1 、现状与挑（tiāo）战

    无（wú）人机（jī）可能引（yǐn）发的（de）危害主要包括（kuò）空中相撞和地（dì）面撞击，其中无人（rén）机与（yǔ）有人机之间（jiān）的空中相（xiàng）撞是首要关注（zhù）对象（xiàng），为（wéi）保障飞行安全目前（qián）各国对（duì）无人机的运（yùn）行（háng）管理普遍采用将无人机限制在特定的空域（yù）内与有人机隔（gé）离运行。但随着无人机在（zài）侦（zhēn）查、搜救、运（yùn）输、军事等多个（gè）领域的广泛使用，其飞行（háng）活动（dòng）量的（de）不断增加对空域（yù）环（huán）境内的（de）其他（tā）飞行器以及地面（miàn）第三方带来很大的安全隐患（huàn）。在未来隔离运行方式（shì）将难以（yǐ）满足无人机（jī）日益增长的（de）应用需求，无人机与有人（rén）机（jī）共享（xiǎng）空域（yù）飞行是未来的发展趋势，因（yīn）而防撞问题（tí）也成（chéng）为制约无人机发展（zhǎn）的关（guān）键挑战（zhàn）之（zhī）一（yī）。美国国家空域系统(National AirspaceSystem, NAS)的下（xià）一代空域系统计划指出（chū）“下一（yī）代空域将着眼于利用卫（wèi）星使得（dé）航管员、飞行员、乘（chéng）客、无人飞行器以及其它相关者能够（gòu）实时地共享空域。”美国国防部也制（zhì）定（dìng）了（le）空域集成计划中，计划逐步将无人机融（róng）入共享空（kōng）域。

    无人机的空域集成，即无人机进入（rù）非隔离空域飞行与（yǔ）有人机共享空域。针对不同类（lèi）型（xíng）的使用特点，美国定义了6类（lèi）空（kōng）域：A类，6000-20000m，严格（gé）按空管飞行；B类（lèi），主（zhǔ）要机场周（zhōu）边，低于3000m；C类,次于B的繁忙机场，低于1200m；D类,有塔台的机（jī）场（chǎng），低于800m；E类，地面开始，A-D 类（lèi）外空间；G类（lèi），非管制空域。

    2 、当（dāng）前（qián）的检测（cè）技术

    目（mù）标（biāo）探测是规避的（de）基础（chǔ），无人机探测技术目前存在多种不同的解（jiě）决方（fāng）案，根据（jù）感知探测方式可以（yǐ）分为合作型和非合作型两大类：合作，意味着所有飞行器可通过共同的通信链路共享信息。非合作，则表示在天空（kōng）的飞行（háng）器彼此间不通（tōng）信，因此，意味着只能采用（yòng）主动检（jiǎn）测的方法。合（hé）作型探测设备（bèi）例如应答机TCAS 以及ADS-B 广（guǎng）播式自（zì）动相关监（jiān）视系统能够获取（qǔ）目标（biāo）飞机装载（zǎi）同类设备的飞机（jī）的直（zhí）接精确全（quán）面的状态信息，但必须依靠通信链路且探测目标（biāo）受限。非合作型探测设备，如雷达（dá）视觉EOIR 光电（diàn）红外等（děng）非合作型传感器能够感知探（tàn）测视（shì）场范围内的所有（yǒu）物体包括飞机以及（jí）地势（shì）、鸟（niǎo）类等非合作型目标。

    3、合作（zuò）型感知（zhī）探测

    空中交通告警和防撞系统（TCAS）和广播式（shì）自（zì）动相关监视（ADS-B）属于合作型感知探（tàn）测设备，能够直接精确全面（miàn）的获取装载同类设备的（de）目标飞机的（de）状（zhuàng）态信息，但必须依靠（kào）通信链路且（qiě）探测目标受限。视（shì）觉和雷达等（děng）属于非合作型传感器（qì），能够感知探测（cè）视（shì）场范围内的所有物体包括飞（fēi）机、鸟（niǎo）类以及地形，但其探测（cè）性能受到无（wú）人机姿态影响（xiǎng）而存（cún）在（zài）盲（máng）区。

    3.1 空中交通告警和防撞系统（TCAS）

    TCAS是为减少空（kōng）-空碰撞的发生率，从而（ér）改善（shàn）飞机飞（fēi）行安（ān）全的系统。TCAS最（zuì）初设计（jì）是用于载人飞行；然（rán）而，同（tóng）样可用（yòng）于无人飞行，不过，目前的价格（25,000-150,000美元）可能（néng）会（huì）妨碍TCAS在（zài）无人机领域的广泛采用。

    3.2 广播式自动相关监视（ADS-B）

    ADS-B是一种相对（duì）较新的（de）技术，它为防撞提供了巨大潜力。ADS-B不仅限于空-空监（jiān）视，它使用空对地（dì）通信并具有取代二（èr）次监视雷达的潜力。使用了类似于（yú）TCAS使用无线电信号发收发附近（jìn）飞机的信息的方（fāng）式，但ADS-B的一个重要且明显（xiǎn）的区别（bié）在于其信息交换（huàn）的类型。每架飞（fēi）机应分享的信息（xī）包括三维（wéi）位置、速（sù）度、航向、时间和意图。这些信息是对（duì）于防撞系统非常有价值。

    4、非合作型感知探测

    非合作型探测设备，如雷达视觉EOIR 光电红外等非合作型传感器能够感知探测视场（chǎng）范围内的所有物体包括飞机以及地势（shì）、鸟（niǎo）类（lèi）等（děng）非合作（zuò）型（xíng）目标。

    4.1 基于视（shì）觉的防撞探（tàn）测

    无源性以及对非合作目（mù）标的鲁棒性是光电传感器（qì）的关键优势，使它们成为规避应用（yòng）中非（fēi）常有（yǒu）吸引力的传感器类型。与此相反，在交通警报和防撞系统（TCAS）则更多依（yī）赖于其他合（hé）作飞（fēi）机转发自身（shēn）飞行信息（xī）的方法（fǎ）。

    光电传感器的传（chuán）感器（qì）技（jì）术已经相对（duì）成（chéng）熟度，适合应用于无人机感知与规避（bì）应用。当前（qián）先进（jìn）的光电传感器趋向（xiàng）于紧凑、低重量、低功率，使得它们能够应用于相对小的（de）无人机平台。此外，目前很容易得（dé）到支（zhī）持高（gāo）速IEEE1394和IEEE802.3-2008（千兆以太网（wǎng））通信接口的（de）商用现（xiàn）货（COTS）产品，以此可以很容易地（dì）实现图（tú）像数据的（de）实时采集和高分辨率传输（shū）解（jiě）决方案（àn）。目前，可利用从相机到图像处理计算机或工作站传送数字视频信号所常用的总线标准（zhǔn）：火线（IEEE1394）、USB2.0、千兆以太网和CameraLink。光（guāng）电传感器所提供的信息不仅仅局限于用于图像平面（miàn）内的目标检测与定（dìng）位。由目标在图像平面（miàn）中的（de）位置所进一步推断出的相对航向信（xìn）息可以用于评估碰撞危险（恒（héng）定（dìng）的（de）相对航向对应于高风险，而变化率大（dà）的（de）相对航对（duì）对（duì）应于低（dī）风险）。此外，也可（kě）从中得到常用于控制目的距（jù）离（lí）信（xìn）息并（bìng）用于（yú）飞机机（jī）动。相（xiàng）关（guān）研究表（biǎo）明，以光电传感器（qì）为基础的感知和规避系（xì）统获（huò）得监管（guǎn）机（jī）构批（pī）准的可能性最大。但是，光电传感方法仍（réng）面临诸（zhū）多问题。其（qí）中最显著的挑战源自于（yú）空中环境的不可预（yù）测和不断变化（huà）的性质（zhì）。特别是，对于（yú）可见光光谱的光电传（chuán）感器，检测算法必须能够（gòu）处理各种图（tú）像的背景（从蓝色（sè）天空云到杂（zá）乱的地面（miàn））、各种照明条件，以及可能的图像伪影（例如（rú）镜头眩光）。光电传感方法的另一个问（wèn）题是（shì）存在图像（xiàng）抖动噪声（shēng）。由（yóu）于受到不可预（yù）知的气（qì）动干扰（rǎo）和无人机的（de）机动，加剧（jù）了（le）相（xiàng）机传（chuán）感器的图像抖动。对于图像平面的（de）检测算（suàn）法（fǎ），图（tú）像抖动引入不希（xī）望的噪（zào）声分量，并对性能（néng）产生显（xiǎn）著影响。基于飞机的状态信息和图象特征的抖动补偿技术已经提出（chū），可（kě）以减少图像抖动效应，但仍不能完（wán）全消除。最后，实现（xiàn）光电传感器图像数据的实时处理也是一（yī）个挑战。然而，随着（zhe）并（bìng）行（háng）处理硬件的发（fā）展（例如（rú）图形处理单元（GPU）、现场（chǎng）可编程门阵（zhèn）列（FPGA）和专用数字信号处（chù）理器（DSP）），此问题（tí）正在得到改善。在过去的十（shí）年里（lǐ），政（zhèng）府、大学和（hé）商业研究小组已经（jīng）展（zhǎn）示（shì）了不同成熟度的基于光（guāng）电传感器（qì）感知和规避技术。其（qí）中最成（chéng）熟的基于光电传感器感知和规（guī）避技术方案（àn）已经由国防研究协会有（yǒu）限公司（sī）（DefenseResearchAssociates,Inc.（DRA））、空军研究实验室（AFRL）和航空系统中心（xīn）（ASC）联合（hé）完成。AEROSTAR无（wú）人机也已验证能在距离大约7海里侦查并跟（gēn）踪不合作的通用航空器的机载设（shè）备。该计划的目的是实（shí）现合作和不合作目（mù）标的防（fáng）撞（zhuàng）能力（lì）。澳（ào）大利亚的航空航（háng）天自动化研究中心（ARCAA）已（yǐ）承接用于民用（yòng）无人（rén）机的成本效益高的感知与（yǔ）规避系统。已经进行了（le）闭环（huán）飞行试验（yàn），展示了（le）原型系（xì）统自动（dòng）检测入侵飞机并命令载（zǎi）机自动驾驶（shǐ）仪（yí）进行回避动作的能力。在（zài）过去（qù）十年中，类似的研究加（jiā）深了（le）对光电传感器参数（如视野（yě））与系统性（xìng）能（néng）（如探测距离、检（jiǎn）测概率和误报率）之（zhī）间权（quán）衡的认（rèn）识。例如，许多（duō）研究表明，在一般情（qíng）况下（xià），增大（dà）视野将减小（xiǎo）探测距离，反之亦（yì）然。

    4.2 基于雷达的防撞探（tàn）测

    雷达作为一项成（chéng）熟的飞（fēi）机防撞技术，其探测范围、扫描角速度、更新率和（hé）信（xìn）号质量（liàng）等均相（xiàng）对（duì）较高。Kwag等研究（jiū）了适用于低空飞行无人机防撞雷达的关键设计参数。其主要的技术（shù）缺（quē）陷在于大小的限制。雷达的（de）重量消（xiāo）耗大量的动力，并需要（yào）一个巨大的（de）天线（xiàn）才可（kě）以发现较小的物体，天线越小，则（zé）精度越低，这样雷（léi）达就被限制（zhì）在大型的无人平台上。在小型化方面，丹（dān）佛大学无人（rén）系统研究所的研究（jiū）人员（yuán）开发了一种可供无人机携带（dài）的（de）相控（kòng）阵（zhèn）雷达系（xì）统，重（chóng）量只（zhī）有12盎司，体积（jī）和人的手掌差不多。

    5、结论

    由于小型无人机受成本（běn）、重（chóng）量、功耗（hào）等限制，无法采用有人机传（chuán）统的防撞系统及传感（gǎn）器系统，如高精度惯导、雷达、光电吊（diào）舱等。因（yīn）而实现小型无人机的（de）感知与（yǔ）规避（bì）需能力面临（lín）着更多的（de）挑战。（稿源：南京领航无人机（jī））

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