无人机安全运营的机载自主监视及报警系统和方法

技术领域

本发明涉及无人机安全运营领域，具体涉及无人机安全运营的机载自主 监视及报警系统和方法。

背景技术

近年来我国无人机产业蓬勃发展，消费级、工业级、以及商用无人机在 越来越多领域的应用层出不穷。但与此同时由于无人机引发的安全事故也屡 见不鲜。在将无人机运营融入到现有的国家空域体系的过程中，也面临规章 体系、技术、以及运营等方方面面的挑战。

从规章体系的角度出发，民航局飞标司2015年12月29日颁布轻小无人 机运行规定(试行)首先并不适用于大部分用无线电操作的航空模型，那么对于 此种类型的无人机用户安全运营的保障全在于地面操作人员(机长、观测员 等)的自行管控。对于适用但未接入无人机云的用户仅要求用户向相关部门 了解限制区域的划设情况，并通过类似于程序管制的方式要求用户不得突破 机场障碍物控制面、飞行禁区、未经批准的限制区以及危险区等。即使是已 经接入无人机云的用户，在对无人机云供应商的质量管理体系和安全管理体 系才刚刚制定规范进行管控的起步阶段，也面临着无人机云失效或失灵这个 单点故障将造成整个无人机端到端的运营环境瘫痪的问题。从失效分析的角 度出发我们需要在整个无人机端到端的的运营生态系统提供冗余机制以保障 无人机安全运营。在无人机运营融合管控和研究走在我们前面的美国，对航 空模型的运营安全保障也全权交于地面操作人员的自由裁量。对于商用无人 机运营(起飞全重小于55磅)美国联邦航空局提供了相应流程规定了运营需 遵守的规则。例如在获得2012美国联邦航空局现代化改革法案副标题B(FAA ModernizationandReformActof2012，SubtitleB)333条款适航豁免的同时通 过授权认证(CertificationofAuthorization)审批明确了运营需遵守的空域、 飞行规则等约束条件。但这仅为保障无人机运营安全提供了一个流程解决方 案。流程解决方案自身有很大的局限性，其原因在于成功执行的前提是无人 机端到端的的运营环境中的所有参与者都自觉遵守流程且无故障。当危险不 经意间发生时(意想不到的入侵限制空域为例)或者地面操控人员不能实时 的控制无人机系统飞离危险的状态，与此同时空中交通管制系统、设备、以 及管制员也可能由于工作量的优先级、无法应对不同范围的无人机(大小， 速度，高度，以及它们的组合)平台的能力而对危险情况缺乏基本的态势感 知。在这种情况下显然会对现有国家空域系统带来显著的安全威胁，尤其是 在有人驾驶航空器参与的运营场景中。

无人机云提供了一个地基的被动式监管解决方案，同时在机场进近管制 区、禁区、限制区、危险地区等划设电子围栏，无人机危险接近电子围栏， 任意终端将进行报警提示，无人机碰触电子围栏将自动返回起降地点。首先 从安全和运营成本的平衡关系考量自动返回起降地点未必是最佳解决方案， 而且当出现危险时通过多重数据链路通信报警并操控无人机飞离危险情况的 实时性有待商榷。即便是系统工作正常且传输延迟能够满足无人机运营的实 时性要求，我们从失效分析的角度出发也需要在整个无人机端到端的的运营 生态系统提供冗余机制以确保运营安全。况且目前还没有强制规定所有轻小 无人机必须接入无人机云。当地面操作人员不经意的失去了无人机危险飞行 状态的态势感知时(例如违反了飞行的速度限制、空域限制、及飞行规则等)， 或者是由于空地C2(ControlandCommunication，控制和通信)数据链突然失 效或失灵、突然出现视距阻挡等原因而造成地面操作人员无法及时的操控无 人机飞离危险状态时，我们需要一个机载系统提供自主监控及报警信息，并 在必要的时候触发自动操纵以确保无人机在安全边界内飞行。此外，当极其 紧急的情况发生时无人机驾驶员必须中止飞行，我们也需要机载系统自动引 导无人机安全飞行直至降落，同时确保整个飞行轨迹在安全范围内。之前和 现有的技术并没有提供完善的解决方案来解决这个问题。现有的机载感知规 避(ABSAA，AirborneSenseandAvoid)系统主要是基于雷达技术或红外摄 像技术的，所以只提供实体障碍避让功能。这些系统无法响应“虚拟障碍”， 例如限制空域的边界。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种无人机安 全运营的机载自主监视及报警系统，该系统根据一系列的安全约束条件和规 则构造了多维度的“虚拟围栏”，并确保无人机在“虚拟围栏”设置的安全 边界内运营。

为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：无人机安全运营的机载自 主监视及报警系统，包括地面系统，所述机载自主监视及报警系统集成在无 人机机载系统中，所述地面系统与无人机通过空地C2数据链通讯；

所述地面系统提供图形化用户界面以显示无人机的报警信息和自主控制 指令，同时供地面操作人员集成及编辑更新的安全约束条件，并根据更新的 安全约束条件修改和优化无人机应急回收程序的预定航迹；

所述机载自主监视及报警系统中设置有机载数据库，所述机载数据库构 造无人机的安全边界；

所述机载自主监视及报警系统还包括数据接口，所述数据接口通过空地 C2数据链上传更新的实时安全约束条件以及随之更新的应急回收程序的预定 航迹；

无人机通过所述机载数据库中存储的安全边界数据，根据危险程度触发 不同等级的报警信息以及自主控制指令，并通过空地C2数据链实时下传到 地面系统及操作人员。

进一步的，无人机机载系统还集成有GPS接收机、机载感知规避系统、 机载防撞系统和机载气象避让系统，

所述机载自主监视及报警系统与所述GPS接收机、所述机载感知规避系 统、所述机载防撞系统和所述机载气象避让系统数据连接。

进一步的，所述机载数据库包括导航数据库、地形/障碍物数据库、气象 数据库、速度监测数据库和通讯数据库中的一种或多种。

进一步的，当所述机载数据库包括导航数据库时，所述导航数据库中存 储有无人机的空域限制规则，所述空域限制规则包含无人机飞行的真高上限、 水平边界以及垂直和横向边界，当无人机的预计航迹接近用户设置的空域边 界时，将根据预先设定的阀值触发相应的报警信息以及自主控制指令。

进一步的，当所述机载数据库包括地形/障碍物数据库时，所述地形/障碍 物数据库中存储有无人机的地形及障碍物避让规则，当无人机的预计航迹接 近地形及障碍物时，将根据预先设定的阀值触发相应的报警信息以及自主控 制指令；建立在该规则之上的逻辑控制预留有与无人机中机载实体障碍避让 系统相融合的接口。

进一步的，当所述机载数据库包括气象数据库时，所述气象数据库中存 储有无人机的气象限制边界，当无人机的预计航迹接近用户设置的气象限制 边界时，将根据预先设定的阀值触发相应的报警信息以及自主控制指令； 建立在该规则之上的逻辑控制应预留有与无人机中机载气象避让系统相融合 的接口。

进一步的，当所述机载数据库包括速度监测数据库时，当无人机的地速 或修正空速接近速度上限时，将根据预先设定的阀值触发相应的报警信息以 及自主控制指令。

进一步的，当所述机载数据库包括通讯数据库时，综合所述通讯数据库 和空地C2数据链和GPS系统工作状态的实时监测判定空地C2数据链或GPS 是否有效；

当判定空地C2数据链或GPS无效时，将根据预先设定的时间阀值触发 相应的报警信息以及自主控制指令。

当判定GPS临时失效时，将通过地面操作人员或自动操纵驾驶无人机飞 行到安全航点，并确保整个航迹在安全边界内。当判定GPS为永久失效时， 将通过地面操作人员或自动操纵驾驶无人机按照应急回收程序的预定航迹紧 急降落到安全着陆点，并确保整个航迹在安全边界内；

当空地C2数据链失效时，启动自动操纵以确保无人机在安全边界内飞 行。

进一步的，通过所述机载自主监视及报警系统中设置的多个机载数据库， 构造无人机的多维度安全边界。

进一步的，所述地面系统能够根据安全约束条件的不同类别提供自动与 手动模式将更新的安全约束条件和应急回收程序的预定航迹通过空地C2数 据链上传到机载自主监视和报警系统。

进一步的，所述地面系统还提供地面操作人员启动自动操纵及语音告警 的功能。

进一步的，所述地面系统还包括接口单元，所述地面系统通过所述接口 单元连接有空管系统、无人机云系统以及航空服务系统以获取或更新无人机 安全约束条件。

另一方面，本发明还提供一种无人机安全运营的机载自主监视及报警方 法，该方法采用上述的无人机安全运营的机载自主监视及报警系统；具体包 括如下步骤：

无人机起飞前通过地面系统的图形化用户界面获取从空管系统和/或无人 机云系统提供的安全约束更新，并根据安全约束条件的不同类别设置自动与 手动的更新模式；

无人机起飞前将当前的安全约束条件通过空地C2数据链上传到机载自 主监视及报警系统；机载自主监视及报警系统根据上传的安全约束条件配 置“虚拟围栏”的安全边界的初始状态；

无人机起飞后，每有安全约束条件更新时地面系统将相应重新设置应急 回收程序的预定航迹，并将更新的安全约束条件和应急回收程序的预定航 迹通过空地C2数据链上传到机载自主监视及报警系统；机载自主监视及 报警系统根据更新的安全约束条件重新配置“虚拟围栏”的安全边界；

无人机机载系统对无人机的飞行状态进行实时监控，并根据其控制算法 在不同的阀值触发相应的报警信息以及自主控制指令；报警信息和自主控 制指令，通过空地C2数据链下传到地面系统。

进一步的，当突然出现视距阻挡造成地面操作人员暂时失去了无人机飞 行状态的态势感知时，地面操作人员可通过空地C2数据链立即启动机载 自主监视及报警系统的自动操纵功能；该无人机机载系统可自动驾驶无人 机并确保无人机在“虚拟围栏”设置的安全边界内运营。

进一步的，如果在一定的时间阀值内该无人机机载系统没有收到任何后 续控制指令将锁定自动操纵模式并启动应急回收程序；该无人机机载系统 将根据应急回收程序的预定航迹的最后更新自动驾驶无人机直至安全降 落。

本发明采用以上技术方案，将机载自主监视及报警系统集成在无人机机载 系统中，地面系统与无人机通过空地C2数据链通讯；在所述机载自主监视及 报警系统中设置有机载数据库，以构造无人机的安全边界；本发明中地面系 统通过空地C2数据链上传更新的实时安全约束条件以及随之更新的应急回 收程序的预定航迹；无人机通过所述机载数据库中存储的安全边界数据，根 据危险程度触发不同等级的报警信息以及自主控制指令，并通过空地C2数 据链实时下传到地面系统及操作人员。

本发明中根据一系列的安全约束条件和规则构造了多维度的“虚拟围栏”， 并确保无人机在“虚拟围栏”设置的安全边界内运营。该系统对无人机的4-D (四维)航迹、速度等飞行状态进行实时监控并在危险状况触发时提供相应告 警，必要的时候甚至启动自动操纵以确保无人机在安全边界内飞行。由于是机 载自主监视和报警系统，在紧急情况需要立即操控无人机飞离危险状况时避免 了多重空地数据链路的指令传输延迟。并且规则系统的开放式设计有利于灵活 扩展和改变安全约束条件和规则。在目前的规章体系下出于机载系统的安全设 计考量，该发明中描述的所有规则都建立在确定性逻辑之上。另一方面预留相 应接口可扩展到涵盖基于人工智能的逻辑，以拓展在航空领域中基于人工智能 技术更多的应用。

附图说明

图1为本发明无人机安全运营的机载自主监视及报警系统结构示意图之 一；

图2为本发明无人机安全运营的机载自主监视及报警系统结构示意图之 二；

图3为发明无人机安全运营的机载自主监视及报警系统之空域限制规则 示意图；

图4为本发明无人机安全运营的机载自主监视及报警方法流程图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1至图3所示，本实施例提供一种无人机安全运营的机载自主监视 及报警系统，包括地面系统，所述机载自主监视及报警系统集成在无人机机 载系统中，所述地面系统与无人机通过空地C2数据链通讯；所述地面系统提 供图形化用户界面以显示无人机的报警信息和自主控制指令，同时供地面操 作人员集成及编辑更新的安全约束条件，并根据更新的安全约束条件修改和 优化无人机应急回收程序的预定航迹；所述机载自主监视及报警系统中设置 有机载数据库，所述机载数据库构造无人机的安全边界；

所述机载自主监视及报警系统还包括数据接口，所述数据接口通过空地 C2数据链上传更新的实时安全约束条件以及随之更新的应急回收程序的预定 航迹；无人机通过所述机载数据库中存储的安全边界数据，根据危险程度触 发不同等级的报警信息以及自主控制指令，并通过空地C2数据链实时下传 到地面系统及操作人员。

本实施例中的无人机机载系统还集成有GPS接收机、机载感知规避系统、 机载防撞系统和机载气象避让系统，所述机载自主监视及报警系统与所述 GPS接收机、所述机载感知规避系统、所述机载防撞系统和所述机载气象避 让系统数据连接。

需要进一步说明的是，所述机载数据库包括导航数据库、地形/障碍物数 据库、气象数据库、速度监测数据库和通讯数据库中的一种或多种。

本实施例中通过所述机载自主监视及报警系统中设置的多个机载数据 库，构造无人机的多维度安全边界。

机载自主监视和报警系统根据一系列的安全约束条件和规则构造了多维 度“虚拟围栏”。“虚拟围栏”所构造的安全边界中用到的参数由用户自定 义且可重新配置。用户可以根据航空规章、空管部门提供的空域划设情况及 限制、无人机能力、运营任务性质、气象条件、以及操作区域地形地貌特点 等配置这些参数：

作为一种优选的实施方式，当所述机载数据库包括导航数据库时，所述 导航数据库中存储有无人机的空域限制规则，所述空域限制规则包含无人机 飞行的真高上限、水平边界以及垂直和横向边界，当无人机的预计航迹接近 用户设置的空域边界时，将根据预先设定的阀值触发相应的报警信息以及自 主控制指令。

需要补充说明的如下：

空域限制规则：当无人机的预计4-D航迹接近用户设置的空域边界时， 将根据不同的阀值触发相应的报警信息以及自主控制指令。空域边界可由， 但不局限于，下面的子规则构成：

真高上限，通常根据航空规章或空管部门有关规定来配置。

水平边界，通常根据空管的“与民用机场保持一定距离”的要求配置。

垂直和横向边界，通常在与运营管控部门协调后根据具体的空域划设和 限制来配置。

作为一种优选的实施方式，当所述机载数据库包括地形/障碍物数据库时， 所述地形/障碍物数据库中存储有无人机的地形及障碍物避让规则，当无人机 的预计航迹接近地形及障碍物时，将根据预先设定的阀值触发相应的报警信 息以及自主控制指令；建立在该规则之上的逻辑控制应预留与其他机载实体 障碍避让系统(例如基于雷达技术或红外摄像技术的机载感知规避系统、机 载防撞系统等)有效融合的接口。

作为一种优选的实施方式，当所述机载数据库包括气象数据库时，所述气 象数据库中存储有无人机的气象限制边界，当无人机的预计航迹接近用户设 置的气象限制边界时，将根据预先设定的阀值触发相应的报警信息以及自主 控制指令；气象限制边界通常根据航空规章或空管部门有关规定来配置。用 户可根据气象变化通过空地C2数据链实时更新限制边界。在可预知的将来， 建立在该规则之上的逻辑控制应预留与其他机载气象避让系统有效融合的接 口。

作为一种优选的实施方式，当所述机载数据库包括速度监测数据库时，当 无人机的地速(GroundSpeed,GS)或修正空速(CalibratedAirspeed,CAS) 接近速度上限时，将根据预先设定的阀值触发相应的报警信息以及自主控制 指令。

作为一种优选的实施方式，当所述机载数据库包括通讯数据库时，综合所 述通讯数据库和空地C2数据链和GPS系统工作状态的实时监测判定空地C2 数据链或GPS是否有效；

当判定空地C2数据链或GPS无效时，将根据预先设定的时间阀值触发相 应的报警信息以及自主控制指令。

当判定GPS临时失效时，将通过地面操作人员或自动操纵驾驶无人机飞行 到安全航点，并确保整个航迹在安全边界内。当判定GPS为永久失效时，将 通过地面操作人员或自动操纵驾驶无人机按照应急回收程序的预定航迹紧急 降落到安全着陆点，并确保整个航迹在安全边界内；

当空地C2数据链失效时，启动自动操纵以确保无人机在安全边界内飞 行。

多维度“虚拟围栏”所定义的安全边界可以通过多个机载数据库实现， 而且数据库的架构设计应预留将来定义其他安全约束条件所需数据库的接 口。例如“导航”数据库中包含所有的空域约束条件，而“地形及障碍物” 数据库则定义了由地形及障碍物决定的安全边界。对于商用无人机运营，用 户可以根据航空规章以及与空管部门协商之后确定的运营限制配置这些数据 库。对于无线电操作的航空模型，用户可以在保证足够安全余量的前提下配 置数据库。安全余量应根据无人机的能力来设定。

该系统提供数据接口通过空地C2数据链上传的实时安全约束条件更新 (例如由于临时军事演习而更新的空域约束条件，或由气象变化造成的安全 边界更新等)以及随之更新的应急回收程序的预定航迹。

该系统根据危险程度触发不同等级的报警信息以及自主控制指令，并提 供接口通过空地C2数据链实时下传到地面系统及操作人员。当空地C2数据 链正常工作时，地面操作人员仍可超控自主控制指令而根据自己的判断控制 无人机飞行。当空地C2数据链失效时，启动自动操纵以确保无人机在安全 边界内飞

关于本实施例中，需要进一步说明的是，所述地面系统能够根据安全约 束条件的不同类别提供自动与手动模式将更新的安全约束条件和应急回收程 序的预定航迹通过空地C2数据链上传到机载自主监视和报警系统。

所述地面系统还提供地面操作人员启动自动操纵及语音告警的功能。

所述地面系统还包括接口单元，所述地面系统通过所述接口单元连接有 空管系统、无人机云系统以及航空服务系统以获取或更新无人机安全约束条 件。

另一方面，本实施例中还提供一种无人机安全运营的机载自主监视及报 警方法，如图4所示，地面操作人员在起飞前通过地面系统的图形化用户界 面获取从其他系统(例如空管系统、无人机云系统、以及其他航空服务系统) 提供的安全约束更新，并根据安全约束条件的不同类别设置自动与手动的更 新模式。例如从空管系统获取的空域约束条件(禁飞区、限制空域、民用机 场周边空域等)属于强制约束不能因为地面操作人员的疏忽而没有及时更新， 因此应设置为自动更新模式。而从商用的航空服务系统获取的气象变化可设 置为手动更新模式，在飞行运营时由地面操作人员做最终判断是否必须上传 更新的气象安全约束条件。

地面操作人员在起飞前将当前的安全约束条件上传(通过空地C2数据链 或其他地面可用的上传接口)到机载自主监视及报警系统。机载自主监视及 报警系统根据这些安全约束条件配置“虚拟围栏”的安全边界的初始状态。

无人机起飞后，每有安全约束条件更新时地面系统将相应重新设置应急 回收程序的预定航迹，并将将更新的安全约束条件和应急回收程序的预定航 迹通过空地C2数据链上传到机载自主监视及报警系统。机载自主监视及报警 系统根据更新的安全约束条件重新配置“虚拟围栏”的安全边界。该机载系 统对无人机的4-D航迹、速度等飞行状态进行实时监控，并根据其控制算法 在不同的阀值触发相应的报警信息以及自主控制指令。如附图3显示，在无 人机的4-D航迹与空域安全边界的相对位置达到“阀值1”时仅触发报告信息， 达到“阀值2”时仅触发预警信息，而在达到最接近空域安全边界的“阀值3” 时触发警告信息并由该无人机机载系统的控制算法计算出自主控制指令(例 如“向左转”、“下降”等)。报警信息和自主控制指令，通过空地C2数据 链下传到地面系统并显示给地面操作人员。对于特别紧急的情况地面系统的 用户界面还可提供语音告警。在正常工作情况下，地面操作人员仍可根据自 己的判断决定是否按照自主控制指令控制无人机飞行。

当突然出现视距阻挡等原因而造成地面操作人员暂时失去了无人机飞行 状态的态势感知时，地面操作人员可通过空地C2数据链立即启动机载自主监 视和报警系统的自动操纵功能。该无人机机载系统可自动驾驶无人机并确保 无人机在“虚拟围栏”设置的安全边界内运营。在一定的时间阀值内如果地 面操作人员重新掌握了无人机飞行状态的态势感知(例如无人机重回视距范 围内)，地面操作人员可通过空地C2数据链关闭自动操纵功能并重新手动控 制无人机飞行。机载自主监视及报警系统在自动操纵功能被地面操作人员启 动后，将实时监控地面操作人员通过空地C2数据链上传的后续控制指令。与 此同时该无人机机载系统仍可获取上传的安全约束条件更新并重新配置“虚 拟围栏”的安全边界。如果在一定的时间阀值内该无人机机载系统没有收到 任何后续控制指令(代表地面操作人员无法重新掌握无人机飞行状态的态势 感知)，将锁定自动操纵模式并启动应急回收程序。该无人机机载系统将根 据应急回收程序的预定航迹的最后更新自动驾驶无人机直至安全降落。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而 已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做 的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。