摘要：隨著民用無人機在物流配送、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)了無人機交通管理系統(tǒng)(UTM)，并開展了大量的驗證試驗。根據(jù)技術(shù)難度，NASA將運行技術(shù)和相關(guān)的飛行驗證試驗分為個技術(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證試驗，根據(jù)各項關(guān)鍵技術(shù)，對試驗內(nèi)容及運行場景等進行了概述，總結(jié)了相關(guān)試驗經(jīng)驗，對中國無人機運行管理系統(tǒng)的試驗設(shè)計提出了建議。
關(guān)鍵詞：無人機交通管理;飛行驗證試驗;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)是指無人駕駛飛機以及供遠程駕駛員安全有效地在國家空域系統(tǒng)里進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及其配套設(shè)備，定義遠程駕駛飛機系統(tǒng)(RPAS)為一套可配置的設(shè)備，包括遠程駕駛飛機、相關(guān)的遠程駕駛站、所需的指揮和控制鏈路以及在運行過程中任何時候可能需要的任何其他系統(tǒng)組件[2]。
無人機技術(shù)論文： 基于認知無人機移動中繼網(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、相關(guān)控制站、所需的指令與控制數(shù)據(jù)鏈路以及批準的型號設(shè)計規(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。近年來，民用無人機在物流配送[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，大量民用無人機進入低空空域。FAA預(yù)測，美國的小型無人機將從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，歐洲休閑類無人機將達到700萬架，政府和商用無人機達到20萬架[9]。無人機規(guī)模數(shù)量的全新增長模式，導(dǎo)致無人機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發(fā)展的關(guān)注熱點從無人機制造技術(shù)轉(zhuǎn)向無人機運行。美國航空航天局(NASA)于2013年提出無人機交通管理(UASTrafficManagement,UTM)的概念[10]，旨在對低空空域內(nèi)的無人機大規(guī)模安全運行進行管理和提供服務(wù)[11]。2020年月，F(xiàn)AA的NextGen辦公室發(fā)布了UTM系統(tǒng)的第二版運行概念[12]，將UTM的飛行驗證試驗根據(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)展藍圖》[13]，以支持無人機在低空和超低空空域安全、高效的運行，由歐盟最大的研發(fā)創(chuàng)新計劃“地平線2020項目”對U-space進行資助，并開展了廣泛的試驗驗證[14]。目前，中國正在發(fā)展無人交通運行管理技術(shù)[15]，并即將開展無人機試驗云系統(tǒng)的開發(fā)和試驗[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證試驗，根據(jù)各項關(guān)鍵技術(shù)，對試驗內(nèi)容及運行場景等進行了概述，總結(jié)了相關(guān)試驗經(jīng)驗，對中國無人機運行管理系統(tǒng)的試驗設(shè)計提出了建議。
1試驗背景
1.1UTM飛行驗證試驗NASA將UTM的開發(fā)驗證分為個階段，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)的試飛驗證。一級技術(shù)能力水平測試的主要是視距內(nèi)無人機在低風(fēng)險地區(qū)的運行;二級技術(shù)能力水平的飛行測試在一級上進行了拓展，主要試驗了無人機在低風(fēng)險地區(qū)的視距內(nèi)和視距外混合運行[17];三級技術(shù)能力水平的測試目的在于測試常態(tài)超視距運行、空中機對機防撞和避讓靜態(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)和驗證主要完成了個任務(wù)：第一是搭建了實驗室仿真環(huán)境[17]，第二是初步試驗了無人機在低風(fēng)險地區(qū)的視距內(nèi)和視距外運行[18]。前個技術(shù)能力水平階段的試驗初步驗證了UTM系統(tǒng)的運行概念，并為后續(xù)無人機超視距運行的飛行試驗奠定了研究基礎(chǔ)。
1.2試驗場景
TCL-3階段的主要研究目標是驗證無人機通信相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，而TCL-4的主要研究目標是收集數(shù)據(jù)，以了解在城市環(huán)境中安全實現(xiàn)大規(guī)模超視距無人機運行的要求，并在飛行測試中評估小型無人機的探測和避讓、通信、導(dǎo)航和遠程識別遠程ID)技術(shù);評估為解決城市運行技術(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測試是基于實際試驗場景，將不同的研究目標集成到每個場景中。NASA設(shè)計了個試驗場景，代表無人機在同一地區(qū)內(nèi)全天的運行，從而研究測試UTM的各項重點功能，試驗場景包括：
(1)多個任務(wù)類型的無人機正在城市環(huán)境中高密度地運行，在該地區(qū)模擬一個突發(fā)氣象事件，進而以無人機空間保留(UVR)的形式建立一個警告區(qū)域。在UVR內(nèi)正在運行或計劃在該區(qū)域運行的無人機通過返回起點、重新規(guī)劃使用與其他運行不沖突的安全著陸點，或避免在UVR內(nèi)起飛來應(yīng)對突發(fā)事件。(2)多種類型的無人機因為一場音樂會在某個地區(qū)同時運行，空域容量達到了中高流量密度。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，進而建立了UVR，以供公共安全UTM應(yīng)急響應(yīng)，進而取消該地區(qū)非必要的無人機運行。清理UVR的運行必須重新規(guī)劃路徑和沖突緩解，以確保無人機安全離場。UTM系統(tǒng)的遠程ID識別系統(tǒng)用于識別和聯(lián)系尚未撤離該區(qū)域的無人機運營人。此外，除了公共安全無人機外，還允許新聞報道無人機使用UVR。
(3)中等流量密度的無人機在機場附近運行，因此需要特定的遠程ID識別以及安全響應(yīng)來監(jiān)視機場附近的情況，并報告有關(guān)信息。有人駕駛通航飛機正在該地區(qū)飛行，其中一架飛機的飛行路徑與UTM運行空間發(fā)生沖突，無人機運營人隨后做出響應(yīng);另一架運行的無人機模擬進入通信中斷和違規(guī)狀態(tài)，附近的其他無人機收到相關(guān)信息，進而進行避讓。(4)高流量密度的無人機在城市環(huán)境中模擬運行，一架無人機由于電池電量低需要立即著陸，因此附近運行的無人機需要重新規(guī)劃路徑并避讓著陸過程中的無人機;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)急管理程序來進行響應(yīng)。在該場景中，需要請求遠程ID識別服務(wù)，用于識別報告在同一地區(qū)運行的無人機。
2演示試驗內(nèi)容
2.1無人機通信
NASA的TCL-3階段主要測試無人機超視距運行，主要包括運行概念組、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。不同于有人駕駛飛機，無人機需要通過數(shù)據(jù)鏈路精確及時地向運營人和監(jiān)管機構(gòu)回傳數(shù)據(jù)，并向空域內(nèi)其他無人機分享態(tài)勢信息，因此無人機數(shù)據(jù)交互技術(shù)和通信技術(shù)是保障超視距運行安全的核心技術(shù);另一方面，無人機的大規(guī)模運行將會對公共安全和居民隱私帶來一定的隱患，因此無人機的身份識別也是亟需驗證的重要功能。
2.1.1無人機信息報告服務(wù)
在TCL-3階段的數(shù)據(jù)和信息交換試驗中，NASA測試了“無人機信息報告”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目視信息，從而增強對空域和天氣信息的感知，以提高遠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數(shù)據(jù)請求，從而共享UTM各參與方發(fā)送的報告。UREP試驗通過飛行仿真或飛行試驗，將生成的數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器，其他地區(qū)的無人機運營人向服務(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)進行數(shù)據(jù)交換的USS。數(shù)據(jù)端點是簡單的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)議實現(xiàn)的。
NASA提出了一種無人機自動故障管理系統(tǒng)(S2D)，該系統(tǒng)通過讓無人機執(zhí)行應(yīng)急備降，避免對地面人員和財產(chǎn)造成損失，并最大限度地保留無人機和載荷[41]。該系統(tǒng)提出迫降點概念，表示最優(yōu)的應(yīng)急著陸點。S2D系統(tǒng)包括無人機健康監(jiān)測、著陸點選擇、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。
3.1TCL-3階段飛行試驗總結(jié)
在TCL-3階段，NASA根據(jù)無人機超視距運行條件下對UTM系統(tǒng)的實際需求，主要針對運行概念、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。TCL-3階段開展的飛行驗證試驗主要針對無人機超視距運行的信息傳輸功能。根據(jù)UTM系統(tǒng)運行概念，確保無人機安全公平地進入公共低空空域的前提是各參與方的合作，不同于傳統(tǒng)運輸航空，無人機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)為無人機提供服務(wù)的核心技術(shù)。
3.2TCL-4階段飛行試驗總結(jié)
TCL-4階段進行的試驗專注于無人機城市場景的大規(guī)模運行的驗證。TCL-4階段NASA提出了SAFE50概念，即“最后50英尺無人機安全自主飛行環(huán)境”(1英尺0.3048m)，該概念是對無人機城市運行場景的匯總和凝練，該環(huán)境中對UTM系統(tǒng)各模塊進行了集成，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階段的試驗是在TCL-3驗證成熟的無人機超視距運行技術(shù)的基礎(chǔ)上，以實際運行場景驅(qū)動的飛行試驗，也是對UTM運行概念的驗證試驗，進而測試了NASA開發(fā)的UTM系統(tǒng)在實際運行場景下的可靠性。
3.3NASA飛行試驗總結(jié)
從技術(shù)發(fā)展階段來看，TCL-3階段解決的是無人機運行的技術(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運行的應(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，將分散的各項單獨技術(shù)吸納入UTM系統(tǒng)，進而實現(xiàn)完整的無人機交通管理功能。
(2)從TCL-3階段開始，UTM系統(tǒng)的飛行試驗主要聚焦于無人機的超視距運行，因此穩(wěn)定精確的遠程數(shù)據(jù)通信成為保障無人機運行安全的核心需求。TCL-3階段開展的飛行試驗主要圍繞無人機的數(shù)據(jù)交互，例如，無人機信息報告是無人機直接向USS和運營人報告當前飛行狀態(tài)及態(tài)勢，無人機遠程ID識別技術(shù)向公眾或監(jiān)管部門傳輸無人機身份信息，而后續(xù)的感知避讓、監(jiān)視導(dǎo)航等技術(shù)均是基于無人機遠程信息傳輸基礎(chǔ)發(fā)展的，信息傳輸?shù)耐〞澈蜏蚀_是保證無人機超視距運行的關(guān)鍵技術(shù)。
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作者：王茂霖1,2，呂人力1,2，管祥民
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