小土刀

【通天塔之聊聊无人机】肆 NASA 的技术思路

NASA 作为美国在无人机政策指定的主心骨,其研究思路和做事方法都有值得我们学习的地方。如何引导利益博弈,如何在博弈中争取最大的合力,其实比计划本身更需要智慧。


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  • 2016.11.29: 更新系列目录

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上一篇我们了解了 NASA 的总体计划,这一篇我们来细致观察一下具体计划里有什么。

技术目标

技术目标在于保证低空无人机操作的安全。为了达到这个目标,NASA 给出来了短期和长期目标。短期目标比较务实:随着民用无人机行业的快速发展,NASA 需要尽快拿出一个系统,来基本保证飞行安全。而长期目标则抽象些,原话是『满足无人机飞行日益增长的需求,与此同时保证最高的安全性、效率和通行能力』

在此基础上,除了无人机系统本身,也需要配套的可移动/永久地面站,以支持包括但不限于下列应用领域:

  • 农业应用
  • 低空雷达
  • 摄影摄像
  • 设备巡检
  • 搜索救援
  • 货物运输

端平一碗水

民用无人机硬生生把二维的交通扩展到了三维(虽然地面交通也有立交桥之类的设施,我们姑且认为其仍旧是二维的)。空间是资源,资源是财富,这么一大笔财富要怎么分,就需要考虑到各种因素了。

最重要的当然是国家和地区的安全,对于某些核心或者机密的资产,一定得严防死守。其次是与现有空域的集成,这里则需要具体地区具体应用具体分析,可以想见这里将会是各大公司争夺的重点(Google 和 Amazon 已经开始提前入场占位了)。最后才是在商业、农业上的应用。这种趋势其实在很多产业上都已经得到验证,计算机和网络都是经过这样一个实验室-军方-政府-商业公司-个人的发展历程才有今天的。

为此,NASA 要推出/推广的 UTM 系统其实是一整套完整的服务,用以保证低空安全飞行,具体包括:

  • 空域管理和地理栅栏
  • 天气和大风预报
  • 预测和管理航线
  • 禁飞区和人造建筑数据库(避免相撞)
  • 保证安全距离(空域预留,包括无人机与无人机之间通信或无人机与 UTM 系统间通讯两种方法)
  • 只允许已授权行为

具体我们可以从下图中看到

技术功能

空域行为与管理

根据目前的规定,最高只能飞 500 尺(大概是 150 米),具体管理的时候,得考虑到地形的需要和应用的需要。而一片空域如果有多架无人机,到底谁是老大呢?NASA 的规则也非常简单粗暴:谁性能好谁是老大,毕竟性能好的(尤其是安全性能)更能保证自己执行任务的稳定性。

这之中一个很重要的技术就是地理栅栏(Geo-fencing),其中又包括动态和静态两种。静态的比较好理解,比方说风景名胜、机场设施等重要的建筑(尤其是对领空有要求的),都可以提前输入到禁飞系统中;动态的则针对于突发事件,比方说火灾、爆炸、恐怖袭击等等。

大风与天气信息集成

影响飞行的天气主要有几种:大风、降雨和打雷。无人机本身没有感知天气的能力,用户在飞行的过程中可能也无法通过目测来判断接下来的天气,这样的话一旦出现影响飞行甚至是极端天气状况,可能会造成事故,所以如果可以利用 UTM 系统来告知用户相关信息,在一定程度上就增加了用户和无人机的环境感知能力。

拥堵管理

拥堵简单来说就是需求与容量的不平衡,就像城市道路交通一样,很多时候僧多粥少,可以缓解,但不可能解决。针对无人机来说,空中走廊,高度划分和方向划分都是可能的解决方案,不过这些都应该仅在必要时采用。

分隔管理

有的时候我们需要对特定空域进行隔离(保留),每架无人机在飞行中也需要和其他无人机保持安全距离。具体可以分成 V2V(无人机到无人机)或 V2UTM(无人机到 UTM 系统两种解决方案)。而追踪的方式主要有三种:基于 ADS-B,基于手机和基于卫星。不同的方法各有利弊,会在后面的文章进行介绍,这里就不展开了。

突发事件应对

这里主要是为了利用无人机来应对类似 9-11 事件的突发状况,尤其是在大规模 GPS 和手机都失效的情况下,如何才能有效调度无人机来进行应对呢?相信这也是一个很大的技术挑战。

商业模型

UTM 目前虽然由 NASA 带领开发,但最终 的商业模型仍然没有定论。可能的方式有:

  1. 单一服务提供:政府机构。类似于 FAA(Federal Aviation Administration)
  2. 单一服务提供:非政府机构。提供一个 Web 服务
  3. 多服务提供:州政府、当地政府机构。可以根据不同需要进行部署
  4. 多服务提供:非政府机构。不同公司完成不同区域的部署

这个时候我就要说还是由政府来统一组织管理比较好,至少不会像美国银行业那样撕裂。比方说匹兹堡最流行的 PNC 银行,在湾区是找不到的;而在加州很多的 Chase 银行,在匹兹堡是找不到的。听起来就很不方便,更不要说又贵又慢的转账了。所谓『集中力量办大事』,我觉得应该就是办这类事儿。

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