韓 鵬，王建忠，王萬樂，趙嶷飛

（中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院，天津 300300)

近年來，隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)聯(lián)技術(shù)和智能技術(shù)的發(fā)展，民用無人機在物流配送、電力巡線、農(nóng)林植保、測繪勘探、安防監(jiān)控、應(yīng)急救援等方面得到了廣泛應(yīng)用。與此同時，相較于傳統(tǒng)的運輸航空和通用航空，無人機在飛行器性能、運行環(huán)境和應(yīng)用場景等維度都有很大差異，從而誘發(fā)新的安全風(fēng)險[1]。由于無人機安全管控理論對制定管理規(guī)范支撐的不足，以及監(jiān)管技術(shù)手段的缺失，由無人機所引發(fā)的干擾航班和墜地傷人等不安全事件也日益嚴重，嚴重危害著國家安全、民航運行安全和普通民眾生命財產(chǎn)安全[2]。

國內(nèi)外研究機構(gòu)陸續(xù)建設(shè)無人機安全管控實驗室，對無人機運行性能、安全風(fēng)險、管控方式等展開研究[3-4]。國際無人系統(tǒng)規(guī)則制定聯(lián)合體（JARUS）發(fā)布特定類無人機安全風(fēng)險評估指導(dǎo)材料（SORA）[5]，為無人機運行風(fēng)險測試實驗提供了依據(jù)[6]。美國聯(lián)邦航空局（FAA）資助成立無人機卓越研究聯(lián)盟（ASSURE），建設(shè)無人機安全管控實驗室，評估各種材料特性和結(jié)構(gòu)的小型無人機損傷，開展固定翼和多旋翼小型無人機故障飛行測試、空氣動力學(xué)建模、人體沖擊實驗、頭部沖擊實驗，以及高保真的頭部和頸部撞擊模擬實驗等，將研究數(shù)據(jù)支撐無人機飛越人群的操作限制，指導(dǎo)無人機運行規(guī)范制定[7]。歐洲航空安全局（EASA）提出基于無人機性能的安全管控策略，通過適航管理認證和性能測試實驗逐步完善安全管控方式[8]。英國克蘭菲爾德建設(shè)數(shù)字航空研究和技術(shù)中心（DARTeC），圍繞無人機融入現(xiàn)有空域，通過安全數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)設(shè)施建立共享空域，提高無人機的自適應(yīng)/感知和自修復(fù)/修復(fù)技術(shù)。新加坡南洋理工大學(xué)研究低空空域柵格化劃設(shè)技術(shù)，在無人機風(fēng)險地圖基礎(chǔ)上建設(shè)虛擬運行仿真平臺[9]。我國科研機構(gòu)也逐步針對無人機適航、管理、運行、安全評估等方面開展實驗驗證，根據(jù)研究成果完善相關(guān)法律法規(guī)制度[10-14]。但整體而言，目前無人機安全管控仍存在安全監(jiān)管體制機制亟待完善、安全監(jiān)管技術(shù)研究不足，以及安全監(jiān)管信息采集及融合手段缺乏等問題。

根據(jù)低空空域內(nèi)無人機運行風(fēng)險，本文圍繞無人機飛行性能測試、網(wǎng)聯(lián)通信功能測試、融入現(xiàn)有空域關(guān)鍵技術(shù)測試[15]，探索網(wǎng)聯(lián)無人機安全管控教學(xué)實驗平臺建設(shè)方案，開展無人機性能實驗、低空環(huán)境下無線信道通信環(huán)境實驗、無人機航跡預(yù)測和航空器混合運行態(tài)勢模擬，基于5G移動互聯(lián)技術(shù)開展無人機安全管控技術(shù)研究和實驗，形成具有中國特色的無人機安全管控技術(shù)標準、設(shè)備標準和運行標準，從而為我國無人機安全管控研究提供實驗平臺。

1 網(wǎng)聯(lián)無人機安全管控教學(xué)實驗平臺總體方案

無人機安全管控教學(xué)實驗平臺重點支撐無人機安全管控基礎(chǔ)理論、技術(shù)與方法、無人機性能、無人機運行安全風(fēng)險評估、有人機/無人機混合運行虛擬仿真、綜合測試實驗等研究，實現(xiàn)低空空域無人機安全運行和無人機產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。無人機安全管控教學(xué)實驗平臺的總體研究方案架構(gòu)如圖1所示。

圖1 無人機安全管控教學(xué)實驗平臺總體架構(gòu)

無人機安全管控教學(xué)實驗平臺將運輸航空（未來）、通用航空、無人機有機集成，建立基于有人機/無人機混合運行的應(yīng)用環(huán)境，采用人工智能技術(shù)、網(wǎng)聯(lián)技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)等，形成基于大數(shù)據(jù)驅(qū)動的無人機安全管控理論與方法、監(jiān)視技術(shù)、管控技術(shù)，形成集信息采集與處理、運行態(tài)勢分析、自主感知-避讓、空管決策、安全風(fēng)險評估為一體的無人機安全管控研究體系。

平臺重點建設(shè)無人機性能實驗系統(tǒng)、網(wǎng)聯(lián)無人機場景運行實驗系統(tǒng)和有人機/無人機混合運行模擬仿真實驗系統(tǒng)。滿足國家發(fā)展需求對無人機安全管控的要求，建立符合我國國情和特色的無人機安全管控理論與方法、技術(shù)、標準等，提升國家對無人機安全管控能力和水平，優(yōu)化和改善無人機運行環(huán)境，促進無人機產(chǎn)業(yè)健康、有序、和諧、可持續(xù)發(fā)展。

2 網(wǎng)聯(lián)無人機安全管控教學(xué)實驗平臺功能架構(gòu)

2.1 無人機性能實驗系統(tǒng)

無人機性能實驗系統(tǒng)主要由空域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、無人機運動學(xué)/動力學(xué)模型數(shù)據(jù)庫、無人機性能數(shù)據(jù)庫、小型氣象觀測系統(tǒng)、無人機系統(tǒng)（含飛控）、無人機地面站系統(tǒng)、光學(xué)位置定位設(shè)備、無人機路徑規(guī)劃系統(tǒng)、無人機綜合態(tài)勢顯示系統(tǒng)、無人機安全管控輔助決策系統(tǒng)、空管-地面站通信鏈路等組成。無人機性能實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 無人機性能實驗系統(tǒng)

（1）空域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫是在GIS(地理信息系統(tǒng))基礎(chǔ)上，疊加民航運行空域信息、航空情報信息、障礙物信息，從而形成面向無人機運行特點和運行環(huán)境的3D/4D空域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫?？沼蚧A(chǔ)數(shù)據(jù)庫所包含的主要信息包括地形信息、地理信息、障礙物信息、高程信息、限制性空域信息、民航航路/航線信息、導(dǎo)航臺信息、臨時性限制信息等。

（2）無人機路徑規(guī)劃系統(tǒng)按照一定的運行規(guī)則和規(guī)劃策略，結(jié)合無人機運行特點和飛行任務(wù)，制定出適合飛行任務(wù)并滿足安全需求的運動軌跡，規(guī)劃規(guī)避各類障礙物碰撞的安全路徑。

（3）無人機系統(tǒng)（含飛控）包括無人機、飛控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)、地面站系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等。飛控系統(tǒng)對無人機的穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、精確度、實時性等都有重要影響，對其飛行性能起決定性的作用；數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)可以保證對遙控指令的準確傳輸，以及無人機接收、發(fā)送信息的實時性和可靠性，以保證信息反饋的及時有效性和順利、準確地完成任務(wù)。

（4）基于光學(xué)運動捕捉原理的無人機航跡測試系統(tǒng)，利用VICON光學(xué)位置定位設(shè)備來實現(xiàn)對無人機的精確定位。在無人機的關(guān)鍵部位設(shè)置跟蹤器，由VICON光學(xué)攝像頭系統(tǒng)捕捉跟蹤器位置，再經(jīng)過計算機處理后向用戶提供跟蹤器位置數(shù)據(jù)。當數(shù)據(jù)被計算機識別后，即可以在計算機中輸出物體的六自由度位置數(shù)據(jù)。系統(tǒng)實時輸出高精確度、高頻率運動學(xué)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)多目標快速捕捉。

（5）無人機綜合態(tài)勢顯示系統(tǒng)是綜合信息集成、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲、告警/預(yù)警、數(shù)據(jù)定制/回放/輸出、保留有相應(yīng)外部接口的綜合態(tài)勢顯示系統(tǒng)。它能滿足圖像和數(shù)據(jù)顯示的需求，實現(xiàn)飛行計劃的顯示以及各種模式目標（目標跟蹤航跡、預(yù)測航跡、飛機標牌、尾跡等）等在背景地圖上清晰、準確、平穩(wěn)地顯示，提供流量監(jiān)控單元的各種告警和預(yù)警，同時提供管制目標、空域單元按照告警級別分顏色顯示，并提供各種操作和控制功能以實現(xiàn)方便快捷的流量預(yù)測和監(jiān)控單元的預(yù)警告警。

2.2 網(wǎng)聯(lián)無人機場景運行實驗系統(tǒng)

網(wǎng)聯(lián)無人機場景運行實驗系統(tǒng)運行保障系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 網(wǎng)聯(lián)無人機場景運行實驗系統(tǒng)運行保障系統(tǒng)

網(wǎng)聯(lián)無人機場景運行實驗系統(tǒng)運行保障系統(tǒng)主要由無人機運行場、TD-LTE基站和TD-LTE核心網(wǎng)設(shè)備、無人機系統(tǒng)、無人機遠程監(jiān)視站、機載實驗終端、氣象觀測設(shè)備、態(tài)勢感知系統(tǒng)、飛行空域管理云、通信控制云等組成。

無人機可以通過5G網(wǎng)聯(lián)實現(xiàn)地面基站與機載端的通信交互，進行數(shù)據(jù)通信和自定義數(shù)據(jù)的傳輸，網(wǎng)聯(lián)無人機信息交聯(lián)關(guān)系如圖4所示。無人機通過以上信息交互過程，在飛行中提供目視輔助導(dǎo)航，進行周邊飛行態(tài)勢顯示（基于TIS數(shù)據(jù)）和飛行信息顯示（基于FIS數(shù)據(jù)），完成自動警示（跨區(qū)、侵入、防相撞等），提供飛行電子文檔查閱，裝載航空情報資料，計算飛行相關(guān)參數(shù)。

圖4 網(wǎng)聯(lián)無人機信息交聯(lián)關(guān)系圖

具體而言，網(wǎng)聯(lián)通信完成以下功能：

（1）通信功能。電子飛行服務(wù)包能夠通過網(wǎng)口或Wi-Fi接口與機載通信終端建立IP通信連接，接收TIS/FIS報文，發(fā)送ADS-B報文，收發(fā)自定義文本報文和VoIP報文。

（2）數(shù)據(jù)解析和編碼功能。能夠完成對TIS/FIS報文、自定義文本報文的解析；能夠根據(jù)自帶的北斗導(dǎo)航模塊/GPS模塊獲取位置、速度等信息，完成ADS-B報文的編碼；能夠?qū)ψ远x文本進行編解碼；能夠完成對VoIP數(shù)據(jù)的編解碼。

（3）話音通話功能。電子飛行服務(wù)包能夠提供VoIP終端應(yīng)用軟件，與管制中心系統(tǒng)中的VoIP終端應(yīng)用軟件建立話音通信連接。

（4）定位功能。通過內(nèi)置北斗導(dǎo)航模塊/GPS模塊獲取位置、速度等信息。

（5）ADS-B信息發(fā)送。能夠根據(jù)自帶北斗導(dǎo)航模塊/GPS模塊獲取位置、速度等信息，完成ADS-B報文編碼，并周期性地進行發(fā)送。

2.3 有人機/無人機混合運行模擬仿真實驗系統(tǒng)

有人機/無人機混合運行模擬仿真實驗系統(tǒng)要建立集人工智能技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫、仿真模型等于一體的有人機/無人機綜合仿真環(huán)境?；旌线\行模擬仿真實驗系統(tǒng)體系架構(gòu)如圖5所示。

圖5 混合運行模擬仿真實驗系統(tǒng)體系架構(gòu)

系統(tǒng)主要由無人機模擬器、管制模擬機、運行環(huán)境模擬器等組成。通過建立全數(shù)字、多場景、多環(huán)境的無人機-管制模擬機聯(lián)合仿真系統(tǒng)，支持無人機運行管理的空域規(guī)劃、管制規(guī)則等技術(shù)標準與規(guī)范，推動無人機安全管控技術(shù)和方法的實現(xiàn)。

3 網(wǎng)聯(lián)無人機安全管控教學(xué)實驗平臺功能設(shè)計

3.1 無人機性能模型構(gòu)建

無人機性能模型是進行無人機運行仿真的關(guān)鍵，無人機運行仿真是實現(xiàn)無人機航跡預(yù)測的必要條件，又是建立和發(fā)展無人機安全管控系統(tǒng)的關(guān)鍵。同時，空管的仿真系統(tǒng)、空中交通的流量管理系統(tǒng)、容量評估系統(tǒng)同樣需要構(gòu)建無人機的性能模型才能進行分析。

通過無人機性能實驗系統(tǒng)中的運動捕捉模塊有效采集無人機航跡數(shù)據(jù)，通過插值、重采樣、濾波等方法對包含噪聲的無人機航跡數(shù)據(jù)進行處理，根據(jù)研究需求構(gòu)建和驗證不同類型的無人機性能模型，滿足不同場景的應(yīng)用需求。按照功能和復(fù)雜程度，可建立完整的飛行動態(tài)模型、質(zhì)點模型、參數(shù)模型和固定模型等不同精度的無人機性能模型。其中，飛行動態(tài)模型使用六自由度方程，考慮飛機的平動和自身滾轉(zhuǎn)；質(zhì)點模型僅考慮飛機的平動，可以采用多種手段簡化模型的運動方程，得出不同的算法方程；參數(shù)模型不考慮飛機的實際受力，對飛機的速度和加速度建模，該方法在空管環(huán)境中得到廣泛應(yīng)用；固定模型直接從表格中根據(jù)不同高度和飛行階段查找水平和垂直速度。

3.2 低空環(huán)境下無線信道通信環(huán)境實驗

多普勒頻移使接收機和發(fā)射機之間產(chǎn)生頻率偏差，不僅會影響上行接入成功率、切換成功率，還會對系統(tǒng)的容量和覆蓋產(chǎn)生影響。開展低空環(huán)境下的無線信道通信環(huán)境實驗，可以解決低空飛行器高速移動過程中所產(chǎn)生的多普勒頻移問題，以及無線信道模型特性的校準問題。針對5G低空覆蓋組網(wǎng)存在的問題，開展如圖6所示的信息傳輸流程驗證，對低空環(huán)境下的無線信道環(huán)境開展測試。

圖6 信息傳輸流程驗證

3.3 無人機航跡預(yù)測

運輸航空空中交通管制過程中，雷達管制系統(tǒng)和雷達管制模擬機，能夠在雷達屏幕上根據(jù)飛機的類型和當前運動狀態(tài)顯示出飛機的預(yù)測航跡。參考現(xiàn)有運輸航空的空中交通管制系統(tǒng)，無人機安全管控系統(tǒng)仍需要監(jiān)測或預(yù)測無人機飛行航跡。依托無人機室內(nèi)航跡分析平臺，研究不同預(yù)測方法，如基于卡爾曼濾波等的估計算法、基于飛機性能模型的航跡預(yù)測方法，實現(xiàn)正常航跡預(yù)測、最壞狀況航跡預(yù)測和概率航跡預(yù)測。

3.4 航空器混合運行態(tài)勢模擬

開展無人機/有人機運行仿真模擬和運行規(guī)則模擬。對無人機的運行速度、位置、三維姿態(tài)進行模擬，對航空器的運行態(tài)勢進行實時監(jiān)控與預(yù)警，對運行風(fēng)險進行仿真分析。開展混合運行規(guī)則的仿真驗證，集成無人機運行相關(guān)的信息，開展有人機/無人機混合運行空域的劃設(shè)研究，設(shè)計運行程序，研究混合運行中航空器的優(yōu)先級、混合運行中沖突避讓規(guī)則的仿真等。開展混合運行間隔仿真驗證，對有人機/無人機混合運行中有人機與有人機之間、有人機與無人機之間以及無人機與無人機之間的運行間隔開展設(shè)計與仿真。

4 平臺應(yīng)用

網(wǎng)聯(lián)無人機安全管控教學(xué)實驗平臺主要應(yīng)用于本科生、研究生實踐課程。教學(xué)實驗平臺結(jié)合無人機發(fā)展現(xiàn)狀、運行管理、法律法規(guī)、空管運行規(guī)定、空域及安全、技術(shù)保障等方面全方位系統(tǒng)地對無人機運行風(fēng)險與監(jiān)管進行講授，提高和增強民航學(xué)生對無人機運行的認識，提高自覺遵守?zé)o人機運行法律法規(guī)的意識，提升無人機依法運行、依法管理、依法飛行的氛圍。教學(xué)實驗平臺旨在培養(yǎng)學(xué)生在無人機運行安全專業(yè)領(lǐng)域從事技術(shù)、管理工作的實際能力，使學(xué)生掌握無人機運行安全工程領(lǐng)域研究的一般方法，具備開展無人機運行安全工作的基本知識與專業(yè)素質(zhì)。教學(xué)實驗平臺的應(yīng)用，使學(xué)生了解無人機運行安全工程領(lǐng)域的發(fā)展動態(tài)，概括性、整體性地了解和掌握無人機運行安全工程中涉及的理論、方法、技術(shù)、管理等基礎(chǔ)知識，培養(yǎng)學(xué)生樹立科學(xué)的安全觀并提升學(xué)生的交通安全意識；使學(xué)生獲得無人機運行安全工程領(lǐng)域分析問題、開展研究、設(shè)計解決方案的基本訓(xùn)練，初步具備綜合分析和處理各類無人機運行安全問題的基本能力；獲得無人機運行安全工程與社會、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展之間關(guān)系的基本思考和基本能力訓(xùn)練，得到無人機運行安全工程領(lǐng)域應(yīng)遵循的職業(yè)規(guī)范的訓(xùn)練；獲得個人與團隊角色，以及溝通和項目管理能力的訓(xùn)練；獲得終身學(xué)習(xí)意識的培養(yǎng)和訓(xùn)練。

5 結(jié)論

通過對網(wǎng)聯(lián)無人機安全管控教學(xué)實驗平臺的建設(shè)和應(yīng)用，得到的主要結(jié)論如下：

（1）搭建無人機性能實驗系統(tǒng)，開展室內(nèi)無人機航跡分析與沖突預(yù)警仿真模擬，形成無人機安全運行的安全間隔標準和告警算法，為無人機安全管控技術(shù)提供理論和實驗支撐。

（2）搭建網(wǎng)聯(lián)無人機場景運行實驗系統(tǒng)，開展網(wǎng)聯(lián)無人機視距外監(jiān)視與控制仿真模擬，通過5G、ADS-B等技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)聯(lián)無人機的視距外監(jiān)視與控制，分析和研究所需通信導(dǎo)航監(jiān)視性能標準，為構(gòu)建符合安全管控要求和運行要求的無人機通信導(dǎo)航監(jiān)視所需性能提供參考依據(jù)。

（3）搭建有人機/無人機混合運行模擬仿真實驗系統(tǒng)，開展無人機駕駛與管制模擬機聯(lián)合仿真，從空管安全運行的角度出發(fā)，研究無人機駕駛/管制模擬機混合運行的基礎(chǔ)理論和方法，形成混合運行空域規(guī)劃、管制程序等空管運行標準，為無人機安全管控能力提升提供標準保障。