自由飛行：無人機感知與規(guī)避系統(tǒng)研究

自動分離與防止空中碰撞：無人機進入國家空域需解決的問題

過去10年，在伊拉克和阿富汗的作戰(zhàn)行動中，無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的運用實效得到印證，同時民用領域的運用范圍也在擴大。目前，各種無人機系統(tǒng)正常規(guī)用于戰(zhàn)場和國家空域。

然而，使無人機系統(tǒng)完全進入國家空域帶來了一系列重大挑戰(zhàn)，尤其是技術上的挑戰(zhàn)。無人機系統(tǒng)必須適應錯綜復雜的航空規(guī)章，才能日常同有人駕駛同伴比翼齊飛。

以協(xié)調無人機系統(tǒng)航空空域飛行為重點的重大項目包括由美國國防部和聯(lián)邦航空管理局主持的項目，英國以業(yè)界為主導的“自主系統(tǒng)技術相關空中評估”項目，以及由歐洲航管機構組織實施的歐洲研究計劃。盡管這些項目可能具有不同的體系、監(jiān)管問題以及項目進程表，但核心目標是共同的，即開發(fā)有效的感知與規(guī)避系統(tǒng)。美國聯(lián)邦航空管理局將感知和規(guī)避的技術核心歸納為具有兩個要素一自動分離和防止空中碰撞。

解決問題方案：陸基/空中感知與規(guī)避

各國解決無人機空域安全方案主要分成所謂“陸基感知與規(guī)避”和“空中感知與規(guī)避”。美國國防部將前一開發(fā)任務交給美國陸軍，后者交給美國空軍。

簡言之，目前在研的感知與規(guī)避系統(tǒng)——無論是陸基的還是空中的——都是旨在為無人機系統(tǒng)及其操作人員提供“看見與避讓”以及飛行的安全保障技術。

這其中最大的挑戰(zhàn)之一在于所謂協(xié)同式飛行，即無人機與有人駕駛飛機均在已建立的空中航道和空中交通基礎設施內有序飛行。盡管這對有人駕駛飛機已不是什么問題，但對于無人機系統(tǒng)來說卻是亟待解決的。

也許最顯而易見的解決辦法是在無人機系統(tǒng)中增加機載雷達。盡管由于自身尺寸、質量和電力的限制意味著這將不是所有各類無人機系統(tǒng)的解決方案，但對于可以容納這種載荷并能產(chǎn)生所需電能的較大航空器而言確實是個不錯的選擇。

美國通用原子航空系統(tǒng)公司在感知與規(guī)避系統(tǒng)研制中獨占鰲頭。鑒于該公司的“捕食者”無人機和“收割者”無人機被美國和世界許多國家軍隊廣泛采用，以及各種機型被美國國土安全部和海關邊境保護局所選用，該公司能夠獲得利益最大化就在于使這些系統(tǒng)進入各國的國家空域。

通用原子航空系統(tǒng)公司研究感知與規(guī)避系統(tǒng)的項目工程師布蘭登·蘇亞雷斯稱，研制無人機機載雷達系統(tǒng)不是一件容易的事，他說：“這非常具有挑戰(zhàn)性，因為我們要受到尺寸、質最和電力的限制。我們要設法搞出一個只需要很少電力的低成本解決方案?！?/p>

通用原子航空系統(tǒng)公司研制出了所謂的智能微感雷達，并于2012年12月在海關邊境保護局的“衛(wèi)士”無人機上成功進行了原型系統(tǒng)的飛行試驗，期間，該雷達同時實時跟蹤并規(guī)避5架無人機，并將跟蹤情況適時傳輸至無人機系統(tǒng)的地面控制站顯示屏上。

蘇亞雷斯稱，該雷達現(xiàn)在已進入“工程發(fā)展模型”階段，并且該公司將把從原型系統(tǒng)飛行試驗中獲得的經(jīng)驗應用于他們認為能夠滿足對這種雷達全而需求的系統(tǒng)中。這些“工程發(fā)展模型”雷達將用以提供給選定的用戶。

“自動相關監(jiān)視-廣播”與“人在回路”：當前研究驗證的技術

雖然機載雷達能給無人機系統(tǒng)提供感知與避讓能力，但這對大多數(shù)系統(tǒng)而言并非可行的解決辦法。然而，這并不是說雷達技術不能以另外的方式加以利用。

美國MITRE公司無人機系統(tǒng)集成主管安迪·勒謝爾解釋說，他的團隊一直在試驗一系列不同的感知與規(guī)避技術，包括分置雷達布局，即兩個雷達系統(tǒng)組件——發(fā)射機和接收機——不位于同一處。

勒謝爾認為這種方法可以在一定程度上解決尺寸、質量和電力問題，并能提供完整機載雷達系統(tǒng)相當一部分的功能，具體視無人機系統(tǒng)使用的方式和空域而定。他解釋說：“雷達發(fā)射機置于地面上，而接收機置于無人機上，操控人員時刻偵聽雷達反射波。置于地面的發(fā)射機是需要有相當大尺寸、質量和電力的東西，而景于無人機上的接收機則是輕型的、低功率的。”

勒謝爾補充說，公司對這種方法的技術可行性信心較高，但還有很多工作要做，還存在一些技術風險。

在MITRE公司迄今試驗的技術中，勒謝爾稱，研究最多的是利用“自動相關監(jiān)視-廣播”系統(tǒng)的優(yōu)勢。

“自動相關監(jiān)視-廣播”被認為是推動向高級空中交通管理系統(tǒng)轉換所需的關鍵技術?，F(xiàn)在轉換工作已在進行中，各空中交通管理局正在制定“自動相關監(jiān)視-廣播”飛行程序、建立操作標準、建設系統(tǒng)保障以及設置操作人員設備指令等。

這個系統(tǒng)包括兩大基本組成部分。一是航空器信息傳輸設備，它自動將航空器的位置、航向、高度、速度和其他數(shù)據(jù)廣播到遠至150海里內的周邊空域，通常每秒發(fā)射一次。二是戰(zhàn)略位置地面接收機網(wǎng)絡，通過它將數(shù)據(jù)傳送至最近的空中交通管制中心，以供空中交通管制中心管控。

“自動相關監(jiān)視-廣播”系統(tǒng)的一個非常重要的優(yōu)點是很小的尺寸、質量和電力需求——接收機只有幾克重，從而可安裝于小型的無人機系統(tǒng)。勒謝爾稱，MITRE公司提出了一種新方法，為配備有“自動相關監(jiān)視-廣播”系統(tǒng)的無人機提供由空中交通管制生成的有關飛機航跡的信息。

“除了可以監(jiān)控裝備‘自動相關監(jiān)視-廣播’系統(tǒng)的無人機，通過初級雷達還可以監(jiān)控未裝備這一系統(tǒng)的飛機，然后上傳和發(fā)射給空中交通管制中心”，勒謝爾解釋說。

2012年8月，通用原子公司試飛了一架配備有“自動相關監(jiān)視-廣播”系統(tǒng)的“衛(wèi)士”無人機。此次飛行試驗在佛羅里達州卡拉維爾岬空軍基地進行，與聯(lián)邦航空管理局、國土安全部和海關邊境保護局合作舉辦，目的是驗證無人機系統(tǒng)與人機接口的“自動相關監(jiān)視一廣播”的接收/發(fā)送能力，以提供無人機增強的態(tài)勢感知能力。該無人機在試飛中頻繁變動飛行模式，并試驗了與民航班機在同一空域飛行。

通用原子公司還集中力量研究“人在回路”（Man-In-The-Loop，簡單而言就是在操作過程中操作者可以隨時控制）中的自動分離，已研制出一種“沖突預測與顯示系統(tǒng)”，同樣用于提供增強的態(tài)勢感知能力。“沖突預測與顯示系統(tǒng)”除顯示可能發(fā)生潛在沖突的地點外，還具備有遙控飛行員操縱的無人機系統(tǒng)及其他航空器的線性外推法預測功能。

“我們這樣解釋吧，基本上就像你想要避開一個天氣區(qū)一樣。這樣我們顯示給飛行員他們將要在哪里分離，基本上由他們來決定如何機動，以避免碰撞。也就是說告訴飛行員：如果你要機動，這是機動的正確方向”，蘇亞雷斯說。

在歐洲，卡斯蒂安公司（原歐洲EADS公司防務與安全分部）走在感知與規(guī)避系統(tǒng)研究的最前沿，該公司使用其“梭魚”無人機系統(tǒng)進行了飛行試驗。2010年7月，在加拿大鵝灣的試飛中，“梭魚”無人機成功驗證了對于一架有人駕駛追蹤航空器的3個飛行方向作出反應的能力：有人駕駛航空器緩慢超越、航跡交叉、迎面航向。

卡斯蒂安公司的目標是實現(xiàn)與協(xié)同式飛機交互的初始作戰(zhàn)能力，最終作戰(zhàn)能力是實現(xiàn)與非協(xié)同式飛機在同一空域飛行。

自動化防止空中碰撞系統(tǒng)：未來需要解決的技術

盡管“自動相關監(jiān)視廣播”與“人在回路”系統(tǒng)都在解決避免飛行器的碰撞問題，但這些技術都需人員操控，對此蘇亞雷斯稱，無人機系統(tǒng)運行的一些方面最終將需要自動化，“從長遠看，實現(xiàn)這一功能或許將不得不要求自動化，要在沒有操控員干預的情況下自動執(zhí)行”。蘇亞雷斯稱，一個經(jīng)過驗證的穩(wěn)健的自動化防止空中相碰撞系統(tǒng)將是無人機系統(tǒng)成功進入國家空域的決定因素。同時，這項技術也適用于有人駕駛飛機。

2012年8月，在加拿大紐芬蘭前美國海軍遠程巡邏基地的飛行試驗期間，R3工程公司的“全天候感知與規(guī)避系統(tǒng)”驗證了基于“自動相關監(jiān)視一廣播”系統(tǒng)的全自主防撞機動。在那里，“全天候感知與規(guī)避系統(tǒng)”安裝在BIGSTIK小型無人機系統(tǒng)上，并應用了“自動相關監(jiān)視-廣播”系統(tǒng)的數(shù)據(jù)?！?/p>

繼一系列飛行試驗后，在今年4月美國海軍的資助下，“全天候感知與規(guī)避系統(tǒng)”集成到了兩個配備“短笛”自動駕駛儀的“虎鯊”無人機上。在亞利桑那州尤馬試驗場為期5天的測試中，設計了多個飛行場次來觸發(fā)“全天候感知與規(guī)避系統(tǒng)”的防撞算法，以自動形成并實施機動來避免碰撞，并最終使飛機回到其原來的飛行路線。

R3工程公司的技術總監(jiān)狄克·希靈稱，使用“自動相關監(jiān)視-廣播”系統(tǒng)非常有利，因為不僅經(jīng)緯度數(shù)據(jù)而且高度數(shù)據(jù)都非常準確?！澳憧梢詫嵤┧斤w行機動而不必爬升或者下降。你可以右轉或者左轉，因為你可以預測目標從哪里出現(xiàn)以及機動的路線，以形成自動分離，”他解釋說。

“全天候感知與規(guī)避系統(tǒng)”設計為同時跟蹤至少24個接觸點并優(yōu)先解決最靠近的。此外，它還自動確保進行的任何避讓機動不會造成另外的碰撞。

“陸基感知與規(guī)避”系統(tǒng)：亦在研究驗證中

“空中感知與規(guī)避”系統(tǒng)為空域飛行提供了解決方案，而“路基感知與規(guī)避”也同樣重要。美國陸軍已經(jīng)著手研究其“陸基感知與規(guī)避”系統(tǒng)的概念驗證。概念驗證工作于2009年在加利福尼亞州埃爾默拉日啟動，2012年6月在猶他州達格韋試驗場搭起了試驗臺，進行了一次驗證演示。

此次測試，一共進行了7個場次的飛行試驗。這些試驗的特點是，實體和模擬無人機系統(tǒng)在有限的國家空域飛行，包括兩個“影子”無人機有意作交叉航跡飛行，依靠“陸基感知與規(guī)避”系統(tǒng)探測、報警并提示機動安全避讓非合作無人機系統(tǒng)。

“陸基感知與規(guī)避”系統(tǒng)的子系統(tǒng)集成計劃于2013年中在波士頓麻省理工學院林肯試驗室的系統(tǒng)集成試驗室完成，正式的系統(tǒng)級驗收試驗將于2015年在達格韋試驗場舉行。在2014/15年期間，美國陸軍打算在其“灰鷹”無人機的發(fā)射場裝備這些完全合格的系統(tǒng)。

美國陸軍“陸基感知與規(guī)避”研究計劃的終極目標是，既可整合到聯(lián)邦航空管理局的“下一代”監(jiān)控系統(tǒng)，又可完全兼容“空中感知與規(guī)避”系統(tǒng)。

結語

無人機在軍事及民用領域將發(fā)揮越來越大的作用，但其在國家空域常態(tài)飛行需解決一系列技術難題。美國與歐洲正在實施的近期與遠期技術方案將促成無人機在空中飛行的更大自由度。