杂志汇航空知识

主动避障、电子围栏、自动应答、空中管制、自主起降、应急备降，这些围绕无人机飞行安全的技术和管理上的举措层出不穷。当我们对其进行归纳总结之后便会发现，提高无人机的安全性和可靠性的技术手段主要包括两个方面：一是如何防止无人机与有人驾驶飞机或其他无人机在空中相撞；另一个是如何降低无人机因故障坠落的概率。

如何防止空中相撞

如今，无人机虽然能够飞上天空，但是除了那些在战争中飞行在目标国家上空的军用无人机外，大部分无人机还只能在提前申请空域后，在指定的地区上空进行测试飞行或者作业飞行。无人机目前仍处在一个个隔离区中，共享空域、空域整合等概念的实现还有很长的路要走。而这种将空域划分成许多孤岛进行管理的方式会使原本就极为有限的空域资源和日渐庞大的无人机规模之间的矛盾变得越来越尖锐。

目前，有人驾驶飞机已建立了多层防撞体系。那么无人机能否直接照搬有人驾驶飞机的空中管制系统和防撞技术呢？答案是否定的。

1926年，美国颁布了世界上第一部航空管制相关的法规——《航空法典》。从上世纪30年代起，很多机场开始陆续装备无线电收发设备，空中交通管制系统的雏形开始出现。飞行员可以通过和机场塔台的交流获取各种信息。在那之后的很多年，飞行员们通过118.00-136.955Mhz的甚高频无线电频道避免了大量空中相撞的事故。在那以后，飞行员在准备降落的时候，也不用再去机场上空低飞通场来查看机场跑道的情况了。无线电设备的通讯功能和导航定位功能使有人驾驶飞机的安全性得到了保障。再后来，ATC（空中交通管制系统）的普及让飞机在空中意外相遇的情况变得越来越少。而TCAS和飞行员的驾驶技术则是民用飞机防止空中相撞的最后一道防线，能够在紧急情况下避免事故出现。

但是，在无人机上照搬有人驾驶飞机的这些防撞手段的时候，会遇到一些技术门槛。首先，应答机在无人机上主要用来广播其型号和位置速度等信息。但是在有人驾驶飞机对其进行呼叫的时候，很难从无人机那里得到回应。而即使无人机操控员得到了需紧急避让的消息，能否避免碰撞事故的发生也极为依赖无人机遥控链路的通畅。其次，有些无人机的飞行并不会按照起降机场之间的连线进行飞行。出于遥测、勘探、侦察等任务的需要，无人机的航路会有自己的特征，甚至会按照需求自主规划航路。这一技术特征使得传统的空中交通管制方式难以直接复制到无人机上。第三，一些大型无人机的垂直机动性与民航机之间仍有一定的区别，适用于民用有人驾驶飞机的空中交通警戒与防撞系统并不一定能让无人机真正实现紧急避让的机动动作。

一套比较理想的无人机防撞系统应该至少由两大部分组成：一是高可靠性、多信号来源的探测系统，二是高效率、智能化的自主规避策略。

无人机没有机上飞行员，因此缺失了飞行员的临场决断响应环节。这就对其探测系统提出了更高的要求。无人机的探测系统应该由ADS-B（广播式自动相关监视系统）、TCAS（空中交通警戒与防撞系统）和应答机三部分组成。其中，应答机和TCAS的应用可以借鉴有人驾驶飞机系统。而ADS-B系统和高可靠性的通讯链路的引入则使无人机的操控人员能够灵活处置突发情况，让地面人员的智能和应变能力在碰撞发生之前及时介入到无人机的飞行过程中。

另外，为了提高无人机的感知能力，有必要引入相关的光学设备。诺斯罗普·格鲁曼公司和美国空军联合研制的EOTCAS系统用光学探头来弥补传统TCAS系统的不足，使得无人机在增重很小的前提下，获得了精确感知相对角度的能力。这样，在遇到紧急情况时，无人机就不仅能像民航飞机那样收到TCAS系统爬升或是下降的提示，还能够借助光学系统得到俯仰角和偏航角的详细指令，能够更加灵活地处置规避问题，并能在成功躲避危险后，自动重新规划任务航路，完成剩余飞行任务。

一个较为理想的防碰撞算法则应该考虑到无人机本身的飞行特征。比如在高空巡航的无人机，其垂直机动性和水平机动性之间存在较大差异。要求一架已经在其最大飞行高度上飞机的无人机继续向上爬升来实施避让的做法是不够明智的。

另外，当无人机真正进入有人驾驶飞机的空域，或者进行大批次编队飞行的时候，空中避让将会是一个常态化的动作。因此，从算法设计伊始，就应当考虑到综合效果，而不是仅仅以能够预防事故发生为唯一标准。防撞算法要在保证所有相关飞行器的安全的前提下，对无人机实施躲避动作所花的时间、执行躲避动作的算法对制导控制系统的影响、躲避动作对正在执行的任务会造成怎样的影响并如何进行针对性的弥补等方面进行统筹规划。否则，一套过于重视安全性却会明显影响无人机作业的算法会激发人们冒险摘除安全系统进行“黑飞”的动机，反而会增大无人机带来危险的可能性。以航测勘查无人机为例，成本为60万的无人机，单次航测的数据可以卖到10万元以上，只要有6次成功的“黑飞”，就能收回成本甚至获得一定的收益。如果防撞算法使得无人机的单次航测任务失败的话，则会带来相当大的损失。让无人机的安全系统与无人机的作业任务和谐共处，才能使生产厂商和无人机用户真心接纳无人机安全系统，才能使防止无人机引发空中相撞事故的硬件系统和软件算法得到大量应用和持续发展。这是在有关无人机政策法规之外，对无人机安全性的另一个有力支撑。

目前，无人机的故障率和坠落概率仍远高于有人驾驶飞机。提高无人机的可靠性已成为一个老生常谈的问题。但是，设计标准的提高和加工工艺的进步等方面的话题仍未触及无人机安全性的另一重要论题：当无人机在空中出现故障的时候，该怎样防止它坠向地面。

与飞行员可以通过自身感官和对仪表的判读来对飞行器的状态进行实时和直观的判断不同，无人机操控员在地面上无法感知到飞行器的振动，难以听到远距离飞行的无人机发动机的声音，而依赖数据链回传的仪表数据则会有一定程度的延迟。因此，无人机需要较高的自主性来应对突发的各种故障。重要的参数需要使用多种数据来源和多个传感器进行冗余备份。比如，气压高度表、无线电高度表、GPS高度解算和惯性导航单元的组合便可形成一个对高度信号的冗余探测系统。结合久经考验的扩展卡尔曼滤波算法或者BP神经网络系统便可使得在单个传感器或者单种数据源在遇到故障的时候，无人机的重要飞行参数不会受到太大影响。

无人机的容错设计和舵面代偿机理的设计也是一项重要技术手段。当单个舵面的作动器因故障无法正常工作的时候，无人机的控制系统可以将制导控制指令重新分配给其他能够正常工作的舵面。当无人机的气动外形因意外碰撞发生突变或无人机因部分载荷脱落而使全机重心发生突变的时候，控制系统可以通过系统辨识的方法重新认识无人机本身，获得新的控制模型，计算出新的优化控制参数，重新获得无人机的最优控制律。无论是舵面指令重新分配技术还是控制算法重构技术或者是动态调节补偿器技术，都会使出现故障的无人机的剩余控制能力得到进一步的开发，激发无人机的潜能提高其抗损性和安全性。

当无人机的代偿机制无法使出现故障的无人机继续长时间飞行的时候，就应当开始选择迫降场地进行紧急降落了。这虽是无奈之举，但也是防止无人机坠入人口稠密地区的一项重要举措。美国联邦航空委员会认为，今后的无人机不仅要能够确保自身安全飞行，还应该在突发事件发生的时候拥有与所在空域的多种飞行器进行安全互动的能力。这样的规定还是默认了无人机在突发事件中仍保持了空地双向链路通信的能力。实际上，在一些比较严重的故障发生的时候，无人机会彻底失去和地面之间的联系，这时，无人机的自主规划航路、自主搜寻着陆地点和自主着陆的能力就成了挽救自身的最后一种手段。

借助光学设备和图像识别技术，无人机能够做到对着陆区的自主识别。而自动返航和自主航路规划甚至已经成了很多无人机的标配。但是，固定翼无人机的自主着陆技术因为涉及到多种传感器和算法的切换使用而有着较高的技术含量。目前，“全球鹰”无人机在经过多年的探索之后，已经拥有了在数据链完全断开的情况下仍能自主着陆的能力。

在准备自主着陆之前，“全球鹰”无人机会扫描并分析适合降落的地点，并对初始着陆点进行自主标定。然后，它会针对该点进行自主航路规划，当计算出合适的下滑路径时，自动切换为纵向模态控制方式，开始以恰当的角度进入着陆场。当它认为着陆航线正确并已到达着陆场上空时，它会把高度传感器的信号源由气压高度表切换为无线电高度表，以便提高无人机的测高精度。随着无人机的继续下降，控制系统会对高度变化率和无人机质量等信息进行系统辨识，并随时调整无人机的俯仰姿态。在快要接触地面的时候，无人机对侧滑角和滚转角进行精确辨识，以此来感知当前的风场，并随时准备应对突发的侧风干扰。当无人机成功触地并开始滑跑的时候，它会切换到地面运行状态，使其能够沿着跑道的中心线向前滑行。如果刹车系统还能正常工作的话，“全球鹰”无人机会把自己停在跑道上，准备接受工作人员的迎接。

能够以较好的策略选择迫降机场并平安着陆，会在很大程度上减少发生故障的无人机对地面人员的伤害。而先进的代偿机制和未雨绸缪的冗余设计则会尽量避免无人机独自面对紧急迫降的险境。借助雷达、光学等探测设备，无人机的自主感知能力将会得到极大地提高，在地面操控人员发现危险之前就先行实施躲避的设想已经在逐渐成为现实。综合考虑安全性和经济性的防撞算法会在无人机实施防撞躲避机动之后，自动重新规划航路，继续完成作业任务（该技术在植保无人机的断点续喷、巡线无人机的自主识别上已经初见端倪）。今后，无人机会更加安全，更加高效。但愿技术的突破能够帮助无人机闯出一条路，让政策和相关法规向着有助于无人机产业成长的方向发展。

责任编辑：邢强