基于感知與規(guī)避系統(tǒng)的無人機(jī)防相撞技術(shù)研究

魏麟 楊濟(jì)睿 雷中洲 祁美照

摘要：隨著空域體系的變革，航空器數(shù)量的持續(xù)快速增長(zhǎng)使得未來通用航空所使用的低空空域呈現(xiàn)空中流量密度高、航空器性能差異大的特點(diǎn)，飛機(jī)之間的安全間隔將逐漸縮小，這給飛行員帶來了很大的安全隱患。同時(shí)無人機(jī)系統(tǒng)發(fā)展迅速，世界各國(guó)已開發(fā)并設(shè)計(jì)了各種類型的無人機(jī)，未來無人機(jī)與有人機(jī)在空域內(nèi)融合運(yùn)行已成為發(fā)展趨勢(shì)，因此為了能夠讓無人機(jī)像有人機(jī)一樣實(shí)現(xiàn)超視距飛行，必須提高系統(tǒng)的可靠性，減少空中發(fā)生碰撞的概率。文章主要對(duì)感知與規(guī)避（Detect and Avoid， DAA）系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹，總結(jié)無人機(jī)在空中發(fā)生遭遇時(shí)與ATC（Air Traffic Control）和控制系統(tǒng)的交互流程，重點(diǎn)體現(xiàn)DAA系統(tǒng)防撞邏輯，最后對(duì)未來無人機(jī)融入有人機(jī)空域運(yùn)行的前景進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：防撞系統(tǒng)；防撞邏輯；無人機(jī)；DAA

中圖分類號(hào)：V249? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 DAA系統(tǒng)工作原理

隨著無人機(jī)系統(tǒng)的快速發(fā)展，人們意識(shí)到無人機(jī)在民用、公用以及軍事等領(lǐng)域擁有著巨大的發(fā)展前景。在過去的十幾年里，美國(guó)一直致力于將無人機(jī)系統(tǒng)（UAS）完全集成到國(guó)家空域系統(tǒng)（NAS）中，這是實(shí)現(xiàn)廣泛的公共和商業(yè)無人機(jī)操作的前提條件［1］。NASA航空研究任務(wù)理事會(huì)針對(duì)無人機(jī)系統(tǒng)融入國(guó)家空域系統(tǒng)集成了（UAS-NAS）項(xiàng)目，該項(xiàng)目是為了能將無人機(jī)安全地融入空域體系下而開展的一系列測(cè)試。項(xiàng)目需要開發(fā)一種UAS專用系統(tǒng)，用于檢測(cè)附近的交通并向飛行員顯示交通信息，以保證他們與其他飛機(jī)保持客觀定義的安全分離間隔閾值的能力，為此DAA系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。DAA系統(tǒng)就是為遠(yuǎn)程駕駛航空器駕駛員能夠在空中更安全、更方便地操控航空器而設(shè)計(jì)并開發(fā)的，DAA系統(tǒng)是NAS中無人機(jī)系統(tǒng)操作成功集成的關(guān)鍵組件。

DAA系統(tǒng)的組成部件主要包括無人機(jī)（UA）、無人機(jī)控制站、入侵機(jī)、ATC、導(dǎo)航系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)［2］。DAA系統(tǒng)在整體運(yùn)作的過程中，首先無人機(jī)接收來自入侵機(jī)的相關(guān)信息，入侵機(jī)的數(shù)據(jù)可以發(fā)送到ATC地面站或直接發(fā)送給無人機(jī)，之后無人機(jī)將入侵機(jī)數(shù)據(jù)、自身數(shù)據(jù)以及從導(dǎo)航系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)接收到的數(shù)據(jù)處理好后發(fā)送到無人機(jī)控制站，再由無人機(jī)控制站處理這些數(shù)據(jù)信息，并將決策咨詢建議顯示給無人機(jī)駕駛員，最后由無人機(jī)駕駛員決定是否采取相應(yīng)的機(jī)動(dòng)，如果需要采取機(jī)動(dòng)，駕駛員將通過通信系統(tǒng)與ATC進(jìn)行交互，同時(shí)ATC可以從地面雷達(dá)接收無人機(jī)和入侵機(jī)的監(jiān)視數(shù)據(jù)，并與入侵機(jī)進(jìn)行通信。

2 DAA系統(tǒng)防撞邏輯

2.1 DAA Well Clear定義

無人機(jī)駕駛員遠(yuǎn)程操控?zé)o人機(jī)時(shí)，雖然可以主觀地判斷無人機(jī)是否與其他飛機(jī)保持了安全分離間隔，但是仍需要對(duì)安全間隔制定一個(gè)明確的定量定義，為此DAA系統(tǒng)將良好的安全分離間隔定義為DAA Well Clear［3］。DAA Well Clear定義為與其他飛機(jī)保持安全距離的狀態(tài)，在這種狀態(tài)下基本上不會(huì)觸發(fā)飛機(jī)的避撞（Collision Avoidance，CA）機(jī)動(dòng)。

2014年9月，F(xiàn)AA發(fā)布了一份白皮書，闡述了FAA對(duì)DWC（DAA Well Clear）的建議并提出了部分更改意見［4］。該白皮書在700 ft垂直邊界提出了DAA“交通咨詢警報(bào)閾值”，該閾值將為駕駛員提供警報(bào)，以保持安全分離，DAA Well Clear建議如圖1所示。

DAA Well Clear主要定義了3個(gè)參數(shù)，通過這3個(gè)參數(shù)判斷當(dāng)期系統(tǒng)應(yīng)發(fā)布的決策咨詢建議。水平方向上的失去距離（Horizontal Miss Distance，HMD）表示在恒定速度下，兩架飛機(jī)在相遇過程中預(yù)測(cè)的最小水平距離。參數(shù)h表示兩架飛機(jī)的當(dāng)前高度差，時(shí)間度量修正τbmod是兩架飛機(jī)與“保護(hù)域”相交所需的時(shí)間。dh表示為當(dāng)前兩機(jī)之間的垂直距離，Dbmod是時(shí)間?? 度量修正的距離修正。其中，τ*bmod=35 s，HMD*=4 000 ft，h*=450 ft。

τbmod定義如下：

τbmod=-（r2-Dbmod2）rr·（1）

其中，Dbmod=4 000 ft，一般情況下，r>Dbmod，當(dāng)r≤Dbmod時(shí)，τbmod=0。r和r·分別為入侵機(jī)與無人機(jī)之間的水平距離和水平距離率。當(dāng)這3個(gè)參數(shù)同時(shí)低于各自的閾值時(shí)，表示兩機(jī)有發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)兩機(jī)的飛行狀況進(jìn)行判斷，發(fā)布警報(bào)并給出建議，為此DAA系統(tǒng)定義了警報(bào)的級(jí)別。

2.2 DAA警報(bào)

隨著兩機(jī)在空中發(fā)生遭遇時(shí)，飛機(jī)之間的安全間隔不斷縮進(jìn)，DAA根據(jù)分離標(biāo)準(zhǔn)定義了DAA系統(tǒng)警報(bào)［5］，如表1 所示。

通過表1可以看出DAA系統(tǒng)根據(jù)分離標(biāo)準(zhǔn)將DAA主要的警報(bào)級(jí)別分為了5類。當(dāng)出現(xiàn)基本交通和DAA接近警報(bào)時(shí)，表示此時(shí)刻沒有危險(xiǎn)，不會(huì)觸發(fā)系統(tǒng)告警，可以繼續(xù)按照原航線飛行。當(dāng)出現(xiàn)DAA預(yù)防警報(bào)時(shí)，這種警報(bào)發(fā)生在水平距離<1 n mile，垂直間距<700 ft時(shí)，在這種情況下表示有發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，將提醒飛行員注意規(guī)避，不要造成Well Clear損失。當(dāng)出現(xiàn)DAA糾正警報(bào)時(shí)，這種警報(bào)發(fā)生在水平距離<0.75 n mile，垂直間距<400 ft時(shí)，在這種情況下表示系統(tǒng)已經(jīng)預(yù)測(cè)到會(huì)造成Well Clear損失，有必要采取相應(yīng)的機(jī)動(dòng)，系統(tǒng)通過視聽告警發(fā)布糾正警報(bào)給無人機(jī)駕駛員，但是此時(shí)仍有足夠的時(shí)間提前與ATC協(xié)調(diào)進(jìn)行避讓機(jī)動(dòng)，駕駛員首先應(yīng)與ATC進(jìn)行溝通，請(qǐng)求機(jī)動(dòng)許可，當(dāng)接收到ATC發(fā)出的允許指令后，駕駛員執(zhí)行機(jī)動(dòng)以躲避入侵機(jī)。當(dāng)出現(xiàn)DAA警告警報(bào)時(shí)，這種警報(bào)也發(fā)生在水平距離<0.75 n mile，垂直間距<400 ft時(shí)，但是此時(shí)刻表示有明顯Well Clear損失即將發(fā)生，無人機(jī)駕駛員應(yīng)立即根據(jù)系統(tǒng)發(fā)布的決策咨詢建議采取機(jī)動(dòng)，不需要先與ATC進(jìn)行溝通，而應(yīng)在成功完成避讓后再與ATC溝通。以上就是DAA系統(tǒng)根據(jù)分離標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的警報(bào)級(jí)別，無人機(jī)駕駛員在接收到DAA系統(tǒng)發(fā)出的決策咨詢建議后應(yīng)按照正確步驟執(zhí)行。

3 交互時(shí)間線

本文總結(jié)了無人機(jī)在空中發(fā)生遭遇時(shí)，無人機(jī)駕駛員與ATC和飛機(jī)控制系統(tǒng)的交互時(shí)間線［6］。當(dāng)DAA系統(tǒng)發(fā)布警報(bào)時(shí)，將駕駛員與ATC和控制系統(tǒng)的交互時(shí)間分為了以下幾個(gè)階段，如表2所示。

通知時(shí)間（T1-T0）：警報(bào)出現(xiàn)與飛行員開始向ATC傳輸之間的時(shí)間。

初始響應(yīng)時(shí)間（T3-T0）：警報(bào)出現(xiàn)與飛行員首次與無人機(jī)控制界面進(jìn)行明確交互之間的時(shí)間差值。

初始編輯時(shí)間（T4a-T3）：飛行員第一次與無人機(jī)控制界面進(jìn)行明確交互和飛行員第一次上傳機(jī)動(dòng)至無人機(jī)之間的時(shí)間。

總編輯時(shí)間（T4b-T3）：飛行員第一次與無人機(jī)控制界面進(jìn)行明確交互到飛行員最后一次上傳機(jī)動(dòng)至飛機(jī)之間的時(shí)間。（當(dāng)只上傳一次時(shí)，總編輯時(shí)間和初始編輯時(shí)間相同）。

總響應(yīng)時(shí)間（T4-T0）：警報(bào)開始與最終上傳機(jī)動(dòng)至飛機(jī)之間的時(shí)間。

其中應(yīng)值得注意的是，當(dāng)DAA系統(tǒng)發(fā)出警告警報(bào)時(shí)，駕駛員應(yīng)立即采取行動(dòng)，而無需先聯(lián)系A(chǔ)TC（在這種情況下，應(yīng)在沖突解決后通知ATC）。

從交互時(shí)間線來看，飛行員與ATC和控制系統(tǒng)的交互過程包含了多個(gè)方面，其中一環(huán)交互的改變就有可能影響著整個(gè)流程，因此交互過程中所使用的通信系統(tǒng)也是十分重要的，因?yàn)橥ㄐ畔到y(tǒng)通過通信鏈路進(jìn)行信號(hào)的傳輸，而在傳輸?shù)倪^程中就面臨著不確定性的發(fā)生，例如通信延遲過大或是通信鏈路發(fā)生故障嚴(yán)重影響信號(hào)傳輸?shù)那闆r發(fā)生，這都會(huì)影響無人機(jī)駕駛員與ATC進(jìn)行溝通以及駕駛員遠(yuǎn)程操控?zé)o人機(jī)。

4 結(jié)語

本文簡(jiǎn)要介紹了針對(duì)無人機(jī)系統(tǒng)空中防撞問題所研發(fā)的DAA系統(tǒng)的工作原理，重點(diǎn)介紹了DAA系統(tǒng)防撞邏輯，總結(jié)了無人機(jī)在空中發(fā)生遭遇時(shí)與ATC和飛機(jī)控制系統(tǒng)的交互時(shí)間線。未來，無人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)入有人機(jī)空域，與有人機(jī)在低空融合運(yùn)行已成為發(fā)展趨勢(shì)，因此為使得無人機(jī)系統(tǒng)能夠像有人機(jī)那樣在空中更安全地執(zhí)行飛行任務(wù)，有必要針對(duì)無人機(jī)研究空中防撞系統(tǒng)。同時(shí)，DAA系統(tǒng)也給未來融合運(yùn)行下的空中防相撞問題提供了解決思路。

無人機(jī)駕駛員通過通信鏈路遠(yuǎn)程操控?zé)o人機(jī)，但是目前無人機(jī)通信鏈路差異化嚴(yán)重，鏈路制式各異，互相不兼容，而且面對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景以及不同業(yè)務(wù)下對(duì)通信鏈路的需求也比較大，這些問題都影響著通信鏈路的完整性與實(shí)時(shí)性，對(duì)于駕駛員能否正確執(zhí)行機(jī)動(dòng)或能否及時(shí)執(zhí)行機(jī)動(dòng)都是十分重要的，因此如何構(gòu)建高效、可靠、低時(shí)延的通信鏈路是后續(xù)需要進(jìn)一步探索的。

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（編輯 沈 強(qiáng)）

Research on collision avoidance technology of UAV based on detect and avoid system

Wei? Lin1， Yang? Jirui 2*， Lei? Zhongzhou 2， Qi? Meizhao2

（1.School of Flight Technology ， Civil Aviation Flight University of China， Guanghan 618307， China;

2.School of Avionics and Electrical ， Civil Aviation Flight University of China， Guanghan 618307， China）

Abstract： With the reform of the airspace system， the continuous and rapid growth of the number of aircraft will make the low-altitude airspace used by general aviation in the future show the characteristics of high air flow density and large differences in aircraft performance， and the safety interval between aircraft will gradually narrow， which brings great safety risks to pilots. At the same time， the UAV system is developing rapidly， and various types of UAVs have been developed and designed by countries all over the world. In the future， the integrated operation of UAVs and human machines in the airspace has become a development trend. Therefore， in order to enable UAVs to realize over-the-horizon flight like human machines， it is necessary to improve the reliability of the system and reduce the probability of collision in the air. This paper mainly introduces the structure of Detect and Avoid （DAA） system， summarizes the interaction process between UAV and ATC and control system when encountering in the air， focuses on the collision avoidance logic of DAA system， and finally prospects the future operation of UAV integrated into MAV airspace.

Key words： collision avoidance system; collision avoidance logic; UAV; DAA