无人机低空域安全飞行管理概述_周航

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3.1
空中交通管理系统
概念的提出 由于无人机的迅猛增长，如何对其进行监督
和控制成为亟待解决的问题。传统的空中交通管 理（ ATM：Air Traffic Management）系统已经无法 满足未来的需求，这不仅是由现有 ATM 基础设施 的自身原因所造成，还因为要控制这些大型无人 机网络会提出不同的人员需求。因此，需要提出 一种新的 ATM 模式对这种大型 UAV 网络进行监管 分析和控制。推荐的 ATM 系统融合了人员动态学 和使用了计算技术的全新操作支持系统，如尝试 在人机协作的模式下为人员提供支持。
Abstract:
UAVs offer a unique range of features such as ultra-long endurance and high flexibility acceptance, which
cannot be reasonably performed by manned aircraft. Coupled with advances in automation and sensor technologies, as well as the potential for costs savings, it is no doubt that enthusiasm in and demand for UAVs is on the rise both in civil and military application. How to effectively perform air traffic control has become top priority. This paper discussed a proposed air traffic management system which can realize flight path optimization and confliction avoidance. It can also manage and distribute task from strategic and tactical perspectives to seamlessly supervise the network and ensure flight safety of UAV ultimately.
术的不断进步，无人机在成本方面的巨大优势使其在军事和民用领域的应用日益增多。如何在今后的空域环境 中对无人机进行有效的空中交通管理成为首要考虑的问题。 本文针对今后无人机空中交通管理提出了一些设想， 建议采取基于网络的空中交通控制模式，通过自动路径优化和协作以避免发生冲突，并从战略和战术层面对任 务进行管理和分配，实现对网络的无缝化监管，确保空域内无人机的安全飞行。
况，如野蛮操作和网络密度超出预期水平。该数 据还可协助自动发现网络中的问题，能实现这些 目标的固定传感器包括：a）分布式位置雷达；b ） 分布式超宽带定位。
图1
系统概览图
2）操作环境气象雷达 该数据是识别与气象相关信息的关键，而这 些气象信息可能会对系统产生灾难性的影响。能 实现该目标的传感器包括： a）分布式气象雷达； b ）分布式雷电探测； c）分布式低空风切变传感 器。 3）卫星成像数据 该 数 据 用 于确 认 来 自其 它 传 感 器 的探 测 数 据，也是应对紧急情况的关键工具。该数据将由 对地静止成像卫星提供。 （2 ）UAV 网络 直接来自 UAV 的数据是系统实现优化执行的 必要信息，即 UAV 的绝对位置和相对位置数据。 除了前文提及的绝对位置信息需求以外， 该 网络还要支持网络中有人飞机和无人飞机相对位 置的通信，可借助小型机载 GPS 设备，将其整合 到机上自动相关监视广播系统中，这些设备反复 广播的数据不仅包括 UAV 的位置信息，还包含飞 行路径等其他信息，而且能收到附近由其他飞行 器发送的类似方位信息。可实现该目标的传感器 包括：a）机上全球定位系统； b）机上自动相关监 视广播； c）惯性导航系统。 来自 UAV 的数据包括： 1）局部位置预测 该数据可判断飞行器之间是否存在由于间距 过近而引发坠毁的风险，还是用于显示空域对于 当前操作而言并不充分的一个指标。可辅助探测
ZHOU Hang1,DAI Shu-rong2
(1.China National Aeronautical Radio Electronics Research Institute，Shanghai 200241，China； 2. Office of the Military Representatives to Shanghai Avionics Corporation, Shanghai 200233, China)
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无人机的安全性
无人机在商业环境的应用正日益增长，据美
国联邦航空管理局（ FAA）预测，2020 年以前将部 署约 15000 架无人机，从而面临无人机要与有人机 共享飞行空域的需求。无人机执行任务和进行训 练都需要使用空域，如果无人机不能按照预定需 求进入所需空域飞行的话，其作用势必会大打折 扣，并会限制无人机系统产业的健康发展。目前 尽管无人机还不能与有人机共享同一空域进行例 行飞行，但在特许条件下可进入非隔离空域中飞 行。如何对数量如此庞大的无人机进行监督和控 制，以保证安全飞行成为我们需要认真思考的问 题。 2.1 自身安全性 无人机自身的安全性是保障飞行安全的前提 条件，它受设计、制造、机载设备性能以及飞行 器对恶劣环境的适应能力等因素的制约。根据美 国的一项调查表明，37%的无人机飞行事故源于发 动机及其控制模块故障，而无人机的导航、飞行
பைடு நூலகம்
Key words: unmanned aerial vehicle (UAV); air traffic management system; air traffic analysts(ATA); air traffic
operatives(ATO)
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引言
在无人机（UAV ：Unmanned Aerial Vehicle）飞
控制系统以及软件的可靠性则成为影响安全飞行 的第二大因素。美国 2007～ 2032 年的无人机路线 图中对灾难性事故率进行了分析，发现无人机的 灾难性事故率比有人军用飞机高出 1 ～ 2 个数量 级。 按预定航线飞行的准确性取决于无人机的导 航精度、飞行控制精度以及飞机和设备的抗干扰 能力，同时还受到气候条件和电磁环境等影响， 无人机能够“准确飞行”是实现安全飞行的必要 前提。提高无人机自身安全性的举措包括：改进 发动机、提高动力系统、传感器系统及相关软件 等的可靠性，进行有别于有人驾驶飞机的独立设 计。 2.2 全空域飞行 无人机进入非隔离空域将产生与其他无人机 和有人机之间的空中交通管理问题。为此，美国 已 经建 立了防 止无 人机与 有人 机发生 碰撞 的机 制，但还没有达到所需的安全程度，还应该提出 更可靠的方案；欧洲空管局则建议在欧洲非隔离 空 域内 飞行的 军用 无人机， 主 要运行 模式 应在 “飞行员”的管理下进行，而在数据链损失的情 况下，保留以全自主飞行作为安全模式，因此无 人机“飞行员”将对非管制空域内规定的安全间 隔和空中防撞负责；而国内无人机的每次飞行基 本上是“特事特办”，严格限制在隔离空域中飞 行，这无疑阻碍了无人机的研制和发展。
June 2015 Vol.46 No.2 (serial No.160)
航 空 电 子 技 术
AVIONICS
TECHNOLOGY
为确保日益增多的无人机可在今后的商业应 用中实现安全有效的飞行，需要提出一种基于网 络的空中交通控制模式，通过自动路径优化和协 作以避免发生冲突。该系统要防止与附近的有人 和无人设备发生冲突，还要对突然进近的飞机做 出响应。这种基于网络的控制模式需要操作员能 够对一组低空域飞行的协作式自主 UAV 进行监 督。这种网络需要新的算法和更强的自主性为协 作式冲突避让和高级监管控制提供支持，还可让 操作员了解一组 UAV 的实时情况，因此，我们推 荐 一种 模式切 换的 多层分 布式 空中交 通控 制理 念，关注低空域和高密度的 UAV 操作。这种新的 架构包括一组分析员可从战略层面对 UAV 网络进 行全局分析，还有专门的操作员会根据分析员所 提供的信息对 UAV 网络进行具体操作。所推荐的 操 作支 持系统 包括 对网络 中的 问题进 行自 动识 别，并能自动将任务优化分配给最佳人选。该架 构结合了当前空中交通控制技术及其他在网络和 云计算管理等领域中用到的排故技术。
同，无人机也具有不同的装备和能力。为保证这 些不同种类的无人机在低空域内与通用航空器、 直升机和滑翔机等实现安全飞行，在提高无人机 自身安全性的基础上，还必须建立科学的空中交 通管理机制，解决好无人机与有人机在共同空域 内的安全飞行问题。
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行 频次 不断增 加以 及应用 范围 日益扩 展的 情况 下 ，对 其在空 域内 安全飞 行的 需求也 在不 断提 高 。根 据可承 受性 、任务 需求 和应用 领域 的不
无人机低空域安全飞行管理概述 周航等
2015 年 6 月第 46 卷第 2 期 (总第 160 期)
无人机低空域安全飞行管理概述
周 航 1，戴苏榕 2
（1. 中国航空无线电电子研究所，上海 200241；2. 空军驻上海航空电子公司军事代表室，上海 200233）
[摘 要]
无人机具备的飞行时间长和灵活性高等特点是许多有人机无法比拟的优势。随着自动化和传感器技
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无人机低空域安全飞行管理概述 周航等
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首先，该系统要让人员在预见性和被动情况 下确保这种复杂网络的安全性。其次，系统必须 对可扩展性进行优先级排序，便于为今后的商业 操作提供支持。最后，系统还必须确保人员以最 佳方式对 UAV 进行操作。上述构想的关键因素在 于，至少在操作的初级阶段是希望这种低空域、 高密度的 UAV 管理系统应与有人空中交通控制系 统并行操作，二者之间要进行协作，尤其是在交 通流量密集的机场交通区域。 3.2 功能描述 空中交通管理系统就是要通过提供诸如空域 设计和动态配置、规避恶劣天气和强风、拥堵管 理、地形规避、路径规划和再规划、间隔管理、 排队和间距以及意外管理等服务，从而确保无人 机在低空域内的安全飞行和有效操作。系统需要 为多种类型的无人机提供支持，既包括只装备了 少量航电设备的无人机，也包括了自动化程度极 高的无人机 。 ATM 系统需要的输入信息包括： UAV 任务/商业飞行路径或轨迹、实时的气象和风 向 信息 ，气象 和风 向信息 预报 、空域 的限 制信 息、敏感区域的需求、包括了人造结构和自然地 形的三维地图等。空中交通管理系统需要有持续 的通信、导航和监视以确保满足了需求条件。这 些信息可以通过低空域雷达、卫星以及其他方式 获得。 3.3 系统概览 这种空中交通管理模式包括三个核心因素， 如图 1 所示。将这种架构设计成可为人员团队动 态、数据处理和人机交互提供支持，旨在辅助发 现 UAV 网络中的问题并提出相应的解决方案。 （ 1）传感器网络 未来的空中交通管理系统需要一组传感器作 为支撑，它能提供有关 UAV 网络的信息。希望经 处理后的数据类型可供空中交通管理系统使用， 而且下一代系统可利用传感器来满足数据组群的 需求。数据类型包括： 1） UAV 的地理位置 该数据是指明所有 UAV 在网络中所处位置的 关键信息，它有助于 ATM 探测出网络中的违例情