基于多源信息融合的无人机感知与规避研究_李耀军

1 引 言(Introduction)未来的无人机将向着实战化、智能化、多能化的方向发展，并可实现与有人驾驶飞机的混合编队。

它们能全天候、全空域执行侦察、预警、通信、精确打击、核打击、战斗支援、救援、补给甚至自杀性攻击等多种任务。

无人机在现代数字战场中的突出优点和惊人表现，使得各国竞相研制，目前无人机已经大量使用。

截止2006年，全球研制无人机的国家有30多个，研制型号有150余种，已有50多个国家的军队装备了140余种型号的无人机。

美国是最早研制无人机的国家之一，目前已投入使用的无人机多达75种、近1400架，形成了高、中、低空，远、近距离，战略、战役、战术等各层面搭配的无人机作战网络。

以色列在无人机领域仅次于美国，其研制的无人机有17种之多。

据悉，从20世纪50年代至今，俄已研制出20多种*此项工作得到如下基金资助：国家重点基金，项目批准号：60634030；国家自然科学基金，项目批准号：60702066；教育部新世纪优秀人才项目，项目批准号:NCET-06-0878；航空基金，项目批准号：20090853013，西北工业大学校翱翔之星计划。

型号。

英、法、德、意等国，在无人机领域虽不像美军那样称雄世界，但也都有一定实力。

随着无人机的大量使用，中空、低空、超低空的空域变得越来越“拥挤”，从而给飞行器带来越来越严峻的安全隐患。

美军已经发生了数起无人机与直升飞机碰撞事件——虽然美国国防部只公开承认了其中的一次——2004年11月，陆军的l 架“大乌鸦”无人机与1架OH-58D “基奥瓦勇士”直升机在伊拉克上空相撞，所幸没有造成人员伤亡和严重的装备损失。

随着无人机在和平时期训练及参与作战中的广泛使用，无人机之间以及无人机对有人飞机造成了直接的威胁，如何避免它们与其他飞机碰撞已经成了一个非常值得关注的问题。

虽然美军已经建立起防止无人机与有人飞机碰撞的机制，但还远没有达到安全的程度，正在致力于研究提高无人机飞行安全性的更可靠解决方案，而感知－规避系统[1, 2]可以确保无人机具有与有人机同样的安全性[3-7]。

基于多源信息融合的无人机感知与规避研究*李耀军，潘泉，杨峰，李军伟，朱英西北工业大学 自动化学院 西安 710072 E-mail: liyaojun@摘 要: 无人机和有人飞机安全共享空域是无人机发展的一个关键问题。

本文基于多源信息融合对无人机感知与规避做了深入研究。

通过多传感器信息融合技术解算并共享无人机与有人飞机的坐标和实时运动状态，利用多模态图像的优势互补，实现昼夜、远距离、高分辨率的目标检测、识别与跟踪，从而提高无人机感知与规避的实时性与可靠性。

借鉴有人飞机空中交通警戒与防撞系统的基本工作原理，通过机载计算机计算相关参数，判定闯入飞机对自身安全的威胁程度，并提供预警分析与决策。

最后，结合实际情况给出了无人机的规避策略，包括避让方法和协调解脱。

关键词: 感知与规避,多源信息融合,多模图像融合,预警分析,规避策略Multi-source Information Fusion for Sense and Avoidance of UAV *LI Yao-Jun, PAN Quan, YANG Feng, LI Jun-Wei, ZHU YingSchool of Automation, Northwestern Polytechnical University, Xi ’an 710072, P.R.ChinaE-mail: liyaojun@Abstract: Sharing safety airspace is a key issue for UAV and manned aircraft as the development of UAV. In this paper, UAV airspace obstacles sense was thoroughly studied based on multi-source information fusion. Through multi-sensors information fusion technologies, positions and runtime space state of UAV were computed and shared with manned aircraft. Taking advantage of alternative ascendancy of multi-image was to realize all-time, all-weather, remote and high-resolution of target detecting, identifying and tracking. So the run-time and reliabilities of airspace obstacles sense for UAV was improved greatly. Referring the basically working principle of the manned aircraft air traffic alert and collision avoidance system, we determine the aircraft whether fly into a threat to the safety of their own and provide early warning analysis and decision-making by calculating the relevant parameters. Finally, avoid strategies are given according to the actual situation, including avoidance methods and make way mutually.Key Words: Sense And Avoidance; Multi-source Information Tusion; Multi-mode Image Fusion; Warning Analysis; Avoidance StrategyProceedings of the 29th Chinese Control Conference July 29-31, 2010, Beijing, China2感知与规避(Sense And Avoidance)“感知与规避”是指无人机能够探测在其安全邻域——空域监视范围内是否有其他任何“入侵飞机”飞行，通过分析飞机的运动状态，及时向操作员报告潜在的相撞目标，当入侵飞机进入警告范围，通过机载预警分析与决策，建议操作员执行适当的规避飞行以解除来自入侵飞机的威胁。

“感知与规避”示意图如图1所示。

为避免无人机与其他飞机相撞，必须研究无人机“感知与规避”技术。

“感知与规避”技术中的两个需要提供的关键因素是：时间和距离。

有关测试发现[3]，当喷气式飞机在速度400节时突然爬升，飞机将在响应和开始爬升之前，飞行大约一英里。

因此，早期预警是减少中空碰撞的关键。

将潜在的碰撞危险提供给无人机操作员并不能完全预防一次碰撞，操作员还必须知道存在碰撞威胁的相对方位，才能及时执行规避机动飞行。

图1 “感知与规避”示意图“感知与规避”技术为无人机提供潜在威胁目标运动状态分级及提供分析咨询与交通咨询。

目前，有人飞机依靠雷达、程序、应答机以及最终的飞行员视觉来避免空中相撞，而对于无人机，它将依靠技术来实现这一综合。

像“全球鹰”和“捕食者”这样的大型UAS平台已带有应答机飞行[2]，预计将来大型平台也将采用类似技术帮助避免相撞和实现更容易的空域综合。

即使在作战地区，将有人飞机和无人机进行空域综合也存在挑战。

目前在作战空域进行综合的方法是划定某些空域有人飞机未经特许不能进入，因为这些是无人机系统的使用区域。

但这一方法效率较低。

有人飞机与无人机的空域综合不仅是平时面临的问题，更是战时的问题。

如果无人机在无限制的空域有自由飞行的机会，它们就必须能像有人驾驶飞机一样负有履行分层和防撞的责任。

这将包括要求先进的通信技术，同空中交通管制环境进行完全的程序和系统集成，同时，还必须有称之为“感知和规避”的系统。

本文将研究基于多源信息融合的“感知与规避”技术，以实时获取潜在威胁目标的运动状态信息并进行威胁分析与决策，为无人机空中提供规避策略。

3基于多源信息融合的“感知与规避”(Multi- source Information Fusion for sense AndAvoidance)多源信息融合技术是研究对源不确定性信息进行综合处理及利用的理论和方法，即对来自多个信息源的信息进行多级别、多方面、多层次的处理，产生新的有意义的信息[4~7]，主要用于军事目标（舰艇、飞机、导弹等）的检测、定位、跟踪和识别[10~12]。

由于面临的研究对象日益复杂，需要掌握有关环境更加全面的信息，同时需要处理非线性的、不确定的非高斯、非平稳、低信噪比的信号以及来自不明信息源的信息，信息融合技术从多视角进行多信息的处理及综合，找出信息内在的本质联系，从而做到去糟存真，实现信息的优化获取和利用，对外部环境的变化及时做出最优决策。

3.1基于导航信息共享的“感知与规避” (NavigationShare For Sense And Avoida nce)随着当今通信技术和导航能力的增强，通过网络信息共享方式可改进有人飞机和无人机的防碰撞程序。

通常的做法是，连级以下的无人机任务规划小组与分散的空中指控部门联系，告知规划的无人机任务，如“某型无人机将在某个时段、某个高度、某个区域内飞行”，从而建立一个“受限操作区域”。

无人机任务规划小组再将情况上传到空管系统的指令链路中，在得到批准后汇入战区级的空中控制指令。

另外，它们还与营或旅级指挥官通过无线电通信，告知无人机的位置和观察到的情况[4]。

在许多情况下，无人机可以借助惯性导航系统（INS）、罗兰-C、GPS、北斗定位系统等精确地计算出自身的实时运动状态参数，并发送至空中交通管理服务系统（简称“空管系统网”），空中所有授权的飞机都可以进入“空管系统网”共享此数据，相关飞行员或无人机操作员就可以了解到目前空中的各飞机航迹规划及其运动状态，并由此分析潜在威胁目标。

因此，导航系统与“空管中心网”构成的联合预警系统（示意图如图2所示），是无人机避免空中碰撞的有效途径和必要手段。

图2 导航系统与“空管中心网”联合预警3.2基于多模图像融合的“感知与规避”(Multi-mode Image Fusion For Sense And Avoidance)多模图像融合技术是将两种或两种以上的不同传感器以及不同波段的传感器进行有机融合，以获得目标多波段，多形式的信息，通过信息融合处理来达到可靠的检测、识别目标以及跟踪、打击目标。