原文：科里·A·伊波利托、罗德尼·A·马丁等

分布式传感系统为提升城市空域和低空城市飞行走廊的安全性和效率提供了潜力。系统利用传感器网络，提供实时空域监控、态势感知和决策所需的数据。本文探讨了分布式传感和智能空域的概念在促进先进城市飞行中的应用，重点关注空域监控、走廊监控、精确导航和危险规避等关键需求应用。作者探讨了分布式传感系统设计和实施过程中所面临的挑战，详细描述了系统在提高飞行监控能力和增强城市空域活动态势感知度的益处。本文总结了当前针对分布式传感系统在支持城市空域运行方面的可行性与有效性的研究工作，概述了现有研究和设计考量，并提出了未来工作的规划路线。

本译文可为国内空域规划设计、测试验证、监管服务等提供一份清晰、系统的参考资料，助力国内在低空感知运营研究领域的深入探索与发展。

1    城市空中交通（UAM）与智能空间的概念

随着城市化的快速增长和空域利用的需求增长，城市空域和空域走廊进行有效监测和监控变得至关重要。传统的集中监视系统在提供全面覆盖和实时监测方面的能力有限。

图一，未来智能城市空域的概念

城市空中出行（UAM）与智能空间技术的融合，通过构建分布式传感网络和实时资源共享机制，为解决先进空中交通（AAM）的安全性与协同性挑战提供了创新路径。其核心架构包含三大要素：

（1）智能空间赋能：通过嵌入环境的大规模互联技术网络（传感器/算力/通信设施），实现移动设备与智能实体（如无人机、智能车辆）的实时资源调用与协同决策，兼顾个体目标与全局优化。

（2）分布式传感技术：NASA主导的研究项目重点突破空域监测、自主避障、精密导航等关键技术，利用环境部署的传感器网络（如垂直起降场雷达、空域走廊LiDAR）提升飞行器自主性，支持多机编队（M:N）等复杂操作。

（3）动态服务生态：构建包含空管系统、第三方服务商的多方协作平台，通过实时数据共享（如气象监测、交通调度）实现分离保障、路径规划等高级功能，显著提升运行效率与安全性。

该技术范式通过环境智能化和资源协同化，有望突破传统航空系统在密集城市空域中的感知局限与管控瓶颈，为未来高密度空中交通提供可扩展的解决方案。

2    未来城市空域的需求和挑战

图二，当前技术对未来城市智慧空域系统的挑战

城市飞行器活动空间范围从地面街道的"城市峡谷"延伸至建筑物顶部及城市冠层，其面临的一个普遍性挑战在于射频（RF）系统在该环境中的运行效能——尤其是在定位、监视和通信方面。传统航空系统（如NAVAIDS导航设施、雷达监视系统、自动着陆等导航系统，以及GPS等卫星导航系统）由于信号干扰和杂波等问题，在此类环境中将难以有效运作。此外，地面与航空器的通信链路、传统监视雷达系统，以及常规导航/着陆系统在这些复杂环境中的适用性同样面临严峻挑战。

规模化的挑战为现有技术在城市空中交通（UAM）中的应用带来了更多难题。与传统航空假设不同——即由机上飞行员驾驶、与其他飞行器间隔数海里的孤立飞行器——UAM的运行概念彻底突破了这一范式。当前航空体系基于"净空假设"（即空域无障碍物），而未来城市空域的构想则要求成百上千架飞行器在复杂拥挤的环境中协同运行，飞行器与障碍物之间的间距将缩短至米级（而非海里级）。

这种规模化同样对现有集中式空中交通管制模式构成挑战，ADS-B等通信系统在应对如此大规模的交通流量时会出现饱和问题。

与当前空域相比，城市空域环境的复杂性带来了额外的挑战。清晰天空环境的假设将不再有效，因为城市空域将充满障碍和危害，密集堆积。区域天气测量将从区域级别转向本地级别，以捕捉在城市环境中存在的微气候模式和现象。

从有人驾驶向全自动无人驾驶的转型，以及多机协同（m:N）编队管理模式的实施，带来了新的技术挑战。机上飞行员的缺失将削弱态势感知能力并延长应急响应时间，这不仅影响常规飞行操作任务，更会降低飞行器在发生机载系统故障等异常情况时的处置效能。

将航空运行环境迁移至交通密集的城市空域面临更大挑战，其空域管控能力较现行空域体系将显著下降。预计激增的飞行器数量将使现有空中交通管制方法不堪重负。此外，从监管角度来看，城市环境具有更强的不可控性——例如随时可能出现的新建建筑或施工项目，这些都将为空中交通带来全新挑战：既可能形成新的空域障碍物、改变局部气象模式，又会影响无线通信并加剧信号干扰，甚至导致地面传感系统被遮蔽或失效。

3    分布式传感技术的重点应用领域

本研究重点探讨分布式传感技术在城市空域监测与运行中的以下应用场景：

场景一：空域监控体系:（1）垂直起降场终端区（Vertiport Terminal Area）,包括：空域态势监控、飞行目标监视、运行合规性检测；（2）空域走廊（Airspace Corridors），包括：建立标准化监控体系；

场景二：先进导航系统：精密导航（Precision Navigation）、精密进近着陆系统（PAL）、无卫星定位导航授时系统（GPS-Free PNT）；

场景三：空中威胁分布式检测：探测避让系统（DAA）、间隔保障系统（SA）、防撞系统（CA）；

场景四：环境监测网络：大范围环境监测、气象威胁预警；

场景五：（1）空域交通管理： 分布式空中交通监控、智能流量管理、（2）多机编队运营管理（m:n Fleet Operations）：自主间隔保持、自主排序与间距控制；

场景六：声学监测系统：分布式声学传感、噪声污染监控；

场景七：机载传感网络：飞行器子系统传感器组网

场景八：智能安全管理：飞行器/编队健康管理系统，空域网络：包括健康状态监测、实时管理、故障预测等。

4    项目计划目标

NASA的分布式传感项目致力于开展系统设计方案研究与可行性评估，重点聚焦以下技术层面：包括建立数学模型与验证体系，用以构建拟议系统的核心要素框架，并论证该系统可实现预期功能。此阶段的成功将为后续监管协商奠定基础。项目将首先构建理论框架与形式化模型，继而开发原型算法与硬件系统用于本次评估。系统设计与原型技术将通过大规模仿真研究与缩比飞行实验进行验证，采用系列性能指标来量化评估系统可行性与可靠性。本次针对分布式传感技术与智能城市空域的初步研究设立以下目标，如图三所示。

图三. NASA的分布式传感项目研究方法

本项目将从框架和形式化方法入手，为此次评估开发原型算法和硬件系统。系统设计和原型技术将在大规模仿真研究和小规模飞行实验中进行评估。这些实验将使用一组性能指标来衡量可行性，以评估性能和可靠性。此工作的关键要素如下所述。

•  开展针对智能城市空域中分布式传感的概念设计研究

•  对概念设计进行可行性评估，包括根据性能指标进行实验评估

•  开发数学框架、概念架构以及算法，用于整合地理上分布式传感器和机会性远程观测，以在智能空域环境中实现拓扑自适应控制和估计结构

•  开发仿真原型并在大规模高保真城市空中交通管理(UAM)仿真中进行测试

•  开发并在小规模飞行器上评估硬件原型，用于飞行测试评估

•  为实现这个概念制定未来活动的路线图

5     开发阶段与进展

为实现该概念的可行性评估目标，我们开发了大规模仿真实验环境用于技术验证与效能评估。以下阶段描述了此项工作的进展情况。

• 阶段1 -基础与概念验证

• 阶段2 - 集成与系统扩展

• 阶段3 - 优化与弹性测试

• 阶段4 - 集成测试与评估定稿

• 阶段5 - 过渡与未来路线图

6    可行性评估的标准和指标

初步评估工作将包括性能指标，例如评估跟踪和定位精度。此评估的指标正在从正在开发的用例和模拟场景中得出。随着研究和项目进展到更高级阶段，将考虑其他评估标准。拟议的标准如下所述。

• 系统可靠性和可用性是评估系统在无故障情况下持续运行能力的重要标准，特别是在实际运行条件下。此指标评估系统的正常运行时间以及它在不同交通密度和环境压力下处理全规模运行的能力。

  
  

• 延迟和定时是实时决策的关键因素。这些指标衡量系统处理数据、响应空域条件变化以及发布更新或警报的速度。将延迟降至最低对于确保及时行动至关重要，特别是在动态或高风险情况下。

  
  

• 传感器融合性能和数据完整性是指系统无缝集成来自多个传感器数据的能力。这包括确保即使某些传感器提供有噪声或不完整的信息，组合数据输出仍保持可靠和一致。有效的传感器融合可确保在存在潜在传感器错误或数据间隙的情况下仍能获得准确的态势感知。

  
  

• 可扩展性评估系统随着飞机和传感器数量增加的适应能力。此标准中的指标评估处理能力以及通信网络在不显著降低性能的情况下处理更大数据量和流量的能力。

  
  

• 带宽和数据吞吐量对于确定系统内可传输的数据量至关重要。随着空域变得更加拥挤，跟踪通信系统是否能够支持所需的数据量非常重要，特别是在带宽需求高的高密度环境中。

• 安全性和容错能力衡量系统检测、响应故障并从故障中恢复的能力。这包括传感器、通信链路或处理单元的故障，评估备用系统和冗余如何无缝接管以维持持续运行。

  
  

• 用户界面和决策支持对于评估空中交通管制员或其他用户与系统交互的有效性至关重要。此指标评估界面的清晰度、可用性和效率，确保用户能够根据呈现的信息及时做出准确决策。

  
  

最后，环境和天气适应性考察系统在各种天气条件下的性能。由于恶劣天气，如低能见度、湍流和极端温度，会对空中交通产生重大影响，因此评估系统在这些条件下的性能对于确保其在实际运行中的稳健性和可靠性至关重要。

7    空域设计研究与运行概念

为了实现对该概念进行可行性评估的目标，已经开发了一个大规模模拟环境用于实验和评估。该系统的通用架构如图所示。

图四. 大规模区域城市区模拟环境总体架构

为可行性评估而开发的模拟环境和用例模拟了一个大的区域，其中包括旧金山和奥克兰大都市区的部分地区。这个模拟环境包括两个城市中心，面积约1000平方公里(约400平方英里)。该环境模拟了20个垂直起降机场。当前的实施方案在任何给定时间模拟50架飞行器，并且作为这项工作的一部分，正在扩展到100多架飞行器。地面传感器网络已经被设计并集成到这个模拟环境中，目前约有200个，预计将增加到1000多个，为这个模拟网络中的垂直起降机场和通道提供服务。图5中的图表展示了一些垂直起降机场、通道和传感器网络位置的初始和初步布局。

图五. 模拟的先进空中 mobility区域环境。图中展示了这项工作早期阶段使用的初步垂直起降机场、通道和传感器网络(左)，以及一个扩展的传感器网络系统(右)。

该模拟采用了几个假设来模拟一个规模足够大的相关交通网络，以评估可行性。围绕每个垂直起降机场开发了一个空中交通走廊、进近路径和离场路径的网络，以提供足够复杂的交通，如图6所示。

图六. 走廊和空域设计概念。本研究开发了进近和离场路径概念(左)以及垂直起降机场到垂直起降机场的走廊(右)，以模拟交通复杂性。

该系统可以为机载飞机传感器和地面传感器生成离线高保真视觉相机渲染图，如图7所示。对于实时实验，采用了低保真度的传感器模型来捕捉传感器行为，例如，用一个捕捉该系统主要特征的低保真度模型取代为单个成像器开发的详细目标检测和跟踪管道。

图七. 视觉传感器不同条件模拟的渲染图。此图展示了机载视觉图像(左)、楼顶水平传感器图像(中)和地面水平传感器图像(右)。

8    垂直起降场（Vertiport）设计研究考量

目前正研究通过仿真环境验证候选传感器网络的设计方案与布局配置，以支持垂直起降场区域应用。如图所示，提出的传感器网络包含：可见光摄像机、红外摄像机、地面雷达、激光雷达（LiDAR）。

该网络沿垂直起降场的一条进离场航路部署，实现全航段覆盖。这些传感器已完成仿真建模并集成至仿真环境，用于验证基于分布式传感器网络的以下功能：空域目标监视、精密进近与着陆控制

同时开发了包含可见光与红外着陆引导灯的垂直起降场仿真系统（图八）。研究采用两种建模方式：高精度离线渲染模型、低精度实时模型。

图八. 垂直起降机场运营的传感器网络覆盖范围。进近/离场路径的传感器布局(左)和带有卫星叠加图的位置(右)，展示了城市环境中障碍物带来的挑战以及地面传感器的覆盖范围。

9    传感方式比较研究

本研究正在探索各种传感方式，以满足航空运营中的多样化需求，特别是在城市环境中。这些传感方式包括以下传感器，它们总结了一般传感器的能力、局限性，并描述了本研究中正在考虑的支持性用例。这代表了本项目目前正在评估的许多传感器，但这并非完整列表。

• 激光雷达(Light Detection and Ranging，LiDAR)能提供高精度的三维地图用于障碍物检测，通常以点云形式呈现，同时还能提供多普勒速度信息。

  
  

• 红外和热传感器是另一个有前景的选择，在低光照或视觉条件退化的情况下(如雾和烟雾)特别有效。

  
  

• 声学传感器通过检测环境声音模式和振动来补充这些技术。作为分布式传感器网络的一部分，它们可以帮助识别附近的飞机、检测机械异常，并监测垂直机场和空域走廊周围区域的噪音水平。

  
  

• 视距相机系统提供丰富的空间细节和上下文信息，使其具有成本效益且用途广泛。它们支持空域监测、障碍物检测、防撞和分散式交通控制。

  
  

• 雷达传感器广泛用于地面监视，即使在恶劣条件下也能提供强大的测距、速度和深度信息。它们的能力包括远程操作、多普勒速度测量和宽视场覆盖。它们非常适合空域监测、接近警报和交通管理。

• 惯性测量单元(IMU)、磁力计和气压计是当今飞机上常用的传统导航传感器。

  
  

• 超声波传感器是近距离物体检测的有效工具，特别是在杂乱或复杂的环境中。这些传感器利用声波识别附近物体并测量距离，使其非常适合自动对接、垂直机场地面操作以及着陆期间近地面高度估计和近距离障碍物检测等应用。

  
  

• 环境传感器可以实时测量风速、温度、湿度和空气质量，有助于天气建模、飞行路径规划和垂直机场安全。

  
  

• 有源射频(RF)定位采用有源收发系统，通过飞行时间(ToF)、到达角(AoA)或信号强度测量等技术来确定位置和运动。

  
  

• 无源射频(RF)传感的不同之处在于，它无需自身发射信号就能检测来自其他飞机或通信系统的信号。这种无源方法增强了隐身性和能源效率，同时将对其他射频操作的电磁(EM)干扰降至最低。

10  高级操作阶段和要求

构建分布式传感通用框架，基于智能空间概念开展研究——该概念将传感、处理与通信功能嵌入整个环境，空间内的操作者可通过协同信息共享网络实时调用这些能力。基于此，研究者提出一个动态化、拓扑自适应分布式评估框架，旨在解决自主先进空中交通（AAM）运行面临的挑战，并满足载人航空的适航要求。

本文阐述了该框架的初始运行概念与系统设计：建立问题抽象化的数学模型、界定运行需求与技术约束、提出算法架构与数学形式化方法以验证运行逻辑，该框架目前正在区域级AAM运行系统中进行仿真验证，重点评估两大初始应用场景：

(1)支持精密进近着陆（PAL）的无卫星导航系统、(2)垂直起降场空域内的航空器监视与合规性监测。

此类技术路径展现出三大突破性优势：填补现有技术空白以支持未来AAM发展、相比现有航空系统具备更强功能与性能、提供更优的鲁棒性与安全性。

图九. 框架操作阶段

该模型通过支持监视用例的各种操作模式指导框架。当在一个或多个传感器中识别到潜在目标时，采集阶段将目标识别为需要估计的实体并确认该目标。初始拓扑确定阶段指定满足需求和估计目标，并满足约束条件的初始分布式传感网络拓扑，涵盖空域中的各种元素。一旦建立了拓扑，系统便进入正常操作模式。在正常操作过程中，基于传感器的更新，每个时间步都会更新目标状态估计。

同时，框架会执行其他三项功能。框架监控当前的网络拓扑，以识别任何需要修改拓扑的事件，例如目标车辆离开传感器覆盖区、与传感器失去通信等。此外，框架通过将每个传感器与共识进行交叉验证，提供对所有传感器的持续质量估计，该传感器对目标的观察是重叠的。当在指定的估计网络拓扑中对目标进行估计时，系统将执行目标分类，以帮助对估计的目标进行分类，以便于估计的使用者。例如，确定目标是小型无人机（sUAS）、电动垂直起降飞机（eVTOL）、直升机还是鸟类将为空域运营商和机载检测与规避功能提供有用的信息。

11  空域设计研究考虑因素

传感器在分布式网络中的选择和布置需要考虑几个问题，包括准确性需求、冗余需求、互补优势、在通信约束下所需的最大服务性能以及环境约束。传感器的冗余有助于确保操作的可靠性和可用性。所选传感器的互补优势可以被视为在不同条件下提供足够的性能，并有助于提供增强的性能。例如，将雷达（坚固的测距信息）与视觉（上下文信息）配对，为空域监测提供更多信息，并有助于多传感器跟踪。

实时评估中的网络利用率目前正在模拟交通环境中进行评估。例如，仿真的初步结果显示在图十中。该图展示了网络传感器选择、通信路径选择、带宽利用率以及重叠信息流结构的快照。

图十. 网络通信结构和本地信息流。该图显示了支持四个不同消费者（从左上角到右下角）之间的地面和空中节点的通信流，估算传感器选择、通信路径选择和共享网络路径上的带宽使用。

正在开发一种自适应扩展卡尔曼滤波器设计，以提供对目标对象的连续观测，使其在拓扑变化中保持一致。图十一展示了对单一飞机跟踪的示例结果。

图十一. 在传感器覆盖区域之间对目标的连续估计。传感器和覆盖的布局沿单一飞机航迹（左），本地观察模型输出（右）突出显示可用的传感器读数，并将传感器选择加粗。

除了带宽限制和通信拓扑约束外，满足性能要求（例如沿飞行路径的飞机状态估计的准确性和一致性）是传感器网络设计考虑的重点。影响因素包括对估计准确性的三维几何考量、所选传感器组之间的充分重叠、传感器可用性对估计准确性和稳定性的影响，以及在考虑通信和带宽限制的情况下的次优传感器选择。在受限的最优传感器选择下，最终的优化拓扑可能很复杂，如图十二所示。

图十二. 给定飞行测试配置的最佳位置和准确性拓扑

12  传感器融合拓扑和流程设计

本研究正在通过仿真与硬件原型验证以下技术要素的处理管线架构：状态估计管线、数据融合管线；图十三展示了为实时仿真开发的典型处理管线架构，其主要特征包括：多源异构数据接入层、时空对齐预处理模块、分布式融合计算核心以及实时性保障机制。

图十三. 处理拓扑和管道 - 基于地面的视觉观察网络

传感器网络设计和布置问题中另一个重要因素是选择提供互补观察信息的传感器，例如：雷达与基于视觉的摄像系统之间的传感器融合。这两种传感器类型提供互补但在基础上完全不同的数据。这些模式具有互补的优势——雷达在测量范围和速度方面表现优异，即使在能见度较低的情况下。视觉则提供丰富的空间和上下文信息，但仍面临许多问题，例如环境光照变化。这项研究的一些初步结果如图十四所示。

图十四. 光学雷达目标检测和跟踪的处理拓扑。EKF融合的处理流程（上），几何设置（左下），EKF处理细节（中下），飞行测试实验的实验结果（右下）。

13  通过分布式传感器网络进行精准导航

该项目目前正在研究实时控制和导航解决方案，以便通过分布式传感器网络实现车辆在垂直港口的精确接近和着陆。从使用机载激光雷达和视觉系统进行的精密导航实验中获得的一些初步结果如图十五所示。这些研究包括利用机载激光雷达的机载视觉以及将机载传感器与分布式地面传感器网络观测集成。

图十五. 精确导航用于进场和着陆，利用机载激光雷达（左）和视觉（右）

14  实验硬件原型与缩比飞行测试实验

本项目的可行性分析包括开发硬件原型用于缩比飞试实验。已经开发和部署了一系列地面传感器硬件节点和飞行器有效载荷节点，涵盖了雷达、视觉范围成像仪、红外成像仪、多光谱传感器、射频测距和无线网状网络硬件。

图十六. 为飞行测试评估而开发的地面和车载硬件原型。

除了仿真实验外，还使用上述软件和硬件原型对各种场景进行了评估。图十七展示了一些缩比飞行场景的概述，其范围、传感器密度和布局各不相同。这些实验的详细信息可在本文相关文献中找到。关于本项目正在研究的各种研究主题的这些实验结果已在上述参考文献中呈现。

图十七. 缩比短程飞行测试实验的配置

（全文终）

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转载自公众号“低空产研记录”