考虑多因素影响的无人机碰撞风险评估_童亮.pdf

第 44 卷第 4 期兵 器 装 备 工 程 学 报2023 年 4月收稿日期:2022 06 08;修回日期:2022 07 24基金项目:陕西省自然科学基础研究计划(2022JM-412)作者简介:童亮(1995)，男，硕士研究生，助理工程师，E-mail:1044149827 qq com。通信作者:甘旭升(1971)，男，博士，副教授，E-mail:ganxusheng123163 com。doi:1011809/bqzbgcxb202304040考虑多因素影响的无人机碰撞风险评估童亮1，甘旭升1，张宏宏1，金剑勇2(1 空军工程大学 空管领航学院，西安710051;2 中国人民解放军 95140 部队，广东惠州516000)摘要:采用蒙特卡洛法评估多因素影响下的无人机与民航客机的碰撞风险，从而对进入融合空域的无人机冲突解脱概率进行计算。首先建立了基于速度或者航向调整方法的无人机避撞数学模型，随后对融合空域内影响无人机与民航客机定位误差的关键因素构成与分布进行了分析，并利用蒙特卡洛法对典型冲突场景下的碰撞风险进行仿真。结果表明:航向解脱与速度解脱 2 种策略在一定程度上均能避免无人机与民航客机之间危险接近，在同等误差条件下，速度解脱策略造成的严重事故往往更低;民航客机定位误差对避障效果影响较大;得到了给定误差条件下，不同冲突场景允许的最小安全间隔标准，能够为未来融合空域内无人机与民航客机、电子围栏安全间隔的设置提供理论依据。关键词:安全评估;速度障碍法;冲突解脱;蒙特卡洛本文引用格式:童亮，甘旭升，张宏宏，等 考虑多因素影响的无人机碰撞风险评估 J 兵器装备工程学报，2023，44(4):282 289Citation format:TONG Liang，GAN Xusheng，ZHANG Honghong，et al isk assessment of UAV collision consideringmultiple factors J Journal of Ordnance Equipment Engineering，2023，44(4):282 289中图分类号:V271 4;TB24;TP391 9文献标识码:A文章编号:2096 2304(2023)04 0282 08isk assessment of UAV collision considering multiple factorsTONG Liang1，GAN Xusheng1，ZHANG Honghong1，JIN Jianyong2(1 Air Traffic Control and Navigation College，Air Force Engineering University，Xi an 710051，China;2 Unit 95140 of the Chinese People s Liberation Army，Huizhou 516000，China)Abstract:This paper uses the Monte Carlo method to evaluate collision risks between a UAV and a civilairliner under the influence of multiple factors so as to evaluate and calculate the conflict resolutionprobability of UAV entering the fused airspace Firstly，a mathematical model of UAV collision avoidancebased on speed or course adjustment methods is established Then，the composition and distribution of keyfactors affecting the positioning errors of the UAV and the civil airliner in the fused airspace are analyzed，and the simulation of the collision risks in typical conflict scenarios are conducted using the Monte Carlomethod The results show that:Both course release and speed release strategies can avoid dangerousapproaches between a UAV and a civil airliner to a certain extent，and the serious accidents caused by thelatter strategy are less likely to occur under the same error conditions The positioning error of the civilairliner has a greater impact on obstacle avoidance The minimum safety interval criteria allowed fordifferent conflict scenarios under a given error condition are obtained，which can be used as the theoreticalbasis for the future setting of safety intervals in fused airspace between a UAV and a civil airliner as well asbetween electronic fencesKey words:safety assessment;velocity obstacle method;conflict resolution;Monte Carlo0引言随着航空工业技术的快速发展，无人机凭借其机动能力强、成本低、风险小等特点，在军事、农业、交通等领域发挥越来越重要的作用。由于缺乏可靠的冲突解脱能力，无人机目前通常在隔离空域内运行1。融合空域是指无人机与有其他有人机同时运行的空域。为了保证无人机在融合空域执行任务的可靠性，降低对空域带来的不安全影响，需要对无人机碰撞风险概率进行评估2。国内外对航空器飞行碰撞风险评估进行了一系列研究，最早用于碰撞风险评估的模型是 eich 模型3 4，分析了由于航空器位置误差造成的碰撞风险。EVENT 模型用来评估纵向间隔与侧向间隔的碰撞风险5。石磊等基于三维布朗运动模型，计算出航空器碰撞概率6。王松涛等人综合考虑高空风等环境因素对碰撞概率的影响7。杨新湦以碰撞风险为量化指标，基于尾涡强度对无人机与民机的纵向安全间隔进行评估8。张宏宏为解决无人机在复杂低空环境内运行安全性较低的现状，提出了基于飞行环境的风险评估方法，为低空无人机航路规划方法提供参考9。谷志鸣利用蒙特卡洛对冲突解脱算法可靠性进行评估10。张兆宁提出基于考虑所需 CNS(communication，navigation and surveillance)性能、防撞系统和高空风等影响因素作用下的碰撞风险评估11。目前，国内外对民航客机之间的碰撞风险已有一定的研究，但是对融合空域内无人机避撞风险的研究相对较少。传统研究中，有人航空器之间的碰撞风险集中于考虑人为因素的影响，学者们从不同的角度、维度对人为因素的进行了定性、定量的阐述。无人机没有机载的飞行驾驶员对飞机进行直接操纵，缺乏有人机与有人机之间“看见即躲避”的避撞方式，使得融合空域内无人机与有人机在避撞过程中主要依赖于无线信号/指令的传输，无线信号/指令的传输过程中易受到多种环境因素的干扰，导致信号/指令出现中断、丢包等现象，进而影响无人机避撞行为的执行，从而引发相撞事故。无人机进入融合空域与有人机共同运行是一种趋势，尤其是无人机与民航班机在融合空域中的共同运行。因此，需要对无人机在融合空域内的碰撞风险评估进行深入研究。本文针对无人机进入融合空域的现实需求，引入适用于无人机的速度障碍法模型。对融合空域内影响无人机与民航客机定位误差的关键因素构成与分布进行了分析。利用蒙特卡洛方法对经典冲突场景下的碰撞风险进行仿真，利用具体的理论数据得出无人机与有人机之间碰撞风险评估结果，为无人机进入融合空域提供一种理论参考。1无人机避撞模型针对无人机在融合空域内避障问题，国内外学者将智能优化算法12 13、势场法14 15、几何法16 17 等方法应用在冲突解脱领，均取得不错效果。Jrmy Omer18 将基于时间离散的航迹优化算法和基于空间离散化的航迹优化算法以及单次调整的航迹优化算法进行了比较。从综合表现来说单次调整优化算法能够解决更为复杂的情况，并且算法得到的冲突消解机动产生的消耗较少，计算时间适中。因此，本文选取基于速度障碍法的集中式单次调整优化方法作为评估对象。速度障碍法定义了一个障碍区域，当无人机与入侵障碍物的相对速度落在障碍区域之外，便可完成冲突解脱19。如图 1 所示，A 与 O 点分别为无人机与动态障碍物的位置，速度分别为 v1、v2，相对速度为 v=v1 v2，无人机与障碍物之间的安全距离设为 d1，无人机与障碍物之间的连线 AO 与v1、v2的夹角分别为 1、2。无人机与障碍物之间的动态关系可转化成以相对速度 v运行的无人机与静止障碍物之间的关系。图 1速度障碍模型示意图Fig 1 Diagram of speed barrier model无人机可以通过改变航向与速度，使得相对速度 v落在速度障碍区之外，实现避障。1 1航向调整如图 2 所示，无人机仅通过调整航向进行避障，无人机航向调整前后与坐标轴的夹角分别为 1与 1，相对速度调整前后分别为 v与 v，无人机速度调整前后分别为 v1与 v1，则有，根据文献 20，冲突解脱过程中，无人机航向调整量1为:1=1 1=arcsin(v2sin(2)/v1)1(1)图 2无人机航向调整前后相对速度矢量示意图Fig 2 Schematic diagram of relative velocity vector ofUAV before and after course adjustment1 2速度调整如图 3 所示，无人机仅通过调整速度大小进行避障，根382童亮，等:考虑多因素影响的无人机碰撞风险评估据文献 20，冲突解脱过程中，无人机速度调整量 v1为:v1=v1 v1=v2sin(2+)/sin(1)v1(2)图 3无人机速度调整前后相对速度矢量示意图Fig 3 Schematic diagram of relative velocity vector ofUAV before and after speed adjustment基于速度障碍法的集中式单次调整优化方法，无人机实现对障碍物规避并及时恢复到原航迹20，效果较好，但假设过于理想，忽略了无人机运行不确定性因素对避障的影响，因此需要综合考虑影响因素，对碰撞风险进行评估。2无人机运行影响因素分析无人机在融合空域内运行时，受到多随机因素影响，定位误差随着影响因素变化，造成一定程度的偏航，甚至导致无人机与空域内动态障碍物的危险接近、空中相撞，威胁无人机安全运行。本文选取影响无人机偏航的关键因素进行研究，假设造成无人机误差的各个环境要素之间相互独立，对多因素影响下的无人机碰撞风险进行评估。2 1导航性能对无人机定位影响目前，无人机定位方式主要是采用 GPS 卫星导航，其误差来源主要有卫星误差、传播误差与接收误差。卫星误差主要包括星历误差、星钟误差以及相对论效应影响等，传播误差主要包括电