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】
[0001]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】
[0002]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占戈。
[0003]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镑)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2 O I 2美国联邦航空局现代化改革法案副标题B ( F A AModernizat1n and Reform Act of 2012,Subtitle B)333条款适航豁免的同时通过授权认证(Certifi cat 1n of Authorizat1n)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。
[0004]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$1」、空域限$1」、及飞行规则等)，或者是由于空地C2(Control andCommunicat1n，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，Airborne Sense and Avoid)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】
[0005]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。
[0006]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；
[0007]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；
[0008]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；
[0009]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；
[0010]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。
[0011]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，
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]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