主動避障、電子圍欄、自動應答、空中管制、自主起降、應急備降，這些圍繞無人機飛行安全的技術和管理上的舉措層出不窮。當我們對其進行歸納總結之后便會發現，提高無人機的安全性和可靠性的技術手段主要包括兩個方面：

　　一是如何防止無人機與有人駕駛飛機或其他無人機在空中相撞;

　　另一個是如何減少無人機因故障墜落的概率。

　　如何防止空中相撞

 　　如今，無人機雖然能夠飛上天空，但是除了那些在戰爭中飛行在目標國家上空的軍用無人機外，大部分無人機還只能在提前申請空域后，在指定的地區上空進行測試飛行或者作業飛行。無人機目前仍處在一個個隔離區中，共享空域、空域整合等概念的實現還有很長的路要走。而這種將空域劃分成許多孤島進行管理的方式會使原本就極為有限的空域資源和日漸龐大的無人機規模之間的矛盾變得越來越尖銳。

 　　目前，有人駕駛飛機已建立了多層防撞體系。那么無人機能否直接照搬有人駕駛飛機的空中管制系統和防撞技術呢?答案是否定的。

 　　1926年，美國頒布了世界上第一部航空管制相關的法規——《航空法典》。從上世紀30年代起，很多機場開始陸續裝備無線電收發設備，空中交通管制系統的雛形開始出現。飛行員可以通過和機場塔臺的交流獲取各種信息。在那之后的很多年，飛行員們通過118.00-136.955Mhz的甚高頻無線電頻道避免了大量空中相撞的事故。在那以后，飛行員在準備降落的時候，也不用再去機場上空低飛通場來查看機場跑道的情況了。無線電設備的通訊功能和導航定位功能使有人駕駛飛機的安全性得到了保障。再后來，ATC(空中交通管制系統)的普及讓飛機在空中意外相遇的情況變得越來越少見。而TCAS(空中交通警戒與防撞系統)和飛行員的駕駛技術則是民用飛機防止空中相撞的最后一道防線，能夠在緊急情況下避免事故出現。

　　但是，在無人機上照搬有人駕駛飛機的這些防撞手段的時候，會遇到一些技術門檻。

 　　首先，應答機在無人機上主要用來廣播其型號和位置速度等信息。但是在有人駕駛飛機對其進行呼叫的時候，很難從無人機那里得到回應。而即使無人機操控員得到了需緊急避讓的消息，能否避免碰撞事故的發生也極為依賴無人機遙控鏈路的通暢。

 　　其次，有些無人機的飛行并不會按照起降機場之間的連線進行飛行。出于遙測、勘探、偵察等任務的需要，無人機的航路會有自己的特征，甚至會按照需求自主規劃航路。這一技術特征使得傳統的空中交通管制方式難以直接復制到無人機上。

 　　第三，一些大型無人機的垂直機動性與民航機之間仍有一定的區別，適用于民用有人駕駛飛機的空中交通警戒與防撞系統并不一定能讓無人機真正實現緊急避讓的機動動作。

 　　一套比較理想的無人機防撞系統應該至少由兩大部分組成：一是高可靠性、多信號來源的探測系統，二是高效率、智能化的自主規避策略。

 　　無人機沒有機上飛行員，因此缺失了飛行員的臨場決斷響應環節。這就對其探測系統提出了更高的要求。無人機的探測系統應該由ADS-B(廣播式自動相關監視系統)、TCAS(空中交通警戒與防撞系統)和應答機三部分組成。其中，應答機和TCAS的應用可以借鑒有人駕駛飛機系統。而ADS-B系統和高可靠性的通訊鏈路的引入則使無人機的操控人員能夠靈活處置突發情況，使地面人員的智能和應變能力在碰撞發生之前及時介入到無人機的飛行過程中。

 　　另外，為了提高無人機的感知能力，有必要引入相關的光學設備。諾斯羅普·格魯曼公司和美國空軍聯合研制的EO-TCAS系統用光學探頭來彌補傳統TCAS系統的不足，使得無人機在增重很小的前提下，獲得了精確感知相對角度的能力。這樣，在遇到緊急情況時，無人機就不僅能像民航飛機那樣收到TCAS系統爬升或是下降的提示，還能夠借助光學系統得到俯仰角和偏航角的詳細指令，能夠更加靈活地處置規避問題，并能在成功躲避危險后，自動重新規劃任務航路，完成剩余飛行任務。

 　　一個較為理想的防碰撞算法則應該考慮到無人機本身的飛行特征。比如在高空巡航的無人機，其垂直機動性和水平機動性之間存在較大差異。要求一架已經在其最大飛行高度上飛機的無人機繼續向上爬升來實施避讓的做法是不夠明智的。

 　　另外，當無人機真正進入有人駕駛飛機的空域，或者進行大批次編隊飛行的時候，空中避讓將會是一個常態化的動作。因此，從算法設計伊始，就應當考慮到綜合效果，而不是僅僅以能夠預防事故發生為唯一標準。防撞算法要在保證所有相關飛行器的安全的前提下，對無人機實施躲避動作所花的時間、執行躲避動作的算法對制導控制系統的影響、躲避動作對正在執行的任務會造成怎樣的影響并如何進行針對性的彌補等方面進行統籌規劃。

 　　否則，一套過于重視安全性卻會明顯影響無人機作業的算法會激發人們冒險摘除安全系統進行“黑飛”的動機，反而會增大無人機帶來危險的可能性。以航測勘查無人機為例，成本為60萬的無人機，單次航測的數據可以賣到10萬元以上的價格，只要有6次成功的“黑飛”，就能收回成本甚至獲得一定的收益。如果防撞算法使得無人機的單次航測任務失敗的話，則會帶來相當大的損失。讓無人機的安全系統與無人機的作業任務和諧共處，才能使生產廠商和無人機用戶真心接納無人機安全系統，才能使防止無人機引發空中相撞事故的硬件系統和軟件算法得到大量應用和持續發展。這是在有關無人機政策法規之外，對無人機安全性的另一個有力支撐。

 　　目前，有關“共享空域”的計劃正在成為很多人的夢想。“下一代空域將著眼于利用衛星使得航管員、飛行員、乘客、無人飛行器以及其他與此相關者能夠實時地共享空域。”該計劃一旦完成，無人機就可以和有人駕駛飛機共享一片空域，一起自由翱翔了。但是，在想象這一美好時代來臨的時候，總有一些揮之不去的問題困擾著我們：無人機到底安不安全?從技術角度上來說，無人機到底要做到怎樣的程度才能得到更多人的認可，人們才能放心地將其釋放到藍天白云之間呢?

 　　主動避障、電子圍欄、自動應答、空中管制、自主起降、應急備降，這些圍繞無人機飛行安全的技術和管理上的舉措層出不窮。當我們對其進行歸納總結之后便會發現，提高無人機的安全性和可靠性的技術手段主要包括兩個方面：

　　怎樣降低墜落概率

 　　目前，無人機的故障率和墜落概率仍遠高于有人駕駛飛機。提高無人機的可靠性已成為一個老生常談的問題。但是，設計標準的提高和加工工藝的進步等方面的話題仍未觸及無人機安全性的另一重要論題：當無人機在空中出現故障的時候，該怎樣防止它墜向地面。

 　　與飛行員可以通過自身感官和對儀表的判讀來對飛行器的狀態進行實時和直觀的判斷不同，無人機操控員在地面上無法感知到飛行器的振動，難以聽到遠距離飛行的無人機發動機的聲音，而依賴數據鏈回傳的儀表數據則會有一定程度的延遲。因此，無人機需要較高的自主性來應對突發的各種故障。重要的參數需要使用多種數據來源和多個傳感器進行冗余備份。比如，氣壓高度表、無線電高度表、GPS高度解算和慣性導航單元的組合便可形成一個對高度信號的冗余探測系統。結合久經考驗的擴展卡爾曼濾波算法或者BP神經網絡系統便可使得在單個傳感器或者單種數據源在遇到故障的時候，無人機的重要飛行參數不會受到太大影響。

 　　無人機的容錯設計和舵面代償機理的設計也是一項重要技術手段。當單個舵面的作動器因故障無法正常工作的時候，無人機的控制系統可以將制導控制指令重新分配給其他能夠正常工作的舵面。當無人機的氣動外形因意外碰撞發生突變或無人機因部分載荷脫落而使全機重心發生突變的時候，控制系統可以通過系統辨識的方法重新認識無人機本身，獲得新的控制模型，計算出新的優化控制參數，重新獲得無人機的最優控制律。無論是舵面指令重新分配技術還是控制算法重構技術或者是動態調節補償器技術，都會使出現故障的無人機的剩余控制能力得到進一步的開發，激發無人機的潛能提高其抗損性和安全性。

 　　當無人機的代償機制無法使出現故障的無人機繼續長時間飛行的時候，就應當開始選擇迫降場地進行緊急降落了。這雖是無奈之舉，但也是防止無人機墜入人口稠密地區的一項重要舉措。美國聯邦航空委員會認為，今后的無人機不僅要能夠確保自身安全飛行，還應該在突發事件發生的時候擁有與所在空域的多種飛行器進行安全互動的能力。這樣的規定還是默認了無人機在突發事件中仍保持了空地雙向鏈路通信的能力。實際上，在一些比較嚴重的故障發生的時候，無人機會徹底失去和地面之間的聯系，這時，無人機的自主規劃航路、自主搜尋著陸地點和自主著陸的能力就成了挽救自身的最后一種手段。

 　　借助光學設備和圖像識別技術，無人機能夠做到對著陸區的自主識別。而自動返航和自主航路規劃甚至已經成了很多無人機的標配。但是，固定翼無人機的自主著陸技術因為涉及到多種傳感器和算法的切換使用而有著較高的技術含量。目前，“全球鷹”無人機在經過多年的探索之后，已經擁有了在數據鏈完全斷開的情況下仍能自主著陸的能力。

 　　在準備自主著陸之前，“全球鷹”無人機會掃描并分析適合降落的地點，并對初始著陸點進行自主標定。然后，它會針對該點進行自主航路規劃，當計算出合適的下滑路徑時，自動切換為縱向模態控制方式，開始以恰當的角度進入著陸場。當它認為著陸航線正確并已到達著陸場上空時，它會把高度傳感器的信號源由氣壓高度表切換為無線電高度表，以便提高無人機的測高精度。隨著無人機的繼續下降，控制系統會對高度變化率和無人機質量等信息進行系統辨識，并隨時調整無人機的俯仰姿態。在快要接觸地面的時候，無人機對側滑角和滾轉角進行精確辨識，以此來感知當前的風場，并隨時準備應對突發的側風干擾。當無人機成功觸地并開始滑跑的時候，它會切換到地面運行狀態，使其能夠沿著跑道的中心線向前滑行。如果剎車系統還能正常工作的話，“全球鷹”無人機會把自己停在跑道上，準備接受工作人員的迎接。

 　　能夠以較好的策略選擇迫降機場并平安著陸，會在很大程度上減少發生故障的無人機對地面人員的傷害。而先進的代償機制和未雨綢繆的冗余設計則會盡量避免無人機獨自面對緊急迫降的險境。借助雷達、光學等探測設備，無人機的自主感知能力將會得到極大地提高，在地面操控人員發現危險之前就先行實施躲避的設想已經在逐漸成為現實。綜合考慮安全性和經濟性的防撞算法會在無人機實施防撞躲避機動之后，自動重新規劃航路，繼續完成作業任務(該技術在植保無人機的斷點續噴、巡線無人機的自主識別上已經初見端倪)。

 　　今后，無人機會更加安全，更加高效。但愿技術的突破能夠幫助無人機闖出一條路，讓政策和相關法規向著有助于無人機產業成長的方向發展。

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