刘哲
西安爱生技术集团公司 710000
摘要：在无人机系统中，飞行控制系统负责无人机的飞行控制、自主导航、飞行管理、任务管理、动力装置控制、信息交汇等，涉及的机载设备一般包括：姿态角传感器、姿态角速度传感器、高度传感器、速度传感器、航向传感器、导航定位传感器、多个伺服作动器、飞控计算机、检测与避障装置等主要１０种机载设备。飞行控制系统设备种类多，占比大，对无人机系统飞行安全影响大，因此有必要研究飞行控制系统期望安全性水平、飞控机载设备失效对轻型无人机飞行安全性的影响。
关键词：轻型无人机适航；期望安全水平；飞行控制系统
引言
近年来，随着传感器技术、通信技术、微电子技术的发展及材料成本的大幅下降，无人机行业开始迈入商业化时代。轻小型无人机因被广泛运用于航拍、农林种植保护、物流运输、安防检测、电力巡检等领域受到广泛关注。随着轻小型无人机应用领域的不断拓宽，销量额的爆发式增长，航空活动呈现出迅猛增加的态势，如何将无人机安全地融入有人机空域是世界各国面对的严峻挑战。
1ＬＵＡＶ的期望安全水平
期望安全水平数据统计表明，具体见表１，欧洲航空安全局颁布的ＣＳ－２５大型运输类飞机的目标安全水平１×１０－６／ｈ（来源ＡＭＣ２５．１３０９）与真实事故率４．８×１０－６／ｈ具有相同的数量级，并提供了保守的安全裕度；对于ＣＳ－２３Ｉ正常类飞机目标安全水平１×１０－４／ｈ（ＡＣ２３．１３０９－１Ｅ）接近非公共交通类常规飞机的真实事故率１．７９×１０－４／ｈ。正常类有人机发生致命事故的概率值大约为每万飞行小时１次，即事故率为１×１０－４／ｈ。其中飞机自身故障导致的事故大约占事故总数的１０％，并且一般假定一架飞机大约有１０种潜在的灾难性失效，如果是复杂度高的，或者大型飞机一般假定１００种灾难性失效，因此有人机目标安全水平定为１×１０－６／ｈ，复杂度高的或大型飞机目标安全水平定为１×１０－７／ｈ。考虑到无人机适航安全的最终目的是融入民航空域，所以ＪＡＲＵＳ的ＷＧ６工作组基于等效安全原则推定复杂度ＣＬＩ轻型固定翼或旋翼无人机的目标安全水平为１×１０－６／ｈ，复杂度ＣＬＩＩ轻型固定翼或旋翼的目标安全水平为１×１０－７／ｈ。
1.2复杂性等级分类
１）复杂性等级Ｉ（ＣＬＩ）：自动驾驶与自主执行任务的功能具有一定的权限，并始终提供无人机驾驶员的手动操控权限。软件和机载电子硬件（ＡＥＨ）的使用是有限的比ＣＬＩ的高；
２）复杂性等级ＩＩ（ＣＬＩＩ）：控制系统可具备无人机系统飞行管理的全部权限，能自主执行任务。万一出现失效，如果需要的化，无人机驾驶员可以介入，除非故障条件可以证明是极不可能的。
2适航性
2.1航空器适航性
航空器的适航性是指航空器适合/适应于飞行的能力，航空器包括部件及子系统整体性能和操纵特性在预期运行环境和使用限制条件下的安全性和物理完整性的一种品质，是航空器的固有属性。
载人航空器适航的关注焦点是机上人员安全，其次是地面人员和设施安全，通过适航认证技术与管理实现。无人机没有机上人员，其安全监管从“天”、“地”、“人”、“机”4方面考虑，分为无人机本体安全、空域安全、地面人员安全、地面财产和设施安全。各国现行标准都视无人机为“大系统”的概念，包含无人机本体、发射和回收系统、数据链路、地面控制站等部分。
2.2无人机的分类
根据飞行平台构型不同，无人机可分为固定翼无人机、旋翼无人机、无人飞艇、伞翼无人机、扑翼无人机等。
根据活动半径不同，无人机可分为超近程无人机、近程无人机、短程无人机、中程无人机和远程无人机。根据重量不同，无人机一般可分为大型无人机、中型无人机、小型无人机、微型无人机。不同国家或组织机构对轻小型无人机的重量规定各有不同，本文仅讨论轻小型无人机的适航要求。
3飞行控制系统对飞行安全性的影响
3.1飞行控制方式
无人机飞行控制方式采用程控、遥控与自主飞行３种模式，以三维自主飞行方式为主。飞行控制可以分为相对独立的纵向控制通道和横航向控制通道，该型无人机的纵向控制通道的控制原理，采用经典的比例—积分—微分（ＰＩＤ）控制方法，该无人机的纵向运动主要包括俯仰和升降运动，通过升降舵来实现的。由于无人机沿纵向平面具有对称性，横航向控制通道工作原理同理。
3.2功能危险分析
飞行控制系统的功能是产生控制指令，稳定飞行姿态角（俯仰角、滚转角、航向角），控制发动机转速和飞行航迹（爬升、巡航、左右盘旋、高度保持、下降），使无人机达到给定的飞行状态、按期望的轨迹飞行，并实现对干扰的抑制。
该型无人机的飞行包络线为起飞（Ｔ）、空中自主飞行（Ｆ），和伞降回收（Ｌ）三个阶段。起飞阶段，以程控模式，按规定航向爬升切入航线的初始航点，起飞段封锁横向遥控指令。空中自主飞行段按航路设置进行爬升、或下滑、拐弯、平飞飞行，并按要求执行任务。伞降回收段分两段，从航路的末航点调整飞行至指定空域的开伞高度和航向，然后弹出降落伞，关闭发动机。对飞行控制系统进行功能危险分析，表中的“短时不足”、“持续不足”中的不足定义为，期望值与实际值存在固定的或随机的偏差。
3.3安全关键清单和期望安全水平
通过飞行控制系统ＦＨＡ和ＦＭＥＡ分析，对无人机飞行安全产生重要影响的飞行控制系统关键部件为飞控计算机、姿态角传感器、舵面执行机构和卫星接收机。
我国轻小型无人机中的ＩＶ类规定最大起飞重量不超过１５０公斤，由于起飞重量大，飞机机舱空间也大，机载设备随着技术的进步体积已越来越微小型化，无人机的自主控制能力逐步增强，其复杂度越来越高，因此可设定未来起飞全重２５公斤至１５０公斤的轻型无人机的适航安全水平为复杂度ＣＬＩＩ级的目标安全水平，具体期望指标为１×１０－７／ｈ。基于飞行控制系统的ＦＨＡ与部件的ＦＭＥＡ分析，飞行控制系统在研制过程中目标安全水平为１×１０－７／ｈ，飞控计算机、姿态角传感器、舵面执行机构这类对飞行安全起关键作用的部件的目标安全水平为１×１０－７／ｈ，卫星接收机、角速率传感器目标安全水平为１×１０－６／ｈ，高度／速度传感器、航向传感器的安全性水平与其使用方式有关，鉴于目前无人机自主导航控制信息来源一般为卫星接收机（ＧＰＳ／ＢＤ／ＧＬＯＮＡＳＳ），高度／速度传感器、航向传感器的安全性水平被降低等级。
结语
国外已形成低空空域逐步开放的共识，我国低空空域也将逐步开放，制定完善的轻小型无人机系统的适航规章成为政府适航当局的一个紧要任务。我国无人机技术领域经过了近60年发展，已经积累了相当的技术经验并形成了自己的优势，虽说我国轻小型无人机系统的适航技术和管理体系研究尚处于起步阶段，但通过适航技术的专题攻关，参考和借鉴国外轻小型民用无人机系统的相关适航规章，国内民机适航标准规范已经具备加快体系建设的技术能力，轻小型无人机系统适航规章体系的建设进程将会快速发展。
参考文献
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[3]祁圣君，吴欣龙，孙健.无人机系统适航发展现状与挑战[J].飞航导弹，2015（7）：25-30.