無(wú)人機(jī)系統(tǒng)(UAS)要實(shí)現(xiàn)其商業(yè)上的全部潛力，必須具備在操作員的視線(BVLOS)之外進(jìn)行任務(wù)的能力。這種能力將為無(wú)人機(jī)公司開(kāi)辟全新的世界，特別是在石油和天然氣、公用事業(yè)和應(yīng)急響應(yīng)等行業(yè)。
然而在 BVLOS 成為常態(tài)之前還有很多工作要做。在美國(guó)，無(wú)論無(wú)人機(jī)是在操作員的視線范圍內(nèi)還是在范圍之外飛行，都必須安全地集成到國(guó)家空域系統(tǒng)(NAS)，這樣才可以在不給載人飛機(jī)制造更大風(fēng)險(xiǎn)的情況下運(yùn)行，這正是無(wú)人機(jī)交通管理(UTM)技術(shù)的切入點(diǎn)。
NASA、無(wú)人機(jī)制造商和 FAA 指定的測(cè)試場(chǎng)正致力于開(kāi)發(fā) UTM 技術(shù)，以確保低海拔 UAS 操作的安全集成。未來(lái)的系統(tǒng)有助于解決任務(wù)計(jì)劃和飛行的沖突，可以發(fā)送通知提醒飛行員注意任何問(wèn)題，比如入侵或系統(tǒng)在飛行中離開(kāi)指定區(qū)域。
Inside Unmanned Systems 最近與東北部無(wú)人機(jī)空域整合研究聯(lián)盟，北部平原無(wú)人機(jī)試驗(yàn)場(chǎng)，德州農(nóng)工大學(xué)科珀斯克里斯蒂分校的 Lone Star 無(wú)人系統(tǒng)創(chuàng)新中心(LSUASC)進(jìn)行了對(duì)話，了解在技術(shù)方面和商業(yè)無(wú)人機(jī)行業(yè)的進(jìn)展。對(duì)于所有參與其中的人來(lái)說(shuō)，都在朝著共同的目標(biāo)努力，那就是將 UAS 安全集成到包括 BVLOS 飛行在內(nèi)的國(guó)家空域。
紐約的無(wú)人機(jī)飛行走廊
去年 9 月，NUAIR 聯(lián)盟啟動(dòng)了 50 英里長(zhǎng)的無(wú)人機(jī)飛行走廊的第 1 階段。NUAIR 執(zhí)行主任 Larry Brinker 說(shuō)，這條走廊能夠提供空間，讓無(wú)人機(jī)開(kāi)發(fā)商和制造商可以通過(guò)地面雷達(dá)安全地測(cè)試 BVLOS 的操作。這是 NUAIR 和 NASA 共同努力合作的結(jié)果，標(biāo)志著在格里菲斯國(guó)際機(jī)場(chǎng)創(chuàng)建了 NUSTAR UAS 測(cè)試設(shè)備。
這條走廊的前 5 英里已經(jīng)開(kāi)始運(yùn)營(yíng)，將在 2018 年開(kāi)始建設(shè)完整的傳感器網(wǎng)絡(luò)，下一階段預(yù)計(jì)在今年底完成。美國(guó)出資 3000 萬(wàn)美元支持?jǐn)U建項(xiàng)目，目前正在挑選合作伙伴，以幫助擴(kuò)建走廊。
上圖來(lái)自正式的走廊演示，看到環(huán)繞格里菲斯國(guó)際機(jī)場(chǎng)的路線，以及用來(lái)探測(cè)和跟蹤兩架飛機(jī)的地面?zhèn)鞲衅骱屠走_(dá)，其中一個(gè)是載人的，另一個(gè)不是。空中交通管理人員能夠保持系統(tǒng)之間的安全距離，展示技術(shù)能做什么，以及不同的傳感器和系統(tǒng)是如何測(cè)試的。
Brinker 說(shuō)，「所有測(cè)試的本質(zhì)都是面向公眾的。在公眾接受無(wú)人機(jī)系統(tǒng)安全有效的操作之前，達(dá)美樂(lè)不能用無(wú)人機(jī)送披薩，亞馬遜也不能用它來(lái)投遞包裹，我們有測(cè)試場(chǎng)來(lái)證明這項(xiàng)技術(shù)是安全的。」
新 NUAIR 首席執(zhí)行官 Marke (Hoot) Gibson 說(shuō)，這條走廊位于相對(duì)較偏遠(yuǎn)的地區(qū)，測(cè)試更安全，更容易完成。它為飛行提供了更多的機(jī)會(huì)，能在那里展開(kāi)的飛行越多，就能學(xué)到更多的東西。通過(guò)這條走廊，他不僅希望測(cè)試?yán)走_(dá)，還希望能看到遠(yuǎn)程識(shí)別系統(tǒng)，例如像 ADS-B 這樣的應(yīng)答器，以及混合的探測(cè)和規(guī)避技術(shù)，包括地面和機(jī)載系統(tǒng)。
Gibson 說(shuō)，走廊是基本的第一步，與有人駕駛的飛機(jī)隔離開(kāi)來(lái)，對(duì)地面產(chǎn)生最小影響，開(kāi)發(fā)可靠的數(shù)據(jù)，了解如何將基于地面的感知和避免，以及解決方案集中的所有碎片集成在一起。最終希望與載人飛機(jī)完全集成，滿足傳統(tǒng)航空的空域要求。
Brinker 說(shuō)，進(jìn)一步推動(dòng)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)技術(shù)及其操作參數(shù)一直是這些系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)潛力，而飛行 BVLOS 的能力是實(shí)現(xiàn)這一潛力的重要因素。
Gibson 說(shuō)，推進(jìn) UTM 技術(shù)對(duì)安全地實(shí)現(xiàn) BVLOS 至關(guān)重要，而且要達(dá)到這一目標(biāo)，需要具備傳統(tǒng)航空背景的人之間的協(xié)作，這些人知道安全要求，以及正在開(kāi)發(fā)各種軟件和技術(shù)的工程師。他指出，有一些公司，比如 BNSF 鐵路公司，已經(jīng)在執(zhí)行 BVLOS 的任務(wù)。常規(guī)的 BVLOS 飛行可能會(huì)從公用事業(yè)開(kāi)始，然后是公共場(chǎng)所，這意味著政府實(shí)體在五年內(nèi)將會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)。
北達(dá)科他的測(cè)試
執(zhí)行董事 Nick Flom 說(shuō)，起初是由于客戶的需要，開(kāi)始在北部平原無(wú)人飛機(jī)系統(tǒng)測(cè)試基地 BVLOS 測(cè)試。通用原子公司正在尋找空域，培訓(xùn)飛行員駕駛它的「捕食者」無(wú)人機(jī)，而大天空烏斯商業(yè)公園則是通過(guò)與大福克斯空軍基地加強(qiáng)使用租賃協(xié)議實(shí)現(xiàn)，看起來(lái)非常合適。唯一的挑戰(zhàn)是他們沒(méi)有批準(zhǔn)飛行 BVLOS。
Flom 在大約兩年前開(kāi)始通過(guò)聯(lián)邦航空局的批準(zhǔn)。這是一個(gè)緩慢的過(guò)程，部分原因是聯(lián)邦航空局沒(méi)有可重復(fù)的過(guò)程來(lái)審查和批準(zhǔn)請(qǐng)求。「每一步都是開(kāi)創(chuàng)性的，能看到其他空中交通的能力是限制因素之一，以及為什么我們今天不能飛行 BVLOS。」
對(duì)于 BVLOS 飛行來(lái)說(shuō)，測(cè)試場(chǎng)有一個(gè)雷達(dá)饋送，F(xiàn)lom 說(shuō)這與空中交通管制的用途很相似。在雷達(dá)顯示屏后面有個(gè)觀察員，而不是控制所有的飛機(jī)在這個(gè)空域，他們專(zhuān)注于 UAS 并確保它與其他飛機(jī)正確地分離。觀察員與飛行員進(jìn)行溝通，以確保 UAS 避免在該區(qū)域內(nèi)的其他飛機(jī)，包括那些沒(méi)有應(yīng)答器的飛機(jī)，以及在 UTM 系統(tǒng)中沒(méi)有計(jì)劃飛行的人員。
研究人員可以訪問(wèn) DOD 雷達(dá)饋源 DASR-11，這是通過(guò)增強(qiáng)使用租賃協(xié)議進(jìn)行的。FAA 去年 12 月批準(zhǔn)了飛行，但他們不得不等到幾個(gè)月前才開(kāi)始測(cè)試?yán)走_(dá)數(shù)據(jù)。
Flom 說(shuō)，在測(cè)試的第一階段，團(tuán)隊(duì)的任務(wù)是分析無(wú)人機(jī)飛行的空域。他們想知道的是現(xiàn)在需要飛行的載人飛機(jī)是否能看到雷達(dá)所沒(méi)有的任何東西，同時(shí)也在駕駛無(wú)人機(jī)，在 UAS 必須避免的空域中增加了沖突。在下一階段，無(wú)人駕駛飛機(jī)將不需要追逐飛機(jī)，F(xiàn)lom 希望年底前能進(jìn)入這個(gè)階段。
他說(shuō)，「當(dāng)我們把這些東西放在一起的時(shí)候，我不僅想到了通用原子和捕食者飛機(jī)。我們是一個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)，我正在努力使該行業(yè)能夠找到我們。我們有一個(gè)不特定于飛機(jī)的作戰(zhàn)概念，它實(shí)際上是飛機(jī)不可知的。飛機(jī)需要滿足一些性能要求，但如果另一個(gè)公司想在我們的現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行飛行，我們可以使用相同的作戰(zhàn)概念，并與聯(lián)邦航空局合作，將它們混合起來(lái)。」
這可能包括為了滿足聯(lián)邦航空局的雷達(dá)要求而設(shè)計(jì)的測(cè)試機(jī)載設(shè)備。他們可以將其基于地面的解決方案作為主要手段，將飛機(jī)作為非認(rèn)證的機(jī)載解決方案進(jìn)行測(cè)試。
Flom 還閱讀了 Facebook 計(jì)劃使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接的計(jì)劃，這將意味著在一段時(shí)間內(nèi)將無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間提高 6 個(gè)月。他說(shuō)，基于地面的雷達(dá)解決方案將是完美的，消除了飛機(jī)攜帶機(jī)載雷達(dá)的需要，只在起飛和著陸時(shí)使用。這些都不是以前做過(guò)的，讓它成為行業(yè)中令人興奮和充滿挑戰(zhàn)的時(shí)刻。但是還有很多東西需要學(xué)習(xí)，還有很多工作要做。
Flom 不認(rèn)為有一種解決方案能完全支持 BVLOS。基于地面的解決方案可能適用于美國(guó)某些地區(qū)，那里已經(jīng)有了現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施，比如正在使用的雷達(dá)類(lèi)型。但是它只有 60 海里的服務(wù)容量，所以可以使用這個(gè)地面雷達(dá)。如果想飛得更遠(yuǎn)，先用地面，然后使用空氣傳播的解決方案來(lái)填補(bǔ)這些空白。
北達(dá)科他州的測(cè)試場(chǎng)也與 NASA 合作開(kāi)發(fā)了 UTM 技術(shù)，并且是在夏季進(jìn)行的國(guó)家測(cè)試的一部分。測(cè)試著眼于測(cè)繪、傳感和雷達(dá)技術(shù)的功能，而無(wú)人機(jī)則執(zhí)行不同類(lèi)型的任務(wù)。
德州測(cè)試
LSUASC 的執(zhí)行董事 Jerry Hendrix 說(shuō)，從 2015 年開(kāi)始，德州測(cè)試場(chǎng)就與 NASA 合作測(cè)試了 UTM 技術(shù)，先是模擬，再轉(zhuǎn)向?qū)嶋H飛行。早期測(cè)試的重點(diǎn)是確保該系統(tǒng)向飛行員發(fā)出有關(guān)該空域的適當(dāng)通知，比如當(dāng)他們飛到授權(quán)區(qū)域外時(shí)提醒他們。然后他們開(kāi)始進(jìn)行更復(fù)雜的測(cè)試，包括剛剛提到的多態(tài)測(cè)試，包括北達(dá)科塔等其他五個(gè)測(cè)試地點(diǎn)。
NASA 的 UTM 的開(kāi)發(fā)將在四個(gè)階段完成，每個(gè)技術(shù)能力水平(TCL) 增加了更多的復(fù)雜性。整個(gè)夏天完成的測(cè)試都是 TCL2 的一部分。
去年 6 月份為期三周的活動(dòng)重點(diǎn)是在人口稀少的地區(qū)上空飛行小型無(wú)人機(jī)。LSUASC 完成了幾次成功的飛行，飛行星空機(jī)器人 AR 180 飛行了 MESA-DAA 機(jī)載傳感器，避免了為 BVLOS 飛行而設(shè)計(jì)的 Echodyne 雷達(dá)。
Hendrix 描述了測(cè)試，通過(guò) UTM 發(fā)出的通知說(shuō)某地區(qū)有一艘遇險(xiǎn)的船，飛機(jī)在 UTM 結(jié)構(gòu)下共同工作，以幫助找到遇難的船只。還有個(gè)場(chǎng)景是找失蹤的孩子，有一個(gè)人扮演角色，并指示他們繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，飛機(jī)成功地將孩子定位了五次。
所有的測(cè)試地點(diǎn)都操作了他們的任務(wù)，再反饋給 NASA 的中央資料庫(kù)。沒(méi)有有從地面控制站發(fā)送通知，而是在測(cè)試范圍內(nèi)處理中心位置，就在運(yùn)營(yíng)商和 UTM 之間建立了一層控制，以便他們只接收他們需要采取行動(dòng)的通知。
在另一項(xiàng)測(cè)試中，無(wú)人機(jī)必須對(duì)侵入者的飛機(jī)做出反應(yīng)，地面控制系統(tǒng)發(fā)出的通訊稱(chēng)，他們必須調(diào)整飛行計(jì)劃。此外還模擬了一項(xiàng)災(zāi)難調(diào)查任務(wù)，飛機(jī)收到通知，對(duì)某一區(qū)域的損害進(jìn)行檢查，這正是該團(tuán)隊(duì)在哈維颶風(fēng)之后的重建工作中所做的。
Hendrix 說(shuō)，下一個(gè)級(jí)別的任務(wù) TCL3 將更加復(fù)雜，引入主動(dòng)傳感器。在上次測(cè)試中，研究人員確實(shí)在其中一架飛機(jī)上安裝了一個(gè)主動(dòng)雷達(dá)，這使得該無(wú)人機(jī)能夠準(zhǔn)確地探測(cè)該區(qū)域，并且是它識(shí)別入侵者的方式之一，但下一組測(cè)試將更加詳細(xì)。他們將在15 種不同的情況下完成機(jī)載雷達(dá)與地面指揮和控制結(jié)構(gòu)的完全整合。最近完成了第一個(gè)測(cè)試計(jì)劃的初稿，預(yù)計(jì) 2018 年開(kāi)始飛行。
該測(cè)試點(diǎn)還與 NASA 合作，以充實(shí) UTM 服務(wù)供應(yīng)商或 USS 的需求。這種方法使操作人員能夠與特定于其用例的系統(tǒng)進(jìn)行接口，例如交付和災(zāi)難響應(yīng)。這個(gè)模型將插入 NASA 的 UTM 系統(tǒng)。
在 BVLOS 操作中有各種各樣的風(fēng)險(xiǎn)，撞機(jī)是其中之一。UTM 系統(tǒng)是為避免此類(lèi)事故而設(shè)計(jì)的，它將幫助運(yùn)營(yíng)商更安全地執(zhí)行 BVLOS 任務(wù)，無(wú)論飛機(jī)飛到哪里，無(wú)論飛多遠(yuǎn)，這都是至關(guān)重要的能力。
怎么做才能允許使用 BVLOS？降低風(fēng)險(xiǎn)，擁有安全的操作，安全程度必須等同于目前載人飛行的安全水平。
為 BVLOS 做準(zhǔn)備
BVLOS 無(wú)人機(jī)的飛行可能要經(jīng)過(guò)幾年的時(shí)間才能成為常規(guī)，但測(cè)試場(chǎng)正在盡其所能推動(dòng)這一進(jìn)程。
NASA 的 UTM 技術(shù)必須在 BVLOS 完全啟用之前完成所有四個(gè)階段的開(kāi)發(fā)。Flom 說(shuō)，除此之外，直到 2020 年，檢測(cè)和避免需求才會(huì)到位，而這一標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于制造商來(lái)說(shuō)是必要的，「這是一個(gè)陷阱，我們并不一定擁有技術(shù)，也沒(méi)有完全開(kāi)發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)讓公司能夠開(kāi)發(fā)自己的技術(shù)」。
這些測(cè)試場(chǎng)將繼續(xù)與 NASA 和其他合作伙伴合作，以推進(jìn)必要的技術(shù)，最終達(dá)到這樣一個(gè)世界：在那里飛行無(wú)人機(jī) BVLOS 用于管道檢查、鐵路勘測(cè)以及甚至交付都是常態(tài)。
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