NASA无人机交通管理系统飞行验证试验概述

　　摘要：随着民用无人机在物流配送、地理信息探测和应急救援等领域的快速发展，美国联邦航空局(FAA)和美国航空航天局(NASA)合作开发了无人机交通管理系统(UTM)，并开展了大量的验证试验。根据技术难度，NASA将运行技术和相关的飞行验证试验分为个技术能力水平阶段，其中第三和第四阶段是UTM试验的核心阶段，也是技术难度最高的个阶段。论文整理了美国无人机交通管理系统第三和第四技术能力水平阶段的飞行验证试验，根据各项关键技术，对试验内容及运行场景等进行了概述，总结了相关试验经验，对中国无人机运行管理系统的试验设计提出了建议。

　　关键词：无人机交通管理;飞行验证试验;数据交换;感知与避让;通信监视与导航

　　各个国家或国际组织对无人驾驶航空系统(unmannedaircraftsystem，UAS)的定义略有差异。根据美国联邦航空局(FAA)的定义，无人驾驶航空系统是指无人驾驶飞机以及供远程驾驶员安全有效地在国家空域系统里进行飞行操纵的必需配套设备，包括通信链路和飞行控制设备等[1]。欧洲航空安全局(EASA)定义无人驾驶航空系统为在无人驾驶的情况下操纵的飞机及其配套设备，定义远程驾驶飞机系统(RPAS)为一套可配置的设备，包括远程驾驶飞机、相关的远程驾驶站、所需的指挥和控制链路以及在运行过程中任何时候可能需要的任何其他系统组件[2]。

　　无人机技术论文： 基于认知无人机移动中继网络的物理层安全通信研究

　　在中国，民航局将无人驾驶航空系统定义为由无人机、相关控制站、所需的指令与控制数据链路以及批准的型号设计规定的任何其他部件组成的系统[3]。在本论文中，将无人驾驶航空系统简称为无人机。近年来，民用无人机在物流配送[4]、应急救援[5]、空中拍摄[6]和地理信息探测[7]等领域发展迅速，大量民用无人机进入低空空域。FAA预测，美国的小型无人机将从2019年的110万架增长到2022年的240万架，2023年美国注册的非航模小型无人机将从2018年的27万架增长到83万架左右[8]。欧盟预测，到2025年，欧洲休闲类无人机将达到700万架，政府和商用无人机达到20万架[9]。无人机规模数量的全新增长模式，导致无人机的空域使用问题成为产业发展的关键难题。

　　全球各国和国际组织开始将无人机发展的关注热点从无人机制造技术转向无人机运行。美国航空航天局(NASA)于2013年提出无人机交通管理(UASTrafficManagement,UTM)的概念[10]，旨在对低空空域内的无人机大规模安全运行进行管理和提供服务[11]。2020年月，FAA的NextGen办公室发布了UTM系统的第二版运行概念[12]，将UTM的飞行验证试验根据需要测试的功能分为个技术能力水平阶段。

　　另一方面，欧洲于2017年正式提出《U-space的概念与发展蓝图》[13]，以支持无人机在低空和超低空空域安全、高效的运行，由欧盟最大的研发创新计划“地平线2020项目”对U-space进行资助，并开展了广泛的试验验证[14]。目前，中国正在发展无人交通运行管理技术[15]，并即将开展无人机试验云系统的开发和试验[16]。本文整理了NASA的UTM系统第三和第四技术能力水平阶段的飞行验证试验，根据各项关键技术，对试验内容及运行场景等进行了概述，总结了相关试验经验，对中国无人机运行管理系统的试验设计提出了建议。

　　1试验背景

　　1.1UTM飞行验证试验NASA将UTM的开发验证分为个阶段，其称之为技术能力水平阶段(technicalcapabilitylevel,TCL)，即TCL-1、TCL-2、TCL-3、TCL-4，已分别于2015、2016、2018和2019年完成相关的试飞验证。一级技术能力水平测试的主要是视距内无人机在低风险地区的运行;二级技术能力水平的飞行测试在一级上进行了拓展，主要试验了无人机在低风险地区的视距内和视距外混合运行[17];三级技术能力水平的测试目的在于测试常态超视距运行、空中机对机防撞和避让静态障碍物等能力;四级技术能力水平的测试目的在于超视距运行、跟踪和定位、避让动态障碍物，以及处理大规模突发事件等能力。

　　在正式展开TCL-3阶段的测试之前，NASA已在2016年月完成了前个技术能力水平的测试，TCL1-2阶段的开发和验证主要完成了个任务：第一是搭建了实验室仿真环境[17]，第二是初步试验了无人机在低风险地区的视距内和视距外运行[18]。前个技术能力水平阶段的试验初步验证了UTM系统的运行概念，并为后续无人机超视距运行的飞行试验奠定了研究基础。

　　1.2试验场景

　　TCL-3阶段的主要研究目标是验证无人机通信相关的关键技术，而TCL-4的主要研究目标是收集数据，以了解在城市环境中安全实现大规模超视距无人机运行的要求，并在飞行测试中评估小型无人机的探测和避让、通信、导航和远程识别远程ID)技术;评估为解决城市运行技术挑战而开发的统一技术服务;并确定现有技术能力方面的差距，以便使城市业务得以开展。TCL-4测试是基于实际试验场景，将不同的研究目标集成到每个场景中。NASA设计了个试验场景，代表无人机在同一地区内全天的运行，从而研究测试UTM的各项重点功能，试验场景包括：

　　(1)多个任务类型的无人机正在城市环境中高密度地运行，在该地区模拟一个突发气象事件，进而以无人机空间保留(UVR)的形式建立一个警告区域。在UVR内正在运行或计划在该区域运行的无人机通过返回起点、重新规划使用与其他运行不冲突的安全着陆点，或避免在UVR内起飞来应对突发事件。(2)多种类型的无人机因为一场音乐会在某个地区同时运行，空域容量达到了中高流量密度。在该地模拟发生火灾或医疗紧急情况等突发事件，进而建立了UVR，以供公共安全UTM应急响应，进而取消该地区非必要的无人机运行。清理UVR的运行必须重新规划路径和冲突缓解，以确保无人机安全离场。UTM系统的远程ID识别系统用于识别和联系尚未撤离该区域的无人机运营人。此外，除了公共安全无人机外，还允许新闻报道无人机使用UVR。

　　(3)中等流量密度的无人机在机场附近运行，因此需要特定的远程ID识别以及安全响应来监视机场附近的情况，并报告有关信息。有人驾驶通航飞机正在该地区飞行，其中一架飞机的飞行路径与UTM运行空间发生冲突，无人机运营人随后做出响应;另一架运行的无人机模拟进入通信中断和违规状态，附近的其他无人机收到相关信息，进而进行避让。(4)高流量密度的无人机在城市环境中模拟运行，一架无人机由于电池电量低需要立即着陆，因此附近运行的无人机需要重新规划路径并避让着陆过程中的无人机;接着发生了大规模的通信和导航中断事件，需要应急管理程序来进行响应。在该场景中，需要请求远程ID识别服务，用于识别报告在同一地区运行的无人机。

　　2演示试验内容

　　2.1无人机通信

　　NASA的TCL-3阶段主要测试无人机超视距运行，主要包括运行概念组、数据交换组、通信导航监视组和感知避让组，各个大组按照相应的主题组织试验。不同于有人驾驶飞机，无人机需要通过数据链路精确及时地向运营人和监管机构回传数据，并向空域内其他无人机分享态势信息，因此无人机数据交互技术和通信技术是保障超视距运行安全的核心技术;另一方面，无人机的大规模运行将会对公共安全和居民隐私带来一定的隐患，因此无人机的身份识别也是亟需验证的重要功能。

　　2.1.1无人机信息报告服务

　　在TCL-3阶段的数据和信息交换试验中，NASA测试了“无人机信息报告”技术(UREP)，该技术用于UTM系统各参与方交换天气和无人机目视信息，从而增强对空域和天气信息的感知，以提高远程飞行员安全飞行的能力。UREP由客户端系统生成并发送到中央数据服务，数据服务提供订阅功能并批准数据请求，从而共享UTM各参与方发送的报告。UREP试验通过飞行仿真或飞行试验，将生成的数据发送到服务器，其他地区的无人机运营人向服务器发起数据请求以测试UREP服务[19]。

　　UREP服务基于表述性状态转移原理(REST)，其中数据服务器基于JAVA语言，部署在亚马逊云服务器上，并由关系数据库系统(RDBMS)支持，由PostGIS插件向数据库提供地理空间数据和查询功能。REST应用程序编程接口是使用OpenAPI规范2.0定义的，并提供给所有需要与该服务进行数据交换的USS。数据端点是简单的HTTPGET和PUT调用，从而交换UREP数据。

　　数据模型也是在OpenAPI规范中定义的，它严格按照FAA的飞行报告(PIREP)数据交换格式建模，但UREP增加了报告目视飞机的功能，这是PIREP不允许的，这在UREP内被称为“pointout”[20]。TCL-3部署的UREP体系架构还提供了一个数据订阅服务，以便发送到UREP服务的任何更新数据都将返回给所有订阅的USS，该订阅功能是使用简单的面向文本的消息传递协议实现的。

　　NASA提出了一种无人机自动故障管理系统(S2D)，该系统通过让无人机执行应急备降，避免对地面人员和财产造成损失，并最大限度地保留无人机和载荷[41]。该系统提出迫降点概念，表示最优的应急着陆点。S2D系统包括无人机健康监测、着陆点选择、视觉辅助着陆、导航路线优化器、智能总线和自适应控制等模块。

　　3总结与讨论

　　本文从无人机数据交互、感知与避让、监视与导航、低空空域划分以及应急处理技术等方面整理了NASA研发的UTM系统在TCL-3和TCL-4阶段的若干飞行试验。

　　3.1TCL-3阶段飞行试验总结

　　在TCL-3阶段，NASA根据无人机超视距运行条件下对UTM系统的实际需求，主要针对运行概念、数据交换、感知避让以及通信导航监视功能展开了飞行试验。TCL-3阶段开展的飞行验证试验主要针对无人机超视距运行的信息传输功能。根据UTM系统运行概念，确保无人机安全公平地进入公共低空空域的前提是各参与方的合作，不同于传统运输航空，无人机无法直接接收空管系统的语音信息并做出响应，因此保证信息的传输通畅是保障UTM系统为无人机提供服务的核心技术。

　　3.2TCL-4阶段飞行试验总结

　　TCL-4阶段进行的试验专注于无人机城市场景的大规模运行的验证。TCL-4阶段NASA提出了SAFE50概念，即“最后50英尺无人机安全自主飞行环境”(1英尺0.3048m)，该概念是对无人机城市运行场景的汇总和凝练，该环境中对UTM系统各模块进行了集成，并关注了大规模紧急情况下UTM系统各参与方的应急处理技术。TCL-4阶段的试验是在TCL-3验证成熟的无人机超视距运行技术的基础上，以实际运行场景驱动的飞行试验，也是对UTM运行概念的验证试验，进而测试了NASA开发的UTM系统在实际运行场景下的可靠性。

　　3.3NASA飞行试验总结

　　从技术发展阶段来看，TCL-3阶段解决的是无人机运行的技术瓶颈问题，而TCL-4阶段解决的是将已有技术用于城市场景无人机运行的应用问题。

　　(1)分析NASA公布的技术文档可得，UTM系统中实现的大量功能是基于已有的成熟技术，如基于DSRC和ADS-B的远距离通信、基于A*算法的飞行路径规划、基于Reflection架构的半物理仿真技术等，UTM系统从提出概念到推出原型系统，仅用了5a左右时间，在开发过程中，NASA更多地将精力投入到系统集成方面，即制定统一的接口，将分散的各项单独技术吸纳入UTM系统，进而实现完整的无人机交通管理功能。

　　(2)从TCL-3阶段开始，UTM系统的飞行试验主要聚焦于无人机的超视距运行，因此稳定精确的远程数据通信成为保障无人机运行安全的核心需求。TCL-3阶段开展的飞行试验主要围绕无人机的数据交互，例如，无人机信息报告是无人机直接向USS和运营人报告当前飞行状态及态势，无人机远程ID识别技术向公众或监管部门传输无人机身份信息，而后续的感知避让、监视导航等技术均是基于无人机远程信息传输基础发展的，信息传输的通畅和准确是保证无人机超视距运行的关键技术。

　　参考文献(References)

　　[1]FederalAviationAdministration.Publiclaw112-95,titleIII,subtitleB:Unmannedaircraftsystems[EB/OL].2012-02-14[2020-12-05].https://www.faa.gov/uas/resources/policy_library/media/Sec_331_336_UAS.pdf.

　　[2]EASA.Conceptofoperationsfordrones,ariskbasedapproachtoregulationofunmannedaircraft[EB/OL].2015-05-01[2020-12-05].https://www.easa.europa.eu/sites/default/files/dfu/204696_EASA_concept_drone_brochure_web.pdf.

　　[3]中国民用航空局飞行标准司轻小无人机运行规定试行)[EB/OL].2015-12-29[2020-12-14].http://www.caac.gov.cn/XXGK/XXGK/GFXWJ/201601/P020170527591647559640.pdf.[CivilAviationAdministrationofChina.RegulationsonoperationoflightandsmallUAV(test).2015-12-29[2020-12-14]. http://www.caac.gov.cn/XXGK/XXGK/GFXWJ/201601/P020170527591647559640.pdf.]

　　[4]BalabanMA,MastaglioTW,LynchCJ.AnalysisoffutureUAS-baseddelivery[C]//2016Wintersimulationconference(WSC).WashingtonDC,USA:IEEE,2016:1595-1606.

　　作者：王茂霖1,2，吕人力1,2，管祥民