SVO：通往UAM自主飛行之路

無(wú)人機(jī)10086

2021年11月30日 10:26

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SVO is a practical step in the direction toward autonomous systems that allow pilots to focus on executive-level decisions and not worry about lower-level considerations the vehicle itself can manage.

SVO是通往自主系統(tǒng)上的一步實(shí)踐，

它讓飛行員專注于執(zhí)行層上的決策，

不用擔(dān)心那些底層飛機(jī)自己能夠管理的考量。

CARL DIETRICH Chairman, SVO Subcommittee, General Aviation Manufacturers Association

本文主要內(nèi)容來(lái)源于公開(kāi)資料，偏向FAA認(rèn)證體系，部分內(nèi)容結(jié)合獅尾智能實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)編寫。

在傳統(tǒng)航空體系中飛行員是大多數(shù)系統(tǒng)和未知情況的失效安全（Failsafe）備份，舉一個(gè)例子，線控（Fly-by-Wire）的直接模式（Direct Mode）就是這種情況。

飛機(jī)電傳飛控系統(tǒng)一般具有三種控制模式：正常模式、降級(jí)模式以及直接模式。其中，飛行控制計(jì)算機(jī)(FCC)具有正常控制模式與降級(jí)控制模式兩種控制模式：

當(dāng)FCC接收到有效的大氣數(shù)據(jù)傳感器信號(hào)時(shí)，F(xiàn)CC處于正常控制模式，執(zhí)行的是根據(jù)大氣數(shù)據(jù)和襟翼位置調(diào)整參數(shù)的最優(yōu)性能正常控制律,輸出正常模式控制律指令；

當(dāng)FCC沒(méi)有接收到有效的大氣數(shù)據(jù)傳感器信號(hào)時(shí)，F(xiàn)CC處于降級(jí)控制模式，執(zhí)行的是根據(jù)襟翼構(gòu)型調(diào)整參數(shù)的降級(jí)控制律,輸出降級(jí)模式控制律指令；

當(dāng)發(fā)生故障或者意外等情況，飛行員直接操縱飛機(jī)FCC進(jìn)入直接模式，這種模式下系統(tǒng)的失效安全備份為飛行員。

在UAM場(chǎng)景下出于安全、易用、無(wú)人駕駛等需求驅(qū)動(dòng)，SVO應(yīng)運(yùn)而生。SVO是航空業(yè)內(nèi)“Simplified Vehicle Operations”的縮寫，主要目的是基于飛行自動(dòng)化技術(shù)來(lái)減少飛行員必須具備安全操控飛機(jī)的技能。

2015年后隨著AAM/UAM場(chǎng)景發(fā)展，F(xiàn)AA、NASA和GAMA等機(jī)構(gòu)推動(dòng)了SVO技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展。

AAM最終實(shí)現(xiàn)不需要飛行員的全自動(dòng)飛行目標(biāo)

#01

SVO帶來(lái)全新的航空安全理念

傳統(tǒng)的飛行控制組成示意圖

# FCL: Flight Control Law 飛行控制律

傳統(tǒng)航空安全理念

● 設(shè)計(jì)需求制約飛行控制

● 失效嚴(yán)重性和概率制約飛行設(shè)備和系統(tǒng)的等級(jí)

● 根據(jù)搭載乘客的數(shù)量設(shè)定可靠性等級(jí)

● 發(fā)生事故后，總是假定飛行員可以正確的接管

● 飛行員是自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)的備份保障

SVO安全理念

● 所有的系統(tǒng)與元器件由失效嚴(yán)重性和概率制約（并非設(shè)計(jì)需求）

● 單個(gè)飛行員在正常運(yùn)行下的失效率約為10的-5次方

● 緊急情況下的飛行員錯(cuò)誤率更高

單個(gè)飛行員不能導(dǎo)致災(zāi)難性事故；

在單點(diǎn)故障發(fā)生后無(wú)需飛行員操作仍能安全飛行

● 飛行員并不是可接受的系統(tǒng)備份

SVO1，SVO2 和 SVO3的設(shè)計(jì)理念

SVO1

主要面向當(dāng)前固定翼的飛行員

大幅降低學(xué)習(xí)VTOL和旋翼飛機(jī)運(yùn)營(yíng)的負(fù)擔(dān)

改進(jìn)現(xiàn)有自動(dòng)化的可靠性來(lái)去除人工備份保障

使用已有的自動(dòng)化運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)來(lái)支持飛機(jī)取證

新的SVO1評(píng)分：現(xiàn)有飛行員更易操控，減少新手飛行員的訓(xùn)練

SVO2

為沒(méi)有飛行經(jīng)驗(yàn)的人設(shè)計(jì)

航線飛行指令

專注在導(dǎo)航而非飛機(jī)機(jī)動(dòng)

自動(dòng)化完成大多數(shù)飛行前計(jì)劃

新的SVO2評(píng)分：現(xiàn)有飛行員更易操控，最低限度的新手飛行員的訓(xùn)練（目前1-2周時(shí)間完成）

SVO3

指點(diǎn)控制 – 指定目的地后完全自主運(yùn)行

全自動(dòng)化的飛行前計(jì)劃

空管或操控員可以改變目的地或航路

無(wú)需飛行員駕照

Add+

航空安全性是VTOL設(shè)計(jì)的首要考量，SVO模式對(duì)飛控架構(gòu)和安全性提出了更高的要求，操縱更簡(jiǎn)單，安全性更高。

#02

SVO的分級(jí)路線圖

SVO1標(biāo)準(zhǔn)特性

面向?qū)ο螅含F(xiàn)有飛行員

● 統(tǒng)一的控制方式（Unified Control）

- 很像飛機(jī)的操控，但是在eVTOL和懸停運(yùn)行中大幅簡(jiǎn)化操作；

- 所有飛行條件下各個(gè)軸向都是穩(wěn)定的

● 飛行包線保護(hù)

● 典型玻璃駕駛艙和飛行儀表

● 使用自動(dòng)飛行（autopilot）功能且保證線控（FBW）可靠性

● 使用當(dāng)前玻璃駕駛艙爬升、巡航、下降 VNAV功能

● 去除人工指令確認(rèn)，儀表進(jìn)近飛行

● 飛行前的自動(dòng)化處理包括

- 重量與重心、天氣、航路、剩余能量、填報(bào)飛行計(jì)劃、飛機(jī)性能檢測(cè)等

● 自動(dòng)系統(tǒng)保護(hù) – 溫度限制、電流限制、轉(zhuǎn)速限制等

● 地面機(jī)場(chǎng)導(dǎo)航和輔助運(yùn)行

● 飛行層選擇

SVO2標(biāo)準(zhǔn)特性

面向?qū)ο螅悍秋w行員

● 簡(jiǎn)易飛行控制/顯示/導(dǎo)航

（Control/Display/Manager）

從零開(kāi)始以人為中心的設(shè)計(jì)，不考慮之前機(jī)型或技術(shù)

飛控 - 在所有飛行條件下飛機(jī)運(yùn)動(dòng)是相同的

顯示為導(dǎo)航而優(yōu)化，而非控制

緊密集成控制、顯示與導(dǎo)航功能

● 飛行包線保護(hù)

● 全自動(dòng)化的飛行計(jì)劃和填報(bào)

● 自動(dòng)氣壓調(diào)節(jié)和天氣更新（航路重規(guī)劃建議）

● 自動(dòng)與空管（ATC）通信

● 全程儀表飛行

● 自動(dòng)地面和空中防碰撞

● 自動(dòng)起飛和降落

● 自動(dòng)失效保護(hù)（動(dòng)力失效、通信故障、低能量等）

● 極簡(jiǎn)單的飛行員培訓(xùn)

● 其他包含在SVO1中的特性

SVO3

面向?qū)ο螅撼丝?/span>

● 指點(diǎn)控制 – 在指定目的地后完全自主飛行模式

● 全自動(dòng)飛行計(jì)劃和運(yùn)行

● 空管或操控員可以改變航線

● 無(wú)需飛行員駕照

● 面向未來(lái)的場(chǎng)景

特別注意：

1. 因?yàn)镾VO3無(wú)需飛行駕照，安全責(zé)任不能依賴飛行員

2. SVO3僅僅在受控環(huán)境下作為135/121部的部分運(yùn)營(yíng)，安全責(zé)任在于運(yùn)營(yíng)方

Add+

VTOL自動(dòng)飛行系統(tǒng)SVO分級(jí)，有點(diǎn)類似于自動(dòng)駕駛L1-L5分級(jí)，系統(tǒng)從輔助操控逐漸過(guò)渡到完全自動(dòng)化運(yùn)行。SVO更多從操控性來(lái)去考量系統(tǒng)分級(jí)，類似的EASA提出航空AI智能化，更多從系統(tǒng)本身做考量。

#03

SVO認(rèn)證發(fā)展路線

在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)不太可能改寫14 CFR 23部

這會(huì)導(dǎo)致

●為每個(gè)新的eVTOL/SVO設(shè)計(jì)獨(dú)立特殊條例

●為每個(gè)新的eVTOL/SVO設(shè)計(jì)獨(dú)立的特定模式訓(xùn)練和飛行員取證需求

提議認(rèn)證路線發(fā)展Step 1:

創(chuàng)建一般的特殊條例能夠應(yīng)用于大多數(shù)eVTOL設(shè)計(jì)

創(chuàng)建可合并的自動(dòng)化功能的最小集作為SVO-X打包，用于制定使用當(dāng)前ACS/PTS的SVO飛機(jī)飛行員知識(shí)和技能的標(biāo)準(zhǔn)集

認(rèn)證路線發(fā)展Step 2:

飛機(jī)取證：將一般特殊條例轉(zhuǎn)成新部(14 CFR 53部?)

飛行員取證：創(chuàng)建 SVO特定的飛行駕照和SVO1/2評(píng)級(jí)的ACS集

當(dāng)前FAR Part 1對(duì)取證載人飛機(jī)定義有：

Airplane/ Rotorcraft/ Powered Lift

未來(lái)可能新增一項(xiàng)：

SVO (Special Condition)

SVO由安全性、自動(dòng)化程度和飛行特性定義，SVO1, SVO2和SVO3分別滿足特定標(biāo)準(zhǔn)（23部/27部等）,飛機(jī)可以是固定翼、旋翼機(jī)或者其他類別。重點(diǎn)不在于使用的能源形式、發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量以及產(chǎn)生升力方式，而是從駕駛員視角來(lái)看的不同飛行操控特性。

Add+

這部分對(duì) FAA 認(rèn)證路徑進(jìn)行了預(yù)測(cè)，僅代表原作者的看法，權(quán)威發(fā)展路徑應(yīng)當(dāng)參考CAAC/FAA/EASA官方信息。可以看到VTOL認(rèn)證發(fā)展實(shí)際上和產(chǎn)業(yè)是共同發(fā)展進(jìn)步的，中國(guó)局方在這方面支持力度也是前所未有。需要提醒的是不同局方的認(rèn)證理念有很大差異，SVO本身也是技術(shù)路線，目前只代表美國(guó)航空業(yè)內(nèi)的部分認(rèn)知。

#04

如何管理認(rèn)證過(guò)程

當(dāng)前飛機(jī)和飛行員認(rèn)證方法

固定翼和旋翼機(jī)設(shè)計(jì)的取證方式已經(jīng)穩(wěn)定很多年了，當(dāng)開(kāi)發(fā)對(duì)飛機(jī)運(yùn)行特性上的改動(dòng)相對(duì)較少時(shí)，當(dāng)前的規(guī)范會(huì)升級(jí)容納這些運(yùn)行特性。

定制化飛機(jī)和飛行員認(rèn)證方法

新技術(shù)創(chuàng)造了改變飛機(jī)運(yùn)營(yíng)基礎(chǔ)的機(jī)會(huì)，這些改變會(huì)與當(dāng)前規(guī)范和理念有沖突。

FAA有使用特殊條例(Special Condition)方法容納此類飛機(jī)設(shè)計(jì)的改變。每個(gè)申請(qǐng)方將和FAA一起開(kāi)發(fā)特定模型的飛行員訓(xùn)練和取證需求。相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)化認(rèn)證，這些方法需要申請(qǐng)者和FAA花費(fèi)更多時(shí)間并消耗大量的資源。

標(biāo)準(zhǔn)的SVO/eVTOL飛機(jī)和飛行員認(rèn)證方法

新的適用SVO/eVTOL的規(guī)范已經(jīng)在發(fā)展，這些飛行器的取證流程將和現(xiàn)有的很相似。

顏色濃度代表使用不同認(rèn)證方法的飛機(jī)數(shù)量

當(dāng)前取證方法與SVO認(rèn)證方法相似之處在于，都是在過(guò)去發(fā)展出來(lái)的規(guī)則上去容納新的規(guī)則。

定制化認(rèn)證方法代表了當(dāng)前技術(shù)已經(jīng)取得一定發(fā)展的情形，目前的規(guī)則已不太適用飛機(jī)取證和飛行員取證，定制化認(rèn)證是使用特殊條例來(lái)給飛機(jī)和飛行員走特殊取證流程。

當(dāng)前正是發(fā)展面向技術(shù)新進(jìn)展的認(rèn)證路徑的窗口

● 降低因飛行員失誤造成事故的需求

更安全，增加公眾接受度

● 低成本的航電系統(tǒng)

降低安全特性的成本、更廣泛的使用

● 降低訓(xùn)練成本的需求

解決當(dāng)下飛行員短缺問(wèn)題，進(jìn)行更廣泛的推廣使用

● 線控新構(gòu)型的需求

Add+

因?yàn)楦鞣N原因，國(guó)外已經(jīng)成熟的通航開(kāi)發(fā)體系在國(guó)內(nèi)沒(méi)有建設(shè)完善。單點(diǎn)技術(shù)攻關(guān)突破是國(guó)內(nèi)企業(yè)優(yōu)勢(shì)，當(dāng)前eVTOL發(fā)展最大的薄弱點(diǎn)在于主機(jī)廠和供應(yīng)商系統(tǒng)工程能力和取證能力有限，某種程度上講產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平?jīng)Q定了認(rèn)證能力。類似于新能源汽車、高鐵等行業(yè)，UAM場(chǎng)景為OEM和Tier1帶來(lái)了新的時(shí)代機(jī)遇。

#05

SVO系統(tǒng)特性的革命性變化

● 無(wú)需姿態(tài)指示，飛控可以完全搞定姿態(tài)

● 無(wú)需飛行指引，飛機(jī)沿著飛行航路標(biāo)志或者飛行計(jì)劃飛行，飛行員不控制姿態(tài)

● 無(wú)需空速或者高度趨勢(shì)顯示，飛控可以完全搞定高度和空速管理，有數(shù)字空速和高度顯示（空管有時(shí)候會(huì)問(wèn)詢）

● 在升力旋翼未介入時(shí)，飛行員無(wú)法操控速度比進(jìn)近速度更慢

全推進(jìn)情況下，飛機(jī)將趨于最大爬升速度

沒(méi)有失速（Stall Speed）

● 顯示無(wú)需側(cè)向和垂直偏離指示，飛控跟隨期望軌跡

● 無(wú)需自動(dòng)駕駛模式控制面板或者模式告示面板

沒(méi)有自動(dòng)飛行（Autopilot）模式

飛行員不再選擇模式

● 無(wú)需機(jī)械備份或者“直接”模式

新的操控方式需要新的顯示（D&G）概念和飛控系統(tǒng)（FC），隨著新的顯示系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，很明顯導(dǎo)航系統(tǒng)需要被集成到顯示和控制系統(tǒng)中。隨著導(dǎo)航系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，很明顯三要素（控制、顯示、導(dǎo)航）需要高度集成，任一方面的設(shè)計(jì)更改會(huì)改變其他兩個(gè)的設(shè)計(jì)。

Add+

更智能、更安全，UAM將是未來(lái)十年顛覆性技術(shù)場(chǎng)景

#06

市面SVO技術(shù)概覽

(1) Honeywell（霍尼韋爾）

Honeywell作為全球最大的航電供應(yīng)商，全力拓展UAM相關(guān)業(yè)務(wù)，2020年9月發(fā)布了面向無(wú)人機(jī)系統(tǒng)（UAS）和城市空中交通（UAM）下一代航電系統(tǒng)，國(guó)外eVTOL主機(jī)廠很多都選擇了Honeywell作為航電飛控供應(yīng)商

包括：

Lilium、Vertical Aerospace、Pipistrel、Faradair、Eviation、Airflow 等

Honeywell SVO飛行面板

Honeywell下一代飛控 Anthem飛行面板

（2）Flight Level Enginneering

FAA資助項(xiàng)目驗(yàn)證SVO飛行場(chǎng)景

FLE SVO駕駛艙

（3）Skyryse

由Skyryse開(kāi)發(fā)的FlightOS，是一個(gè)飛行自動(dòng)化技術(shù)堆棧，飛行員可以通過(guò)觸摸屏平板電腦和操縱桿實(shí)現(xiàn)飛行控制操作。

FlightOS

#07

INSKY城市自動(dòng)飛行系統(tǒng)

獅尾智能致力于先進(jìn)航電飛控技術(shù)的研發(fā)，為空中全自動(dòng)飛行提供解決方案。在載人飛行器（UAM）領(lǐng)域，獅尾智能融合航電飛控、智能感知等技術(shù)，推出了全新的城市4D自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)，針對(duì)eVTOL研發(fā)面向適航的自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)，推動(dòng)空中交通工具的革新。

在城市工業(yè)無(wú)人機(jī)（UAS）領(lǐng)域，獅尾智能開(kāi)發(fā)了空中數(shù)據(jù)自動(dòng)捕獲、分析以及可視化管理平臺(tái)，通過(guò)智能網(wǎng)聯(lián)、航線規(guī)劃和自主感知避障等技術(shù)實(shí)現(xiàn)在城市復(fù)雜環(huán)境下的超視距自動(dòng)作業(yè)，最大化的發(fā)揮無(wú)人飛行器在復(fù)雜場(chǎng)景下的應(yīng)用能力，形成一套自動(dòng)化的城市飛巡解決方案。