飛行紀錄屬性分析

本節說明本研究針對衛星導航異常與機械異常所選取作為特徵分析屬性之 原因，並闡述其屬性所表現的飛行特徵對異常偵測之重要性。第一部份簡單闡述 UAV 衛星導航運作原理，並分析正常情況下所選取的航點方位屬性特徵，與異 常情形做應證比較，強化其重要性與合理性，最後探討發生衛星導航異常可能的 原因。第二部份說明 UAV 正常飛行時航點方位與偏航角之收斂關係，並探討機 械運作異常時偏航角無法與航點方位呈收斂，藉此應證其兩屬性收斂特徵，最後 探討發生機械異常的可能原因。

(1) 衛星導航異常

在探討衛星導航異常前，必須先認識 UAV 衛星導航運作原理，了解航 點方位、導航方位(Navigation Bearing)與偏航角三種資料屬性之間的關係，

以利後續衛星導航異常分析，本研究之 UAV 衛星導航原理請見下圖六。

圖六：UAV 衛星導航運作原理

由上圖可知，UAV 依照飛行腳本中規劃的航線，預計由航點 1(WP1)飛 行至航點 2(WP2)，通常航點 2 也稱作目標航點。UAV 在自動飛行過程中，

根據事先規劃的航點 GPS 座標判斷目標航點方位，UAV 透過衛星模組接收 UAV 本身 GPS 座標位置，並計算 WP2 相對方位與距離，最後交由飛行控 制板導航 UAV 飛行至 WP2。因此可以觀察出飛行偏航角受導航方位影響，

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而導航方位受航點方位影響，理想情況下彼此具有收斂關係。簡而言之，

UAV 衛星導航正常情況下，偏航角逐漸收斂於導航方位，而導航方位收斂 於航點方位。飛行過程中 UAV 依照上述規則循環判斷，藉此修正飛行方向。

圖六情況一代表理想飛行情形，UAV 正確飛行於航點路徑上（灰色虛 線），偏航角、導航方位（虛線箭頭）與航點方位（實線箭頭）成一致。情 況二表示 UAV 偏離航點路徑，導航方位控制 UAV 往正確方向修正飛行進而 影響偏航角。情況三代表飛行大幅偏離航點路徑，影響導航方位角度加大，

連帶影響偏航角方位角度加大，藉此希望快速修正 UAV 返回航道上。

本研究分析衛星導航異常的資料為航點方位角，航點方位角代表目標航 點相對於 UAV 的方位角。在衛星導航正常情況下，UAV 在各航道上飛行，

航點方位會穩定指向某一角度或微小幅動的角度範圍，本研究以下舉實際飛 行紀錄做說明：下圖七為事先規劃的 UAV 飛行腳本，並將各航點標記在地 圖上，航點所在地區為國立高雄大學校區，全部路徑共規劃四個航點，期望 UAV 依航點編號順序順時針飛行一圈。

圖七：路徑規劃圖

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圖七每段航程約 500 公尺總航程約 2 公里，規劃 UAV 依照航點編號（見 圖標示 1,2,3,4）依序順時針飛行一圈，圖上標示 Home 點為 UAV 起始點座 標，通常 UAV 通電後接收的第一個 GPS 座標為 Home 點。正常情況下，UAV 在各航線之間飛行時，航點方位會穩定指向某一角度或微小幅動的角度範圍，

如下圖八所示。

圖八：衛星導航正常航點方位飛行紀錄

圖八橫軸為各航點方位資料生成的時間序列，各航點方位依編號順序生 成，縱軸為航點方位角，單位為角度(Degree)，定義正北方為 0 度或 360 度、

正東方為 90 度、正南方為 180 度以及正西方為 270 度。由圖七與圖八對照 可知 UAV 總共巡航四段航線，分別飛向航點 1 其目標航點相對於 UAV 方位 角為東方約 270 度、航點 2 為北方約 0 度或 360 度、航點 3 為西方約 90 度 以及航點 4 為南方約 180 度，在各航線中皆能在合理的角度範圍中穩定飛行。

由圖八觀察到的特徵推論：UAV 衛星導航正常情況下，航點方位在各航線 中能在合理的角度範圍中穩定飛行。當衛星導航發生異常時，航點方位無法 在各航線中穩定指向某一段合理角度範圍，會出現不正常的數值跳動、延遲

（正常情況下衛星 GPS 座標接收頻率為每秒十次，10Hz）或與預期的規畫 路徑不同的飛行動作，例如：UAV 因衛星導航異常無法定位目標航點方位

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而造成飛行盤旋，飛行盤旋時 UAV 會以繞圓方式環繞飛行。

通常發生衛星導航異常的可能原因很多，目前所觀察到的原因有 GPS 模組精準度不佳、天候不佳，影響衛星接收數量以及受飛場電磁波干擾等，

下圖九為本研究 2013 年九月於苗栗鯉魚潭實驗飛行，因為受到飛場電池波 干擾，導致航點方位無法對目標航點做定位而產生迷航現象的飛行衛星導航 異常紀錄。

圖九：衛星導航異常航點方位飛行紀錄

上圖衛星導航發生異常時 UAV 無法依照規劃的航線飛行，各航線之間 無法維持穩定的合理角度範圍，而是顯示航點方位角度不斷指向低角度，因 此如圖所示角度有向下的趨勢。當衛星導航異常發生時，連帶影響導航方位 也有向下的趨勢，進而影響偏航角，反應於實際飛行過程中為 UAV 不規則 逆時針環繞飛行。

(2) 機械異常

由前項所述可知：航點方位與偏航角有收斂關係，其偏航角會隨時間而 逐漸趨近於航點方位，因此航點方位會影響 UAV 飛行偏航角。故在理想飛 行情況下，偏航角會逐漸收斂至航點方位或與航點方位在合理角度範圍浮動。

下圖十擷取圖七規畫路徑 UAV 從航點 2 飛行至航點 3 之實際飛行資料。

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圖十：機械運作正常航點方位與偏航角飛行紀錄

由圖可知航點方位固定維持約 90 度左右，偏航角初期由向北飛行轉彎 至向東飛行，角度從 0 度慢慢收斂至約 90 度，最後於約 90 度範圍浮動，故 本研究依此飛行特徵推論：機械運作正常情況下，航點方位與偏航角會慢慢 形成收斂直到偏航角在航點方位合理範圍內浮動。由上述觀察到的收斂特徵，

故本研究選取航點方位與偏航角做為機械異常特徵分析。

機械異常情況下，航點方位能夠維持合理角度範圍，這代表衛星導航正 常，而偏航角無法達到收斂甚至貼齊於航點方位，如下圖十一所示。

圖十一：機械運作異常航點方位與偏航角飛行紀錄

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上圖為本研究在 2013 年六月於屏東佳冬地區實驗飛行，因機械運作異 常造成 UAV 失速墜毀，此為 UAV 自動飛行過程中失速墜毀的飛行紀錄。由 上圖可知，當機械發生異常時，航點方位穩定維持約 20 度範圍，而偏航角 無法收斂於航點方位甚至角度異常快速上升，實際飛行狀況為順時針旋轉向 下俯衝。通常發生機械異常的原因很多，目前所觀察到的原因有引擎老化、

零件耗損、機翼受損、機械調校不慎與人為設定疏失，例如：空速感測器設 定錯誤，導致飛行速度數據異常影響實際飛行。

總結本節，分析衛星導航紀錄時，因為航點方位在各航線上有方位角穩定的 特性，故使用航點方位作為分析資料。分析機械運作時，因航點方位與偏航角之 間具收斂關係，所以使用航點方位與偏航角作為分析資料。接著本研究透過分析 正常與異常行紀錄得到兩項推論：(1)UAV 衛星導航正常情況下，航點方位在各 航線中能在合理的角度範圍中穩定飛行。(2)在機械運作正常情況下，航點方位 與偏航角會慢慢形成收斂直到偏航角在航點方位合理範圍內浮動。本研究期望，

利用所選取的資料屬性與推論特徵作為異常事件分析方法的背景知識。