韩 鹏，王建忠，王万乐，赵嶷飞
（中国民航大学空中交通管理学院，天津 300300)
近年来，随着计算机技术、通信技术、网联技术和智能技术的发展，民用无人机在物流配送、电力巡线、农林植保、测绘勘探、安防监控、应急救援等方面得到了广泛应用。与此同时，相较于传统的运输航空和通用航空，无人机在飞行器性能、运行环境和应用场景等维度都有很大差异，从而诱发新的安全风险[1]。由于无人机安全管控理论对制定管理规范支撑的不足，以及监管技术手段的缺失，由无人机所引发的干扰航班和坠地伤人等不安全事件也日益严重，严重危害着国家安全、民航运行安全和普通民众生命财产安全[2]。
国内外研究机构陆续建设无人机安全管控实验室，对无人机运行性能、安全风险、管控方式等展开研究[3-4]。国际无人系统规则制定联合体（JARUS）发布特定类无人机安全风险评估指导材料（SORA）[5]，为无人机运行风险测试实验提供了依据[6]。美国联邦航空局（FAA）资助成立无人机卓越研究联盟（ASSURE），建设无人机安全管控实验室，评估各种材料特性和结构的小型无人机损伤，开展固定翼和多旋翼小型无人机故障飞行测试、空气动力学建模、人体冲击实验、头部冲击实验，以及高保真的头部和颈部撞击模拟实验等，将研究数据支撑无人机飞越人群的操作限制，指导无人机运行规范制定[7]。欧洲航空安全局（EASA）提出基于无人机性能的安全管控策略，通过适航管理认证和性能测试实验逐步完善安全管控方式[8]。英国克兰菲尔德建设数字航空研究和技术中心（DARTeC），围绕无人机融入现有空域，通过安全数据通信基础设施建立共享空域，提高无人机的自适应/感知和自修复/修复技术。新加坡南洋理工大学研究低空空域栅格化划设技术，在无人机风险地图基础上建设虚拟运行仿真平台[9]。我国科研机构也逐步针对无人机适航、管理、运行、安全评估等方面开展实验验证，根据研究成果完善相关法律法规制度[10-14]。但整体而言，目前无人机安全管控仍存在安全监管体制机制亟待完善、安全监管技术研究不足，以及安全监管信息采集及融合手段缺乏等问题。
根据低空空域内无人机运行风险，本文围绕无人机飞行性能测试、网联通信功能测试、融入现有空域关键技术测试[15]，探索网联无人机安全管控教学实验平台建设方案，开展无人机性能实验、低空环境下无线信道通信环境实验、无人机航迹预测和航空器混合运行态势模拟，基于5G移动互联技术开展无人机安全管控技术研究和实验，形成具有中国特色的无人机安全管控技术标准、设备标准和运行标准，从而为我国无人机安全管控研究提供实验平台。
无人机安全管控教学实验平台重点支撑无人机安全管控基础理论、技术与方法、无人机性能、无人机运行安全风险评估、有人机/无人机混合运行虚拟仿真、综合测试实验等研究，实现低空空域无人机安全运行和无人机产业健康发展。无人机安全管控教学实验平台的总体研究方案架构如图1所示。
图1 无人机安全管控教学实验平台总体架构
无人机安全管控教学实验平台将运输航空（未来）、通用航空、无人机有机集成，建立基于有人机/无人机混合运行的应用环境，采用人工智能技术、网联技术、计算机技术、通信技术等，形成基于大数据驱动的无人机安全管控理论与方法、监视技术、管控技术，形成集信息采集与处理、运行态势分析、自主感知-避让、空管决策、安全风险评估为一体的无人机安全管控研究体系。
平台重点建设无人机性能实验系统、网联无人机场景运行实验系统和有人机/无人机混合运行模拟仿真实验系统。满足国家发展需求对无人机安全管控的要求，建立符合我国国情和特色的无人机安全管控理论与方法、技术、标准等，提升国家对无人机安全管控能力和水平，优化和改善无人机运行环境，促进无人机产业健康、有序、和谐、可持续发展。
2.1 无人机性能实验系统
无人机性能实验系统主要由空域基础数据库、无人机运动学/动力学模型数据库、无人机性能数据库、小型气象观测系统、无人机系统（含飞控）、无人机地面站系统、光学位置定位设备、无人机路径规划系统、无人机综合态势显示系统、无人机安全管控辅助决策系统、空管-地面站通信链路等组成。无人机性能实验系统结构如图2所示。
图2 无人机性能实验系统
（1）空域基础数据库是在GIS(地理信息系统)基础上，叠加民航运行空域信息、航空情报信息、障碍物信息，从而形成面向无人机运行特点和运行环境的3D/4D空域基础数据库。空域基础数据库所包含的主要信息包括地形信息、地理信息、障碍物信息、高程信息、限制性空域信息、民航航路/航线信息、导航台信息、临时性限制信息等。
（2）无人机路径规划系统按照一定的运行规则和规划策略，结合无人机运行特点和飞行任务，制定出适合飞行任务并满足安全需求的运动轨迹，规划规避各类障碍物碰撞的安全路径。
（3）无人机系统（含飞控）包括无人机、飞控系统、数据链系统、地面站系统、电源系统等。飞控系统对无人机的稳定性、数据传输的可靠性、精确度、实时性等都有重要影响，对其飞行性能起决定性的作用；
数据链系统可以保证对遥控指令的准确传输，以及无人机接收、发送信息的实时性和可靠性，以保证信息反馈的及时有效性和顺利、准确地完成任务。
（4）基于光学运动捕捉原理的无人机航迹测试系统，利用VICON光学位置定位设备来实现对无人机的精确定位。在无人机的关键部位设置跟踪器，由VICON光学摄像头系统捕捉跟踪器位置，再经过计算机处理后向用户提供跟踪器位置数据。当数据被计算机识别后，即可以在计算机中输出物体的六自由度位置数据。系统实时输出高精确度、高频率运动学数据，实现多目标快速捕捉。
（5）无人机综合态势显示系统是综合信息集成、数据显示、数据存储、告警/预警、数据定制/回放/输出、保留有相应外部接口的综合态势显示系统。它能满足图像和数据显示的需求，实现飞行计划的显示以及各种模式目标（目标跟踪航迹、预测航迹、飞机标牌、尾迹等）等在背景地图上清晰、准确、平稳地显示，提供流量监控单元的各种告警和预警，同时提供管制目标、空域单元按照告警级别分颜色显示，并提供各种操作和控制功能以实现方便快捷的流量预测和监控单元的预警告警。
2.2 网联无人机场景运行实验系统
网联无人机场景运行实验系统运行保障系统结构如图3所示。
图3 网联无人机场景运行实验系统运行保障系统
网联无人机场景运行实验系统运行保障系统主要由无人机运行场、TD-LTE基站和TD-LTE核心网设备、无人机系统、无人机远程监视站、机载实验终端、气象观测设备、态势感知系统、飞行空域管理云、通信控制云等组成。
无人机可以通过5G网联实现地面基站与机载端的通信交互，进行数据通信和自定义数据的传输，网联无人机信息交联关系如图4所示。无人机通过以上信息交互过程，在飞行中提供目视辅助导航，进行周边飞行态势显示（基于TIS数据）和飞行信息显示（基于FIS数据），完成自动警示（跨区、侵入、防相撞等），提供飞行电子文档查阅，装载航空情报资料，计算飞行相关参数。
图4 网联无人机信息交联关系图
具体而言，网联通信完成以下功能：
（1）通信功能。电子飞行服务包能够通过网口或Wi-Fi接口与机载通信终端建立IP通信连接，接收TIS/FIS报文，发送ADS-B报文，收发自定义文本报文和VoIP报文。
（2）数据解析和编码功能。能够完成对TIS/FIS报文、自定义文本报文的解析；
能够根据自带的北斗导航模块/GPS模块获取位置、速度等信息，完成ADS-B报文的编码；
能够对自定义文本进行编解码；
能够完成对VoIP数据的编解码。
（3）话音通话功能。电子飞行服务包能够提供VoIP终端应用软件，与管制中心系统中的VoIP终端应用软件建立话音通信连接。
（4）定位功能。通过内置北斗导航模块/GPS模块获取位置、速度等信息。
（5）ADS-B信息发送。能够根据自带北斗导航模块/GPS模块获取位置、速度等信息，完成ADS-B报文编码，并周期性地进行发送。
2.3 有人机/无人机混合运行模拟仿真实验系统
有人机/无人机混合运行模拟仿真实验系统要建立集人工智能技术、计算机技术、网络技术、数据库、仿真模型等于一体的有人机/无人机综合仿真环境。混合运行模拟仿真实验系统体系架构如图5所示。
图5 混合运行模拟仿真实验系统体系架构
系统主要由无人机模拟器、管制模拟机、运行环境模拟器等组成。通过建立全数字、多场景、多环境的无人机-管制模拟机联合仿真系统，支持无人机运行管理的空域规划、管制规则等技术标准与规范，推动无人机安全管控技术和方法的实现。
3.1 无人机性能模型构建
无人机性能模型是进行无人机运行仿真的关键，无人机运行仿真是实现无人机航迹预测的必要条件，又是建立和发展无人机安全管控系统的关键。同时，空管的仿真系统、空中交通的流量管理系统、容量评估系统同样需要构建无人机的性能模型才能进行分析。
通过无人机性能实验系统中的运动捕捉模块有效采集无人机航迹数据，通过插值、重采样、滤波等方法对包含噪声的无人机航迹数据进行处理，根据研究需求构建和验证不同类型的无人机性能模型，满足不同场景的应用需求。按照功能和复杂程度，可建立完整的飞行动态模型、质点模型、参数模型和固定模型等不同精度的无人机性能模型。其中，飞行动态模型使用六自由度方程，考虑飞机的平动和自身滚转；
质点模型仅考虑飞机的平动，可以采用多种手段简化模型的运动方程，得出不同的算法方程；
参数模型不考虑飞机的实际受力，对飞机的速度和加速度建模，该方法在空管环境中得到广泛应用；
固定模型直接从表格中根据不同高度和飞行阶段查找水平和垂直速度。
3.2 低空环境下无线信道通信环境实验
多普勒频移使接收机和发射机之间产生频率偏差，不仅会影响上行接入成功率、切换成功率，还会对系统的容量和覆盖产生影响。开展低空环境下的无线信道通信环境实验，可以解决低空飞行器高速移动过程中所产生的多普勒频移问题，以及无线信道模型特性的校准问题。针对5G低空覆盖组网存在的问题，开展如图6所示的信息传输流程验证，对低空环境下的无线信道环境开展测试。
图6 信息传输流程验证
3.3 无人机航迹预测
运输航空空中交通管制过程中，雷达管制系统和雷达管制模拟机，能够在雷达屏幕上根据飞机的类型和当前运动状态显示出飞机的预测航迹。参考现有运输航空的空中交通管制系统，无人机安全管控系统仍需要监测或预测无人机飞行航迹。依托无人机室内航迹分析平台，研究不同预测方法，如基于卡尔曼滤波等的估计算法、基于飞机性能模型的航迹预测方法，实现正常航迹预测、最坏状况航迹预测和概率航迹预测。
3.4 航空器混合运行态势模拟
开展无人机/有人机运行仿真模拟和运行规则模拟。对无人机的运行速度、位置、三维姿态进行模拟，对航空器的运行态势进行实时监控与预警，对运行风险进行仿真分析。开展混合运行规则的仿真验证，集成无人机运行相关的信息，开展有人机/无人机混合运行空域的划设研究，设计运行程序，研究混合运行中航空器的优先级、混合运行中冲突避让规则的仿真等。开展混合运行间隔仿真验证，对有人机/无人机混合运行中有人机与有人机之间、有人机与无人机之间以及无人机与无人机之间的运行间隔开展设计与仿真。
网联无人机安全管控教学实验平台主要应用于本科生、研究生实践课程。教学实验平台结合无人机发展现状、运行管理、法律法规、空管运行规定、空域及安全、技术保障等方面全方位系统地对无人机运行风险与监管进行讲授，提高和增强民航学生对无人机运行的认识，提高自觉遵守无人机运行法律法规的意识，提升无人机依法运行、依法管理、依法飞行的氛围。教学实验平台旨在培养学生在无人机运行安全专业领域从事技术、管理工作的实际能力，使学生掌握无人机运行安全工程领域研究的一般方法，具备开展无人机运行安全工作的基本知识与专业素质。教学实验平台的应用，使学生了解无人机运行安全工程领域的发展动态，概括性、整体性地了解和掌握无人机运行安全工程中涉及的理论、方法、技术、管理等基础知识，培养学生树立科学的安全观并提升学生的交通安全意识；
使学生获得无人机运行安全工程领域分析问题、开展研究、设计解决方案的基本训练，初步具备综合分析和处理各类无人机运行安全问题的基本能力；
获得无人机运行安全工程与社会、环境和可持续发展之间关系的基本思考和基本能力训练，得到无人机运行安全工程领域应遵循的职业规范的训练；
获得个人与团队角色，以及沟通和项目管理能力的训练；
获得终身学习意识的培养和训练。
通过对网联无人机安全管控教学实验平台的建设和应用，得到的主要结论如下：
（1）搭建无人机性能实验系统，开展室内无人机航迹分析与冲突预警仿真模拟，形成无人机安全运行的安全间隔标准和告警算法，为无人机安全管控技术提供理论和实验支撑。
（2）搭建网联无人机场景运行实验系统，开展网联无人机视距外监视与控制仿真模拟，通过5G、ADS-B等技术实现网联无人机的视距外监视与控制，分析和研究所需通信导航监视性能标准，为构建符合安全管控要求和运行要求的无人机通信导航监视所需性能提供参考依据。
（3）搭建有人机/无人机混合运行模拟仿真实验系统，开展无人机驾驶与管制模拟机联合仿真，从空管安全运行的角度出发，研究无人机驾驶/管制模拟机混合运行的基础理论和方法，形成混合运行空域规划、管制程序等空管运行标准，为无人机安全管控能力提升提供标准保障。
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