基于感知與規避系統的無人機防相撞技術研究

魏麟 楊濟睿 雷中洲 祁美照

摘要：隨著空域體系的變革，航空器數量的持續快速增長使得未來通用航空所使用的低空空域呈現空中流量密度高、航空器性能差異大的特點，飛機之間的安全間隔將逐漸縮小，這給飛行員帶來了很大的安全隱患。同時無人機系統發展迅速，世界各國已開發并設計了各種類型的無人機，未來無人機與有人機在空域內融合運行已成為發展趨勢，因此為了能夠讓無人機像有人機一樣實現超視距飛行，必須提高系統的可靠性，減少空中發生碰撞的概率。文章主要對感知與規避（Detect and Avoid， DAA）系統的結構進行介紹，總結無人機在空中發生遭遇時與ATC（Air Traffic Control）和控制系統的交互流程，重點體現DAA系統防撞邏輯，最后對未來無人機融入有人機空域運行的前景進行展望。

關鍵詞：防撞系統；防撞邏輯；無人機；DAA

中圖分類號：V249? 文獻標志碼：A

1 DAA系統工作原理

隨著無人機系統的快速發展，人們意識到無人機在民用、公用以及軍事等領域擁有著巨大的發展前景。在過去的十幾年里，美國一直致力于將無人機系統（UAS）完全集成到國家空域系統（NAS）中，這是實現廣泛的公共和商業無人機操作的前提條件［1］。NASA航空研究任務理事會針對無人機系統融入國家空域系統集成了（UAS-NAS）項目，該項目是為了能將無人機安全地融入空域體系下而開展的一系列測試。項目需要開發一種UAS專用系統，用于檢測附近的交通并向飛行員顯示交通信息，以保證他們與其他飛機保持客觀定義的安全分離間隔閾值的能力，為此DAA系統應運而生。DAA系統就是為遠程駕駛航空器駕駛員能夠在空中更安全、更方便地操控航空器而設計并開發的，DAA系統是NAS中無人機系統操作成功集成的關鍵組件。

DAA系統的組成部件主要包括無人機（UA）、無人機控制站、入侵機、ATC、導航系統、全球定位系統以及通信系統［2］。DAA系統在整體運作的過程中，首先無人機接收來自入侵機的相關信息，入侵機的數據可以發送到ATC地面站或直接發送給無人機，之后無人機將入侵機數據、自身數據以及從導航系統和全球定位系統接收到的數據處理好后發送到無人機控制站，再由無人機控制站處理這些數據信息，并將決策咨詢建議顯示給無人機駕駛員，最后由無人機駕駛員決定是否采取相應的機動，如果需要采取機動，駕駛員將通過通信系統與ATC進行交互，同時ATC可以從地面雷達接收無人機和入侵機的監視數據，并與入侵機進行通信。

2 DAA系統防撞邏輯

2.1 DAA Well Clear定義

無人機駕駛員遠程操控無人機時，雖然可以主觀地判斷無人機是否與其他飛機保持了安全分離間隔，但是仍需要對安全間隔制定一個明確的定量定義，為此DAA系統將良好的安全分離間隔定義為DAA Well Clear［3］。DAA Well Clear定義為與其他飛機保持安全距離的狀態，在這種狀態下基本上不會觸發飛機的避撞（Collision Avoidance，CA）機動。

2014年9月，FAA發布了一份白皮書，闡述了FAA對DWC（DAA Well Clear）的建議并提出了部分更改意見［4］。該白皮書在700 ft垂直邊界提出了DAA“交通咨詢警報閾值”，該閾值將為駕駛員提供警報，以保持安全分離，DAA Well Clear建議如圖1所示。

DAA Well Clear主要定義了3個參數，通過這3個參數判斷當期系統應發布的決策咨詢建議。水平方向上的失去距離（Horizontal Miss Distance，HMD）表示在恒定速度下，兩架飛機在相遇過程中預測的最小水平距離。參數h表示兩架飛機的當前高度差，時間度量修正τbmod是兩架飛機與“保護域”相交所需的時間。dh表示為當前兩機之間的垂直距離，Dbmod是時間?? 度量修正的距離修正。其中，τ*bmod=35 s，HMD*=4 000 ft，h*=450 ft。

τbmod定義如下：

τbmod=-（r2-Dbmod2）rr·（1）

其中，Dbmod=4 000 ft，一般情況下，r>Dbmod，當r≤Dbmod時，τbmod=0。r和r·分別為入侵機與無人機之間的水平距離和水平距離率。當這3個參數同時低于各自的閾值時，表示兩機有發生碰撞的風險，系統會根據兩機的飛行狀況進行判斷，發布警報并給出建議，為此DAA系統定義了警報的級別。

2.2 DAA警報

隨著兩機在空中發生遭遇時，飛機之間的安全間隔不斷縮進，DAA根據分離標準定義了DAA系統警報［5］，如表1 所示。

通過表1可以看出DAA系統根據分離標準將DAA主要的警報級別分為了5類。當出現基本交通和DAA接近警報時，表示此時刻沒有危險，不會觸發系統告警，可以繼續按照原航線飛行。當出現DAA預防警報時，這種警報發生在水平距離<1 n mile，垂直間距<700 ft時，在這種情況下表示有發生碰撞的風險，將提醒飛行員注意規避，不要造成Well Clear損失。當出現DAA糾正警報時，這種警報發生在水平距離<0.75 n mile，垂直間距<400 ft時，在這種情況下表示系統已經預測到會造成Well Clear損失，有必要采取相應的機動，系統通過視聽告警發布糾正警報給無人機駕駛員，但是此時仍有足夠的時間提前與ATC協調進行避讓機動，駕駛員首先應與ATC進行溝通，請求機動許可，當接收到ATC發出的允許指令后，駕駛員執行機動以躲避入侵機。當出現DAA警告警報時，這種警報也發生在水平距離<0.75 n mile，垂直間距<400 ft時，但是此時刻表示有明顯Well Clear損失即將發生，無人機駕駛員應立即根據系統發布的決策咨詢建議采取機動，不需要先與ATC進行溝通，而應在成功完成避讓后再與ATC溝通。以上就是DAA系統根據分離標準規定的警報級別，無人機駕駛員在接收到DAA系統發出的決策咨詢建議后應按照正確步驟執行。

3 交互時間線

本文總結了無人機在空中發生遭遇時，無人機駕駛員與ATC和飛機控制系統的交互時間線［6］。當DAA系統發布警報時，將駕駛員與ATC和控制系統的交互時間分為了以下幾個階段，如表2所示。

通知時間（T1-T0）：警報出現與飛行員開始向ATC傳輸之間的時間。

初始響應時間（T3-T0）：警報出現與飛行員首次與無人機控制界面進行明確交互之間的時間差值。

初始編輯時間（T4a-T3）：飛行員第一次與無人機控制界面進行明確交互和飛行員第一次上傳機動至無人機之間的時間。

總編輯時間（T4b-T3）：飛行員第一次與無人機控制界面進行明確交互到飛行員最后一次上傳機動至飛機之間的時間。（當只上傳一次時，總編輯時間和初始編輯時間相同）。

總響應時間（T4-T0）：警報開始與最終上傳機動至飛機之間的時間。

其中應值得注意的是，當DAA系統發出警告警報時，駕駛員應立即采取行動，而無需先聯系ATC（在這種情況下，應在沖突解決后通知ATC）。

從交互時間線來看，飛行員與ATC和控制系統的交互過程包含了多個方面，其中一環交互的改變就有可能影響著整個流程，因此交互過程中所使用的通信系統也是十分重要的，因為通信系統通過通信鏈路進行信號的傳輸，而在傳輸的過程中就面臨著不確定性的發生，例如通信延遲過大或是通信鏈路發生故障嚴重影響信號傳輸的情況發生，這都會影響無人機駕駛員與ATC進行溝通以及駕駛員遠程操控無人機。

4 結語

本文簡要介紹了針對無人機系統空中防撞問題所研發的DAA系統的工作原理，重點介紹了DAA系統防撞邏輯，總結了無人機在空中發生遭遇時與ATC和飛機控制系統的交互時間線。未來，無人機系統進入有人機空域，與有人機在低空融合運行已成為發展趨勢，因此為使得無人機系統能夠像有人機那樣在空中更安全地執行飛行任務，有必要針對無人機研究空中防撞系統。同時，DAA系統也給未來融合運行下的空中防相撞問題提供了解決思路。

無人機駕駛員通過通信鏈路遠程操控無人機，但是目前無人機通信鏈路差異化嚴重，鏈路制式各異，互相不兼容，而且面對不同應用場景以及不同業務下對通信鏈路的需求也比較大，這些問題都影響著通信鏈路的完整性與實時性，對于駕駛員能否正確執行機動或能否及時執行機動都是十分重要的，因此如何構建高效、可靠、低時延的通信鏈路是后續需要進一步探索的。

參考文獻

［1］JOHNSON C W. UAS integration in the NAS project： project overview，NASA Advisory Council （NAC） meeting［C］. Washington：NASA，2011.

［2］李雄.民用無人機感知和避讓方法研究［J］.現代信息科技，2022（4）：157-160.

［3］COOK S P， BROOKS D， CILE R， et al. Defining well clear for unmanned aircraft systems［M］. Kissimmee：AIAA，2015.

［4］SWIDER C. RTCA SC-228 & DAA standards development： Integrated Communications， Navigation and Surveillance （ICNS） conference meeting［C］. Herndon：IEEE，2014.

［5］MUELLER E， SANTIAGO C， WATZA S. Piloted “well clear” performance evaluation of detect-and-avoid systems with suggestive guidance［R］. Washington：NASA，2016.

［6］RORIE C， FERN L. The impact of integrated maneuver guidance information on UAS pilots performing the detect and avoid task： human factors and ergonomics international annual meeting［C］.Washington：NASA，2015.

（編輯 沈 強）

Research on collision avoidance technology of UAV based on detect and avoid system

Wei? Lin1， Yang? Jirui 2*， Lei? Zhongzhou 2， Qi? Meizhao2

（1.School of Flight Technology ， Civil Aviation Flight University of China， Guanghan 618307， China;

2.School of Avionics and Electrical ， Civil Aviation Flight University of China， Guanghan 618307， China）

Abstract： With the reform of the airspace system， the continuous and rapid growth of the number of aircraft will make the low-altitude airspace used by general aviation in the future show the characteristics of high air flow density and large differences in aircraft performance， and the safety interval between aircraft will gradually narrow， which brings great safety risks to pilots. At the same time， the UAV system is developing rapidly， and various types of UAVs have been developed and designed by countries all over the world. In the future， the integrated operation of UAVs and human machines in the airspace has become a development trend. Therefore， in order to enable UAVs to realize over-the-horizon flight like human machines， it is necessary to improve the reliability of the system and reduce the probability of collision in the air. This paper mainly introduces the structure of Detect and Avoid （DAA） system， summarizes the interaction process between UAV and ATC and control system when encountering in the air， focuses on the collision avoidance logic of DAA system， and finally prospects the future operation of UAV integrated into MAV airspace.

Key words： collision avoidance system; collision avoidance logic; UAV; DAA