無人機航空電子設備研制進展

比爾·凱利

隨著無人機市場的擴大與成熟，以及城市空運交通工具的興起，越來越多的傳統和新興公司都在聚焦研發適用于這兩大市場的航電設備解決方案，并已取得了豐碩的成果。

與傳統飛機一樣，對于小型無人機和緊湊型城市空運工具中的航空電子設備，其設計同樣需要考慮尺寸、重量、功率和成本等因素。而除此之外，對小型無人機和城市空運工具而言，其航電設備所需的屬性還包括監視系統的可視性、與其他交通自分離的能力，以及高度的飛行自動化。

目前，在大多數管控空域中飛行的飛機都需要使用應答器和衛星定位接收機，通過自動相關監視廣播（ADS-B）將其準確位置發送給控制器，這種方法相當于在地面雷達的基礎上增加了一個監視層。

而小型無人機需要在地面以上120m的低空空域發出信號顯示其位置（但不一定通過ADS-B發出），使其低于美國聯邦航空管理局（FAA）規定的有人機在不擁擠區域上空150m的最低安全高度，無人機交通管理系統將協調多架商用無人機同時飛行。城市空運飛行器（UAM）的活動空間為150～300m，或更高離地高度（AGL）的中間層，即飛行于優步稱之為“空中通道”的指定空域走廊內。

尤阿維尼克斯公司推出“尾標X”航電解決方案

發明家兼企業家保羅·比爾德（PaulBeard）在2015年創立了尤阿維尼克斯公司（uAvionix），致力于減小ADS-B系統的尺寸，為小型無人機提供避撞能力。比爾德是一名模型飛機愛好者，他為通過無線電操控的娛樂型飛機和汽車開發了2.4 GHz頻段的數字頻譜調制系統（DSM）。發射機使用DSM掃描頻帶中未使用的信道，將唯一的編碼信號發送給“綁定”的接收機，或編程以識別信號，這種技術減少了飛機與附近其他設備發生干擾的可能性。

圖1 尤阿維尼克斯的“尾標X”ADS-B Out 應答器取代了飛機的尾部位置燈。

尤阿維尼克斯的總裁克里斯蒂安·拉姆齊（Christian Ramsey）表示，公司剛成立時僅研究無人機的ADS-B。創始人保羅擁有硅谷的工作經歷，具備如何使產品小型化、置于芯片中并投入生產的知識和經驗。在風險投資的資助下，尤阿維尼克斯公司開發出了第一款產品ADS-B 核心無線電芯片，能在1090 MHz和978 MHz頻率下發射和接收信號，這兩個頻率是FAA指定與其地面無線電臺交互的頻率。之后數年內，該公司的產品從僅重26g的“ping”系列ADS-B 收發器，發展到無人機指揮與控制數據鏈無線電、GPS 模塊，以及用于通航飛機和機場地面車輛的ADS-B 收發器和應答器。

2019 年10月，尤阿維尼克斯收購了航空沃尼克斯公司（Aero Vonics），這是一家為通航市場提供數字式飛行和多功能座艙顯示器的制造商。同月，尤阿維尼克斯還解決了佳明公司（Garmin）對其提起的專利侵權訴訟，后者指控前者未經許可使用ADS-B專利技術，之后根據一份保密的和解協議，尤阿維尼克斯被允許繼續提供特定產品。

在通航市場，尤阿維尼克斯擅長研究易安裝的系統，可以方便地利用現成的照明位置和飛機電源。2020 年2月，尤阿維尼克斯宣布推出“尾標”X（TailBeaconX）商用航電系統解決方案，由一款1090 MHz的擴展應答信號ADS-B“Out”應答機、GPS定位源和偶極天線組成，專門針對城市空運飛行器的需求而開發。

拉姆齊稱，尤阿維尼克斯在蒙大拿州的比格福克和哥倫比亞福爾斯都有生產基地，主要生產無線電。他認為無線電的關鍵部件是天線，傳統做法是把天線安裝在飛機的外部，因此可以另辟蹊徑建立一個安裝在飛機外部的完整系統，即無需使用內部的航電設備艙空間，只需將其布置在飛機邊緣。同時，如果該系統能與飛機的照明設備結合使用，也就意味著其可以使用外部照明設備的電源。尤阿維尼克斯正是基于這一構想將多個系統綜合融入到城市空運工具，即僅采用核心關鍵組件并將其構建到傳統上由天線所占的空間中。

2019 年12月底，FAA 發布了期待已久的擬議規則制定通知，描述了小型無人機的遠程識別要求。擬議條例將禁止無人機使用ADS-B Out 應答器發送身份和位置數據，這是出于無線電頻率飽和以及缺乏地面基礎設施接收低海拔地區的ADS-B 數據的考慮。拉姆齊表示，雖然該擬議規則制定通知影響到尤阿維尼克斯對無人機ADS-B的初步構想，但無人機操控員通過接收ADS-B In獲得附近空中交通信息的可能性仍然很大，公司對此已做好周全準備。

由于有人機上至少有一名飛行員，因此可以觀察到其他飛機并避開，同時有人機還擁有交通預警和防撞系統（TCAS）作為防止空中碰撞的最后手段，而無人機和無人駕駛的城市空運飛行器則需要采用基于傳感器的“探測和規避”（DAA）系統。

過去幾年中，通用原子航空系統公司（GA-ASI）與NASA和FAA合作，為“捕食者”B無人機建立了DAA系統，該系統采用有源相控陣（AESA）空空雷達探測“非合作”的飛機目標，采用TCAS計算機處理機跟蹤附近裝有應答機的“合作”飛機，回答應答機的詢問。

該DAA系統基于RTCA特別委員會228制定的性能標準，并參考了FAA技術標準規定C211（DAA系統）和C212（交通監視用空空雷達），為計劃制造FAA授權設備的制造商提供指導。

2019 年9月，通用原子公司向L3技術公司和泰雷茲（Thales）的合資公司ACSS 授予了一份為期五年的合同，向裝有防撞系統的飛機提供200臺DAA處理機。ACSS公司表示，該處理器支持最新的TCAS II、DAA和ADS-B功能，采用了緊湊的輕量級單元。

但是，這種相控陣雷達的大小與軍用戰斗機或捕食者級別無人機上的雷達相當，這些飛機都是在管制空域內飛行的，因此對于僅在低空運送包裹或執行其他任務的小型無人機來說，這樣的雷達在尺寸或成本上都不合適。

艾克達因公司研制基于超材料的微結構相控陣雷達

2013 年前后，一家由微軟前首席技術官內森·邁爾沃德（Nathan Myhrvold）創立的科技孵化器公司——智能風投（Intelligent Ventures），開始研發一種縮小比例的、基于超材料的相控陣雷達，這種工程微結構可以按照方向圖排列，以操縱電磁波。

艾克達因公司（Echodyne）于2014 年從智能風投科技孵化器中剝離。該公司是一家高性能雷達制造商，專業生產適于小型無人機和地面DAA系統的超材料相控陣雷達，以及用于安全系統和自動駕駛汽車的雷達。

軍用級相控陣雷達由數百到數千個收發（T/R）模塊組成。艾克達因公司聯合創始人兼首席執行官埃本·弗蘭肯伯格（Eben Frankenberg）解釋說，T/R模塊由移相器、在發射和接收模式之間切換的循環器、放大器和其他電子設備組成，這些移相器可以改變射頻信號的相位，從而驅動不同方向的雷達波前。艾克達因公司表示自身的產品性價比高，目前市場上的波束控制雷達的低端價格達數十萬美元，而艾克達因的雷達價格僅“數萬美元。

圖2 艾克達因公司是一家高性能雷達制造商，專業生產適于小型無人機和地面DAA 系統的超材料相控陣雷達。

圖3 在NASA 的“拉文”項目下，弗吉尼亞理工大學中大西洋航空合作伙伴的測試人員對一架泰坦X8多旋翼無人機進行測試，該無人機裝有艾克達因公司開發的“回聲飛行”超材料相控陣雷達（安裝在無人機正面下方的小型白色面板）。

弗蘭肯伯格表示，圍繞該概念的整體思路是制造出像相控陣雷達那樣的波束控制雷達，但不使用移相器。當去掉了所有復雜的電子組件后，艾克達因有望制造出符合商業價格的波束控制雷達。

艾克達因所開發的超材料相控陣雷達“回聲飛行”（EchoFlight）使用多層印刷電路板，創建由軟件控制的波束控制雷達天線，由標準雷達收發器電子組件驅動。弗蘭肯伯格認為這本質上不是芯片技術，而是一種天線技術，其后端裝有公司自研的雷達。“回聲飛行”機載雷達工作在24.45～24.65 GHz的K波段，雷達為18.7cm×12.1cm×4cm的單面板，重量約為0.74kg。面板視野為方位120°（向前或向后60°），俯仰80°。三個面板位于飛機周圍，可提供360°方位角。天線面板上的散熱片利用氣流對安裝在外部的雷達進行冷卻。其具有“邊搜索邊跟蹤”功能，使雷達能以較高的刷新率跟蹤特定目標，同時繼續掃描其余視野以尋找入侵者。

2018—2019 年間，艾克達因參與了NASA的“拉文”（Raavin）項目，以分析雷達在泰坦X8多旋翼無人機上的“探測和規避”性能。該項目由弗吉尼亞理工大學中大西洋航空合作伙伴管理，將雷達與NASA的“伊卡洛斯”（Icarous，無人機系統可靠運行的獨立可配置架構）軟件配對，以測試避撞機動性能。測試人員測試了泰坦X8無人機遭遇另一架無人機以及一架利伯蒂大學的塞斯納172“天鷹”（Skyhawk）的場景。

到目前為止，還沒有一個基于標準的小型無人機DAA 系統規范可以和工業界與政府為“捕食者”B系列無人機開發的DAA 系統相媲美。艾克達因公司的DAA在小型無人機上所做的一切仍被視為測試，該公司希望獲得FAA的豁免。

弗蘭肯伯格認為，對于未來任何無人機的DAA 規范來說，雷達都是必不可少的，而且還將成為城市空運飛行器傳感器套件的組成部分之一，并表示許多開發商正在測試艾克達因的雷達。

霍尼韋爾等傳統制造不甘落后

傳統制造商中，霍尼韋爾在城市空運飛行器和無人機所用航電設備的開發方面表現不凡，其透露正計劃為垂直航空航天公司（Vertical Aerospace）、君特空運公司（Jaunt Air Mobility）、以色列伊威艾森公司（Eviation）和蝙蝠飛機公司等公司生產部件，包括電傳飛行計算機、相控陣雷達、自動著陸與導航系統、機電作動器和環控冷卻系統部件等。

另一家制造商科漢姆公司（Cobham）已開發出高帶寬的Aviator UAV 500衛星終端，可用于大型無人機的視頻流傳輸。另外，預計柯林斯航宇公司（Collins Aerospace）將是第一家推出經認證的C波段無人機指揮與控制數據鏈無線電的公司。

貝爾直升機德事隆公司（Bell Textron）已選定佳明公司負責其“奈克賽斯”（Nexus）電動垂直起降空中出租車的航空電子硬件和軟件的設計、開發和生產工作，該空中出租車概念于2018年首次亮相。佳明公司將負責提供主飛行信息、導航和通信能力，以及飛行制導和管理系統。

貝爾在其網站上描繪了一個帶有四個大型顯示器的“奈克賽斯”玻璃座艙，這是佳明公司的G3000 綜合駕駛艙的衍生產品，通過觸摸屏控制，G3000已在小型飛機上得到使用，包括巴航工業的飛鴻（Phenoms）公務機、本田公務機（HondaJets）以及法國大合公司（Daher）的TBM單發渦槳飛機。

佳明業務開發高級經理比爾·斯通（Bill Stone）表示，這些產品實際上利用的是與目前輕型公務機中非常相似的系統。通過共享研發成果，利用現成的硬件，可以降低研發成本和生產成本并充分利用目前有人機的技術。

不過，貝爾直升機和佳明公司都拒絕透露“奈克賽斯”項目所處的具體開發階段或首飛里程碑細節。佳明公司高管稱硬件已經非常成熟，正與貝爾直升機合作完善機上的用戶界面和系統，過程將不斷迭代漸進，直到最終確定子系統和推進系統。

許多公司正投入研發未來的飛機，未來的飛機在減少體積、減重、降耗和降低成本等方面有著共同的要求，成為各公司共同追求的目標。