根據(jù)上述“低空經(jīng)濟”對直升機航電系統(tǒng)提出的五個方面的需求，結(jié)合系統(tǒng)架構(gòu)和研發(fā)流程，可牽引得出直升機航電架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)的未來發(fā)展趨勢。

一、模塊化分布式架構(gòu)

為了實現(xiàn)直升機的多場景、多功能使用，空、天、地信息互聯(lián)及開放生態(tài)共建，航電系統(tǒng)架構(gòu)需要同時滿足通用化、模塊化和支撐智能化實現(xiàn)的要求，在包含傳統(tǒng)飛行器基本航電架構(gòu)的同時，還要包含開放式、智能化以及具有云原生特性的服務(wù)化架構(gòu)。

圖1 直升機航電模塊化分布式架構(gòu)

如圖1  所示，直升機航電模塊化分布式架構(gòu)的基礎(chǔ)在于構(gòu)建統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系、數(shù)據(jù)算力中心、敏捷開發(fā)驗證環(huán)境，通過公開的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范支撐開放的生態(tài)環(huán)境，基于通用的運行環(huán)境提供共享共建的處理資源。敏捷開發(fā)驗證環(huán)境能夠幫助打通和細化研制鏈條，使得設(shè)計、制造、驗證各個環(huán)節(jié)執(zhí)行更加順暢; 在此基礎(chǔ)上，在開放的生態(tài)中研發(fā)和選用符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的直升機控制系統(tǒng)、計算資源、顯控設(shè)備、態(tài)勢感知設(shè)備、任務(wù)執(zhí)行設(shè)備，通過即插即用方式實現(xiàn)直升機的平臺能力，在開放生態(tài)中實現(xiàn)“觀察－判斷－決策－行動”( OODA) 閉環(huán); 依托可靠的機內(nèi)網(wǎng)絡(luò)、強韌的空天地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)機內(nèi)的信息匯集共享，將點連線組網(wǎng)，建設(shè)信息“高速路”; 在開放式和智能化基礎(chǔ)平臺之上，通過互聯(lián)互通互操作形成低空體系中相關(guān)的態(tài)勢服務(wù)、感知服務(wù)、決策服務(wù)和跨平臺遠端資源共享服務(wù)，在應(yīng)用商店中選用和定制開發(fā)面向用戶使用的各種功能APP，并且通過云原生技術(shù)推送到終端，從而將低空場景中的各種服務(wù)直升機航電模塊化分布式架構(gòu)在技術(shù)方面是一套開放的功能邏輯物理架構(gòu)，支持符合標(biāo)準(zhǔn)的各類物理形態(tài)與多樣的軟件應(yīng)用組合; 在面向市場方面，該架構(gòu)的軟硬件具有解耦和可配置的特點，可以衍生出適應(yīng)低空飛行的高中低選配、定制化的航電系統(tǒng)，滿足各類消費群體的需求; 在使用和運維方面，該架構(gòu)能夠快速迭代各種服務(wù)并將其推送給各類用戶來發(fā)揮作用和創(chuàng)造價值; 在產(chǎn)業(yè)群體中，該架構(gòu)公開共享標(biāo)準(zhǔn)，可以有力支撐開放生態(tài)，促進共同創(chuàng)新和多元化發(fā)展，利于持續(xù)產(chǎn)生“低空經(jīng)濟”效益。但這種分布式架構(gòu)的形成需要統(tǒng)一構(gòu)建框架以及全行業(yè)的共同努力。

二、智能化探測感知技術(shù)

直升機在低空飛行過程中，需要探測識別各類障礙物、目標(biāo)和環(huán)境信息，從而感知形成完整統(tǒng)一的態(tài)勢，以支撐低空飛行器的安全運行和各類任務(wù)的完成。尤其是在復(fù)雜氣象環(huán)境中，更需要具備增強的探測感知能力。

探測傳感技術(shù)是獲取數(shù)據(jù)信息的基礎(chǔ)，可以應(yīng)用多頻段雷達、多光譜光電等新型探測傳感器，獲取多維信息，如圖2所示。智能化信息處理技術(shù)是信息提取融合的基礎(chǔ)，結(jié)合模型算法與多學(xué)科技術(shù)的綜合，開展數(shù)據(jù)級、特征級和決策級的分析、識別、分類和融合處理，共享構(gòu)成統(tǒng)一態(tài)勢，實現(xiàn)即時感知定位、障礙物和目標(biāo)持續(xù)跟蹤、數(shù)字空間重建，為決策和操控提供依據(jù)。

圖2 智能化探測感知技術(shù)示意圖

目前，各種物理場的探測傳感器種類繁多，同時各型傳感器的性能提升空間還較大; 傳感器的數(shù)據(jù)格式和性能標(biāo)準(zhǔn)等有待規(guī)范和統(tǒng)一; 傳感器數(shù)據(jù)檢測識別算法、多傳感信息融合技術(shù)的準(zhǔn)確度和虛警率還可以持續(xù)優(yōu)化; 低空直升機探測感知領(lǐng)域需不斷改進。

三、智慧化決策規(guī)劃技術(shù)

在獲取周圍環(huán)境信息的基礎(chǔ)上，針對各種飛行場景和任務(wù)的智慧化決策將為飛行和任務(wù)執(zhí)行提供輔助，是高效安全地完成各種低空任務(wù)的有力支持，能夠有效提高直升機的易用性。

隨著智能飛控技術(shù)的應(yīng)用，直升機能夠?qū)崿F(xiàn)自動駕駛。未來通過進一步引入知識圖譜、深度學(xué)習(xí)、強化學(xué)習(xí)等智能算法，可以結(jié)合環(huán)境感知后的結(jié)果，實現(xiàn)低空環(huán)境下的三維航路規(guī)劃、空中交通管理、飛行引導(dǎo)、障礙物預(yù)測告警、輔助起降和著陸等自動駕駛功能，如圖3 所示。智能飛控甚至能在執(zhí)行特定任務(wù)時提供多種輔助決策方案，在授權(quán)情況下自動控制傳感器和任務(wù)設(shè)備實現(xiàn)特定功能，使飛行員有更多精力享受飛行和做好監(jiān)控，減輕飛行員的工作負荷，提升飛行舒適性和安全性。

圖3 智慧化決策規(guī)劃技術(shù)示意圖

為支撐智慧化決策，一方面還需要大量的低空數(shù)據(jù)積累，另一方面針對獲取的數(shù)據(jù)還有大量的數(shù)據(jù)挖掘工作需要做，尤其是跨專業(yè)跨學(xué)科的數(shù)據(jù)分析和使用; 還需要結(jié)合場景、使用和先驗數(shù)據(jù)開展大量的算法研究，構(gòu)造虛實結(jié)合的數(shù)字平行空間進行訓(xùn)練和驗證，持續(xù)優(yōu)化迭代可用的程序和算法，為低空飛行器打造更智慧的大腦。

四、智感化人機交互技術(shù)

無論有人直升機的飛行員還是無人直升機的操作員，都需要通過人機交互界面了解直升機的狀態(tài)、所處環(huán)境和執(zhí)行的任務(wù)，乘客也希望通過更多交互方式增加飛行體驗感和沉浸感，這都將催生新技術(shù)與人機交互的賦能融合。

隨著“低空經(jīng)濟”的發(fā)展，低空飛行器的密度會越來越高，近地飛行的態(tài)勢情況、航路管控動向、威脅告警、故障提示、任務(wù)提醒等信息的互動會更加頻繁。可以結(jié)合智能化信息推送處理和多模態(tài)交互技術(shù)，實現(xiàn)智能感知交互，將眾多維度信息科學(xué)合理地推送給相應(yīng)的人員。在信息呈現(xiàn)方面，可以基于混合現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)三維視景，將真實外景三維地形和虛擬引導(dǎo)圖像進行融合，通過大屏顯示器、風(fēng)擋玻璃和頭戴式顯示器呈現(xiàn)給飛行員、乘客和空中交通管理人員，實現(xiàn)身臨其境、真實直觀的環(huán)境感受。在人機交互方面，可以通過眼動、手勢、語音識別、三維語音、體感、生理特征監(jiān)控等應(yīng)用，實現(xiàn)多通道控制和信息傳遞，從而提供更加敏捷、直觀的感知操控方式。

諸多關(guān)于顯示控制的工程應(yīng)用技術(shù)的成熟度還需要提升，滿足各類環(huán)境的全彩頭盔和視景構(gòu)建顯示、精確的動作理解和意圖識別、高亮度環(huán)境下風(fēng)擋信息的顯示、多維信息推送與多通道人機交互的有機結(jié)合、個體差異化的交互特征信息處理等，尚需從應(yīng)用驗證走向成熟應(yīng)用。

五、低空智聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

通過網(wǎng)絡(luò)鏈路實現(xiàn)的信息共享是發(fā)揮體系協(xié)同、大數(shù)據(jù)應(yīng)用、信息增值的高架橋; 環(huán)境態(tài)勢信息、航路管控信息、任務(wù)信息的實時確定性傳遞更是保證飛行安全和任務(wù)完成的關(guān)鍵。如何結(jié)合使用場景，應(yīng)用多種鏈路實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)有效傳輸非常重要。低空飛行可用的無線電頻譜資源豐富，波形和組網(wǎng)協(xié)議的組合可以實現(xiàn)靈活多變的通信; 地基、空基、天基的無線傳輸和通信中繼構(gòu)建了互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)信息傳輸信道; 此外結(jié)合無線電定向測距原理還可以實現(xiàn)低空飛行的導(dǎo)航定位。為了實現(xiàn)可靠互聯(lián)，如圖7 所示，可以構(gòu)建新一代低空通訊、低空定位以及低空三維立體網(wǎng)格空域圖，將低空空域建設(shè)成類似現(xiàn)代地面交通的空域網(wǎng)格化指揮與服務(wù)系統(tǒng)，不僅能提供通信感知導(dǎo)航管控一體的全維服務(wù)，打造低空智聯(lián)網(wǎng)，還能自主評估信道質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)安全狀況，自動采用高可靠通信方式實現(xiàn)互聯(lián)和信息傳遞。

由于飛行器上的空間、能源有限，各種天線的共孔徑技術(shù)、高增益輻射、低靈敏度探測接收技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)信息安全技術(shù)等還需要改進; 此外需要進一步探索、研發(fā)和驗證通感一體化信道設(shè)計、多天線組網(wǎng)感知與干擾控制、時頻域感知和資源分配等多學(xué)科交叉融合技術(shù)。

六、全態(tài)勢多維空域管理技術(shù)

低空飛行器作為將融入交通運輸體系的新鮮力量，在創(chuàng)新應(yīng)用和發(fā)揮效用的同時，也需要結(jié)合低空飛行的特點確保規(guī)范有序使用; 除了自身適航要求還需要與地面、中高空飛行做好協(xié)同的空域管理，全態(tài)勢多維空域管理是實現(xiàn)飛行安全、高效運營的保障。

隨著低空經(jīng)濟規(guī)模逐步擴大，并且考慮到低空可以銜接陸海空，低空空管將可能成為比公路、鐵路、民航等交通運輸方式更加復(fù)雜的管理體系。屆時低空大密度、高頻次、多類型的飛行活動將需要更高效完備的審批、監(jiān)督、管控規(guī)則和措施。除了傳統(tǒng)的飛行許可、航線管理、起降管控外，還需要: ①對低空空域分類及相應(yīng)準(zhǔn)入辦法等新規(guī)則進行研究和應(yīng)用驗證，劃分不同安全等級要求的立體飛行區(qū)，許可不同技術(shù)狀態(tài)的飛行器運營執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)，規(guī)避可能發(fā)生的空中交通沖突; ②針對飛行器多維度狀態(tài)的實時監(jiān)控和任務(wù)全周期管控制定數(shù)據(jù)規(guī)范; ③建設(shè)信息平臺，打通構(gòu)建涵蓋陸、海、低空、中高空的全域全平臺全態(tài)勢的信息系統(tǒng)，通過信息系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)匯集和處理，及時識別和管理技術(shù)狀態(tài)不合法、飛行行為不合理的飛行器進入許可以外的空域。

目前這種全態(tài)勢多維全覆蓋的空域管理技術(shù)和體系還需要進一步研究和構(gòu)建。

七、全場景智能驗證技術(shù)

低空飛行場景多樣，交互對象和信息豐富，涌現(xiàn)出的增值服務(wù)和創(chuàng)造的低空經(jīng)濟價值層出不窮; 同時新技術(shù)的充分驗證和快速迭代需要敏捷構(gòu)建相應(yīng)的驗證環(huán)境。如何針對需要，反復(fù)迭代驗證的技術(shù)，實現(xiàn)低成本高效測試驗證工作是一個重要命題。

傳統(tǒng)單平臺系統(tǒng)的測試驗證，常常采用系統(tǒng)綜合聯(lián)試的方式開展。低空飛行場景復(fù)雜，又涉及多平臺的協(xié)同和它們之間的互聯(lián)互通互操作，場景構(gòu)建困難。相比地面驗證，飛行驗證的環(huán)境建設(shè)成本高、代價大、周期長，且涉及安全的測試項目風(fēng)險高、難度大。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)和AIGC( AI－GeneratedContent) 的發(fā)展，在數(shù)字平行空間中開展驗證成為可能。AIGC 依據(jù)給定的環(huán)境要求和測試邊界自動生成各類測試場景和相應(yīng)的測試用例，并在數(shù)字化環(huán)境中反復(fù)執(zhí)行測試驗證程序并記錄分析結(jié)果，成本代價低，構(gòu)建迅速，還可加速運行，能夠支持新技術(shù)在DevOps 的循環(huán)中實現(xiàn)快速研發(fā)、迭代升級和價值閉環(huán)。

除了可見光仿真，數(shù)字平行空間還涉及多光譜、力、熱、電磁的多維仿真; 同時還需要保證仿真模型相對真實環(huán)境的高逼真度; 需要研究AIGC 構(gòu)建時空統(tǒng)一的多維高仿真環(huán)境技術(shù)，并將包括開發(fā)、測試、運行和試驗記錄的工程研發(fā)環(huán)境與仿真環(huán)境無縫接入，支持全場景智能驗證。(作者：張子俊，葛晨，孟浩，雷詠春)