無人機(jī)全空域飛行影響因素分析

蔡志浩

(北京航空航天大學(xué) 無人駕駛飛行器設(shè)計(jì)研究所,北京 100191)

王英勛

(中國航空工業(yè)集團(tuán)公司 重大項(xiàng)目管理部,北京 100022)

楊麗曼

(北京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院,北京 100191)

李新軍

(中國航天科技集團(tuán) 研究發(fā)展部,北京 100048)

無人機(jī)全空域飛行影響因素分析

蔡志浩

(北京航空航天大學(xué) 無人駕駛飛行器設(shè)計(jì)研究所,北京 100191)

王英勛

(中國航空工業(yè)集團(tuán)公司 重大項(xiàng)目管理部,北京 100022)

楊麗曼

(北京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院,北京 100191)

李新軍

(中國航天科技集團(tuán) 研究發(fā)展部,北京 100048)

進(jìn)入全空域飛行是未來無人機(jī)發(fā)展的必然趨勢(shì),所面臨的關(guān)鍵問題是安全性和空中交通管理.根據(jù)無人機(jī)大、中、小型,低、中、高速并存的特點(diǎn),分析了無人機(jī)安全性和影響其全空域飛行能力的關(guān)鍵因素與改進(jìn)方法,包括建立分類管理機(jī)制,提高自主導(dǎo)航與控制能力,進(jìn)行動(dòng)態(tài)任務(wù)規(guī)劃,采取協(xié)調(diào)機(jī)制,增強(qiáng)環(huán)境感知與規(guī)避能力等.進(jìn)一步提出了無人機(jī)空域飛行的建模/仿真理論框架,目標(biāo)是在提高無人機(jī)可靠性的基礎(chǔ)上,使其具備全空域飛行能力,從而降低無人機(jī)使用成本、提高空域共享能力,實(shí)現(xiàn)有人機(jī)、無人機(jī)共享空域.

無人機(jī);空域;空中交通管理;自主智能體

無人機(jī)(UAV,Unmanned Aerial Vehicle)已具備全空域飛行的能力,飛行高度覆蓋從近地面的幾十米到幾萬米高空.無人機(jī)飛行范圍擴(kuò)大的同時(shí),使用時(shí)間也快速增長:2010年 4月,美國軍方統(tǒng)計(jì),捕食者系列無人機(jī)總飛行時(shí)間達(dá)到 100萬小時(shí).在無人機(jī)全空域使用、飛行頻次不斷增加的情況下,空中安全問題日益凸顯[1].美國曾在2003年初對(duì) 3種無人機(jī)進(jìn)行安全性調(diào)查,以捕食者為例,它在 10萬飛行小時(shí)中總共發(fā)生 32次嚴(yán)重事故,相形之下,F-16只發(fā)生 3次.美國 2002～2027年的無人機(jī)發(fā)展路線圖中,希望無人機(jī)未來的安全表現(xiàn)應(yīng)該減少到每 10萬小時(shí)不超過20次[2].

除本身的飛行安全問題外,無人機(jī)進(jìn)入非隔離空域飛行還會(huì)遇到技術(shù)、法規(guī)和協(xié)調(diào)程序上的問題.英國《飛行》雜志稱在發(fā)生了兩次由于無人機(jī)過于靠近客機(jī)而造成的事故后,以色列航空公司飛行員協(xié)會(huì)要求出臺(tái)嚴(yán)格的制度來限制無人機(jī)使用民用飛行航線,在有關(guān)法律出臺(tái)前立刻采取措施防止類似事故的發(fā)生,主要的措施僅包括禁止沒有安裝 C模式發(fā)射機(jī)問答器的無人機(jī)在民用航線 28 km的范圍內(nèi)飛行[3].因此,要保證包含無人機(jī)的空域飛行安全有序,需面對(duì)的問題就是提高無人機(jī)的自身安全性并建立空中交通管理機(jī)制,使其具備空域飛行能力.

1 無人機(jī)安全性

1.1 自身安全性

無人機(jī)自身安全性是保證空中飛行安全的前提,它受設(shè)計(jì)、制造、機(jī)載設(shè)備性能以及飛行器對(duì)惡劣環(huán)境的適應(yīng)能力等因素制約,與成本直接相關(guān).美國的研究表明,無人機(jī)飛行安全事故 37%源于發(fā)動(dòng)機(jī)及其控制模塊故障.無人機(jī)的導(dǎo)航、飛控系統(tǒng)和軟件可靠性是影響其安全性的第二大因素.相當(dāng)一部分無人機(jī)滯空時(shí)間長、被派到危險(xiǎn)地區(qū)執(zhí)行任務(wù)也是造成無人機(jī)毀傷的重要原因.美國 2007～2032年的無人機(jī)路線圖中對(duì)災(zāi)難性事故率進(jìn)行了分析,無人機(jī)飛行的災(zāi)難性事故率比有人軍用飛機(jī)高出 1～2個(gè)數(shù)量級(jí).

按預(yù)定航線飛行的準(zhǔn)確性取決于無人機(jī)的導(dǎo)航精度、飛行控制精度以及飛機(jī)和設(shè)備的抗干擾能力,受飛行氣候、電磁環(huán)境等條件影響.無人機(jī)能夠“準(zhǔn)確地飛行”是確認(rèn)目標(biāo)、有效防止空中沖突的必要條件.提高無人機(jī)自身安全性的措施包括改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)本體、燃油、滑油及控制單元在內(nèi)的動(dòng)力系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、軟件等各方面的可靠性,進(jìn)行有別于有人駕駛飛機(jī)的獨(dú)立設(shè)計(jì).

1.2 全空域飛行

無人機(jī)進(jìn)入非隔離空域?qū)a(chǎn)生與其他各種無人機(jī)及有人機(jī)之間的空中交通管理問題.美軍已經(jīng)建立了防止無人機(jī)與有人飛機(jī)碰撞的機(jī)制,但還沒有達(dá)到必要的安全程度,正在致力于研究更可靠的解決方案.歐洲空管局建議在歐洲非隔離空域內(nèi)飛行的軍用無人機(jī),主要運(yùn)行模式應(yīng)在“飛行員”的管理下進(jìn)行,而在數(shù)據(jù)鏈損失的情況下,保留以全自主飛行作為安全模式.因而無人機(jī)“飛行員”將自然對(duì)非管制空域內(nèi)規(guī)定的安全間隔和防止空中相撞負(fù)責(zé)[4].國內(nèi)無人機(jī)的每次飛行基本上都要“特事特辦”,臨時(shí)批準(zhǔn),并嚴(yán)格限制在隔離空域中飛行,一定程度上影響了無人機(jī)的研制和使用.

2 影響因素

在提高無人機(jī)自身安全性基礎(chǔ)上,分析以下影響因素,使其具備共享有人機(jī)空域、進(jìn)行全空域飛行的能力.

2.1 分類管理

從降低使用成本的角度考慮,用于不同目的的無人機(jī)會(huì)有不同的大小和重量需要,從而帶來機(jī)載設(shè)備的裝載能力和設(shè)備技術(shù)水平的差異.因此,對(duì)不同大小的無人機(jī)提出不同的安全和飛行要求,進(jìn)行分類管理是解決無人機(jī)全空域飛行的基礎(chǔ),即:要求不同等級(jí)的無人機(jī)具有相符的安全性設(shè)計(jì),并按對(duì)應(yīng)匹配的空域飛行.

圖1是當(dāng)前主要無人機(jī)按起飛重量和飛行高度的分類,主要包括微型、小型、戰(zhàn)術(shù)、中空和高空/無人戰(zhàn)斗機(jī)等幾種類型[5].

圖1 無人機(jī)分類

針對(duì)不同類型的使用特點(diǎn),美國定義了 6類空域,在各類空域飛行的飛機(jī)分別要不同程度地接受相應(yīng)的空中交通管理,并按照不同的飛行規(guī)則進(jìn)行飛行,空域分配情況如圖 2所示,整個(gè)空域劃分為 6類[6-7]:A類,6000～20000m,嚴(yán)格按空管飛行;B類,主要機(jī)場(chǎng)周邊,低于 3000m;C類,次于 B的繁忙機(jī)場(chǎng),低于 1200m;D類,有塔臺(tái)的機(jī)場(chǎng),低于 800m;E類,地面開始,A～D類外空間;G類,非管制空域.

圖2 空域等級(jí)劃分

對(duì)應(yīng)以上 6類不同空域的等級(jí)特點(diǎn)見表 1.

表 1 不同空域等級(jí)特點(diǎn)

因此,為了確定無人機(jī)的運(yùn)行權(quán)、適航標(biāo)準(zhǔn)、操控員培訓(xùn)及取證要求,從空管角度考慮,可將無人機(jī)分為 3類:

1)Ⅲ類無人機(jī):具備在所有空域飛行的能力,有人駕駛飛機(jī)要遵守的所有法規(guī)Ⅲ類無人機(jī)都要遵守,如適航和操縱手取證,同時(shí)還要求無人機(jī)自身具備有人機(jī)駕駛員所具有的“感知和避讓(See＆Avoid)”能力.Ⅲ類無人機(jī)通?？蛇M(jìn)行超視距飛行.

2)Ⅱ類無人機(jī):執(zhí)行特定任務(wù)的非標(biāo)準(zhǔn)無人機(jī),必須提供通過適航和操縱手取證的相關(guān)證明,Ⅱ類無人機(jī)可在某些特定限制下進(jìn)行常規(guī)飛行.

3)Ⅰ類無人機(jī):類似無線電控制模型的小型無人機(jī),該類無人機(jī)通常限制在目視飛行,但仍必須通過適航和操縱手取證等.

通過適航認(rèn)證并確認(rèn)操縱手資質(zhì)都是必備條件,所不同的是鏈路和機(jī)載設(shè)備的要求有所區(qū)別,基本出發(fā)點(diǎn)則從空中交通管理的角度,在飛行規(guī)則基礎(chǔ)上對(duì)無人機(jī)進(jìn)行使用分類,即適用于空中交通的儀表飛行規(guī)則或目視飛行規(guī)則.無人機(jī)的地面指揮員和操縱手應(yīng)具有類似駕駛有人機(jī)時(shí)具有的間隔能力,如能夠決定目視氣象條件是否正向儀表氣象條件改變,以及無人機(jī)應(yīng)遵守適用于空域中其他飛行器的通航權(quán)規(guī)則等[8].

2.2 自主飛行

自主飛行是無人機(jī)進(jìn)入空域飛行的基本條件,影響因素包括自主導(dǎo)航與控制、故障診斷、容錯(cuò)與自修復(fù).

2.2.1 自主導(dǎo)航與控制

自主導(dǎo)航與控制是無人機(jī)全空域的必要條件.類似于智能車輛自動(dòng)駕駛系統(tǒng),要實(shí)現(xiàn)無人機(jī)安全的飛行,其導(dǎo)航和飛控系統(tǒng)必須具有一定程度的自主能力,包括航路重新規(guī)劃、多任務(wù)協(xié)調(diào)規(guī)劃、控制重構(gòu)等.無人機(jī)的自主導(dǎo)航與控制可在很大程度上降低其對(duì)通信鏈路的依賴程度,提高其在不確定環(huán)境和突發(fā)事件中的生存能力,同時(shí),人工智能技術(shù)的應(yīng)用將在無人機(jī)自主導(dǎo)航與控制中發(fā)揮至關(guān)重要的作用.

文獻(xiàn)[9]對(duì)自主控制的能力衡量可劃分 6級(jí),如表 2所示.

表 2 自主控制的能力衡量等級(jí)

高級(jí)別的自主系統(tǒng)具有適應(yīng)性、自修復(fù)、智能性、協(xié)同性、自學(xué)習(xí)等特點(diǎn),能夠在不確定的環(huán)境中執(zhí)行任務(wù),具有更好的安全性和空域飛行能力.它所面臨的挑戰(zhàn)就是在不確定性的條件下,實(shí)時(shí)或近實(shí)時(shí)地解決一系列最優(yōu)化的求解問題.本質(zhì)上就是需要建立不確定性前提下處理復(fù)雜問題的自主決策能力.

由于技術(shù)條件的限制,目前無人機(jī)的自主化程度還較低.按照美國 2005版無人機(jī)系統(tǒng)發(fā)展路線圖給出的自主程度的分級(jí),目前捕食者無人機(jī)僅達(dá)到實(shí)時(shí)故障診斷的自主程度,全球鷹無人機(jī)也只有表 2中 2級(jí)的自主程度.自主控制水平的提高有賴于智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)處理能力和感知技術(shù)的突破性發(fā)展.

2.2.2 故障診斷、容錯(cuò)與自修復(fù)

無人機(jī)在飛行過程中可能會(huì)遭遇環(huán)境的不確定性及自身故障和損傷的情況,其故障診斷、容錯(cuò)與自修復(fù)主要體現(xiàn)在如下 6個(gè)方面:

1)系統(tǒng)在時(shí)變性、非線性和不確定性條件下,具有高度的魯棒自適應(yīng)能力;

2)檢測(cè)和隔離工作過程中出現(xiàn)的故障,進(jìn)行有效的故障管理;

3)充分利用無故障部件補(bǔ)償故障部件的功能,實(shí)現(xiàn)控制重構(gòu);

4)通過鏈路將故障狀況準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地發(fā)送到地面指揮控制站;

5)通過主動(dòng)告警提供故障信息,輔助操縱人員正確進(jìn)行相應(yīng)處置;

6)通過自主維護(hù)診斷提高系統(tǒng)的可維護(hù)性.

2.2.3 空管設(shè)備

無人機(jī)進(jìn)入全空域飛行必須考慮與現(xiàn)有有人駕駛民航飛機(jī)、軍用飛機(jī)、地面各級(jí)管制中心的協(xié)調(diào)問題,加裝相應(yīng)的空管設(shè)備,如大型無人機(jī)加裝應(yīng)答機(jī)、自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視設(shè)備等;小型無人機(jī)則至少應(yīng)提高導(dǎo)航、定位精度并能夠及時(shí)發(fā)布自身狀態(tài)、提供告警信息,以便通過地面站控制無人機(jī)主動(dòng)避讓或地面站與空管的聯(lián)絡(luò)要求他機(jī)避免沖突[10-11].

2.3 動(dòng)態(tài)任務(wù)規(guī)劃

進(jìn)入全空域飛行的無人機(jī)采取的主要任務(wù)模式應(yīng)為起飛前裝訂初始任務(wù)、制訂參考航路,并添加各種約束條件和任務(wù)指標(biāo),然后根據(jù)飛行中的實(shí)際情況,動(dòng)態(tài)修正任務(wù)計(jì)劃,實(shí)時(shí)獲得最佳滿意的任務(wù)規(guī)劃,使得無人機(jī)能夠充分靈活地在任務(wù)目標(biāo)和約束條件、變化環(huán)境之間折中平衡,及時(shí)處理任務(wù)執(zhí)行過程中的不確定因素,保證安全性的同時(shí)更好地完成任務(wù).因此,在線的動(dòng)態(tài)任務(wù)規(guī)劃是無人機(jī)應(yīng)具備的重要手段.任務(wù)規(guī)劃的核心內(nèi)容是優(yōu)化算法的研究,包括運(yùn)籌學(xué)法、智能化方法、圖論搜索方法和人工勢(shì)場(chǎng)法等[12].

2.4 感知和規(guī)避能力

有人機(jī)依靠雷達(dá)、程序、應(yīng)答機(jī)以及最終的飛行員視覺來避免空中相撞.而對(duì)于無人機(jī),它將依靠技術(shù)來感知和規(guī)避航路上的各種障礙物.目前無人機(jī)多是由地面站進(jìn)行遙操縱或事先裝訂好任務(wù)的,還難以很好地自動(dòng)感知和規(guī)避航路上的障礙物,這可能使它們與建筑物等預(yù)先沒能準(zhǔn)確標(biāo)明的障礙或是其他飛行器相撞.

感知和規(guī)避的能力是美國 2005和 2007年發(fā)布的無人機(jī)路線圖上重點(diǎn)要求實(shí)現(xiàn)的功能之一[2].無人機(jī)與其他飛機(jī)保持間隔的能力必須至少達(dá)到常規(guī)有人機(jī)的標(biāo)準(zhǔn),并且應(yīng)能按規(guī)定進(jìn)行“感知和規(guī)避”機(jī)動(dòng)以保持間隔.增強(qiáng)無人機(jī)的感知和規(guī)避能力,其關(guān)鍵技術(shù)包括自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視、沖突監(jiān)測(cè)與解決和語音轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)[13].

2.4.1 自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視技術(shù)

自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視(ADS,Automatic Dependent Surveillance)是國際民間航空組織(ICAO,International Civil Aviation Organization)推薦的新監(jiān)視技術(shù),它通過機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)得到的導(dǎo)航信息(至少包括飛機(jī)識(shí)別信息和四維位置信息),通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈或甚高頻空-地?cái)?shù)據(jù)鏈自動(dòng)實(shí)時(shí)地發(fā)送到地面接收和處理系統(tǒng),然后通過顯示設(shè)備提供偽雷達(dá)畫面,成為一次、二次雷達(dá)以及機(jī)載避撞系統(tǒng)的有利補(bǔ)充[14].

廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視(ADS-B,ADS-Broadcasting)是在 ADS、TCAS(Traffic Alertand Collision Avoidance System)和場(chǎng)面監(jiān)視的基礎(chǔ)上,綜合了三者的特點(diǎn),飛機(jī)通過主動(dòng)對(duì)外發(fā)送自身準(zhǔn)確的狀態(tài)參數(shù),并接收其他飛機(jī)的廣播信息,達(dá)到飛機(jī)間的相互感知,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)周邊空域狀況全面、詳細(xì)的了解.在獲得充足監(jiān)視信息的基礎(chǔ)上,各飛行單元即可自主地實(shí)施航路選擇、間隔報(bào)障、沖突發(fā)現(xiàn)與避免,它的特點(diǎn)體現(xiàn)為自動(dòng)、相關(guān)、廣播[1].自動(dòng)(Automatic):由相關(guān)設(shè)備自動(dòng)完成,不需要飛行人員或地面站操縱人員介入;相關(guān)(Dependent):需要所有相關(guān)飛機(jī)均參與到對(duì)各自信息的廣播中;廣播(Broadcasting):所發(fā)送的信息不僅僅是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳送到空管監(jiān)視部門,還要對(duì)外廣播,使所有通信空域內(nèi)的單位均能接收到.

無人機(jī)作為新加入空域的飛行器,新的監(jiān)視設(shè)備相對(duì)更易于添加,而在其自動(dòng)或自主飛行階段也更適合采用 ADS-B技術(shù)來有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)周邊空域環(huán)境的感知與避讓.

2.4.2 沖突探測(cè)與解脫

未來空域飛行的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)接近于車輛在路面行駛的自由程度,自由飛行(Free Flight)就是由每架飛機(jī)自主決定飛行的路線并自主導(dǎo)航,這樣不但能為航空公司減少飛機(jī)在路程中的飛行時(shí)間、節(jié)約燃料消耗,而且還會(huì)因空域的充分利用而獲得更多數(shù)量的飛行.

然而,飛行數(shù)量的增加和自由飛行路線的多向性也增加了飛行沖突的可能性,沖突探測(cè)與解脫技術(shù)將是影響自由飛行能否實(shí)現(xiàn)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù).沖突探測(cè)就是通過機(jī)載和地面監(jiān)視設(shè)備對(duì)飛機(jī)在空域中的位置和速度信息進(jìn)行計(jì)算,判斷飛機(jī)之間的距離是否小于最小間隔,是以良好的環(huán)境感知能力為前提的.圖 3所示為飛行初始間隔與探測(cè)能力關(guān)系,對(duì)于不同飛行速度的無人機(jī)應(yīng)根據(jù)其最小探測(cè)距離和觀察角確定初始間隔,反之在最小間隔確定的空域內(nèi),無人機(jī)要進(jìn)入空域飛行,就要具有相匹配的探測(cè)能力.

圖3 初始間隔與探測(cè)能力關(guān)系圖

沖突解脫是預(yù)測(cè)到將要發(fā)生沖突時(shí)規(guī)劃出避免飛行沖突的軌跡,使得飛行管理系統(tǒng)能夠按照該軌跡操縱飛機(jī)飛行,并擺脫可能的沖突,同時(shí)最大程度地符合燃油消耗、轉(zhuǎn)彎角度范圍限制、高度改變限制等方面的要求.增大探測(cè)距離和機(jī)動(dòng)性、減小時(shí)延、增強(qiáng)實(shí)時(shí)重規(guī)劃是提高無人機(jī)的沖突探測(cè)和解脫能力的著眼點(diǎn),從而使其具有不同空域的適航能力.

3 建模 /仿真及其校核、驗(yàn)證和確認(rèn)

由于航空飛行的特殊安全性要求,在無人機(jī)與有人機(jī)共享空域前,必須進(jìn)行充分的驗(yàn)證,以保證其可靠性,建模/仿真技術(shù)是這種可行性和可靠性的有效驗(yàn)證手段.建立不同粒度、不同類型無人機(jī)的飛行模型、空中交通管理相關(guān)的感知和規(guī)避模型,在現(xiàn)有的有人機(jī)空中交通管理仿真系統(tǒng)中進(jìn)行仿真,考察其對(duì)飛行間隔及管制的特殊要求.

圖4 有人機(jī)/無人機(jī)空中交通管理仿真模型

圖4所示為有人機(jī)/無人機(jī)空中交通管理仿真模型,有別于有人機(jī)的駕駛員響應(yīng)模型和視覺系統(tǒng),無人機(jī)需要通過數(shù)據(jù)鏈引入操作手的響應(yīng)模型,另外無人機(jī)還可采用感知和避讓系統(tǒng)進(jìn)行自主的飛行或操作手輔助的飛行.它們通過動(dòng)力學(xué)模型解算并疊加碰撞模型,仿真無人機(jī)/有人機(jī)混合的空域環(huán)境,構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng).

初步的仿真表明:對(duì)于中高空亞音速飛行的無人機(jī),可在安裝空管設(shè)備、操作員及時(shí)干預(yù)的情況下進(jìn)入中等繁忙程度的空域飛行.但對(duì)無人機(jī)空域飛行建模/仿真須經(jīng)過進(jìn)一步嚴(yán)密的校核、驗(yàn)證和確認(rèn)(VV＆A,Verification,Validation and Accreditation),以確保建模的精確度和置信度,仿真模型正確描述了無人機(jī)/有人機(jī)混合的空域系統(tǒng),從而為制定無人機(jī)進(jìn)入全空域飛行的適航條件建立基礎(chǔ).

4 結(jié)束語

在可預(yù)知的未來,無人機(jī)將在軍、民用領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用,以高度安全性和可靠性執(zhí)行任務(wù)、實(shí)現(xiàn)全空域飛行是無人機(jī)應(yīng)具備的能力.分析無人機(jī)飛行能力的關(guān)鍵影響因素,從自身可靠性、動(dòng)態(tài)任務(wù)規(guī)劃、感知和規(guī)避能力著手,并進(jìn)行分類管理,加裝空管設(shè)備.解決這些問題,將使無人機(jī)具備全空域飛行的能力.

References)

[1]Loh R,Bian Y,Roe T.UAVs in civil airspace:safety requirements[C]//IEEE Aerospace and Electronic Systems.Piscataway:Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc,2009:5-17

[2]Loh R,Bian Y,Roe T.Safety requirements for unmanned aerial vehicles(UAV)in future civil airspace[C]//IEEE/ION Position,Location,and Navigation Symposium.San Diego:Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc,2006:1151-1163

[3]Pygott C.Outline safety case for the use of autonomous UAVs in unsegregated airspace[C]//IEE Forum on:Autonomous Systems.London:Institution of Engineering and Technology,2005:1-9

[4]Yadgar O,VincentR.Airspace management of autonomousUAVs[C]//6th International Joint Conference on Autonomous Agents and Multiagent Systems.Honolulu:Association for Computing Machinery,2007:1375-1376

[5]Gheorghe A V,Ancel E.Unmanned aerial systems integration to National Airspace System[C]//2008 1st International Conference on Infrastructure Systems and Services.Rotterdam:IEEE Computer Society,2008:5439598

[6]張進(jìn),胡明華,張晨.空中交通管理中的復(fù)雜性研究[J].航空學(xué)報(bào),2009,30(11):2132-2142 Zhang Jin,Hu Minghua,Zhang Chen.Complexity research in air traffic management[J].Acta Aeronautica et Astronautica Sinica,2009,30(11):2132-2142(in Chinese)

[7]Yagdar O,Agno A,Vincent R.UAV airspace management system UAMS[C]//5th International Joint Conference on Autonomous Agents and Multiagent Systems.Hakodate:Association for Computing Machinery,2006:1-3

[8]王世錦,隋東.低空空域飛行沖突風(fēng)險(xiǎn)研究[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2010,45(1):116-123 Wang Shijin,SuiDong.Risk analysis of flight conflict in low altitude airspace[J].Journal of Southwest Jiaotong University,2010,45(1):116-123(in Chinese)

[9]王英勛,蔡志浩.無人機(jī)的自主飛行控制[J].航空制造技術(shù),2009,8(8):26-31 Wang Yingxun,Cai Zhihao.Autonomous flight control of unmanned aerial vehic le[J].Aeronautical Manufacturing Technology,2009,8(8):26-31(in Chinese)

[10]Correa M A,Camargo J B,Jr.Introducing UAV in the CNS/ATM using cooperative multiagent negotiation[C]//European Safety and Reliability Conference.Stavanger:Taylor and Francis Balkema,2007:2077-2084

[11]Pena N,Scarlatti D,Ollero A.UAVs integration in the SWIM based architecture for ATM[J].Journalof Intelligent and Robotic Systems:Theory and Applications,2009,54(1/2/3):39-59

[12]Lauzon M,Rabbath C,Gagnon E.UAV autonomy for complex environments[C]//SPIE Unmanned Systems Technology VIII.Kissimmee:SPIE,2006:62300J

[13]Simon J N,Braasch M S.Deriving sensible requirements for UAV sense-and-avoid systems[C]//28th Digital Avionics Systems Conference.Orlando:Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc,2009:6.C.4-1-6.C.4-12

[14]Rosales JJ,Toledo M,Bonardi L,et al.Development of a UAV low-cost navigation system prototype for ATM applications[C]//22nd International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation.Savannah:Institute of Navigation,2009:3471-3479

(編 輯 :李 晶)

Analysis forwhole airspace flight key factors of unmanned aerialvehicles

Cai Zhihao

(Research Institute of Unmanned Aerial Vehicle,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China)

Yang Liman

(School of Automation Science and Electrical Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China)

Wang Yingxun

(Department of Major Program Management,Aviation Industry Corporation of China,Beijing 100022,China)

Li Xinjun

(Department of Research and Develop,China Aerospace Science and Technology Corporation,Beijing 100048,China)

Aiming at the problem of unmanned aerial Vehicles(UAVs)entering non-segregated airspace,UAVs'safety and the key factors of improving their airspace flight capacity were analyzed,according to the characteristics of large scale,medium scale,small scale and low speed,medium speed,high speed UAVs coexisting.The approaches include category management,autonomousnavigation and control,dynamic mission planning,coordinationmechanisms,sense and avoid,etc.Based on improving the UAVs'reliability,they would have the ability of air trafficmanagement inwhole airspace.Modeling and simulation are effective method to validate these approaches.The final target is reducing the cost of UAVs,improving the ability to share more airspace and achieving the goal ofmanned and unmanned air vehicles flying together.

unmanned aerial vehicle(UAV);airspace;air traffic control(ATC);autonomous agents

V 249

A

1001-5965(2011)02-0175-05

2010-07-15

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(YWF-10-02-074)

蔡志浩(1979-),男,河南焦作人,講師,caizhihao@buaa.edu.cn.