1 引言

 

 

航空工業(yè)和政府機(jī)構(gòu)對(duì)無(wú)人機(jī)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(zhǎng)。實(shí)現(xiàn)整合的關(guān)鍵包括保證無(wú)人機(jī)系統(tǒng)安全運(yùn)行所需的通信、導(dǎo)航和監(jiān)視（CNS）技術(shù)。NASA在其項(xiàng)目NNA16BD84C下，提出了實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在管制和非管制空域安全運(yùn)行所需的通信、導(dǎo)航和監(jiān)視體系架構(gòu)概念。本文分析了CNS體系架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)就緒度。

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在管制空域運(yùn)行遵循世界空中交通管理（ATM）服務(wù)中有人航空的要求，而無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在非管制空域運(yùn)行則遵循NASA無(wú)人（空中）交通管理（UTM）運(yùn)行概念。實(shí)現(xiàn)就緒度基于NASA的技術(shù)成熟度等級(jí)（TRL），包括：TRL1（發(fā)現(xiàn)基本原理）到TRL6（相關(guān)環(huán)境演示）到TRL9（實(shí)際系統(tǒng)飛行證明）。在NASA無(wú)人機(jī)系統(tǒng)通信導(dǎo)航監(jiān)視體系架構(gòu)概念中，引入了許多需要與TRL等級(jí)相關(guān)的新型CNS體系架構(gòu)單元。TRL6被認(rèn)為是要在1到5年（2018~2022）內(nèi)實(shí)現(xiàn)全面集成飛行測(cè)試的所有功能單元的最低標(biāo)準(zhǔn)成熟度等級(jí)。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(cè)試。總之，對(duì)于核心功能單元，可以在開展先進(jìn)研發(fā)工作的同時(shí)，引入到可行性和實(shí)用性測(cè)試（在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和實(shí)際飛行測(cè)試）中。

本文分析了無(wú)人機(jī)系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)、通信數(shù)據(jù)鏈路、導(dǎo)航和監(jiān)視的實(shí)現(xiàn)。在當(dāng)前項(xiàng)目下，NASA對(duì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)通信、導(dǎo)航和監(jiān)視需求、管制空域無(wú)人機(jī)系統(tǒng)通信、導(dǎo)航和監(jiān)視體系架構(gòu)以及非管制空域無(wú)人機(jī)系統(tǒng)通信、導(dǎo)航和監(jiān)視體系架構(gòu)展開了積極研發(fā)。在重要的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)相關(guān)會(huì)議（包括Icns2017、IEEE航空2018和Icns2018）上，NASA發(fā)布了無(wú)人機(jī)系統(tǒng)體系架構(gòu)概念，并繼續(xù)尋求其他發(fā)布機(jī)會(huì)。NASA將繼續(xù)努力，為無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在管制和非管制空域運(yùn)行創(chuàng)建一種全面集成測(cè)試場(chǎng)景。

2 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)分析

 

 

小型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)（sUAS）（無(wú)人機(jī)重量小于55磅，約25千克）已經(jīng)開始進(jìn)入國(guó)家空域（NAS），在未來(lái)幾年，將會(huì)達(dá)到數(shù)百萬(wàn)架。由于預(yù)期的大規(guī)模部署，對(duì)于運(yùn)行于非管控空域的小型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)而言，采用對(duì)運(yùn)行于管控空域（分為A、B、C、D和E類）的有人飛機(jī)和大型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行管理的空中交通管理（ATM）服務(wù)，是不切實(shí)際的。而運(yùn)行于G類非管控空域的小型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)將需要持續(xù)的通信、導(dǎo)航和監(jiān)視態(tài)勢(shì)感知（SA），這是一種基于網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)，被稱作無(wú)人空中交通管理（UTM），而對(duì)于來(lái)自UTM ATC的指揮控制（C2）信息，將基于例外管理原則（MBE）進(jìn)行管理。在這種背景下，MBE意味著小型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)需要按照FAA第107部分的規(guī)則運(yùn)行，只有那些偏離規(guī)則的小型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)服從搶先式和/或修正式UTM C2指示。

在管制空域運(yùn)行的大型無(wú)人機(jī)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(shì)感知管理。ATM中預(yù)期的大型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)數(shù)量比無(wú)人（空中）交通管理（UTM）中運(yùn)行的小型無(wú)人機(jī)少很多個(gè)數(shù)量級(jí)，然而，采用的是相同的通信網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)單元。特別是，通信網(wǎng)絡(luò)必須支持互聯(lián)網(wǎng)型通信，這類通信中源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)可以交換IP數(shù)據(jù)單元（稱為數(shù)據(jù)包）。網(wǎng)絡(luò)可以是專用鏈路、路由器、交換機(jī)等的獨(dú)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(hù)的一個(gè)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(gè)完整的互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，幾乎無(wú)處不在，例如，全球各公共領(lǐng)域和商用電話、計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(luò)服務(wù)，但首選IPv6，其他產(chǎn)品，如低端物聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(wù)。鑒于這些產(chǎn)品部署廣泛且容易獲得，因此IPv6技術(shù)成熟度可歸類為TRL9。

（2）自動(dòng)配置——DHCPv6和IPv6ND（TRL5）

IPv6包括向移動(dòng)設(shè)備（例如無(wú)人機(jī)系統(tǒng)）自動(dòng)分發(fā)IPv6地址和子網(wǎng)前綴的附加服務(wù)。無(wú)狀態(tài)地址自動(dòng)配置（SLAAC）服務(wù)通過(guò)IPv6鄰居發(fā)現(xiàn)（IPv6ND）協(xié)議提供，而有狀態(tài)IPv6前綴授權(quán)服務(wù)由IPv6動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議（DHCPv6）提供。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)將需要一種移動(dòng)IPv6子網(wǎng)前綴，無(wú)論無(wú)人機(jī)在世界任何地方漫游，該前綴都可伴隨無(wú)人機(jī)。

DHCPv6和IPv6ND各自都可視為TRL9，但無(wú)人機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)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(guò)程中，共同保持移動(dòng)前綴授權(quán)處于活躍狀態(tài)。二者的集成歸類為TRL5。

（3）路由——邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議（BGP）（TRL9）

互聯(lián)網(wǎng)骨干由鏈路（如光纖）、橋接器、交換機(jī)和路由器組成，它們連接在一起，形成一個(gè)全球連通拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。核心互聯(lián)網(wǎng)路由器負(fù)責(zé)連續(xù)確定將數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)送往目的節(jié)點(diǎn)的接下來(lái)連續(xù)幾跳。因此，每個(gè)路由器維護(hù)一個(gè)路由信息庫(kù)（RIB）和一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)信息庫(kù)（FIB），分別用于確定下一跳并向下一跳轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。

互聯(lián)網(wǎng)路由系統(tǒng)基于多年來(lái)提供核心路由服務(wù)的邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議（BGP）。BGP把自主系統(tǒng)（AS）相互連接成一個(gè)相鄰自主系統(tǒng)之間對(duì)等排列的網(wǎng)狀網(wǎng)，全世界所有自主系統(tǒng)構(gòu)成全球公共互聯(lián)網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)邊緣必須保持無(wú)人機(jī)系統(tǒng)機(jī)動(dòng)性事件更新，并由移動(dòng)性服務(wù)（例如，非對(duì)稱擴(kuò)展路由優(yōu)化（AERO））對(duì)之進(jìn)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(luò)服務(wù)將在全球公共互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行分層，因而需要采用虛擬專用網(wǎng)（VPN）服務(wù)保護(hù)服務(wù)的機(jī)密性、完整性和可用性（CIA），其中包括加密和認(rèn)證，這樣ATM/UTM管制員可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)上的VPN隧道協(xié)調(diào)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行。同時(shí)，這些VPN隧道還必須支持終端系統(tǒng)機(jī)動(dòng)性，即使無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)連接點(diǎn)之間運(yùn)行時(shí)，仍能保持安全會(huì)話處于活動(dòng)狀態(tài)。

一種名為OpenVPN的公共可用的VPN客戶機(jī)和服務(wù)器軟件分發(fā)平臺(tái)已被選作無(wú)人機(jī)系統(tǒng)安全通信參考平臺(tái)，同時(shí)，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(diǎn)是不提供開源代碼。OpenVPN技術(shù)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(wù)。OpenVPN歸類為TRL9。

（5）移動(dòng)性——非對(duì)稱擴(kuò)展路由優(yōu)化（AERO）（TRL5）

非對(duì)稱擴(kuò)展路由優(yōu)化（AERO）是一種網(wǎng)絡(luò)層移動(dòng)性服務(wù)，無(wú)論何時(shí)當(dāng)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)跨其任何可用航空數(shù)據(jù)鏈路漫游時(shí)，都可實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)跟蹤。該服務(wù)采用IPv6作為網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，IPv6ND和DHCPv6作為自動(dòng)配置和移動(dòng)性跟蹤服務(wù)，BGP作為域間路由協(xié)議，移動(dòng)虛擬專用網(wǎng)（VPN）服務(wù)作為安全層。使用AERO的無(wú)人機(jī)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(tái)的AERO公共域?qū)崿F(xiàn)實(shí)例化。代碼運(yùn)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(luò)仿真和真實(shí)網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)中進(jìn)行高級(jí)測(cè)試，因此，其技術(shù)成熟程度可歸類為TRL5。公共域KEA DHCPv6、OpenVPN和Quagga BGP路由實(shí)現(xiàn)都在使用。所有這些實(shí)現(xiàn)都可歸類為TRL9。

（6）傳輸層（TRL9）

傳輸層負(fù)責(zé)應(yīng)用數(shù)據(jù)的可靠和/或?qū)崟r(shí)分割，以便向網(wǎng)絡(luò)層表述，在網(wǎng)絡(luò)層，AERO移動(dòng)組網(wǎng)服務(wù)將數(shù)據(jù)傳送到正確的移動(dòng)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(wù)，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(wú)人機(jī)系統(tǒng)可以使用TCP實(shí)現(xiàn)其消息分割、擁塞控制和流控制要求。ATC將對(duì)接收到的每個(gè)字節(jié)進(jìn)行確認(rèn)，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)可以重傳任何丟失的字節(jié)。由于無(wú)人機(jī)系統(tǒng)可能正在網(wǎng)絡(luò)連接點(diǎn)之間快速移動(dòng)，有實(shí)時(shí)傳送需求（例如，駕駛艙管制員數(shù)據(jù)鏈路通信（CPDLC）或標(biāo)準(zhǔn)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(bào)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(chǔ)傳輸協(xié)議，它們已在各種主要計(jì)算產(chǎn)品和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品中成功實(shí)現(xiàn)，是全球最廣泛使用的傳輸協(xié)議。它們歸類為TRL9。

（7）應(yīng)用（TRL5~TRL9）

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用包括指揮控制、態(tài)勢(shì)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(wù)，在空中交通管制（ATC）和工作在管控空域和非管控空域的無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)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(wù)起源于也適用于有人航空應(yīng)用，用于航空通信網(wǎng)絡(luò)（ATN）實(shí)現(xiàn)開放系統(tǒng)互連（ATN/OSI）和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議服務(wù)（ATN/IPS）。CPDLC可運(yùn)行于ATN/OSI，因而在該域中歸類為TRL9。目前正在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試環(huán)境進(jìn)行ATN/IPS領(lǐng)域的測(cè)試，因而，可歸類為TRL5。由于無(wú)人機(jī)系統(tǒng)ATM/UTM服務(wù)將基于ATN/IPS，因此，對(duì)于無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，CPDLC歸類為TRL5。CPDLC消息將通過(guò)該域的UDP傳輸層承載。

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

3 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈路實(shí)現(xiàn)分析

 

 

在本節(jié)中，將介紹當(dāng)前和建議的用于空中交通管理（ATM）和無(wú)人交通管理（UTM）的數(shù)據(jù)鏈路的實(shí)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(wú)人機(jī)都使用衛(wèi)星鏈路，在海上，這些鏈路專用于通信。

· 優(yōu)點(diǎn)：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(diǎn)：衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈路存在兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：數(shù)據(jù)速率低和重量大。每個(gè)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(jī)所需天線的尺寸太大，無(wú)法用于小型無(wú)人機(jī)。衛(wèi)星總數(shù)據(jù)率也很低，以至于只能為幾千架飛機(jī)提供支持。

· 實(shí)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(shè)計(jì)用于機(jī)場(chǎng)地面通信的數(shù)據(jù)鏈。

· 適用性：如上所述，AeroMACS是專為機(jī)場(chǎng)地面部分設(shè)計(jì)，有人機(jī)和無(wú)人機(jī)都可使用。

· 優(yōu)點(diǎn)：它采用一種最新通信技術(shù)設(shè)計(jì)，可以高效使用頻譜。

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

· 實(shí)現(xiàn)情況：標(biāo)準(zhǔn)已準(zhǔn)備就緒且已經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)驗(yàn)證。因此可歸入TRL5（技術(shù)演示）。

（3）L-DACS（TRL5）

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

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

· 優(yōu)點(diǎn)：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(shù)相比，距離更遠(yuǎn)，既可用于有人機(jī)也可用于無(wú)人機(jī)。

· 缺點(diǎn)：L-DACS采用受保護(hù)頻段，對(duì)少量飛機(jī)非常適合。因而，大型無(wú)人機(jī)可以使用L-DACS，小型無(wú)人機(jī)則要使用其他數(shù)據(jù)鏈路。

· 實(shí)現(xiàn)情況：L-DACS仍在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，技術(shù)演示即將進(jìn)行，處于TRL5。

（4）RTCA SC-288無(wú)人機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈路活動(dòng)（TRL5）

航空無(wú)線電技術(shù)委員會(huì)（RTCA）特別委員會(huì)SC-228工作組WG-2被授權(quán)制訂用于指揮控制的最低航空系統(tǒng)性能標(biāo)準(zhǔn)（MASPS）和最低性能標(biāo)準(zhǔn)（MOPS）。SC-228 WG-2第一階段的工作重點(diǎn)放在用于無(wú)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(jì)劃，計(jì)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(wú)人機(jī)最常用的數(shù)據(jù)鏈路。通過(guò)某些調(diào)整，作用距離可達(dá)幾公里。盡管其距離有限，但對(duì)于大部分拍攝及其他應(yīng)用是可以接受的。

· 優(yōu)點(diǎn)：WiFi可以說(shuō)是應(yīng)用最廣泛的無(wú)線技術(shù)，它的另一優(yōu)勢(shì)是可在所有智能手機(jī)中實(shí)現(xiàn)，因而，如果使用WiFi數(shù)據(jù)鏈路，可使用智能手機(jī)作為控制器，從而降低設(shè)備成本。

· 缺點(diǎn)：WiFi的主要限制是它的距離。對(duì)大部分有人飛行或超視距工作，幾公里的通信距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

· 實(shí)現(xiàn)情況：如前所述，WiFi目前被廣泛采用。

（6）長(zhǎng)距離WiFi（TRL3）

IEEE 802.11ah是一種長(zhǎng)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(dá)到數(shù)公里。

· 適用性：對(duì)于近距離或超視距飛行小型無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)非常理想。

· 優(yōu)點(diǎn)：使用免許可頻段，所以，任何小型無(wú)人機(jī)都可以由飛行操作人員通過(guò)這種鏈路進(jìn)行控制，無(wú)需外部服務(wù)提供商。同時(shí)，與WiFi類似，有低成本優(yōu)勢(shì)。

· 缺點(diǎn)：由于頻譜不受保護(hù)，可以隨意使用，因此，它不適用于管制空域和大型無(wú)人機(jī)，因?yàn)橥瑫r(shí)位于同一頻道的其他發(fā)射機(jī)的干擾可能會(huì)帶來(lái)影響。

· 實(shí)現(xiàn)情況：IEEE 80211ah標(biāo)準(zhǔn)幾年前已由IEEE完成，但使用率一直很低，而且?guī)缀鯖]有實(shí)現(xiàn)案例。僅處于TRL3級(jí)（需要通過(guò)研究證明可行性）。

（7）ZigBee（TRL9）

ZigBee和長(zhǎng)距離WiFi一樣，相比標(biāo)準(zhǔn)WiFi，作用距離更遠(yuǎn)。

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

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

· 缺點(diǎn)：無(wú)人機(jī)使用的大多數(shù)ZigBee版本都是上述各種專用版。

· 實(shí)現(xiàn)情況：該技術(shù)在無(wú)人機(jī)愛好者中極為流行，目前在用。因此對(duì)于小型無(wú)人機(jī)處于TRL9。

（8）藍(lán)牙（TRL9）

藍(lán)牙是為極短距離通信而開發(fā)的，但是，目前這種技術(shù)已應(yīng)用于小型無(wú)人機(jī)市場(chǎng)。

· 適用性：藍(lán)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(yīng)用：跟隨和蜂群。

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

· 缺點(diǎn)：藍(lán)牙的主要缺點(diǎn)是作用距離太短，因此只能作為一種二級(jí)數(shù)據(jù)鏈路或不受短距離影響的室內(nèi)應(yīng)用。

· 實(shí)現(xiàn)情況：藍(lán)牙芯片廣泛可用，因而，藍(lán)牙廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)和多種小型無(wú)人機(jī)。該技術(shù)可行并在使用，因此歸為TRL9級(jí)。

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

4G、LTE和5G等蜂窩技術(shù)適用于遠(yuǎn)程通信。

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

· “蜂窩車輛網(wǎng)”（C-V2X）是5G引入的新特性之一。雖然這種技術(shù)設(shè)計(jì)用于汽車，但其很容易改造用于無(wú)人機(jī)。

· 優(yōu)點(diǎn)：蜂窩技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)是大部分生活環(huán)境都有蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施，這種技術(shù)既可用于小型無(wú)人機(jī)，也可用于大型無(wú)人機(jī)。

· 缺點(diǎn)：蜂窩技術(shù)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(shí)現(xiàn)，在偏遠(yuǎn)地區(qū)，沒有蜂窩信號(hào)，即使有，也很弱。

· 實(shí)現(xiàn)情況：蜂窩技術(shù)已實(shí)現(xiàn)廣泛部署，處于TRL9級(jí)。即將到來(lái)的CV2X技術(shù)需要經(jīng)過(guò)更多試驗(yàn)和技術(shù)驗(yàn)證，處于TRL5級(jí)。

4 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)分析

 

 

目前的美國(guó)國(guó)家空域（NAS）體系架構(gòu)規(guī)定由空中交通管制（ATC）系統(tǒng)基于監(jiān)視雷達(dá)回波信號(hào)和廣播（例如，ADS-B）信息確定飛機(jī)位置。雷達(dá)精度隨著飛機(jī)與雷達(dá)站距離的增加而降低，另外，非視距回波信號(hào)（例如，建筑物、地形造成的回波）也會(huì)造成雷達(dá)精度的降低，從而影響飛機(jī)之間最低安全距離。在非雷達(dá)環(huán)境中，飛機(jī)必須報(bào)告其根據(jù)GPS或?qū)Ш捷o助措施（例如甚高頻全向（無(wú)線電）信標(biāo)（VOR）和測(cè)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(jī)間甚至需要保持更大安全距離。

2025年下一代導(dǎo)航工作的關(guān)鍵組成部分是對(duì)于在管制空域運(yùn)行的有人平臺(tái)，從傳統(tǒng)導(dǎo)航系統(tǒng)和雷達(dá)監(jiān)視向替代的精密導(dǎo)航和授時(shí)（APNT）以及廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）遷移。

向ADS-B遷移取決于所報(bào)告的飛機(jī)精確位置，而不是監(jiān)視或一次雷達(dá)。GPS是目前唯一被批準(zhǔn)用于ADS-B的導(dǎo)航源，精度滿足性能目標(biāo)，可提高繁忙空域?qū)Ш骄葟亩档惋w機(jī)間安全距離（讓更多飛機(jī)在更小區(qū)域高效飛行）。相關(guān)監(jiān)視的第二個(gè)目標(biāo)是降低目前NAS體系架構(gòu)所需的基礎(chǔ)設(shè)施和維護(hù)成本。通過(guò)組合，降低機(jī)間最低安全距離并消除現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的計(jì)劃為GPS服務(wù)帶來(lái)嚴(yán)重負(fù)擔(dān)。對(duì)生命安全的關(guān)注以及PNT高可用性及無(wú)中斷運(yùn)行要求，意味著需要對(duì)脆弱的GPS進(jìn)行備份，以便為運(yùn)行在NAS和非管制空域的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)提供支持。

NASA的UTM系統(tǒng)概念，將實(shí)現(xiàn)對(duì)在郊區(qū)和城區(qū)建筑物上空或在有人飛機(jī)高度以下飛行的各種無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的安全管理。為了支持正確定位和授時(shí)，波音公司建議使用一種多源導(dǎo)航方案，組合使用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）與地基多邊定位技術(shù)（例如，蜂窩、衛(wèi)星、調(diào)頻、廣域增強(qiáng)系統(tǒng)、WiFi）和授時(shí)服務(wù)協(xié)議。為了支持相對(duì)定位，波音公司建議使用無(wú)人-無(wú)人和無(wú)人-有人航空系統(tǒng)多邊定位技術(shù)，并組合基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（ADS-IP）。

為了支持UTM，需要實(shí)現(xiàn)一種可負(fù)擔(dān)的小型無(wú)人機(jī)機(jī)載體系架構(gòu)，為視距和超視距提供支持。該體系架構(gòu)應(yīng)定義小型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)支持所需的通信、導(dǎo)航和監(jiān)視+探測(cè)和規(guī)避（CNS+DAA）能力的最低設(shè)備清單。

支持G類空域的小型無(wú)人機(jī)機(jī)載導(dǎo)航體系架構(gòu)概念會(huì)利用多個(gè)導(dǎo)航源，但要盡量減少增加設(shè)備量，這是因?yàn)榭紤]到?jīng)]有哪種單項(xiàng)獨(dú)立技術(shù)將增強(qiáng)GPS或?yàn)镚類空域運(yùn)行的小型無(wú)人機(jī)提供所需的更高定位精度。建議的體系架構(gòu)設(shè)想利用基于ARINC653實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的IMA計(jì)算體系架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航及監(jiān)視、通信、飛機(jī)管理、飛行控制和維護(hù)等其他功能。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)航體系架構(gòu)概念還設(shè)想利用用于非合作式探測(cè)和規(guī)避能力的傳感器以及來(lái)自機(jī)載通信系統(tǒng)的信號(hào)特征，為導(dǎo)航功能提供支持。為運(yùn)行于G類空域的小型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)提供支持的建議能力：可靠的軟硬件體系架構(gòu)、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）、基于RF的多邊定位空間/地面信號(hào)、ADS-IP&ADS-B、基于圖像的導(dǎo)航、慣性測(cè)量單元（IMU）和機(jī)載時(shí)鐘、地基輔助導(dǎo)航（GBN）、飛行管理系統(tǒng)、探測(cè)與規(guī)避、航天通信。

建議導(dǎo)航體系架構(gòu)具有的主要特性包括：

· 使用不同類型的光電/紅外成像、機(jī)會(huì)信號(hào)、現(xiàn)代增強(qiáng)系統(tǒng)、IMU/時(shí)鐘等，增強(qiáng)GPS；

· 利用不同導(dǎo)航源輸入間切換能力，支持導(dǎo)航誤差檢測(cè)和糾錯(cuò)；

· 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(dòng)態(tài)導(dǎo)航精度；

· 支持集成成本可擔(dān)負(fù)且經(jīng)過(guò)證明軟件與實(shí)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(shù)，接入飛行環(huán)境有關(guān)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特征的地理、空間和時(shí)間信息；

· 支持集成規(guī)劃、預(yù)測(cè)和時(shí)序識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)小型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)引導(dǎo)，預(yù)測(cè)飛機(jī)行為并采取行動(dòng)。

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

（1）無(wú)人機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)航/空中交通管理（ATM）技術(shù)成熟度

① 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）是一種全球覆蓋的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。截至2016年12月，只有美國(guó)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(yùn)行的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)。歐盟的伽利略GNSS計(jì)劃到2020年全面投入運(yùn)行。中國(guó)正在擴(kuò)展其區(qū)域性北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，到2020年將成為全球性的北斗2號(hào)GNSS。印度、法國(guó)和日本也在開發(fā)區(qū)域性導(dǎo)航和增強(qiáng)系統(tǒng)。——TRL9

② 陸基增強(qiáng)系統(tǒng)（GBAS）

陸基增強(qiáng)系統(tǒng)（GBAS）是一種國(guó)際協(xié)作星基替代方法，替代儀器著陸系統(tǒng)（ILS），實(shí)現(xiàn)精確進(jìn)近和著陸。一類、二類和三類精密進(jìn)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(jìn)近的GNSS解決方案/替代方法。——TRL7-9

③ 基于RF的導(dǎo)航輔助-廣域增強(qiáng)系統(tǒng)（WAAS）

廣域增強(qiáng)系統(tǒng)（WAAS）是由美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）運(yùn)作的一種區(qū)域性天基增強(qiáng)系統(tǒng)（SBAS），為北美飛機(jī)導(dǎo)航提供支持。WAAS為各個(gè)飛行階段的各種類型的飛機(jī)提供服務(wù)，包括航路導(dǎo)航、飛機(jī)離港和飛機(jī)到達(dá)。

盡管WAAS主要是為航空用戶設(shè)計(jì)的，但在其他定位、導(dǎo)航和授時(shí)團(tuán)體使用的接收機(jī)中也廣泛可用。FAA致力于按照GPS WAAS性能標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的性能級(jí)提供WAAS服務(wù)，目前正在對(duì)WAAS加以改進(jìn)，利用未來(lái)GPS生命安全信號(hào)提供更好的性能。WAAS服務(wù)可以與其他區(qū)域SBAS服務(wù)實(shí)現(xiàn)互操作，包括日本（多功能運(yùn)輸星基增強(qiáng)系統(tǒng)（MSAS））、歐洲（歐洲地球同步衛(wèi)星導(dǎo)航覆蓋服務(wù)（EGNOS））和印度（GPS輔助型地球靜地軌道增強(qiáng)導(dǎo)航系統(tǒng)（GAGAN））運(yùn)行的SBAS服務(wù)。——TRL9

④ 地基導(dǎo)航（GBN）輔助

地基導(dǎo)航系統(tǒng)的任務(wù)是確保美國(guó)空域航空系統(tǒng)（NAS）地基導(dǎo)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(shí)現(xiàn)。預(yù)計(jì)未來(lái)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(cè)量單元（IMU）

慣性測(cè)量單元（IMU）是一種采用加速計(jì)和陀螺儀有時(shí)是磁力計(jì)的組合，測(cè)量并報(bào)告某個(gè)物體的比力、角速度，甚至是物體周圍磁場(chǎng)的電子設(shè)備。IMU主要用于機(jī)動(dòng)飛機(jī)，包括無(wú)人機(jī)、航天器（包括衛(wèi)星和著陸器）。——TRL9

⑥ 機(jī)載時(shí)鐘

實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）是一種計(jì)算機(jī)時(shí)鐘（通常采用集成電路形式），保持對(duì)當(dāng)前時(shí)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(gè)方便使用簡(jiǎn)單二進(jìn)制計(jì)數(shù)電路的速率。許多商用RTC IC的精度已經(jīng)不到百萬(wàn)分之五。實(shí)際上，這已經(jīng)足夠執(zhí)行天文導(dǎo)航（計(jì)時(shí)器的經(jīng)典任務(wù)）了。2011年，發(fā)明了芯片級(jí)原子鐘。這種時(shí)鐘盡管價(jià)格更昂貴，但其精度在100納秒以內(nèi)。——TRL9

⑦ 大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)

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

（2）無(wú)人機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)航/UTM技術(shù)成熟度

① 近地軌道（LEO）航天器（SV）星座

導(dǎo)航和授時(shí)機(jī)會(huì)源信號(hào)采用的是一種運(yùn)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(hào)可提供更大范圍覆蓋，而且由于信號(hào)強(qiáng)度是GPS的大約300到2400倍，因而導(dǎo)航精度比傳統(tǒng)GPS信號(hào)更高。另外，由于“銥星”星座每顆衛(wèi)星都是快速移動(dòng)的，僅通過(guò)一個(gè)星載源，就可以提供定位信息。此外，“銥星”信號(hào)還支持深度室內(nèi)導(dǎo)航和授時(shí)，這對(duì)于運(yùn)行于人口密集市區(qū)的小型無(wú)人機(jī)非常有用。——TRL4~6

② 機(jī)會(huì)信號(hào)（SOP）——蜂窩

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

③ 高精度圖像配準(zhǔn)（PIR）地形輔助導(dǎo)航

對(duì)于在郊區(qū)和市區(qū)內(nèi)運(yùn)行的小型無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)，很可能實(shí)時(shí)使用圖像保持位置參考。為了評(píng)估是否有足夠的特征提取點(diǎn)用于支持基于圖像的實(shí)時(shí)導(dǎo)航和制導(dǎo)（即真實(shí)位置、速度和姿態(tài)），可利用數(shù)字化地形高程數(shù)據(jù)庫(kù)（DTED），對(duì)指定運(yùn)行區(qū)域進(jìn)行適用性分析。采用這種方法，可由認(rèn)可的通信協(xié)議提供時(shí)間基準(zhǔn)。另外，可使用用于位置計(jì)算的空時(shí)圖像模型優(yōu)化探測(cè)與規(guī)避（DAA）能力。

為了在遠(yuǎn)距離上保持類似GPS的精度，需要采用絕對(duì)位置更新技術(shù)。兩種有前途的“基于視覺的導(dǎo)航”技術(shù)分別是地形相關(guān)和場(chǎng)景相關(guān)技術(shù)，可在沒有其他導(dǎo)航輔助可用時(shí)，為無(wú)人機(jī)系統(tǒng)提供導(dǎo)航支持。

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

④ 集合平均IMU/時(shí)鐘法

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

5 監(jiān)視

 

 

（1）簡(jiǎn)介

監(jiān)控方面，在當(dāng)前項(xiàng)目初期，為了實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在管制空域和非管制空域運(yùn)行，NASA首先定義了無(wú)人機(jī)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(shè)計(jì)了不同的合作式和非合作式監(jiān)視系統(tǒng)體系架構(gòu)。

（2）技術(shù)成熟度分析

① 監(jiān)視建議途徑

在項(xiàng)目初期建立了一系列總體設(shè)想，為制定清晰的開發(fā)路線圖奠定基礎(chǔ)：

· 監(jiān)視開發(fā)的最終目標(biāo)是為建議的體系架構(gòu)保持和潛在改善當(dāng)前航空安全標(biāo)準(zhǔn)。

· 明確兩種明顯不同的場(chǎng)景：一種是針對(duì)管制空域的傳統(tǒng)保守航空?qǐng)鼍埃硪环N是滿足非管制空域需求的革命性未來(lái)場(chǎng)景。

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

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

由于項(xiàng)目期間建議的所有監(jiān)視體系架構(gòu)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(gòu)的共同保守特性包括：

· 它們利用當(dāng)前現(xiàn)成可用的通信技術(shù)：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(dāng)前現(xiàn)成可用的定位技術(shù)：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(chǎng)景中，已經(jīng)考慮到建議的解決方案應(yīng)始終對(duì)ATC透明。

另一方面，建議的體系架構(gòu)也有一些共同創(chuàng)新點(diǎn)：

· 體系架構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)旨在促進(jìn)即將到來(lái)的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)規(guī)則的制定。

· 都關(guān)注開發(fā)按照例外管理原則運(yùn)行的一套完整的自動(dòng)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(gòu)都遵守默認(rèn)安全設(shè)計(jì)原則。

· 重點(diǎn)關(guān)注高度可用而又可擔(dān)負(fù)的體系架構(gòu)建議。

· 廣泛使用IT/云架構(gòu)，提供可擴(kuò)展性。

② 監(jiān)視體系架構(gòu)建議的技術(shù)成熟度

項(xiàng)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(shù)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(jī)載計(jì)算機(jī)（TRL9）

· 云計(jì)算（TRL9）

· 公鑰基礎(chǔ)設(shè)施（PKI）（TRL9）

· 低功率-高頻雷達(dá)（TRL6）

· 高清/紅外攝像機(jī)（TRL8）

· 輕型多核圖像處理（TRL6）

· 多邊/信號(hào)特征分析（TRL6）

· 多點(diǎn)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(gòu)的技術(shù)成熟度等級(jí)不僅取決于其支持技術(shù)的成熟度。為了表達(dá)系統(tǒng)定義的深度，NASA UAS CNS項(xiàng)目按技術(shù)定義等級(jí)（TDL）進(jìn)行分類。TDL不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)量度，它僅僅是為了向讀者提供到目前為止能夠?qū)嵤┫铝薪ㄗh的監(jiān)視體系架構(gòu)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(dòng)相關(guān)監(jiān)視，這是一種集中式自動(dòng)化合作監(jiān)視系統(tǒng)。ADS-IP的主要功能是能夠?qū)υ谔囟▍^(qū)域內(nèi)飛行的無(wú)人機(jī)的監(jiān)視數(shù)據(jù)進(jìn)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(luò)和通信協(xié)議，ADS-IP能夠克服當(dāng)前監(jiān)視系統(tǒng)（例如，ADS-B或SSR）的局限性和弱點(diǎn)。ADS-IP使用IP傳輸信道對(duì)無(wú)人機(jī)與地面服務(wù)器、服務(wù)器與其他執(zhí)行者（例如，自動(dòng)交通監(jiān)督者或編隊(duì)擁有者）之間數(shù)據(jù)交換進(jìn)行管理。地面服務(wù)器作為系統(tǒng)核心，采集所有無(wú)人機(jī)傳送的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，并根據(jù)每個(gè)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(yīng)G類空域小型無(wú)人機(jī)預(yù)期的運(yùn)行方式。µADS-IP是一種自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)建議。由于是一種相關(guān)系統(tǒng)，是由無(wú)人機(jī)自身確定其位置（通過(guò)GNSS或任何其他手段），并對(duì)位置數(shù)據(jù)進(jìn)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(shù)結(jié)合，對(duì)于確定工作區(qū)域能夠使用更高密度的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。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?xiàng)候選技術(shù)。至于安全方面，建議采用加密層，這種建議是基于對(duì)RF信道廣播監(jiān)視數(shù)據(jù)的對(duì)稱加密。建議使用PKI，通過(guò)安全通信信道（基于互聯(lián)網(wǎng)的信道，當(dāng)它們可用時(shí)）為uADS-IP消息分配密鑰。——TDL4

· 無(wú)人機(jī)監(jiān)視雷達(dá)（DSR）：一次監(jiān)視雷達(dá)（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(dāng)前的PSR被認(rèn)為不能用于飛行在G類空域的小型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)。由于PSR精度低而且缺乏目標(biāo)唯一性識(shí)別以及小目標(biāo)探測(cè)能力，它們不適用于將小型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)整合到非管制空域的用途。然而，通過(guò)使用不同的傳輸頻帶，采用這項(xiàng)技術(shù)也能夠探測(cè)到小目標(biāo)。

市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了基于PSR的解決方案，通常被稱作無(wú)人機(jī)監(jiān)視雷達(dá)，它們適用于對(duì)確定具體區(qū)域（例如，關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施、國(guó)家邊界或軍事基地）提供保護(hù)。這些解決方案的實(shí)施基于高性能雷達(dá)傳感器的部署。——TDL9

· 利用圖像識(shí)別進(jìn)行定位和識(shí)別——光電子學(xué)：“光電子學(xué)”一詞是光學(xué)和電子學(xué)的結(jié)合，它涉及探測(cè)、圖像處理和穩(wěn)定等功能。此類解決方案采用遠(yuǎn)距離高清紅外攝像機(jī)，對(duì)小型無(wú)人機(jī)進(jìn)行跟蹤、識(shí)別并提供來(lái)自小型無(wú)人機(jī)的視覺數(shù)據(jù)。——TDL7

· 采用電磁/聲學(xué)信號(hào)特征分析用于定位識(shí)別：這些解決方案包括對(duì)小型無(wú)人機(jī)及其控制站之間RF通信的無(wú)源竊聽。采用這項(xiàng)技術(shù)，可能會(huì)識(shí)別出無(wú)人機(jī)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(shí)別飛機(jī)螺旋槳旋轉(zhuǎn)及無(wú)人機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)和噪聲。——TDL7

· 利用光/聲信號(hào)增強(qiáng)安全：光和聲信號(hào)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(hào)時(shí)距離稍高一點(diǎn)。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(biāo)。

光信號(hào)可以使用一種只對(duì)某些有限參數(shù)（例如，飛機(jī)唯一ID）進(jìn)行編碼和廣播的簡(jiǎn)單的調(diào)制模式加以改進(jìn)。這種基本通信原理還可以用于建立地對(duì)空通信信道，在緊急狀況（例如，小型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)飛行中斷）下，警員或其他代理機(jī)構(gòu)可通過(guò)它發(fā)送非常具體的指令。——TDL5

分析結(jié)果表明，實(shí)現(xiàn)建議體系架構(gòu)所需的技術(shù)已經(jīng)可用，這對(duì)考慮未來(lái)3至5年要部署的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)非常有好處。

6 結(jié)語(yǔ)

 

 

本文對(duì)當(dāng)前和未來(lái)3至5年內(nèi)可用的通信、導(dǎo)航和監(jiān)視（CNS）技術(shù)進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)分析。討論了當(dāng)前各種技術(shù)的技術(shù)成熟度。分析表明，NASA無(wú)人機(jī)系統(tǒng)通信、導(dǎo)航和監(jiān)視體系架構(gòu)中建議的大部分技術(shù)目前已經(jīng)準(zhǔn)備好進(jìn)行集成飛行測(cè)試，一些先進(jìn)的技術(shù)已經(jīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，并且已經(jīng)為2020~2022年飛行測(cè)試做好了準(zhǔn)備。

這種實(shí)現(xiàn)分析是針對(duì)NASA早期計(jì)劃工作項(xiàng)目中發(fā)布的管制空域和非管制空域無(wú)人機(jī)系統(tǒng)通信、導(dǎo)航和監(jiān)視體系架構(gòu)概念進(jìn)行的，并且與主要無(wú)人機(jī)系統(tǒng)通信、導(dǎo)航、監(jiān)視會(huì)議上大量發(fā)布和未決的公告一致。這項(xiàng)工作與全球空中交通管理服務(wù)保持一致，為有人和無(wú)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(tuán)隊(duì)準(zhǔn)備將這些技術(shù)集成到實(shí)際飛行測(cè)試中，對(duì)體系架構(gòu)概念加以驗(yàn)證。同時(shí)，據(jù)了解，在近期和中期，需要在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行持續(xù)研究和開發(fā)，以便將先進(jìn)的特性融入到正在進(jìn)行的資格鑒定和認(rèn)證工作中。NASA項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)準(zhǔn)備與其他無(wú)人航空?qǐng)F(tuán)體就這方面的工作進(jìn)行協(xié)調(diào)。