無人機(jī)航空電子設(shè)備研制進(jìn)展

比爾·凱利

隨著無人機(jī)市場的擴(kuò)大與成熟，以及城市空運(yùn)交通工具的興起，越來越多的傳統(tǒng)和新興公司都在聚焦研發(fā)適用于這兩大市場的航電設(shè)備解決方案，并已取得了豐碩的成果。

與傳統(tǒng)飛機(jī)一樣，對(duì)于小型無人機(jī)和緊湊型城市空運(yùn)工具中的航空電子設(shè)備，其設(shè)計(jì)同樣需要考慮尺寸、重量、功率和成本等因素。而除此之外，對(duì)小型無人機(jī)和城市空運(yùn)工具而言，其航電設(shè)備所需的屬性還包括監(jiān)視系統(tǒng)的可視性、與其他交通自分離的能力，以及高度的飛行自動(dòng)化。

目前，在大多數(shù)管控空域中飛行的飛機(jī)都需要使用應(yīng)答器和衛(wèi)星定位接收機(jī)，通過自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視廣播（ADS-B）將其準(zhǔn)確位置發(fā)送給控制器，這種方法相當(dāng)于在地面雷達(dá)的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)監(jiān)視層。

而小型無人機(jī)需要在地面以上120m的低空空域發(fā)出信號(hào)顯示其位置（但不一定通過ADS-B發(fā)出），使其低于美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）規(guī)定的有人機(jī)在不擁擠區(qū)域上空150m的最低安全高度，無人機(jī)交通管理系統(tǒng)將協(xié)調(diào)多架商用無人機(jī)同時(shí)飛行。城市空運(yùn)飛行器（UAM）的活動(dòng)空間為150～300m，或更高離地高度（AGL）的中間層，即飛行于優(yōu)步稱之為“空中通道”的指定空域走廊內(nèi)。

尤阿維尼克斯公司推出“尾標(biāo)X”航電解決方案

發(fā)明家兼企業(yè)家保羅·比爾德（PaulBeard）在2015年創(chuàng)立了尤阿維尼克斯公司（uAvionix），致力于減小ADS-B系統(tǒng)的尺寸，為小型無人機(jī)提供避撞能力。比爾德是一名模型飛機(jī)愛好者，他為通過無線電操控的娛樂型飛機(jī)和汽車開發(fā)了2.4 GHz頻段的數(shù)字頻譜調(diào)制系統(tǒng)（DSM）。發(fā)射機(jī)使用DSM掃描頻帶中未使用的信道，將唯一的編碼信號(hào)發(fā)送給“綁定”的接收機(jī)，或編程以識(shí)別信號(hào)，這種技術(shù)減少了飛機(jī)與附近其他設(shè)備發(fā)生干擾的可能性。

圖1 尤阿維尼克斯的“尾標(biāo)X”ADS-B Out 應(yīng)答器取代了飛機(jī)的尾部位置燈。

尤阿維尼克斯的總裁克里斯蒂安·拉姆齊（Christian Ramsey）表示，公司剛成立時(shí)僅研究無人機(jī)的ADS-B。創(chuàng)始人保羅擁有硅谷的工作經(jīng)歷，具備如何使產(chǎn)品小型化、置于芯片中并投入生產(chǎn)的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。在風(fēng)險(xiǎn)投資的資助下，尤阿維尼克斯公司開發(fā)出了第一款產(chǎn)品ADS-B 核心無線電芯片，能在1090 MHz和978 MHz頻率下發(fā)射和接收信號(hào)，這兩個(gè)頻率是FAA指定與其地面無線電臺(tái)交互的頻率。之后數(shù)年內(nèi)，該公司的產(chǎn)品從僅重26g的“ping”系列ADS-B 收發(fā)器，發(fā)展到無人機(jī)指揮與控制數(shù)據(jù)鏈無線電、GPS 模塊，以及用于通航飛機(jī)和機(jī)場地面車輛的ADS-B 收發(fā)器和應(yīng)答器。

2019 年10月，尤阿維尼克斯收購了航空沃尼克斯公司（Aero Vonics），這是一家為通航市場提供數(shù)字式飛行和多功能座艙顯示器的制造商。同月，尤阿維尼克斯還解決了佳明公司（Garmin）對(duì)其提起的專利侵權(quán)訴訟，后者指控前者未經(jīng)許可使用ADS-B專利技術(shù)，之后根據(jù)一份保密的和解協(xié)議，尤阿維尼克斯被允許繼續(xù)提供特定產(chǎn)品。

在通航市場，尤阿維尼克斯擅長研究易安裝的系統(tǒng)，可以方便地利用現(xiàn)成的照明位置和飛機(jī)電源。2020 年2月，尤阿維尼克斯宣布推出“尾標(biāo)”X（TailBeaconX）商用航電系統(tǒng)解決方案，由一款1090 MHz的擴(kuò)展應(yīng)答信號(hào)ADS-B“Out”應(yīng)答機(jī)、GPS定位源和偶極天線組成，專門針對(duì)城市空運(yùn)飛行器的需求而開發(fā)。

拉姆齊稱，尤阿維尼克斯在蒙大拿州的比格?？撕透鐐惐葋喐査苟加猩a(chǎn)基地，主要生產(chǎn)無線電。他認(rèn)為無線電的關(guān)鍵部件是天線，傳統(tǒng)做法是把天線安裝在飛機(jī)的外部，因此可以另辟蹊徑建立一個(gè)安裝在飛機(jī)外部的完整系統(tǒng)，即無需使用內(nèi)部的航電設(shè)備艙空間，只需將其布置在飛機(jī)邊緣。同時(shí)，如果該系統(tǒng)能與飛機(jī)的照明設(shè)備結(jié)合使用，也就意味著其可以使用外部照明設(shè)備的電源。尤阿維尼克斯正是基于這一構(gòu)想將多個(gè)系統(tǒng)綜合融入到城市空運(yùn)工具，即僅采用核心關(guān)鍵組件并將其構(gòu)建到傳統(tǒng)上由天線所占的空間中。

2019 年12月底，F(xiàn)AA 發(fā)布了期待已久的擬議規(guī)則制定通知，描述了小型無人機(jī)的遠(yuǎn)程識(shí)別要求。擬議條例將禁止無人機(jī)使用ADS-B Out 應(yīng)答器發(fā)送身份和位置數(shù)據(jù)，這是出于無線電頻率飽和以及缺乏地面基礎(chǔ)設(shè)施接收低海拔地區(qū)的ADS-B 數(shù)據(jù)的考慮。拉姆齊表示，雖然該擬議規(guī)則制定通知影響到尤阿維尼克斯對(duì)無人機(jī)ADS-B的初步構(gòu)想，但無人機(jī)操控員通過接收ADS-B In獲得附近空中交通信息的可能性仍然很大，公司對(duì)此已做好周全準(zhǔn)備。

由于有人機(jī)上至少有一名飛行員，因此可以觀察到其他飛機(jī)并避開，同時(shí)有人機(jī)還擁有交通預(yù)警和防撞系統(tǒng)（TCAS）作為防止空中碰撞的最后手段，而無人機(jī)和無人駕駛的城市空運(yùn)飛行器則需要采用基于傳感器的“探測和規(guī)避”（DAA）系統(tǒng)。

過去幾年中，通用原子航空系統(tǒng)公司（GA-ASI）與NASA和FAA合作，為“捕食者”B無人機(jī)建立了DAA系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用有源相控陣（AESA）空空雷達(dá)探測“非合作”的飛機(jī)目標(biāo)，采用TCAS計(jì)算機(jī)處理機(jī)跟蹤附近裝有應(yīng)答機(jī)的“合作”飛機(jī)，回答應(yīng)答機(jī)的詢問。

該DAA系統(tǒng)基于RTCA特別委員會(huì)228制定的性能標(biāo)準(zhǔn)，并參考了FAA技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定C211（DAA系統(tǒng)）和C212（交通監(jiān)視用空空雷達(dá)），為計(jì)劃制造FAA授權(quán)設(shè)備的制造商提供指導(dǎo)。

2019 年9月，通用原子公司向L3技術(shù)公司和泰雷茲（Thales）的合資公司ACSS 授予了一份為期五年的合同，向裝有防撞系統(tǒng)的飛機(jī)提供200臺(tái)DAA處理機(jī)。ACSS公司表示，該處理器支持最新的TCAS II、DAA和ADS-B功能，采用了緊湊的輕量級(jí)單元。

但是，這種相控陣?yán)走_(dá)的大小與軍用戰(zhàn)斗機(jī)或捕食者級(jí)別無人機(jī)上的雷達(dá)相當(dāng)，這些飛機(jī)都是在管制空域內(nèi)飛行的，因此對(duì)于僅在低空運(yùn)送包裹或執(zhí)行其他任務(wù)的小型無人機(jī)來說，這樣的雷達(dá)在尺寸或成本上都不合適。

艾克達(dá)因公司研制基于超材料的微結(jié)構(gòu)相控陣?yán)走_(dá)

2013 年前后，一家由微軟前首席技術(shù)官內(nèi)森·邁爾沃德（Nathan Myhrvold）創(chuàng)立的科技孵化器公司——智能風(fēng)投（Intelligent Ventures），開始研發(fā)一種縮小比例的、基于超材料的相控陣?yán)走_(dá)，這種工程微結(jié)構(gòu)可以按照方向圖排列，以操縱電磁波。

艾克達(dá)因公司（Echodyne）于2014 年從智能風(fēng)投科技孵化器中剝離。該公司是一家高性能雷達(dá)制造商，專業(yè)生產(chǎn)適于小型無人機(jī)和地面DAA系統(tǒng)的超材料相控陣?yán)走_(dá)，以及用于安全系統(tǒng)和自動(dòng)駕駛汽車的雷達(dá)。

軍用級(jí)相控陣?yán)走_(dá)由數(shù)百到數(shù)千個(gè)收發(fā)（T/R）模塊組成。艾克達(dá)因公司聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官埃本·弗蘭肯伯格（Eben Frankenberg）解釋說，T/R模塊由移相器、在發(fā)射和接收模式之間切換的循環(huán)器、放大器和其他電子設(shè)備組成，這些移相器可以改變射頻信號(hào)的相位，從而驅(qū)動(dòng)不同方向的雷達(dá)波前。艾克達(dá)因公司表示自身的產(chǎn)品性價(jià)比高，目前市場上的波束控制雷達(dá)的低端價(jià)格達(dá)數(shù)十萬美元，而艾克達(dá)因的雷達(dá)價(jià)格僅“數(shù)萬美元。

圖2 艾克達(dá)因公司是一家高性能雷達(dá)制造商，專業(yè)生產(chǎn)適于小型無人機(jī)和地面DAA 系統(tǒng)的超材料相控陣?yán)走_(dá)。

圖3 在NASA 的“拉文”項(xiàng)目下，弗吉尼亞理工大學(xué)中大西洋航空合作伙伴的測試人員對(duì)一架泰坦X8多旋翼無人機(jī)進(jìn)行測試，該無人機(jī)裝有艾克達(dá)因公司開發(fā)的“回聲飛行”超材料相控陣?yán)走_(dá)（安裝在無人機(jī)正面下方的小型白色面板）。

弗蘭肯伯格表示，圍繞該概念的整體思路是制造出像相控陣?yán)走_(dá)那樣的波束控制雷達(dá)，但不使用移相器。當(dāng)去掉了所有復(fù)雜的電子組件后，艾克達(dá)因有望制造出符合商業(yè)價(jià)格的波束控制雷達(dá)。

艾克達(dá)因所開發(fā)的超材料相控陣?yán)走_(dá)“回聲飛行”（EchoFlight）使用多層印刷電路板，創(chuàng)建由軟件控制的波束控制雷達(dá)天線，由標(biāo)準(zhǔn)雷達(dá)收發(fā)器電子組件驅(qū)動(dòng)。弗蘭肯伯格認(rèn)為這本質(zhì)上不是芯片技術(shù)，而是一種天線技術(shù)，其后端裝有公司自研的雷達(dá)?！盎芈曪w行”機(jī)載雷達(dá)工作在24.45～24.65 GHz的K波段，雷達(dá)為18.7cm×12.1cm×4cm的單面板，重量約為0.74kg。面板視野為方位120°（向前或向后60°），俯仰80°。三個(gè)面板位于飛機(jī)周圍，可提供360°方位角。天線面板上的散熱片利用氣流對(duì)安裝在外部的雷達(dá)進(jìn)行冷卻。其具有“邊搜索邊跟蹤”功能，使雷達(dá)能以較高的刷新率跟蹤特定目標(biāo)，同時(shí)繼續(xù)掃描其余視野以尋找入侵者。

2018—2019 年間，艾克達(dá)因參與了NASA的“拉文”（Raavin）項(xiàng)目，以分析雷達(dá)在泰坦X8多旋翼無人機(jī)上的“探測和規(guī)避”性能。該項(xiàng)目由弗吉尼亞理工大學(xué)中大西洋航空合作伙伴管理，將雷達(dá)與NASA的“伊卡洛斯”（Icarous，無人機(jī)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的獨(dú)立可配置架構(gòu)）軟件配對(duì)，以測試避撞機(jī)動(dòng)性能。測試人員測試了泰坦X8無人機(jī)遭遇另一架無人機(jī)以及一架利伯蒂大學(xué)的塞斯納172“天鷹”（Skyhawk）的場景。

到目前為止，還沒有一個(gè)基于標(biāo)準(zhǔn)的小型無人機(jī)DAA 系統(tǒng)規(guī)范可以和工業(yè)界與政府為“捕食者”B系列無人機(jī)開發(fā)的DAA 系統(tǒng)相媲美。艾克達(dá)因公司的DAA在小型無人機(jī)上所做的一切仍被視為測試，該公司希望獲得FAA的豁免。

弗蘭肯伯格認(rèn)為，對(duì)于未來任何無人機(jī)的DAA 規(guī)范來說，雷達(dá)都是必不可少的，而且還將成為城市空運(yùn)飛行器傳感器套件的組成部分之一，并表示許多開發(fā)商正在測試艾克達(dá)因的雷達(dá)。

霍尼韋爾等傳統(tǒng)制造不甘落后

傳統(tǒng)制造商中，霍尼韋爾在城市空運(yùn)飛行器和無人機(jī)所用航電設(shè)備的開發(fā)方面表現(xiàn)不凡，其透露正計(jì)劃為垂直航空航天公司（Vertical Aerospace）、君特空運(yùn)公司（Jaunt Air Mobility）、以色列伊威艾森公司（Eviation）和蝙蝠飛機(jī)公司等公司生產(chǎn)部件，包括電傳飛行計(jì)算機(jī)、相控陣?yán)走_(dá)、自動(dòng)著陸與導(dǎo)航系統(tǒng)、機(jī)電作動(dòng)器和環(huán)控冷卻系統(tǒng)部件等。

另一家制造商科漢姆公司（Cobham）已開發(fā)出高帶寬的Aviator UAV 500衛(wèi)星終端，可用于大型無人機(jī)的視頻流傳輸。另外，預(yù)計(jì)柯林斯航宇公司（Collins Aerospace）將是第一家推出經(jīng)認(rèn)證的C波段無人機(jī)指揮與控制數(shù)據(jù)鏈無線電的公司。

貝爾直升機(jī)德事隆公司（Bell Textron）已選定佳明公司負(fù)責(zé)其“奈克賽斯”（Nexus）電動(dòng)垂直起降空中出租車的航空電子硬件和軟件的設(shè)計(jì)、開發(fā)和生產(chǎn)工作，該空中出租車概念于2018年首次亮相。佳明公司將負(fù)責(zé)提供主飛行信息、導(dǎo)航和通信能力，以及飛行制導(dǎo)和管理系統(tǒng)。

貝爾在其網(wǎng)站上描繪了一個(gè)帶有四個(gè)大型顯示器的“奈克賽斯”玻璃座艙，這是佳明公司的G3000 綜合駕駛艙的衍生產(chǎn)品，通過觸摸屏控制，G3000已在小型飛機(jī)上得到使用，包括巴航工業(yè)的飛鴻（Phenoms）公務(wù)機(jī)、本田公務(wù)機(jī)（HondaJets）以及法國大合公司（Daher）的TBM單發(fā)渦槳飛機(jī)。

佳明業(yè)務(wù)開發(fā)高級(jí)經(jīng)理比爾·斯通（Bill Stone）表示，這些產(chǎn)品實(shí)際上利用的是與目前輕型公務(wù)機(jī)中非常相似的系統(tǒng)。通過共享研發(fā)成果，利用現(xiàn)成的硬件，可以降低研發(fā)成本和生產(chǎn)成本并充分利用目前有人機(jī)的技術(shù)。

不過，貝爾直升機(jī)和佳明公司都拒絕透露“奈克賽斯”項(xiàng)目所處的具體開發(fā)階段或首飛里程碑細(xì)節(jié)。佳明公司高管稱硬件已經(jīng)非常成熟，正與貝爾直升機(jī)合作完善機(jī)上的用戶界面和系統(tǒng)，過程將不斷迭代漸進(jìn)，直到最終確定子系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)。

許多公司正投入研發(fā)未來的飛機(jī)，未來的飛機(jī)在減少體積、減重、降耗和降低成本等方面有著共同的要求，成為各公司共同追求的目標(biāo)。