前沿报告 | 基于数字化空域系统的城市无人机管理对策研究

基于数字化空域系统的城市无人机管理对策研究

当前，全球正在发生一场以空中无人驾驶交通为代表的运输模式变革。对此，美国发布《加强空中交通国家蓝图》报告，制定了以无人驾驶航空器为核心的先进空中交通愿景和先进空中交通发展战略，提出了美国在该领域保持领先地位的建议，并进行无人机空域集成技术成熟度对比分析，规划先进空中交通发展路线和相关项目。欧盟将“数字化欧洲天空”概念作为SESAR2020数字化愿景，增加了以无人驾驶航空器为代表的先进空中交通服务研究内容。

综上可以看出，以“无人驾驶航空器”为代表的先进智慧交通模式成为重要发展趋势，欧美国家正积极布局和推进有人和无人驾驶航空器融合运行的新一代空管系统研发，并围绕无人机空域开展政策制度审查、交通规则研究和关键技术攻关。

随着通航产业链拓展和“无人机+”的新业态生成，中国经济领域正开创一种新经济模式———低空经济模式。无人机正快速应用于工农业作业、消费娱乐、物流运输、城市管理等行业领域。

2022年中国无人机制造商达1200多家，登记在册的无人机超过34万架，中国民用无人机市场规模占世界70%以上。目前，低空飞行的航空器比例构成发生巨大变化，无人机已多于有人机。2019年以来，商业、政府公共安全与紧急救援无人机的飞行使用量已高于有人机两倍以上。

而与成熟的陆路、水路及民航运输相比，城市无人机应用尚处在初始发展阶段。城市低空空域将成为国土开发的一类重要资源，为适应城市先进交通的发展，亟须构建新型低空空域管理模式。

在数字化、信息化、智能化等为特征的再信息化过程中，电子信息技术发展的深度和应用的广度将帮助重塑空中交通体系，为以无人机为代表的未来低空新经济提供无限机遇与发展可能。

本文基于数字化低空空域系统，围绕当前城市无人机应用管理所面临的核心难点与关键科学问题，从政策制度、无人机运行管控、数字低空建设等方面构建城市无人机管理方案，可为未来先进空中交通新模式建设提供参考。

数字化空域背景与概念

数字化空域系统基本内涵

通过信息基础设施支撑，构建大规模空域数字计算系统，在信息空间内实现大尺度空域数字化重构和表达，开展针对空域的映射管理和使用控制，最终达成以下目标：

①空域的可视化分析。在可视化空域使用状态基础上建立空域系统图，实现精准掌握全部空域实际使用分配与建设情况，为基于一致认知的空域动态管理配置提供支撑；

②空域的可度量处理。通过发展空域管理时空大数据技术方法，建立全新的空域性能和状态评估数值计算方法，测度全空域的交通性能，为开展交通流量、管制及作战空域使用奠定基础；

③空域的可计算决策。通过发展一套基于数字化空域的计算决策模型，为开展空域与交通流量管制的协同管理奠定基础；同时为开展基于模型算法的空域结构优化、运行控制提供支撑。

空域网格模型

当前大规模计算系统提供的计算能力，具备了管理全球尺度百亿级网格空域体的能力，为开展百万级受控/非受控用空对象的空域优化配置提供可能性，由此要设计面向空域管理的全球尺度网格空域模型。

空域网格划分是要建立一种全新的空中交通管理与战场空域空间的四维时空框架，如图1所示，将物理空间通过空域规则划分后，利用空域网格体及信息空间的映射矩阵空间，管理空中交通的空间几何结构和空域结构；利用空域划分建立的全球唯一位置码，建立空中交通和战场空域的时空大数据库，管理和监视空中安全态势、容量态势及空中运动演化态势，为空中交通管控决策提供数据计算方法等。

网格划分模型基本思路是利用地理空间网格递归划分，通过将连续空间离散为基本空域体，并针对不同划分层级的基本空域体建立全球统一尺度的位置编码，并用基本空域体编码取代传统的经纬度位置来标识空间方位；依据空间位置描述精度要求，选择相应划分层级的基本空域体，通过组合描述方法建立任意形状空域近似标准结构；

以空域体编码为索引，建立描述空域管理状态的数据结构，实时动态表述基本空域体承载空中交通的关联态势；建立空域数值计算方法来管理各类空域活动和智能调度与控制空域结构。基于此需求和目的，空域网格划分的基本原则包括。

（1）统一基准，全球覆盖。对地球表面垂直至临近空间范围内的空域，建立统一的基本空域网格高度位置基准；对全球尺度范围内空域，建立统一的基本空域网格水平位置基准；采用等纬度球面退化网格划分方法进行合幅处理，解决地球南北两极高纬度区域的网格变形问题。

（2）兼容并包，相互转换。兼容地理位置网格码及北斗网格位置码等既有国家标准，并入或包含航空领域相关的地理位置编码规范，并实现与相关网格位置码的相互转换。

（3）简单实用，精准高效。以地理经纬网格为原型，遵循国际民航组织公约推荐航图地理信息要求，划分不同层级的基本空域体，并基于空域管理需求在不同层级网格上建立相应的应用规范。

无人机空域进入面临的挑战

目前无人机空域进入呈指数级增长态势，已对传统空管系统构成了巨大挑战。将无人机飞行安全纳入现有空域系统的管理方法将很快达到性能极限，特别是无人机执行复杂操作指令和目视之外飞行时，安全融入空域系统将变得更加艰难。

传统空中交通管理手段和通航飞行规则，难以适用于城市环境下的空中交通运行。无人机空域进入还存在管控自动化系统回路不闭环、交通防撞功能不健全、安全风险估计缺乏可靠方法等问题，真正达成先进空中交通模式面临着一系列挑战。

政策与法规

目前美国、加拿大、欧盟18个成员国、日本及中国均颁布了无人机管理规定，但其总体脉络仍着眼急需、突出安全与疏堵，缺乏明确涉及无人机的法律条例，亟待从未来先进空中交通模式出发，发展以无人机交通服务为载体、监管于无形中的政策制度架构。

感知-避撞能力

有人机“看见即避让”具有较大主观成分，而无人机则需通过系列技术方法将有人机主观的避撞转换为对无人机飞行距离、时间和速度的调节。

交通服务能力

在无人机管控层面，需要形成“八个方面”的交通服务能力：融合运行概念、空域规划管理、空管系统整合、无人机适航、指挥与控制链路、感知与避撞、人—机—环因素分析、远程飞行员许可等。

而现有的无人驾驶航空器运行理论多建立在隔离空域前提下，未充分考虑其与有人驾驶航空器的异构特性带来的不确定性问题。针对上述问题，本文将从政策制度、无人机运行管控、数字低空建设等方面对城市无人机应用管理方案进行研究。

城市数字低空建设

无人机通信导航监视基础建设

1）基础设施建设

城市无人机通信导航监视基础设施应纳入智慧城市设施建设领域，并与地面自动驾驶汽车的基础设施融合，在低功耗、小尺寸条件下实现高精度、高分辨的目标定位；构建以低空智联网为核心的城市无人机交通设施，基于物联网、5G、人工智能等技术，提供网络化运行、数字化转型、智能化管理服务，支撑国家和地区低空经济发展；工业5G标准中，应加快推进低空飞行综合服务的通信技术标准制定，支持通信、导航增强和监视一体化应用。

2）低空网络覆盖

城市低空网络按照分层覆盖，并融合卫星通导，构建空天地一体化网络，支持地面汽车和无人机一体化运行；从陆-空协同角度看，地面车、地表近空与低空各类无人机和通航有人飞机的混合运行是一种跨域异质交通场景，存在不同尺度的速度和运行控制响应时间要求。城市低空建设场景如图2所示。

数字低空规划与管理

城市低空空域分类是一大难题，其不同于传统的低空空域分类情况。在城市环境中，障碍物及楼宇近空保护复杂，针对无人机交通，亟须构建一类新型低空分类方案。城市低空数字化是未来发展的重要趋势，低空资源与道路资源同属一类交通资源，本文设想今后的城市道路、建筑物、街景、可用低空资源等应一体化表征和数字化建模。

1）城市低空空域网格模型

城市低空百亿级网格空域体管理，需要构建全新的数据模型来描述低空空域活动，涵盖时空框架、性能与气象等，对建/构筑物、障碍物、可用通信导航监视资源、低空飞行状态信息、风与温度信息等进行结构化表征与管理，因此需要发展一种基于网格空域体的新型地理信息系统，如图3所示。

参考第1节内容，建立网格坐标系统，描述无人机空域活动，然后根据运行场景建立数据分析管理数学模型，为实现空域使用管理的量化计算与优化奠定基础；网格空域体管理应与低空智联网一体设计，通过先进无人机交通管理技术支持，实现城市低空“自由飞行”。

构建城市低空空域网格模型，其核心是分析空中交通管理结构、交通流量结构、空域配置结构及空中交通运行数据集等时间属性特征和空间属性特征，包括空中交通的空间尺度、时间范围、运动特性及飞行冲突、空域容量、安全等级、航空效率、管制负荷、空域复杂度等，根据此情况开展空中交通管理的空域网格单元划分，确定网格单元的空间和时间精度，分析网格单元对应的索引性能、空中交通演化态势计算等，从而实现把连续空中交通空域离散成为多级网格单元系统，形成统一的时空描述方法，即空中交通管理的四维时空框架。

2）空域分层治理建设

本文按照分类的思想，将运输航空、军事航空、通用航空器的空域管理及配套体系建设分开规划，从无人驾驶航空器的空域进入需求看，必须统筹考虑，推进以空域系统分层治理为核心的空管体系建设论证，可考虑在数字化网格空域的基础上进行空域分层治理，如图4所示。

无人机混合运行管控

1）构建间隔标准

城市无人机运行面临建立各类间隔标准，包括无人机与楼宇障碍物、无人机与无人机、无人机与地面车辆、无人机与人群等。这些间隔标准需要通过大量试验、数据统计和运行实践才能得出量化的安全间隔，并提出一套适用于无人机的安全间隔、丢失告警及安全间隔恢复方法。

2）安全风险监控

在城市无人机感知-避撞技术体制中，需建立适用于城市环境的飞行规则，在规定的间隔标准下，围绕飞行冲突开展技术架构和决策模型算法设计，并基于行为意图和运行规则的空域模型，实现航空器实时感知低空环境信息，自主保持计划飞行、智能探测飞行冲突和协商优化解脱。

可根据无人机机载导航、通信指挥与控制链路、冲突探测与避让、地形探测与避撞、气象探测与回避等设备性能参数，构建基于无人机水平位置和高度保持能力的偏航与碰撞风险评估模型，并建立无人机事故/运行案例库，实现融合不同运行场景的分级分类的安全风险识别方法。

3）无人机交通控制回路分工与协同

明确无人机交通控制3个回路的控制分工及协同、优先权限、各自作用等，包括：①空中自主网下的分布式管制；②地面集中式管制；③地面分布无人机控制站操作员、空中有人机驾驶员、地面管制中心管制员的分布协同控制，无人机交通控制回路如图5所示。

城市无人机管理相关措施

加快城市无人机立法定规

亟须加快城市无人机专项立法定规，健全无人机分类标准，确认监管主体与责任。在法律中明确适航审查标准与程序，细化飞行计划申请、空域使用报批的条件，简化无人机飞行流程，构建无人机驾驶航空器实名登记注册管理系统。此外，受人们对新事物的接受程度、传统思想束缚等影响，针对先进空中交通模式，需要进行更为广泛的宣传和引导，促使观念革新。

城市无人机规模应用试点

对无人机飞行的监管将普及进入社会大众日常生活之中，其是最具创新活力的空管领域，呈现跳变式发展，今后随着信息社会建设，可能会成为新型公共基础设施。着眼长远发展，城市建设需预留无人机飞行空间，按照国家空域分层治理建设，启动城市无人机运行管理体系建设，提前布局和试点尝试发展城市无人机交通应用新业态，或许可形成助力经济社会发展的新领域。

打造城市无人机与有人机通航一体的低空经济

升级通航发展规划，打造无人机与有人机通航一体的低空经济，将促进有人机通航发展的低空空域管理改革升级为无人机与通航融入一体的新改革。实现对低空空域分类标准进行修订，增加无人机空域种类，并针对通航发展新变化、新动向、新需求，将有人机的低空通航飞行服务体系升级转变成为兼容无人机监管的全新低空空域系统，进行新一代城市低空空域管理与飞行服务体系建设。

结语

本文针对构建城市无人机运行的空域管理新模式所面临的严峻挑战，提出以数字化空域系统为基础的城市无人机管理对策。首先，从无人驾驶航空器与空中交通管理层面梳理中国城市无人机管理面临的核心问题，并围绕相关政策制度、无人机运行管控、关键技术等方面建立城市数字低空空域管理体系。如今中国民航已进入大空管时代，空管体系必须适应并进行更新换代，发展以无人机交通服务为载体、监管于无形中的政策制度架构将成为未来先进空中交通新模式的焦点。

头图来源网络

内容来源： 《中国民航大学学报》,2023,41(03):8-12+64

作者：陈 志 杰,朱 永 文,刘 杨

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