通用航空低空飞行障碍物预警技术浅析与展望

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随着我国低空空域的逐步放开，通用航空飞行作业量与日俱增，低空飞行撞击障碍物导致的低空飞行事故数量激增，我国空域广阔，低空飞行环境相对复杂，低空飞行过程中低空障碍物的识别和规避是驾驶人员，低空飞行安是低空飞行作业生产的重要保障，本文介绍了通用航空低空飞行障碍物预警的技术种类，研究了预警技术设计原则、标准与要求，重点分析了通用航空低空避障的关键技术和未来走向，通过本文的论述为我国的低空飞行安全保障技术的发展提供建议 。

引言

2016年国务院办公厅发布《国务院办公厅关于促进通用航空业发展的指导意见》，提出低空飞行空域调整到真高 3000ｍ 以下的飞行区域，该区域主要是通航飞行器的飞行范围。通用航空产业体系不断发展，成为我国战略新兴产业的重要组成部分，通用航空作为民航两翼齐飞的翼。

产业规模迅速扩张，通用航空作业小时数逐步增高。通航事业迅速发展的同时，伴随着低空飞行风险事故不断增加，近年因目视飞行问题撞线而导致的撞击障碍物典型事故频发，在通用航空事故中占据较大比例，障碍物识别及预警技术成为保障低空飞行安全的重要话题 。本文归纳了通用航空低空飞行事故中撞击障碍物的种类，阐述了当前通用航空低空飞行障碍物预警技术和方法，明确了低空飞行安全预警技术研发过程中需解决的问题和难点，为我国的低空飞行安全保障技术的发展提供建议 。

通航撞击障碍物事故种类

通用航空撞击障碍物事故种类主要分为撞山、撞树、撞线、撞建筑等。据《 民用航空飞行事故汇编 》（一~四 ）统计，1961年8月31日，十四航校一团二大队驾驶Y5-107在新津机场东北方向约9ｋｍ590ｍ高的山上发生撞山事故，事故原因是能见度较低的环境下，机长看不见机场，当发现距离地面很近时 ，失去目视着陆时机，造成云中撞山，成为我国通用航空最早的一起撞击障碍物事故。1952-2021年，可统计的通用航空有人机飞行事故共294起，其中撞击障碍物事故76起，占通航事故总量的 25.85％ 。如图１所示，撞线和撞山在撞击障碍事物故中居多。分析原因多为能见度较低的环境下飞行，不具备目视飞行条件，飞行员不能及时识别前方障碍物，导致操作失误，最终酿成事故。尤其线体这类人工构建的障碍物，在飞行时不易发现，成为通用航空低空飞行安全的主要威胁。目前特殊障碍物的识别困难依然是导致通航事故的重要因素，在低能见度环境中，地面高耸的物体、横跨构筑物之间的线体等都成为低空飞行的威胁。因此，急需对障碍物有效识别的预警技术，从而提前做好规避操作，减少事故发生。

图 １ 撞击障碍物事故种类占比

障碍物预警技术

以航空器作为主体，在低空飞行领域，无人机作为通用航空新兴产业，避障技术研宄相对较多，多为建立三维感知模型，结合自动算法自行规划避障的策略，直升机、固定翼航空器主要采用合成视觉辅助飞行导航避障，其原理是将航行视角、飞行参数、三维环境模型、障碍物标记、实景等功能合成输出进行预警，通过获取高分辨率遥感图像、DEM数字高程模型数据构建高精度地理模型数据库，自动计算或 人工标记飞行地理模型中出现的障碍物，以供机载设备处理信息计算航路。此类方法虽然能精确标记障碍物，但是实际地形多变，高精度地理模型范围有限，随着时间推移，频繁的新增或更新数据库会增加更多的人工成本，且飞行中不能实时更新障碍物信息，增加飞行风险，因此给障碍物作标志信号的方法更加具有价值 。

以障碍物为主体，按照预警方式分类，低空障碍物预警技术可分为主动式预警和被动式预警两类。障碍物上的标志物自身发出恒定的警示信号，使航空器或飞行员在经过时发现障碍物，这种方式认为是被动式预警。航空器在飞入所在障碍物一定范围内，障碍物上的标志物侦测到有航空器靠近，障碍物主动发出信号传输传至航空器或飞行员，使飞行员做好规避策略，直至航空器远离的方式认为是障碍物主动式预警。

障碍物被动式预警

障碍物被动预警是目前的主要预警方式，一般在障碍物或临近物体间最醒目的位置加装标志物来增加障碍物的可见度。常见方式有给障碍物加装航空障碍灯，该种灯具又可称为助航灯光设备，属于标识障碍物的特种专用灯具。《 中华人民共和国民用航空法》及相关标准对航空障碍灯的种类和设置都有详细规定，高光强障碍灯、中光强障碍灯、低光强障碍灯三大类，根据不同亮度闪烁频率细分多种型号。

航空障碍灯采用高压输电线塔电力、建筑障碍物上的电力或太阳能供电，根据民航标准要求，如图２所示，按照建筑物的类型及不同高度，加装不同亮度不同信号的航空障碍灯。如在高压输电线塔的塔顶、输电线缆下垂线的最低点处及前两者垂直距离的中点位置设三段航空障碍灯，以及在输电线缆上安装细条状发光灯管，保证一条线上的航空障碍灯同步闪烁。又如大片建筑集群轮廓四周和单体建筑不同高度处分别设置同步闪烁的航空障碍灯。当航空器靠近安装有航空障碍灯的障碍物时，飞行员可通过目视有效发现远处障碍物最外轮廓不断闪烁的灯光信号，促使飞行员尽早作出规避决策。该种方式都可有效标识建筑物的整体轮廓，但是无论有无航空器经过，此类航空障碍灯都需要长期以固定频率闪烁和不间断工作，对于产品的能耗、维护、更换和成本都有一定的要求。此外，还有各类加装在高压输电线塔上的防外破警示装置 ，虽然能在地面角度保护输电线缆或输电线塔，满足电力生产需求，但是发光亮度、闪烁频率及产品参数和性能等都不符合民航标准，因此不能满足民航飞行需求。

图2 高压输电线塔航空障碍灯安装示意图

除了加装航空障碍灯通电发光 标志物外，《国际民航公约-附件十四》还指出，可对障碍物安装非电器类标志物。如在障碍物的最大外边缘周围、最顶部安装两个三角形组合造型的标志旗帜，旗帜图案一般为橙色、橙白相间或红白相间等色的国际象棋棋盘格布局，保证与障碍物反差鲜明，大面积的障碍物或较密集的障碍物群体，标志旗帜的间距应更小且等距均布，同时保证旗帜不会危害障碍物自身。对于高耸的高压输电线塔之间架空高压输电线缆这类特殊障碍物，为了防止航空器撞线，加装等距均布颜色高亮的航空标志球（ 图 ３ ），安装位置一般在高压输电线塔最顶部线缆上，旗帜和标志球的工作原理为通过反射可见光与障碍物产生高反差的，来增加线缆的可识别程度。这种方法成本低廉，在白天时间段、晴天、能见度较高的环境下飞行，障碍物标识效果显著。但是在清晨、傍晚、夜晚时间段，以及雾天、雨天、多云等能见度较低的情况下表示效果大打折扣 。

图3 高压输电线塔航空标志球安装示意图

还有在不影响障碍物功能的同时，用颜色喷涂进行标记的方法，如图 4 所示，一般在垂直面上投影高度宽度大于4.5ｍ的障碍物，应进行涂色标志，根据实际情况其涂色方式为棋盘格或相间色带，颜色应采用橙白相间、红白相间等颜色组合，若障碍物可移动，需要涂色与标志旗帜组合进行标记。这种涂色方法同样在亮度较低可见度较低的环境下无法做到有效的障碍物标识作用，因此同时搭配航空障碍灯组合标记 。

图4 障碍物涂色示意图

除了上述障碍物标志物外，关于髙压输电线塔输电线缆标识，美国联邦航空管理局（ ＦＡＡ ）《 障碍物标志和照明》中提出可加装发光的标志球，国内没有出台相关的法律法规及标准，因此在国内没有广泛应用。国内目前参照 ＦＡＡ 的标准，提出一种有效预警方式，即结合航空障碍灯和标志球的优势提出架空输电线缆航空障碍灯方案，该方案由感应取电模块、发光警示模块、信息传输及远程控制等模块组成，无须外接电源，工作噪音小，取能效率高，白天由标志球状高亮颜色外壳反射光源达到标志障碍物作用，夜晚通过发光警示模块自主闪烁发出稳定频率的高亮信号光源进行预警。用于军民用机场周边、航空作业与飞行训练密集区域、跨高速铁／公路、重要输电通道、江河湖海的架空输电线缆，应用场景较广泛。

障碍物主动式预警

主动式预警的航空障碍灯，中国民用航空局运输司2018年发布信息通告《美国障碍物标记和障碍灯咨询通告的分析借鉴》中提出主动式预警系统的建议，即飞行器探测障碍灯系统ＡＤLＳ。设计理念基于航空器和航空障碍灯上安装传感器系统，至少可以探测空间范围内截面积以1m²上的航空器，当单个航空器或航空器集群驶入障碍物探测范围，ＡＤＬＳ系统根据计算自动启动障碍物上的航空障碍灯，对飞向障碍物的航空器发出告警，航空障碍灯以统一频率持续工作，直到航空器飞过或离开障碍物不再需要告警为止。

在没有飞行器经过时，航空障碍灯在障碍物周围和航空器持续发出探测信号，当航空障碍灯能有效识别航空器的同时，自动接收启动工作信号，在某一障碍物或集群障碍物安装的航空障碍灯，其障碍物水平边界 5.5ｋｍ，垂直范围障碍物最髙点上的304ｍ形成告警范围区域，航空器飞入这个区域内，所有区域内的航空障碍灯及挂在高压输电线缆上的架空输电线缆航空警示设备，在特定时间下，保持同频率的闪烁工作，同时，ＡＤＬＳ系统可为飞行员发出语音告警或其他方式告警。该项技术使航空障碍灯在没有飞行作业需求下可自动关闭，减少灯具发热和运行损耗，能大幅提高航空障碍灯的工作寿命，同时也能有效减少夜间航空障碍灯对附近社区、鸟类及自然界的影响。

目前，通用航空障碍物主动式预警研究内容比较少，未来还有很大的发展空间，优先要解决的是航空障碍灯和飞近航空器互相追踪和识别问题。在无人机追踪研究应用层面，雷达监视技术已经较完善，对小截面积的航空器识别检测技术较成熟。加 拿大麦克马斯特大学Kirubarajan等学者提出—种基于变结构交互多模型（ ＶＳ －Ｉ ＭＭ ）的跟踪方法，使用地面移动目标指示雷达（ ＧＭＴＩ ）有效识别低速飞行或悬停的航空器，精确地识别其航迹。徐开明等学者通过低空监视雷达，提出ＳＣ－ＲＢ－ＬＭＢ 滤波器算法，使小型快速飞行目标的追踪技术更加精确稳定。王红勇等学者通过雷达获取数据，采用位置内聚度算法，提出航空器之间平均距离、围区域内航空器之间平均距离、航空器数量范等变量，计算位置内聚度值，来精确计算一定范围内航空器集群的位置和数量。FARLIKJ等学者提 出雷达检测定位技术，可有效定位小型无人机的位置。Mezei J等学者提出部署一种声音探测 设备，基于无人机发出的声音，实现无人机的检测和定位。还有通过射频技术来识别航空器的方法，由于声音检测易受干扰，射频技术成本较高，因此雷达检测检测技术应用更加广泛，在航空障碍灯主动预警技术上更有应用价值。

结论

目前障碍物被动式预警技术较成熟，应用广泛。随着通用航空产业的不断升级，低空飞行安全要求不断增高，规范要求更细，主动式预警障碍物标志物的应用及市场化前景更广阔。除障碍物主动式预警技术的不断迭代，航空障碍灯控制系统不断升级，还需满足民航要求的政策及相关法律法规的支持，尽快出台更加完善加装航空警示标志物的标准。集合各个领域的力量，完善低空障碍物预警体系 的建设，建设更加安全的低空飞行环境 。

（本文来源于“第十届中国航空学会青年科技论坛论文集”，作者：舒炎 昕，高鸣阳， 严风硕，边岱泉，熊奎，作者单位：中国民用航空总局第二研究所）

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