美國宇航局在無人機(jī)融入國家空域試驗(yàn)又邁出重要一步

蔡琰

“無人機(jī)融入國家空域”項(xiàng)目是美國宇航局（NASA）為了將大中小型運(yùn)營無人機(jī)融入國家空域所做的努力。而美國宇航局在2018年6月12日，將其“伊卡納”無人機(jī)在沒有安全伴隨飛機(jī)的情況下完成首飛。在加州愛德華茲空軍基地的阿姆斯特朗飛行研究中心進(jìn)行的2.5h試飛，驗(yàn)證了美國宇航局開發(fā)并經(jīng)過大范圍飛行試驗(yàn)的感知一避障系統(tǒng)符合FAA的標(biāo)準(zhǔn)。伊卡納無人機(jī)重4.7t，裝備了通用原子航空系統(tǒng)公司的空空雷達(dá)，霍尼韋爾公司的感知一避障原型系統(tǒng)（集成了空中交通防撞系統(tǒng)，廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)（ADS-B）和多傳感器融合的感知-規(guī)避追蹤器）以及羅克韋爾·柯林斯公司的數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)?；裟犴f爾公司的感知一避障技術(shù)使無人機(jī)運(yùn)營商可以在空中交通中保持安全，可探測(cè)到裝有應(yīng)答器的協(xié)作無人機(jī)，并可利用雷達(dá)追蹤非協(xié)作目標(biāo)。感知-規(guī)避系統(tǒng)為無人機(jī)飛手提供類似TCAS的自頂向下的交通情況顯示。可對(duì)飛機(jī)高度和航向進(jìn)行小幅度調(diào)整，還可實(shí)施飛行安全隔離，可選自動(dòng)垂直機(jī)動(dòng)能力來規(guī)避碰撞。

目前，該感知一規(guī)避系統(tǒng)仍處于開發(fā)階段，不能完全滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，但美國宇航局的工程師稱該系統(tǒng)已經(jīng)非常接近于認(rèn)證完成，可以證明該系統(tǒng)滿足規(guī)定的要求。

起飛后，無人機(jī)很快進(jìn)入了E級(jí)空域，在升至3000ft的雷達(dá)工作最低高度后開啟了感知-規(guī)避系統(tǒng)?！耙量{”無人機(jī)在愛德華茲空軍基地西邊進(jìn)入了20000ft高的航線飛機(jī)使用的A級(jí)空域，向北飛向弗萊斯諾，接著向南飛向維克托維爾，空管方從洛杉磯切換到了奧克蘭，然后返回了基地。以往此類飛行必須要求有人機(jī)伴飛，這一歷史性的飛行使得美國距離商業(yè)飛行員和私人飛行員操作無人機(jī)正常作業(yè)的目標(biāo)更近了一步，是實(shí)現(xiàn)低空基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)視、高空通信中繼等多種運(yùn)營無人機(jī)在國家空域中進(jìn)行常規(guī)超視距運(yùn)營向前邁進(jìn)的重要標(biāo)志。

“無人機(jī)融入國家空域”項(xiàng)目分為兩個(gè)階段，2014年到2017年，美國宇航局已經(jīng)完成項(xiàng)目第一階段的4次飛行試驗(yàn)，其中包括5]次起降以及944次在空域中無人機(jī)與其他飛機(jī)的沖突試驗(yàn)。美國宇航局使用第3、4次飛行試驗(yàn)中收集的數(shù)據(jù)開展了最低運(yùn)營性能標(biāo)準(zhǔn)（MOPS）和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定（TSO）的安全性分析。

目前，“無人機(jī)融入國家空域”項(xiàng)目的進(jìn)展已經(jīng)支持了RTCA的228特別委員會(huì)針對(duì)感知-規(guī)避系統(tǒng)和雷達(dá)制定的最低運(yùn)營性能標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)是FAA工業(yè)界認(rèn)證設(shè)備的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的基礎(chǔ)：針對(duì)感知-規(guī)避系統(tǒng)的TSO-C211和針對(duì)空空雷達(dá)的TSO-C212。

第5次飛行試驗(yàn)將于2018年12月完成，測(cè)試該雷達(dá)在與多架協(xié)作與非協(xié)作的不同雷達(dá)反射面積無人機(jī)沖突下的性能。第6次飛行試驗(yàn)將于2019年9月進(jìn)行，將評(píng)估美國宇航局的Sierra-B無人機(jī)端到端的感知一規(guī)避系統(tǒng)性能，小尺寸、低重量、低能耗/成本（SwaP）表現(xiàn)以及機(jī)場(chǎng)空域“遠(yuǎn)離”的定義。這些測(cè)試將使無人機(jī)融入國家空域項(xiàng)目完結(jié)。

霍尼韋爾公司稱將隨美國宇航局在第5、6次飛行試驗(yàn)使用的保持遠(yuǎn)離規(guī)范算法一起應(yīng)用于第3組無人機(jī)（國防部分類，指總重小于13201b的無人機(jī)）。該雷達(dá)將安裝于美國宇航局的Sierra-B無人機(jī)，總重為4801b，翼展20ft。

“無人機(jī)融入國家空域”項(xiàng)目第一階段的最低運(yùn)營性能標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定用來許可大型無人機(jī)可在進(jìn)入或退出A級(jí)空域或特定使用空域時(shí)途經(jīng)D、E、G級(jí)空域。228特別委員會(huì)正在為能安裝在小型無人機(jī)中的設(shè)備以及可在D、E、G級(jí)空域和在機(jī)場(chǎng)周邊限制區(qū)域拓展運(yùn)營制定第二階段的最低運(yùn)營性能標(biāo)準(zhǔn)。

美國宇航局和工業(yè)界正制定“無人機(jī)融入國家空域”項(xiàng)目第二階段最低運(yùn)營性能標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于機(jī)場(chǎng)空域中“遠(yuǎn)離”的各項(xiàng)具體指標(biāo)。第二階段無人機(jī)融入國家空域項(xiàng)目聚焦于開發(fā)低小尺寸、低重量、低能耗/成本感知一規(guī)避傳感器，以應(yīng)用于無法搭載通用原子航空系統(tǒng)公司為“伊卡納”無人機(jī)的原型-MQ-9“捕食者”B無人機(jī)開發(fā)的空空雷達(dá)的小型無人機(jī)。

第一階段最低運(yùn)營性能標(biāo)準(zhǔn)定義了雷達(dá)探測(cè)距離為14.8km，雷達(dá)重約601b，耗能1000W以上。美國宇航局稱這種雷達(dá)因其物理指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性而無法應(yīng)用于很多無人機(jī)任務(wù)。小尺寸、低重量、低能耗/成本傳感器可使小型無人機(jī)擴(kuò)展在D、E、G級(jí)空域中的運(yùn)營，超視距但在機(jī)場(chǎng)空域之外，高度500～1000ft，速度低于370km/h。

FAA規(guī)定無人機(jī)操縱者使其無人機(jī)“遠(yuǎn)離”其他飛機(jī)。228特別委員的任務(wù)之一是制定“遠(yuǎn)離”的數(shù)學(xué)表達(dá)式來使無人機(jī)的傳感器代替無人機(jī)操縱者的雙眼。在第一階段的最低運(yùn)營性能標(biāo)準(zhǔn)中，該數(shù)據(jù)是水平相距4000ft，垂直相距450ft，最小接近時(shí)間35s。這一指標(biāo)可指導(dǎo)傳感器目標(biāo)圖像、預(yù)警和導(dǎo)航算法、運(yùn)營商數(shù)據(jù)展示系統(tǒng)的開發(fā)。該次飛行標(biāo)志著美國宇航局的無人機(jī)融入國家空域項(xiàng)目聚焦于在低空空域中使用大型無人機(jī)的第一階段即將完成。項(xiàng)目第一階段完成后即將進(jìn)入在小型無人機(jī)和更大范圍運(yùn)營上應(yīng)用感知一規(guī)避技術(shù)的第二階段。

霍尼韋爾公司與美國宇航局達(dá)成協(xié)議提供第二階段的緊湊、輕量雷達(dá)。在第一階段，該公司在感知、規(guī)避原型系統(tǒng)中提供了TCAS 2，ADS-B和融合追蹤器。該公司稱在第二階段通過3面板構(gòu)型中安裝的DAPA輕量雷達(dá)使用相同的多傳感器融合算法，推送ADS-B消息以及非協(xié)作飛機(jī)感知以提供完整的所需圖景。

在項(xiàng)目第二階段，美國宇航局將不會(huì)重復(fù)所有的第一階段伊卡納飛行測(cè)試。美國宇航局工程師稱，美國宇航局將進(jìn)行壓力測(cè)試，加入留空運(yùn)營和密集空域環(huán)境試驗(yàn)。試飛數(shù)據(jù)將提交給228特別委員會(huì)，委員會(huì)將于2019年發(fā)布第二階段最低運(yùn)營性能標(biāo)準(zhǔn)草案規(guī)劃，并于2020年發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)終稿。