基于感知与规避系统的无人机防相撞技术研究

魏麟 杨济睿 雷中洲 祁美照

摘要：随着空域体系的变革，航空器数量的持续快速增长使得未来通用航空所使用的低空空域呈现空中流量密度高、航空器性能差异大的特点，飞机之间的安全间隔将逐渐缩小，这给飞行员带来了很大的安全隐患。同时无人机系统发展迅速，世界各国已开发并设计了各种类型的无人机，未来无人机与有人机在空域内融合运行已成为发展趋势，因此为了能够让无人机像有人机一样实现超视距飞行，必须提高系统的可靠性，减少空中发生碰撞的概率。文章主要对感知与规避（Detect and Avoid， DAA）系统的结构进行介绍，总结无人机在空中发生遭遇时与ATC（Air Traffic Control）和控制系統的交互流程，重点体现DAA系统防撞逻辑，最后对未来无人机融入有人机空域运行的前景进行展望。

关键词：防撞系统；防撞逻辑；无人机；DAA

中图分类号：V249  文献标志码：A

1 DAA系统工作原理

随着无人机系统的快速发展，人们意识到无人机在民用、公用以及军事等领域拥有着巨大的发展前景。在过去的十几年里，美国一直致力于将无人机系统（UAS）完全集成到国家空域系统（NAS）中，这是实现广泛的公共和商业无人机操作的前提条件［1］。NASA航空研究任务理事会针对无人机系统融入国家空域系统集成了（UAS-NAS）项目，该项目是为了能将无人机安全地融入空域体系下而开展的一系列测试。项目需要开发一种UAS专用系统，用于检测附近的交通并向飞行员显示交通信息，以保证他们与其他飞机保持客观定义的安全分离间隔阈值的能力，为此DAA系统应运而生。DAA系统就是为远程驾驶航空器驾驶员能够在空中更安全、更方便地操控航空器而设计并开发的，DAA系统是NAS中无人机系统操作成功集成的关键组件。

DAA系统的组成部件主要包括无人机（UA）、无人机控制站、入侵机、ATC、导航系统、全球定位系统以及通信系统［2］。DAA系统在整体运作的过程中，首先无人机接收来自入侵机的相关信息，入侵机的数据可以发送到ATC地面站或直接发送给无人机，之后无人机将入侵机数据、自身数据以及从导航系统和全球定位系统接收到的数据处理好后发送到无人机控制站，再由无人机控制站处理这些数据信息，并将决策咨询建议显示给无人机驾驶员，最后由无人机驾驶员决定是否采取相应的机动，如果需要采取机动，驾驶员将通过通信系统与ATC进行交互，同时ATC可以从地面雷达接收无人机和入侵机的监视数据，并与入侵机进行通信。

2 DAA系统防撞逻辑

2.1 DAA Well Clear定义

无人机驾驶员远程操控无人机时，虽然可以主观地判断无人机是否与其他飞机保持了安全分离间隔，但是仍需要对安全间隔制定一个明确的定量定义，为此DAA系统将良好的安全分离间隔定义为DAA Well Clear［3］。DAA Well Clear定义为与其他飞机保持安全距离的状态，在这种状态下基本上不会触发飞机的避撞（Collision Avoidance，CA）机动。

2014年9月，FAA发布了一份白皮书，阐述了FAA对DWC（DAA Well Clear）的建议并提出了部分更改意见［4］。该白皮书在700 ft垂直边界提出了DAA“交通咨询警报阈值”，该阈值将为驾驶员提供警报，以保持安全分离，DAA Well Clear建议如图1所示。

DAA Well Clear主要定义了3个参数，通过这3个参数判断当期系统应发布的决策咨询建议。水平方向上的失去距离（Horizontal Miss Distance，HMD）表示在恒定速度下，两架飞机在相遇过程中预测的最小水平距离。参数h表示两架飞机的当前高度差，时间度量修正τbmod是两架飞机与“保护域”相交所需的时间。dh表示为当前两机之间的垂直距离，Dbmod是时间   度量修正的距离修正。其中，τ*bmod=35 s，HMD*=4 000 ft，h*=450 ft。

τbmod定义如下：

τbmod=-（r2-Dbmod2）rr·（1）

其中，Dbmod=4 000 ft，一般情况下，r>Dbmod，当r≤Dbmod时，τbmod=0。r和r·分别为入侵机与无人机之间的水平距离和水平距离率。当这3个参数同时低于各自的阈值时，表示两机有发生碰撞的风险，系统会根据两机的飞行状况进行判断，发布警报并给出建议，为此DAA系统定义了警报的级别。

2.2 DAA警报

随着两机在空中发生遭遇时，飞机之间的安全间隔不断缩进，DAA根据分离标准定义了DAA系统警报［5］，如表1 所示。

通过表1可以看出DAA系统根据分离标准将DAA主要的警报级别分为了5类。当出现基本交通和DAA接近警报时，表示此时刻没有危险，不会触发系统告警，可以继续按照原航线飞行。当出现DAA预防警报时，这种警报发生在水平距离<1 n mile，垂直间距<700 ft时，在这种情况下表示有发生碰撞的风险，将提醒飞行员注意规避，不要造成Well Clear损失。当出现DAA纠正警报时，这种警报发生在水平距离<0.75 n mile，垂直间距<400 ft时，在这种情况下表示系统已经预测到会造成Well Clear损失，有必要采取相应的机动，系统通过视听告警发布纠正警报给无人机驾驶员，但是此时仍有足够的时间提前与ATC协调进行避让机动，驾驶员首先应与ATC进行沟通，请求机动许可，当接收到ATC发出的允许指令后，驾驶员执行机动以躲避入侵机。当出现DAA警告警报时，这种警报也发生在水平距离<0.75 n mile，垂直间距<400 ft时，但是此时刻表示有明显Well Clear损失即将发生，无人机驾驶员应立即根据系统发布的决策咨询建议采取机动，不需要先与ATC进行沟通，而应在成功完成避让后再与ATC沟通。以上就是DAA系统根据分离标准规定的警报级别，无人机驾驶员在接收到DAA系统发出的决策咨询建议后应按照正确步骤执行。

3 交互时间线

本文总结了无人机在空中发生遭遇时，无人机驾驶员与ATC和飞机控制系统的交互时间线［6］。当DAA系统发布警报时，将驾驶员与ATC和控制系统的交互时间分为了以下几个阶段，如表2所示。

通知时间（T1-T0）：警报出现与飞行员开始向ATC传输之间的时间。

初始响应时间（T3-T0）：警报出现与飞行员首次与无人机控制界面进行明确交互之间的时间差值。

初始编辑时间（T4a-T3）：飞行员第一次与无人机控制界面进行明确交互和飞行员第一次上传机动至无人机之间的时间。

总编辑时间（T4b-T3）：飞行员第一次与无人机控制界面进行明确交互到飞行员最后一次上传机动至飞机之间的时间。（当只上传一次时，总编辑时间和初始编辑时间相同）。

总响应时间（T4-T0）：警报开始与最终上传机动至飞机之间的时间。

其中应值得注意的是，当DAA系统发出警告警报时，驾驶员应立即采取行动，而无需先联系ATC（在这种情况下，应在冲突解决后通知ATC）。

从交互时间线来看，飞行员与ATC和控制系统的交互过程包含了多个方面，其中一环交互的改变就有可能影响着整个流程，因此交互过程中所使用的通信系统也是十分重要的，因为通信系统通过通信链路进行信号的传输，而在传输的过程中就面临着不确定性的发生，例如通信延迟过大或是通信链路发生故障严重影响信号传输的情况发生，这都会影响无人机驾驶员与ATC进行沟通以及驾驶员远程操控无人机。

4 结语

本文简要介绍了针对无人机系统空中防撞问题所研发的DAA系统的工作原理，重点介绍了DAA系统防撞逻辑，总结了无人机在空中发生遭遇时与ATC和飞机控制系统的交互时间线。未来，无人机系统进入有人机空域，与有人机在低空融合运行已成为发展趋势，因此为使得无人机系统能够像有人机那样在空中更安全地执行飞行任务，有必要针对无人机研究空中防撞系统。同时，DAA系统也给未来融合运行下的空中防相撞问题提供了解决思路。

无人机驾驶员通过通信链路远程操控无人机，但是目前无人机通信链路差异化严重，链路制式各异，互相不兼容，而且面对不同应用场景以及不同业务下对通信链路的需求也比较大，这些问题都影响着通信链路的完整性与实时性，对于驾驶员能否正确执行机动或能否及时执行机动都是十分重要的，因此如何构建高效、可靠、低时延的通信链路是后续需要进一步探索的。

参考文献

［1］JOHNSON C W. UAS integration in the NAS project： project overview，NASA Advisory Council （NAC） meeting［C］. Washington：NASA，2011.

［2］李雄.民用无人机感知和避让方法研究［J］.现代信息科技，2022（4）：157-160.

［3］COOK S P， BROOKS D， CILE R， et al. Defining well clear for unmanned aircraft systems［M］. Kissimmee：AIAA，2015.

［4］SWIDER C. RTCA SC-228 & DAA standards development： Integrated Communications， Navigation and Surveillance （ICNS） conference meeting［C］. Herndon：IEEE，2014.

［5］MUELLER E， SANTIAGO C， WATZA S. Piloted “well clear” performance evaluation of detect-and-avoid systems with suggestive guidance［R］. Washington：NASA，2016.

［6］RORIE C， FERN L. The impact of integrated maneuver guidance information on UAS pilots performing the detect and avoid task： human factors and ergonomics international annual meeting［C］.Washington：NASA，2015.

（編辑 沈 强）

Research on collision avoidance technology of UAV based on detect and avoid system

Wei  Lin1， Yang  Jirui 2*， Lei  Zhongzhou 2， Qi  Meizhao2

（1.School of Flight Technology ， Civil Aviation Flight University of China， Guanghan 618307， China;

2.School of Avionics and Electrical ， Civil Aviation Flight University of China， Guanghan 618307， China）

Abstract： With the reform of the airspace system， the continuous and rapid growth of the number of aircraft will make the low-altitude airspace used by general aviation in the future show the characteristics of high air flow density and large differences in aircraft performance， and the safety interval between aircraft will gradually narrow， which brings great safety risks to pilots. At the same time， the UAV system is developing rapidly， and various types of UAVs have been developed and designed by countries all over the world. In the future， the integrated operation of UAVs and human machines in the airspace has become a development trend. Therefore， in order to enable UAVs to realize over-the-horizon flight like human machines， it is necessary to improve the reliability of the system and reduce the probability of collision in the air. This paper mainly introduces the structure of Detect and Avoid （DAA） system， summarizes the interaction process between UAV and ATC and control system when encountering in the air， focuses on the collision avoidance logic of DAA system， and finally prospects the future operation of UAV integrated into MAV airspace.

Key words： collision avoidance system; collision avoidance logic; UAV; DAA