浅论融合空域下无人飞行器系统功能要素

 

胡楠

中航西飞民用飞机有限责任公司 陕西西安 710089

1.背景

中国的无人机发展历程可以追溯到20世纪40年代，但真正起步是在20世纪80年代末和90年代初，民用无人机最早出现在上个世纪80年代，西北工业大学使用固定翼无人机进行测绘和地质勘探作业。[1]在这个阶段，国内开始积极研发无人机技术，主要集中在军用领域。随着时间的推移，中国逐渐扩大了无人机的应用领域，包括军事、民用和商业领域。

2016年，中国航天科技集团在11届珠海航空博览会上首次展示了“彩虹”无人机家族中的“彩虹-5”。[2]中国的无人机制造商如航天科工、航天科技、大疆、中航无人机等，逐渐崭露头角，在国际市场上拥有了一席之地。

总的来说，中国的无人机发展历程经历了从起步阶段到技术突破，再到国际市场竞争的阶段，取得了长足的进步和成就。

但目前无人飞行器大多在管制空域下试验或运行。中国民航局划设无人驾驶航空器飞行空域遵循“隔离飞行为主，兼顾融合飞行”原则，以大型无人机系统为例，仅当飞行器适航许可的前提下，方可在融合空域下飞行。[3]其次，进入融合空域仍然需要保持与有人驾驶飞行器保持间隔以及避让。[4]因此，无人驾驶航空器系统需要在设计层面考虑针对融合空域下运行场景捕获工程需求，变得越来越迫切。

本文以美国国家空域系统为背景，讨论在融合空域场景下，无人驾驶航空器系统在设计过程中需要考虑哪些功能，重点讨论航电相关机载设备。

2.美国空域系统（National airspace system）简述

美国空域系统由联邦航空管理局（FAA）负责管理。它包括了一系列的空域分类和管理规则，用于确保航空安全、提高空中交通效率以及保护公共利益。

美国的空域被划分为不同的类别，主要包括受控空域、非受控空域、特定用途空域、限制区域和危险区域。受控空域通常位于机场周围和沿着主要航路的区域。在受控空域内，飞行活动受到空中交通管制（ATC）的监控和管理，以确保飞行安全和空中交通效率。受控空域通常分为A、B、C、D、E五类，各有不同的飞行规则和要求。非受控空域则是在某些地区的低空空域，一般不受ATC的管理，但飞行员需要自行负责遵守空中交通规则。[5]

除了空域划分外，美国的空域系统还包括了空中交通管制服务、航空导航设施、飞行规则和程序等内容。FAA负责颁布和执行这些规则，并与其他航空相关机构合作，以确保空域系统的高效运作和安全性。

3.无人驾驶航空器系统功能要素

无人飞行器系统通常包含飞行器及地面控制站2部分。无人飞行器机载航电系统主要包含综合飞行管理控制、融合导航、数据链路、空中交通通信（ATC）、天线及其它传感器设备。

在融合空域下，当传统有人航空器和无人机共享同一空域时，为了确保空中交通安全，无人机应具备以下功能要素：

1.自主感知避障能力：无人驾驶航空器应能够自动识别并根据周围态势信息主动决策，自动避让空中障碍物，包括但不限于其他有人或无人驾驶飞行器、建筑物、地形、恶劣气象等，以避免碰撞及不安全事件发生。

2.自主飞行控制：无人驾驶航空器应能够具备自主飞行的能力，基于机场发布的进、离场程序，按照预定航线或航迹起飞、爬升、巡航、进近、着陆等各个阶段的自动控制，以减少人为控制介入的需求。

3.空中交通管理系统集成：无人驾驶航空器应能够与现行空中交通管理系统集成，实现与其他有人或无人驾驶飞行器的实时通信，了解一定空域内飞行器的飞行意图、交通流量及空中交通管制指令，支持空域内协同飞行，确保空中交通的安全和顺畅。[6]

4. 飞行路径实时动态调整规划：无人驾驶航空器应能够结合实时的空中交通情况、空中交通管制指令、空域周围态势信息，针对当前飞行路径进行实时规划和动态调整，通过数据链路以及交通管理系统集成上报给控制站成员、空中交通管理人员，获得批准后，将更新后的路径提供至飞行控制系统，以避免潜在的交通冲突和碰撞。

5. 综合故障诊断和自主应对：无人驾驶航空器应具备自动诊断系统故障的能力，这要求对整个无人驾驶航空器机体结构、机体系统和机载航电系统进行故障监控，并能够在复杂情况下，根据预先设计好的策略，采取相应减缓措施，比如自主返回、安全降落、迫降等，以规避系统失效带来的各种风险。

6. 飞行监视和追踪：无人驾驶航空器应能够实时监视和追踪自身的飞行状态和位置，并能够与其他有人或无人驾驶飞行器以及地面控制站成员、空中交通管理人员及其他监管部门进行实时数据交换。

7. 安全保障功能：无人驾驶航空器系统应具备安全保障功能，包括防失连、防干扰、防劫持等，这需要在数据链路端地面和机载端分别考量，以确保飞行安全和数据安全。

这些功能要素可以帮助无人机在融合空域中安全、有效地进行飞行，并与其他航空器和地面管理系统实现良好的协同。

总结及未来研究方向

传统有人飞机综合航电系统与前文中所描述能力还存在着不小的差距，此外，飞行许可和注册、

无人驾驶航空器投保[7]、应急应对准备以及公众安全意识和教育[8]等方面，作为保障无人驾驶航空器在融合空域下安全飞行的重要环节，需要飞行器生产商、航空公司、金融保险业、政府部门等利益相关方进行多维度的深度讨论与研究，通过彼此的共同努力，才能尽快推动无人驾驶航空器系统在融合空域下进行更多的尝试与进步。

参考文献

[1] 何艳斌 (2021) ‘中国无人机现状研究-民航·新型智库’. Available at: http://att.caacnews.com.cn/mhfzzcgjyxb/mhfzzcgjyxb2th/202110/t20211028_58953.html.

[2] 央视网 (2016) ‘[东方时空]聚焦第11届珠海航展·彩虹-5无人机首次亮相：“重型狙击手”彩虹-5无人机_CCTV节目官网-CCTV-13_央视网(cctv’. Available at: https://tv.cctv.com/2016/11/01/VIDEjsAQW5jzZc6A3D4mf6c8161101.shtml.

[3] 中国民用航空局 (2023) ‘无人驾驶航空器飞行管理暂行条例’. 中国民用航空局.

[4] 交通运输部 (2024) ‘民用无人驾驶航空器运行安全管理规则’, pp. 1–100.

[5] Federal Aviation Administration (FAA) (2015) ‘Federal Aviation Administration National Airspace System (NAS) Overview’

[6] RTCA (2007) ‘GUIDANCE MATERIAL and CONSIDERATIONS for UNMANNED AIRCRAFT SYSTEMS’.

[7] 周妙妙 (2024) 百亿无人机保险蓝海 如何解“看得见、吃不到”难题 - 21世纪经济报道, 21世纪经济报道. Available at: https://m.21jingji.com/article/20240326/66801a0b441b890ed916164e12690d31_zaker.html.

[8] 澎湃新闻 (2024) 无人机“黑飞”致航班延误，拘留！. Available at: https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_9197339.