網聯無人機安全管控教學實驗平臺建設與應用

韓 鵬，王建忠，王萬樂，趙嶷飛

（中國民航大學空中交通管理學院，天津 300300)

近年來，隨著計算機技術、通信技術、網聯技術和智能技術的發展，民用無人機在物流配送、電力巡線、農林植保、測繪勘探、安防監控、應急救援等方面得到了廣泛應用。與此同時，相較于傳統的運輸航空和通用航空，無人機在飛行器性能、運行環境和應用場景等維度都有很大差異，從而誘發新的安全風險[1]。由于無人機安全管控理論對制定管理規范支撐的不足，以及監管技術手段的缺失，由無人機所引發的干擾航班和墜地傷人等不安全事件也日益嚴重，嚴重危害著國家安全、民航運行安全和普通民眾生命財產安全[2]。

國內外研究機構陸續建設無人機安全管控實驗室，對無人機運行性能、安全風險、管控方式等展開研究[3-4]。國際無人系統規則制定聯合體（JARUS）發布特定類無人機安全風險評估指導材料（SORA）[5]，為無人機運行風險測試實驗提供了依據[6]。美國聯邦航空局（FAA）資助成立無人機卓越研究聯盟（ASSURE），建設無人機安全管控實驗室，評估各種材料特性和結構的小型無人機損傷，開展固定翼和多旋翼小型無人機故障飛行測試、空氣動力學建模、人體沖擊實驗、頭部沖擊實驗，以及高保真的頭部和頸部撞擊模擬實驗等，將研究數據支撐無人機飛越人群的操作限制，指導無人機運行規范制定[7]。歐洲航空安全局（EASA）提出基于無人機性能的安全管控策略，通過適航管理認證和性能測試實驗逐步完善安全管控方式[8]。英國克蘭菲爾德建設數字航空研究和技術中心（DARTeC），圍繞無人機融入現有空域，通過安全數據通信基礎設施建立共享空域，提高無人機的自適應/感知和自修復/修復技術。新加坡南洋理工大學研究低空空域柵格化劃設技術，在無人機風險地圖基礎上建設虛擬運行仿真平臺[9]。我國科研機構也逐步針對無人機適航、管理、運行、安全評估等方面開展實驗驗證，根據研究成果完善相關法律法規制度[10-14]。但整體而言，目前無人機安全管控仍存在安全監管體制機制亟待完善、安全監管技術研究不足，以及安全監管信息采集及融合手段缺乏等問題。

根據低空空域內無人機運行風險，本文圍繞無人機飛行性能測試、網聯通信功能測試、融入現有空域關鍵技術測試[15]，探索網聯無人機安全管控教學實驗平臺建設方案，開展無人機性能實驗、低空環境下無線信道通信環境實驗、無人機航跡預測和航空器混合運行態勢模擬，基于5G移動互聯技術開展無人機安全管控技術研究和實驗，形成具有中國特色的無人機安全管控技術標準、設備標準和運行標準，從而為我國無人機安全管控研究提供實驗平臺。

1 網聯無人機安全管控教學實驗平臺總體方案

無人機安全管控教學實驗平臺重點支撐無人機安全管控基礎理論、技術與方法、無人機性能、無人機運行安全風險評估、有人機/無人機混合運行虛擬仿真、綜合測試實驗等研究，實現低空空域無人機安全運行和無人機產業健康發展。無人機安全管控教學實驗平臺的總體研究方案架構如圖1所示。

圖1 無人機安全管控教學實驗平臺總體架構

無人機安全管控教學實驗平臺將運輸航空（未來）、通用航空、無人機有機集成，建立基于有人機/無人機混合運行的應用環境，采用人工智能技術、網聯技術、計算機技術、通信技術等，形成基于大數據驅動的無人機安全管控理論與方法、監視技術、管控技術，形成集信息采集與處理、運行態勢分析、自主感知-避讓、空管決策、安全風險評估為一體的無人機安全管控研究體系。

平臺重點建設無人機性能實驗系統、網聯無人機場景運行實驗系統和有人機/無人機混合運行模擬仿真實驗系統。滿足國家發展需求對無人機安全管控的要求，建立符合我國國情和特色的無人機安全管控理論與方法、技術、標準等，提升國家對無人機安全管控能力和水平，優化和改善無人機運行環境，促進無人機產業健康、有序、和諧、可持續發展。

2 網聯無人機安全管控教學實驗平臺功能架構

2.1 無人機性能實驗系統

無人機性能實驗系統主要由空域基礎數據庫、無人機運動學/動力學模型數據庫、無人機性能數據庫、小型氣象觀測系統、無人機系統（含飛控）、無人機地面站系統、光學位置定位設備、無人機路徑規劃系統、無人機綜合態勢顯示系統、無人機安全管控輔助決策系統、空管-地面站通信鏈路等組成。無人機性能實驗系統結構如圖2所示。

圖2 無人機性能實驗系統

（1）空域基礎數據庫是在GIS(地理信息系統)基礎上，疊加民航運行空域信息、航空情報信息、障礙物信息，從而形成面向無人機運行特點和運行環境的3D/4D空域基礎數據庫。空域基礎數據庫所包含的主要信息包括地形信息、地理信息、障礙物信息、高程信息、限制性空域信息、民航航路/航線信息、導航臺信息、臨時性限制信息等。

（2）無人機路徑規劃系統按照一定的運行規則和規劃策略，結合無人機運行特點和飛行任務，制定出適合飛行任務并滿足安全需求的運動軌跡，規劃規避各類障礙物碰撞的安全路徑。

（3）無人機系統（含飛控）包括無人機、飛控系統、數據鏈系統、地面站系統、電源系統等。飛控系統對無人機的穩定性、數據傳輸的可靠性、精確度、實時性等都有重要影響，對其飛行性能起決定性的作用；數據鏈系統可以保證對遙控指令的準確傳輸，以及無人機接收、發送信息的實時性和可靠性，以保證信息反饋的及時有效性和順利、準確地完成任務。

（4）基于光學運動捕捉原理的無人機航跡測試系統，利用VICON光學位置定位設備來實現對無人機的精確定位。在無人機的關鍵部位設置跟蹤器，由VICON光學攝像頭系統捕捉跟蹤器位置，再經過計算機處理后向用戶提供跟蹤器位置數據。當數據被計算機識別后，即可以在計算機中輸出物體的六自由度位置數據。系統實時輸出高精確度、高頻率運動學數據，實現多目標快速捕捉。

（5）無人機綜合態勢顯示系統是綜合信息集成、數據顯示、數據存儲、告警/預警、數據定制/回放/輸出、保留有相應外部接口的綜合態勢顯示系統。它能滿足圖像和數據顯示的需求，實現飛行計劃的顯示以及各種模式目標（目標跟蹤航跡、預測航跡、飛機標牌、尾跡等）等在背景地圖上清晰、準確、平穩地顯示，提供流量監控單元的各種告警和預警，同時提供管制目標、空域單元按照告警級別分顏色顯示，并提供各種操作和控制功能以實現方便快捷的流量預測和監控單元的預警告警。

2.2 網聯無人機場景運行實驗系統

網聯無人機場景運行實驗系統運行保障系統結構如圖3所示。

圖3 網聯無人機場景運行實驗系統運行保障系統

網聯無人機場景運行實驗系統運行保障系統主要由無人機運行場、TD-LTE基站和TD-LTE核心網設備、無人機系統、無人機遠程監視站、機載實驗終端、氣象觀測設備、態勢感知系統、飛行空域管理云、通信控制云等組成。

無人機可以通過5G網聯實現地面基站與機載端的通信交互，進行數據通信和自定義數據的傳輸，網聯無人機信息交聯關系如圖4所示。無人機通過以上信息交互過程，在飛行中提供目視輔助導航，進行周邊飛行態勢顯示（基于TIS數據）和飛行信息顯示（基于FIS數據），完成自動警示（跨區、侵入、防相撞等），提供飛行電子文檔查閱，裝載航空情報資料，計算飛行相關參數。

圖4 網聯無人機信息交聯關系圖

具體而言，網聯通信完成以下功能：

（1）通信功能。電子飛行服務包能夠通過網口或Wi-Fi接口與機載通信終端建立IP通信連接，接收TIS/FIS報文，發送ADS-B報文，收發自定義文本報文和VoIP報文。

（2）數據解析和編碼功能。能夠完成對TIS/FIS報文、自定義文本報文的解析；能夠根據自帶的北斗導航模塊/GPS模塊獲取位置、速度等信息，完成ADS-B報文的編碼；能夠對自定義文本進行編解碼；能夠完成對VoIP數據的編解碼。

（3）話音通話功能。電子飛行服務包能夠提供VoIP終端應用軟件，與管制中心系統中的VoIP終端應用軟件建立話音通信連接。

（4）定位功能。通過內置北斗導航模塊/GPS模塊獲取位置、速度等信息。

（5）ADS-B信息發送。能夠根據自帶北斗導航模塊/GPS模塊獲取位置、速度等信息，完成ADS-B報文編碼，并周期性地進行發送。

2.3 有人機/無人機混合運行模擬仿真實驗系統

有人機/無人機混合運行模擬仿真實驗系統要建立集人工智能技術、計算機技術、網絡技術、數據庫、仿真模型等于一體的有人機/無人機綜合仿真環境。混合運行模擬仿真實驗系統體系架構如圖5所示。

圖5 混合運行模擬仿真實驗系統體系架構

系統主要由無人機模擬器、管制模擬機、運行環境模擬器等組成。通過建立全數字、多場景、多環境的無人機-管制模擬機聯合仿真系統，支持無人機運行管理的空域規劃、管制規則等技術標準與規范，推動無人機安全管控技術和方法的實現。

3 網聯無人機安全管控教學實驗平臺功能設計

3.1 無人機性能模型構建

無人機性能模型是進行無人機運行仿真的關鍵，無人機運行仿真是實現無人機航跡預測的必要條件，又是建立和發展無人機安全管控系統的關鍵。同時，空管的仿真系統、空中交通的流量管理系統、容量評估系統同樣需要構建無人機的性能模型才能進行分析。

通過無人機性能實驗系統中的運動捕捉模塊有效采集無人機航跡數據，通過插值、重采樣、濾波等方法對包含噪聲的無人機航跡數據進行處理，根據研究需求構建和驗證不同類型的無人機性能模型，滿足不同場景的應用需求。按照功能和復雜程度，可建立完整的飛行動態模型、質點模型、參數模型和固定模型等不同精度的無人機性能模型。其中，飛行動態模型使用六自由度方程，考慮飛機的平動和自身滾轉；質點模型僅考慮飛機的平動，可以采用多種手段簡化模型的運動方程，得出不同的算法方程；參數模型不考慮飛機的實際受力，對飛機的速度和加速度建模，該方法在空管環境中得到廣泛應用；固定模型直接從表格中根據不同高度和飛行階段查找水平和垂直速度。

3.2 低空環境下無線信道通信環境實驗

多普勒頻移使接收機和發射機之間產生頻率偏差，不僅會影響上行接入成功率、切換成功率，還會對系統的容量和覆蓋產生影響。開展低空環境下的無線信道通信環境實驗，可以解決低空飛行器高速移動過程中所產生的多普勒頻移問題，以及無線信道模型特性的校準問題。針對5G低空覆蓋組網存在的問題，開展如圖6所示的信息傳輸流程驗證，對低空環境下的無線信道環境開展測試。

圖6 信息傳輸流程驗證

3.3 無人機航跡預測

運輸航空空中交通管制過程中，雷達管制系統和雷達管制模擬機，能夠在雷達屏幕上根據飛機的類型和當前運動狀態顯示出飛機的預測航跡。參考現有運輸航空的空中交通管制系統，無人機安全管控系統仍需要監測或預測無人機飛行航跡。依托無人機室內航跡分析平臺，研究不同預測方法，如基于卡爾曼濾波等的估計算法、基于飛機性能模型的航跡預測方法，實現正常航跡預測、最壞狀況航跡預測和概率航跡預測。

3.4 航空器混合運行態勢模擬

開展無人機/有人機運行仿真模擬和運行規則模擬。對無人機的運行速度、位置、三維姿態進行模擬，對航空器的運行態勢進行實時監控與預警，對運行風險進行仿真分析。開展混合運行規則的仿真驗證，集成無人機運行相關的信息，開展有人機/無人機混合運行空域的劃設研究，設計運行程序，研究混合運行中航空器的優先級、混合運行中沖突避讓規則的仿真等。開展混合運行間隔仿真驗證，對有人機/無人機混合運行中有人機與有人機之間、有人機與無人機之間以及無人機與無人機之間的運行間隔開展設計與仿真。

4 平臺應用

網聯無人機安全管控教學實驗平臺主要應用于本科生、研究生實踐課程。教學實驗平臺結合無人機發展現狀、運行管理、法律法規、空管運行規定、空域及安全、技術保障等方面全方位系統地對無人機運行風險與監管進行講授，提高和增強民航學生對無人機運行的認識，提高自覺遵守無人機運行法律法規的意識，提升無人機依法運行、依法管理、依法飛行的氛圍。教學實驗平臺旨在培養學生在無人機運行安全專業領域從事技術、管理工作的實際能力，使學生掌握無人機運行安全工程領域研究的一般方法，具備開展無人機運行安全工作的基本知識與專業素質。教學實驗平臺的應用，使學生了解無人機運行安全工程領域的發展動態，概括性、整體性地了解和掌握無人機運行安全工程中涉及的理論、方法、技術、管理等基礎知識，培養學生樹立科學的安全觀并提升學生的交通安全意識；使學生獲得無人機運行安全工程領域分析問題、開展研究、設計解決方案的基本訓練，初步具備綜合分析和處理各類無人機運行安全問題的基本能力；獲得無人機運行安全工程與社會、環境和可持續發展之間關系的基本思考和基本能力訓練，得到無人機運行安全工程領域應遵循的職業規范的訓練；獲得個人與團隊角色，以及溝通和項目管理能力的訓練；獲得終身學習意識的培養和訓練。

5 結論

通過對網聯無人機安全管控教學實驗平臺的建設和應用，得到的主要結論如下：

（1）搭建無人機性能實驗系統，開展室內無人機航跡分析與沖突預警仿真模擬，形成無人機安全運行的安全間隔標準和告警算法，為無人機安全管控技術提供理論和實驗支撐。

（2）搭建網聯無人機場景運行實驗系統，開展網聯無人機視距外監視與控制仿真模擬，通過5G、ADS-B等技術實現網聯無人機的視距外監視與控制，分析和研究所需通信導航監視性能標準，為構建符合安全管控要求和運行要求的無人機通信導航監視所需性能提供參考依據。

（3）搭建有人機/無人機混合運行模擬仿真實驗系統，開展無人機駕駛與管制模擬機聯合仿真，從空管安全運行的角度出發，研究無人機駕駛/管制模擬機混合運行的基礎理論和方法，形成混合運行空域規劃、管制程序等空管運行標準，為無人機安全管控能力提升提供標準保障。