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无人机飞行试验要素分析

发布时间:2017-12-07 09:03:00 文章来源:未来智讯    
    【关键词】无人机 飞行试验 空域 人机功效
    1 引言
    与传统有人驾驶飞机相比,无人机系统的“平台无人”特性使其可以替代人执行“枯燥的、恶劣的、危险的、纵身的”(Dull,Dirty,Dangerous,Deep,4D)任务,具有机动性强、适应能力和生存能力高、无人员伤亡风险、制造和维护成本低等优点。
    NASA德莱顿飞行研究中心从20世纪90年代开始开展无人机试飞研究,完成了包括X-36、“寻路者”太阳能无人机、捕食者A和B、X-34以及X-38在内的多型无人机地面及飞行试验研究,积累了大量无人机试飞研究的经验。
    文章从试验环境、软硬件以及人机功效三方面探讨了无人机飞行试验的要素。
    2 环境因素
    无人机飞行试验的进行需要合适的环境,选择试验场地时需要考虑的因素包括空域因素、天气因素和可用通信频率。
    2.1 空域因素
    无人机飞行试验的理想环境为:地处偏远地区、保护良好且人口和设施少的场地和空域。例如,美国爱德华兹空军基地内有广阔的干枯湖床可作为天然跑道,并且距离主基地的有人机飞行区域数英里之远,是新型复杂无人机首次飞行的理想地点。
    安全有效的使用空域有以下三项要求:边界和跟踪信息、加装飞行终止系统(FTS)、维持FTS可能对飞行器造成的影响的实施评估。使用雷达对无人机的位置进行精确追踪,确保无人机不会超出指定飞行空域,地面监控设备能通过这些信号描绘出飞行器在空域范围内的运行轨迹。X-36飞行试验中此信息通过GPS下行链路提供给地面设备,同时还设置了独立的空域安全专员使用单独的显示设备显示空域范围和无人机位置信息。
    除了飞行器位置信息外,应用飞行终止系统随时了解无人机对地面的冲击点同样重要。飞行终止系统能够根据飞行器的位置、特性以及当前相对高度的风切变来预测无人机对地面的冲击点,确保发生意外情况的飞机能够坠落在限定区域内,保证空域安全。
    2.2 天气因素
    天气对无人机系统测试很重要,需要考虑的因素包括风向、紊流和云量。其他需要监控的天气因素还有湿度、温度和压力。
    2.3 可用通信频率
    使用正确的可用通信频率也是无人机飞行试验成功实施的因素之一。比如在美国南加州,由于当地对通信频率的使用需求非常大,因此可供无人机用的通信频率高度受限。大多数无人机都需要使用大量的带宽,频率冲突越来越难以解决。未来无人机将共享当地同一空域,寻找可用的通信频率变得更加困难,唯一可能的解决方法就是使用卫星通信。
    3 硬件和软件
    无人机系统硬件和软件的设计与制造理论上和有人机没有区别,任何未经过认真评估的折中方案都会使系统完成任务的成功率下降到不可接收的程度。硬件和程序缺陷是导致多种型号灾难性事故的主要原因,涉及到的型号包括捕食者A和B、“寻路者”太阳能无人机、猛禽验证机等。
    3.1 硬件设计
    多数情况下无人机的尺寸比有人机小,无人机关键系统的安全裕度受限于飞机的空间,回收系统和飞行终止系统在某种程度上能够提供一种安全裕度,也可以增加试验机的数量来增大完成任务的可能,如X-36就制造了2架试验机。在设计阶段就必须考虑硬件的可靠性而不仅仅是到制造阶段才开始考虑。
    德莱顿飞行研究中心基于以往的经验给出了提高硬件可靠性的建议:
    (1)在飞行前尽可能的按照实际情况测试机体结构;
    (2)在高空实验台对飞机系统进行极端环境(极冷和低温)测试;
    (3)维持严格的飞行器构型控制;
    (4)在备份系统之间切换前确保将要使用的系统功能是正常的,需注意切换机制本身存在的风险;
    (5)对单一的飞机系统要仔细跟踪无人机关键系统和传感器的使用历程,设定保守的寿命周期指标,在预定间隔期对这些系统和传感器进行更换和保养。还要对关键单一系统故障提前制定应对措施。
    3.2 软件设计
    无人机(特别是完全自主的无人机)比有人机更依赖于软件。在这些系统中人工干预仅仅局限于偶尔向飞机执行软件发送指令,调用如起飞、改变位置坐标、开始数据传输、返回基地和着陆等预编程的行动。
    德莱顿飞行研究中心通过飞行经验总结了如下提高软件可靠性的建议:
    (1)在软件设计早期采用计算机辅助软件设计(CASE)工具能带来不少益处;
    (2)应该使用硬件在回路的仿真对软件、仿真及飞行器系统进行测试,同时也能提高飞行员培训的真实性;
    (3)应当从一开始就贯彻执行严格的、全面的软件构型控制;
    (4)保证飞行员在回路中已在多种场合挽救了无人机损坏或发生坠毁。
    4 人机功效
    即使无人机主要靠自动运行,人为因素也不可忽视。不同于有人机飞行员能够从飞行器使用环境中获得直接的感官,无人机飞行员只能获得通过数据链下传到地面站中的有限视界范围的视频图像和飞机状态信息,失去了视觉、听觉以及对加速的和振动变化的感觉。因此与有人机飞行员相比,无人机飞行员是在一种“感觉隔离”的环境中对飞行器实施操作的。
    德莱顿飞行研究中心通过X-36和“寻路者”无人机地面站试验总结了如下人机功效设计经验:
    (1)来自无人机的下行视频及无人机内部的声音;
    (2)自动驾驶仪的状态显示清楚,并能让全体机组人员看到;
    (3)切换功能要有清楚的标识和指示;
    (4)开关之间距离要足够远以防意外碰触,尽量避免或移除多功能开关;
    (5)尽量避免单个仪表显示多个信息,如果必须显示,应用不同颜色进行区分;
    (6)使用高品质的耳机和麦克风保证机组人员之间的通信;
    (7)关键信息要显示在飞行员舒适的视线范围内;
    (8)使用不同的颜色表示系统健康状态,如绿色代表健康,黄色代表警告,红色代表危险等;
    (9)关键参数要能够使整个测试团队清晰可见。
    5 结束语
    美国NASA德莱顿飞行研究中心在美国无人机系统研发过程中扮演了重要角色,通过多年试验研究为无人机系统设计、研发和试验积累了宝贵的经验。文章罗列的这些建议和经验对安全和成功的开展无人机飞行试验具有重要的参考价值,如飞行试验场地选择、历史天气分析、通信频率选用、软硬件及地面站人机界面设计等。
    参考文献
    [1]John H.Del Frate,Gray B.Cosentino, Recent Flight Test Experience with Uninhabited Aerial Vehicles at the NASA Dryden Flight Research Center, NASA/TM-1998-206546, April 1998.
    [2]Bauer,Jeffrey E. and Teets,Edward,An Impact-Location Estimation Algorithm for Subsonic Uninhabited Aircraft, NASA/TM-97-206299,Nov.1997.
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