人機提出不同的安全和飛行要求,進行分類管理是解決無人機全空域飛行的基礎,即:要求不同等級的無人機具有相符的安全性設計,并按對應匹配的空域飛行.

圖1是當前主要無人機按起飛重量和飛行高度的分類,主要包括微型、小型、戰術、中空和高空/無人戰斗機等幾種類型[5].

圖1 無人機分類

針對不同類型的使用特點,美國定義了 6類空域,在各類空域飛行的飛機分別要不同程度地接受相應的空中交通管理,并按照不同的飛行規則進行飛行,空域分配情況如圖 2所示,整個空域劃分為 6類[6-7]:A類,6000～20000m,嚴格按空管飛行;B類,主要機場周邊,低于 3000m;C類,次于 B的繁忙機場,低于 1200m;D類,有塔臺的機場,低于 800m;E類,地面開始,A～D類外空間;G類,非管制空域.

圖2 空域等級劃分

對應以上 6類不同空域的等級特點見表 1.

表 1 不同空域等級特點

因此,為了確定無人機的運行權、適航標準、操控員培訓及取證要求,從空管角度考慮,可將無人機分為 3類:

1)Ⅲ類無人機:具備在所有空域飛行的能力,有人駕駛飛機要遵守的所有法規Ⅲ類無人機都要遵守,如適航和操縱手取證,同時還要求無人機自身具備有人機駕駛員所具有的“感知和避讓(See＆Avoid)”能力.Ⅲ類無人機通常可進行超視距飛行.

2)Ⅱ類無人機:執行特定任務的非標準無人機,必須提供通過適航和操縱手取證的相關證明,Ⅱ類無人機可在某些特定限制下進行常規飛行.

3)Ⅰ類無人機:類似無線電控制模型的小型無人機,該類無人機通常限制在目視飛行,但仍必須通過適航和操縱手取證等.

通過適航認證并確認操縱手資質都是必備條件,所不同的是鏈路和機載設備的要求有所區別,基本出發點則從空中交通管理的角度,在飛行規則基礎上對無人機進行使用分類,即適用于空中交通的儀表飛行規則或目視飛行規則.無人機的地面指揮員和操縱手應具有類似駕駛有人機時具有的間隔能力,如能夠決定目視氣象條件是否正向儀表氣象條件改變,以及無人機應遵守適用于空域中其他飛行器的通航權規則等[8].

2.2 自主飛行

自主飛行是無人機進入空域飛行的基本條件,影響因素包括自主導航與控制、故障診斷、容錯與自修復.

2.2.1 自主導航與控制

自主導航與控制是無人機全空域的必要條件.類似于智能車輛自動駕駛系統,要實現無人機安全的飛行,其導航和飛控系統必須具有一定程度的自主能力,包括航路重新規劃、多任務協調規劃、控制重構等.無人機的自主導航與控制可在很大程度上降低其對通信鏈路的依賴程度,提高其在不確定環境和突發事件中的生存能力,同時,人工智能技術的應用將在無人機自主導航與控制中發揮至關重要的作用.

文獻[9]對自主控制的能力衡量可劃分 6級,如表 2所示.

表 2 自主控制的能力衡量等級

高級別的自主系統具有適應性、自修復、智能性、協同性、自學習等特點,能夠在不確定的環境中執行任務,具有更好的安全性和空域飛行能力.它所面臨的挑戰就是在不確定性的條件下,實時或近實時地解決一系列最優化的求解問題.本質上就是需要建立不確定性前提下處理復雜問題的自主決策能力.

由于技術條件的限制,目前無人機的自主化程度還較低.按照美國 2005版無人機系統發展路線圖給出的自主程度的分級,目前捕食者無人機僅達到實時故障診斷的自主程度,全球鷹無人機也只有表 2中 2級的自主程度.自主控制水平的提高有賴于智能技術、計算機處理能力和感知技術的突破性發展.

2.2.2 故障診斷、容錯與自修復

無人機在飛行過程中可能會遭遇環境的不確定性及自身故障和損傷的情況,其故障診斷、容錯與自修復主要體現在如下 6個方面:

1)系統在時變性、非線性和不確定性條件下,具有高度的魯棒自適應能力;

2)檢測和隔離工作過程中出現的故障,進行有效的故障管理;

3)充分利用無故障部件補償故障部件的功能,實現控制重構;

4)通過鏈路將故障狀況準確實時地發送到地面指揮控制站;

5)通過主動告警提供故障信息,輔助操縱人員正確進行相應處置;

6)通過自主維護診斷提高系統的可維護性.

2.2.3 空管設備

無人機進入全空域飛行必須考慮與現有有人駕駛民航飛機、軍用飛機、地面各級管制中心的協調問題,加裝相應的空管設備,如大型無人機加裝應答機、自動相關監視設備等;小型無人機則至少應提高導航、定位精度并能夠及時發布自身狀態、提供告警信息,以便通過地面站控制無人機主動避讓或地面站與空管的聯絡要求他機避免沖突[10-11].

2.3 動態任務規劃

進入全空域飛行的無人機采取的主要任務模式應為起飛前裝訂初始任務、制訂參考航路,并添加各種約束條件和任務指標,然后根據飛行中的實際情況,動態修正任務計劃,實時獲得最佳滿意的任務規劃,使得無人機能夠充分靈活地在任務目標和約束條件、變化環境之間折中平衡,及時處理任務執行過程中的不確定因素,保證安全性的同時更好地完成任務.因此,在線的動態任務規劃是無人機應具備的重要手段.任務規劃的核心內容是優化算法的研究,包括運籌學法、智能化方法、圖論搜索方法和人工勢場法等[12].

2.4 感知和規避能力

有人機依靠雷達、程序、應答機以及最終的飛行員視覺來避免空中相撞.而對于無人機,它將依靠技術來感知和規避航路上的各種障礙物.目前無人機多是由地面站進行遙操縱或事先裝訂好任務的,還難以很好地自動感知和規避航路上的障礙物,這可能使它們與建筑物等預先沒能準確標明的障礙或是其他飛行器相撞.

感知和規避的能力是美國 2005和 2007年發布的無人機路線圖上重點要求實現的功能之一[2].無人機與其他飛機保持間隔的能力必須至少達到常規有人機的標準,并且應能按規定進行“感知和規避”機動以保持間隔.增強無人機的感知和規避能力,其關鍵技術包括自動相關監視、沖突監測與解決和語音轉發技術[13].

2.4.1 自動相關監視技術

自動相關監視(ADS,Automatic Dependent Surveillance)是國際民間航空組織(ICAO,International Civil Aviation Organization)推薦的新監視技術,它通過機載導航系統得到的導航信息(至少包括飛機識別信息和四維位置信息),通過衛星數據鏈或甚高頻空-地數據鏈自動實時地發送到地面接收和處理系統,然后通過顯示設備提供偽雷達畫面,成為一次、二次雷達以及機載避撞系統的有利補充[14].

廣播式自動相關監視(ADS-B,ADS-Broadcasting)是在 ADS、TCAS(Traffic Alertand Collision Avoidance System)和場面監視的基礎上,綜合了三者的特點,飛機通過主動對外發送自身準確的狀態參數,并接收其他飛機的廣播信息,達到飛機間的相互感知,進而實現對周邊空域狀況全面、詳細的了解.在獲得充足監視信息的基礎上,各飛行單元即可自主地實施航路選擇、間隔報障、沖突發現與避免,它的特點體現為自動、相關、廣播[1].自動(Automatic):由相關設備自動完成,不需要飛行人員或地面站操縱人員介入;相關(Dependent):需要所有相關飛機均參與到對各自信息的廣播中;廣播(Broadcasting):所發送的信息不僅僅是點對點的傳送到空管監視部門,還要對外廣播,使所有通信空域內的單位均能接收到.

無人機作為新加入空域的飛行器,新的監視設備相對更易于添加,而在其自動或自主飛行階段也更適合采用 ADS-B技術來有效地實現對周邊空域環境的感知與避讓.

2.4.2 沖突探測與解脫

未來空域飛行的目標是實現接近于車輛在路面行駛的自由程度,自由飛行(Free Flight)就是由每架飛機自主決定飛行的路線并自主導航,這樣不但能為航空公司減少飛機在路程中的飛行時間、節約燃料消耗,而且還會因空域的充分利用而獲得更多數量的飛行.

然而,飛行數量的增加和自由飛行路線的多向性也增加了飛行沖突的可能性,沖突探測與解脫技術將是影響自由飛行能否實現的一項關鍵技術.沖突探測就是通過機載和地面監視設備對飛機在空域中的位置和速度信息進行計算,判斷飛機之間的距離是否小于最小間隔,是以良好的環境感知能力為前提的.圖 3所示為飛行初始間隔與探測能力關系,對于不同飛行速度的無人機應根據其最小探測距離和觀察角確定初始間隔,反之在最小間隔確定的空域內,無人機要進入空域飛行,就要具有相匹配的探測能力.

圖3 初始間隔與探測能力關系圖

沖突解脫是預測到將要發生沖突時規劃出避免飛行沖突的軌跡,使得飛行管理系統能夠按照該軌跡操縱飛機飛行,并擺脫可能的沖突,同時最大程度地符合燃油消耗、轉彎角度范圍限制、高度改變限制等方面的要求.增大探測距離和機動性、減小時延、增強實時重規劃是提高無人機的沖突探測和解脫能力的著眼點,從而使其具有不同空域的適航能力.

3 建模 /仿真及其校核、驗證和確認

由于航空飛行的特殊安全性要求,在無人機與有人機共享空域前,必須進行充分的驗證,以保證其可靠性,建模/仿真技術是這種可行性和可靠性的有效驗證手段.建立不同粒度、不同類型無人機的飛行模型、空中交通管理相關的感知和規避模型,在現有的有人機空中交通管理仿真系統中進行仿真,考察其對飛行間隔及管制的特殊要求.

圖4 有人機/無人機空中交通管理仿真模型

圖4所示為有人機/無人機空中交通管理仿真模型,有別于有人機的駕駛員響應模型和視覺系統,無人機需要通過數據鏈引入操作手的響應模型,另外無人機還可采用感知和避讓系統進行自主的飛行或操作手輔助的飛行.它們通過動力學模型解算并疊加碰撞模型,仿真無人機/有人機混合的空域環境,構成一個閉環系統.

初步的仿真表明:對于中高空亞音速飛行的無人機,可在安裝空管設備、操作員及時干預的情況下進入中等繁忙程度的空域飛行.但對無人機空域飛行建模/仿真須經過進一步嚴密的校核、驗證和確認(VV＆A,Verification,Validation and Accreditation),以確保建模的精確度和置信度,仿真模型正確描述了無人機/有人機混合的空域系統,從而為制定無人機進入全空域飛行的適航條件建立基礎.

4 結束語

在可預知的未來,無人機將在軍、民用領域發揮越來越重要的作用,以高度安全性和可靠性執行任務、實現全空域飛行是無人機應具備的能力.分析無人機飛行能力的關鍵影響因素,從自身可靠性、動態任務規劃、感知和規避能力著手,并進行分類管理,加裝空管設備.解決這些問題,將使無人機具備全空域飛行的能力.

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(編 輯 :李 晶)

Analysis forwhole airspace flight key factors of unmanned aerialvehicles

Cai Zhihao

(Research Institute of Unmanned Aerial Vehicle,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China)

Yang Liman

(School of Automation Science and Electrical Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China)

Wang Yingxun

(Department of Major Program Management,Aviation Industry Corporation of China,Beijing 100022,China)

Li Xinjun

(Department of Research and Develop,China Aerospace Science and Technology Corporation,Beijing 100048,China)

Aiming at the problem of unmanned aerial Vehicles(UAVs)entering non-segregated airspace,UAVs'safety and the key factors of improving their airspace flight capacity were analyzed,according to the characteristics of large scale,medium scale,small scale and low speed,medium speed,high speed UAVs coexisting.The approaches include category management,autonomousnavigation and control,dynamic mission planning,coordinationmechanisms,sense and avoid,etc.Based on improving the UAVs'reliability,they would have the ability of air trafficmanagement inwhole airspace.Modeling and simulation are effective method to validate these approaches.The final target is reducing the cost of UAVs,improving the ability to share more airspace and achieving the goal ofmanned and unmanned air vehicles flying together.

unmanned aerial vehicle(UAV);airspace;air traffic control(ATC);autonomous agents

V 249

A

1001-5965(2011)02-0175-05

2010-07-15

中央高校基本科研業務費專項資金(YWF-10-02-074)

蔡志浩(1979-),男,河南焦作人,講師,caizhihao@buaa.edu.cn.