自由飛行：無(wú)人機(jī)感知與規(guī)避系統(tǒng)研究

自動(dòng)分離與防止空中碰撞：無(wú)人機(jī)進(jìn)入國(guó)家空域需解決的問(wèn)題

過(guò)去10年，在伊拉克和阿富汗的作戰(zhàn)行動(dòng)中，無(wú)人作戰(zhàn)系統(tǒng)的運(yùn)用實(shí)效得到印證，同時(shí)民用領(lǐng)域的運(yùn)用范圍也在擴(kuò)大。目前，各種無(wú)人機(jī)系統(tǒng)正常規(guī)用于戰(zhàn)場(chǎng)和國(guó)家空域。

然而，使無(wú)人機(jī)系統(tǒng)完全進(jìn)入國(guó)家空域帶來(lái)了一系列重大挑戰(zhàn)，尤其是技術(shù)上的挑戰(zhàn)。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)必須適應(yīng)錯(cuò)綜復(fù)雜的航空規(guī)章，才能日常同有人駕駛同伴比翼齊飛。

以協(xié)調(diào)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)航空空域飛行為重點(diǎn)的重大項(xiàng)目包括由美國(guó)國(guó)防部和聯(lián)邦航空管理局主持的項(xiàng)目，英國(guó)以業(yè)界為主導(dǎo)的“自主系統(tǒng)技術(shù)相關(guān)空中評(píng)估”項(xiàng)目，以及由歐洲航管機(jī)構(gòu)組織實(shí)施的歐洲研究計(jì)劃。盡管這些項(xiàng)目可能具有不同的體系、監(jiān)管問(wèn)題以及項(xiàng)目進(jìn)程表，但核心目標(biāo)是共同的，即開(kāi)發(fā)有效的感知與規(guī)避系統(tǒng)。美國(guó)聯(lián)邦航空管理局將感知和規(guī)避的技術(shù)核心歸納為具有兩個(gè)要素一自動(dòng)分離和防止空中碰撞。

解決問(wèn)題方案：陸基/空中感知與規(guī)避

各國(guó)解決無(wú)人機(jī)空域安全方案主要分成所謂“陸基感知與規(guī)避”和“空中感知與規(guī)避”。美國(guó)國(guó)防部將前一開(kāi)發(fā)任務(wù)交給美國(guó)陸軍，后者交給美國(guó)空軍。

簡(jiǎn)言之，目前在研的感知與規(guī)避系統(tǒng)——無(wú)論是陸基的還是空中的——都是旨在為無(wú)人機(jī)系統(tǒng)及其操作人員提供“看見(jiàn)與避讓”以及飛行的安全保障技術(shù)。

這其中最大的挑戰(zhàn)之一在于所謂協(xié)同式飛行，即無(wú)人機(jī)與有人駕駛飛機(jī)均在已建立的空中航道和空中交通基礎(chǔ)設(shè)施內(nèi)有序飛行。盡管這對(duì)有人駕駛飛機(jī)已不是什么問(wèn)題，但對(duì)于無(wú)人機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)卻是亟待解決的。

也許最顯而易見(jiàn)的解決辦法是在無(wú)人機(jī)系統(tǒng)中增加機(jī)載雷達(dá)。盡管由于自身尺寸、質(zhì)量和電力的限制意味著這將不是所有各類(lèi)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的解決方案，但對(duì)于可以容納這種載荷并能產(chǎn)生所需電能的較大航空器而言確實(shí)是個(gè)不錯(cuò)的選擇。

美國(guó)通用原子航空系統(tǒng)公司在感知與規(guī)避系統(tǒng)研制中獨(dú)占鰲頭。鑒于該公司的“捕食者”無(wú)人機(jī)和“收割者”無(wú)人機(jī)被美國(guó)和世界許多國(guó)家軍隊(duì)廣泛采用，以及各種機(jī)型被美國(guó)國(guó)土安全部和海關(guān)邊境保護(hù)局所選用，該公司能夠獲得利益最大化就在于使這些系統(tǒng)進(jìn)入各國(guó)的國(guó)家空域。

通用原子航空系統(tǒng)公司研究感知與規(guī)避系統(tǒng)的項(xiàng)目工程師布蘭登·蘇亞雷斯稱，研制無(wú)人機(jī)機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)不是一件容易的事，他說(shuō)：“這非常具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)槲覀円艿匠叽纭①|(zhì)最和電力的限制。我們要設(shè)法搞出一個(gè)只需要很少電力的低成本解決方案。”

通用原子航空系統(tǒng)公司研制出了所謂的智能微感雷達(dá)，并于2012年12月在海關(guān)邊境保護(hù)局的“衛(wèi)士”無(wú)人機(jī)上成功進(jìn)行了原型系統(tǒng)的飛行試驗(yàn)，期間，該雷達(dá)同時(shí)實(shí)時(shí)跟蹤并規(guī)避5架無(wú)人機(jī)，并將跟蹤情況適時(shí)傳輸至無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的地面控制站顯示屏上。

蘇亞雷斯稱，該雷達(dá)現(xiàn)在已進(jìn)入“工程發(fā)展模型”階段，并且該公司將把從原型系統(tǒng)飛行試驗(yàn)中獲得的經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用于他們認(rèn)為能夠滿足對(duì)這種雷達(dá)全而需求的系統(tǒng)中。這些“工程發(fā)展模型”雷達(dá)將用以提供給選定的用戶。

“自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視-廣播”與“人在回路”：當(dāng)前研究驗(yàn)證的技術(shù)

雖然機(jī)載雷達(dá)能給無(wú)人機(jī)系統(tǒng)提供感知與避讓能力，但這對(duì)大多數(shù)系統(tǒng)而言并非可行的解決辦法。然而，這并不是說(shuō)雷達(dá)技術(shù)不能以另外的方式加以利用。

美國(guó)MITRE公司無(wú)人機(jī)系統(tǒng)集成主管安迪·勒謝爾解釋說(shuō)，他的團(tuán)隊(duì)一直在試驗(yàn)一系列不同的感知與規(guī)避技術(shù)，包括分置雷達(dá)布局，即兩個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)組件——發(fā)射機(jī)和接收機(jī)——不位于同一處。

勒謝爾認(rèn)為這種方法可以在一定程度上解決尺寸、質(zhì)量和電力問(wèn)題，并能提供完整機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)相當(dāng)一部分的功能，具體視無(wú)人機(jī)系統(tǒng)使用的方式和空域而定。他解釋說(shuō)：“雷達(dá)發(fā)射機(jī)置于地面上，而接收機(jī)置于無(wú)人機(jī)上，操控人員時(shí)刻偵聽(tīng)雷達(dá)反射波。置于地面的發(fā)射機(jī)是需要有相當(dāng)大尺寸、質(zhì)量和電力的東西，而景于無(wú)人機(jī)上的接收機(jī)則是輕型的、低功率的?！?/p>

勒謝爾補(bǔ)充說(shuō)，公司對(duì)這種方法的技術(shù)可行性信心較高，但還有很多工作要做，還存在一些技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

在MITRE公司迄今試驗(yàn)的技術(shù)中，勒謝爾稱，研究最多的是利用“自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視-廣播”系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。

“自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視-廣播”被認(rèn)為是推動(dòng)向高級(jí)空中交通管理系統(tǒng)轉(zhuǎn)換所需的關(guān)鍵技術(shù)?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)換工作已在進(jìn)行中，各空中交通管理局正在制定“自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視-廣播”飛行程序、建立操作標(biāo)準(zhǔn)、建設(shè)系統(tǒng)保障以及設(shè)置操作人員設(shè)備指令等。

這個(gè)系統(tǒng)包括兩大基本組成部分。一是航空器信息傳輸設(shè)備，它自動(dòng)將航空器的位置、航向、高度、速度和其他數(shù)據(jù)廣播到遠(yuǎn)至150海里內(nèi)的周邊空域，通常每秒發(fā)射一次。二是戰(zhàn)略位置地面接收機(jī)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)它將數(shù)據(jù)傳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。

“自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視-廣播”系統(tǒng)的一個(gè)非常重要的優(yōu)點(diǎn)是很小的尺寸、質(zhì)量和電力需求——接收機(jī)只有幾克重，從而可安裝于小型的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)。勒謝爾稱，MITRE公司提出了一種新方法，為配備有“自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視-廣播”系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)提供由空中交通管制生成的有關(guān)飛機(jī)航跡的信息。

“除了可以監(jiān)控裝備‘自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視-廣播’系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)，通過(guò)初級(jí)雷達(dá)還可以監(jiān)控未裝備這一系統(tǒng)的飛機(jī)，然后上傳和發(fā)射給空中交通管制中心”，勒謝爾解釋說(shuō)。

2012年8月，通用原子公司試飛了一架配備有“自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視-廣播”系統(tǒng)的“衛(wèi)士”無(wú)人機(jī)。此次飛行試驗(yàn)在佛羅里達(dá)州卡拉維爾岬空軍基地進(jìn)行，與聯(lián)邦航空管理局、國(guó)土安全部和海關(guān)邊境保護(hù)局合作舉辦，目的是驗(yàn)證無(wú)人機(jī)系統(tǒng)與人機(jī)接口的“自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視一廣播”的接收/發(fā)送能力，以提供無(wú)人機(jī)增強(qiáng)的態(tài)勢(shì)感知能力。該無(wú)人機(jī)在試飛中頻繁變動(dòng)飛行模式，并試驗(yàn)了與民航班機(jī)在同一空域飛行。

通用原子公司還集中力量研究“人在回路”（Man-In-The-Loop，簡(jiǎn)單而言就是在操作過(guò)程中操作者可以隨時(shí)控制）中的自動(dòng)分離，已研制出一種“沖突預(yù)測(cè)與顯示系統(tǒng)”，同樣用于提供增強(qiáng)的態(tài)勢(shì)感知能力?！皼_突預(yù)測(cè)與顯示系統(tǒng)”除顯示可能發(fā)生潛在沖突的地點(diǎn)外，還具備有遙控飛行員操縱的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)及其他航空器的線性外推法預(yù)測(cè)功能。

“我們這樣解釋吧，基本上就像你想要避開(kāi)一個(gè)天氣區(qū)一樣。這樣我們顯示給飛行員他們將要在哪里分離，基本上由他們來(lái)決定如何機(jī)動(dòng)，以避免碰撞。也就是說(shuō)告訴飛行員：如果你要機(jī)動(dòng)，這是機(jī)動(dòng)的正確方向”，蘇亞雷斯說(shuō)。

在歐洲，卡斯蒂安公司（原歐洲EADS公司防務(wù)與安全分部）走在感知與規(guī)避系統(tǒng)研究的最前沿，該公司使用其“梭魚(yú)”無(wú)人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了飛行試驗(yàn)。2010年7月，在加拿大鵝灣的試飛中，“梭魚(yú)”無(wú)人機(jī)成功驗(yàn)證了對(duì)于一架有人駕駛追蹤航空器的3個(gè)飛行方向作出反應(yīng)的能力：有人駕駛航空器緩慢超越、航跡交叉、迎面航向。

卡斯蒂安公司的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)與協(xié)同式飛機(jī)交互的初始作戰(zhàn)能力，最終作戰(zhàn)能力是實(shí)現(xiàn)與非協(xié)同式飛機(jī)在同一空域飛行。

自動(dòng)化防止空中碰撞系統(tǒng)：未來(lái)需要解決的技術(shù)

盡管“自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視廣播”與“人在回路”系統(tǒng)都在解決避免飛行器的碰撞問(wèn)題，但這些技術(shù)都需人員操控，對(duì)此蘇亞雷斯稱，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的一些方面最終將需要自動(dòng)化，“從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，實(shí)現(xiàn)這一功能或許將不得不要求自動(dòng)化，要在沒(méi)有操控員干預(yù)的情況下自動(dòng)執(zhí)行”。蘇亞雷斯稱，一個(gè)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的穩(wěn)健的自動(dòng)化防止空中相碰撞系統(tǒng)將是無(wú)人機(jī)系統(tǒng)成功進(jìn)入國(guó)家空域的決定因素。同時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)也適用于有人駕駛飛機(jī)。

2012年8月，在加拿大紐芬蘭前美國(guó)海軍遠(yuǎn)程巡邏基地的飛行試驗(yàn)期間，R3工程公司的“全天候感知與規(guī)避系統(tǒng)”驗(yàn)證了基于“自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視一廣播”系統(tǒng)的全自主防撞機(jī)動(dòng)。在那里，“全天候感知與規(guī)避系統(tǒng)”安裝在BIGSTIK小型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)上，并應(yīng)用了“自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視-廣播”系統(tǒng)的數(shù)據(jù)?！?/p>

繼一系列飛行試驗(yàn)后，在今年4月美國(guó)海軍的資助下，“全天候感知與規(guī)避系統(tǒng)”集成到了兩個(gè)配備“短笛”自動(dòng)駕駛儀的“虎鯊”無(wú)人機(jī)上。在亞利桑那州尤馬試驗(yàn)場(chǎng)為期5天的測(cè)試中，設(shè)計(jì)了多個(gè)飛行場(chǎng)次來(lái)觸發(fā)“全天候感知與規(guī)避系統(tǒng)”的防撞算法，以自動(dòng)形成并實(shí)施機(jī)動(dòng)來(lái)避免碰撞，并最終使飛機(jī)回到其原來(lái)的飛行路線。

R3工程公司的技術(shù)總監(jiān)狄克·希靈稱，使用“自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視-廣播”系統(tǒng)非常有利，因?yàn)椴粌H經(jīng)緯度數(shù)據(jù)而且高度數(shù)據(jù)都非常準(zhǔn)確。“你可以實(shí)施水平飛行機(jī)動(dòng)而不必爬升或者下降。你可以右轉(zhuǎn)或者左轉(zhuǎn)，因?yàn)槟憧梢灶A(yù)測(cè)目標(biāo)從哪里出現(xiàn)以及機(jī)動(dòng)的路線，以形成自動(dòng)分離，”他解釋說(shuō)。

“全天候感知與規(guī)避系統(tǒng)”設(shè)計(jì)為同時(shí)跟蹤至少24個(gè)接觸點(diǎn)并優(yōu)先解決最靠近的。此外，它還自動(dòng)確保進(jìn)行的任何避讓機(jī)動(dòng)不會(huì)造成另外的碰撞。

“陸基感知與規(guī)避”系統(tǒng)：亦在研究驗(yàn)證中

“空中感知與規(guī)避”系統(tǒng)為空域飛行提供了解決方案，而“路基感知與規(guī)避”也同樣重要。美國(guó)陸軍已經(jīng)著手研究其“陸基感知與規(guī)避”系統(tǒng)的概念驗(yàn)證。概念驗(yàn)證工作于2009年在加利福尼亞州埃爾默拉日啟動(dòng)，2012年6月在猶他州達(dá)格韋試驗(yàn)場(chǎng)搭起了試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行了一次驗(yàn)證演示。

此次測(cè)試，一共進(jìn)行了7個(gè)場(chǎng)次的飛行試驗(yàn)。這些試驗(yàn)的特點(diǎn)是，實(shí)體和模擬無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在有限的國(guó)家空域飛行，包括兩個(gè)“影子”無(wú)人機(jī)有意作交叉航跡飛行，依靠“陸基感知與規(guī)避”系統(tǒng)探測(cè)、報(bào)警并提示機(jī)動(dòng)安全避讓非合作無(wú)人機(jī)系統(tǒng)。

“陸基感知與規(guī)避”系統(tǒng)的子系統(tǒng)集成計(jì)劃于2013年中在波士頓麻省理工學(xué)院林肯試驗(yàn)室的系統(tǒng)集成試驗(yàn)室完成，正式的系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)收試驗(yàn)將于2015年在達(dá)格韋試驗(yàn)場(chǎng)舉行。在2014/15年期間，美國(guó)陸軍打算在其“灰鷹”無(wú)人機(jī)的發(fā)射場(chǎng)裝備這些完全合格的系統(tǒng)。

美國(guó)陸軍“陸基感知與規(guī)避”研究計(jì)劃的終極目標(biāo)是，既可整合到聯(lián)邦航空管理局的“下一代”監(jiān)控系統(tǒng)，又可完全兼容“空中感知與規(guī)避”系統(tǒng)。

結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)在軍事及民用領(lǐng)域?qū)l(fā)揮越來(lái)越大的作用，但其在國(guó)家空域常態(tài)飛行需解決一系列技術(shù)難題。美國(guó)與歐洲正在實(shí)施的近期與遠(yuǎn)期技術(shù)方案將促成無(wú)人機(jī)在空中飛行的更大自由度。