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美國(guó)航空航天局（NASA）

發(fā)布時(shí)間：2021.06.09
（1）NASA 簡(jiǎn)介
美國(guó)國(guó)家航空航天局（ National Aeronautics and Space Administration，簡(jiǎn)稱(chēng) NASA），又稱(chēng)美國(guó)宇航局、美國(guó)太空總署，是美國(guó)聯(lián)邦政府的一個(gè)行政性科研機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)制定、實(shí)施美國(guó)的太空計(jì)劃，并開(kāi)展航空科學(xué)暨太空科學(xué)的研究。NASA 是目前世界上最權(quán)威的航空航天科研機(jī)構(gòu)，與許多國(guó)內(nèi)及國(guó)際上的科研機(jī)構(gòu)分享其研究數(shù)據(jù)。其愿景是為人類(lèi)利益不斷登高并揭示未知領(lǐng)域。
（2）航空研究任務(wù)理事會(huì)
航空研究一直是 NASA 的關(guān)注重點(diǎn)之一。NASA 航空研究數(shù)十年如一日為航空發(fā)展服務(wù)，幫助飛機(jī)更加安全有效地飛行，現(xiàn)階段幾乎每種在用機(jī)型都離不開(kāi) NASA 技術(shù)的支持，如圖 3-7 所示。今后，NASA航空研究還將繼續(xù)通過(guò)顛覆性的技術(shù)創(chuàng)新，對(duì)航空旅行和商業(yè)發(fā)揮重要支持作用，確保美國(guó)航空業(yè)的持續(xù)發(fā)展并保持其在全球航空市場(chǎng)的強(qiáng)大競(jìng)爭(zhēng)力。NASA 航空研究主要由航空研究任務(wù)理事會(huì)（ Aeronautics Research Mission Directorate，簡(jiǎn)稱(chēng)為 ARMD）負(fù)責(zé)組織。ARMD 的主要研究計(jì)劃都致力于改善美國(guó)國(guó)家航空運(yùn)輸系統(tǒng)。ARMD 的使命是通過(guò)研究和制定飛行問(wèn)題的解決案來(lái)滿(mǎn)足民用航空的未來(lái)需求。 ARMD 與 FAA、行業(yè)和學(xué)術(shù)合作伙伴合作，正在幫助創(chuàng)建下一代航空運(yùn)輸系統(tǒng)，即 NextGen，以提高國(guó)家空域的容量、效率和靈活性，并解決大量的噪音、排放、效率、性能和安全挑戰(zhàn)。 ARMD 通過(guò)分析全球發(fā)展趨勢(shì)，明確了影響未來(lái)幾年航空研究的重要驅(qū)動(dòng)因素，制定了未來(lái) 25 年乃至更遠(yuǎn)時(shí)代的美國(guó)航空戰(zhàn)略計(jì)劃。
航空戰(zhàn)略實(shí)施計(jì)劃
ARMD 提出的美國(guó)航空戰(zhàn)略實(shí)施計(jì)劃主要描繪未來(lái) 25 年乃至更遠(yuǎn)時(shí)代的航空發(fā)展愿景，涵蓋了廣泛的新技術(shù)和新理論，以滿(mǎn)足美國(guó)和世界對(duì)安全、高效、靈活和環(huán)境可持續(xù)的未來(lái)航空運(yùn)輸?shù)男枨?。該?jì)劃的一個(gè)關(guān)鍵要素是一系列戰(zhàn)略主旨，這些戰(zhàn)略主旨是指導(dǎo) ARMD 應(yīng)對(duì)全球航空發(fā)展趨勢(shì)的研究領(lǐng)域。 ARMD 認(rèn)為，未來(lái)數(shù)年，以下幾個(gè)驅(qū)動(dòng)因素將會(huì)主導(dǎo)航空研究的發(fā)展：（a）全球范圍內(nèi)航空客貨業(yè)務(wù)需求的持續(xù)增長(zhǎng)；（b）航空可持續(xù)發(fā)展和能源使用面臨的峻挑戰(zhàn)；（c）影響航空未來(lái)發(fā)展的材料、制造、能源、信息和通信等技術(shù)的進(jìn)步與融合。 基于以上認(rèn)識(shí)，NASA 制定了新的航空研究戰(zhàn)略愿景，將航空研究集中在六個(gè)重點(diǎn)戰(zhàn)略主旨，以最好地促進(jìn)國(guó)家未來(lái)的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)活力。這六個(gè)重點(diǎn)戰(zhàn)略主旨是：（a）全球運(yùn)營(yíng)的安全高效增長(zhǎng)；（b）商用超音速飛機(jī)的創(chuàng)新；（c）超高效商用飛機(jī)；（d）向低碳發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)過(guò)渡；（e）實(shí)時(shí)的全系統(tǒng)安全保障；（f）確保航空自治化轉(zhuǎn)型。 ARMD 戰(zhàn)略將持續(xù)致力于滿(mǎn)足未來(lái)發(fā)展需求的航空業(yè)轉(zhuǎn)型，充分利用傳統(tǒng)航空學(xué)科內(nèi)部以及外部的技術(shù)進(jìn)步為航空業(yè)帶來(lái)效益。ARMD主要關(guān)注技術(shù)焦點(diǎn)包括替代燃料和電動(dòng)或混合動(dòng)力推進(jìn)，低聲速超音速飛行，自動(dòng)化和自治以及技術(shù)融合，目標(biāo)是開(kāi)發(fā)變革性的航空解決方案，最終實(shí)現(xiàn)安全、高效、有適應(yīng)性、可擴(kuò)展和環(huán)境可持續(xù)的全球航空系統(tǒng)。 2015 年，ARMD 發(fā)布了航空戰(zhàn)略實(shí)施計(jì)劃的初始版，結(jié)合 NASA對(duì)航空界、對(duì)未來(lái)的看法，提出了面向未來(lái) 25 年及之后更遠(yuǎn)時(shí)代的航空研究愿景。2017 年ARMD 發(fā)布了該航空戰(zhàn)略實(shí)施計(jì)劃的更新版本。
（1）21 世紀(jì)航空展望
航空戰(zhàn)略實(shí)施計(jì)劃這樣描繪航空未來(lái)發(fā)展愿景：旅客可以靈活選擇起飛時(shí)間和地點(diǎn)，飛行時(shí)間大幅縮小；天空中的航空器數(shù)量將是今天的數(shù)千倍；新的有成本效益的航空應(yīng)用急劇增加；各種形式的航空旅行都將像今天的商業(yè)航空運(yùn)輸一樣安全；航空將整體接近碳中和。 航空自治化轉(zhuǎn)型是實(shí)現(xiàn)航空未來(lái)發(fā)展愿景的最重要途徑。其目標(biāo)是通過(guò)全系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)規(guī)劃和對(duì)變化的快速響應(yīng)以及重新規(guī)劃，大幅提升航空效率和可靠性。自主機(jī)器將通過(guò)高帶寬傳感裝置及技術(shù)、實(shí)時(shí)
規(guī)劃、實(shí)時(shí)配置和實(shí)時(shí)控制實(shí)現(xiàn)前所未有的靈活性。相互連接的多車(chē)輛系統(tǒng)將合作實(shí)現(xiàn)新目標(biāo)。不受傳統(tǒng)車(chē)輛的要求限制，機(jī)器智能將支持新型車(chē)輛和任務(wù)。自治將增強(qiáng)人類(lèi)的能力，通過(guò)機(jī)器協(xié)助人類(lèi)或人機(jī)安全協(xié)同，使人類(lèi)輕松完成某些任務(wù)。通過(guò)系統(tǒng)自動(dòng)配置，車(chē)輛將以最高性能和效率持續(xù)運(yùn)行。
（2）戰(zhàn)略主旨 6：確保航空的自治化轉(zhuǎn)型
航空戰(zhàn)略實(shí)施計(jì)劃提出的六個(gè)重點(diǎn)戰(zhàn)略主旨中，與智慧機(jī)場(chǎng)發(fā)展最緊密相關(guān)的是戰(zhàn)略主旨 6：確保航空的自治化轉(zhuǎn)型。該主旨重點(diǎn)研究開(kāi)發(fā)復(fù)雜環(huán)境自動(dòng)運(yùn)行的智能機(jī)器系統(tǒng)，包括 UAS 在 NAS 中的安全集成。目標(biāo)是采用高度智能、自動(dòng)的機(jī)器系統(tǒng)最大化航空效益。強(qiáng)調(diào)人機(jī)統(tǒng)一的連續(xù)自治和航空帶來(lái)的社會(huì)效益。在航空自治系統(tǒng)中，自治機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面運(yùn)行一方面可以實(shí)現(xiàn)最佳的機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面運(yùn)行，另一方面能為飛行中的多車(chē)輛協(xié)作自治奠定基礎(chǔ)。 自治系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展將從根本上變革航空運(yùn)營(yíng)業(yè)態(tài)，提高航空運(yùn)營(yíng)的安全性和效率，增強(qiáng) NAS 的容量、穩(wěn)健性和靈活性。通過(guò)開(kāi)拓空域新用途如先進(jìn)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行和個(gè)性化定制航空運(yùn)輸?shù)?，可以產(chǎn)生額外效益。戰(zhàn)略主旨 6 的本質(zhì)就是采用高度智能機(jī)器構(gòu)建自治系統(tǒng)，從而最大限度地提高航空帶來(lái)的社會(huì)效益。其階段性計(jì)劃如下： 2015—2025 年預(yù)期成果：引入具有有限自治權(quán)的航空系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)功能層面的目標(biāo)。這一時(shí)期將在機(jī)載和地面系統(tǒng)中引入初始自適應(yīng)自動(dòng)化功能，同時(shí)限制其使用范圍。主要功能包括基于機(jī)器的戰(zhàn)略控制系統(tǒng)，人類(lèi)在規(guī)劃和決策時(shí)的咨詢(xún)支持以及基于預(yù)測(cè)的安全。還有一些功能是改善設(shè)計(jì)和制造過(guò)程，同時(shí)逐步提高系統(tǒng)中機(jī)器員工比。將通過(guò)引入自治系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)新功能，特別是 UAS 相關(guān)應(yīng)用。 2025—2035 預(yù)期成果：引入可信任的靈活自治的航空系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)任務(wù)層面的目標(biāo)。這一時(shí)期將引入先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)可靠的預(yù)測(cè)。自治能力達(dá)到更高水平，通過(guò)自治增強(qiáng)了對(duì)技術(shù)的信任，反過(guò)來(lái)促進(jìn)更廣泛的自治認(rèn)證和實(shí)施。許多系統(tǒng)都是由人和機(jī)器共同構(gòu)成的團(tuán)隊(duì)合作完成目標(biāo)。相互連接的有自主功能的若干子系統(tǒng)組成的自治系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大。系統(tǒng)基于大量數(shù)據(jù)不斷學(xué)習(xí)和適應(yīng)，構(gòu)建了包含系統(tǒng)狀態(tài)和操作環(huán)境的復(fù)雜世界模型。 2035 年預(yù)期成果：引入具有明確自主權(quán)的分布式協(xié)作航空系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)政策層面的目標(biāo)。采用先進(jìn)的自治技術(shù)實(shí)現(xiàn)航空應(yīng)用。社會(huì)對(duì)自治航空系統(tǒng)高度信任，在系統(tǒng)治理和可持續(xù)水平等方面都能通過(guò)大規(guī)模自治系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)定目標(biāo)。這些目標(biāo)將包括系統(tǒng)級(jí)維護(hù)、修復(fù)和保護(hù)。系統(tǒng)相互連接，并高度依賴(lài)于基于大規(guī)模分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的高分辨率世界模型。系統(tǒng)元素分布但協(xié)作，可實(shí)現(xiàn)前所未有的效率、靈活性、穩(wěn)健性和彈性。
（3）自治機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面運(yùn)營(yíng)
自治機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面運(yùn)營(yíng)是自治航空系統(tǒng)的重要組成部分。
a．背景及面臨挑戰(zhàn)
自治機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面運(yùn)營(yíng)實(shí)施背景及面臨的挑戰(zhàn)主要包括：（a）亟需進(jìn)一步提高機(jī)場(chǎng)地面作業(yè)的效率和可預(yù)測(cè)性；（b）目前地面作業(yè)方式所需時(shí)間和空間都制約著日益復(fù)雜的物流發(fā)展；（c）航空公司和空管部門(mén)的成本持續(xù)增長(zhǎng)；（d）亟需通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、安全和動(dòng)態(tài)的機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面運(yùn)營(yíng)提升效率；（e）需要開(kāi)發(fā)和測(cè)試 ATM 自治技術(shù)，以確保安全性、可預(yù)測(cè)性和恰當(dāng)?shù)氖褂?；（f）認(rèn)證以及空管部門(mén)的批準(zhǔn)等都要求對(duì)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面自治運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)督。
b．自治機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面運(yùn)營(yíng)概念
基于現(xiàn)有機(jī)場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，在機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面上，集成自主的地面服務(wù)車(chē)輛，驗(yàn)證自治系統(tǒng)的可行性，并證明自治系統(tǒng)能帶來(lái)高效運(yùn)營(yíng)、系統(tǒng)可預(yù)測(cè)性和穩(wěn)健性等。 有監(jiān)督的自治機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面運(yùn)行，包括自主和非自主的地面服務(wù)車(chē)輛混合運(yùn)行以及各類(lèi)基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的智能決策算法應(yīng)用。機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面所有車(chē)輛行為各自獨(dú)立但相互協(xié)同。基于傳感器技術(shù)，引導(dǎo)飛機(jī)實(shí)施自動(dòng)推入、自動(dòng)推出和自動(dòng)廊橋?qū)?；同樣基于傳感器技術(shù)，場(chǎng)面車(chē)輛能確保避免碰撞并連續(xù)運(yùn)行；通過(guò)實(shí)時(shí)處理不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)，并在不斷變化的條件下自動(dòng)調(diào)整路線(xiàn)，車(chē)輛能實(shí)現(xiàn)最佳地面軌跡；車(chē)輛之間綜合考慮到港和離港航班計(jì)劃，自動(dòng)協(xié)商優(yōu)先級(jí)；工作人員監(jiān)督、控制自動(dòng)協(xié)同運(yùn)行的相互連接的多車(chē)輛系統(tǒng)。如圖 3-9 所示。
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