1 引言

 

 

航空工業(yè)和政府機構對無人機系統(tǒng)大規(guī)模整合到全球管制和非管制空域的需求快速增長。實現(xiàn)整合的關鍵包括保證無人機系統(tǒng)安全運行所需的通信、導航和監(jiān)視（CNS）技術。NASA在其項目NNA16BD84C下，提出了實現(xiàn)無人機系統(tǒng)在管制和非管制空域安全運行所需的通信、導航和監(jiān)視體系架構概念。本文分析了CNS體系架構的實現(xiàn)就緒度。

無人機系統(tǒng)在管制空域運行遵循世界空中交通管理（ATM）服務中有人航空的要求，而無人機系統(tǒng)在非管制空域運行則遵循NASA無人（空中）交通管理（UTM）運行概念。實現(xiàn)就緒度基于NASA的技術成熟度等級（TRL），包括：TRL1（發(fā)現(xiàn)基本原理）到TRL6（相關環(huán)境演示）到TRL9（實際系統(tǒng)飛行證明）。在NASA無人機系統(tǒng)通信導航監(jiān)視體系架構概念中，引入了許多需要與TRL等級相關的新型CNS體系架構單元。TRL6被認為是要在1到5年（2018~2022）內(nèi)實現(xiàn)全面集成飛行測試的所有功能單元的最低標準成熟度等級。從本文中可以看出，大部分功能單元的TRL已經(jīng)處在TRL6或更高。其他功能單元處在研發(fā)階段末期，隨著它們的不斷成熟，可以引入到生產(chǎn)測試?？傊?，對于核心功能單元，可以在開展先進研發(fā)工作的同時，引入到可行性和實用性測試（在實驗室環(huán)境和實際飛行測試）中。

本文分析了無人機系統(tǒng)通信網(wǎng)絡、通信數(shù)據(jù)鏈路、導航和監(jiān)視的實現(xiàn)。在當前項目下，NASA對無人機系統(tǒng)通信、導航和監(jiān)視需求、管制空域無人機系統(tǒng)通信、導航和監(jiān)視體系架構以及非管制空域無人機系統(tǒng)通信、導航和監(jiān)視體系架構展開了積極研發(fā)。在重要的無人機系統(tǒng)相關會議（包括Icns2017、IEEE航空2018和Icns2018）上，NASA發(fā)布了無人機系統(tǒng)體系架構概念，并繼續(xù)尋求其他發(fā)布機會。NASA將繼續(xù)努力，為無人機系統(tǒng)在管制和非管制空域運行創(chuàng)建一種全面集成測試場景。

2 無人機系統(tǒng)通信網(wǎng)絡實現(xiàn)分析

 

 

小型無人機系統(tǒng)（sUAS）（無人機重量小于55磅，約25千克）已經(jīng)開始進入國家空域（NAS），在未來幾年，將會達到數(shù)百萬架。由于預期的大規(guī)模部署，對于運行于非管控空域的小型無人機系統(tǒng)而言，采用對運行于管控空域（分為A、B、C、D和E類）的有人飛機和大型無人機系統(tǒng)進行管理的空中交通管理（ATM）服務，是不切實際的。而運行于G類非管控空域的小型無人機系統(tǒng)將需要持續(xù)的通信、導航和監(jiān)視態(tài)勢感知（SA），這是一種基于網(wǎng)絡的服務，被稱作無人空中交通管理（UTM），而對于來自UTM ATC的指揮控制（C2）信息，將基于例外管理原則（MBE）進行管理。在這種背景下，MBE意味著小型無人機系統(tǒng)需要按照FAA第107部分的規(guī)則運行，只有那些偏離規(guī)則的小型無人機系統(tǒng)服從搶先式和/或修正式UTM C2指示。

在管制空域運行的大型無人機系統(tǒng)，將歸于與全球有人航空相同的ATM管轄范圍，并將接受空中交通管制（ATC）系統(tǒng)的持續(xù)指揮控制/態(tài)勢感知管理。ATM中預期的大型無人機系統(tǒng)數(shù)量比無人（空中）交通管理（UTM）中運行的小型無人機少很多個數(shù)量級，然而，采用的是相同的通信網(wǎng)絡體系架構單元。特別是，通信網(wǎng)絡必須支持互聯(lián)網(wǎng)型通信，這類通信中源節(jié)點和目的節(jié)點可以交換IP數(shù)據(jù)單元（稱為數(shù)據(jù)包）。網(wǎng)絡可以是專用鏈路、路由器、交換機等的獨立集合，也可以（更有可能）是在全球公共互聯(lián)網(wǎng)上配置且受到虛擬專用網(wǎng)（VPN）保護的一個疊加層。

（1）互聯(lián)網(wǎng)——IPv6（TRL9）

目前，互聯(lián)網(wǎng)正在向IPv6協(xié)議遷移。IPv6是一個完整的互聯(lián)網(wǎng)標準，幾乎無處不在，例如，全球各公共領域和商用電話、計算機和網(wǎng)絡設備產(chǎn)品。一般情況下，這些產(chǎn)品通常配置為可接受IPv4或IPv6網(wǎng)絡服務，但首選IPv6，其他產(chǎn)品，如低端物聯(lián)網(wǎng)設備（如家用溫控器、監(jiān)視系統(tǒng)等），只有IPv6。主要互聯(lián)網(wǎng)提供商目前也在面向家庭用戶提供原生IPv6服務。鑒于這些產(chǎn)品部署廣泛且容易獲得，因此IPv6技術成熟度可歸類為TRL9。

（2）自動配置——DHCPv6和IPv6ND（TRL5）

IPv6包括向移動設備（例如無人機系統(tǒng)）自動分發(fā)IPv6地址和子網(wǎng)前綴的附加服務。無狀態(tài)地址自動配置（SLAAC）服務通過IPv6鄰居發(fā)現(xiàn)（IPv6ND）協(xié)議提供，而有狀態(tài)IPv6前綴授權服務由IPv6動態(tài)主機配置協(xié)議（DHCPv6）提供。無人機系統(tǒng)將需要一種移動IPv6子網(wǎng)前綴，無論無人機在世界任何地方漫游，該前綴都可伴隨無人機。

DHCPv6和IPv6ND各自都可視為TRL9，但無人機系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡將需要一種DHCPv6/IPv6ND組合集成，從而在接入網(wǎng)地址發(fā)生變化的過程中，共同保持移動前綴授權處于活躍狀態(tài)。二者的集成歸類為TRL5。

（3）路由——邊界網(wǎng)關協(xié)議（BGP）（TRL9）

互聯(lián)網(wǎng)骨干由鏈路（如光纖）、橋接器、交換機和路由器組成，它們連接在一起，形成一個全球連通拓撲結構。核心互聯(lián)網(wǎng)路由器負責連續(xù)確定將數(shù)據(jù)包從源節(jié)點送往目的節(jié)點的接下來連續(xù)幾跳。因此，每個路由器維護一個路由信息庫（RIB）和一個轉發(fā)信息庫（FIB），分別用于確定下一跳并向下一跳轉發(fā)數(shù)據(jù)包。

互聯(lián)網(wǎng)路由系統(tǒng)基于多年來提供核心路由服務的邊界網(wǎng)關協(xié)議（BGP）。BGP把自主系統(tǒng)（AS）相互連接成一個相鄰自主系統(tǒng)之間對等排列的網(wǎng)狀網(wǎng)，全世界所有自主系統(tǒng)構成全球公共互聯(lián)網(wǎng)。網(wǎng)絡邊緣必須保持無人機系統(tǒng)機動性事件更新，并由移動性服務（例如，非對稱擴展路由優(yōu)化（AERO））對之進行管理。在這種背景下，BGP歸類為TRL9。

（4）安全——OpenVPN（TRL9）

由于ATM/UTM網(wǎng)絡服務將在全球公共互聯(lián)網(wǎng)進行分層，因而需要采用虛擬專用網(wǎng)（VPN）服務保護服務的機密性、完整性和可用性（CIA），其中包括加密和認證，這樣ATM/UTM管制員可以通過互聯(lián)網(wǎng)上的VPN隧道協(xié)調無人機系統(tǒng)運行。同時，這些VPN隧道還必須支持終端系統(tǒng)機動性，即使無人機系統(tǒng)在網(wǎng)絡連接點之間運行時，仍能保持安全會話處于活動狀態(tài)。

一種名為OpenVPN的公共可用的VPN客戶機和服務器軟件分發(fā)平臺已被選作無人機系統(tǒng)安全通信參考平臺，同時，許多商業(yè)軟件銷售商也提供VPN解決方案，但是這些方案的缺點是不提供開源代碼。OpenVPN技術是穩(wěn)定和安全的，并且為互聯(lián)網(wǎng)安全提供廣泛部署的服務。OpenVPN歸類為TRL9。

（5）移動性——非對稱擴展路由優(yōu)化（AERO）（TRL5）

非對稱擴展路由優(yōu)化（AERO）是一種網(wǎng)絡層移動性服務，無論何時當無人機系統(tǒng)跨其任何可用航空數(shù)據(jù)鏈路漫游時，都可實現(xiàn)無人機系統(tǒng)跟蹤。該服務采用IPv6作為網(wǎng)絡層協(xié)議，IPv6ND和DHCPv6作為自動配置和移動性跟蹤服務，BGP作為域間路由協(xié)議，移動虛擬專用網(wǎng)（VPN）服務作為安全層。使用AERO的無人機系統(tǒng)還配置一種新型IPv6鏈路本地地址，稱為“AERO地址”，鏈接IPv6路由與IPv6ND。

此類模型以一種基于OpenVPN開源軟件分發(fā)平臺的AERO公共域實現(xiàn)實例化。代碼運行在Linux和Android操作系統(tǒng)上，支持所有DHCPv6、IPv6ND和BGP操作。AERO代碼自身仍然在網(wǎng)絡仿真和真實網(wǎng)絡試驗中進行高級測試，因此，其技術成熟程度可歸類為TRL5。公共域KEA DHCPv6、OpenVPN和Quagga BGP路由實現(xiàn)都在使用。所有這些實現(xiàn)都可歸類為TRL9。

（6）傳輸層（TRL9）

傳輸層負責應用數(shù)據(jù)的可靠和/或實時分割，以便向網(wǎng)絡層表述，在網(wǎng)絡層，AERO移動組網(wǎng)服務將數(shù)據(jù)傳送到正確的移動或固定端系統(tǒng)。傳輸控制協(xié)議（TCP）是一種可靠的端到端服務，確保數(shù)據(jù)源發(fā)送的所有數(shù)據(jù)都被目的地正確接收。例如，向ATC傳送大文件的無人機系統(tǒng)可以使用TCP實現(xiàn)其消息分割、擁塞控制和流控制要求。ATC將對接收到的每個字節(jié)進行確認，無人機系統(tǒng)可以重傳任何丟失的字節(jié)。由于無人機系統(tǒng)可能正在網(wǎng)絡連接點之間快速移動，有實時傳送需求（例如，駕駛艙管制員數(shù)據(jù)鏈路通信（CPDLC）或標準協(xié)議（STANAG）4586要求）的指揮控制短信息指令采用用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）更好。

TCP和UDP都是互聯(lián)網(wǎng)使用了幾十年的基礎傳輸協(xié)議，它們已在各種主要計算產(chǎn)品和網(wǎng)絡產(chǎn)品中成功實現(xiàn)，是全球最廣泛使用的傳輸協(xié)議。它們歸類為TRL9。

（7）應用（TRL5~TRL9）

無人機系統(tǒng)應用包括指揮控制、態(tài)勢感知、流媒體和一般文件傳送。CPDLC是一種指揮控制消息傳送服務，在空中交通管制（ATC）和工作在管控空域和非管控空域的無人機遠程飛行操作人員之間提供空中交通管理（ATM）指令。這種消息傳遞服務起源于也適用于有人航空應用，用于航空通信網(wǎng)絡（ATN）實現(xiàn)開放系統(tǒng)互連（ATN/OSI）和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議服務（ATN/IPS）。CPDLC可運行于ATN/OSI，因而在該域中歸類為TRL9。目前正在實驗室測試環(huán)境進行ATN/IPS領域的測試，因而，可歸類為TRL5。由于無人機系統(tǒng)ATM/UTM服務將基于ATN/IPS，因此，對于無人機系統(tǒng)，CPDLC歸類為TRL5。CPDLC消息將通過該域的UDP傳輸層承載。

STANAG4586消息傳送包括標準的指揮控制消息集，遠程飛行操作人員通過這些消息控制無人機系統(tǒng)內(nèi)的各無人機。這些消息通過UDP傳送（與CPDLC相同），在（盡力而為型）網(wǎng)絡層服務容易出現(xiàn)丟失和重傳。由于AERO提供的是盡力而為型移動網(wǎng)絡層服務，STANAG4586消息傳遞將獲得與固定網(wǎng)絡中遠程飛行操作人員與無人機系統(tǒng)通信相同的盡力而為服務，因此可視其為TRL9。

3 無人機數(shù)據(jù)鏈路實現(xiàn)分析

 

 

在本節(jié)中，將介紹當前和建議的用于空中交通管理（ATM）和無人交通管理（UTM）的數(shù)據(jù)鏈路的實現(xiàn)分析。

（1）衛(wèi)星鏈路（TRL8）

· 適用性：管制空域中的幾乎所有大型無人機都使用衛(wèi)星鏈路，在海上，這些鏈路專用于通信。

· 優(yōu)點：目前，衛(wèi)星星座覆蓋了地球的大部分區(qū)域，因而，它們可在地球的任何地方使用。

· 缺點：衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈路存在兩個關鍵問題：數(shù)據(jù)速率低和重量大。每個用戶的數(shù)據(jù)率通常僅為每秒幾千比特，能夠支持少量話音信道。接收機所需天線的尺寸太大，無法用于小型無人機。衛(wèi)星總數(shù)據(jù)率也很低，以至于只能為幾千架飛機提供支持。

· 實現(xiàn)情況：通常用于航空飛行的有兩類衛(wèi)星，即Inmarsat Swift Broadband 5和Iridium Next。每顆Inmarsat Swift Broadband 5衛(wèi)星提供800Mbps帶寬，而每顆Iridium Next衛(wèi)星提供72Mbps帶寬。因此可視其為TRL8。

（2）AeroMACS（TRL5）

AeroMACS是RTCA設計用于機場地面通信的數(shù)據(jù)鏈。

· 適用性：如上所述，AeroMACS是專為機場地面部分設計，有人機和無人機都可使用。

· 優(yōu)點：它采用一種最新通信技術設計，可以高效使用頻譜。

· 缺點：AeroMACS使用預留給航空的5.091~5.150GHz頻段（C波段）。該頻段受保護，因此不是免許可頻段。同樣，在沒有中間服務提供商的情況下，飛行員不能在機場外使用該頻段嘗試與其無人機直接通信。

· 實現(xiàn)情況：標準已準備就緒且已經(jīng)過多次試驗驗證。因此可歸入TRL5（技術演示）。

（3）L-DACS（TRL5）

歐洲航管組織（EUROCONTROL）預見到了航空通信需求，開發(fā)了兩種型號使用L波段的航空數(shù)據(jù)鏈。L-DACS1使用正交頻分復用（OFDM）技術，與WiMAX/LTE類似，而L-DACS2使用時分雙工（TDD）技術，類似GSM。從這一點上說，L-DACS1是用于飛行階段數(shù)據(jù)鏈路的領先候選鏈路。

· 適用范圍：L-DACS設計用于飛行階段，替代VHF數(shù)據(jù)鏈2（VDL2）。

· 優(yōu)點：采用L波段960MHz~1165MHz頻段。這些頻率比用于AeroMACS的C波段頻率低5倍。因此，與C波段技術相比，距離更遠，既可用于有人機也可用于無人機。

· 缺點：L-DACS采用受保護頻段，對少量飛機非常適合。因而，大型無人機可以使用L-DACS，小型無人機則要使用其他數(shù)據(jù)鏈路。

· 實現(xiàn)情況：L-DACS仍在進行標準化，技術演示即將進行，處于TRL5。

（4）RTCA SC-288無人機系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈路活動（TRL5）

航空無線電技術委員會（RTCA）特別委員會SC-228工作組WG-2被授權制訂用于指揮控制的最低航空系統(tǒng)性能標準（MASPS）和最低性能標準（MOPS）。SC-228 WG-2第一階段的工作重點放在用于無線電視距操作的地面控制非有效載荷通信（CNPC）鏈路。該工作組的白皮書描述了其近期計劃，計劃2018年12月前開發(fā)指揮控制數(shù)據(jù)鏈路MASPS，2020年6月前開發(fā)CNPC MOPS。

（5）WiFi（TRL9）

· 適用性：WiFi及其改型是小型無人機最常用的數(shù)據(jù)鏈路。通過某些調整，作用距離可達幾公里。盡管其距離有限，但對于大部分拍攝及其他應用是可以接受的。

· 優(yōu)點：WiFi可以說是應用最廣泛的無線技術，它的另一優(yōu)勢是可在所有智能手機中實現(xiàn)，因而，如果使用WiFi數(shù)據(jù)鏈路，可使用智能手機作為控制器，從而降低設備成本。

· 缺點：WiFi的主要限制是它的距離。對大部分有人飛行或超視距工作，幾公里的通信距離遠遠不夠。

· 實現(xiàn)情況：如前所述，WiFi目前被廣泛采用。

（6）長距離WiFi（TRL3）

IEEE 802.11ah是一種長距離WiFi版本，它使用900MHz頻段，而不是常規(guī)WiFi使用的2.4 GHz和5.8 GHz，因此其作用距離可以達到數(shù)公里。

· 適用性：對于近距離或超視距飛行小型無人機來說非常理想。

· 優(yōu)點：使用免許可頻段，所以，任何小型無人機都可以由飛行操作人員通過這種鏈路進行控制，無需外部服務提供商。同時，與WiFi類似，有低成本優(yōu)勢。

· 缺點：由于頻譜不受保護，可以隨意使用，因此，它不適用于管制空域和大型無人機，因為同時位于同一頻道的其他發(fā)射機的干擾可能會帶來影響。

· 實現(xiàn)情況：IEEE 80211ah標準幾年前已由IEEE完成，但使用率一直很低，而且?guī)缀鯖]有實現(xiàn)案例。僅處于TRL3級（需要通過研究證明可行性）。

（7）ZigBee（TRL9）

ZigBee和長距離WiFi一樣，相比標準WiFi，作用距離更遠。

· 適用性：與長距離WiFi一樣，ZigBee也可以運行在900MHz頻段，因此其作用距離比常規(guī)WiFi更遠。

· 優(yōu)點：成本低，因此是小型無人機的首選。事實上，大部分自己制作無人機的愛好者都采用各種衍生型Zigbee，例如XBee和XBee Pro，3DR和RFD900。

· 缺點：無人機使用的大多數(shù)ZigBee版本都是上述各種專用版。

· 實現(xiàn)情況：該技術在無人機愛好者中極為流行，目前在用。因此對于小型無人機處于TRL9。

（8）藍牙（TRL9）

藍牙是為極短距離通信而開發(fā)的，但是，目前這種技術已應用于小型無人機市場。

· 適用性：藍牙的作用距離限制在30米以內(nèi)。該距離至少可滿足兩種應用：跟隨和蜂群。

· 優(yōu)點：藍牙成本極低，體積小，可以用作WiFi或ZigBee之外的一種二級數(shù)據(jù)鏈路。它采用免許可的2.4GHz頻段。

· 缺點：藍牙的主要缺點是作用距離太短，因此只能作為一種二級數(shù)據(jù)鏈路或不受短距離影響的室內(nèi)應用。

· 實現(xiàn)情況：藍牙芯片廣泛可用，因而，藍牙廣泛應用于智能手機和多種小型無人機。該技術可行并在使用，因此歸為TRL9級。

（9）蜂窩和蜂窩車聯(lián)網(wǎng)（C-V2X）（TRL9/TRL5）

4G、LTE和5G等蜂窩技術適用于遠程通信。

· 適用性：蜂窩技術是全球可用的，因而，在許多方面，可與衛(wèi)星媲美。小型無人機和大型無人機都可使用這一技術。

· “蜂窩車輛網(wǎng)”（C-V2X）是5G引入的新特性之一。雖然這種技術設計用于汽車，但其很容易改造用于無人機。

· 優(yōu)點：蜂窩技術最大的優(yōu)點是大部分生活環(huán)境都有蜂窩基礎設施，這種技術既可用于小型無人機，也可用于大型無人機。

· 缺點：蜂窩技術盡管全球可用，但只是大部分在高速公路沿線和居民區(qū)附近實現(xiàn)，在偏遠地區(qū)，沒有蜂窩信號，即使有，也很弱。

· 實現(xiàn)情況：蜂窩技術已實現(xiàn)廣泛部署，處于TRL9級。即將到來的CV2X技術需要經(jīng)過更多試驗和技術驗證，處于TRL5級。

4 無人機系統(tǒng)導航實現(xiàn)分析

 

 

目前的美國國家空域（NAS）體系架構規(guī)定由空中交通管制（ATC）系統(tǒng)基于監(jiān)視雷達回波信號和廣播（例如，ADS-B）信息確定飛機位置。雷達精度隨著飛機與雷達站距離的增加而降低，另外，非視距回波信號（例如，建筑物、地形造成的回波）也會造成雷達精度的降低，從而影響飛機之間最低安全距離。在非雷達環(huán)境中，飛機必須報告其根據(jù)GPS或導航輔助措施（例如甚高頻全向（無線電）信標（VOR）和測距裝置（DME））確定的位置。在這種工作環(huán)境下，為確保安全，飛機間甚至需要保持更大安全距離。

2025年下一代導航工作的關鍵組成部分是對于在管制空域運行的有人平臺，從傳統(tǒng)導航系統(tǒng)和雷達監(jiān)視向替代的精密導航和授時（APNT）以及廣播式自動相關監(jiān)視（ADS-B）遷移。

向ADS-B遷移取決于所報告的飛機精確位置，而不是監(jiān)視或一次雷達。GPS是目前唯一被批準用于ADS-B的導航源，精度滿足性能目標，可提高繁忙空域導航精度從而降低飛機間安全距離（讓更多飛機在更小區(qū)域高效飛行）。相關監(jiān)視的第二個目標是降低目前NAS體系架構所需的基礎設施和維護成本。通過組合，降低機間最低安全距離并消除現(xiàn)有基礎設施的計劃為GPS服務帶來嚴重負擔。對生命安全的關注以及PNT高可用性及無中斷運行要求，意味著需要對脆弱的GPS進行備份，以便為運行在NAS和非管制空域的無人機系統(tǒng)提供支持。

NASA的UTM系統(tǒng)概念，將實現(xiàn)對在郊區(qū)和城區(qū)建筑物上空或在有人飛機高度以下飛行的各種無人機系統(tǒng)的安全管理。為了支持正確定位和授時，波音公司建議使用一種多源導航方案，組合使用全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）與地基多邊定位技術（例如，蜂窩、衛(wèi)星、調頻、廣域增強系統(tǒng)、WiFi）和授時服務協(xié)議。為了支持相對定位，波音公司建議使用無人-無人和無人-有人航空系統(tǒng)多邊定位技術，并組合基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的自動相關監(jiān)視（ADS-IP）。

為了支持UTM，需要實現(xiàn)一種可負擔的小型無人機機載體系架構，為視距和超視距提供支持。該體系架構應定義小型無人機系統(tǒng)支持所需的通信、導航和監(jiān)視+探測和規(guī)避（CNS+DAA）能力的最低設備清單。

支持G類空域的小型無人機機載導航體系架構概念會利用多個導航源，但要盡量減少增加設備量，這是因為考慮到?jīng)]有哪種單項獨立技術將增強GPS或為G類空域運行的小型無人機提供所需的更高定位精度。建議的體系架構設想利用基于ARINC653實時操作系統(tǒng)的IMA計算體系架構，實現(xiàn)導航及監(jiān)視、通信、飛機管理、飛行控制和維護等其他功能。無人機系統(tǒng)導航體系架構概念還設想利用用于非合作式探測和規(guī)避能力的傳感器以及來自機載通信系統(tǒng)的信號特征，為導航功能提供支持。為運行于G類空域的小型無人機系統(tǒng)提供支持的建議能力：可靠的軟硬件體系架構、全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）、基于RF的多邊定位空間/地面信號、ADS-IP&ADS-B、基于圖像的導航、慣性測量單元（IMU）和機載時鐘、地基輔助導航（GBN）、飛行管理系統(tǒng)、探測與規(guī)避、航天通信。

建議導航體系架構具有的主要特性包括：

· 使用不同類型的光電/紅外成像、機會信號、現(xiàn)代增強系統(tǒng)、IMU/時鐘等，增強GPS；

· 利用不同導航源輸入間切換能力，支持導航誤差檢測和糾錯；

· 在典型飛行階段，在各種傳感器、系統(tǒng)和組件中斷情況下（例如，故障、干擾、欺騙和IMU漂移），支持動態(tài)導航精度；

· 支持集成成本可擔負且經(jīng)過證明軟件與實現(xiàn)尺寸、重量和功率降低的硬件解決方案

· 支持集成推理和算法技術，接入飛行環(huán)境有關動態(tài)和靜態(tài)特征的地理、空間和時間信息；

· 支持集成規(guī)劃、預測和時序識別技術，實現(xiàn)小型無人機系統(tǒng)引導，預測飛機行為并采取行動。

為了支持大量小型無人機系統(tǒng)融入美國國家空域，期望實現(xiàn)一種比GPS定位和速度精度更好的多源導航解決方案，提升覆蓋范圍并增強人在環(huán)路操作。建議的導航體系架構解決方案將利用集成模塊化航電以及軟件虛擬機器計算，滿足成本、尺寸、重量和功率+性能目標。

（1）無人機系統(tǒng)導航/空中交通管理（ATM）技術成熟度

① 全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）

全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）是一種全球覆蓋的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。截至2016年12月，只有美國全球定位系統(tǒng)（GPS），俄羅斯的GLONASS和歐盟的伽利略系統(tǒng)是全球運行的導航衛(wèi)星系統(tǒng)。歐盟的伽利略GNSS計劃到2020年全面投入運行。中國正在擴展其區(qū)域性北斗導航衛(wèi)星系統(tǒng)，到2020年將成為全球性的北斗2號GNSS。印度、法國和日本也在開發(fā)區(qū)域性導航和增強系統(tǒng)。——TRL9

② 陸基增強系統(tǒng)（GBAS）

陸基增強系統(tǒng)（GBAS）是一種國際協(xié)作星基替代方法，替代儀器著陸系統(tǒng)（ILS），實現(xiàn)精確進近和著陸。一類、二類和三類精密進近都需要極高的精度、可用性和完整性。GBAS是唯一一種用于三類精密進近的GNSS解決方案/替代方法。——TRL7-9

③ 基于RF的導航輔助-廣域增強系統(tǒng)（WAAS）

廣域增強系統(tǒng)（WAAS）是由美國聯(lián)邦航空局（FAA）運作的一種區(qū)域性天基增強系統(tǒng)（SBAS），為北美飛機導航提供支持。WAAS為各個飛行階段的各種類型的飛機提供服務，包括航路導航、飛機離港和飛機到達。

盡管WAAS主要是為航空用戶設計的，但在其他定位、導航和授時團體使用的接收機中也廣泛可用。FAA致力于按照GPS WAAS性能標準中規(guī)定的性能級提供WAAS服務，目前正在對WAAS加以改進，利用未來GPS生命安全信號提供更好的性能。WAAS服務可以與其他區(qū)域SBAS服務實現(xiàn)互操作，包括日本（多功能運輸星基增強系統(tǒng)（MSAS））、歐洲（歐洲地球同步衛(wèi)星導航覆蓋服務（EGNOS））和印度（GPS輔助型地球靜地軌道增強導航系統(tǒng)（GAGAN））運行的SBAS服務。——TRL9

④ 地基導航（GBN）輔助

地基導航系統(tǒng)的任務是確保美國空域航空系統(tǒng)（NAS）地基導航解決方案以一種能夠滿足客戶需求的最高效和最有效方式實現(xiàn)。預計未來GBN將最終被某種改型的GPS系統(tǒng)（WAAS和GBAS）所取代。——TRL9

⑤ 慣性測量單元（IMU）

慣性測量單元（IMU）是一種采用加速計和陀螺儀有時是磁力計的組合，測量并報告某個物體的比力、角速度，甚至是物體周圍磁場的電子設備。IMU主要用于機動飛機，包括無人機、航天器（包括衛(wèi)星和著陸器）。——TRL9

⑥ 機載時鐘

實時時鐘（RTC）是一種計算機時鐘（通常采用集成電路形式），保持對當前時間的跟蹤。大部分RTC使用晶體振蕩器，但也有一些使用電力線路頻率。很多情況下，振蕩器頻率為32.768kHz，與石英鐘和手表所用頻率相同，出于同樣的原因，即具體為每秒215周的頻率，是一個方便使用簡單二進制計數(shù)電路的速率。許多商用RTC IC的精度已經(jīng)不到百萬分之五。實際上，這已經(jīng)足夠執(zhí)行天文導航（計時器的經(jīng)典任務）了。2011年，發(fā)明了芯片級原子鐘。這種時鐘盡管價格更昂貴，但其精度在100納秒以內(nèi)。——TRL9

⑦ 大氣數(shù)據(jù)計算機

大氣數(shù)據(jù)計算機（ADC）是現(xiàn)代玻璃座艙必不可少的航空電子組件。相比獨立儀器，這種計算機能夠利用飛機全靜壓系統(tǒng)確定校準空速、馬赫數(shù)、高度以及高度趨勢數(shù)據(jù)。——TRL9

（2）無人機系統(tǒng)導航/UTM技術成熟度

① 近地軌道（LEO）航天器（SV）星座

導航和授時機會源信號采用的是一種運行于“銥星”近地軌道星座（由66顆衛(wèi)星組成）的候選通信源。大量研究工作證明，低軌信號可提供更大范圍覆蓋，而且由于信號強度是GPS的大約300到2400倍，因而導航精度比傳統(tǒng)GPS信號更高。另外，由于“銥星”星座每顆衛(wèi)星都是快速移動的，僅通過一個星載源，就可以提供定位信息。此外，“銥星”信號還支持深度室內(nèi)導航和授時，這對于運行于人口密集市區(qū)的小型無人機非常有用。——TRL4~6

② 機會信號（SOP）——蜂窩

另一種導航方法使用蜂窩電話信號塔和傳輸裝置，創(chuàng)建用于無人機系統(tǒng)的偽衛(wèi)星信標。——TRL4~6

③ 高精度圖像配準（PIR）地形輔助導航

對于在郊區(qū)和市區(qū)內(nèi)運行的小型無人機來說，很可能實時使用圖像保持位置參考。為了評估是否有足夠的特征提取點用于支持基于圖像的實時導航和制導（即真實位置、速度和姿態(tài)），可利用數(shù)字化地形高程數(shù)據(jù)庫（DTED），對指定運行區(qū)域進行適用性分析。采用這種方法，可由認可的通信協(xié)議提供時間基準。另外，可使用用于位置計算的空時圖像模型優(yōu)化探測與規(guī)避（DAA）能力。

為了在遠距離上保持類似GPS的精度，需要采用絕對位置更新技術。兩種有前途的“基于視覺的導航”技術分別是地形相關和場景相關技術，可在沒有其他導航輔助可用時，為無人機系統(tǒng)提供導航支持。

另一種基于圖像的導航技術途徑是采用一種被稱作高精度圖像配準（PIR）的技術，將實時圖像像素與地理空間圖像數(shù)據(jù)庫（例如，DTED）進行相關。——TRL7~9

④ 集合平均IMU/時鐘法

為在沒有GPS或類似GPS源信息的情況下處理多個時間段，波音公司提出采用多個IMU和時鐘集合平均技術。集合平均是創(chuàng)建多個模型（而不是只創(chuàng)建一個模型）并把它們進行組合生成所要的輸出。波音公司的這種方法應該可以提供一種低成本多10-軸IMU和時鐘機器學習解決方案，并且容易集成到各種尺寸的有人機或無人機上。——TRL2~3

5 監(jiān)視

 

 

（1）簡介

監(jiān)控方面，在當前項目初期，為了實現(xiàn)無人機系統(tǒng)在管制空域和非管制空域運行，NASA首先定義了無人機系統(tǒng)監(jiān)視需求。然后，基于這些需求，為管制空域和非管制空域兩種不同環(huán)境定義并設計了不同的合作式和非合作式監(jiān)視系統(tǒng)體系架構。

（2）技術成熟度分析

① 監(jiān)視建議途徑

在項目初期建立了一系列總體設想，為制定清晰的開發(fā)路線圖奠定基礎：

· 監(jiān)視開發(fā)的最終目標是為建議的體系架構保持和潛在改善當前航空安全標準。

· 明確兩種明顯不同的場景：一種是針對管制空域的傳統(tǒng)保守航空場景，另一種是滿足非管制空域需求的革命性未來場景。

· 所開發(fā)的系統(tǒng)要盡可能降低對ATC程序和運行方式的影響。

· 應該利用在中短期內(nèi)可用的新興技術，提供新型的功能性安全監(jiān)視解決方案。

由于項目期間建議的所有監(jiān)視體系架構都共享相同的原則，所以它們都有某些共同特性，其中有些更為保守。建議的體系架構的共同保守特性包括：

· 它們利用當前現(xiàn)成可用的通信技術：蜂窩、衛(wèi)星、Wi-Fi、蜂窩車聯(lián)網(wǎng)（C-V2X）、專用短距通信（DSRC）……

· 它們利用當前現(xiàn)成可用的定位技術：GNSS、慣性系統(tǒng)……

· 特別是在管制空域，考慮了與現(xiàn)有系統(tǒng)的集成。在這種場景中，已經(jīng)考慮到建議的解決方案應始終對ATC透明。

另一方面，建議的體系架構也有一些共同創(chuàng)新點：

· 體系架構的創(chuàng)新設計旨在促進即將到來的無人機系統(tǒng)規(guī)則的制定。

· 都關注開發(fā)按照例外管理原則運行的一套完整的自動監(jiān)視管理系統(tǒng)的不同部分。

· 安全一直是重中之重。建議的所有體系架構都遵守默認安全設計原則。

· 重點關注高度可用而又可擔負的體系架構建議。

· 廣泛使用IT/云架構，提供可擴展性。

② 監(jiān)視體系架構建議的技術成熟度

項目中提出了幾種監(jiān)視系統(tǒng)建議。這些系統(tǒng)所依賴的支持技術包括：

· GNSS（TRL9）

· 車聯(lián)網(wǎng)（V2X）通信（數(shù)據(jù)鏈路覆蓋）

· 通信/監(jiān)視機載計算機（TRL9）

· 云計算（TRL9）

· 公鑰基礎設施（PKI）（TRL9）

· 低功率-高頻雷達（TRL6）

· 高清/紅外攝像機（TRL8）

· 輕型多核圖像處理（TRL6）

· 多邊/信號特征分析（TRL6）

· 多點聲傳感器（TRL7）

· 高效發(fā)光二極管（LED）、聲換能器（TRL8）

建議的監(jiān)視體系架構的技術成熟度等級不僅取決于其支持技術的成熟度。為了表達系統(tǒng)定義的深度，NASA UAS CNS項目按技術定義等級（TDL）進行分類。TDL不是一個標準量度，它僅僅是為了向讀者提供到目前為止能夠實施下列建議的監(jiān)視體系架構所需的剩余工作：

· ADS-IP：ADS-IP全稱是基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的自動相關監(jiān)視，這是一種集中式自動化合作監(jiān)視系統(tǒng)。ADS-IP的主要功能是能夠對在特定區(qū)域內(nèi)飛行的無人機的監(jiān)視數(shù)據(jù)進行管理。目前的監(jiān)視系統(tǒng)傳輸依賴于RF信道，ADS-IP則利用基于IP的底層通信網(wǎng)。使用IP網(wǎng)絡和通信協(xié)議，ADS-IP能夠克服當前監(jiān)視系統(tǒng)（例如，ADS-B或SSR）的局限性和弱點。ADS-IP使用IP傳輸信道對無人機與地面服務器、服務器與其他執(zhí)行者（例如，自動交通監(jiān)督者或編隊擁有者）之間數(shù)據(jù)交換進行管理。地面服務器作為系統(tǒng)核心，采集所有無人機傳送的導航數(shù)據(jù)，并根據(jù)每個執(zhí)行者的需要分發(fā)這些數(shù)據(jù)。——TDL8

· uADS-IP：從概念上講，µADS-IP功能與傳統(tǒng)ADS-B非常類似，但適應G類空域小型無人機預期的運行方式。µADS-IP是一種自動相關監(jiān)視系統(tǒng)建議。由于是一種相關系統(tǒng)，是由無人機自身確定其位置（通過GNSS或任何其他手段），并對位置數(shù)據(jù)進行廣播，以便地面上的其他載具或系統(tǒng)能夠接收到并做出一份所確定空域內(nèi)的交通圖。

首先，uADS-IP的傳輸功率低于ADS-B，與其他傳輸編碼技術結合，對于確定工作區(qū)域能夠使用更高密度的發(fā)射機和接收機。專用短距通信（DSRC）和蜂窩車聯(lián)網(wǎng)（C-V2X）是支持這種傳輸?shù)膬身椇蜻x技術。至于安全方面，建議采用加密層，這種建議是基于對RF信道廣播監(jiān)視數(shù)據(jù)的對稱加密。建議使用PKI，通過安全通信信道（基于互聯(lián)網(wǎng)的信道，當它們可用時）為uADS-IP消息分配密鑰。——TDL4

· 無人機監(jiān)視雷達（DSR）：一次監(jiān)視雷達（PSR）傳統(tǒng)意義代表用于管制空域的主要非合作式監(jiān)視系統(tǒng)。然而，當前的PSR被認為不能用于飛行在G類空域的小型無人機系統(tǒng)。由于PSR精度低而且缺乏目標唯一性識別以及小目標探測能力，它們不適用于將小型無人機系統(tǒng)整合到非管制空域的用途。然而，通過使用不同的傳輸頻帶，采用這項技術也能夠探測到小目標。

市場上已經(jīng)出現(xiàn)了基于PSR的解決方案，通常被稱作無人機監(jiān)視雷達，它們適用于對確定具體區(qū)域（例如，關鍵基礎設施、國家邊界或軍事基地）提供保護。這些解決方案的實施基于高性能雷達傳感器的部署。——TDL9

· 利用圖像識別進行定位和識別——光電子學：“光電子學”一詞是光學和電子學的結合，它涉及探測、圖像處理和穩(wěn)定等功能。此類解決方案采用遠距離高清紅外攝像機，對小型無人機進行跟蹤、識別并提供來自小型無人機的視覺數(shù)據(jù)。——TDL7

· 采用電磁/聲學信號特征分析用于定位識別：這些解決方案包括對小型無人機及其控制站之間RF通信的無源竊聽。采用這項技術，可能會識別出無人機的傳輸頻率、MAC地址或包通信頻率。還可采用其他方法嘗試識別飛機螺旋槳旋轉及無人機振動產(chǎn)生的電磁場和噪聲。——TDL7

· 利用光/聲信號增強安全：光和聲信號可考慮作為合作式監(jiān)視方法。此類方法的作用距離非常短，采用光信號時距離稍高一點。它們不能向地面?zhèn)魉腿魏螖?shù)據(jù)，只是作為讓控制站知道它們存在的信標。

光信號可以使用一種只對某些有限參數(shù)（例如，飛機唯一ID）進行編碼和廣播的簡單的調制模式加以改進。這種基本通信原理還可以用于建立地對空通信信道，在緊急狀況（例如，小型無人機系統(tǒng)飛行中斷）下，警員或其他代理機構可通過它發(fā)送非常具體的指令。——TDL5

分析結果表明，實現(xiàn)建議體系架構所需的技術已經(jīng)可用，這對考慮未來3至5年要部署的系統(tǒng)來說非常有好處。

6 結語

 

 

本文對當前和未來3至5年內(nèi)可用的通信、導航和監(jiān)視（CNS）技術進行了實現(xiàn)分析。討論了當前各種技術的技術成熟度。分析表明，NASA無人機系統(tǒng)通信、導航和監(jiān)視體系架構中建議的大部分技術目前已經(jīng)準備好進行集成飛行測試，一些先進的技術已經(jīng)進行實驗室試驗，并且已經(jīng)為2020~2022年飛行測試做好了準備。

這種實現(xiàn)分析是針對NASA早期計劃工作項目中發(fā)布的管制空域和非管制空域無人機系統(tǒng)通信、導航和監(jiān)視體系架構概念進行的，并且與主要無人機系統(tǒng)通信、導航、監(jiān)視會議上大量發(fā)布和未決的公告一致。這項工作與全球空中交通管理服務保持一致，為有人和無人航空統(tǒng)一空域提供了發(fā)展途徑。

在下一步的工作中，NASA團隊準備將這些技術集成到實際飛行測試中，對體系架構概念加以驗證。同時，據(jù)了解，在近期和中期，需要在實驗室環(huán)境進行持續(xù)研究和開發(fā)，以便將先進的特性融入到正在進行的資格鑒定和認證工作中。NASA項目團隊準備與其他無人航空團體就這方面的工作進行協(xié)調。