无人机航空电子设备研制进展

比尔·凯利

随着无人机市场的扩大与成熟，以及城市空运交通工具的兴起，越来越多的传统和新兴公司都在聚焦研发适用于这两大市场的航电设备解决方案，并已取得了丰硕的成果。

与传统飞机一样，对于小型无人机和紧凑型城市空运工具中的航空电子设备，其设计同样需要考虑尺寸、重量、功率和成本等因素。而除此之外，对小型无人机和城市空运工具而言，其航电设备所需的属性还包括监视系统的可视性、与其他交通自分离的能力，以及高度的飞行自动化。

目前，在大多数管控空域中飞行的飞机都需要使用应答器和卫星定位接收机，通过自动相关监视广播（ADS-B）将其准确位置发送给控制器，这种方法相当于在地面雷达的基础上增加了一个监视层。

而小型无人机需要在地面以上120m的低空空域发出信号显示其位置（但不一定通过ADS-B发出），使其低于美国联邦航空管理局（FAA）规定的有人机在不拥挤区域上空150m的最低安全高度，无人机交通管理系统将协调多架商用无人机同时飞行。城市空运飞行器（UAM）的活动空间为150～300m，或更高离地高度（AGL）的中间层，即飞行于优步称之为“空中通道”的指定空域走廊内。

尤阿维尼克斯公司推出“尾标X”航电解决方案

发明家兼企业家保罗·比尔德（PaulBeard）在2015年创立了尤阿维尼克斯公司（uAvionix），致力于减小ADS-B系统的尺寸，为小型无人机提供避撞能力。比尔德是一名模型飞机爱好者，他为通过无线电操控的娱乐型飞机和汽车开发了2.4 GHz频段的数字频谱调制系统（DSM）。发射机使用DSM扫描频带中未使用的信道，将唯一的编码信号发送给“绑定”的接收机，或编程以识别信号，这种技术减少了飞机与附近其他设备发生干扰的可能性。

图1 尤阿维尼克斯的“尾标X”ADS-B Out 应答器取代了飞机的尾部位置灯。

尤阿维尼克斯的总裁克里斯蒂安·拉姆齐（Christian Ramsey）表示，公司刚成立时仅研究无人机的ADS-B。创始人保罗拥有硅谷的工作经历，具备如何使产品小型化、置于芯片中并投入生产的知识和经验。在风险投资的资助下，尤阿维尼克斯公司开发出了第一款产品ADS-B 核心无线电芯片，能在1090 MHz和978 MHz频率下发射和接收信号，这两个频率是FAA指定与其地面无线电台交互的频率。之后数年内，该公司的产品从仅重26g的“ping”系列ADS-B 收发器，发展到无人机指挥与控制数据链无线电、GPS 模块，以及用于通航飞机和机场地面车辆的ADS-B 收发器和应答器。

2019 年10月，尤阿维尼克斯收购了航空沃尼克斯公司（Aero Vonics），这是一家为通航市场提供数字式飞行和多功能座舱显示器的制造商。同月，尤阿维尼克斯还解决了佳明公司（Garmin）对其提起的专利侵权诉讼，后者指控前者未经许可使用ADS-B专利技术，之后根据一份保密的和解协议，尤阿维尼克斯被允许继续提供特定产品。

在通航市场，尤阿维尼克斯擅长研究易安装的系统，可以方便地利用现成的照明位置和飞机电源。2020 年2月，尤阿维尼克斯宣布推出“尾标”X（TailBeaconX）商用航电系统解决方案，由一款1090 MHz的扩展应答信号ADS-B“Out”应答机、GPS定位源和偶极天线组成，专门针对城市空运飞行器的需求而开发。

拉姆齐称，尤阿维尼克斯在蒙大拿州的比格福克和哥伦比亚福尔斯都有生产基地，主要生产无线电。他认为无线电的关键部件是天线，传统做法是把天线安装在飞机的外部，因此可以另辟蹊径建立一个安装在飞机外部的完整系统，即无需使用内部的航电设备舱空间，只需将其布置在飞机边缘。同时，如果该系统能与飞机的照明设备结合使用，也就意味着其可以使用外部照明设备的电源。尤阿维尼克斯正是基于这一构想将多个系统综合融入到城市空运工具，即仅采用核心关键组件并将其构建到传统上由天线所占的空间中。

2019 年12月底，FAA 发布了期待已久的拟议规则制定通知，描述了小型无人机的远程识别要求。拟议条例将禁止无人机使用ADS-B Out 应答器发送身份和位置数据，这是出于无线电频率饱和以及缺乏地面基础设施接收低海拔地区的ADS-B 数据的考虑。拉姆齐表示，虽然该拟议规则制定通知影响到尤阿维尼克斯对无人机ADS-B的初步构想，但无人机操控员通过接收ADS-B In获得附近空中交通信息的可能性仍然很大，公司对此已做好周全准备。

由于有人机上至少有一名飞行员，因此可以观察到其他飞机并避开，同时有人机还拥有交通预警和防撞系统（TCAS）作为防止空中碰撞的最后手段，而无人机和无人驾驶的城市空运飞行器则需要采用基于传感器的“探测和规避”（DAA）系统。

过去几年中，通用原子航空系统公司（GA-ASI）与NASA和FAA合作，为“捕食者”B无人机建立了DAA系统，该系统采用有源相控阵（AESA）空空雷达探测“非合作”的飞机目标，采用TCAS计算机处理机跟踪附近装有应答机的“合作”飞机，回答应答机的询问。

该DAA系统基于RTCA特别委员会228制定的性能标准，并参考了FAA技术标准规定C211（DAA系统）和C212（交通监视用空空雷达），为计划制造FAA授权设备的制造商提供指导。

2019 年9月，通用原子公司向L3技术公司和泰雷兹（Thales）的合资公司ACSS 授予了一份为期五年的合同，向装有防撞系统的飞机提供200台DAA处理机。ACSS公司表示，该处理器支持最新的TCAS II、DAA和ADS-B功能，采用了紧凑的轻量级单元。

但是，这种相控阵雷达的大小与军用战斗机或捕食者级别无人机上的雷达相当，这些飞机都是在管制空域内飞行的，因此对于仅在低空运送包裹或执行其他任务的小型无人机来说，这样的雷达在尺寸或成本上都不合适。

艾克达因公司研制基于超材料的微结构相控阵雷达

2013 年前后，一家由微软前首席技术官内森·迈尔沃德（Nathan Myhrvold）创立的科技孵化器公司——智能风投（Intelligent Ventures），开始研发一种缩小比例的、基于超材料的相控阵雷达，这种工程微结构可以按照方向图排列，以操纵电磁波。

艾克达因公司（Echodyne）于2014 年从智能风投科技孵化器中剥离。该公司是一家高性能雷达制造商，专业生产适于小型无人机和地面DAA系统的超材料相控阵雷达，以及用于安全系统和自动驾驶汽车的雷达。

军用级相控阵雷达由数百到数千个收发（T/R）模块组成。艾克达因公司联合创始人兼首席执行官埃本·弗兰肯伯格（Eben Frankenberg）解释说，T/R模块由移相器、在发射和接收模式之间切换的循环器、放大器和其他电子设备组成，这些移相器可以改变射频信号的相位，从而驱动不同方向的雷达波前。艾克达因公司表示自身的产品性价比高，目前市场上的波束控制雷达的低端价格达数十万美元，而艾克达因的雷达价格仅“数万美元。

图2 艾克达因公司是一家高性能雷达制造商，专业生产适于小型无人机和地面DAA 系统的超材料相控阵雷达。

图3 在NASA 的“拉文”项目下，弗吉尼亚理工大学中大西洋航空合作伙伴的测试人员对一架泰坦X8多旋翼无人机进行测试，该无人机装有艾克达因公司开发的“回声飞行”超材料相控阵雷达（安装在无人机正面下方的小型白色面板）。

弗兰肯伯格表示，围绕该概念的整体思路是制造出像相控阵雷达那样的波束控制雷达，但不使用移相器。当去掉了所有复杂的电子组件后，艾克达因有望制造出符合商业价格的波束控制雷达。

艾克达因所开发的超材料相控阵雷达“回声飞行”（EchoFlight）使用多层印刷电路板，创建由软件控制的波束控制雷达天线，由标准雷达收发器电子组件驱动。弗兰肯伯格认为这本质上不是芯片技术，而是一种天线技术，其后端装有公司自研的雷达。“回声飞行”机载雷达工作在24.45～24.65 GHz的K波段，雷达为18.7cm×12.1cm×4cm的单面板，重量约为0.74kg。面板视野为方位120°（向前或向后60°），俯仰80°。三个面板位于飞机周围，可提供360°方位角。天线面板上的散热片利用气流对安装在外部的雷达进行冷却。其具有“边搜索边跟踪”功能，使雷达能以较高的刷新率跟踪特定目标，同时继续扫描其余视野以寻找入侵者。

2018—2019 年间，艾克达因参与了NASA的“拉文”（Raavin）项目，以分析雷达在泰坦X8多旋翼无人机上的“探测和规避”性能。该项目由弗吉尼亚理工大学中大西洋航空合作伙伴管理，将雷达与NASA的“伊卡洛斯”（Icarous，无人机系统可靠运行的独立可配置架构）软件配对，以测试避撞机动性能。测试人员测试了泰坦X8无人机遭遇另一架无人机以及一架利伯蒂大学的塞斯纳172“天鹰”（Skyhawk）的场景。

到目前为止，还没有一个基于标准的小型无人机DAA 系统规范可以和工业界与政府为“捕食者”B系列无人机开发的DAA 系统相媲美。艾克达因公司的DAA在小型无人机上所做的一切仍被视为测试，该公司希望获得FAA的豁免。

弗兰肯伯格认为，对于未来任何无人机的DAA 规范来说，雷达都是必不可少的，而且还将成为城市空运飞行器传感器套件的组成部分之一，并表示许多开发商正在测试艾克达因的雷达。

霍尼韦尔等传统制造不甘落后

传统制造商中，霍尼韦尔在城市空运飞行器和无人机所用航电设备的开发方面表现不凡，其透露正计划为垂直航空航天公司（Vertical Aerospace）、君特空运公司（Jaunt Air Mobility）、以色列伊威艾森公司（Eviation）和蝙蝠飞机公司等公司生产部件，包括电传飞行计算机、相控阵雷达、自动着陆与导航系统、机电作动器和环控冷却系统部件等。

另一家制造商科汉姆公司（Cobham）已开发出高带宽的Aviator UAV 500卫星终端，可用于大型无人机的视频流传输。另外，预计柯林斯航宇公司（Collins Aerospace）将是第一家推出经认证的C波段无人机指挥与控制数据链无线电的公司。

贝尔直升机德事隆公司（Bell Textron）已选定佳明公司负责其“奈克赛斯”（Nexus）电动垂直起降空中出租车的航空电子硬件和软件的设计、开发和生产工作，该空中出租车概念于2018年首次亮相。佳明公司将负责提供主飞行信息、导航和通信能力，以及飞行制导和管理系统。

贝尔在其网站上描绘了一个带有四个大型显示器的“奈克赛斯”玻璃座舱，这是佳明公司的G3000 综合驾驶舱的衍生产品，通过触摸屏控制，G3000已在小型飞机上得到使用，包括巴航工业的飞鸿（Phenoms）公务机、本田公务机（HondaJets）以及法国大合公司（Daher）的TBM单发涡桨飞机。

佳明业务开发高级经理比尔·斯通（Bill Stone）表示，这些产品实际上利用的是与目前轻型公务机中非常相似的系统。通过共享研发成果，利用现成的硬件，可以降低研发成本和生产成本并充分利用目前有人机的技术。

不过，贝尔直升机和佳明公司都拒绝透露“奈克赛斯”项目所处的具体开发阶段或首飞里程碑细节。佳明公司高管称硬件已经非常成熟，正与贝尔直升机合作完善机上的用户界面和系统，过程将不断迭代渐进，直到最终确定子系统和推进系统。

许多公司正投入研发未来的飞机，未来的飞机在减少体积、减重、降耗和降低成本等方面有着共同的要求，成为各公司共同追求的目标。