摘 要：近年來，無人機(jī)運(yùn)輸業(yè)迅猛發(fā)展，其飛行過程中的沖突探測與避撞問題成為亟需解決的關(guān)鍵問題。在無人機(jī)周圍建立合理的三維空間模型，優(yōu)化包括緊急避撞區(qū)域、一般避撞區(qū)域、監(jiān)視及提前避撞區(qū)域的三級避撞區(qū)域系統(tǒng)，并利用 ADS-B 報(bào)文提供的無人機(jī)位置、速度等信息，基于無人機(jī)一般二維平面上的沖突探測與避撞算法，通過增加垂直方向上的沖突識別來改進(jìn)沖突探測算法，對比調(diào)速、調(diào)向兩種避讓方案在各避撞區(qū)域的成功率。結(jié)果表明：改進(jìn)算法能在無人機(jī)數(shù)量大幅增加的情況下有效識別沖突無人機(jī)，同時采用先調(diào)速后調(diào)向的避讓方案，避撞成功率達(dá)到 99.75%，可為保障無人機(jī)的飛行安全提供有效策略。

　　關(guān)鍵詞：無人機(jī);沖突探測;ADS-B;三級避撞;決策避讓

　　引 言

　　近年來，隨著中國航空運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，無人機(jī)已被廣泛應(yīng)用于包括測繪、拍攝、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、監(jiān)控、搜救和公共安全等各個領(lǐng)域[1]。隨著我國低空空域的逐步開放，無人機(jī)運(yùn)輸業(yè)必將迎來迅猛發(fā)展的新契機(jī)，但其遭遇飛行沖突的風(fēng)險(xiǎn)也日益上升，避撞問題成為無人機(jī)行業(yè)發(fā)展亟需解決的關(guān)鍵問題，對無人機(jī)飛行沖突進(jìn)行提前探測和避讓的必要性愈發(fā)突出。

　　廣 播 式 自 動 相 關(guān) 監(jiān) 視(Automatic DependentSurveillance-Broadcast，簡稱 ADS-B)是飛行器上的一種自動監(jiān)視系統(tǒng)，利用衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)向空中交通管制(Air Traffic Control，簡稱 ATC)和其范圍內(nèi)的飛行器發(fā)送、接收信息。ADS-B 在飛行器沖突探測和運(yùn)行監(jiān)視方面有很大優(yōu)勢，可以提供更為精準(zhǔn)的監(jiān)視精度和豐富的監(jiān)視信息等[2]，可用于空中避撞、監(jiān)視、輔助進(jìn)近等方面。

　　ADS-B 具有價(jià)格相對較低，速度、位置等信息精度高、更新速度快、監(jiān)視范圍廣等特點(diǎn)[3]。吳學(xué)禮等[4]在改進(jìn)EVENT 模型的基礎(chǔ)上提出 ADS-B 監(jiān)視技術(shù)下各個參數(shù)的計(jì)算方法，提高飛行器縱向碰撞風(fēng)險(xiǎn)的檢測精度。相對于有人機(jī)由管制員、飛行員及導(dǎo)航設(shè)施等提供多方保障，無人機(jī)適用于低空作業(yè)，保障設(shè)施完善程度遠(yuǎn)不及有人機(jī)，因此趙建華等[5]基于概率論和系統(tǒng)可靠性理論，建立無人機(jī)與運(yùn)輸類飛機(jī)的碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型。

　　針對無人機(jī)相互碰撞風(fēng)險(xiǎn)評估，V. D. Berdonosov[6]提出通過 ADS-B 系統(tǒng)獲得的兩個或三個軌道點(diǎn)來估計(jì)無人機(jī)的軌道，計(jì)算無人機(jī)可以碰撞的臨界速度范圍的兩個截止值;P. Pierpaoli 等[7]提出基于 ADS-B 和可預(yù)測的沖突避讓算法的模型，將該模型預(yù)測控制器應(yīng)用于一對無人機(jī)在即將發(fā)生碰撞時的沖突避讓，并對其安全性進(jìn)行研究;徐劍鋒[8]將場勢理論和 ADS-B 技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種以 ADS-B 技術(shù)為基礎(chǔ)的無人機(jī)航跡規(guī)劃算法;王倩等[9]結(jié)合靜態(tài)保護(hù)區(qū)原理，基于滑動窗多項(xiàng)式擬合法對無人機(jī)入侵航跡進(jìn)行預(yù)測與沖突告警。無人機(jī)飛行與傳統(tǒng)運(yùn)輸航空相比，飛行航路不固定且隨意性較大，這給無人機(jī)空中沖突探測與避撞帶來極大困難 。

　　由 上 述 研 究 可 以 發(fā) 現(xiàn) ，目 前 針 對 無 人 機(jī) 的ADS-B 碰撞研究，主要采用碰撞模型、航跡預(yù)測等方法，但基于 EVENT 碰撞模型評估所得到的碰撞風(fēng)險(xiǎn)概率過于保守，會造成過多的無用避讓;航跡預(yù)測的準(zhǔn)確性依賴于數(shù)據(jù)預(yù)處理結(jié)果的正確度，且在實(shí)時運(yùn)算時運(yùn)算量很大，需要高性能的計(jì)算機(jī)，很難實(shí)現(xiàn)大范圍的普及。

　　鑒于此，本文對無人機(jī)沖突探測和避撞問題進(jìn)行初步研究，基于傳統(tǒng)的兩圈層保護(hù)區(qū)及二維平面避讓策略，提出從縱向、側(cè)向及垂直方向三個方面綜合評估無人機(jī)沖突情況，并建立三圈層保護(hù)區(qū)域，提升篩選沖突無人機(jī)的準(zhǔn)確性，同時改進(jìn)基于 ADS-B 的無人機(jī)沖突避讓策略：SA 區(qū)域優(yōu)先調(diào)速、TA 區(qū)域優(yōu)先調(diào)向的沖突避讓策略，降低無人機(jī)連續(xù)轉(zhuǎn)向操作的復(fù)雜性，以期提高無人機(jī)運(yùn)行的安全性，并為未來無人機(jī)的運(yùn)行安全保障提供一種思路。

　　1 無人機(jī)周圍空間模型

　　建立無人機(jī)周圍保護(hù)空間建模方法有很多種，如Reich 模型、EVENT 模型[10]、圓柱體保護(hù)區(qū)模型、球體保護(hù)區(qū)模型、橢球體保護(hù)區(qū)模型[11]、長方體保護(hù)區(qū)模型[12]等。對無人機(jī)周圍空間保護(hù)區(qū)的劃分大多采用兩級避讓策略，即內(nèi)、外兩圈層，稱為保護(hù)區(qū)(protected airspace zone，簡稱 PAZ)和碰撞區(qū)(collision airspace zone，簡稱 CAZ)[13]。

　　這種方法的保護(hù)區(qū)范圍較大，但在實(shí)際飛行過程中，在這么大范圍內(nèi)的無人機(jī)與本無人機(jī)發(fā)生碰撞的概率是非常低的，同時也會讓本無人機(jī)處于對所有入侵飛機(jī)進(jìn)行避撞處理的狀態(tài)。交通預(yù)警與防撞系統(tǒng)(Traffic Alert and Collision Avoidance System，簡稱 TCAS)是目前在航空運(yùn)輸中使用量最大且成熟度非常高的系統(tǒng)，獨(dú)立于地面的空中交通管制系統(tǒng)，其采用橢圓柱體建模，避撞采用 RA(Resolu⁃tion Advisory)區(qū)域(15～35 s)和 TA(Traffic Advi⁃sory)區(qū)域(20～48 s)兩級避撞[14]。

　　但 TCAS 的價(jià)格較高，并且需要每架飛機(jī)上都裝有應(yīng)答機(jī)才有作用，而 ADS-B 工作范圍更廣，價(jià)格更低。本文對無人機(jī)采用圓柱體建模方法，即以本無人機(jī)為中心點(diǎn)，考慮兩架無人機(jī)對向飛行時的避讓距離，取適當(dāng)半徑值和高度值，建立圓柱體空間保護(hù)模型。無人機(jī)周圍空間保護(hù)區(qū)(保護(hù)區(qū)大小可根據(jù)預(yù)測的會合速率而做出相應(yīng)改變[15])，以本無人機(jī)為中心，建立 3 個同心圓柱狀的保護(hù)空間。

　　一圈層為 RA 區(qū)域(緊急避撞區(qū)域)，必須對進(jìn)入此區(qū)域的入侵無人機(jī)立即進(jìn)行緊急避撞處理。二圈層為 TA 區(qū)域(一般避撞區(qū)域)，進(jìn)入此區(qū)域的入侵無人機(jī)需進(jìn)行一般碰撞規(guī)避，避免入侵無人機(jī)進(jìn)入 RA 區(qū)域。三圈層為 SA 區(qū)域(監(jiān)視及提前避撞區(qū)域)，由于此區(qū)域范圍較大，進(jìn)入的無人機(jī)較 多 ，需 利 用 ADS-B 信 息 對 入 侵 無 人 機(jī) 進(jìn) 行 篩選，識別存在沖突的無人機(jī)進(jìn)行提前避讓。本文以中低空多用途無人機(jī)中國翼龍無人機(jī)為例，其機(jī)體尺寸為：機(jī)長 9. 05 m，機(jī)高 2. 77 m，翼展 14 m，平均飛行速度為 180 km/h，最大飛行速度為 280 km/h[16]。

　　在設(shè)置保護(hù)區(qū)數(shù)值時，引入疊加保護(hù)區(qū)的概念，即將入侵無人機(jī)的保護(hù)圓疊加到本無人機(jī)上，將兩個保護(hù)圓的沖突避讓問題簡化為 質(zhì) 點(diǎn) 與 疊 加 保 護(hù) 圓 的 沖 突 避 讓 問 題 。 根 據(jù)TCAS II 的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，本文 RA 區(qū)域以本無人機(jī)為中 心 點(diǎn) ，水 平 保 護(hù) 面 半 徑 為 2 × 280 × 35 ÷3 600 = 5.4 km，垂直保護(hù)面高度為 2. 7 km;TA 區(qū)域 以 本 無 人 機(jī) 為 中 心 ，水 平 保 護(hù) 面 半 徑 為 2 ×280 × 48 ÷ 3 600 = 7.5 km，垂 直 保 護(hù) 面 高 度 為3. 75 km;SA 區(qū)域主要進(jìn)行沖突識別及提前避撞，具體參數(shù)值可根據(jù)需要自由設(shè)定，本文以本無人機(jī)為中心，水平保護(hù)面半徑設(shè)為 15 km，垂直保護(hù)面高度為 7. 5 km。

　　2 沖突探測及避讓措施

　　2. 1 沖突檢測過程三 級 避 撞 圈 層

　　沖 突 檢 測 及 處 理 過 程 優(yōu) 先 級為：RA 區(qū)域?yàn)榈谝粌?yōu)先處理級，TA 區(qū)域?yàn)榈诙��?yōu)先處理級，SA 區(qū)域?yàn)榈谌齼?yōu)先處理級。

　　Step 1： 接 收 進(jìn) 入 SA 區(qū) 域 的 無 人 機(jī) ADS-B 信號，其所包含的三維位置信息來源于全球?qū)Ш叫l(wèi)星 系 統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，簡 稱GNSS)，航向、速度信息來源于無人機(jī)本身，能夠真實(shí)反映無人機(jī)的飛行狀態(tài)和飛行沖突[17]。只有當(dāng)本無人機(jī)與入侵無人機(jī)在水平方向和垂 直 方 向 上 同 時 存 在 沖 突 時 ，才 可 以 判 定 沖 突存在[18]。

　　1 號無人機(jī)為本無人機(jī)，2 號無人機(jī)為入侵無人機(jī)，通過ADS-B 獲得 1、2 號無人機(jī)的經(jīng)緯度信息，得到兩架無人機(jī)的相對方位角∠EAC。同理可得到在其余象限的 γ'取值。在實(shí)際飛行過程中，為盡量減少額外飛行成本，無人機(jī)航向的調(diào)整范圍最好在 90°范圍內(nèi)，如有特殊要求，也可以按自身需求設(shè)置航向調(diào)整范圍。

　　3 仿真驗(yàn)證

　　通過上述沖突探測及避讓措施，1 號無人機(jī)可以通過 ADS-B 報(bào)文，獲得 2 號無人機(jī)的航向、高度、速度等信息，確定其是否對本無人機(jī)存在威脅，并通過速度及航向調(diào)整進(jìn)行沖突避讓。現(xiàn)通過 Matlab R2018a 軟件版本進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證本文提出的沖突探測方法及避讓措施的有效性。由于獲取無人機(jī)真正的 ADS-B 報(bào)文具有難度，本文主要通過仿真模擬隨機(jī)生成速度、航向、高度不定的無人機(jī)，來與本無人機(jī)進(jìn)行沖突探測和避讓。本文研究范圍為本無人機(jī)疊加保護(hù)區(qū)范圍，本無人機(jī)坐標(biāo)為(0，0)，以中低空多用途無人機(jī)中國翼龍無人機(jī)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。

　　在 SA 區(qū)域邊緣隨機(jī)產(chǎn)生航向、速度不同的無人機(jī)，區(qū)域邊緣上的黑色短線表示無人機(jī)水平方向上存在沖突的航向范圍，對兩架無人機(jī)的速度矢量進(jìn)行合成，得到入侵無人機(jī)對本無人機(jī)的相對運(yùn)動速度及航向。相對速度方向不在沖突航向范圍內(nèi)的入侵無人機(jī)用小三角作為標(biāo)記;相對速度方向存在沖突航向的風(fēng)險(xiǎn)，但垂直方向不存在沖突的入侵無人機(jī)用五邊形作為標(biāo)記;對水平及垂直方向均存在沖突的無人機(jī)用五角星作為標(biāo)記，并進(jìn)行碰撞避讓。

　　計(jì)算 SA 區(qū)域避撞失敗的無人機(jī)到達(dá) TA 區(qū)域邊緣的位置，對水平及垂直方向均可能入侵 RA 區(qū)域的無人機(jī)進(jìn)行二次入侵標(biāo)記，并采取避撞措施。若仍有無人機(jī)進(jìn)入 RA 區(qū)域，則立即調(diào)整速度，航向及高度，使入侵無人機(jī)遠(yuǎn)離本飛機(jī) RA 區(qū)域。本次仿真過程分為兩種情況：在 SA 區(qū)域邊緣每次隨機(jī)產(chǎn)生 1 架或 5 架隨機(jī)航向及速度的無人機(jī)，隨著無人機(jī)數(shù)量的增多，產(chǎn)生飛行沖突的概率上升，通過調(diào)整無人機(jī)速度、先調(diào)整無人機(jī)速度后調(diào)整航向兩種不同方案，分別累計(jì)重復(fù)模擬 10 000次，得到?jīng)_突壓力提升下復(fù)雜飛行環(huán)境的沖突無人機(jī)篩選及避讓情況。

　　兩種方案在 10 000 次的仿真過程中，對于隨機(jī)生成 1架無人機(jī)及隨機(jī)生成 5 架無人機(jī)的不同情況分別成功篩選出 1 024 架、957 架和 3 927 架、3 947 架沖突無人機(jī)，對比箱線圖的范圍和中位線位置，各個階段篩選的沖突無人機(jī)架次差別不大，表明本文篩選排除算法能在無人機(jī)數(shù)量增加、飛行沖突概率上升的情況下有效篩選出與本無人機(jī)存在潛在沖突的無人機(jī)。SA 區(qū)域避讓無人機(jī)成功比例如圖 7 所示，可以看出：兩種方案在 SA 區(qū)域均采用調(diào)整速度的方法進(jìn)行沖突避讓，面對周圍無人機(jī)數(shù)量的增加，兩種不同情況的成功比例均達(dá)到 0. 96 以上，表明本文提出的調(diào)速策略能有效避讓絕大部分的飛行沖突。

　　4 結(jié) 論

　　(1)構(gòu)建三圈層三維無人機(jī)保護(hù)模型，提出有效沖突探測算法，在保證合理安全裕度的前提下，通過提前對無人機(jī)水平及垂直方向入侵可能性的判斷，穩(wěn)定高效的篩選出存在沖突的無人機(jī)，減少本無人機(jī)的無效沖突避讓。(2)綜合實(shí)際運(yùn)行情況，提出有效沖突避讓措施，選擇先調(diào)整速度后調(diào)整航向的方案避免絕大部分的飛行沖突，并且能有效應(yīng)對復(fù)雜飛行環(huán)境，避讓效果不會隨著復(fù)雜程度的增加而降低，對無人機(jī)的飛行提供有力的安全保障。

　　參 考 文 獻(xiàn)

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　　作者：楊姝，王一樺