摘要：隨著民用無人機(jī)在物流配送、地理信息探測和應(yīng)急救援等領(lǐng)域的快速發(fā)展，美國聯(lián)邦航空局(FAA)和美國航空航天局(NASA)合作開發(fā)了無人機(jī)交通管理系統(tǒng)(UTM)，并開展了大量的驗(yàn)證試驗(yàn)。根據(jù)技術(shù)難度，NASA將運(yùn)行技術(shù)和相關(guān)的飛行驗(yàn)證試驗(yàn)分為個技術(shù)能力水平階段，其中第三和第四階段是UTM試驗(yàn)的核心階段，也是技術(shù)難度最高的個階段。論文整理了美國無人機(jī)交通管理系統(tǒng)第三和第四技術(shù)能力水平階段的飛行驗(yàn)證試驗(yàn)，根據(jù)各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，對試驗(yàn)內(nèi)容及運(yùn)行場景等進(jìn)行了概述，總結(jié)了相關(guān)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，對中國無人機(jī)運(yùn)行管理系統(tǒng)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)提出了建議。

　　關(guān)鍵詞：無人機(jī)交通管理;飛行驗(yàn)證試驗(yàn);數(shù)據(jù)交換;感知與避讓;通信監(jiān)視與導(dǎo)航

　　各個國家或國際組織對無人駕駛航空系統(tǒng)(unmannedaircraftsystem，UAS)的定義略有差異。根據(jù)美國聯(lián)邦航空局(FAA)的定義，無人駕駛航空系統(tǒng)是指無人駕駛飛機(jī)以及供遠(yuǎn)程駕駛員安全有效地在國家空域系統(tǒng)里進(jìn)行飛行操縱的必需配套設(shè)備，包括通信鏈路和飛行控制設(shè)備等[1]。歐洲航空安全局(EASA)定義無人駕駛航空系統(tǒng)為在無人駕駛的情況下操縱的飛機(jī)及其配套設(shè)備，定義遠(yuǎn)程駕駛飛機(jī)系統(tǒng)(RPAS)為一套可配置的設(shè)備，包括遠(yuǎn)程駕駛飛機(jī)、相關(guān)的遠(yuǎn)程駕駛站、所需的指揮和控制鏈路以及在運(yùn)行過程中任何時候可能需要的任何其他系統(tǒng)組件[2]。

　　無人機(jī)技術(shù)論文： 基于認(rèn)知無人機(jī)移動中繼網(wǎng)絡(luò)的物理層安全通信研究

　　在中國，民航局將無人駕駛航空系統(tǒng)定義為由無人機(jī)、相關(guān)控制站、所需的指令與控制數(shù)據(jù)鏈路以及批準(zhǔn)的型號設(shè)計(jì)規(guī)定的任何其他部件組成的系統(tǒng)[3]。在本論文中，將無人駕駛航空系統(tǒng)簡稱為無人機(jī)。近年來，民用無人機(jī)在物流配送[4]、應(yīng)急救援[5]、空中拍攝[6]和地理信息探測[7]等領(lǐng)域發(fā)展迅速，大量民用無人機(jī)進(jìn)入低空空域。FAA預(yù)測，美國的小型無人機(jī)將從2019年的110萬架增長到2022年的240萬架，2023年美國注冊的非航模小型無人機(jī)將從2018年的27萬架增長到83萬架左右[8]。歐盟預(yù)測，到2025年，歐洲休閑類無人機(jī)將達(dá)到700萬架，政府和商用無人機(jī)達(dá)到20萬架[9]。無人機(jī)規(guī)模數(shù)量的全新增長模式，導(dǎo)致無人機(jī)的空域使用問題成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵難題。

　　全球各國和國際組織開始將無人機(jī)發(fā)展的關(guān)注熱點(diǎn)從無人機(jī)制造技術(shù)轉(zhuǎn)向無人機(jī)運(yùn)行。美國航空航天局(NASA)于2013年提出無人機(jī)交通管理(UASTrafficManagement,UTM)的概念[10]，旨在對低空空域內(nèi)的無人機(jī)大規(guī)模安全運(yùn)行進(jìn)行管理和提供服務(wù)[11]。2020年月，F(xiàn)AA的NextGen辦公室發(fā)布了UTM系統(tǒng)的第二版運(yùn)行概念[12]，將UTM的飛行驗(yàn)證試驗(yàn)根據(jù)需要測試的功能分為個技術(shù)能力水平階段。

　　另一方面，歐洲于2017年正式提出《U-space的概念與發(fā)展藍(lán)圖》[13]，以支持無人機(jī)在低空和超低空空域安全、高效的運(yùn)行，由歐盟最大的研發(fā)創(chuàng)新計(jì)劃“地平線2020項(xiàng)目”對U-space進(jìn)行資助，并開展了廣泛的試驗(yàn)驗(yàn)證[14]。目前，中國正在發(fā)展無人交通運(yùn)行管理技術(shù)[15]，并即將開展無人機(jī)試驗(yàn)云系統(tǒng)的開發(fā)和試驗(yàn)[16]。本文整理了NASA的UTM系統(tǒng)第三和第四技術(shù)能力水平階段的飛行驗(yàn)證試驗(yàn)，根據(jù)各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，對試驗(yàn)內(nèi)容及運(yùn)行場景等進(jìn)行了概述，總結(jié)了相關(guān)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，對中國無人機(jī)運(yùn)行管理系統(tǒng)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)提出了建議。

　　1試驗(yàn)背景

　　1.1UTM飛行驗(yàn)證試驗(yàn)NASA將UTM的開發(fā)驗(yàn)證分為個階段，其稱之為技術(shù)能力水平階段(technicalcapabilitylevel,TCL)，即TCL-1、TCL-2、TCL-3、TCL-4，已分別于2015、2016、2018和2019年完成相關(guān)的試飛驗(yàn)證。一級技術(shù)能力水平測試的主要是視距內(nèi)無人機(jī)在低風(fēng)險地區(qū)的運(yùn)行;二級技術(shù)能力水平的飛行測試在一級上進(jìn)行了拓展，主要試驗(yàn)了無人機(jī)在低風(fēng)險地區(qū)的視距內(nèi)和視距外混合運(yùn)行[17];三級技術(shù)能力水平的測試目的在于測試常態(tài)超視距運(yùn)行、空中機(jī)對機(jī)防撞和避讓靜態(tài)障礙物等能力;四級技術(shù)能力水平的測試目的在于超視距運(yùn)行、跟蹤和定位、避讓動態(tài)障礙物，以及處理大規(guī)模突發(fā)事件等能力。

　　在正式展開TCL-3階段的測試之前，NASA已在2016年月完成了前個技術(shù)能力水平的測試，TCL1-2階段的開發(fā)和驗(yàn)證主要完成了個任務(wù)：第一是搭建了實(shí)驗(yàn)室仿真環(huán)境[17]，第二是初步試驗(yàn)了無人機(jī)在低風(fēng)險地區(qū)的視距內(nèi)和視距外運(yùn)行[18]。前個技術(shù)能力水平階段的試驗(yàn)初步驗(yàn)證了UTM系統(tǒng)的運(yùn)行概念，并為后續(xù)無人機(jī)超視距運(yùn)行的飛行試驗(yàn)奠定了研究基礎(chǔ)。

　　1.2試驗(yàn)場景

　　TCL-3階段的主要研究目標(biāo)是驗(yàn)證無人機(jī)通信相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，而TCL-4的主要研究目標(biāo)是收集數(shù)據(jù)，以了解在城市環(huán)境中安全實(shí)現(xiàn)大規(guī)模超視距無人機(jī)運(yùn)行的要求，并在飛行測試中評估小型無人機(jī)的探測和避讓、通信、導(dǎo)航和遠(yuǎn)程識別遠(yuǎn)程ID)技術(shù);評估為解決城市運(yùn)行技術(shù)挑戰(zhàn)而開發(fā)的統(tǒng)一技術(shù)服務(wù);并確定現(xiàn)有技術(shù)能力方面的差距，以便使城市業(yè)務(wù)得以開展。TCL-4測試是基于實(shí)際試驗(yàn)場景，將不同的研究目標(biāo)集成到每個場景中。NASA設(shè)計(jì)了個試驗(yàn)場景，代表無人機(jī)在同一地區(qū)內(nèi)全天的運(yùn)行，從而研究測試UTM的各項(xiàng)重點(diǎn)功能，試驗(yàn)場景包括：

　　(1)多個任務(wù)類型的無人機(jī)正在城市環(huán)境中高密度地運(yùn)行，在該地區(qū)模擬一個突發(fā)氣象事件，進(jìn)而以無人機(jī)空間保留(UVR)的形式建立一個警告區(qū)域。在UVR內(nèi)正在運(yùn)行或計(jì)劃在該區(qū)域運(yùn)行的無人機(jī)通過返回起點(diǎn)、重新規(guī)劃使用與其他運(yùn)行不沖突的安全著陸點(diǎn)，或避免在UVR內(nèi)起飛來應(yīng)對突發(fā)事件。(2)多種類型的無人機(jī)因?yàn)橐粓鲆魳窌�在某個地區(qū)同時運(yùn)行，空域容量達(dá)到了中高流量密度。在該地模擬發(fā)生火災(zāi)或醫(yī)療緊急情況等突發(fā)事件，進(jìn)而建立了UVR，以供公共安全UTM應(yīng)急響應(yīng)，進(jìn)而取消該地區(qū)非必要的無人機(jī)運(yùn)行。清理UVR的運(yùn)行必須重新規(guī)劃路徑和沖突緩解，以確保無人機(jī)安全離場。UTM系統(tǒng)的遠(yuǎn)程ID識別系統(tǒng)用于識別和聯(lián)系尚未撤離該區(qū)域的無人機(jī)運(yùn)營人。此外，除了公共安全無人機(jī)外，還允許新聞報道無人機(jī)使用UVR。

　　(3)中等流量密度的無人機(jī)在機(jī)場附近運(yùn)行，因此需要特定的遠(yuǎn)程ID識別以及安全響應(yīng)來監(jiān)視機(jī)場附近的情況，并報告有關(guān)信息。有人駕駛通航飛機(jī)正在該地區(qū)飛行，其中一架飛機(jī)的飛行路徑與UTM運(yùn)行空間發(fā)生沖突，無人機(jī)運(yùn)營人隨后做出響應(yīng);另一架運(yùn)行的無人機(jī)模擬進(jìn)入通信中斷和違規(guī)狀態(tài)，附近的其他無人機(jī)收到相關(guān)信息，進(jìn)而進(jìn)行避讓。(4)高流量密度的無人機(jī)在城市環(huán)境中模擬運(yùn)行，一架無人機(jī)由于電池電量低需要立即著陸，因此附近運(yùn)行的無人機(jī)需要重新規(guī)劃路徑并避讓著陸過程中的無人機(jī);接著發(fā)生了大規(guī)模的通信和導(dǎo)航中斷事件，需要應(yīng)急管理程序來進(jìn)行響應(yīng)。在該場景中，需要請求遠(yuǎn)程ID識別服務(wù)，用于識別報告在同一地區(qū)運(yùn)行的無人機(jī)。

　　2演示試驗(yàn)內(nèi)容

　　2.1無人機(jī)通信

　　NASA的TCL-3階段主要測試無人機(jī)超視距運(yùn)行，主要包括運(yùn)行概念組、數(shù)據(jù)交換組、通信導(dǎo)航監(jiān)視組和感知避讓組，各個大組按照相應(yīng)的主題組織試驗(yàn)。不同于有人駕駛飛機(jī)，無人機(jī)需要通過數(shù)據(jù)鏈路精確及時地向運(yùn)營人和監(jiān)管機(jī)構(gòu)回傳數(shù)據(jù)，并向空域內(nèi)其他無人機(jī)分享態(tài)勢信息，因此無人機(jī)數(shù)據(jù)交互技術(shù)和通信技術(shù)是保障超視距運(yùn)行安全的核心技術(shù);另一方面，無人機(jī)的大規(guī)模運(yùn)行將會對公共安全和居民隱私帶來一定的隱患，因此無人機(jī)的身份識別也是亟需驗(yàn)證的重要功能。

　　2.1.1無人機(jī)信息報告服務(wù)

　　在TCL-3階段的數(shù)據(jù)和信息交換試驗(yàn)中，NASA測試了“無人機(jī)信息報告”技術(shù)(UREP)，該技術(shù)用于UTM系統(tǒng)各參與方交換天氣和無人機(jī)目視信息，從而增強(qiáng)對空域和天氣信息的感知，以提高遠(yuǎn)程飛行員安全飛行的能力。UREP由客戶端系統(tǒng)生成并發(fā)送到中央數(shù)據(jù)服務(wù)，數(shù)據(jù)服務(wù)提供訂閱功能并批準(zhǔn)數(shù)據(jù)請求，從而共享UTM各參與方發(fā)送的報告。UREP試驗(yàn)通過飛行仿真或飛行試驗(yàn)，將生成的數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器，其他地區(qū)的無人機(jī)運(yùn)營人向服務(wù)器發(fā)起數(shù)據(jù)請求以測試UREP服務(wù)[19]。

　　UREP服務(wù)基于表述性狀態(tài)轉(zhuǎn)移原理(REST)，其中數(shù)據(jù)服務(wù)器基于JAVA語言，部署在亞馬遜云服務(wù)器上，并由關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(RDBMS)支持，由PostGIS插件向數(shù)據(jù)庫提供地理空間數(shù)據(jù)和查詢功能。REST應(yīng)用程序編程接口是使用OpenAPI規(guī)范2.0定義的，并提供給所有需要與該服務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的USS。數(shù)據(jù)端點(diǎn)是簡單的HTTPGET和PUT調(diào)用，從而交換UREP數(shù)據(jù)。

　　數(shù)據(jù)模型也是在OpenAPI規(guī)范中定義的，它嚴(yán)格按照FAA的飛行報告(PIREP)數(shù)據(jù)交換格式建模，但UREP增加了報告目視飛機(jī)的功能，這是PIREP不允許的，這在UREP內(nèi)被稱為“pointout”[20]。TCL-3部署的UREP體系架構(gòu)還提供了一個數(shù)據(jù)訂閱服務(wù)，以便發(fā)送到UREP服務(wù)的任何更新數(shù)據(jù)都將返回給所有訂閱的USS，該訂閱功能是使用簡單的面向文本的消息傳遞協(xié)議實(shí)現(xiàn)的。

　　NASA提出了一種無人機(jī)自動故障管理系統(tǒng)(S2D)，該系統(tǒng)通過讓無人機(jī)執(zhí)行應(yīng)急備降，避免對地面人員和財(cái)產(chǎn)造成損失，并最大限度地保留無人機(jī)和載荷[41]。該系統(tǒng)提出迫降點(diǎn)概念，表示最優(yōu)的應(yīng)急著陸點(diǎn)。S2D系統(tǒng)包括無人機(jī)健康監(jiān)測、著陸點(diǎn)選擇、視覺輔助著陸、導(dǎo)航路線優(yōu)化器、智能總線和自適應(yīng)控制等模塊。

　　3總結(jié)與討論

　　本文從無人機(jī)數(shù)據(jù)交互、感知與避讓、監(jiān)視與導(dǎo)航、低空空域劃分以及應(yīng)急處理技術(shù)等方面整理了NASA研發(fā)的UTM系統(tǒng)在TCL-3和TCL-4階段的若干飛行試驗(yàn)。

　　3.1TCL-3階段飛行試驗(yàn)總結(jié)

　　在TCL-3階段，NASA根據(jù)無人機(jī)超視距運(yùn)行條件下對UTM系統(tǒng)的實(shí)際需求，主要針對運(yùn)行概念、數(shù)據(jù)交換、感知避讓以及通信導(dǎo)航監(jiān)視功能展開了飛行試驗(yàn)。TCL-3階段開展的飛行驗(yàn)證試驗(yàn)主要針對無人機(jī)超視距運(yùn)行的信息傳輸功能。根據(jù)UTM系統(tǒng)運(yùn)行概念，確保無人機(jī)安全公平地進(jìn)入公共低空空域的前提是各參與方的合作，不同于傳統(tǒng)運(yùn)輸航空，無人機(jī)無法直接接收空管系統(tǒng)的語音信息并做出響應(yīng)，因此保證信息的傳輸通暢是保障UTM系統(tǒng)為無人機(jī)提供服務(wù)的核心技術(shù)。

　　3.2TCL-4階段飛行試驗(yàn)總結(jié)

　　TCL-4階段進(jìn)行的試驗(yàn)專注于無人機(jī)城市場景的大規(guī)模運(yùn)行的驗(yàn)證。TCL-4階段NASA提出了SAFE50概念，即“最后50英尺無人機(jī)安全自主飛行環(huán)境”(1英尺0.3048m)，該概念是對無人機(jī)城市運(yùn)行場景的匯總和凝練，該環(huán)境中對UTM系統(tǒng)各模塊進(jìn)行了集成，并關(guān)注了大規(guī)模緊急情況下UTM系統(tǒng)各參與方的應(yīng)急處理技術(shù)。TCL-4階段的試驗(yàn)是在TCL-3驗(yàn)證成熟的無人機(jī)超視距運(yùn)行技術(shù)的基礎(chǔ)上，以實(shí)際運(yùn)行場景驅(qū)動的飛行試驗(yàn)，也是對UTM運(yùn)行概念的驗(yàn)證試驗(yàn)，進(jìn)而測試了NASA開發(fā)的UTM系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行場景下的可靠性。

　　3.3NASA飛行試驗(yàn)總結(jié)

　　從技術(shù)發(fā)展階段來看，TCL-3階段解決的是無人機(jī)運(yùn)行的技術(shù)瓶頸問題，而TCL-4階段解決的是將已有技術(shù)用于城市場景無人機(jī)運(yùn)行的應(yīng)用問題。

　　(1)分析NASA公布的技術(shù)文檔可得，UTM系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的大量功能是基于已有的成熟技術(shù)，如基于DSRC和ADS-B的遠(yuǎn)距離通信、基于A*算法的飛行路徑規(guī)劃、基于Reflection架構(gòu)的半物理仿真技術(shù)等，UTM系統(tǒng)從提出概念到推出原型系統(tǒng)，僅用了5a左右時間，在開發(fā)過程中，NASA更多地將精力投入到系統(tǒng)集成方面，即制定統(tǒng)一的接口，將分散的各項(xiàng)單獨(dú)技術(shù)吸納入UTM系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)完整的無人機(jī)交通管理功能。

　　(2)從TCL-3階段開始，UTM系統(tǒng)的飛行試驗(yàn)主要聚焦于無人機(jī)的超視距運(yùn)行，因此穩(wěn)定精確的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信成為保障無人機(jī)運(yùn)行安全的核心需求。TCL-3階段開展的飛行試驗(yàn)主要圍繞無人機(jī)的數(shù)據(jù)交互，例如，無人機(jī)信息報告是無人機(jī)直接向USS和運(yùn)營人報告當(dāng)前飛行狀態(tài)及態(tài)勢，無人機(jī)遠(yuǎn)程ID識別技術(shù)向公眾或監(jiān)管部門傳輸無人機(jī)身份信息，而后續(xù)的感知避讓、監(jiān)視導(dǎo)航等技術(shù)均是基于無人機(jī)遠(yuǎn)程信息傳輸基礎(chǔ)發(fā)展的，信息傳輸?shù)耐〞澈蜏?zhǔn)確是保證無人機(jī)超視距運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)。

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　　作者：王茂霖1,2，呂人力1,2，管祥民