基于無人機分類和安全性的空域融合研究

田宏安，劉函林

（四川九洲空管科技有限責(zé)任公司，四川綿陽621000）

基于無人機分類和安全性的空域融合研究

田宏安，劉函林

（四川九洲空管科技有限責(zé)任公司，四川綿陽621000）

無人機進入公共空域飛行的交通管理是無人機發(fā)展面臨的關(guān)鍵問題，分析了無人機的安全性要求，建立了無人機的安全技術(shù)體系，根據(jù)無人機分類和安全性能，提出了無人機融入公共空域的技術(shù)措施，逐步實現(xiàn)無人機的空域融合。

無人機；公共空域；空域融合；碰撞危險

隨著軍民用無人機的大量使用，高中低空、超低空的空域越來越“擁擠”，導(dǎo)致空中交通安全問題日益凸顯，飛行器安全隱患越來越嚴(yán)重。避免無人機之間、無人機與有人機之間的碰撞危險是無人機進入公共空域必須面對的重要問題。

1 公共空域和無人機空管現(xiàn)狀

空域是飛行器的活動區(qū)域，是國家重要的戰(zhàn)略資源。ICAO（國際民航組織）將空域分為A，B，C，D，E，F(xiàn)，G七種基本類型。美國有選擇地引入ICAO的空域分類標(biāo)準(zhǔn)，定義了6類空域，在各類空域飛行的飛機接受相應(yīng)的空中交通管理，并按照不同的飛行規(guī)則飛行。我國空域按照高、中、低三類空域管理。

無人機進入非隔離空域?qū)a(chǎn)生與其他無人機和有人機之間的空中交通管理問題。FAA規(guī)定，無人機要在美國國家空域內(nèi)使用，必須具有與有人機相同的安全性；Eurocontrol建議在歐洲非隔離空域內(nèi)飛行的軍用無人機，主要運行模式應(yīng)在“飛行員”的管理下進行，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“飛行員”對非管制空域內(nèi)規(guī)定的安全間隔和防相撞負責(zé)。我國無人機每次飛行基本上都要“特事特辦”，臨時批準(zhǔn)，并嚴(yán)格限制在隔離空域飛行，一定程度上影響了無人機的研制和使用。

2 無人機的安全性

無人機的安全性不能低于載人航空器的類似標(biāo)準(zhǔn)，不能因為技術(shù)允許而要求無人機遵循更高的標(biāo)準(zhǔn)，這一原則被稱為等效安全水平ELOS（Equivalent Level of Safety）要求。無人機系統(tǒng)的操作有賴于機載飛行控制系統(tǒng)和/或通信鏈接，這項要求引入了其他故障模式。在可靠性要相同的條件下，這些模式可能會增加事故的總數(shù)。無人機飛行安全中，除了自身安全性能外，無人機進入非隔離空域還會遇到法規(guī)、程序和技術(shù)上的問題。無人機的安全技術(shù)體系分為5層：第一層屬于規(guī)劃層，在空域運行管理、無人機飛行計劃和飛行程序上制訂了安全體系標(biāo)準(zhǔn)，最大可能地避免了飛行矛盾；第二層和第三次屬于戰(zhàn)略層，依靠空中交通管理，管制員或“飛行員”借助地面和機載設(shè)備監(jiān)視飛行活動，防止違規(guī)飛行和違反間隔標(biāo)準(zhǔn)；第三層、第四層和第五層屬于戰(zhàn)術(shù)層，通過應(yīng)答機、ADS-B、TCAS、SAR雷達、光電紅外等機載設(shè)備實時掌握周邊交通態(tài)勢，感知碰撞威脅并有效規(guī)避。

3 基于無人機分類的空域融合

3.1 無人機分類

從降低成本的角度考慮，具有不同功能用于不同目的的UAV會有不同的大小和質(zhì)量，從而帶來載荷能力和機載設(shè)備技術(shù)水平的差異。因此，對不同UAV提出不同的安全和飛行要求，進行分類管理是解決無人機進入國家空域飛行的基礎(chǔ)。不同等級的無人機具有相符的安全性設(shè)計，并按照對應(yīng)匹配的空域飛行。從空管的角度按照感知與規(guī)避能力，適航要求，操作手資格等方面可將無人機分為3類：①Ⅲ類無人機。這類無人機能夠在所有空域飛行，無空速限制。有人駕駛飛機遵守的所有法規(guī)Ⅲ類無人機都遵守，比如適航和操作手執(zhí)照。該類無人機具備有人機飛行員所具有的感知與規(guī)避能力，可進行超視距飛行。②Ⅱ類無人機。Ⅱ類無人機可在指定的限制條件下進行常規(guī)飛行，要求具有“適航證”“操作人員的合格證書/執(zhí)照”。美國2009—2034無人機系統(tǒng)路線圖把這類UAS定義為“非標(biāo)準(zhǔn)航空器/II類UAS”，它是在“未知交通空域（G，E類空域）”內(nèi)運行，還可以使用交通量較少、有塔臺的小機場（D類空域），但在機場不能與其他航空器共享空域，建議其空速不超過250 kt（≈463 km/h）。③Ⅰ類無人機。Ⅰ類無人機質(zhì)量小（≤150 kg），動能?。ㄗ矒魟幽堋?5 kJ），通常在視距范圍內(nèi)低空慢速飛行，風(fēng)險較小。該類無人機通常限制在目視條件下飛行，但仍需要通過適航和操作手執(zhí)照。

從空管的要求對無人機進行分類，明確了不同無人機的飛行規(guī)則（按照IFR或VFR規(guī)則飛行），匹配的空域飛行能力對其機載裝備也提出了不同的要求，無人機操作手或地面指揮員的資格則為無人機提供間隔保障能力。

3.2 Ⅲ類無人機融入公共空域

Ⅲ類無人機具有全空域飛行能力，最有可能與航路航線上民航飛機相撞。民航飛機加裝有S模式應(yīng)答機、TCAS系統(tǒng)、具有ADS-B OUT功能。NASA的試飛驗證也表明S模式應(yīng)答機、TCAS和ADS-B在無人機平臺也是成熟可靠的系統(tǒng)，因此，Ⅲ類無人機感知與規(guī)避系統(tǒng)必備S模式應(yīng)答機、ADS-B和TCAS系統(tǒng)，ADS-B為無人機提供ID識別、四維位置、航跡角、航路航線、沖突告警等信息，管制員能夠?qū)崟r監(jiān)視無人機，TCAS系統(tǒng)對空域協(xié)作目標(biāo)進行探測，評估目標(biāo)飛機的威脅等級，并實現(xiàn)協(xié)調(diào)規(guī)避。

Ⅲ類無人機對非協(xié)作目標(biāo)的探測，可采用主動（雷達）和被動（光電/紅外）傳感器組合的高性能、全天候、全天時多模式系統(tǒng)。為了增強對高山、鐵塔等地面障礙物和空域異常天氣的探測能力，增加了近地告警系統(tǒng)TAWS和氣象雷達WXR等。地面監(jiān)視可以利用現(xiàn)有的SSR和ADS-B地面站，也可以增加新的站點，利用地面信息交互，把無人機納入現(xiàn)有的管制系統(tǒng)，實現(xiàn)無人機融入公共空域。

3.3 Ⅱ類無人機融入公共空域

Ⅱ類無人機的飛行高度較低，與民航飛機的航路航線基本沒有交集，發(fā)生碰撞的風(fēng)險較小。可根據(jù)無人機執(zhí)行任務(wù)的環(huán)境、作戰(zhàn)任務(wù)、載荷能力、成本等因素選配Ⅲ類無人機的感知規(guī)避系統(tǒng)。S模式應(yīng)答機、ADS-B和TCAS作為首選設(shè)備實現(xiàn)對協(xié)作目標(biāo)的感知與規(guī)避，EO/IR實現(xiàn)對非協(xié)作目標(biāo)的探測，TAWS實現(xiàn)對地面障礙物的探測，其他傳感器根據(jù)需要進行選配。

3.4 Ⅰ類無人機融入公共空域

Ⅰ類無人機通常在視距范圍內(nèi)低空慢速飛行，風(fēng)險較小，通常由操作手目視控制，主要從載荷和成本的因素考慮，選配體積小、重量輕、成本低的感知與規(guī)避傳感器（比如聲學(xué)傳感器）。而Ⅰ類無人機種類繁多，其中的微小型無人機在機場周邊“黑飛”造成的危害屢有報道。按照《民用無人駕駛航空器系統(tǒng)駕駛員管理暫行規(guī)定》，質(zhì)量小于等于7 kg的微型無人機的飛行范圍在目視視距內(nèi)半徑500 m、相對高度低于120 m的范圍內(nèi)，無需證照管理。這類無人機應(yīng)納入中國航空器擁有者及駕駛員協(xié)會（AOPA）建立的“U Cloud”等輕小型無人機空管系統(tǒng)進行管理。該系統(tǒng)給所有輕小型無人機加裝一個SIM卡，不僅可以給無人機使用者提供服務(wù)，還可以給監(jiān)管部門提供信息，便于監(jiān)管部門對無人機的管控。

4 結(jié)束語

無人機在軍、民用領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展給空中交通管理提出了新的要求，從無人機的分類和期望安全性能出發(fā)，可逐步將無人機納入公共空域飛行，實現(xiàn)無人機的空域融合。

〔編輯：張思楠〕

S127

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.14.057

2095－6835（2017）14－0057－02