无人机飞行安全性分析

吕晓林/中国人民解放军92419 部队，辽宁省 兴城市 125106

研究了无人机的安全概率计算模型，将飞行任务分为发射起飞、飞行与回收三个阶段，对各阶段的安全性进行计算，分析了无人机飞行航路设计和飞行航区设置对安全概率的影响，并提出了有利于飞行安全性的航路和航区设置原则。

某型无人机采用火箭助推起飞，程序控制爬升到预定安全高度后，按照预定航线自主导航飞行，完成飞行任务后，按照预定回收区域进行自主回收。由于无人机飞行速度快、航程远，飞行航区覆盖面广，航区内既有陆上重要设施、人口密集区，还有海上重要保护目标、重要生产生活设施等，需要对其飞行安全性进行分析和计算，探索安全使用方法和途径。

无人机基本情况

无人机系统包括发射分系统、无人机(机体、发动机、导航控制分系统、电气分系统)和测控分系统。

无人机具备程序控制、自主和遥控三种飞行控制模式，同时具备自主安全控制功能。在飞行控制系统中，采取了以下安全措施：

(1)机载两套卫星导航定位设备，两者互为备份；

(2)采用卫星导航定位系统输出的高度H与，通过高度稳定回路操纵升降舵，完成飞行高度的稳定与操纵；同时大气机测定的高度H与作为备份；

(3)以卫星导航定位系统输出的航迹角为主进行导航控制，以磁航向作为备份。

无人机具有自主安全控制功能。起飞前可装订安全控制区域，安全控制系统实时判断无人机位置，如果连续判断无人机在安全控制区域外，则无人机执行安安全控制措施。

飞行安全性分析

飞行基本过程

无人机通电测试合格后，发动机开车，油门推到最大，转速稳定后，助推器点火，无人机起飞后按预定程序爬升，爬升结束后以自主飞行为主，遥控为辅。自主飞行中，以机载的卫星导航定位系统进行定位，并与给定航路进行比较，从而完成飞行任务。在自主飞行过程中，可以由地面站发送“人工引导”指令，进入遥控飞行模式。飞行结束后，无人机自主飞到预定区域进行回收。

可靠性分析

(1)发射段可靠性分析

在完成所有检测程序后，先启动发动机置慢车状态，并按照发射时的环境温度、海拔高度将发动机的转速推至修正额定状态；然后再点燃火箭助推器，当火箭助推器的推力值达到一定时，闭锁机构的中的拉断螺栓被拉断，无人机离开发射车轨道。当火箭助推器工作结束后，自行脱落。无人机发动机转速由修正额定状态转换至额定状态，以满足无人机正常飞行需要。

无人机发射可靠性模型如图1所示。

发射可靠性为R发射＝R动力×R点火×R火箭×R火箭。

(2)飞行可靠性分析

无人机起飞后，进入程序爬高，然后可以遥控或自主飞行。若遥控失效，自动按供靶航路自主导航控制飞行。若GPS失效，则进行航路外推并转遥控；若GPS和遥控都失效，无人机自主飞行到预先设置的坠毁区域坠落，以确保重要设施和目标的安全。

无人机可通过遥控链路接收遥控指令、航路和航点等信息；通过遥测链路发送GPS数据、无人机飞行状态参数、遥控回令和无人机当前模式等信息。

无人机飞行可靠性模型如图2所示。

图1 发射可靠性模型

图2 飞行可靠性模型

飞行可靠性为R飞行＝R机体×R动力×R电气×R飞控×[1-(1-R遥控飞行)×(1×R自主飞行)]×R指挥通信。

(3)回收可靠性分析

在飞行结束后，人工遥控或自主飞行到预定回收区进行回收，回收可靠性为R回收。

综上所述，无人机飞行任务可靠性R=R发射×R飞行×R回收。

故障模式与危险概率

故障模式危害性分析概述

无人机飞行过程中，产生的危险主要包括：无人机或火箭助推器的落点在禁区以外，造成人员或设备等的损害。

具体包括：

(1)发射段中无人机和火箭助推器意外坠毁后，落点超出发射禁区；

(2)飞行中，无人机坠毁；

(3)回收时，无人机坠毁。

上述危险均可能造成人员伤亡、设备损坏、财产损失等事故。

根据相关的国军标，将故障严重性等级分成4级，如表1所示。

表1 故障严重性等级

根据相关国军标，将故障可能性等级分为5级：A、B、C、D和E，如表2所示。故障可能性等级即该故障模式在总的故障中发生的比例。

表2 故障可能性等级

故障模式与危险概率

(1)发射段危险概率

无人机发动机在正常使用寿命之内使用，其可靠度R动力可视为1。

点火控制系统的R点火可靠度视为1。

由于根据以往的经验，发动机和点火控制系统的可靠性可以看成1，那么发射段的可靠性主要由火箭助推器的可靠度R火箭决定，根据火箭助推器的生产工艺过程和使用方式分析，火箭助推器的故障主要考虑为没有产生额定的推力值，并且主要应表现为没有被点燃。基于这样的假设，可以将火箭助推器视为成败型产品。在发射段中，如果两枚火箭只有一枚点燃，那么就会产生危险。如下表所示，可以看出，发生危险的概率为：2R火箭×(1-R火箭)。

表3 发射段故障状态表

下面计算火箭助推器的可靠度R火箭。

根据火箭助推器的生产单位航天二员同类产品的统计数据，同类产品的试验次数n＝50，失败次数f＝0。现在对火箭助推器的单侧置信下限RL进行估计。由于f＝0，因此，计算公式为

其中，γ为置信水平。

现取置信水平为80%，那么RL＝0.9701，则发射段任务成功的概率估计为：P发射＝0.9701×0.9701=0.9411，单发火箭助推的概率估计为：2×0.9701×(1-0.9701)=0.0580，则发射段的危险概率为0.0580。

(2)飞行段危险概率

在飞行供靶段中，飞行时间按照t＝1h来计算，则：

无人机的机体、动力系统和电气系统的可靠度R机体＝R动力＝R电气＝1。

指挥通信设备的可靠度R指挥＝0.9990。

无人机飞控系统的任务可靠度R飞控＝0.9864。

自主飞行控制系统任务可靠度R自主＝0.9996。

综上，无人机飞行段的任务可靠度为R＝0.9864×(1-(1-0.9967)×(1-0.9996))×0.9990=0.9854。

现假设上述各分系统出现故障的概率相互独立，则可以计算出各种故障组合状态对应的发生概率如表4所示(其中，1表示正常，0表示故障)。

表4 故障状态发生概率表

现对表中的状态模式的发生概率与10-4进行比较，结果如表5。

由表中可见模式8、12、14、16共计4种模式的发生概率是大于10-4的。

表5 故障状态发生概率表

安全性分析

发射段安全性分析

无人机采用双发火箭助推零长发射方式，影响无人机发射安全的因素有：双发火箭点火不同步、双方火箭推力不同步、只有1枚火箭工作、发动机停车、无人机飞控系统故障、无人机电气系统断电。

助推火箭出厂前进行了双发火箭同步点火试验，确保双发火箭同步点火时间偏差、火箭推力偏差和拖尾段起始时间偏差满足指标要求。无人机放飞前，两枚火箭点火电缆处于并联状态，通过开关连接在点火电源上；在点火前要进行线路测试，确保点火电路无断路、短路现象，在技术上和措施上确保双发火箭点火的同步性。如果双方火箭推力存在一定偏差，会对无人机产生一定的扰动，可导致无人机航向最大偏差范围为±15°，这以后无人机会在飞控系统的作用下迅速纠偏，无人机不会继续发生偏航运动。

助推火箭内部点火线路上安置有低通滤波器，可以防静电防射频，确保火箭不会意外点火；另外每发火箭内部都有两套点火系统，只要有一套系统工作，火箭就可以正常点火；同时点火前要进行点火线路检测，确保两枚火箭点火正常。当只有1枚火箭工作时，无人机会翻滚、失控坠毁，不会对发射禁区外的目标造成威胁。

火箭点火以后，如果发动机突然停车，火箭推力产生低头力矩，无人机会快速坠入海中，不会对发射禁区外的目标造成威胁。

飞控系统出现机械故障的可能性很小，发射过程中，若舵系统出现问题，如舵面拉杆断裂，无人机会很快失控坠海；如果飞控计算机、陀螺平台、舵机出现问题，无人机会很快失控坠海，都不会威胁到发射禁区外目标的安全。

如果无人机电气系统突然断电，无人机马上失控、快速坠落，也不会对发射禁区外的目标造成威胁。

图3 无人机飞行时安全性分析框图

因此，在发射段无人机不会对发射禁区外目标造成威胁。

飞行过程中安全性分析

程序爬高结束后，如果没有遥控指令，无人机自动进入自主飞行，按预定航路进行飞行飞行。无人机飞行安全性分析如图3所示。

各种因素影响

根据上述计算，对无人机飞行安全性的影响因素进行了分析。

火箭助推器

无人机安全是指在无人机的运输、贮存、使用维护、发射和飞行等过程中不会对人员、财产、装备等造成损害；在无人机发射后，无论飞行是否成功，最后的落点(包括助推器)应在禁区和危险区内部。那么飞行的安全概率必须大于0.998(不考虑无人机被击中后的情况)。根据上述的计算可知，飞行的安全概率小于0.998的任务可靠度，必须提高各方面的可靠性。

在不考虑回收段危险概率的条件下，飞行安全大于0.998，那么应保证单发火箭助推器的可靠度大于0.9995。

飞行时间

由于系统中的许多设备都是电子设备，其可靠性服从指数分布，航时越长，可靠性越低。设总航时分别为t1和t2，则同一个设备的故障概率在不同航时条件下的比值为，可见，飞行一个航次与两个航次的飞行故障概率是不同的。但由于航时是根据任务要求确定的，一般难以压缩，只能是在满足需要的前提下，尽量减少总航时。

最远飞行距离

由于存在各种干扰因素，遥控遥测实际作用距离要小于理论值。一般说来，各种设备在使用中以使用其最大范围的2/3之内为宜，以保证设备的性能和可靠性。因此，建议最远飞行距离应不超过遥控遥测作用距离理论值的2/3。

航区内重要目标范围

从分析中可以看出，航区内重要目标的范围越大，越容易发生危险，所以在航区内应尽量减少这样的目标。这就要求在设置航区的时候，尽可能选择重要目标较少的区域。

结论

研究了无人机的安全概率计算模型，该模型将飞行任务分为发射起飞、飞行与回收三个阶段，对各阶段的危险概率进行计算，在采用一系列简化和假设的基础上，分析了无人机飞行航路设计和飞行航区设置对安全概率的影响，包括总航时、最远飞行距离、航区内重要目标的范围等方面对安全概率的影响，并提出了有利于飞行安全性的航路和航区设置原则。