基于數(shù)據(jù)鏈的無人機(jī)空中自動(dòng)防撞技術(shù)?

嚴(yán)雯，王洪濤，卿利，梁桃紅

（1.中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036；2.空軍司令部信息化部，北京100843）

基于數(shù)據(jù)鏈的無人機(jī)空中自動(dòng)防撞技術(shù)?

嚴(yán)雯1，??，王洪濤1，卿利1，梁桃紅2

（1.中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036；2.空軍司令部信息化部，北京100843）

分析了一種基于數(shù)據(jù)鏈的自動(dòng)空中防撞技術(shù)，從空中自動(dòng)防撞系統(tǒng)需求出發(fā)，描述了系統(tǒng)基本工作原理和流程。采用二次曲線擬合方法，給出了最優(yōu)控制數(shù)學(xué)模型，以求解無人機(jī)航路間的最小距離，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)機(jī)動(dòng)操作組合。仿真分析結(jié)果表明，空中自動(dòng)防撞系統(tǒng)可在碰撞發(fā)生前的最后時(shí)刻有效完成逃逸操作，避免發(fā)生飛行碰撞，可為無人機(jī)編隊(duì)提供進(jìn)近飛行的安全防護(hù)。

無人機(jī)；自動(dòng)空中防撞系統(tǒng)；數(shù)據(jù)鏈；最優(yōu)逃避

1 引言

自動(dòng)空中防撞系統(tǒng)（Auto-ACAS）旨在防止中空空域的飛機(jī)之間的碰撞問題。與傳統(tǒng)的民航機(jī)載防撞系統(tǒng)（TCAS）［1］不同，Auto-ACAS是一套獨(dú)立運(yùn)行的飛機(jī)自動(dòng)防撞系統(tǒng)，可以在TCAS手動(dòng)防撞機(jī)動(dòng)措施失敗的情況下，在兩架飛機(jī)碰撞前的最后瞬間實(shí)現(xiàn)自動(dòng)防撞。

美空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）最初與瑞典空軍聯(lián)合完成自動(dòng)防撞地系統(tǒng)（Auto GCAS）研究［2］。在此基礎(chǔ)上，美空軍啟動(dòng)“飛行員危險(xiǎn)降低”項(xiàng)目，由波音公司、洛克希德·馬丁公司和薩博公司聯(lián)合開展Auto－ACAS系統(tǒng)研制［3］。該項(xiàng)目分成兩個(gè)階段，2001年完成概念研究，2003年完成飛行測試。據(jù)公開資料顯示，2006年，美空軍在F－16飛機(jī)上完成了飛行測試，正在進(jìn)行F－22和F－35裝備該系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

在無人機(jī)上發(fā)展自動(dòng)防撞技術(shù)的主要驅(qū)動(dòng)來自于兩個(gè)方面，一是多架無人機(jī)在同空域自主飛行，二是多架無人機(jī)與有人飛機(jī)編隊(duì)飛行［4］。由于地面人員對(duì)無人機(jī)實(shí)施完全無誤的防撞操作非常困難，研究基于數(shù)據(jù)鏈的空中自動(dòng)防撞技術(shù)具有重要意義［5］。

本文分析了無人機(jī)空中飛行面臨的主要問題和自動(dòng)防撞需求，給出了系統(tǒng)工作原理，并提出了實(shí)現(xiàn)最優(yōu)逃避機(jī)動(dòng)的優(yōu)化控制模型，最后給出了系統(tǒng)的仿真分析結(jié)果。

2 問題描述

2.1 防撞逃逸操作時(shí)機(jī)

飛機(jī)隔離區(qū)域可以視為一個(gè)球形空間，要求防止任何其他飛機(jī)穿越該隔離球體，才能保證飛行的安全性［2，5－7］。逃逸時(shí)間（Time to Escape）為飛機(jī)任何操作都無法避免碰撞的剩余時(shí)間，如圖1所示，定義0 s為發(fā)生碰撞的時(shí)間，而1.5 s和25 s為兩種典型的逃逸時(shí)間。在0 s逃逸時(shí)間，做任何操作都無法避免碰撞的發(fā)生；在1.5 s逃逸時(shí)間，可在最后瞬間避免發(fā)生碰撞；在25 s逃逸時(shí)間，可避免發(fā)生航線的沖突。

圖1 逃逸時(shí)間Fig.1 Time to escape

通常情況下，TCAS系統(tǒng)在25～45 s逃逸時(shí)間產(chǎn)生空中交通警告與咨詢報(bào)告，自動(dòng)防撞系統(tǒng)假定在TCAS操作失敗后，提供最后一次的自動(dòng)碰撞避讓操作。

2.2 自動(dòng)防撞需求分析

對(duì)自動(dòng)防撞系統(tǒng)的主要需求包括以下幾個(gè)方面：

（1）提供防止與其他飛機(jī)碰撞的最后緊急自動(dòng)操作手段，期望的逃逸操作時(shí)間應(yīng)在0.5～1.5 s內(nèi)；

（2）系統(tǒng)防止碰撞的操作不能干擾正常的飛機(jī)控制；

（3）能夠提供預(yù)先的防撞操作響應(yīng)；

（4）自動(dòng)逃逸操作指令產(chǎn)生時(shí)間足夠飛機(jī)實(shí)現(xiàn)碰撞避讓，并且應(yīng)建立起終止規(guī)則；

（5）對(duì)不可預(yù)知事件引起的碰撞威脅，實(shí)施類似于飛行員的規(guī)避操作能力；

（6）系統(tǒng)應(yīng)是可保證安全的飛機(jī)操作，具有可驗(yàn)證、測試的冗余設(shè)計(jì)能力；

（7）可容忍瞬時(shí)GPS或數(shù)據(jù)鏈丟失；

（8）系統(tǒng)可同時(shí)設(shè)計(jì)在有人機(jī)和無人機(jī)上使用。

自動(dòng)防撞要求所有飛機(jī)都能實(shí)時(shí)獲取精確態(tài)勢信息。這種信息可通過兩種方式獲得：傳感器和數(shù)據(jù)鏈。傳感器如雷達(dá)、激光等受限于視場范圍和高成本；數(shù)據(jù)鏈非常適合小規(guī)模編隊(duì)飛行時(shí)的態(tài)勢感知要求。因此，基于數(shù)據(jù)鏈技術(shù)，設(shè)計(jì)一種獨(dú)立于TCAS的自動(dòng)防撞系統(tǒng)是必要的。

3 系統(tǒng)工作原理

3.1 基本原理

Auto-ACAS基于數(shù)據(jù)鏈完成多機(jī)間的自動(dòng)防撞操作，一旦觸發(fā)操作則拋棄飛行員的操作指令。其基本原理如圖2所示。

圖2 自動(dòng)防撞操作示意Fig.2 Illustration of automatic collision avoidance for two aircrafts

每架飛機(jī)連續(xù)計(jì)算滾轉(zhuǎn)角和過載因子，并計(jì)算最優(yōu)飛行路線。飛行路線是一種錐形區(qū)域，其大小依賴于所預(yù)測飛行路線的不確定性，該區(qū)域隨時(shí)間而增加。飛行路線通過數(shù)據(jù)鏈發(fā)送到其他飛機(jī)，以預(yù)訂對(duì)該線路空域的占用。其他飛機(jī)收到該飛行路線后，與自身飛行路線進(jìn)行比較，如果判定將發(fā)生碰撞（即兩架飛機(jī)的飛行線路交叉），則觸發(fā)自主逃逸飛行操作；如果逃逸飛行中沒有探測到碰撞可能，則計(jì)算和發(fā)送新的飛行路線給其他飛機(jī)。

Auto-ACAS系統(tǒng)的基本功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，計(jì)算單元用于計(jì)算滾轉(zhuǎn)角（EA）、過載因子（NZ）和飛行線路；數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)瞻l(fā)機(jī)用于接收其他飛機(jī)飛行線路，并發(fā)送自身飛行線路；存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)滾轉(zhuǎn)角、過載因子和飛行線路等計(jì)算結(jié)果；防撞操作單元利用自身飛行線路和從其他飛機(jī)接收的飛行線路信息，探測可能發(fā)生的碰撞，并觸發(fā)避讓操作；飛行補(bǔ)償單元用于在避讓操作中，基于飛機(jī)當(dāng)前位置信息CP、飛行路線和避讓操作指令，計(jì)算補(bǔ)償飛行的數(shù)據(jù)。

圖3 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Illustration of function framework

3.2 系統(tǒng)流程

Auto-ACAS中，自動(dòng)防撞操作算法的操作流程如圖4所示。

（1）計(jì)算滾轉(zhuǎn)角（EA）、過載因子（NZ）和飛行線路（FAP），并保存；

（2）將FAP通過數(shù)據(jù)鏈發(fā)送給其他飛機(jī)，以預(yù)訂飛行線路；

（3）接收其他飛機(jī)的飛行線路信息，檢測與自身的飛行線路是否發(fā)生碰撞；

（4）如果檢測到可能發(fā)生碰撞，則觸發(fā)避讓操作；

（5）在避讓操作中，對(duì)滾轉(zhuǎn)角（EA）、過載因子（NZ）進(jìn)行調(diào)整如下：基于當(dāng)前位置CP（t0）、滾轉(zhuǎn)角（EA）和過載因子（NZ），估計(jì)時(shí)間（t0＋Δt）時(shí)飛機(jī)位置CP（t0＋Δt）；計(jì)算（t0＋Δt）時(shí)從FAP計(jì)算的位置PP（t0＋Δt）與CP（t0＋Δt）的誤差，得到需要補(bǔ)償?shù)臐L轉(zhuǎn)角ΔEA和過載因子ΔNZ；

（6）從補(bǔ)償?shù)臐L轉(zhuǎn)角ΔEA和過載因子ΔNZ計(jì)算新的飛行操作指令。

圖4 防撞操作流程Fig.4 The working flow of auto-ACAS

4 最優(yōu)逃避動(dòng)機(jī)選擇

4.1 逃避機(jī)動(dòng)措施

飛機(jī)通常采取垂直方向、水平方向，或者垂直和水平方向組合的機(jī)動(dòng)措施來避免碰撞?？赡艿奶颖軝C(jī)動(dòng)措施包括拉升、向左滾轉(zhuǎn)并拉升和向右滾轉(zhuǎn)并拉升3種。

在兩架飛機(jī)做逃避機(jī)動(dòng)時(shí)，將產(chǎn)生9種可能的機(jī)動(dòng)方式組合，需要從中選擇最優(yōu)的措施。從原理上，對(duì)各種機(jī)動(dòng)操作組合，需要計(jì)算兩架飛機(jī)飛行線路之間最小間隔，其中具有最小間隔值最大的機(jī)動(dòng)操作組合應(yīng)為最優(yōu)。

4.2 優(yōu)化控制模型

本機(jī)與入侵飛機(jī)間的最小距離可通過曲線擬合并求解最優(yōu)解方式得到。下面以單個(gè)入侵飛機(jī)為例，提出實(shí)現(xiàn)最優(yōu)解的方法。

采用二次曲線擬合法，提取兩架飛機(jī)t s內(nèi)3個(gè)點(diǎn)（如0s、3 s和6 s時(shí)刻）的位置數(shù)據(jù)，則可得到t s（如6 s）內(nèi)飛機(jī)1和飛機(jī)2的飛行路徑解析式：

兩架飛機(jī)之間的間隔距離J（t）可表示為向量Pm和Pn的范數(shù)：

整個(gè)飛行軌道擬合過程如圖5所示。

圖5 飛行軌跡擬合Fig.5 Quadratic curve fitting along the trajectory of escape maneuver

令

即可求出當(dāng)本機(jī)與其他飛機(jī)飛行軌跡之間的間隔距離最小值時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻tF，最接近點(diǎn)的間隔距離就為J（tF）。

5 仿真分析

文獻(xiàn)［8］對(duì)AUTO-ACAS算法進(jìn)行了仿真分析。仿真參數(shù)的選擇以典型作戰(zhàn)類飛機(jī)性能為參考，主要包括：飛機(jī)翼展為8 m，飛行高度為4 000 m，位置誤差為24 m。假定飛機(jī)可允許的最大滾轉(zhuǎn)角為150°／s，最大過載為5.5g。

仿真內(nèi)容針對(duì)易發(fā)生碰撞的3種場景，包括迎頭飛行、垂直飛行和追逐飛行。每種場景給出3組參數(shù)的仿真結(jié)果。

參數(shù)組1：傾角和逃逸角，前者表示飛機(jī)飛行軌跡與水平面的角度；后者角表示算法啟動(dòng)后，兩架飛機(jī)之間的飛行角度。

參數(shù)組2：距離（distance）和最小距離（MinSSD），前者表示兩架飛機(jī)之間的實(shí)際距離；后者表示所聲明空間的最小距離。

參數(shù)組3：最小距離時(shí)間（Tmin）和剩余時(shí)間（TMR），前者表示兩架飛機(jī)所聲明空間的最小距離發(fā)生時(shí)的時(shí)間；后者表示到激發(fā)自動(dòng)防撞算法所剩余的時(shí)間。

仿真結(jié)果表明：空中自動(dòng)防撞算法可以有效完成逃逸操作，避免發(fā)生飛行碰撞。

5.1 迎面飛行仿真

在如圖6所示的仿真場景下，兩架飛機(jī)分別以0.8 Mach的飛行速度迎頭飛行。

圖6 迎面飛行仿真場景Fig.6 Aircraft traces during head-on scenario

仿真結(jié)果如圖7所示，左邊2幅圖表示兩架飛機(jī)（AC1和AC2）傾角和逃逸角隨時(shí)間變化情況，右上圖表示距離（distance）和最小距離（MinSSD）隨時(shí)間變化情況，右下圖表示最小距離時(shí)間（Tmin）和剩余時(shí)間（TMR）隨時(shí)間的變化情況（下同）。

圖7 迎面飛行場景仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results under the head-on scenario

仿真結(jié)果表明：逃逸操作在兩架飛機(jī)相距為1 050 m時(shí)執(zhí)行，持續(xù)時(shí)間為2 s，飛機(jī)1做滾轉(zhuǎn)＋110°操作，飛機(jī)2做滾轉(zhuǎn)＋84°操作。

5.2 垂直飛行仿真

在如圖8所示的仿真場景下，兩架飛機(jī)飛行方向垂直相遇，飛行速度為0.8 Mach，仿真結(jié)果如圖9所示。

圖8 垂直飛行仿真場景Fig.8 Aircraft traces during beam scenario

圖9 垂直飛行場景仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results under the beam scenario

算法執(zhí)行結(jié)果如下：逃逸操作在兩架飛機(jī)相距為770 m時(shí)執(zhí)行，持續(xù)時(shí)間為2.2 s，飛機(jī)1做滾轉(zhuǎn)＋120°操作，飛機(jī)2做滾轉(zhuǎn)－50°操作。

5.3 追逐飛行仿真

在如圖10所示的仿真場景下，兩架飛機(jī)迎頭以相同方向飛行，飛機(jī)1飛行速度為0.8 Mach，飛機(jī)2飛行速度為0.6 Mach，然后轉(zhuǎn)向同一方向飛行，仿真結(jié)果如圖11所示。

圖10 追逐飛行仿真場景Fig.10 Aircraft traces during catch-up scenario

圖11 仿真結(jié)果Fig.11 Simulation results under the catch-up scenario

算法執(zhí)行結(jié)果如下：逃逸操作在兩架飛機(jī)相距為170 m時(shí)執(zhí)行，持續(xù)時(shí)間為1.8 s，飛機(jī)1（飛行速度為0.8 Mach）做滾轉(zhuǎn)－120°操作，飛機(jī)2做滾轉(zhuǎn)＋95°操作。

6 結(jié)束語

本文對(duì)基于數(shù)據(jù)鏈的空中自動(dòng)防撞技術(shù)進(jìn)行了分析，仿真結(jié)果表明，采用數(shù)據(jù)鏈并設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)目刂扑惴?，?shí)現(xiàn)無人機(jī)編隊(duì)飛行防撞是可行的。該技術(shù)要求飛機(jī)能夠提前預(yù)測其飛行軌跡，飛機(jī)之間具備通信數(shù)據(jù)鏈路。空中自動(dòng)防撞技術(shù)具有一定的通用性，可適應(yīng)包括戰(zhàn)斗機(jī)、無人機(jī)等多種平臺(tái)。應(yīng)用于有人的戰(zhàn)斗機(jī)時(shí)，要求自動(dòng)防撞系統(tǒng)不能對(duì)飛行員的操作形成干擾。該技術(shù)對(duì)無人機(jī)編隊(duì)執(zhí)行任務(wù)具有重要意義。本文提出了最有逃避動(dòng)機(jī)選擇途徑，但是對(duì)具體條件下的優(yōu)化控制方法還需要進(jìn)一步分析。

［1］周其煥.交通警戒和避撞系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)和發(fā)展現(xiàn)狀［J］.航空電子技術(shù)，1999，95（2）：10－16. ZHOU Qi-huan.The Technical Characteristic of the Trafiic Alert and Collision Avoidance System Characteristic［J］. Journal of China Civil Aviation Flying College，1999，95（2）：40－42.（in Chinese）

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［7］彭良福，林云松.空中自動(dòng)防撞系統(tǒng)最優(yōu)逃避機(jī)動(dòng)的確定［J］.控制理論與應(yīng)用，2010，27（11）：1575－1579. PENG Liang-fu，LIN Yun-song.Determination of optimal escape maneuver for automatic air collision avoidance system［J］.Control Theory＆Applications，2010，27（11）：1575－1579.（in Chinese）

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YAN Wen was born in Gaoxian，Sichuan Province，in 1983.She received the M.S.degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2009.She is now an engineer.Her research concerns avionics system and communication system design.

Email：yanwen9＠126.com

王洪濤（1979—），男，陜西人，2001年于蘭州大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向?yàn)楹娇胀ㄐ畔到y(tǒng)總體設(shè)計(jì)；

WANG Hong-tao was born in Shaanxi Province，in 1979.He received the B.S.degree from Lanzhou University in 2001.He is now an engineer.His research concerns avionic communication system design.

Email：camou001＠yahoo.com.cn

卿利（1973—），男，四川內(nèi)江人，2007年于電子科技大學(xué)獲計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)博士學(xué)位，現(xiàn)為高級(jí)工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)樽越M織網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)鏈技術(shù)等；

QING Li was born in Neijiang，Sichuan Province，in 1973. He received the Ph.D.degree from University of Electronics Science and Technology of China in 2007.He is now a senior engineer.His research concerns Ad hoc networks，data link etc.

梁桃紅（1969—），男，江蘇人，2007年于空軍工程大學(xué)獲碩士學(xué)位，主要研究領(lǐng)域?yàn)橹笓]自動(dòng)化。

LIANG Tao-hong was born in Jiangsu Province，in 1969.He received the M.S.degree from Air Force Engineering University in 2007.His research concerns automated command and control.

Auto-ACAS for UAV Based on Data Link

YAN Wen1，WANG Hong-tao1，QING Li1，LIANG Tao-hong2
（1.Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China；2.Information Department of Air Force Headquarter，Beijing 100843，China）

A method of an automatic air collision avoidance system（ACAS）based on data link is presented in this paper.According to the basic requirements on the Auto-ACAS，the working principle and flow of the system are analyzed.The mathematical model of optimal escape is given by curve fitting both the flight path of two Unmanned Aerial Vehicles（UAVs）with quadratic curves as a function of time，and by finding the analytic solution to the minimum separation distance between two curves.The simulation results indicate that the Auto-ACAS can provide mid-air approaching collision protection for UAVs at the last moment.

UAV；auto-ACAS；data link；optimal escape

date：2013－03－02；Revised date：2013－04－23

??通訊作者：yanwen9＠126.comCorresponding author：yanwen9＠126.com

V249；TP273

A

1001－893X（2013）07－0859－05

嚴(yán)雯（1983—），女，四川高縣人，2009于電子科技大學(xué)獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向?yàn)楹娇胀ㄐ畔到y(tǒng)總體設(shè)計(jì)；

10.3969／j.issn.1001－893x.2013.07.007

2013－03－02；

2013－04－23