民用無人機感知和避讓方法研究

摘? 要：針對未來無人機進入非隔離空域的發(fā)展趨勢，分析無人機系統(tǒng)進入非隔離空域所需要的感知和避讓（DAA）能力需求，結合當前國內(nèi)外民航運行管理要求以及有人機防撞手段，提出了一種無人機感知和避讓系統(tǒng)的架構，使無人機在遭遇碰撞威脅時，具備能夠進行自我隔離并防止空中碰撞，達到安全運行可接受的安全水平，作為未來無人機感知和避讓系統(tǒng)設計的參考和建議。

關鍵詞：無人機;感知和避讓;防撞

中圖分類號：TP39? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2022）04-0157-04

Research on Perception and Avoidance Methods of Civil UAV

LI Xiong

（China Helicopter Research and Development Institute， Jingdezhen? 333001， China）

Abstract： In view of the development trend of UAV entering non isolated airspace in the future， this paper analyzes the perception and avoidance （DAA） capability requirements required by UAV system when entering non isolated airspace， and puts forward an architecture of UAV perception and avoidance system in combination with the current domestic and foreign civil aviation operation management requirements and manned vehicle anti-collision means， so that when UAV encounters collision threat， it is capable of self isolation and preventing air collision to achieve an acceptable safety level for safe operation， which can be used as a reference and suggestion for the design of UAV perception and avoidance system in the future.

Keywords： UAV; perception and avoidance; anti-collision

0? 引? 言

無人機在軍民各個領域廣泛引用，飛行活動量的不斷增加，給復雜空域環(huán)境內(nèi)的其他飛行器以及地面第三方帶來很大的安全隱患。無人機可能引發(fā)的危害主要包括空中相撞和地面撞擊，其中無人機與有人機之間的空中相撞是主要關注對象。為保障飛行安全，各國目前將無人機活動限制在特定的空域內(nèi)，與有人機隔離運行。但在有限的空域資源下，隔離運行方式將難以滿足無人機日益增長的應用需求。無人機與有人機共享空域飛行是未來的發(fā)展趨勢，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融合空域亟待解決的關鍵問題。

由于缺乏機載飛行員，因此可能需要使用適當?shù)募夹g和程序，使無人機駕駛員具備類似于有人機駕駛員看見、察覺或探測交通沖突或其他危險并采取適當行動的能力，即感知和避讓（DAA），以用來避開附近的航空器（以下簡稱“入侵者”），確保無人機安全運行，實現(xiàn)與所有用戶一起充分融入各類空域。

1? DAA功能需求

感知和避讓使無人機在遭遇其他飛行器時能夠觀察、感知或檢測交通沖突或其他危險，并采取符合相關飛行規(guī)定的適當行動的能力，進行自我隔離并防止空中碰撞，以達到有人機感知與規(guī)避運行所滿足的可接受的安全水平。無人機系統(tǒng)配備DAA系統(tǒng)應具有：（1）在無人機系統(tǒng)（包括無人機駕駛員）探測到具有威脅的航空器正在進入防撞門限時，向無人機駕駛員發(fā)出告警。當可具有威脅的航空器接近沖突空域體時，應啟動防撞機動飛行;（2）提供預計接受管制以便在所有空域內(nèi)運行的任何航空器上的預定功能;（3）所采用的傳感器和系統(tǒng)的類型和位置是清晰的;（4）在協(xié)作系統(tǒng)（如C/S模式應答機、廣播式自動相關監(jiān)視、機載防撞系統(tǒng)）配置方面，符合現(xiàn)有監(jiān)管設備的配置要求;（5）與機載防撞系統(tǒng)可互聯(lián)互通;（6）遵守通行權規(guī)則，除非遵守這些規(guī)則有損安全（即導致機動飛行比不遵守通行權規(guī)則時更加危險）。

如果某一交通沖突穿過無人機的充分間隔閥值，感知和避讓系統(tǒng)應警告無人機駕駛員采取行動，以防止該入侵者進入保持充分間隔空域體，給無人機造成威脅。同樣，如果某一威脅穿過無人機的防撞閥值，感知和避讓系統(tǒng)應警告無人機駕駛員采取行動，以防止該入侵者進入沖突空域體，與無人機出現(xiàn)相撞風險。

2? 系統(tǒng)架構

由于無人機系統(tǒng)由無人飛行器和地面控制站組成，DAA的功能應當分別在無人機和控制站上進行實現(xiàn)，DAA系統(tǒng)設備包括硬件、軟件、固件、處理器、顯示器和操縱器件，以執(zhí)行感知和避讓系統(tǒng)的預期功能，系統(tǒng)主要包括：（1）無人機監(jiān)視設備：包括ATAR、ADS-B輸入和機載主動監(jiān)視或7.1版的TCAS Ⅱ;（2）無人機機載DAA處理器：此處理器安裝在無人機上，它接收自身的數(shù)據(jù)、來自機上監(jiān)視設備的數(shù)據(jù)，以及數(shù)據(jù)鏈路的數(shù)據(jù)，然后對數(shù)據(jù)進行處理，并將軌跡和其他DAA信息通過數(shù)據(jù)鏈路傳輸?shù)娇刂普?，機載DAA除接收其他監(jiān)控數(shù)據(jù)外，還接收TCAS Ⅱ的數(shù)據(jù)。傳遞到機載DAA處理器的附加數(shù)據(jù)包括自身飛行路徑數(shù)據(jù)和到自動飛控系統(tǒng)的飛行控制引導數(shù)據(jù);（3）控制站DAA處理器：此處理器安裝在控制站中。按照優(yōu)先級順序接收機載DAA系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)鏈路傳輸?shù)能壽E信息和DAA狀態(tài)信息、來自控制站內(nèi)DAA控制面板的DAA模式控制指令。然后對數(shù)據(jù)進行處理，將信息轉發(fā)給DAA顯示和音頻告警系統(tǒng)。同樣，它將DAA模式控制和指令數(shù)據(jù)轉發(fā)給數(shù)據(jù)鏈路;（4）控制站DAA模式控制面板：這是駕駛員與機載和控制站DAA處理器之間的接口。它從控制站DAA處理器接收DAA狀態(tài)信息，同時向控制站DAA處理器發(fā)送命令和控制信息;（5）控制站DAA交通顯示：從控制站DAA處理器接收數(shù)據(jù)，通過顯示器和音頻告警向駕駛員提供交通信息。顯示器和音頻揚聲器可以是專用DAA設備的一部分，也可以是其他存在系統(tǒng)的一部分。

如圖1所示，描述了DAA的頂層架構，以及DAA與無人機、其他航空器、ATC以及控制站相關的接口關系。DAA系統(tǒng)由感知避讓設備、無人機、控制站、入侵者、空中交通管制（ATC）、地面監(jiān)視、導航系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)、無人機系統(tǒng)駕駛員、數(shù)據(jù)鏈路以及其他保持“感知和避讓”充分間隔所需的無人機系統(tǒng)設備組成。

如圖1所示，接口A到M用來提供每個主要系統(tǒng)外部出現(xiàn)的信息。交通信息始于從入侵者到無人機（接口A），因此，從傳感器數(shù)據(jù)到無人機的延遲最短。然后在無人機內(nèi)部建立接口B～D，在無人機控制站內(nèi)建立接口F～I。無人機通過接口A接收到入侵者相關的數(shù)據(jù)，例如狀態(tài)信息和決斷提示（RA）。入侵者（如果是合作型）發(fā)送數(shù)據(jù)至空中交通管制（ATC）控制站（接口M），或者直接發(fā)送至無人機（接口A）。無人機連同由接口J提供的本機信息和數(shù)據(jù)一起處理入侵者數(shù)據(jù)。無人機直接或通過接口E確定的衛(wèi)星發(fā)送數(shù)據(jù)至控制站，控制站接收處理這些數(shù)據(jù)，并將其顯示給駕駛員。利用這些信息，駕駛員決定是否需要采取措施。如果需要采取措施，駕駛員將通過接口K聯(lián)系空中交通管制（ATC）?？罩薪煌ü苤疲ˋTC）通過接口M從地面雷達和廣播式自相關監(jiān)視（ADS-B）控制站獲得無人機和入侵者的監(jiān)視信息，并通過接口L與入侵者進行通信。

感知和避讓（DAA）設備有兩個不同的區(qū)域：無人機和控制站。無人機域使用三種傳感器用來感知交通，包括機載主動監(jiān)視、ADS-B和機載雷達，這些監(jiān)視類型對感知大部分交通類型是必要的，包括非合作型航空器、配備空中交通管制雷達信標系統(tǒng)（ATCRBS）的航空器、配備ADS-B的航空器、配備S模式的航空器以及配備TCAS Ⅱ的航空器?？刂普居蛟试S無人機駕駛員通過顯示器、告警、通信系統(tǒng)和空中交通管制（ATC）在各類空域內(nèi)實施安全有效的運行。感知和避讓（DAA）設備可以自動和手動兩種模式，但最低運行要求應設定為在無人機駕駛員控制的情況，其他所有與設備配合的模式（自動/其他）是可選擇的。

3? 機載監(jiān)視設備

如圖2所示，提供了一種機載DAA架構的功能視圖，機載DAA監(jiān)控設備在最大航空器密度下為多種配置構型的航空器提供監(jiān)視覆蓋。需要傳感器來探測無人機周圍的交通情況。根據(jù)入侵者的配置不同，探測它們所需的傳感器也不同，需要三種監(jiān)控源：ADS-B輸入、主動監(jiān)控和機載雷達。未來可能會研發(fā)光學傳感器和其他高級傳感器。入侵者可以分為合作型或非合作型。合作型入侵者攜帶的設備允許接收入侵的狀態(tài)信息，而非合作型入侵者是“沉默的”，所有狀態(tài)數(shù)據(jù)必須由自身的傳感器確定。在這些性能要求下，用于感知合作型入侵者的傳感器是主動監(jiān)視和ADS-B接收器。非合作型目標，沒有發(fā)射機或ADS-B廣播的能力，通過機載雷達傳感器來感知。機載DAA設備由四個主要部分組成：一組監(jiān)視源、DAA處理器、安裝結構、數(shù)據(jù)鏈路設備。

監(jiān)視源至少包括以下內(nèi)容：（1）機載主動監(jiān)視，實現(xiàn)對其他配備了S模式和空中交通管制雷達信標系統(tǒng)（ATCRBS）的航空器的監(jiān)視;（2）廣播式自相關監(jiān)視（ADS-B）輸入單元，提供鄰近航空器發(fā)射的廣播式自相關監(jiān)視（ADS-B）數(shù)據(jù)，以及如果沒有配備雙向鏈路，則接收轉播式自相關監(jiān)視（ADS-R）數(shù)據(jù);（3）追蹤合作型和非合作型航空器的雷達;（4）選裝的交通告警和防撞系統(tǒng)Ⅱ型（TCAS Ⅱ）設備，能夠與其他配備了具有決斷提示（RA）能力TCAS Ⅱ的航空器協(xié)調，并具有防撞系統(tǒng)邏輯數(shù)據(jù)，可以直接發(fā)送至飛行控制系統(tǒng)進行自動響應。

機載DAA接收和發(fā)射系統(tǒng)及應答機功能模塊由ADS-B接收機、主動應答詢問機和應答接收機組成，應答機同樣支持S模式信息，以便能夠與入侵者配備的TCAS協(xié)調。DAA雷達向機載DAA設備功能塊提供合作和非合作入侵者的信息。

無人機系統(tǒng)向機載DAA處理器提供本機的狀態(tài)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可能來自主導航系統(tǒng)和飛行管理系統(tǒng)。還向機載DAA處理器發(fā)送控制模式信息（來自控制站）。

機載DAA處理器從監(jiān)視源和各類無人機系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)，然后對這些數(shù)據(jù)進行合成和處理，并創(chuàng)建入侵者蹤跡，提供給機上充分間隔和TCAS Ⅱ使用。DAA處理器包括處理監(jiān)視數(shù)據(jù)以生成軌跡的軟件。目前假設在航空器上處理告警來幫助確定軌跡的優(yōu)先級，可以通過控制站的DAA處理器提供告警。機載DAA處理器和TCAS Ⅱ可共享相同的物理處理器和通用功能。其他機載信息，比如位置和高度，提供給機載DAA設備以保證充分間隔和防撞功能。UA機載DAA設備的數(shù)據(jù)通過CNPC鏈路發(fā)送到控制站，在發(fā)送到DAA交通顯示器之前，由控制站內(nèi)DAA處理器進行更進一步的處理。向UAS駕駛員提供視覺和聽覺告警，UAS駕駛員開始DWC機動通過CNPC數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送回UA，并通過飛行控制系統(tǒng)執(zhí)行。

DAA系統(tǒng)可選擇向機載自動飛行控制系統(tǒng)或自動駕駛儀發(fā)送指令，以便自動執(zhí)行決斷提示，也便于駕駛員的超控能力。關于引導處理功能，可以由無人機機載DAA處理器提供，但在本架構中假設由控制站DAA處理器提供;

機載數(shù)據(jù)鏈路設備向控制站發(fā)送DAA數(shù)據(jù)包和其他必要信息，用于駕駛員的操縱。并從控制站接收數(shù)據(jù)包，從駕駛員接收DAA模式的輸入和機動。

UAS駕駛員通過直接的甚高頻/超高頻（VHF/UHF）通信、UA上無線電中繼，以及將來可能通過直接的地面鏈路與ATC保持雙向通信。ATC還通過無線電與一些入侵者通信，ATC通過當前的監(jiān)視系統(tǒng)跟蹤入侵者和UA。

4? 控制站系統(tǒng)

控制站內(nèi)的感知和避讓（DAA）系統(tǒng)由六個主要部分組成，如圖3所示。

系統(tǒng)的六個主要部分組成如下：（1）控制站內(nèi)的數(shù)據(jù)鏈路設備從無人機接收機載DAA處理器的數(shù)據(jù)和監(jiān)視數(shù)據(jù)。它也可能接收引導處理數(shù)據(jù)（取決于系統(tǒng)的設計，此功能是在無人機上還是控制站內(nèi)）;（2）控制站內(nèi)的DAA處理器從數(shù)據(jù)鏈路設備接收數(shù)據(jù)并進行處理，類似于機載DAA處理器。它向相關的設備發(fā)送DAA數(shù)據(jù)信息，以支持DAA功能和確定控制站內(nèi)告警的級別;（3）DAA控制面板為駕駛員提供界面，用于切換DAA系統(tǒng)的不同模式或功能;（4）顯示系統(tǒng)包括DAA交通顯示以及駕駛員使用的用于其他顯示和聽覺告警，用于決定保持感知和避讓充分間隔所需的措施;（5）駕駛員根據(jù)交通管制、無人機控制設備和DAA設備提供的信息而采取行動;（6）無人機控制和導航系統(tǒng)控制無人機的運行。它允許系統(tǒng)駕駛員實施機動，包括可能的速度、坡度、高度和航向的改變。

5? 結? 論

綜上所述，本文針對未來與有人機進行空域融合的無人機系統(tǒng)，初步構建了一種感知和避讓的方法，該系統(tǒng)提供對無人機航空器周圍空域的監(jiān)視，將交通和DAA系統(tǒng)的信息將被發(fā)送至控制站，以適當?shù)姆绞斤@示給駕駛員，向駕駛員提供了電子感知、對合作型和非合作型航空器都可以追蹤的手段，從而達到無人機在融合空域中的自我隔離和空中防撞能力，以實現(xiàn)無人機系統(tǒng)進入空域的要求，確保航空器的飛行安全。

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作者簡介：李雄（1987.08—），男，漢族，甘肅武威人，工程師，本科，研究方向：體系工程。