浅析混合空域中的航空器防相撞技术
（618307 中国民用航空飞行学院 四川 广汉）
【摘 要】无人机混合空域中防相撞技术是无人机飞出隔离空域、广泛应用于各行各业的关键所在。本文分析了无人机在混合空域中防相撞需求，提出了无人机防相撞系统框架，列举分析了无人机防相撞的关键技术，基于当前技术水平，从概念上设计了混合空域中无人机防相撞运行机制，从管制角度提高无人机防相撞能力。
【关键词】混合空域；无人机；防相撞；航空管制引言
随着无人机技术发展，无人机在各领域应用愈加广泛，无人机数量也不断攀升，甚至可以说，无人机将是未来空域的主要使用者之一。同时，无人机大量飞行给空域运行带来巨大安全隐患，无人机的空域运行安全问题主要包括空中相撞和地面撞击，其中无人机与有人机间空中相撞是首要关注问题。目前，为保障飞行安全，各国将无人机限制在特定空域内，与有人机分开和隔离运行，但在有限的空域资源下，隔离运行方式将难以满足无人机日益增长的应用需求。无人机防相撞问题亟待全面深入研究，欧美等航空发达国家提出了无人机空域整合计划，从技术、标准、规章和运行等方面开展了广泛研究，推进了无人机防相撞研究进程。本文从无人机防相撞需求出发，提出了无人机防相撞系统框架，梳理了无人机防相撞系统的关键技术。
一、系统框架
混合空域中，无人机防相撞需要无人机具有自主防相撞能力，同时还需地面控制站和管制部门协同指挥控制。其中无人机自主防相撞技术是避免无人机相撞的关键所在，该技术包括无人机外部环境态势感知、多源数据融合处理自主决策、防撞算法和飞行轨迹规划等，无人机依靠这些技术在混合空域中自主飞行，同时管制部门对无人机进行实时监视，通过无人机地面控制站对无人机提供管制服务，无人机防相撞系统框架如图１所示。
图１ 无人机防相撞系统框架
二、关键技术
目前，关于无人机防相撞关键技术研究主要集中于无人机感知－规避技术，但是无人机通信导航、数据链传输和自动控制等技术也从技术上对无人机防相撞起支撑作用。
（一）态势感知
无人机态势感知是指无人机通过传感器对时间和空间约束的环境元素进行获取、修正、组织和使用， 包括信号级或像素级的目标检测、跟踪和识别，以及从信息中抽象出对环境的整体性认识，实现环境认知，包括目标行为理解、态势评估和威胁估计等高层信息融合研究领域。
无人机具有态势感知能力，是实现无人机防相撞的重要前提。无人机在混合空域飞行时，态势感知模块主动获取视场或一定范围内所有物体的相关状态信息。对于装备了应答机、TCAS或广播式自动相关监视（ADS-B）等设备的合作型目标，无人机可直接通过数据链获取经度、纬度、高度、速度和无人机识别信息；对于非合作目标，无人机可通过非合作传感器对其进行感知，并对获得数据进行处理。无人机冲突范围划分如图２所示。当航空器进入无人机探测范围，无人机感知系统便开始建立该航空器的历史航迹，并根据当前探测的飞行状态预测航空器飞行趋势。当航空器与无人机进一步接近到一定距离，且与无人机的飞行路线存在飞行冲突时，飞行冲突告警将自动开启，告警信息同时传输至无人机地面控制站与相关管制部门。
图2无人机冲突范围划分
（二）冲突解脱
无人机在成功感知周围环境情况下，以反馈信息为依据，利用设定好程序算法对周边环境进行冲突探测，并利用计算机得到冲突解脱方案。将无人机冲突解脱分为人在回路和自主飞行２种方式，无人机自主飞行冲突解脱方式如图３所示。无人机自主飞行冲突解脱要求无人机具有较高的自主决策与航路规划能力，目前由于动态环境中无人机自主决策和实时航路规划能力无法保障无人机安全飞行，因此，该冲突解脱方式还无法广泛应用于无人机实际飞行。
图3无人机自主飞行冲突解脱方式
（三）导航通信
目前无人机导航技术主要包括惯性、卫星、多普勒、视觉、地形辅助和地磁等导航技术。由于这些导航技术均有相应适用范围和使用条件，因此应综合考虑现有导航技术特点和无人机担负的不同任务来选择适合该型无人机的导航系统。在无人机防相撞方面，精确的导航技术能够有效保证无人机按冲突解脱路径飞行，并且在冲突消解后能准确回归原来航路，无人机冲突解脱与航路恢复过程如图４所示。
图4无人机冲突解脱与航路恢复过程
三、间隔标准
依照当前有人机的间隔标准对无人机进行管理无法维持混合空域运行的整体安全性。因此，无人机混合空域中防相撞间隔标准需根据实际情况从垂直和水平2方面重新研究制定。垂直间隔研究需经过垂直碰撞风险建模、碰撞风险计算和垂直安全性分析3个阶段。垂直碰撞风险模型如图5所示。无人机A定义为一个矩形的碰撞盒，飞行器B则看作一个质点，两者相差一个高度层，当无人机A由于导航偏差等各种原因向上运动时，如碰撞盒与质点B接触，则认为发生碰撞，进而推导出碰撞风险率。水平间隔研究可分为纵向间隔和侧向间隔研究2类，当无人机飞行航线与有人机航路发生交叉时，还应专门研究交叉航路的安全间隔。
图5 垂直碰撞风险模型
水平碰撞风险模型如图6所示。无人机A在水平方向上与飞行器B存在侧向间隔S 1 ，与飞行器D存在纵向间隔S 2 ，与飞行器C发生航路交叉，同样存在侧向间隔S 1 和纵向间隔S 2 。飞行时需同时考虑侧向和纵向间隔，当无人机与每架飞行器的侧向和纵向间隔均小于安全间隔标准时，则认为发生碰撞。
水平间隔的安全风险评估步骤与垂直间隔的类似，但在侧向间隔研究中需考虑更多情况。除了利用以上方法制定不同情况下无人机安全间隔标准外，美欧等国家还利用软件仿真评估无人机在不同间隔标准下的事故率水平，以降低真实试飞过程中损失。在确定间隔标准后，安全性评估仍需要定期进行，以考察无人机间隔标准合理性。
图6 水平碰撞风险模型
四、结束语
无人机混合空域飞行是无人机发展的必然趋势，而无人机防撞问题研究是无人机飞出隔离空域，进入混合空域飞行的关键所在。未来无人机防相撞主要依赖于无人机自主防相撞技术，管制手段起辅助协调作用。本文分析了无人机在混合空域中的防相撞需求和关键技术，提出了无人机防相撞系统框架。旨在基于现有无人机防相撞技术，从人为管制角度探索无人机防相撞方法，构造与当前管制体系相兼容的无人机防相撞体系，为有人机与无人机的混合空域飞行提供安全可靠的机制保障。
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潘传江（1975-），男，工程师，研究领域：空管安全和空域管理。
基金项目：校级项目资助（CJ2015-01）。
