无人作战体系有多厉害

无人作战体系有多厉害

无人作战体系有多厉害，9月28日是第十三届中国航空航天博览会在珠海开幕第二天，其中，各式各样的无人作战装备将是本届航展的亮点之一。无人作战体系有多厉害。

无人作战体系有多厉害1

9月28日，第十三届中国国际航空航天博览会开幕，中国航天科工三院携海防体系、对地打击体系、无人作战体系、预警监视安防体系、商业航天产品、指挥通信与支援保障装备集中亮相，参展展品科技含量为历届最高。

随着武器装备技术不断升级，无人机的军事用途不断扩大，无人机在区域作战中的“出镜”频率也越来越高，在减少人员伤亡、提升攻击效率方面，无人机较有人机相比，有着得天独厚的优势。近年来，三院将无人装备体系研究作为支撑国际一流飞航技术研究院建设的重要一环，设计了具有飞航特色的，以无人机为核心的基于空中无人平台的“侦察-打击-毁伤效果评估”无人作战体系。

无人作战体系以侦察和打击战术纵深内敌方高价值时敏目标为主要目的，以信息化协同作战网络为主要特征，提供从战场动态感知到火力精确打击、毁伤效果评估的快速响应闭合火力环。

无人作战体系概念图

无人作战体系包括通信中继单元、察打一体单元、侦察监视单元、抵近侦察单元、近距离打击单元以及配套的地面数据终端、地面控制站等，体系中的无人装备既可独立作战，又能为其它精确打击武器提供实时作战信息支持，可用于海防、边防、反恐和局部冲突中信息保障和快速打击，也适用于地区常态监视、侦察、信息中继。在持续的优化改进中，又将无人作战体系细化为超高空、高空和中低空三个层级。

增强无人作战立体度 覆盖领域达到临近空间

临近空间通常是指距地面20～100千米的空间，处于现有飞机的最高飞行高度和卫星的最低轨道高度之间，由于其重要的潜在应用价值从而成为世界强国的新兴竞争领域。在临近空间领域，太阳能无人机又被称之为“准卫星”，它以太阳能为能源，瞄准飞行时间数天，甚至“周月”级，无人机与通信卫星组成通信中继单元，提供远大于地面基站的网络覆盖范围以及不受区域限制的“伴随式”网络接入服务，并为区域中人与机之间、机与机之间的数据传输业务提供接口和传输链路，为无人作战系统中的各型无人机、前方和后方撑起一把覆盖较广区域的通信“保护伞”，实现网络永不下线。

高速、隐身、侦察、打击一应俱全 打造高端无人机集群

在高空层面，三院将发力点瞄准20000米高度以下空域，将“天鹰”无人机和WJ-700“猎鹰”无人机等高端无人机组成无人作战体系中最为核心的察打一体单元、侦察监视单元和抵近侦察单元，无人机编队在后方的指挥下可遂行侦察监视、抵近侦察和随遇打击等任务。

飞翼式布局、高隐身、高空高速等高技术含量的特点让“天鹰”无人机变成在高空中盘旋飞行，时刻搜索猎物的雄鹰，最大起飞重量3000kg，拥有超凡的“视力”，隐蔽抵近侦查，能够让身处万里之外的指挥者快速聚焦和判断，发现隐藏在敌后的重要目标。作为隐身飞翼式布局无人机中的佼佼者，“天鹰”无人机经过多年试验和改进，在高威胁战场环境下对重要目标实施渗透或抵近战役战术侦察方面表现出了不俗的实力。

随着未来无人机作战的主要发展必然从中低空发展到中高空，高度、速度、快速机动能力等要素对无人机系统的战场生命力至关重要，高空高速长航时多用途无人机成为未来无人作战的重要发展趋势。WJ-700可装载多种高精度侦察设备，执行对面（海/地）侦察、监视和预警任务。作为空中战场多面手，WJ-700可根据需要扩展至11个构型，9种作战形态，挂载多种机载武器，模拟执行远程反舰、反辐射和防区外对地精确打击等作战任务，或者装载电子对抗设备，执行电子侦察和干扰任务，真正做到一机多型、一专多能、一机多用。自2018年11月珠海航展首次亮相到2021年1月完成首飞，仅用时两年多时间，目前已基本完成研制。

聚焦作战实效 打通无人机战场“最后一公里”

来到低空近距离近距离打击单元，以HW-350小型长航时无人机和WJ-010单兵作战无人机系统为代表的“海鹰”无人装备，以毁伤效果评估多面手和致命一击执行者的姿态出现。

HW-350（海鹰）小型多用途长航时无人机能够在短短2小时内完成从包装箱内展开到起飞各项准备工作，相比于其他类型无人机，对起降跑道要求更低，在通航跑道甚至是户外开阔公路都能够完成起降。其长续航、高升限、大载重、低成本的特点，让它可以搭载光学吊舱、通信设备、导航设备、小型合成孔径雷达等任务载荷，执行目标搜索、通讯中继、定点监视等任务，能够在中低空迅速搭建较为广阔的局域网络，保持前后方联系。经过数百次飞行任务的洗礼，如今的HW-350已经广泛应用于海域监控、气象探测、试验带飞、应急通信与救援等多个领域。

在无人作战体系中，WJ-010无人机因其小巧便捷而被称为“空中手榴弹”，为方便单兵使用，折叠后的WJ-010只有行军背包大小，在作战前线，士兵可轻松替换不同载荷实现打击和侦察两类功能，在发现目标后，无人机可进行俯冲“自杀式”攻击，保证单兵作战一次性完成侦察打击任务，真正解决战场致胜的“最后一公里”。

系统组成简单，部署灵活，响应速度快的WJ-100小型多用途无人机让隐藏在深处的敌军无处遁形，翼展不足5米，长度只有2米的WJ-100巡航速度可达100-120千米每小时，升限3000米，续航时间也延长至5小时，最大可携带15千克载荷。使用维护成本低，便于操作，将它的军用应用领域扩展至空中侦察、战场监视、边境巡逻和靶机。

无人作战体系有多厉害2

就在最近召开的珠海航展上，外界惊讶地发现，航展居然第一次设立了一个专门的船舶馆。在这个展览馆中，大规模的无人化舰艇被集中亮相。其中，一款全新无人作战艇，受到了外界、尤其是台媒的关注。

在9月28日，珠海航展的船舶馆里，一款被命名为“JARI-U5V”的多用途无人作战艇的展台前，聚集了一群人在模型前围观拍照。显然，在众多的无人装备中，它的一些功能和用途，相当特殊。

从官方透露的数据上看，这款“JARI-U5V”真实长度在15米，宽48米，排水量在20吨左右。武器配置方面，采用了模块化设计，可以根据战场需要，在战前换上不同的武器。因为有AI算法的加入，这款多用途无人作战艇，可以自行在预设的航行区域内进行防务任务，比如对海作战、反潜作战，又或者对范围内发现的空中目标，实施防空拦截等等。

或许是按照我国惯例，一些海上装备都要有负责“农业”方面的功能。作为这款无人装备的制造方，中船集团第七一六研究所的内部人士在接受媒体采访时，笑着称，这只是一个执行安保工作的小东西，负责海洋测量。

实际上，此人透露，中船第七一六研究所的团队在设计的时候，为了提高无人舰艇的火力点，在武器模块上投入了很多精力。这款“JARI-U5A”可以在配置垂直发射的反舰导弹的同时，配置反潜鱼雷。不过因为需要其他单元辅助探测，因此鱼雷的打击面，是5公里到8公里的距离。

值得注意的是，官方没有进一步透露这款无人机的航速和续航问题，但有消息称，这种无人艇的速度可以超过40节，而且噪音远低于军舰，对于潜入作战和夜间作战，有着极高的效率。不光如此，因为海面的环境变幻莫测，为了应对一些紧急任务和特殊作战需要，这款全新的无人作战艇可以支持卫星遥控，真正实现了一体化、智能化作战。

有观察人士就认为，目前来说，国际环境复杂，美国为首的西方国家不竭余力地想要阻止中国走向复兴。周边海域的作战，很有可能会变得无法避免。而这种多功能无人舰艇，十分适合未来的海上作战。配合上陆上远程火力支援，和空中支援，很大概率会为成为我军未来海上作战的主力装备。而低噪音和高航速，又符合打快攻的战术思路，因而，它也很可能成为我军未来跨海峡作战的先锋部队。

重庆山火的蔓延让无数重庆民众加入其中，但是由于地势比较复杂，再加上火势比较剧烈，因此在无人机救援的时候就大大的增加了操作的难度。在重庆北培山火的现场也出现了无人机导致志愿者的头部被割伤的情况，在出现此种情形之后这名受伤的志愿者也及时的被送下山治疗，当前这位志愿者的伤情也得到了有效的控制。

重庆的山火让大家看到了重庆民众自告奋勇、一往无前、敢于牺牲的精神，在火灾现场我们也经常能够看到骑着摩托车给救援人员送物资和水源的群众，并且在一些短视频平台上也留意到一些重庆男儿们自愿的加入到这个工作当中。在救火现场一些小女孩和20岁以下的小男孩都愿意加入的扑火工作，但是由于这些人的年纪比较小，而且力气也不是很大，工作人员便不让这些人群参与其中，但是这也很难阻挡他们的热情。

在北培山火的扑灭过程中，为了能够让火势得到有效的控制，有人也通过无人机的操作来将灭火的原料洒入火灾现场，但是由于山火的火势比较猛烈，而且地势比较复杂，因此在操作的过程中由于操作不当就让无人机从空中掉落。不幸的是在无人机掉落的下方有志愿者参与救火工作，因此这名志愿者也不小心被割伤。

在看到了这一危险情景的时候，旁边的志愿者也慌忙的将无人机拿开，并且以最快的速度从山下抬出担架，让这名志愿这被及时的送往医院救治。好在他们的帮助是非常及时的，因此这位志愿者的伤势也无大碍。而且山火虽然并没有被完全扑灭，但是火势也明显减少了许多，相信在众多志愿者以及救助人员等专业性的操作之下，也能够将火势成功扑灭，并且不再有复燃的可能。

1 引言

避障方案设计中，我们期望无人机从起始点飞到目标点，就要不断通过各种传感器获取无人机当下的位置坐标，并根据无人机的位置调整无人机的姿态，最终到达目的地。四旋翼无人机飞行时会有六个自由度，性能灵活，移动迅速，路径中的障碍物也是来自于四面八方，不仅仅局限于正前方，所以增加了无人机避障过程中检测障碍物以及规划安全路径的难度，为方便实验验证算法，减少障碍物检测方向，本文计划采取四旋翼无人机定高控制下的避障飞行实验，即四旋翼无人机在期望高度下飞行，通过前置检测装置检测障碍物，利用算法实现躲避四旋翼无人机前方的障碍物，以此将三维空间中的避障转化为二维平面中的避障飞行，本章主要分析四旋翼无人机的高度解算以及姿态解算，然后利用PID控制方法简历四旋翼无人机的控制器。

定高飞行指无人机在不接受遥控器飞行指令的情况下，飞控板会自动控制无人机的友们，从而保持无人机飞行高度不变，无人机所受升力等于自身重力，定高模式下，遥控器油门输入不再控制无人机的高度，但是仍然可以控制无人机的俯仰、偏航、横滚运动，即无人机会在期望高度平面自由运动，无人机常用的几种高度信息整理如下：

绝对高度：当期位置于平均海平面的垂直距离，也叫做海拔高度。

相对高度：指两个测量地之间的绝对高度之差。

真实高度：无人机飞行过程中，飞控距离地面的实际高度即为真实高度，又称几何高度。

2 基于互补滤波的信息融合

关于四旋翼无人机的高度以及姿态解算，需要用到数据融合，数据融合也成为信息融合，是将来自多个传感器信息进行处理，从而得出更为全面、可靠的结论，本节采用互补滤波器进行数据融合，将多传感器信息融合解算得到高度以及姿态信息，互补滤波法要求融合的信号的干扰噪声处在不同的频率，通过设置两个滤波器的截止频率，确保融合后的信号能够覆盖需求频率，通过预测---矫正融合两种信息来源，一般是预测其中一种信息，然后利用另外一种信息进行校正。

21 基于互补滤波的高度解算

定高控制需要获取无人机的高度信息，绝大多数情况下，飞控的高度信息是由飞控内部的气压计来提供的，气压计测量的是绝对高度，利用大气气压伴随高度的增加而降低的原理测量，测量公式：

所以气压计高度测量可以表示为：

即气压计所测高度等于实际高度加上测量误差高度。

实际飞控板内计算气压计数据时，会采集多次数据求均值然后进行计算，但是单一的传感器所提供的信息似乎不能够满足实际飞行的要求，而且气压计有其难以忽视的缺陷：

（1）气压计测量时，噪声干扰很大，数据不够平滑；

（2）气压计所测数据会存在漂移现象；

（3）经实验证明，气压计测量受温度以及气流干扰严重，低温、强气流环境下，气压计均无法测得准确数值。

加速度计也可以获取飞控的位置信息，飞控通过加速度计获取到当前的加速度以后，通过积分得到垂直速度信息，再积分即可获取高度信息，如下：

但是加速度计同样存在固有的缺陷问题，多次积分会使结果产生累积误差，且加速度计的瞬时测量值误差会比较大。

显然，无法单独依靠气压计或者加速度计提供准确的高度信息反馈到实际地控制中，考虑通过其他传感器与气压计的数据进行数据融合处理，以期望得到良好精确的高度信息。

互补滤波算法是通过将气压计于加速度计测量得到的高度信息按照权重进行融合，以此为基础结算高度信息，采用高通滤波器处理加速度细心，低通滤波器处理气压计信息，其中加速度计可以获取飞控的垂直方向上的加速度，经过积分可以化的垂直方向的速度信息，整个算法的核心思想是由地理坐标系下的加速度通过积分，来获得速度、位置信息；经过2次修正陈尚可利用的信息，第一次是李忠传感器计算修正系数产生加速度的偏差修正加速度，第二次是利用修正系数修正位置；最后可利用速度经过加速度修正，可利用的位置经过了加速度和位置修正，加速度的修正过程是由机体测量的加速度通过减去偏差，再转换到地理坐标系。

气压计主要的作用就是计算一个校正系数来对加速度偏移量进行校正。数据融合过程如图所示：

加速度计测量的是无人机的加速度，测量值是机体坐标系下的，所以需将加速度值利用旋转矩阵转换为地面参考坐标系下的加速度。具体融合信息的实现过程如下：

（2）将加速度计测量的加速度通过旋转矩阵转换到地面参考坐标系下，转换之前注意需要先去除加速度计的偏移量，因为地理坐标系下 z 轴加速度包含重力加速度，所以需要将重力加速度补偿上去；

（3）计算气压计的校正系数，这个系数也就是需要用来校正加速度计的系数，具体公式为

（4）利用所求的气压计校正系数计算加速度计的偏移向量。 

（5）将加速度偏移向量转换回机体坐标系，将转换后的加速度积分，得到融合后的速度信息，再对速度信息积分，即可得到最终的高度估计值，最后将气压计矫正系数二次校正。

采集飞行数据并通过 Matlab 软件仿真以后的结果如图所示，可见融合以后的高 度较加速度计以及气压计单独测的高度准确。

22 基于互补滤波的姿态解算

从飞行原理可以看出，无人机飞行过程中，最终的控制要回到姿态控制上面，通过具体的欧拉角度调整，从而控制无人机的飞行姿态。要完成无人机的e姿态控制，就需要采集到无人机当前的姿态，然后经过控制算法，将无人机当前姿态调整到期望的姿态，姿态采集主要依靠飞控的惯性测量单元IMU，姿态解算精确与否直接关联到无人机飞行位置精确与否。

飞行过程中，陀螺仪测量无人机的角速度，具有高动态性能，将角速度对时间积分可以得到三个欧拉角角度，陀螺仪数据在积分过程中，会形成累计误差，累计误差随着时间增加不断变大，所以短时间内陀螺仪测量值比较可靠。磁力计主要测量当前的磁场分布，即无人机与磁场之间的角度，这个角度即为偏航角，但是磁力计受周围磁场干扰严重，实际测量中误差较大。加速度计之前已经介绍过，不再赘述。

三种传感器再频域上特性互补，所以本文考虑采用互补滤波融合这三种传感器的数据，实际是利用加速度计与磁力计融合后补偿陀螺仪所测的姿态信息，提高测量精度和系统的动态性能。

三种传感器的数据融合过程如图所示，陀螺仪经过高通滤波器，消除低频噪声，加速度计与磁力计经过低通滤波器，消除高频噪声。

利用旋转矩阵将三个传感器所测量的欧拉角转换为四元数形式，然后计算磁场的参考方向

计算重力分v与磁场分量w：

利用加速度，磁力计的值与重力分量，磁场分量求取误差：

利用比例-积分处理上步所求误差，然后利用所求的值补偿陀螺仪产生的零漂现象， 最终结算得到当前姿态信息。

采集飞行数据并通过滤波以后的结果如图 54 俯仰角，图 55 滚转角，图 56 偏航角。

3 PID控制器设计

无人机定高飞行主要分两种情况，一种是手动控制定高模式，此种模式下，无人机飞控仍然接收并执行遥控器指令信号，另一种是无人机自主飞行时，如航点飞行或者 offboard 模式等，设定无人机在一定高度下执行预设飞行任务，而不依靠遥控器信号指 令控制自身运动，而本文研究的是第二种定高模式。

在位置控制的背景下，本文中串级双环 PID 控制系统专为实现避障系统而设计，保证四旋翼无人机可以准确的到达目标位置，并且在悬停时保持四旋翼的稳定性。整个双回路控制系统分为内环控制（姿态控制）和外环控制（位置控制）两部分，其中外环控制中主要研究定高控制部分。

31 PID控制原理

PID 控制器是控制理论中最经典的控制算法，PID 算法简单，可靠性高，被广泛应用于过程控制与运动控制，PID 控制主要由比例，积分以及微分三个环节组成，通过这三个环节对输入值与输出值形成的差值分别做比例运算，积分运算和微分运算，将控制结果发送到被控对象以实现对系统的控制作用，闭环 PID 控制系统原理图如图所示。

PID 的三种环节中比例环节 P 的作用是直接将误差的比例作为输出，加快系统的响应速度，提高系统调节精度，但是较大的比例作用会使对象的输出产生较大波动，太小的比例作用会使对象的输出变换缓慢。积分用于将之前的误差值与时间的比例累加起来作为输出，积分环节 I 主要用于消除对象输出稳定时的稳态误差，但是会存在积分饱和情况。微分环节 D 将误差随时间的变化的斜率以比例的形式输出，改善系统的动态性能， 主要用于缩短对象的上升时间，加快响应速度，达到超前调节的作用。使用 PID 控制器的过程中，既可以使用 PID 控制，也可以单独使用 P、PI、PD 等控制，使用的过程即

32 串级PID控制器设计

本文把避障研究简化到二维平面以后，整体的位置控制就被分为了两部分：定高控制与平面位置控制。其中平面的位置控制即由机载设备发送平面位置，然后由飞控执行。

（1）高度控制器

因为高度信息是三维位置的垂直方向信息，所以在实际的飞控控制的无人机飞行的过程中，高度控制属于位置控制的一部分，其中关于高度控制器的流程图可以总结为下图所示。

（2）姿态控制器

4 本文小结

本文主要介绍避障过程中相关姿态以及位置高度的控制设计过程，要想控制效果好，首先解算要准确，再飞控资深所带传感器具有固有缺陷的前提下，通过互补滤波算法融合传感器数据，通过融合加速度计与气压结算无人机实际高度，融合加速度计、磁力计与陀螺仪数据解算无人机当前姿态信息；最后利用PID控制算法，设计了串级PID高度控制器与串级PID姿态控制器。

世界上最小的实战无人机，黑锋纳米无人机实力果然不可小觑！

纳米无人机发展得很早，这个定义是米国国国防部早在1996年就提出的，并展开预研。”文昌介绍，当时诞生的第一款纳米无人机叫“黑寡妇”，采用飞翼布局，翼展152厘米，重85克，能够遥控飞行30分钟，最大遥控距离18公里。

后来，又诞生了“蜂鸟”“蜻蜓”等纳米无人机。但这些无人机基本都属于试验品，并没有装备部队。其他国家的研制进展要落后于米国。总体来看，纳米无人机主要用于态势感知，执行侦察任务。在特种作战方面，未来纳米无人机或许也可以执行察打一体任务。

FLIR公司最近宣布了下一代黑锋纳米无人机3纳米无人机，这是世界上最小的经过实战的最新版本私人侦查系统。

黑锋纳米无人机 3为各国军队、政府机构和应急响应人员所打造。黑锋纳米无人机3可以昼夜提供短程监视，使行动人员能够随时随地保持态势感知、威胁探测和监视能力。

黑锋纳米无人机 3将实时视频和静态图像传回给操作人员，为地面单位扩大了视野，特别是在复杂的城市环境中。Black Hornet 3即使在离人非常近的距离内也几乎是无声的，这使它成为了所有任务的关键工具。黑锋纳米无人机在过去的七年里，部署超过30个国家！

“黑黄蜂”纳米无人机由菲力尔公司制造。菲力尔公司已向全球国防和安全部队交付了超过12000架“黑黄蜂”纳米无人机。

公开信息显示，“黑黄蜂”无人机重量仅为33克，机长168厘米，基本达到米国国防部的标准。它虽然个头小，但性能一点都不弱。其启动时间不超过1分钟，续航时间25分钟，飞行速度6米/秒，几乎完全静音。

无人机和基站之间的通讯距离可达2公里，遥控距离为1公里。它可以遥控飞行，也可以按程序飞行，这需要事先把航路规划好。

“黑黄蜂”-3的优异性能不仅体现在小上，它还可以在没有GPS的情况下进行自主导航。这使得它可以适应复杂的战场环境，并可以在室内和洞穴环境中执行任务。“黑黄蜂”-3继承了菲力尔公司的优势，大幅提升了传感器性能，这使得它无论是白天还是夜晚均可使用。

据报道，它配备了两个全运动的日间摄像机和一个红外热成像仪。在夜间操作时，可以将来自3个摄像头的信息融合在一起，提供一个更加清晰可靠的融合图像，使操作人员更容易识别潜在威胁和其他他们感兴趣的目标。

美英法等国均大批购买了该型无人机。最近的一份数据表明，菲力尔系统公司已经向全球多个国家交付了超过12000架“黑黄蜂”无人机。

无人机避免相撞技术解析

　无人机可能引发的危害主要包括空中相撞和地面撞击，其中无人机与有人机之间的空中相撞是首要关注对象，为保障飞行安全目前各国对无人机的运行管理普遍采用将无人机限制在特定的空域内与有人机隔离运行。下面是由我为大家整理的无人机避免相撞技术解析，欢迎大家阅读浏览。

　无人机防止碰撞技术分析

　1 、现状与挑战

　无人机可能引发的危害主要包括空中相撞和地面撞击，其中无人机与有人机之间的空中相撞是首要关注对象，为保障飞行安全目前各国对无人机的运行管理普遍采用将无人机限制在特定的空域内与有人机隔离运行。但随着无人机在侦查、搜救、运输、军事等多个领域的广泛使用，其飞行活动量的不断增加对空域环境内的其他飞行器以及地面第三方带来很大的安全隐患。在未来隔离运行方式将难以满足无人机日益增长的应用需求，无人机与有人机共享空域飞行是未来的发展趋势，因而防撞问题也成为制约无人机发展的关键挑战之一。美国国家空域系统(National AirspaceSystem, NAS)的下一代空域系统计划指出“下一代空域将着眼于利用卫星使得航管员、飞行员、乘客、无人飞行器以及其它相关者能够实时地共享空域。”美国国防部也制定了空域集成计划中，计划逐步将无人机融入共享空域。

　无人机的空域集成，即无人机进入非隔离空域飞行与有人机共享空域。针对不同类型的使用特点，美国定义了6类空域：A类，6000-20000m，严格按空管飞行；B类，主要机场周边，低于3000m；C类,次于B的繁忙机场，低于1200m；D类,有塔台的机场，低于800m；E类，地面开始，A-D 类外空间；G类，非管制空域。

　2 、当前的检测技术

　目标探测是规避的基础，无人机探测技术目前存在多种不同的解决方案，根据感知探测方式可以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，则表示在天空的飞行器彼此间不通信，因此，意味着只能采用主动检测的方法。合作型探测设备例如应答机TCAS 以及ADS-B 广播式自动相关监视系统能够获取目标飞机装载同类设备的飞机的直接精确全面的状态信息，但必须依靠通信链路且探测目标受限。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范围内的所有物体包括飞机以及地势、鸟类等非合作型目标。

　3、合作型感知探测

　空中交通告警和防撞系统(TCAS)和广播式自动相关监视(ADS-B)属于合作型感知探测设备，能够直接精确全面的获取装载同类设备的目标飞机的状态信息，但必须依靠通信链路且探测目标受限。视觉和雷达等属于非合作型传感器，能够感知探测视场范围内的所有物体包括飞机、鸟类以及地形，但其探测性能受到无人机姿态影响而存在盲区。

　31 空中交通告警和防撞系统(TCAS)

　TCAS是为减少空-空碰撞的发生率，从而改善飞机飞行安全的系统。TCAS最初设计是用于载人飞行；然而，同样可用于无人飞行，不过，目前的价格(25,000-150,000美元)可能会妨碍TCAS在无人机领域的广泛采用。

　32 广播式自动相关监视(ADS-B)

　ADS-B是一种相对较新的技术，它为防撞提供了巨大潜力。ADS-B不仅限于空-空监视，它使用空对地通信并具有取代二次监视雷达的潜力。使用了类似于TCAS使用无线电信号发收发附近飞机的信息的方式，但ADS-B的一个重要且明显的区别在于其信息交换的类型。每架飞机应分享的信息包括三维位置、速度、航向、时间和意图。这些信息是对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范围内的所有物体包括飞机以及地势、鸟类等非合作型目标。

　41 基于视觉的防撞探测

　无源性以及对非合作目标的鲁棒性是光电传感器的关键优势，使它们成为规避应用中非常有吸引力的传感器类型。与此相反，在交通警报和防撞系统(TCAS)则更多依赖于其他合作飞机转发自身飞行信息的方法。

　光电传感器的传感器技术已经相对成熟度，适合应用于无人机感知与规避应用。当前先进的光电传感器趋向于紧凑、低重量、低功率，使得它们能够应用于相对小的无人机平台。此外，目前很容易得到支持高速IEEE1394和IEEE8023-2008(千兆以太网)通信接口的商用现货(COTS)产品，以此可以很容易地实现图像数据的实时采集和高分辨率传输解决方案。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：火线(IEEE1394)、USB20、千兆以太网和CameraLink。光电传感器所提供的信息不仅仅局限于用于图像平面内的目标检测与定位。由目标在图像平面中的位置所进一步推断出的相对航向信息可以用于评估碰撞危险(恒定的相对航向对应于高风险，而变化率大的相对航对对应于低风险)。此外，也可从中得到常用于控制目的距离信息并用于飞机机动。相关研究表明，以光电传感器为基础的感知和规避系统获得监管机构批准的可能性最大。但是，光电传感方法仍面临诸多问题。其中最显著的挑战源自于空中环境的不可预测和不断变化的性质。特别是，对于可见光光谱的光电传感器，检测算法必须能够处理各种图像的背景(从蓝色天空云到杂乱的地面)、各种照明条件，以及可能的图像伪影(例如镜头眩光)。光电传感方法的另一个问题是存在图像抖动噪声。由于受到不可预知的气动干扰和无人机的机动，加剧了相机传感器的图像抖动。对于图像平面的检测算法，图像抖动引入不希望的噪声分量，并对性能产生显著影响。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，可以减少图像抖动效应，但仍不能完全消除。最后，实现光电传感器图像数据的实时处理也是一个挑战。然而，随着并行处理硬件的发展(例如图形处理单元(GPU)、现场可编程门阵列(FPGA)和专用数字信号处理器(DSP))，此问题正在得到改善。在过去的十年里，政府、大学和商业研究小组已经展示了不同成熟度的基于光电传感器感知和规避技术。其中最成熟的基于光电传感器感知和规避技术方案已经由国防研究协会有限公司(DefenseResearchAssociates,Inc(DRA))、空军研究实验室(AFRL)和航空系统中心(ASC)联合完成。AEROSTAR无人机也已验证能在距离大约7海里侦查并跟踪不合作的通用航空器的机载设备。该计划的目的是实现合作和不合作目标的防撞能力。澳大利亚的航空航天自动化研究中心(ARCAA)已承接用于民用无人机的成本效益高的感知与规避系统。已经进行了闭环飞行试验，展示了原型系统自动检测入侵飞机并命令载机自动驾驶仪进行回避动作的能力。在过去十年中，类似的研究加深了对光电传感器参数(如视野)与系统性能(如探测距离、检测概率和误报率)之间权衡的认识。例如，许多研究表明，在一般情况下，增大视野将减小探测距离，反之亦然。

　42 基于雷达的防撞探测

　雷达作为一项成熟的飞机防撞技术，其探测范围、扫描角速度、更新率和信号质量等均相对较高。Kwag等研究了适用于低空飞行无人机防撞雷达的关键设计参数。其主要的技术缺陷在于大小的限制。雷达的重量消耗大量的动力，并需要一个巨大的天线才可以发现较小的物体，天线越小，则精度越低，这样雷达就被限制在大型的无人平台上。在小型化方面，丹佛大学无人系统研究所的研究人员开发了一种可供无人机携带的相控阵雷达系统，重量只有12盎司，体积和人的手掌差不多。

　5、结论

　由于小型无人机受成本、重量、功耗等限制，无法采用有人机传统的防撞系统及传感器系统，如高精度惯导、雷达、光电吊舱等。因而实现小型无人机的感知与规避需能力面临着更多的挑战。

　无人机感知技术避让分析

　有人机上的飞行员可通过“看见-规避”的方式来判断当前态势，针对威胁做出决策并完成规避工作以保证飞行安全，对于无人机采用的则是“感知-避让”技术。感知避让过程可划分为环境态势感知、飞行冲突预测和飞行冲突解脱三个部分：无人机通过自身携带的传感器对当前空域内的环境进行探测，利用通信网将周围态势向合作目标进行传输，系统预测未来一段时间内的飞行路线上是否存在飞行冲突，自动生成决策指令并执行规避动作以应对突发威胁，确保飞行安全。

　一、无人机空中态势感知方法

　不同的传感器可探测感知的目标不同，根据无人机所携带使用的传感器类别可将无人机态势感知方法分为合作型和非合作型两种。

　合作型感知探测

　合作是指无人机与周围的航空器同属一方，它们之间互相通信，能够通过共同的通信链路共享当前空域的态势信息。比如空中交通告警与防撞系统（TCAS）和广播式自动相关监视系统（ADS-B）等。TCAS主要由应答机、收发机、告警计算机和告警显示装置等组成，该设备昂贵，主要装载在有人机上；ADS-B是一种相对较新的技术，该系统有信息源、信息传输通道和信息处理与显示设备组成，通过精确实时的信息交互可为无人机提供决策引导，实现感知避让。

　非合作型感知探测

　非合作表示无人机与周围的航空器或物体之间没有通信关系，无法共享各自的状态信息，需采取主动探测的方式。雷达和视觉传感器等是目前常用的非合作型探测设备。雷达是利用电磁波进行目标探测的电子设备，在防止航空器相撞上的研究应用已较为成熟，其探测范围和精度与雷达的天线大小有关，天线越大则范围越远、精度越高。光电传感器技术也比较成熟，且具有无缘性和鲁棒性等特点，与其他设备相比较有明显的优势。

　二、无人机飞行冲突预测方法

　无人机飞行冲突预测是在周围环境进行感知并获得当前态势的基础上采取某种预测方法对未来一段时间内的飞行状态作出推测，判断是否存在飞行冲突，是无人机感知避让的关键环节，目前，主要预测方法有概率分析法和几何分析法。

　概率分析法

　概率分析是通过建立概率性冲突预测模型来预测判断航空器在未来一段时间内是否存在飞行冲突。Lygeros PJ 和Prandini M提出了短期预测和中期预测两种模型：短期预测模型是预测未来几秒到几分钟内的飞行情况，此时若存在飞行冲突，则必须通过执行相应规避动作；中期预测模型则是用来对未来数十分钟内的飞行情况进行预测，判断将来时间内有无飞行冲突，若存在飞行冲突则通过防撞算法进行机动以避免发生难以控制的短期冲突。由于概率分析法是采取数学计算的方法来求解飞行冲突可能发生的'概率，计算量较大，现有嵌入式计算机的处理速度尚不能完全满足实时计算的要求，因而概率性冲突预测法在实际中的应用受到很大的限制。

　几何分析法

　几何分析法是指利用几何方法建立确定性冲突预测模型，通过划设保护区等方法判断航空器之间是否存在冲突威胁。李彬等人考虑了航空器飞行途中随机因素和探测设备误差的影响，通过选取椭球壮保护区模型建立了常速模型和冲突探测模型，运用卡尔曼滤波的方法对航空器的航迹进行预测，排除了不可能发生冲突的航空器进而减少了计算量。几何分析法简单直观，计算量小，可以满足实际需要。但目前对几何分析法的研究大多在水平范围或垂直方向上的二维空间，局限性较大。

　三、无人机飞行冲突解脱方法

　无人机感知避让的最终目的是化解飞行冲突，在无人机自主预测到飞行冲突前，必须立即依据解脱方法进行机动，保证无人机与其他航空器的飞行安全。目前冲突解脱方法主要有离散型解脱方法与连续解脱方法两种。

　离散型解脱方法

　离散型方法是指通过对计划航路点的调整，在尽可能保持原有航线的基础上得到最大可能的无冲突飞行路线。大部分研究者采用基于遗传算法或粒子群算法寻优，得到有利航线（求解速度快、省油等约束下）。使用离散型解脱方法可以满足无人机正常飞行队安全距离的要求，且能够很好地处理少量航空器间的飞行冲突，但在解决大量航空器间的飞行矛盾时显露弊端。

　连续型解脱方法

　目前连续型解脱方法的研究主要是针对二维情况下的合作型目标，包括势场法、路径规划法和几何方法等。势场法将生活中的吸引和排斥现象应用到航迹规划中，计划航路点对无人机是吸引作用，吸引无人机朝着目标方向飞行，同时，空域内的其他航空器或物体对无人机产生排斥的力，在引力和斥力的合力作用下，使无人机在尽可能保持原航线的基础上安全飞行。无人机路径规划法就是指依据人物要求和周围的环境信息等因素，事先规划出一条从起点到终点的最优无碰撞路线。碰撞锥方法（Collision Cone Approach，CCA）是典型几何算法的一种，CCA的基本原理是划设一个以入侵航空器为中心的球体保护区，无人机到保护区的所有切线构成碰撞锥，调整无人机的相对速度与球体保护区相切，此时可求解无人机的最优解脱路线。

　目前，无人机的防撞能力与有人机相比还存在差距，感知避让技术还不够成熟，冲突预测和解脱算法大多局限在双击和二维空间，尚不能满足无人机在保证飞行安全的前提下与有人机共享空域的要求。今后的研究将向多数据融合、智能化、实时性的方向发展，增强无人机对周围环境的探测能力、态势感知能力、预测冲突和解决冲突的能力，发展机遇数据融合的多传感器组合方式进行探测，解决三维空间内多机间的冲突问题，大幅提高无人机的防撞能力和安全水平。同时，改进和完善无人机防撞制度和体系，将制度体系与防撞技术相融合是无人机防撞工作的又一发展趋势。

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