NASA无人机系统通信、导航和监视技术实现研究

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转自：电科小氙

作者：电科小氙

1 引言

航空工业和政府机构对无人机系统大规模整合到全球管制和非管制空域的需求快速增长。实现整合的关键包括保证无人机系统安全运行所需的通信、导航和监视（CNS）技术。NASA在其项目NNA16BD84C下，提出了实现无人机系统在管制和非管制空域安全运行所需的通信、导航和监视体系架构概念。本文分析了CNS体系架构的实现就绪度。

无人机系统在管制空域运行遵循世界空中交通管理（ATM）服务中有人航空的要求，而无人机系统在非管制空域运行则遵循NASA无人（空中）交通管理（UTM）运行概念。实现就绪度基于NASA的技术成熟度等级（TRL），包括：TRL1（发现基本原理）到TRL6（相关环境演示）到TRL9（实际系统飞行证明）。在NASA无人机系统通信导航监视体系架构概念中，引入了许多需要与TRL等级相关的新型CNS体系架构单元。TRL6被认为是要在1到5年（2018~2022）内实现全面集成飞行测试的所有功能单元的最低标准成熟度等级。从本文中可以看出，大部分功能单元的TRL已经处在TRL6或更高。其他功能单元处在研发阶段末期，随着它们的不断成熟，可以引入到生产测试。总之，对于核心功能单元，可以在开展先进研发工作的同时，引入到可行性和实用性测试（在实验室环境和实际飞行测试）中。

本文分析了无人机系统通信网络、通信数据链路、导航和监视的实现。在当前项目下，NASA对无人机系统通信、导航和监视需求、管制空域无人机系统通信、导航和监视体系架构以及非管制空域无人机系统通信、导航和监视体系架构展开了积极研发。在重要的无人机系统相关会议（包括Icns2017、IEEE航空2018和Icns2018）上，NASA发布了无人机系统体系架构概念，并继续寻求其他发布机会。NASA将继续努力，为无人机系统在管制和非管制空域运行创建一种全面集成测试场景。

2 无人机系统通信网络实现分析

小型无人机系统（sUAS）（无人机重量小于55磅，约25千克）已经开始进入国家空域（NAS），在未来几年，将会达到数百万架。由于预期的大规模部署，对于运行于非管控空域的小型无人机系统而言，采用对运行于管控空域（分为A、B、C、D和E类）的有人飞机和大型无人机系统进行管理的空中交通管理（ATM）服务，是不切实际的。而运行于G类非管控空域的小型无人机系统将需要持续的通信、导航和监视态势感知（SA），这是一种基于网络的服务，被称作无人空中交通管理（UTM），而对于来自UTM ATC的指挥控制（C2）信息，将基于例外管理原则（MBE）进行管理。在这种背景下，MBE意味着小型无人机系统需要按照FAA第107部分的规则运行，只有那些偏离规则的小型无人机系统服从抢先式和/或修正式UTM C2指示。

在管制空域运行的大型无人机系统，将归于与全球有人航空相同的ATM管辖范围，并将接受空中交通管制（ATC）系统的持续指挥控制/态势感知管理。ATM中预期的大型无人机系统数量比无人（空中）交通管理（UTM）中运行的小型无人机少很多个数量级，然而，采用的是相同的通信网络体系架构单元。特别是，通信网络必须支持互联网型通信，这类通信中源节点和目的节点可以交换IP数据单元（称为数据包）。网络可以是专用链路、路由器、交换机等的独立集合，也可以（更有可能）是在全球公共互联网上配置且受到虚拟专用网（VPN）保护的一个叠加层。

（1）互联网——IPv6（TRL9）

目前，互联网正在向IPv6协议迁移。IPv6是一个完整的互联网标准，几乎无处不在，例如，全球各公共领域和商用电话、计算机和网络设备产品。一般情况下，这些产品通常配置为可接受IPv4或IPv6网络服务，但首选IPv6，其他产品，如低端物联网设备（如家用温控器、监视系统等），只有IPv6。主要互联网提供商目前也在面向家庭用户提供原生IPv6服务。鉴于这些产品部署广泛且容易获得，因此IPv6技术成熟度可归类为TRL9。

（2）自动配置——DHCPv6和IPv6ND（TRL5）

IPv6包括向移动设备（例如无人机系统）自动分发IPv6地址和子网前缀的附加服务。无状态地址自动配置（SLAAC）服务通过IPv6邻居发现（IPv6ND）协议提供，而有状态IPv6前缀授权服务由IPv6动态主机配置协议（DHCPv6）提供。无人机系统将需要一种移动IPv6子网前缀，无论无人机在世界任何地方漫游，该前缀都可伴随无人机。

DHCPv6和IPv6ND各自都可视为TRL9，但无人机系统数据通信网络将需要一种DHCPv6/IPv6ND组合集成，从而在接入网地址发生变化的过程中，共同保持移动前缀授权处于活跃状态。二者的集成归类为TRL5。

（3）路由——边界网关协议（BGP）（TRL9）

互联网骨干由链路（如光纤）、桥接器、交换机和路由器组成，它们连接在一起，形成一个全球连通拓扑结构。核心互联网路由器负责连续确定将数据包从源节点送往目的节点的接下来连续几跳。因此，每个路由器维护一个路由信息库（RIB）和一个转发信息库（FIB），分别用于确定下一跳并向下一跳转发数据包。

互联网路由系统基于多年来提供核心路由服务的边界网关协议（BGP）。BGP把自主系统（AS）相互连接成一个相邻自主系统之间对等排列的网状网，全世界所有自主系统构成全球公共互联网。网络边缘必须保持无人机系统机动性事件更新，并由移动性服务（例如，非对称扩展路由优化（AERO））对之进行管理。在这种背景下，BGP归类为TRL9。

（4）安全——OpenVPN（TRL9）

由于ATM/UTM网络服务将在全球公共互联网进行分层，因而需要采用虚拟专用网（VPN）服务保护服务的机密性、完整性和可用性（CIA），其中包括加密和认证，这样ATM/UTM管制员可以通过互联网上的VPN隧道协调无人机系统运行。同时，这些VPN隧道还必须支持终端系统机动性，即使无人机系统在网络连接点之间运行时，仍能保持安全会话处于活动状态。

一种名为OpenVPN的公共可用的VPN客户机和服务器软件分发平台已被选作无人机系统安全通信参考平台，同时，许多商业软件销售商也提供VPN解决方案，但是这些方案的缺点是不提供开源代码。OpenVPN技术是稳定和安全的，并且为互联网安全提供广泛部署的服务。OpenVPN归类为TRL9。

（5）移动性——非对称扩展路由优化（AERO）（TRL5）

非对称扩展路由优化（AERO）是一种网络层移动性服务，无论何时当无人机系统跨其任何可用航空数据链路漫游时，都可实现无人机系统跟踪。该服务采用IPv6作为网络层协议，IPv6ND和DHCPv6作为自动配置和移动性跟踪服务，BGP作为域间路由协议，移动虚拟专用网（VPN）服务作为安全层。使用AERO的无人机系统还配置一种新型IPv6链路本地地址，称为“AERO地址”，链接IPv6路由与IPv6ND。

此类模型以一种基于OpenVPN开源软件分发平台的AERO公共域实现实例化。代码运行在Linux和Android操作系统上，支持所有DHCPv6、IPv6ND和BGP操作。AERO代码自身仍然在网络仿真和真实网络试验中进行高级测试，因此，其技术成熟程度可归类为TRL5。公共域KEA DHCPv6、OpenVPN和Quagga BGP路由实现都在使用。所有这些实现都可归类为TRL9。

（6）传输层（TRL9）

传输层负责应用数据的可靠和/或实时分割，以便向网络层表述，在网络层，AERO移动组网服务将数据传送到正确的移动或固定端系统。传输控制协议（TCP）是一种可靠的端到端服务，确保数据源发送的所有数据都被目的地正确接收。例如，向ATC传送大文件的无人机系统可以使用TCP实现其消息分割、拥塞控制和流控制要求。ATC将对接收到的每个字节进行确认，无人机系统可以重传任何丢失的字节。由于无人机系统可能正在网络连接点之间快速移动，有实时传送需求（例如，驾驶舱管制员数据链路通信（CPDLC）或标准协议（STANAG）4586要求）的指挥控制短信息指令采用用户数据报协议（UDP）更好。

TCP和UDP都是互联网使用了几十年的基础传输协议，它们已在各种主要计算产品和网络产品中成功实现，是全球最广泛使用的传输协议。它们归类为TRL9。

（7）应用（TRL5~TRL9）

无人机系统应用包括指挥控制、态势感知、流媒体和一般文件传送。CPDLC是一种指挥控制消息传送服务，在空中交通管制（ATC）和工作在管控空域和非管控空域的无人机远程飞行操作人员之间提供空中交通管理（ATM）指令。这种消息传递服务起源于也适用于有人航空应用，用于航空通信网络（ATN）实现开放系统互连（ATN/OSI）和互联网协议服务（ATN/IPS）。CPDLC可运行于ATN/OSI，因而在该域中归类为TRL9。目前正在实验室测试环境进行ATN/IPS领域的测试，因而，可归类为TRL5。由于无人机系统ATM/UTM服务将基于ATN/IPS，因此，对于无人机系统，CPDLC归类为TRL5。CPDLC消息将通过该域的UDP传输层承载。

STANAG4586消息传送包括标准的指挥控制消息集，远程飞行操作人员通过这些消息控制无人机系统内的各无人机。这些消息通过UDP传送（与CPDLC相同），在（尽力而为型）网络层服务容易出现丢失和重传。由于AERO提供的是尽力而为型移动网络层服务，STANAG4586消息传递将获得与固定网络中远程飞行操作人员与无人机系统通信相同的尽力而为服务，因此可视其为TRL9。

3 无人机数据链路实现分析

在本节中，将介绍当前和建议的用于空中交通管理（ATM）和无人交通管理（UTM）的数据链路的实现分析。

（1）卫星链路（TRL8）

· 适用性：管制空域中的几乎所有大型无人机都使用卫星链路，在海上，这些链路专用于通信。

· 优点：目前，卫星星座覆盖了地球的大部分区域，因而，它们可在地球的任何地方使用。

· 缺点：卫星数据链路存在两个关键问题：数据速率低和重量大。每个用户的数据率通常仅为每秒几千比特，能够支持少量话音信道。接收机所需天线的尺寸太大，无法用于小型无人机。卫星总数据率也很低，以至于只能为几千架飞机提供支持。

· 实现情况：通常用于航空飞行的有两类卫星，即Inmarsat Swift Broadband 5和Iridium Next。每颗Inmarsat Swift Broadband 5卫星提供800Mbps带宽，而每颗Iridium Next卫星提供72Mbps带宽。因此可视其为TRL8。

（2）AeroMACS（TRL5）

AeroMACS是RTCA设计用于机场地面通信的数据链。

· 适用性：如上所述，AeroMACS是专为机场地面部分设计，有人机和无人机都可使用。

· 优点：它采用一种最新通信技术设计，可以高效使用频谱。

· 缺点：AeroMACS使用预留给航空的5.091~5.150GHz频段（C波段）。该频段受保护，因此不是免许可频段。同样，在没有中间服务提供商的情况下，飞行员不能在机场外使用该频段尝试与其无人机直接通信。

· 实现情况：标准已准备就绪且已经过多次试验验证。因此可归入TRL5（技术演示）。

（3）L-DACS（TRL5）

欧洲航管组织（EUROCONTROL）预见到了航空通信需求，开发了两种型号使用L波段的航空数据链。L-DACS1使用正交频分复用（OFDM）技术，与WiMAX/LTE类似，而L-DACS2使用时分双工（TDD）技术，类似GSM。从这一点上说，L-DACS1是用于飞行阶段数据链路的领先候选链路。

· 适用范围：L-DACS设计用于飞行阶段，替代VHF数据链2（VDL2）。

· 优点：采用L波段960MHz~1165MHz频段。这些频率比用于AeroMACS的C波段频率低5倍。因此，与C波段技术相比，距离更远，既可用于有人机也可用于无人机。

· 缺点：L-DACS采用受保护频段，对少量飞机非常适合。因而，大型无人机可以使用L-DACS，小型无人机则要使用其他数据链路。

· 实现情况：L-DACS仍在进行标准化，技术演示即将进行，处于TRL5。

（4）RTCA SC-288无人机系统数据链路活动（TRL5）

航空无线电技术委员会（RTCA）特别委员会SC-228工作组WG-2被授权制订用于指挥控制的最低航空系统性能标准（MASPS）和最低性能标准（MOPS）。SC-228 WG-2第一阶段的工作重点放在用于无线电视距操作的地面控制非有效载荷通信（CNPC）链路。该工作组的白皮书描述了其近期计划，计划2018年12月前开发指挥控制数据链路MASPS，2020年6月前开发CNPC MOPS。

（5）WiFi（TRL9）

· 适用性：WiFi及其改型是小型无人机最常用的数据链路。通过某些调整，作用距离可达几公里。尽管其距离有限，但对于大部分拍摄及其他应用是可以接受的。

· 优点：WiFi可以说是应用最广泛的无线技术，它的另一优势是可在所有智能手机中实现，因而，如果使用WiFi数据链路，可使用智能手机作为控制器，从而降低设备成本。

· 缺点：WiFi的主要限制是它的距离。对大部分有人飞行或超视距工作，几公里的通信距离远远不够。

· 实现情况：如前所述，WiFi目前被广泛采用。

（6）长距离WiFi（TRL3）

IEEE 802.11ah是一种长距离WiFi版本，它使用900MHz频段，而不是常规WiFi使用的2.4 GHz和5.8 GHz，因此其作用距离可以达到数公里。

· 适用性：对于近距离或超视距飞行小型无人机来说非常理想。

· 优点：使用免许可频段，所以，任何小型无人机都可以由飞行操作人员通过这种链路进行控制，无需外部服务提供商。同时，与WiFi类似，有低成本优势。

· 缺点：由于频谱不受保护，可以随意使用，因此，它不适用于管制空域和大型无人机，因为同时位于同一频道的其他发射机的干扰可能会带来影响。

· 实现情况：IEEE 80211ah标准几年前已由IEEE完成，但使用率一直很低，而且几乎没有实现案例。仅处于TRL3级（需要通过研究证明可行性）。

（7）ZigBee（TRL9）

ZigBee和长距离WiFi一样，相比标准WiFi，作用距离更远。

· 适用性：与长距离WiFi一样，ZigBee也可以运行在900MHz频段，因此其作用距离比常规WiFi更远。

· 优点：成本低，因此是小型无人机的首选。事实上，大部分自己制作无人机的爱好者都采用各种衍生型Zigbee，例如XBee和XBee Pro，3DR和RFD900。

· 缺点：无人机使用的大多数ZigBee版本都是上述各种专用版。

· 实现情况：该技术在无人机爱好者中极为流行，目前在用。因此对于小型无人机处于TRL9。

（8）蓝牙（TRL9）

蓝牙是为极短距离通信而开发的，但是，目前这种技术已应用于小型无人机市场。

· 适用性：蓝牙的作用距离限制在30米以内。该距离至少可满足两种应用：跟随和蜂群。

· 优点：蓝牙成本极低，体积小，可以用作WiFi或ZigBee之外的一种二级数据链路。它采用免许可的2.4GHz频段。

· 缺点：蓝牙的主要缺点是作用距离太短，因此只能作为一种二级数据链路或不受短距离影响的室内应用。

· 实现情况：蓝牙芯片广泛可用，因而，蓝牙广泛应用于智能手机和多种小型无人机。该技术可行并在使用，因此归为TRL9级。

（9）蜂窝和蜂窝车联网（C-V2X）（TRL9/TRL5）

4G、LTE和5G等蜂窝技术适用于远程通信。

· 适用性：蜂窝技术是全球可用的，因而，在许多方面，可与卫星媲美。小型无人机和大型无人机都可使用这一技术。

· “蜂窝车辆网”（C-V2X）是5G引入的新特性之一。虽然这种技术设计用于汽车，但其很容易改造用于无人机。

· 优点：蜂窝技术最大的优点是大部分生活环境都有蜂窝基础设施，这种技术既可用于小型无人机，也可用于大型无人机。

· 缺点：蜂窝技术尽管全球可用，但只是大部分在高速公路沿线和居民区附近实现，在偏远地区，没有蜂窝信号，即使有，也很弱。

· 实现情况：蜂窝技术已实现广泛部署，处于TRL9级。即将到来的CV2X技术需要经过更多试验和技术验证，处于TRL5级。

4 无人机系统导航实现分析

目前的美国国家空域（NAS）体系架构规定由空中交通管制（ATC）系统基于监视雷达回波信号和广播（例如，ADS-B）信息确定飞机位置。雷达精度随着飞机与雷达站距离的增加而降低，另外，非视距回波信号（例如，建筑物、地形造成的回波）也会造成雷达精度的降低，从而影响飞机之间最低安全距离。在非雷达环境中，飞机必须报告其根据GPS或导航辅助措施（例如甚高频全向（无线电）信标（VOR）和测距装置（DME））确定的位置。在这种工作环境下，为确保安全，飞机间甚至需要保持更大安全距离。

2025年下一代导航工作的关键组成部分是对于在管制空域运行的有人平台，从传统导航系统和雷达监视向替代的精密导航和授时（APNT）以及广播式自动相关监视（ADS-B）迁移。

向ADS-B迁移取决于所报告的飞机精确位置，而不是监视或一次雷达。GPS是目前唯一被批准用于ADS-B的导航源，精度满足性能目标，可提高繁忙空域导航精度从而降低飞机间安全距离（让更多飞机在更小区域高效飞行）。相关监视的第二个目标是降低目前NAS体系架构所需的基础设施和维护成本。通过组合，降低机间最低安全距离并消除现有基础设施的计划为GPS服务带来严重负担。对生命安全的关注以及PNT高可用性及无中断运行要求，意味着需要对脆弱的GPS进行备份，以便为运行在NAS和非管制空域的无人机系统提供支持。

NASA的UTM系统概念，将实现对在郊区和城区建筑物上空或在有人飞机高度以下飞行的各种无人机系统的安全管理。为了支持正确定位和授时，波音公司建议使用一种多源导航方案，组合使用全球导航卫星系统（GNSS）与地基多边定位技术（例如，蜂窝、卫星、调频、广域增强系统、WiFi）和授时服务协议。为了支持相对定位，波音公司建议使用无人-无人和无人-有人航空系统多边定位技术，并组合基于互联网协议的自动相关监视（ADS-IP）。

为了支持UTM，需要实现一种可负担的小型无人机机载体系架构，为视距和超视距提供支持。该体系架构应定义小型无人机系统支持所需的通信、导航和监视+探测和规避（CNS+DAA）能力的最低设备清单。

支持G类空域的小型无人机机载导航体系架构概念会利用多个导航源，但要尽量减少增加设备量，这是因为考虑到没有哪种单项独立技术将增强GPS或为G类空域运行的小型无人机提供所需的更高定位精度。建议的体系架构设想利用基于ARINC653实时操作系统的IMA计算体系架构，实现导航及监视、通信、飞机管理、飞行控制和维护等其他功能。无人机系统导航体系架构概念还设想利用用于非合作式探测和规避能力的传感器以及来自机载通信系统的信号特征，为导航功能提供支持。为运行于G类空域的小型无人机系统提供支持的建议能力：可靠的软硬件体系架构、全球导航卫星系统（GNSS）、基于RF的多边定位空间/地面信号、ADS-IP&ADS-B、基于图像的导航、惯性测量单元（IMU）和机载时钟、地基辅助导航（GBN）、飞行管理系统、探测与规避、航天通信。

建议导航体系架构具有的主要特性包括：

· 使用不同类型的光电/红外成像、机会信号、现代增强系统、IMU/时钟等，增强GPS；

· 利用不同导航源输入间切换能力，支持导航误差检测和纠错；

· 在典型飞行阶段，在各种传感器、系统和组件中断情况下（例如，故障、干扰、欺骗和IMU漂移），支持动态导航精度；

· 支持集成成本可担负且经过证明软件与实现尺寸、重量和功率降低的硬件解决方案

· 支持集成推理和算法技术，接入飞行环境有关动态和静态特征的地理、空间和时间信息；

· 支持集成规划、预测和时序识别技术，实现小型无人机系统引导，预测飞机行为并采取行动。

为了支持大量小型无人机系统融入美国国家空域，期望实现一种比GPS定位和速度精度更好的多源导航解决方案，提升覆盖范围并增强人在环路操作。建议的导航体系架构解决方案将利用集成模块化航电以及软件虚拟机器计算，满足成本、尺寸、重量和功率+性能目标。

（1）无人机系统导航/空中交通管理（ATM）技术成熟度

① 全球导航卫星系统（GNSS）

全球导航卫星系统（GNSS）是一种全球覆盖的卫星导航系统。截至2016年12月，只有美国全球定位系统（GPS），俄罗斯的GLONASS和欧盟的伽利略系统是全球运行的导航卫星系统。欧盟的伽利略GNSS计划到2020年全面投入运行。中国正在扩展其区域性北斗导航卫星系统，到2020年将成为全球性的北斗2号GNSS。印度、法国和日本也在开发区域性导航和增强系统。——TRL9

② 陆基增强系统（GBAS）

陆基增强系统（GBAS）是一种国际协作星基替代方法，替代仪器着陆系统（ILS），实现精确进近和着陆。一类、二类和三类精密进近都需要极高的精度、可用性和完整性。GBAS是唯一一种用于三类精密进近的GNSS解决方案/替代方法。——TRL7-9

③ 基于RF的导航辅助-广域增强系统（WAAS）

广域增强系统（WAAS）是由美国联邦航空局（FAA）运作的一种区域性天基增强系统（SBAS），为北美飞机导航提供支持。WAAS为各个飞行阶段的各种类型的飞机提供服务，包括航路导航、飞机离港和飞机到达。

尽管WAAS主要是为航空用户设计的，但在其他定位、导航和授时团体使用的接收机中也广泛可用。FAA致力于按照GPS WAAS性能标准中规定的性能级提供WAAS服务，目前正在对WAAS加以改进，利用未来GPS生命安全信号提供更好的性能。WAAS服务可以与其他区域SBAS服务实现互操作，包括日本（多功能运输星基增强系统（MSAS））、欧洲（欧洲地球同步卫星导航覆盖服务（EGNOS））和印度（GPS辅助型地球静地轨道增强导航系统（GAGAN））运行的SBAS服务。——TRL9

④ 地基导航（GBN）辅助

地基导航系统的任务是确保美国空域航空系统（NAS）地基导航解决方案以一种能够满足客户需求的最高效和最有效方式实现。预计未来GBN将最终被某种改型的GPS系统（WAAS和GBAS）所取代。——TRL9

⑤ 惯性测量单元（IMU）

惯性测量单元（IMU）是一种采用加速计和陀螺仪有时是磁力计的组合，测量并报告某个物体的比力、角速度，甚至是物体周围磁场的电子设备。IMU主要用于机动飞机，包括无人机、航天器（包括卫星和着陆器）。——TRL9

⑥ 机载时钟

实时时钟（RTC）是一种计算机时钟（通常采用集成电路形式），保持对当前时间的跟踪。大部分RTC使用晶体振荡器，但也有一些使用电力线路频率。很多情况下，振荡器频率为32.768kHz，与石英钟和手表所用频率相同，出于同样的原因，即具体为每秒215周的频率，是一个方便使用简单二进制计数电路的速率。许多商用RTC IC的精度已经不到百万分之五。实际上，这已经足够执行天文导航（计时器的经典任务）了。2011年，发明了芯片级原子钟。这种时钟尽管价格更昂贵，但其精度在100纳秒以内。——TRL9

⑦ 大气数据计算机

大气数据计算机（ADC）是现代玻璃座舱必不可少的航空电子组件。相比独立仪器，这种计算机能够利用飞机全静压系统确定校准空速、马赫数、高度以及高度趋势数据。——TRL9

（2）无人机系统导航/UTM技术成熟度

① 近地轨道（LEO）航天器（SV）星座

导航和授时机会源信号采用的是一种运行于“铱星”近地轨道星座（由66颗卫星组成）的候选通信源。大量研究工作证明，低轨信号可提供更大范围覆盖，而且由于信号强度是GPS的大约300到2400倍，因而导航精度比传统GPS信号更高。另外，由于“铱星”星座每颗卫星都是快速移动的，仅通过一个星载源，就可以提供定位信息。此外，“铱星”信号还支持深度室内导航和授时，这对于运行于人口密集市区的小型无人机非常有用。——TRL4~6

② 机会信号（SOP）——蜂窝

另一种导航方法使用蜂窝电话信号塔和传输装置，创建用于无人机系统的伪卫星信标。——TRL4~6

③ 高精度图像配准（PIR）地形辅助导航

对于在郊区和市区内运行的小型无人机来说，很可能实时使用图像保持位置参考。为了评估是否有足够的特征提取点用于支持基于图像的实时导航和制导（即真实位置、速度和姿态），可利用数字化地形高程数据库（DTED），对指定运行区域进行适用性分析。采用这种方法，可由认可的通信协议提供时间基准。另外，可使用用于位置计算的空时图像模型优化探测与规避（DAA）能力。

为了在远距离上保持类似GPS的精度，需要采用绝对位置更新技术。两种有前途的“基于视觉的导航”技术分别是地形相关和场景相关技术，可在没有其他导航辅助可用时，为无人机系统提供导航支持。

另一种基于图像的导航技术途径是采用一种被称作高精度图像配准（PIR）的技术，将实时图像像素与地理空间图像数据库（例如，DTED）进行相关。——TRL7~9

④ 集合平均IMU/时钟法

为在没有GPS或类似GPS源信息的情况下处理多个时间段，波音公司提出采用多个IMU和时钟集合平均技术。集合平均是创建多个模型（而不是只创建一个模型）并把它们进行组合生成所要的输出。波音公司的这种方法应该可以提供一种低成本多10-轴IMU和时钟机器学习解决方案，并且容易集成到各种尺寸的有人机或无人机上。——TRL2~3

5 监视

（1）简介

监控方面，在当前项目初期，为了实现无人机系统在管制空域和非管制空域运行，NASA首先定义了无人机系统监视需求。然后，基于这些需求，为管制空域和非管制空域两种不同环境定义并设计了不同的合作式和非合作式监视系统体系架构。

（2）技术成熟度分析

① 监视建议途径

在项目初期建立了一系列总体设想，为制定清晰的开发路线图奠定基础：

· 监视开发的最终目标是为建议的体系架构保持和潜在改善当前航空安全标准。

· 明确两种明显不同的场景：一种是针对管制空域的传统保守航空场景，另一种是满足非管制空域需求的革命性未来场景。

· 所开发的系统要尽可能降低对ATC程序和运行方式的影响。

· 应该利用在中短期内可用的新兴技术，提供新型的功能性安全监视解决方案。

由于项目期间建议的所有监视体系架构都共享相同的原则，所以它们都有某些共同特性，其中有些更为保守。建议的体系架构的共同保守特性包括：

· 它们利用当前现成可用的通信技术：蜂窝、卫星、Wi-Fi、蜂窝车联网（C-V2X）、专用短距通信（DSRC）……

· 它们利用当前现成可用的定位技术：GNSS、惯性系统……

· 特别是在管制空域，考虑了与现有系统的集成。在这种场景中，已经考虑到建议的解决方案应始终对ATC透明。

另一方面，建议的体系架构也有一些共同创新点：

· 体系架构的创新设计旨在促进即将到来的无人机系统规则的制定。

· 都关注开发按照例外管理原则运行的一套完整的自动监视管理系统的不同部分。

· 安全一直是重中之重。建议的所有体系架构都遵守默认安全设计原则。

· 重点关注高度可用而又可担负的体系架构建议。

· 广泛使用IT/云架构，提供可扩展性。

② 监视体系架构建议的技术成熟度

项目中提出了几种监视系统建议。这些系统所依赖的支持技术包括：

· GNSS（TRL9）

· 车联网（V2X）通信（数据链路覆盖）

· 通信/监视机载计算机（TRL9）

· 云计算（TRL9）

· 公钥基础设施（PKI）（TRL9）

· 低功率-高频雷达（TRL6）

· 高清/红外摄像机（TRL8）

· 轻型多核图像处理（TRL6）

· 多边/信号特征分析（TRL6）

· 多点声传感器（TRL7）

· 高效发光二极管（LED）、声换能器（TRL8）

建议的监视体系架构的技术成熟度等级不仅取决于其支持技术的成熟度。为了表达系统定义的深度，NASA UAS CNS项目按技术定义等级（TDL）进行分类。TDL不是一个标准量度，它仅仅是为了向读者提供到目前为止能够实施下列建议的监视体系架构所需的剩余工作：

· ADS-IP：ADS-IP全称是基于互联网协议的自动相关监视，这是一种集中式自动化合作监视系统。ADS-IP的主要功能是能够对在特定区域内飞行的无人机的监视数据进行管理。目前的监视系统传输依赖于RF信道，ADS-IP则利用基于IP的底层通信网。使用IP网络和通信协议，ADS-IP能够克服当前监视系统（例如，ADS-B或SSR）的局限性和弱点。ADS-IP使用IP传输信道对无人机与地面服务器、服务器与其他执行者（例如，自动交通监督者或编队拥有者）之间数据交换进行管理。地面服务器作为系统核心，采集所有无人机传送的导航数据，并根据每个执行者的需要分发这些数据。——TDL8

· uADS-IP：从概念上讲，µADS-IP功能与传统ADS-B非常类似，但适应G类空域小型无人机预期的运行方式。µADS-IP是一种自动相关监视系统建议。由于是一种相关系统，是由无人机自身确定其位置（通过GNSS或任何其他手段），并对位置数据进行广播，以便地面上的其他载具或系统能够接收到并做出一份所确定空域内的交通图。

首先，uADS-IP的传输功率低于ADS-B，与其他传输编码技术结合，对于确定工作区域能够使用更高密度的发射机和接收机。专用短距通信（DSRC）和蜂窝车联网（C-V2X）是支持这种传输的两项候选技术。至于安全方面，建议采用加密层，这种建议是基于对RF信道广播监视数据的对称加密。建议使用PKI，通过安全通信信道（基于互联网的信道，当它们可用时）为uADS-IP消息分配密钥。——TDL4

· 无人机监视雷达（DSR）：一次监视雷达（PSR）传统意义代表用于管制空域的主要非合作式监视系统。然而，当前的PSR被认为不能用于飞行在G类空域的小型无人机系统。由于PSR精度低而且缺乏目标唯一性识别以及小目标探测能力，它们不适用于将小型无人机系统整合到非管制空域的用途。然而，通过使用不同的传输频带，采用这项技术也能够探测到小目标。

市场上已经出现了基于PSR的解决方案，通常被称作无人机监视雷达，它们适用于对确定具体区域（例如，关键基础设施、国家边界或军事基地）提供保护。这些解决方案的实施基于高性能雷达传感器的部署。——TDL9

· 利用图像识别进行定位和识别——光电子学：“光电子学”一词是光学和电子学的结合，它涉及探测、图像处理和稳定等功能。此类解决方案采用远距离高清红外摄像机，对小型无人机进行跟踪、识别并提供来自小型无人机的视觉数据。——TDL7

· 采用电磁/声学信号特征分析用于定位识别：这些解决方案包括对小型无人机及其控制站之间RF通信的无源窃听。采用这项技术，可能会识别出无人机的传输频率、MAC地址或包通信频率。还可采用其他方法尝试识别飞机螺旋桨旋转及无人机振动产生的电磁场和噪声。——TDL7

· 利用光/声信号增强安全：光和声信号可考虑作为合作式监视方法。此类方法的作用距离非常短，采用光信号时距离稍高一点。它们不能向地面传送任何数据，只是作为让控制站知道它们存在的信标。

光信号可以使用一种只对某些有限参数（例如，飞机唯一ID）进行编码和广播的简单的调制模式加以改进。这种基本通信原理还可以用于建立地对空通信信道，在紧急状况（例如，小型无人机系统飞行中断）下，警员或其他代理机构可通过它发送非常具体的指令。——TDL5

分析结果表明，实现建议体系架构所需的技术已经可用，这对考虑未来3至5年要部署的系统来说非常有好处。

6 结语

本文对当前和未来3至5年内可用的通信、导航和监视（CNS）技术进行了实现分析。讨论了当前各种技术的技术成熟度。分析表明，NASA无人机系统通信、导航和监视体系架构中建议的大部分技术目前已经准备好进行集成飞行测试，一些先进的技术已经进行实验室试验，并且已经为2020~2022年飞行测试做好了准备。

这种实现分析是针对NASA早期计划工作项目中发布的管制空域和非管制空域无人机系统通信、导航和监视体系架构概念进行的，并且与主要无人机系统通信、导航、监视会议上大量发布和未决的公告一致。这项工作与全球空中交通管理服务保持一致，为有人和无人航空统一空域提供了发展途径。

在下一步的工作中，NASA团队准备将这些技术集成到实际飞行测试中，对体系架构概念加以验证。同时，据了解，在近期和中期，需要在实验室环境进行持续研究和开发，以便将先进的特性融入到正在进行的资格鉴定和认证工作中。NASA项目团队准备与其他无人航空团体就这方面的工作进行协调。

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