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    經濟論文

    NASA無人機交通管理系統飛行驗證試驗概述

    時間:2021年09月28日 所屬分類:經濟論文 點擊次數:

    摘要:隨著民用無人機在物流配送、地理信息探測和應急救援等領域的快速發展,美國聯邦航空局(FAA)和美國航空航天局(NASA)合作開發了無人機交通管理系統(UTM),并開展了大量的驗證試驗。根據技術難度,NASA將運行技術和相關的飛行驗證試驗分為個技術能力水平

      摘要:隨著民用無人機在物流配送、地理信息探測和應急救援等領域的快速發展,美國聯邦航空局(FAA)和美國航空航天局(NASA)合作開發了無人機交通管理系統(UTM),并開展了大量的驗證試驗。根據技術難度,NASA將運行技術和相關的飛行驗證試驗分為個技術能力水平階段,其中第三和第四階段是UTM試驗的核心階段,也是技術難度最高的個階段。論文整理了美國無人機交通管理系統第三和第四技術能力水平階段的飛行驗證試驗,根據各項關鍵技術,對試驗內容及運行場景等進行了概述,總結了相關試驗經驗,對中國無人機運行管理系統的試驗設計提出了建議。

      關鍵詞:無人機交通管理;飛行驗證試驗;數據交換;感知與避讓;通信監視與導航

    無人機論文

      各個國家或國際組織對無人駕駛航空系統(unmannedaircraftsystem,UAS)的定義略有差異。根據美國聯邦航空局(FAA)的定義,無人駕駛航空系統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里進行飛行操縱的必需配套設備,包括通信鏈路和飛行控制設備等[1]。歐洲航空安全局(EASA)定義無人駕駛航空系統為在無人駕駛的情況下操縱的飛機及其配套設備,定義遠程駕駛飛機系統(RPAS)為一套可配置的設備,包括遠程駕駛飛機、相關的遠程駕駛站、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組件[2]。

      無人機技術論文: 基于認知無人機移動中繼網絡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定義為由無人機、相關控制站、所需的指令與控制數據鏈路以及批準的型號設計規定的任何其他部件組成的系統[3]。在本論文中,將無人駕駛航空系統簡稱為無人機。近年來,民用無人機在物流配送[4]、應急救援[5]、空中拍攝[6]和地理信息探測[7]等領域發展迅速,大量民用無人機進入低空空域。FAA預測,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]。無人機規模數量的全新增長模式,導致無人機的空域使用問題成為產業發展的關鍵難題。

      全球各國和國際組織開始將無人機發展的關注熱點從無人機制造技術轉向無人機運行。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],旨在對低空空域內的無人機大規模安全運行進行管理和提供服務[11]。2020年月,FAA的NextGen辦公室發布了UTM系統的第二版運行概念[12],將UTM的飛行驗證試驗根據需要測試的功能分為個技術能力水平階段。

      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,由歐盟最大的研發創新計劃“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,中國正在發展無人交通運行管理技術[15],并即將開展無人機試驗云系統的開發和試驗[16]。本文整理了NASA的UTM系統第三和第四技術能力水平階段的飛行驗證試驗,根據各項關鍵技術,對試驗內容及運行場景等進行了概述,總結了相關試驗經驗,對中國無人機運行管理系統的試驗設計提出了建議。

      1試驗背景

      1.1UTM飛行驗證試驗NASA將UTM的開發驗證分為個階段,其稱之為技術能力水平階段(technicalcapabilitylevel,TCL),即TCL-1、TCL-2、TCL-3、TCL-4,已分別于2015、2016、2018和2019年完成相關的試飛驗證。一級技術能力水平測試的主要是視距內無人機在低風險地區的運行;二級技術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險地區的視距內和視距外混合運行[17];三級技術能力水平的測試目的在于測試常態超視距運行、空中機對機防撞和避讓靜態障礙物等能力;四級技術能力水平的測試目的在于超視距運行、跟蹤和定位、避讓動態障礙物,以及處理大規模突發事件等能力。

      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能力水平的測試,TCL1-2階段的開發和驗證主要完成了個任務:第一是搭建了實驗室仿真環境[17],第二是初步試驗了無人機在低風險地區的視距內和視距外運行[18]。前個技術能力水平階段的試驗初步驗證了UTM系統的運行概念,并為后續無人機超視距運行的飛行試驗奠定了研究基礎。

      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的關鍵技術,而TCL-4的主要研究目標是收集數據,以了解在城市環境中安全實現大規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、導航和遠程識別遠程ID)技術;評估為解決城市運行技術挑戰而開發的統一技術服務;并確定現有技術能力方面的差距,以便使城市業務得以開展。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設計了個試驗場景,代表無人機在同一地區內全天的運行,從而研究測試UTM的各項重點功能,試驗場景包括:

      (1)多個任務類型的無人機正在城市環境中高密度地運行,在該地區模擬一個突發氣象事件,進而以無人機空間保留(UVR)的形式建立一個警告區域。在UVR內正在運行或計劃在該區域運行的無人機通過返回起點、重新規劃使用與其他運行不沖突的安全著陸點,或避免在UVR內起飛來應對突發事件。(2)多種類型的無人機因為一場音樂會在某個地區同時運行,空域容量達到了中高流量密度。在該地模擬發生火災或醫療緊急情況等突發事件,進而建立了UVR,以供公共安全UTM應急響應,進而取消該地區非必要的無人機運行。清理UVR的運行必須重新規劃路徑和沖突緩解,以確保無人機安全離場。UTM系統的遠程ID識別系統用于識別和聯系尚未撤離該區域的無人機運營人。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識別以及安全響應來監視機場附近的情況,并報告有關信息。有人駕駛通航飛機正在該地區飛行,其中一架飛機的飛行路徑與UTM運行空間發生沖突,無人機運營人隨后做出響應;另一架運行的無人機模擬進入通信中斷和違規狀態,附近的其他無人機收到相關信息,進而進行避讓。(4)高流量密度的無人機在城市環境中模擬運行,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劃路徑并避讓著陸過程中的無人機;接著發生了大規模的通信和導航中斷事件,需要應急管理程序來進行響應。在該場景中,需要請求遠程ID識別服務,用于識別報告在同一地區運行的無人機。

      2演示試驗內容

      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、數據交換組、通信導航監視組和感知避讓組,各個大組按照相應的主題組織試驗。不同于有人駕駛飛機,無人機需要通過數據鏈路精確及時地向運營人和監管機構回傳數據,并向空域內其他無人機分享態勢信息,因此無人機數據交互技術和通信技術是保障超視距運行安全的核心技術;另一方面,無人機的大規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

      在TCL-3階段的數據和信息交換試驗中,NASA測試了“無人機信息報告”技術(UREP),該技術用于UTM系統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由客戶端系統生成并發送到中央數據服務,數據服務提供訂閱功能并批準數據請求,從而共享UTM各參與方發送的報告。UREP試驗通過飛行仿真或飛行試驗,將生成的數據發送到服務器,其他地區的無人機運營人向服務器發起數據請求以測試UREP服務[19]。

      UREP服務基于表述性狀態轉移原理(REST),其中數據服務器基于JAVA語言,部署在亞馬遜云服務器上,并由關系數據庫系統(RDBMS)支持,由PostGIS插件向數據庫提供地理空間數據和查詢功能。REST應用程序編程接口是使用OpenAPI規范2.0定義的,并提供給所有需要與該服務進行數據交換的USS。數據端點是簡單的HTTPGET和PUT調用,從而交換UREP數據。

      數據模型也是在OpenAPI規范中定義的,它嚴格按照FAA的飛行報告(PIREP)數據交換格式建模,但UREP增加了報告目視飛機的功能,這是PIREP不允許的,這在UREP內被稱為“pointout”[20]。TCL-3部署的UREP體系架構還提供了一個數據訂閱服務,以便發送到UREP服務的任何更新數據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議實現的。

      NASA提出了一種無人機自動故障管理系統(S2D),該系統通過讓無人機執行應急備降,避免對地面人員和財產造成損失,并最大限度地保留無人機和載荷[41]。該系統提出迫降點概念,表示最優的應急著陸點。S2D系統包括無人機健康監測、著陸點選擇、視覺輔助著陸、導航路線優化器、智能總線和自適應控制等模塊。

      3總結與討論

      本文從無人機數據交互、感知與避讓、監視與導航、低空空域劃分以及應急處理技術等方面整理了NASA研發的UTM系統在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

      在TCL-3階段,NASA根據無人機超視距運行條件下對UTM系統的實際需求,主要針對運行概念、數據交換、感知避讓以及通信導航監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UTM系統運行概念,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,不同于傳統運輸航空,無人機無法直接接收空管系統的語音信息并做出響應,因此保證信息的傳輸通暢是保障UTM系統為無人機提供服務的核心技術。

      3.2TCL-4階段飛行試驗總結

      TCL-4階段進行的試驗專注于無人機城市場景的大規模運行的驗證。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,該環境中對UTM系統各模塊進行了集成,并關注了大規模緊急情況下UTM系統各參與方的應急處理技術。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的基礎上,以實際運行場景驅動的飛行試驗,也是對UTM運行概念的驗證試驗,進而測試了NASA開發的UTM系統在實際運行場景下的可靠性。

      3.3NASA飛行試驗總結

      從技術發展階段來看,TCL-3階段解決的是無人機運行的技術瓶頸問題,而TCL-4階段解決的是將已有技術用于城市場景無人機運行的應用問題。

      (1)分析NASA公布的技術文檔可得,UTM系統中實現的大量功能是基于已有的成熟技術,如基于DSRC和ADS-B的遠距離通信、基于A*算法的飛行路徑規劃、基于Reflection架構的半物理仿真技術等,UTM系統從提出概念到推出原型系統,僅用了5a左右時間,在開發過程中,NASA更多地將精力投入到系統集成方面,即制定統一的接口,將分散的各項單獨技術吸納入UTM系統,進而實現完整的無人機交通管理功能。

      (2)從TCL-3階段開始,UTM系統的飛行試驗主要聚焦于無人機的超視距運行,因此穩定精確的遠程數據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據交互,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及態勢,無人機遠程ID識別技術向公眾或監管部門傳輸無人機身份信息,而后續的感知避讓、監視導航等技術均是基于無人機遠程信息傳輸基礎發展的,信息傳輸的通暢和準確是保證無人機超視距運行的關鍵技術。

      參考文獻(References)

      [1]FederalAviationAdministration.Publiclaw112-95,titleIII,subtitleB:Unmannedaircraftsystems[EB/OL].2012-02-14[2020-12-05].https://www.faa.gov/uas/resources/policy_library/media/Sec_331_336_UAS.pdf.

      [2]EASA.Conceptofoperationsfordrones,ariskbasedapproachtoregulationofunmannedaircraft[EB/OL].2015-05-01[2020-12-05].https://www.easa.europa.eu/sites/default/files/dfu/204696_EASA_concept_drone_brochure_web.pdf.

      [3]中國民用航空局飛行標準司輕小無人機運行規定試行)[EB/OL].2015-12-29[2020-12-14].http://www.caac.gov.cn/XXGK/XXGK/GFXWJ/201601/P020170527591647559640.pdf.[CivilAviationAdministrationofChina.RegulationsonoperationoflightandsmallUAV(test).2015-12-29[2020-12-14]. http://www.caac.gov.cn/XXGK/XXGK/GFXWJ/201601/P020170527591647559640.pdf.]

      [4]BalabanMA,MastaglioTW,LynchCJ.AnalysisoffutureUAS-baseddelivery[C]//2016Wintersimulationconference(WSC).WashingtonDC,USA:IEEE,2016:1595-1606.

      作者:王茂霖1,2,呂人力1,2,管祥民

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