美國宇航局在無人機融入國家空域試驗又邁出重要一步

蔡琰

“無人機融入國家空域”項目是美國宇航局（NASA）為了將大中小型運營無人機融入國家空域所做的努力。而美國宇航局在2018年6月12日，將其“伊卡納”無人機在沒有安全伴隨飛機的情況下完成首飛。在加州愛德華茲空軍基地的阿姆斯特朗飛行研究中心進行的2.5h試飛，驗證了美國宇航局開發并經過大范圍飛行試驗的感知一避障系統符合FAA的標準。伊卡納無人機重4.7t，裝備了通用原子航空系統公司的空空雷達，霍尼韋爾公司的感知一避障原型系統（集成了空中交通防撞系統，廣播式自動相關監視系統（ADS-B）和多傳感器融合的感知-規避追蹤器）以及羅克韋爾·柯林斯公司的數據鏈路系統。霍尼韋爾公司的感知一避障技術使無人機運營商可以在空中交通中保持安全，可探測到裝有應答器的協作無人機，并可利用雷達追蹤非協作目標。感知-規避系統為無人機飛手提供類似TCAS的自頂向下的交通情況顯示?？蓪︼w機高度和航向進行小幅度調整，還可實施飛行安全隔離，可選自動垂直機動能力來規避碰撞。

目前，該感知一規避系統仍處于開發階段，不能完全滿足技術標準規定，但美國宇航局的工程師稱該系統已經非常接近于認證完成，可以證明該系統滿足規定的要求。

起飛后，無人機很快進入了E級空域，在升至3000ft的雷達工作最低高度后開啟了感知-規避系統。“伊卡納”無人機在愛德華茲空軍基地西邊進入了20000ft高的航線飛機使用的A級空域，向北飛向弗萊斯諾，接著向南飛向維克托維爾，空管方從洛杉磯切換到了奧克蘭，然后返回了基地。以往此類飛行必須要求有人機伴飛，這一歷史性的飛行使得美國距離商業飛行員和私人飛行員操作無人機正常作業的目標更近了一步，是實現低空基礎設施監視、高空通信中繼等多種運營無人機在國家空域中進行常規超視距運營向前邁進的重要標志。

“無人機融入國家空域”項目分為兩個階段，2014年到2017年，美國宇航局已經完成項目第一階段的4次飛行試驗，其中包括5]次起降以及944次在空域中無人機與其他飛機的沖突試驗。美國宇航局使用第3、4次飛行試驗中收集的數據開展了最低運營性能標準（MOPS）和技術標準規定（TSO）的安全性分析。

目前，“無人機融入國家空域”項目的進展已經支持了RTCA的228特別委員會針對感知-規避系統和雷達制定的最低運營性能標準。這些標準是FAA工業界認證設備的技術標準規定的基礎：針對感知-規避系統的TSO-C211和針對空空雷達的TSO-C212。

第5次飛行試驗將于2018年12月完成，測試該雷達在與多架協作與非協作的不同雷達反射面積無人機沖突下的性能。第6次飛行試驗將于2019年9月進行，將評估美國宇航局的Sierra-B無人機端到端的感知一規避系統性能，小尺寸、低重量、低能耗/成本（SwaP）表現以及機場空域“遠離”的定義。這些測試將使無人機融入國家空域項目完結。

霍尼韋爾公司稱將隨美國宇航局在第5、6次飛行試驗使用的保持遠離規范算法一起應用于第3組無人機（國防部分類，指總重小于13201b的無人機）。該雷達將安裝于美國宇航局的Sierra-B無人機，總重為4801b，翼展20ft。

“無人機融入國家空域”項目第一階段的最低運營性能標準和相關技術標準規定用來許可大型無人機可在進入或退出A級空域或特定使用空域時途經D、E、G級空域。228特別委員會正在為能安裝在小型無人機中的設備以及可在D、E、G級空域和在機場周邊限制區域拓展運營制定第二階段的最低運營性能標準。

美國宇航局和工業界正制定“無人機融入國家空域”項目第二階段最低運營性能標準中關于機場空域中“遠離”的各項具體指標。第二階段無人機融入國家空域項目聚焦于開發低小尺寸、低重量、低能耗/成本感知一規避傳感器，以應用于無法搭載通用原子航空系統公司為“伊卡納”無人機的原型-MQ-9“捕食者”B無人機開發的空空雷達的小型無人機。

第一階段最低運營性能標準定義了雷達探測距離為14.8km，雷達重約601b，耗能1000W以上。美國宇航局稱這種雷達因其物理指標和經濟性而無法應用于很多無人機任務。小尺寸、低重量、低能耗/成本傳感器可使小型無人機擴展在D、E、G級空域中的運營，超視距但在機場空域之外，高度500～1000ft，速度低于370km/h。

FAA規定無人機操縱者使其無人機“遠離”其他飛機。228特別委員的任務之一是制定“遠離”的數學表達式來使無人機的傳感器代替無人機操縱者的雙眼。在第一階段的最低運營性能標準中，該數據是水平相距4000ft，垂直相距450ft，最小接近時間35s。這一指標可指導傳感器目標圖像、預警和導航算法、運營商數據展示系統的開發。該次飛行標志著美國宇航局的無人機融入國家空域項目聚焦于在低空空域中使用大型無人機的第一階段即將完成。項目第一階段完成后即將進入在小型無人機和更大范圍運營上應用感知一規避技術的第二階段。

霍尼韋爾公司與美國宇航局達成協議提供第二階段的緊湊、輕量雷達。在第一階段，該公司在感知、規避原型系統中提供了TCAS 2，ADS-B和融合追蹤器。該公司稱在第二階段通過3面板構型中安裝的DAPA輕量雷達使用相同的多傳感器融合算法，推送ADS-B消息以及非協作飛機感知以提供完整的所需圖景。

在項目第二階段，美國宇航局將不會重復所有的第一階段伊卡納飛行測試。美國宇航局工程師稱，美國宇航局將進行壓力測試，加入留空運營和密集空域環境試驗。試飛數據將提交給228特別委員會，委員會將于2019年發布第二階段最低運營性能標準草案規劃，并于2020年發布標準終稿。