航空工業和政府機構對無人機系統大規模整合到全球管制和非管制空域的需求快速增長。實現整合的關鍵包括保證無人機系統安全運行所需的通信、導航和監視（CNS）技術。NASA在其項目NNA16BD84C下，提出了實現無人機系統在管制和非管制空域安全運行所需的通信、導航和監視體系架構概念。本文分析了CNS體系架構的實現就緒度。
無人機系統在管制空域運行遵循世界空中交通管理（ATM）服務中有人航空的要求，而無人機系統在非管制空域運行則遵循NASA無人（空中）交通管理（UTM）運行概念。實現就緒度基于NASA的技術成熟度等級（TRL），包括：TRL1（發現基本原理）到TRL6（相關環境演示）到TRL9（實際系統飛行證明）。在NASA無人機系統通信導航監視體系架構概念中，引入了許多需要與TRL等級相關的新型CNS體系架構單元。TRL6被認為是要在1到5年（2018~2022）內實現全面集成飛行測試的所有功能單元的最低標準成熟度等級。從本文中可以看出，大部分功能單元的TRL已經處在TRL6或更高。其他功能單元處在研發階段末期，隨著它們的不斷成熟，可以引入到生產測試?？傊?，對于核心功能單元，可以在開展先進研發工作的同時，引入到可行性和實用性測試（在實驗室環境和實際飛行測試）中。
本文分析了無人機系統通信網絡、通信數據鏈路、導航和監視的實現。在當前項目下，NASA對無人機系統通信、導航和監視需求、管制空域無人機系統通信、導航和監視體系架構以及非管制空域無人機系統通信、導航和監視體系架構展開了積極研發。在重要的無人機系統相關會議（包括Icns2017、IEEE航空2018和Icns2018）上，NASA發布了無人機系統體系架構概念，并繼續尋求其他發布機會。NASA將繼續努力，為無人機系統在管制和非管制空域運行創建一種全面集成測試場景。
小型無人機系統（sUAS）（無人機重量小于55磅，約25千克）已經開始進入國家空域（NAS），在未來幾年，將會達到數百萬架。由于預期的大規模部署，對于運行于非管控空域的小型無人機系統而言，采用對運行于管控空域（分為A、B、C、D和E類）的有人飛機和大型無人機系統進行管理的空中交通管理（ATM）服務，是不切實際的。而運行于G類非管控空域的小型無人機系統將需要持續的通信、導航和監視態勢感知（SA），這是一種基于網絡的服務，被稱作無人空中交通管理（UTM），而對于來自UTM ATC的指揮控制（C2）信息，將基于例外管理原則（MBE）進行管理。在這種背景下，MBE意味著小型無人機系統需要按照FAA第107部分的規則運行，只有那些偏離規則的小型無人機系統服從搶先式和/或修正式UTM C2指示。
在管制空域運行的大型無人機系統，將歸于與全球有人航空相同的ATM管轄范圍，并將接受空中交通管制（ATC）系統的持續指揮控制/態勢感知管理。ATM中預期的大型無人機系統數量比無人（空中）交通管理（UTM）中運行的小型無人機少很多個數量級，然而，采用的是相同的通信網絡體系架構單元。特別是，通信網絡必須支持互聯網型通信，這類通信中源節點和目的節點可以交換IP數據單元（稱為數據包）。網絡可以是專用鏈路、路由器、交換機等的獨立集合，也可以（更有可能）是在全球公共互聯網上配置且受到虛擬專用網（VPN）保護的一個疊加層。
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（1）互聯網——IPv6（TRL9）
目前，互聯網正在向IPv6協議遷移。IPv6是一個完整的互聯網標準，幾乎無處不在，例如，全球各公共領域和商用電話、計算機和網絡設備產品。一般情況下，這些產品通常配置為可接受IPv4或IPv6網絡服務，但首選IPv6，其他產品，如低端物聯網設備（如家用溫控器、監視系統等），只有IPv6。主要互聯網提供商目前也在面向家庭用戶提供原生IPv6服務。鑒于這些產品部署廣泛且容易獲得，因此IPv6技術成熟度可歸類為TRL9。
（2）自動配置——DHCPv6和IPv6ND（TRL5）
IPv6包括向移動設備（例如無人機系統）自動分發IPv6地址和子網前綴的附加服務。無狀態地址自動配置（SLAAC）服務通過IPv6鄰居發現（IPv6ND）協議提供，而有狀態IPv6前綴授權服務由IPv6動態主機配置協議（DHCPv6）提供。無人機系統將需要一種移動IPv6子網前綴，無論無人機在世界任何地方漫游，該前綴都可伴隨無人機。
DHCPv6和IPv6ND各自都可視為TRL9，但無人機系統數據通信網絡將需要一種DHCPv6/IPv6ND組合集成，從而在接入網地址發生變化的過程中，共同保持移動前綴授權處于活躍狀態。二者的集成歸類為TRL5。
（3）路由——邊界網關協議（BGP）（TRL9）
互聯網骨干由鏈路（如光纖）、橋接器、交換機和路由器組成，它們連接在一起，形成一個全球連通拓撲結構。核心互聯網路由器負責連續確定將數據包從源節點送往目的節點的接下來連續幾跳。因此，每個路由器維護一個路由信息庫（RIB）和一個轉發信息庫（FIB），分別用于確定下一跳并向下一跳轉發數據包。
互聯網路由系統基于多年來提供核心路由服務的邊界網關協議（BGP）。BGP把自主系統（AS）相互連接成一個相鄰自主系統之間對等排列的網狀網，全世界所有自主系統構成全球公共互聯網。網絡邊緣必須保持無人機系統機動性事件更新，并由移動性服務（例如，非對稱擴展路由優化（AERO））對之進行管理。在這種背景下，BGP歸類為TRL9。
（4）安全——OpenVPN（TRL9）
由于ATM/UTM網絡服務將在全球公共互聯網進行分層，因而需要采用虛擬專用網（VPN）服務保護服務的機密性、完整性和可用性（CIA），其中包括加密和認證，這樣ATM/UTM管制員可以通過互聯網上的VPN隧道協調無人機系統運行。同時，這些VPN隧道還必須支持終端系統機動性，即使無人機系統在網絡連接點之間運行時，仍能保持安全會話處于活動狀態。
一種名為OpenVPN的公共可用的VPN客戶機和服務器軟件分發平臺已被選作無人機系統安全通信參考平臺，同時，許多商業軟件銷售商也提供VPN解決方案，但是這些方案的缺點是不提供開源代碼。OpenVPN技術是穩定和安全的，并且為互聯網安全提供廣泛部署的服務。OpenVPN歸類為TRL9。
（5）移動性——非對稱擴展路由優化（AERO）（TRL5）
非對稱擴展路由優化（AERO）是一種網絡層移動性服務，無論何時當無人機系統跨其任何可用航空數據鏈路漫游時，都可實現無人機系統跟蹤。該服務采用IPv6作為網絡層協議，IPv6ND和DHCPv6作為自動配置和移動性跟蹤服務，BGP作為域間路由協議，移動虛擬專用網（VPN）服務作為安全層。使用AERO的無人機系統還配置一種新型IPv6鏈路本地地址，稱為“AERO地址”，鏈接IPv6路由與IPv6ND。
此類模型以一種基于OpenVPN開源軟件分發平臺的AERO公共域實現實例化。代碼運行在Linux和Android操作系統上，支持所有DHCPv6、IPv6ND和BGP操作。AERO代碼自身仍然在網絡仿真和真實網絡試驗中進行高級測試，因此，其技術成熟程度可歸類為TRL5。公共域KEA DHCPv6、OpenVPN和Quagga BGP路由實現都在使用。所有這些實現都可歸類為TRL9。
（6）傳輸層（TRL9）
傳輸層負責應用數據的可靠和/或實時分割，以便向網絡層表述，在網絡層，AERO移動組網服務將數據傳送到正確的移動或固定端系統。傳輸控制協議（TCP）是一種可靠的端到端服務，確保數據源發送的所有數據都被目的地正確接收。例如，向ATC傳送大文件的無人機系統可以使用TCP實現其消息分割、擁塞控制和流控制要求。ATC將對接收到的每個字節進行確認，無人機系統可以重傳任何丟失的字節。由于無人機系統可能正在網絡連接點之間快速移動，有實時傳送需求（例如，駕駛艙管制員數據鏈路通信（CPDLC）或標準協議（STANAG）4586要求）的指揮控制短信息指令采用用戶數據報協議（UDP）更好。
TCP和UDP都是互聯網使用了幾十年的基礎傳輸協議，它們已在各種主要計算產品和網絡產品中成功實現，是全球最廣泛使用的傳輸協議。它們歸類為TRL9。
（7）應用（TRL5~TRL9）
無人機系統應用包括指揮控制、態勢感知、流媒體和一般文件傳送。CPDLC是一種指揮控制消息傳送服務，在空中交通管制（ATC）和工作在管控空域和非管控空域的無人機遠程飛行操作人員之間提供空中交通管理（ATM）指令。這種消息傳遞服務起源于也適用于有人航空應用，用于航空通信網絡（ATN）實現開放系統互連（ATN/OSI）和互聯網協議服務（ATN/IPS）。CPDLC可運行于ATN/OSI，因而在該域中歸類為TRL9。目前正在實驗室測試環境進行ATN/IPS領域的測試，因而，可歸類為TRL5。由于無人機系統ATM/UTM服務將基于ATN/IPS，因此，對于無人機系統，CPDLC歸類為TRL5。CPDLC消息將通過該域的UDP傳輸層承載。
STANAG4586消息傳送包括標準的指揮控制消息集，遠程飛行操作人員通過這些消息控制無人機系統內的各無人機。這些消息通過UDP傳送（與CPDLC相同），在（盡力而為型）網絡層服務容易出現丟失和重傳。由于AERO提供的是盡力而為型移動網絡層服務，STANAG4586消息傳遞將獲得與固定網絡中遠程飛行操作人員與無人機系統通信相同的盡力而為服務，因此可視其為TRL9。
在本節中，將介紹當前和建議的用于空中交通管理（ATM）和無人交通管理（UTM）的數據鏈路的實現分析。
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（1）衛星鏈路（TRL8）
· 適用性：管制空域中的幾乎所有大型無人機都使用衛星鏈路，在海上，這些鏈路專用于通信。
· 優點：目前，衛星星座覆蓋了地球的大部分區域，因而，它們可在地球的任何地方使用。
· 缺點：衛星數據鏈路存在兩個關鍵問題：數據速率低和重量大。每個用戶的數據率通常僅為每秒幾千比特，能夠支持少量話音信道。接收機所需天線的尺寸太大，無法用于小型無人機。衛星總數據率也很低，以至于只能為幾千架飛機提供支持。
· 實現情況：通常用于航空飛行的有兩類衛星，即Inmarsat Swift Broadband 5和Iridium Next。每顆Inmarsat Swift Broadband 5衛星提供800Mbps帶寬，而每顆Iridium Next衛星提供72Mbps帶寬。因此可視其為TRL8。
（2）AeroMACS（TRL5）
AeroMACS是RTCA設計用于機場地面通信的數據鏈。
· 適用性：如上所述，AeroMACS是專為機場地面部分設計，有人機和無人機都可使用。
· 優點：它采用一種最新通信技術設計，可以高效使用頻譜。
· 缺點：AeroMACS使用預留給航空的5.091~5.150GHz頻段（C波段）。該頻段受保護，因此不是免許可頻段。同樣，在沒有中間服務提供商的情況下，飛行員不能在機場外使用該頻段嘗試與其無人機直接通信。
· 實現情況：標準已準備就緒且已經過多次試驗驗證。因此可歸入TRL5（技術演示）。
（3）L-DACS（TRL5）
歐洲航管組織（EUROCONTROL）預見到了航空通信需求，開發了兩種型號使用L波段的航空數據鏈。L-DACS1使用正交頻分復用（OFDM）技術，與WiMAX/LTE類似，而L-DACS2使用時分雙工（TDD）技術，類似GSM。從這一點上說，L-DACS1是用于飛行階段數據鏈路的領先候選鏈路。
· 適用范圍：L-DACS設計用于飛行階段，替代VHF數據鏈2（VDL2）。
· 優點：采用L波段960MHz~1165MHz頻段。這些頻率比用于AeroMACS的C波段頻率低5倍。因此，與C波段技術相比，距離更遠，既可用于有人機也可用于無人機。
· 缺點：L-DACS采用受保護頻段，對少量飛機非常適合。因而，大型無人機可以使用L-DACS，小型無人機則要使用其他數據鏈路。
· 實現情況：L-DACS仍在進行標準化，技術演示即將進行，處于TRL5。
（4）RTCA SC-288無人機系統數據鏈路活動（TRL5）
航空無線電技術委員會（RTCA）特別委員會SC-228工作組WG-2被授權制訂用于指揮控制的最低航空系統性能標準（MASPS）和最低性能標準（MOPS）。SC-228 WG-2第一階段的工作重點放在用于無線電視距操作的地面控制非有效載荷通信（CNPC）鏈路。該工作組的白皮書描述了其近期計劃，計劃2018年12月前開發指揮控制數據鏈路MASPS，2020年6月前開發CNPC MOPS。
（5）WiFi（TRL9）
· 適用性：WiFi及其改型是小型無人機最常用的數據鏈路。通過某些調整，作用距離可達幾公里。盡管其距離有限，但對于大部分拍攝及其他應用是可以接受的。
· 優點：WiFi可以說是應用最廣泛的無線技術，它的另一優勢是可在所有智能手機中實現，因而，如果使用WiFi數據鏈路，可使用智能手機作為控制器，從而降低設備成本。
· 缺點：WiFi的主要限制是它的距離。對大部分有人飛行或超視距工作，幾公里的通信距離遠遠不夠。
· 實現情況：如前所述，WiFi目前被廣泛采用。
（6）長距離WiFi（TRL3）
IEEE 802.11ah是一種長距離WiFi版本，它使用900MHz頻段，而不是常規WiFi使用的2.4 GHz和5.8 GHz，因此其作用距離可以達到數公里。
· 適用性：對于近距離或超視距飛行小型無人機來說非常理想。
· 優點：使用免許可頻段，所以，任何小型無人機都可以由飛行操作人員通過這種鏈路進行控制，無需外部服務提供商。同時，與WiFi類似，有低成本優勢。
· 缺點：由于頻譜不受保護，可以隨意使用，因此，它不適用于管制空域和大型無人機，因為同時位于同一頻道的其他發射機的干擾可能會帶來影響。
· 實現情況：IEEE 80211ah標準幾年前已由IEEE完成，但使用率一直很低，而且幾乎沒有實現案例。僅處于TRL3級（需要通過研究證明可行性）。
（7）ZigBee（TRL9）
ZigBee和長距離WiFi一樣，相比標準WiFi，作用距離更遠。
· 適用性：與長距離WiFi一樣，ZigBee也可以運行在900MHz頻段，因此其作用距離比常規WiFi更遠。
· 優點：成本低，因此是小型無人機的首選。事實上，大部分自己制作無人機的愛好者都采用各種衍生型Zigbee，例如XBee和XBee Pro，3DR和RFD900。
· 缺點：無人機使用的大多數ZigBee版本都是上述各種專用版。
· 實現情況：該技術在無人機愛好者中極為流行，目前在用。因此對于小型無人機處于TRL9。
（8）藍牙（TRL9）
藍牙是為極短距離通信而開發的，但是，目前這種技術已應用于小型無人機市場。
· 適用性：藍牙的作用距離限制在30米以內。該距離至少可滿足兩種應用：跟隨和蜂群。
· 優點：藍牙成本極低，體積小，可以用作WiFi或ZigBee之外的一種二級數據鏈路。它采用免許可的2.4GHz頻段。
· 缺點：藍牙的主要缺點是作用距離太短，因此只能作為一種二級數據鏈路或不受短距離影響的室內應用。
· 實現情況：藍牙芯片廣泛可用，因而，藍牙廣泛應用于智能手機和多種小型無人機。該技術可行并在使用，因此歸為TRL9級。
（9）蜂窩和蜂窩車聯網（C-V2X）（TRL9/TRL5）
4G、LTE和5G等蜂窩技術適用于遠程通信。
· 適用性：蜂窩技術是全球可用的，因而，在許多方面，可與衛星媲美。小型無人機和大型無人機都可使用這一技術。
· “蜂窩車輛網”（C-V2X）是5G引入的新特性之一。雖然這種技術設計用于汽車，但其很容易改造用于無人機。
· 優點：蜂窩技術最大的優點是大部分生活環境都有蜂窩基礎設施，這種技術既可用于小型無人機，也可用于大型無人機。
· 缺點：蜂窩技術盡管全球可用，但只是大部分在高速公路沿線和居民區附近實現，在偏遠地區，沒有蜂窩信號，即使有，也很弱。
· 實現情況：蜂窩技術已實現廣泛部署，處于TRL9級。即將到來的CV2X技術需要經過更多試驗和技術驗證，處于TRL5級。
目前的美國國家空域（NAS）體系架構規定由空中交通管制（ATC）系統基于監視雷達回波信號和廣播（例如，ADS-B）信息確定飛機位置。雷達精度隨著飛機與雷達站距離的增加而降低，另外，非視距回波信號（例如，建筑物、地形造成的回波）也會造成雷達精度的降低，從而影響飛機之間最低安全距離。在非雷達環境中，飛機必須報告其根據GPS或導航輔助措施（例如甚高頻全向（無線電）信標（VOR）和測距裝置（DME））確定的位置。在這種工作環境下，為確保安全，飛機間甚至需要保持更大安全距離。
2025年下一代導航工作的關鍵組成部分是對于在管制空域運行的有人平臺，從傳統導航系統和雷達監視向替代的精密導航和授時（APNT）以及廣播式自動相關監視（ADS-B）遷移。
向ADS-B遷移取決于所報告的飛機精確位置，而不是監視或一次雷達。GPS是目前唯一被批準用于ADS-B的導航源，精度滿足性能目標，可提高繁忙空域導航精度從而降低飛機間安全距離（讓更多飛機在更小區域高效飛行）。相關監視的第二個目標是降低目前NAS體系架構所需的基礎設施和維護成本。通過組合，降低機間最低安全距離并消除現有基礎設施的計劃為GPS服務帶來嚴重負擔。對生命安全的關注以及PNT高可用性及無中斷運行要求，意味著需要對脆弱的GPS進行備份，以便為運行在NAS和非管制空域的無人機系統提供支持。
NASA的UTM系統概念，將實現對在郊區和城區建筑物上空或在有人飛機高度以下飛行的各種無人機系統的安全管理。為了支持正確定位和授時，波音公司建議使用一種多源導航方案，組合使用全球導航衛星系統（GNSS）與地基多邊定位技術（例如，蜂窩、衛星、調頻、廣域增強系統、WiFi）和授時服務協議。為了支持相對定位，波音公司建議使用無人-無人和無人-有人航空系統多邊定位技術，并組合基于互聯網協議的自動相關監視（ADS-IP）。
為了支持UTM，需要實現一種可負擔的小型無人機機載體系架構，為視距和超視距提供支持。該體系架構應定義小型無人機系統支持所需的通信、導航和監視+探測和規避（CNS+DAA）能力的最低設備清單。
支持G類空域的小型無人機機載導航體系架構概念會利用多個導航源，但要盡量減少增加設備量，這是因為考慮到沒有哪種單項獨立技術將增強GPS或為G類空域運行的小型無人機提供所需的更高定位精度。建議的體系架構設想利用基于ARINC653實時操作系統的IMA計算體系架構，實現導航及監視、通信、飛機管理、飛行控制和維護等其他功能。無人機系統導航體系架構概念還設想利用用于非合作式探測和規避能力的傳感器以及來自機載通信系統的信號特征，為導航功能提供支持。為運行于G類空域的小型無人機系統提供支持的建議能力：可靠的軟硬件體系架構、全球導航衛星系統（GNSS）、基于RF的多邊定位空間/地面信號、ADS-IP&ADS-B、基于圖像的導航、慣性測量單元（IMU）和機載時鐘、地基輔助導航（GBN）、飛行管理系統、探測與規避、航天通信。
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建議導航體系架構具有的主要特性包括：
· 使用不同類型的光電/紅外成像、機會信號、現代增強系統、IMU/時鐘等，增強GPS；
· 利用不同導航源輸入間切換能力，支持導航誤差檢測和糾錯；
· 在典型飛行階段，在各種傳感器、系統和組件中斷情況下（例如，故障、干擾、欺騙和IMU漂移），支持動態導航精度；
· 支持集成成本可擔負且經過證明軟件與實現尺寸、重量和功率降低的硬件解決方案
· 支持集成推理和算法技術，接入飛行環境有關動態和靜態特征的地理、空間和時間信息；
· 支持集成規劃、預測和時序識別技術，實現小型無人機系統引導，預測飛機行為并采取行動。
為了支持大量小型無人機系統融入美國國家空域，期望實現一種比GPS定位和速度精度更好的多源導航解決方案，提升覆蓋范圍并增強人在環路操作。建議的導航體系架構解決方案將利用集成模塊化航電以及軟件虛擬機器計算，滿足成本、尺寸、重量和功率+性能目標。
（1）無人機系統導航/空中交通管理（ATM）技術成熟度
① 全球導航衛星系統（GNSS）
全球導航衛星系統（GNSS）是一種全球覆蓋的衛星導航系統。截至2016年12月，只有美國全球定位系統（GPS），俄羅斯的GLONASS和歐盟的伽利略系統是全球運行的導航衛星系統。歐盟的伽利略GNSS計劃到2020年全面投入運行。中國正在擴展其區域性北斗導航衛星系統，到2020年將成為全球性的北斗2號GNSS。印度、法國和日本也在開發區域性導航和增強系統。——TRL9
② 陸基增強系統（GBAS）
陸基增強系統（GBAS）是一種國際協作星基替代方法，替代儀器著陸系統（ILS），實現精確進近和著陸。一類、二類和三類精密進近都需要極高的精度、可用性和完整性。GBAS是唯一一種用于三類精密進近的GNSS解決方案/替代方法。——TRL7-9
③ 基于RF的導航輔助-廣域增強系統（WAAS）
廣域增強系統（WAAS）是由美國聯邦航空局（FAA）運作的一種區域性天基增強系統（SBAS），為北美飛機導航提供支持。WAAS為各個飛行階段的各種類型的飛機提供服務，包括航路導航、飛機離港和飛機到達。
盡管WAAS主要是為航空用戶設計的，但在其他定位、導航和授時團體使用的接收機中也廣泛可用。FAA致力于按照GPS WAAS性能標準中規定的性能級提供WAAS服務，目前正在對WAAS加以改進，利用未來GPS生命安全信號提供更好的性能。WAAS服務可以與其他區域SBAS服務實現互操作，包括日本（多功能運輸星基增強系統（MSAS））、歐洲（歐洲地球同步衛星導航覆蓋服務（EGNOS））和印度（GPS輔助型地球靜地軌道增強導航系統（GAGAN））運行的SBAS服務。——TRL9
④ 地基導航（GBN）輔助
地基導航系統的任務是確保美國空域航空系統（NAS）地基導航解決方案以一種能夠滿足客戶需求的最高效和最有效方式實現。預計未來GBN將最終被某種改型的GPS系統（WAAS和GBAS）所取代。——TRL9
⑤ 慣性測量單元（IMU）
慣性測量單元（IMU）是一種采用加速計和陀螺儀有時是磁力計的組合，測量并報告某個物體的比力、角速度，甚至是物體周圍磁場的電子設備。IMU主要用于機動飛機，包括無人機、航天器（包括衛星和著陸器）。——TRL9
⑥ 機載時鐘
實時時鐘（RTC）是一種計算機時鐘（通常采用集成電路形式），保持對當前時間的跟蹤。大部分RTC使用晶體振蕩器，但也有一些使用電力線路頻率。很多情況下，振蕩器頻率為32.768kHz，與石英鐘和手表所用頻率相同，出于同樣的原因，即具體為每秒215周的頻率，是一個方便使用簡單二進制計數電路的速率。許多商用RTC IC的精度已經不到百萬分之五。實際上，這已經足夠執行天文導航（計時器的經典任務）了。2011年，發明了芯片級原子鐘。這種時鐘盡管價格更昂貴，但其精度在100納秒以內。——TRL9
⑦ 大氣數據計算機
大氣數據計算機（ADC）是現代玻璃座艙必不可少的航空電子組件。相比獨立儀器，這種計算機能夠利用飛機全靜壓系統確定校準空速、馬赫數、高度以及高度趨勢數據。——TRL9
（2）無人機系統導航/UTM技術成熟度
① 近地軌道（LEO）航天器（SV）星座
導航和授時機會源信號采用的是一種運行于“銥星”近地軌道星座（由66顆衛星組成）的候選通信源。大量研究工作證明，低軌信號可提供更大范圍覆蓋，而且由于信號強度是GPS的大約300到2400倍，因而導航精度比傳統GPS信號更高。另外，由于“銥星”星座每顆衛星都是快速移動的，僅通過一個星載源，就可以提供定位信息。此外，“銥星”信號還支持深度室內導航和授時，這對于運行于人口密集市區的小型無人機非常有用。——TRL4~6
② 機會信號（SOP）——蜂窩
另一種導航方法使用蜂窩電話信號塔和傳輸裝置，創建用于無人機系統的偽衛星信標。——TRL4~6
③ 高精度圖像配準（PIR）地形輔助導航
對于在郊區和市區內運行的小型無人機來說，很可能實時使用圖像保持位置參考。為了評估是否有足夠的特征提取點用于支持基于圖像的實時導航和制導（即真實位置、速度和姿態），可利用數字化地形高程數據庫（DTED），對指定運行區域進行適用性分析。采用這種方法，可由認可的通信協議提供時間基準。另外，可使用用于位置計算的空時圖像模型優化探測與規避（DAA）能力。
為了在遠距離上保持類似GPS的精度，需要采用絕對位置更新技術。兩種有前途的“基于視覺的導航”技術分別是地形相關和場景相關技術，可在沒有其他導航輔助可用時，為無人機系統提供導航支持。
另一種基于圖像的導航技術途徑是采用一種被稱作高精度圖像配準（PIR）的技術，將實時圖像像素與地理空間圖像數據庫（例如，DTED）進行相關。——TRL7~9
④ 集合平均IMU/時鐘法
為在沒有GPS或類似GPS源信息的情況下處理多個時間段，波音公司提出采用多個IMU和時鐘集合平均技術。集合平均是創建多個模型（而不是只創建一個模型）并把它們進行組合生成所要的輸出。波音公司的這種方法應該可以提供一種低成本多10-軸IMU和時鐘機器學習解決方案，并且容易集成到各種尺寸的有人機或無人機上。——TRL2~3
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（1）簡介
監控方面，在當前項目初期，為了實現無人機系統在管制空域和非管制空域運行，NASA首先定義了無人機系統監視需求。然后，基于這些需求，為管制空域和非管制空域兩種不同環境定義并設計了不同的合作式和非合作式監視系統體系架構。
（2）技術成熟度分析
① 監視建議途徑
在項目初期建立了一系列總體設想，為制定清晰的開發路線圖奠定基礎：
· 監視開發的最終目標是為建議的體系架構保持和潛在改善當前航空安全標準。
· 明確兩種明顯不同的場景：一種是針對管制空域的傳統保守航空場景，另一種是滿足非管制空域需求的革命性未來場景。
· 所開發的系統要盡可能降低對ATC程序和運行方式的影響。
· 應該利用在中短期內可用的新興技術，提供新型的功能性安全監視解決方案。
由于項目期間建議的所有監視體系架構都共享相同的原則，所以它們都有某些共同特性，其中有些更為保守。建議的體系架構的共同保守特性包括：
· 它們利用當前現成可用的通信技術：蜂窩、衛星、Wi-Fi、蜂窩車聯網（C-V2X）、專用短距通信（DSRC）……
· 它們利用當前現成可用的定位技術：GNSS、慣性系統……
· 特別是在管制空域，考慮了與現有系統的集成。在這種場景中，已經考慮到建議的解決方案應始終對ATC透明。
另一方面，建議的體系架構也有一些共同創新點：
· 體系架構的創新設計旨在促進即將到來的無人機系統規則的制定。
· 都關注開發按照例外管理原則運行的一套完整的自動監視管理系統的不同部分。
· 安全一直是重中之重。建議的所有體系架構都遵守默認安全設計原則。
· 重點關注高度可用而又可擔負的體系架構建議。
· 廣泛使用IT/云架構，提供可擴展性。
② 監視體系架構建議的技術成熟度
項目中提出了幾種監視系統建議。這些系統所依賴的支持技術包括：
· GNSS（TRL9）
· 車聯網（V2X）通信（數據鏈路覆蓋）
· 通信/監視機載計算機（TRL9）
· 云計算（TRL9）
· 公鑰基礎設施（PKI）（TRL9）
· 低功率-高頻雷達（TRL6）
· 高清/紅外攝像機（TRL8）
· 輕型多核圖像處理（TRL6）
· 多邊/信號特征分析（TRL6）
· 多點聲傳感器（TRL7）
· 高效發光二極管（LED）、聲換能器（TRL8）
建議的監視體系架構的技術成熟度等級不僅取決于其支持技術的成熟度。為了表達系統定義的深度，NASA UAS CNS項目按技術定義等級（TDL）進行分類。TDL不是一個標準量度，它僅僅是為了向讀者提供到目前為止能夠實施下列建議的監視體系架構所需的剩余工作：
· ADS-IP：ADS-IP全稱是基于互聯網協議的自動相關監視，這是一種集中式自動化合作監視系統。ADS-IP的主要功能是能夠對在特定區域內飛行的無人機的監視數據進行管理。目前的監視系統傳輸依賴于RF信道，ADS-IP則利用基于IP的底層通信網。使用IP網絡和通信協議，ADS-IP能夠克服當前監視系統（例如，ADS-B或SSR）的局限性和弱點。ADS-IP使用IP傳輸信道對無人機與地面服務器、服務器與其他執行者（例如，自動交通監督者或編隊擁有者）之間數據交換進行管理。地面服務器作為系統核心，采集所有無人機傳送的導航數據，并根據每個執行者的需要分發這些數據。——TDL8
· uADS-IP：從概念上講，µADS-IP功能與傳統ADS-B非常類似，但適應G類空域小型無人機預期的運行方式。µADS-IP是一種自動相關監視系統建議。由于是一種相關系統，是由無人機自身確定其位置（通過GNSS或任何其他手段），并對位置數據進行廣播，以便地面上的其他載具或系統能夠接收到并做出一份所確定空域內的交通圖。
首先，uADS-IP的傳輸功率低于ADS-B，與其他傳輸編碼技術結合，對于確定工作區域能夠使用更高密度的發射機和接收機。專用短距通信（DSRC）和蜂窩車聯網（C-V2X）是支持這種傳輸的兩項候選技術。至于安全方面，建議采用加密層，這種建議是基于對RF信道廣播監視數據的對稱加密。建議使用PKI，通過安全通信信道（基于互聯網的信道，當它們可用時）為uADS-IP消息分配密鑰。——TDL4
· 無人機監視雷達（DSR）：一次監視雷達（PSR）傳統意義代表用于管制空域的主要非合作式監視系統。然而，當前的PSR被認為不能用于飛行在G類空域的小型無人機系統。由于PSR精度低而且缺乏目標唯一性識別以及小目標探測能力，它們不適用于將小型無人機系統整合到非管制空域的用途。然而，通過使用不同的傳輸頻帶，采用這項技術也能夠探測到小目標。
市場上已經出現了基于PSR的解決方案，通常被稱作無人機監視雷達，它們適用于對確定具體區域（例如，關鍵基礎設施、國家邊界或軍事基地）提供保護。這些解決方案的實施基于高性能雷達傳感器的部署。——TDL9
· 利用圖像識別進行定位和識別——光電子學：“光電子學”一詞是光學和電子學的結合，它涉及探測、圖像處理和穩定等功能。此類解決方案采用遠距離高清紅外攝像機，對小型無人機進行跟蹤、識別并提供來自小型無人機的視覺數據。——TDL7
· 采用電磁/聲學信號特征分析用于定位識別：這些解決方案包括對小型無人機及其控制站之間RF通信的無源竊聽。采用這項技術，可能會識別出無人機的傳輸頻率、MAC地址或包通信頻率。還可采用其他方法嘗試識別飛機螺旋槳旋轉及無人機振動產生的電磁場和噪聲。——TDL7
· 利用光/聲信號增強安全：光和聲信號可考慮作為合作式監視方法。此類方法的作用距離非常短，采用光信號時距離稍高一點。它們不能向地面傳送任何數據，只是作為讓控制站知道它們存在的信標。
光信號可以使用一種只對某些有限參數（例如，飛機唯一ID）進行編碼和廣播的簡單的調制模式加以改進。這種基本通信原理還可以用于建立地對空通信信道，在緊急狀況（例如，小型無人機系統飛行中斷）下，警員或其他代理機構可通過它發送非常具體的指令。——TDL5
分析結果表明，實現建議體系架構所需的技術已經可用，這對考慮未來3至5年要部署的系統來說非常有好處。
本文對當前和未來3至5年內可用的通信、導航和監視（CNS）技術進行了實現分析。討論了當前各種技術的技術成熟度。分析表明，NASA無人機系統通信、導航和監視體系架構中建議的大部分技術目前已經準備好進行集成飛行測試，一些先進的技術已經進行實驗室試驗，并且已經為2020~2022年飛行測試做好了準備。
這種實現分析是針對NASA早期計劃工作項目中發布的管制空域和非管制空域無人機系統通信、導航和監視體系架構概念進行的，并且與主要無人機系統通信、導航、監視會議上大量發布和未決的公告一致。這項工作與全球空中交通管理服務保持一致，為有人和無人航空統一空域提供了發展途徑。
在下一步的工作中，NASA團隊準備將這些技術集成到實際飛行測試中，對體系架構概念加以驗證。同時，據了解，在近期和中期，需要在實驗室環境進行持續研究和開發，以便將先進的特性融入到正在進行的資格鑒定和認證工作中。NASA項目團隊準備與其他無人航空團體就這方面的工作進行協調。
