无人机的空管挑战

晨枫 · 发表于 2012-6-15 08:05:30

在海湾战争时期，美军只有50多架各种无人机，今天美国三军加海军陆战队已经拥有超过7000架大小各种无人机。大型的无人机如诺斯罗普RQ-4“全球鹰”的翼展和最新的波音737-800相当，最小的AeroVironment RQ-11“乌鸦”的重量只有不到2公斤，可以手抛起飞。如果说海湾战争代表了精确制导武器的军事技术革命，那10年反恐战争就代表了无人机的军事技术革命。从也门的集镇到巴基斯坦的山村，从伊拉克的沙漠到阿富汗的山谷，无人机日益成为美军作战的关键组成部分。无人机不仅用于侦察、监视、侦听、测向、电子压制、导弹引导等传统任务，还直接发射导弹，攻击高价值目标。在未来的空中战场上，无人作战飞机将成为有人作战飞机的有力补充。波音X-45已经完成自主搜索、自主攻击、自主应对突发威胁的演示试验，诺斯罗普X-47B即将在航母上进行试飞，有可能成为第一代无人作战飞机的基础。另一方面，无人直升机向偏远前沿哨所运送补给的战地演示也已经完成。

美军对无人机的成功应用也在商用和民用领域引起注意。美国边防巡逻已经开始使用无人机，海上反毒、反恐巡逻也已经使用无人机，但美国国内的警方也迫切希望开放无人机的使用。无人机尺寸较小，续航时间超长，不受地形视野限制，不易引起被监视对象的注意，携带的监控设备可以长时间提供稳定、高分辨率的实时视频，对反恐、反毒、反有组织犯罪、刑事调查、人群监控、大面积搜索等方面特别有用。2011年12月10日《洛杉矶时报》报道，北达科他州纳尔逊县的一个警官在搜寻6个走散的牛的时候，在一个农场上受到3个持枪人的威胁。警方立刻调动州警、特警和其他力量增援，同时呼叫海关用于边境巡逻的“捕食者B”无人机在空中监视现场，防止遭到伏击。“捕食者B”在3200米的空中徘徊，通过传回的实时视频确认3个嫌疑人此时没有武装的时候，警方乘机突入，一举逮捕了他们，避免了可能的恶性交火。这是美国历史上第一次有记载的无人机用于警察行动。不难想象，在未来，对于特别危险的暴力犯罪嫌疑分子，动用无人机进行空中定点杀伤也是可能的。

除了警用，无人机在城市交通监控、消防指挥、市政测绘、道路停车管理、灾难营救、野外搜救、农业收成调查、地质水文调查等方面也大有用武之地，在新闻、娱乐、广告、影视业的应用前景也十分可观。从航空和相关工业角度来说，这也是一个巨大的商机。民用无人机的开放将拉动无人机的研发和制造、高度智能的自主飞控系统、监视系统、数据链、地面站、控制员训练等很多产业，新闻、娱乐、影视、市政等使用民用无人机的产业也将衍生更多的商机。说不定哪一天私人侦探也会用上无人机。

但民用无人机的使用迟迟没有展开，上述美国警方调用的无人机都是美国海关及边防总局的，准军事的美国海关及边防总局是目前美国除了美国军方和中央情报局外唯一可以合法拥有无人机的机构。这是2005年才由美国国会特别批准的，用于监视边界，制止偷渡、走私、贩毒活动。这些准军事用途的无人机受军用航空条例管辖，而真正民用（包括警用）无人机的管理无疑需要得到联邦航空署（简称FAA）的批准。美国《航空周刊》在预测2012年世界航空10大看点的时候，预测FAA将颁布民用空域无人机飞行规则。《航空周刊》当然把美国的大事看成世界航空的大事，但作为世界航空第一大国来说，《航空周刊》这么看也不能算错，FAA颁布的民用空域无人机飞行规则将对世界各国都产生重大影响。

FAA即将出台的民用空域无人机飞行规则的内容不得而知，但这个规则可谓姗姗来迟。FAA迟迟没有颁布，既不是FAA看不到无人机在民用领域的巨大价值，也不是官僚主义，而是无人机对民用空域飞行安全的巨大挑战。对于FAA来说，在民用空域使用的无人机必须能够：
1、听从空管指挥
2、自主辨认空中碰撞危险
3、按规则自主避让
但这三条都不容易做到，而FAA最大的挑战是不能为无人机推出全新的空管规则，而是要将无人机整合进现存的空管规则，确保有人机和无人机混合使用的民用空域的飞行安全。

无人机顾名思义是没有飞行员的飞机。说起来，自动起飞、自动降落、自动编队、自动巡航这些功能在技术上都已经实现了，自动空中加油、自动对地攻击也在试验中，对地形地貌自动避让的自动掠地飞行更是在F-111年代就已实现。但问题出在无人机的这些自动模式都是“个人主义”的，最多和同时出动的友机之间有所协调，但极少考虑非合作情况下和空中其他飞机的协调问题。

一般来说，飞机起飞前要申报飞行计划，空管将各飞机申报的飞机计划对比，确定满足飞行安全的垂直、纵向、侧向和时间间隔后，批准飞行计划。即使在战争年代，除了紧急出动的防空拦截，作战飞机的出动也要报批飞行计划，包括陆航直升机的飞行计划。美国空军的“空中任务指令”（air task order）甚至包括协调远程炮兵的射击计划，因为远程火炮和火箭炮的弹道可以上升到飞机的巡航高度。放飞后，空管可以根据飞行员在飞行过程报告的位置、速度、航向、高度来确定安全间隔继续得到保证，并发出必要的修正指令。这是程序管制，具有不受雷达失效影响的优点，但受到飞机上导航精度的影响，调度效率也较低。雷达管制则通过空管雷达实时监测空域中的飞机，监测精度大大提高，但收到雷达覆盖和天气的限制。程序管制的最小水平间隔要求为10分钟，对于典型的高亚音速飞机来说，这相当于约150公里的距离；雷达监控条件下的程序管制可以下降到75公里的距离，而直接雷达管制可以下降到20公里。缩小最小间隔要求有利于大大提高空域的密度和容量。比如说，在极端情况下，水平间隔从150公里下降到20公里，可以使同一高度里容纳20倍以上的飞机通过量。当然，在实际情况下，这个增加的幅度要打折扣。但即使在机场起飞、降落航线的一直线上，间隔从150公里下降到20公里也可以增加7.5倍的通过量，对缓解机场空域瓶颈问题有莫大的帮助。

然而，无人机的通信指挥问题比较复杂。从理论上说，无人机也可以实现程序管制和雷达管制，如果是有人遥控的话，通信的对象在地面而不是飞机上而已。操纵无人机和打电子游戏没有原则性的差别，正因为这个道理，美国陆军的无人机控制员直接从不具备飞行资格的士官中挑选培训。飞行员训练在投资和时间上都耗费巨大，这对于商用和民用无人机的用户来说也是最有吸引力的做法，但使得混合使用空域的飞行安全大大复杂化。

从不具备飞行资格的人员中挑选无人机控制员无疑是多快好省的做法，美国陆军的RQ-11“乌鸦”控制员只需要80小时的培训，远远低于飞行员所需的训练。较大的RQ-7“影子”甚至RQ-1“捕食者”需要的时间更长，可达400小时，这是包括飞行和系统操作的全部时间，依然大大低于作战飞机飞行员所需的训练时间。但他们对于飞行安全、飞行规则的认识和经验与飞行员不能相比。这对美国陆军来说不是太大的问题。美国陆军无人机的使用空域通常都是前沿野战地域的低空和超低空，或者在简易的平地上就可以起飞、回收，或者在专用的无人机机场起飞降落，机场空域空管的问题不大。像RQ-11“乌鸦”那样小的无人机，原则上在超低空和视距内使用，如果也使用具有飞行资格的控制员确实是小题大做了。另外，美国陆军的无人机在空中都是分散的单兵使用，空中避撞的问题不严重。美国陆军的无人机控制员年平均“飞行时间”可以高达1200小时，远远高于陆航直升机飞行员的450小时，更高于空军飞行员的200小时左右。但是农场里的老资格拖拉机驾驶员尽管驾驶时数搞，在交通规则和避让方面依然不能和大城市的出租汽车司机相比。对于无人机控制员来说，这也是一样的道理。

但美国空军和美国海军就不一样了。美国空军的无人机不仅尺寸大，可以越洋飞行，而且使用和有人作战飞机混合使用的常规机场起飞、降落，无人机需要服从和有人机一样的飞行安全规则。美国空军坚持使用有飞行员资格的军官担任无人机控制员，最大的原因就在于飞行安全和空中避让的问题。美国海军也是使用具有飞行资格的军官和士官（直升机飞行员通常有士官担任）。美国海军甚至比美国空军更加强调无人机和有人机在同一空间的混合使用，航母上空间窄小，无人机不仅起飞、降落和有人机共用空域，在甲板上调度、移动时，也要采用和有人机一样的程序、手势，否则航母上根本没有足够的人手、空间实现有人机和无人机的分别调度和移动。

FAA正在推动名为NextGen的下一代空管体系，空管将从雷达管制转向GPS管制。这实际上是程序管制的新一代，由飞机上的GPS提供更精确的实时三维坐标和速度、航向、爬升、下沉速率等关键数据，空管根据机载GPS数据统一控制，而且没有地面雷达覆盖范围的问题，确保更可靠的间距和高差控制，可以更有效地利用空域和跑道，减少地面和空中的等待。最重要的是，飞行员和空管看到的是同样的数据，避免了由于系统误差造成机上和地面看到的数据不一致而造成的混乱。另外，下一代空管将从传统的语音通信指挥改为数据通信指挥，极大地提高了指挥效率，减少语言问题或者由于紧张而口齿不清带来的通信障碍。军事指挥从语音通信改为数据通信已经显示了巨大的优越性。波音的研究表明，下一代空管有助于飞机采用最优航线，减少在地面和空中的等待，可以节油14%。

NextGen或许是FAA即将推出的民用空域无人机飞行规则的重要部分，也就是民用空域的无人机必须与NextGen相容。对于大多数无人机来说，机载GPS是标准配备，以数据链为基础的遥控系统也是现成的，和NextGen相容具有先天的优越条件。在技术上，这需要解决空管和无人机用户之间对无人机控制权的可靠交接问题与空管和无人机之间可靠数据通信的问题，不仅在恶劣气候和地形条件下要具有高度抗干扰能力，还要在技术上保证不会有黑客或者恐怖分子的恶意控制问题。黑客和恐怖分子可以干扰空管和有人飞机之间的数据通信，但飞行员依然是确保飞行安全的最后保障。无人机就只有技术手段作为最后保障了。如果数据通信中断，无人机的空管相当于进入非管制空域。

在管制空域，所有飞行都受空管节制。在非管制空域里，空管对过往飞机只提供提示，并不直接指挥。非管制空域里尊照视距飞行规则，由飞行员目视观察，自主掌握水平间距和垂直高差。在有的国家也容许按照仪表飞行规则飞行。但管制空域和非管制空域也不一定那么严格。城市上空一般来说是管制空域，但对于通用航空来说，一旦离开机场的起飞、降落通道，只要还在超低空，在相当程度上还是服从视距飞行规则。像新闻报道追踪、城市交通监控、警察行动等，都无法事先规定严格的飞行计划，只能相机行事。这时飞行安全在很大程度上由飞行员的训练和经验决定了。

无人机不是真的没有飞行员，而是由控制员在地面遥控，或者由自主飞行控制系统自动控制。在理论上，无人机可以通过下传实时视频，对无人机周围的空域实行远程目视观察，但这在具体实现上有困难。高分辨率的实时视频下传对频带的要求很高，天空中众多的无人机都要下传实时视频，对频带的占用就非常可观。“全球鹰”需要60MBPS，“捕食者”的胃口低一点，也要30MPBS。战场上高清视频对判断战情十分重要，塔利班分子在飞眉毛还是皱眉头，可能就是下一步决心的流露。对于民用无人机也一样，警方监视的使用场合更加微妙，对嫌疑人的高清视频比战场监视要求更高。航测、新闻、娱乐也是一样。这些水涨船高的数据通信要求极大地增加了无人机的通信负担，留给目视飞行观察的频带就越来越受到挤压。美国现在有7000多架军用无人机，但很大一部分是美国陆军的超轻型无人机，在视距内使用，不需要卫星通信。即使如此，美国军用卫星通信成为美军基础建设的重点，WGS、AEHF等先进通信卫星正在接替老旧的DSCS、GBS、Mikstar等军用通信卫星，但军用通信卫星在和军用通信需求的龟兔赛跑中依然气喘吁吁地远远落在后面，无人机的大量使用是其中最重要的原因。在城市里使用的民用无人机或许可以通过视距通信解决大部分数据通信的问题，但一旦离开城市，卫星通信负担也会成为一个问题。

自主飞行控制可以大大降低对数据通信要求，地面的无人机控制员只需要上传提示性的指令，而无需具体操纵无人机的飞行。但自主飞行控制系统实现视距飞行规则下的安全飞行的挑战巨大。在理论上，视距飞行规则可以数字化，但实际上难以完全做到。任何规则都是有漏洞的，包括最严格的法律，这也是律师的工作无法用计算机替代的根本原因。空管也是一样，尽管有严格的规定，但有经验的空管依然不是计算机化的全自动控制可以替代的。

视距飞行规则有很多视情处理的规定，但计算机控制是容不得模糊空间的，对规则越是精细化，潜在漏洞就越多，潜在的自相矛盾的情况就越容易发生。由于排列组合问题，这些潜在的问题即使在大量测试后依然不一定能完全发现，甚至在长期使用中也不易发现，但要是在最不该发生的时候发生了，就要危害飞行安全。

所有飞机都按规则飞行，飞行安全问题并不大。巨大的挑战来自意外情况。意外情况之所以是意外的，就是应为这是设计时没有考虑到的，也就是自主飞行控制中不可能有可靠的处理预案的。美国一架RQ-170“哨兵”无人机在伊朗侦察飞行时，由于至今不清楚的原因，最后降落在伊朗境内。伊朗方面的说法是电子攻击导致接管控制，美国方面的说法是系统故障，不管哪一方面的说法更加符合事实，这都是设计时没有考虑到的意外情况。无人机的自动视距规则飞行也可能出现意外情况，比如避撞传感器故障、气动控制面故障、恶劣气候或地形超过飞控的恢复能力或者其他情况，或者燃油不足或机械故障需要“抢占”下滑航线、及早降落，或者对方由于某种原因不按正常的视距规则飞行。有人飞机遇到这样的情况，可以通报空管，在空管指挥下或者自主采取特殊应对措施。无人机就不那么简单，自主识别意外情况的性质、危险和急迫程度首先就是一件非常复杂和高度不可靠的事情，由于自主飞控不大可能随机应变或者急中生智，遇到意外情况最可能的结果就是束手无策。向空管有效通报也很成问题，把所有状态信息统统倾倒给空管是不行的，但如何有选择地报告意外，这和自动识别意外情况同样富有挑战。

考虑到自动视距规则飞行的巨大挑战，民用空域的无人机使用可能从管制空域开始，只有在指定空域才容许按照视距规则飞行，由空管负责清空周边空域，避免冲突。等到具有足够使用经验和对技术进步具有足够信心之后，再逐渐开放视距飞行规则下有人机和无人机的混合飞行。

民用空域无人机的空管还有另一个问题：对于超轻型的无人机，可能需要适用不同的规则。像RQ-11“乌鸦”那样的超小型无人机也适用和大型无人机同样规则的话，一方面小题大做，另一方面将造成高成本和高准入门槛在事实上扼杀这类无人机的发展的情况。如果像超轻型飞机那样，在速度、高度、失速速度、起飞重量、视距内飞行（在地面控制员的直视距离之内）等方面做出严格规定，应该可以适当放宽超小型无人机的空管规则。

民用空域无人机的使用还包括机场操作。如果和有人机共用机场，这将和美国海军的情况相似，无人机需要能自动响应和有人机相同的运作程序和控制手势。但至少在开始阶段，民用无人机可以使用单独的机场，这个矛盾还不突出。

民用空域无人机的空管是一个巨大的挑战，这也是一个巨大的机会。迎接挑战，把握机会，这是中国航空在21世纪跨越式发展的重要一环。

翱翔黑海之巅 · 发表于 2012-6-15 17:19:25

晨大的科普文章，深入浅出，很有水准！

nj_power · 发表于 2012-6-15 20:40:30

看完,觉得可以用多代理+离散事件系统写篇无人机空管的文章.
可以让明年的研究生做

楚天 · 发表于 2012-6-15 23:31:24

这里的安全隐患想想都头大，开放民用确实应当慎重再慎重

晨枫 · 发表于 2012-6-16 04:16:11

nj_power 发表于 2012-6-15 06:40
1 ]% K( e" ] L0 `* a( C看完,觉得可以用多代理+离散事件系统写篇无人机空管的文章.1 L4 w( |7 O2 `" B6 X. [+ _8 ]
可以让明年的研究生做 ...

好选题。等研究生写完了，也贴一个摘要到这里来吧，给我们科普科普。

nj_power · 发表于 2012-6-16 04:42:19

晨枫发表于 2012-6-16 04:16 2 W0 }) g a2 J8 M
好选题。等研究生写完了，也贴一个摘要到这里来吧，给我们科普科普。 ...

一定，一定

白天爱黑夜 · 发表于 2012-6-16 13:58:57

如果放开了，那拉登门攻击白宫岂不是轻而易举。

晨枫 · 发表于 2012-6-16 21:03:21

白天爱黑夜发表于 2012-6-15 23:58
+ G2 I2 Z+ L0 t, v. D0 X9 A# T如果放开了，那拉登门攻击白宫岂不是轻而易举。

现在已经是这样的情况了。拉登们要用模型飞机攻击，是不会首先到FAA申请一个飞行许可的。

bbceve · 发表于 2012-7-21 22:37:17

其实让没飞行经验的士官操作大中型无人机算是个掩眼法，因为起飞降落工作还是让职业飞行员来干的。而且很多无人机机师都出现了技术下降的现象，这种外行操作无人机的现象我觉得只是抱佛脚，不可能成为主流，当然前线那些用手起飞的飞机让什么人操作都无所谓啦

誉行 · 发表于 2012-7-23 10:08:25

军用的不清楚，民用这块很难。目前的民航这块，自动飞行早就是主流了，飞行员只是在几个复杂航段发挥保证安全的作用。无人机在这方面有天然劣势，缺少最后的备用手段，相比起有人驾驶飞机来在安全上始终是低一个量级的。

snail · 发表于 2012-7-23 11:13:27

誉行发表于 2012-7-23 10:08 - p; F$ |1 U5 }2 S) U+ f* l& T
军用的不清楚，民用这块很难。目前的民航这块，自动飞行早就是主流了，飞行员只是在几个复杂航段发挥保证安 ...

突然想到，这个可以如同象棋的定式下法，记录足够多情况，让电脑选定定式，杀特级大师不就很容易了么？当然这个记录需要足够海量数据了。

誉行 · 发表于 2012-7-23 11:28:03

snail 发表于 2012-7-23 11:13
$ N, z' ]& ~# ]$ O3 {突然想到，这个可以如同象棋的定式下法，记录足够多情况，让电脑选定定式，杀特级大师不就很容易了么？当 ...

不是数据库内容多少的问题，举个不恰当的例子：
一架飞机由一个海量的数据库来控制飞行。
另一架飞机由一个同样海量的数据库来控制飞行，但是多了一个飞行员做备份。

这就是无人驾驶和有人驾驶的区别，对民航来说，后者的安全级别比前者要高一个等级。
只要人命有价，民航还是要使用有人驾驶飞机的。

晨枫 · 发表于 2012-7-23 19:38:22

snail 发表于 2012-7-22 21:13 + |+ N# P- Y& Z" S& @( h
突然想到，这个可以如同象棋的定式下法，记录足够多情况，让电脑选定定式，杀特级大师不就很容易了么？当 ...

海量数据的定式选择只能适用于出现过的情况，没有出现过的情况就只能用最近似的情况，但什么才是最近似的情况是一个很难判定的问题。这就像医生一样，60年代MIT就试图用“知识库”系统进行自动诊断，对于寻常的头疼脑热还算有效，但略微疑难一点的病症就乱套了。无人机自动飞行也是一样的问题。象棋有固定的规则，车不能拐弯走，卒不到底线不能跨大步，但人类行为是没有这样的规则的，自然现象也没有这样的规则。这就是飞行员主观能动性的作用了。

誉行 · 发表于 2012-7-24 08:39:10

在大多数情况下，飞行并不是那么难。
某种意义上，现在的民航飞行员起的就是危险备份的作用，平时的飞行自动驾驶系统都可以解决了。

MacArthur · 发表于 2012-7-26 02:58:23

白天爱黑夜发表于 2012-6-16 00:58 ) I7 ~- i- L. {% m. a
如果放开了，那拉登门攻击白宫岂不是轻而易举。

最近FBI刚刚钓鱼执法抓了一个玩模型飞机的，从FBI的探子那里买了一堆假军火，企图把炸弹装到模型机上炸五角大楼。。。

youfishno · 发表于 2012-7-26 08:40:37

关键是成本

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[工程技术] 无人机的空管挑战

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