基于地理信息的無(wú)人機(jī)低空公共航路規(guī)劃研究

廖小罕 徐晨晨 岳煥印

低空是無(wú)人機(jī)主要活動(dòng)空域，隨著無(wú)人機(jī)商業(yè)化應(yīng)用快速發(fā)展，無(wú)人機(jī)飛行活動(dòng)陡增。近幾年國(guó)外針對(duì)無(wú)人機(jī)應(yīng)用發(fā)展提出了劃設(shè)低空無(wú)人機(jī)專用空域的構(gòu)想，我國(guó)也有類似的倡議。但是對(duì)于如何高效利用低空空域資源卻缺乏進(jìn)一步的研究。中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所正在開(kāi)展的基于地理信息技術(shù)構(gòu)架的無(wú)人機(jī)低空公共航路規(guī)劃方案，可快速、低成本緩解空域需求矛盾，促進(jìn)無(wú)人機(jī)應(yīng)用有序發(fā)展。無(wú)人機(jī)低空航路與民航、通航航路不同，既要與二者銜接，也要針對(duì)無(wú)人機(jī)特點(diǎn)，充分利用和融合已有的地面資源和設(shè)施。本文提出的無(wú)人機(jī)低空航路是指在有人駕駛航空器最低飛行高度以下，預(yù)先規(guī)劃具有一定寬度專供無(wú)人機(jī)飛行的公共空中通道。無(wú)人機(jī)實(shí)際飛行的路線稱為航線，在航路中飛行的無(wú)人機(jī)，其航線就是航路的中心線。本文介紹的無(wú)人機(jī)低空航路規(guī)劃包括無(wú)人機(jī)空港優(yōu)化布局、低空空域環(huán)境構(gòu)建和路徑搜索與優(yōu)化等技術(shù)。無(wú)人機(jī)低空航路的應(yīng)用可以規(guī)范低空日益增加的無(wú)人機(jī)交通流，確保航空和公共安全。本文研究方法和進(jìn)一步深化的成果可為空域管理部門、各類無(wú)人機(jī)云管理系統(tǒng)、無(wú)人機(jī)飛行操控者的航路規(guī)劃提供重要參考，是無(wú)人機(jī)管控的重要基礎(chǔ)手段。

無(wú)人機(jī)航路的基本屬性

等級(jí)體系

按照無(wú)人機(jī)低空航路的定位和服務(wù)，建議劃分為四級(jí)：低空骨干航路、低空主干航路、低空支線航路和低空末端航路。其中，低空骨干航路是指連接首都與各省、自治區(qū)、直轄市首府的航路，連接各大經(jīng)濟(jì)中心、港站樞紐、商品生產(chǎn)基地和戰(zhàn)略要地的航路。其主要特點(diǎn)是：連接全國(guó)，具有全國(guó)政治、經(jīng)濟(jì)地位；在全國(guó)范圍內(nèi)便捷可達(dá)。

低空主干航路是指具有全省性政治、經(jīng)濟(jì)意義的省級(jí)低空航路。其主要特點(diǎn)是：省際間交通。

低空支線航路是指連接區(qū)域的低空航路，主要承載無(wú)人機(jī)空港與骨干/主干航路間的聯(lián)系，或布設(shè)在復(fù)雜地形區(qū)域（如山區(qū)、人口稀疏區(qū)等）的低空航路。其主要特點(diǎn)是：提供區(qū)域間、山區(qū)及人口稀疏區(qū)等特殊區(qū)域間交通。除了長(zhǎng)距離飛行，無(wú)人機(jī)還需通過(guò)末端航路與終端用戶發(fā)生聯(lián)系，解決“最后一公里”運(yùn)營(yíng)問(wèn)題。

低空末端航路是指連接支線到終端用戶或者一個(gè)終端用戶到另一個(gè)終端用戶的航路，主要承載無(wú)人機(jī)從支線航路到物流、餐飲投遞等終端服務(wù)點(diǎn)/站的聯(lián)系。其主要特點(diǎn)是：為偏遠(yuǎn)區(qū)域或山區(qū)物流貨運(yùn)、城市辦公區(qū)或者居住區(qū)便捷社區(qū)服務(wù)等。

空間形狀

為簡(jiǎn)化航路建模，將航路設(shè)置為圓柱體，而圓柱體的中心線即為航線。航線由多條航段構(gòu)成。航線（航段）在三維空間中的表達(dá)和定位通過(guò)起點(diǎn)和終點(diǎn)、航線角和高度等因素確定，而航路的三維表達(dá)則是在以上因素基礎(chǔ)上增加航路寬度因素。航線角是指從航線起點(diǎn)的經(jīng)線北端順時(shí)針到航線去向的角度，范圍為0·～360·。

航路寬度

無(wú)人機(jī)在飛行中需要嚴(yán)格沿航線飛行，即無(wú)人機(jī)縱軸前方延長(zhǎng)線的方向（航向）需要與航線角重合。但飛行途中會(huì)受到一些內(nèi)在或外部環(huán)境因素影響，從而不可避免地偏離航線，比如受到無(wú)人機(jī)性能的影響、氣象條件（如風(fēng)切變）影響。為使無(wú)人機(jī)的航跡始終保持在航線上，除了無(wú)人機(jī)自身調(diào)控外，研究通過(guò)設(shè)置航路寬度來(lái)實(shí)現(xiàn)距離冗余以保證無(wú)人機(jī)在航路內(nèi)安全飛行。不同等級(jí)航路的寬度不一樣。全國(guó)骨干航路最寬，末端航路最窄。

航路最低安全高度

航路最低安全高度是為保障無(wú)人機(jī)在航路中的安全飛行而提出，由無(wú)人機(jī)管制相關(guān)規(guī)定、無(wú)人機(jī)性能、任務(wù)以及飛行環(huán)境等確定。參考民航規(guī)定，無(wú)人機(jī)航路的最低安全高度等于航路范圍內(nèi)的最大標(biāo)高加上最小超障裕度。最大標(biāo)高是指航路范圍內(nèi)地物的最高高程，最小超障裕度是指無(wú)人機(jī)超越障礙時(shí)所應(yīng)保證的最小垂直間隔，影響因素包括可能造成高度偏差的氣象條件、儀表誤差和無(wú)人機(jī)性能等。

航路間隔和飛行間隔

航路間隔是指兩條相鄰航線之間的距離；飛行間隔是無(wú)人機(jī)基于時(shí)間或空間的距離，分為水平間隔和垂直間隔，其中水平間隔又分為側(cè)向間隔和縱向間隔，飛行側(cè)向間隔是指兩架無(wú)人機(jī)在相鄰航路同一高度層的水平距離；飛行縱向間隔是指處在同一航路同一高度層的無(wú)人機(jī)沿航向的距離，與無(wú)人機(jī)的儀表誤差、機(jī)載防撞參數(shù)有關(guān)。為保證無(wú)人機(jī)的飛行安全，航路間隔必須大于飛行側(cè)向安全間隔與航路寬度之和（見(jiàn)圖3）。因此，航路間隔由無(wú)人機(jī)的飛行安全間隔決定。影響飛行間隔的因素主要包括：（1）無(wú)人機(jī)的通信、導(dǎo)航、任務(wù)載荷性能及其干預(yù)能力均對(duì)飛行安全間隔影響甚大；（2）自然環(huán)境對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行安全產(chǎn)生非常重要的影響，比如積冰會(huì)導(dǎo)致機(jī)翼的氣動(dòng)性變差，風(fēng)切變會(huì)影響無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)等；（3）航路結(jié)構(gòu)復(fù)雜度和交通流密度的增加會(huì)加大無(wú)人機(jī)飛行碰撞風(fēng)險(xiǎn)。因此，在某一時(shí)間點(diǎn)某個(gè)空域的無(wú)人機(jī)數(shù)量應(yīng)該得到控制。

無(wú)人機(jī)航路設(shè)計(jì)的基本流程

本文的研究工作按照“構(gòu)建本底數(shù)據(jù)庫(kù)——無(wú)人機(jī)空港布局優(yōu)選——無(wú)人機(jī)低空飛行空域環(huán)境構(gòu)建——無(wú)人機(jī)低空航路生成及優(yōu)化”的總體技術(shù)路線，先進(jìn)行全國(guó)無(wú)人機(jī)空港的優(yōu)選與布局，然后采用多級(jí)布設(shè)原則構(gòu)建無(wú)人機(jī)低空多級(jí)航路網(wǎng)絡(luò)體系，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)低空多級(jí)航路構(gòu)建的初步構(gòu)想。本文主要介紹無(wú)人機(jī)航路設(shè)計(jì)總體技術(shù)路線的實(shí)現(xiàn)過(guò)程和演示性成果，沒(méi)有考慮三維的情況，假設(shè)飛行都在地面移動(dòng)通信網(wǎng)信號(hào)覆蓋的合理高度如300米。航路規(guī)劃主要包括以下六個(gè)部分：

構(gòu)建低空航路規(guī)劃本底數(shù)據(jù)庫(kù)

劃設(shè)無(wú)人機(jī)在幾百米為上限的低空空域飛行的優(yōu)勢(shì)是規(guī)避有人駕駛航空器，減少對(duì)有人駕駛航空器的干擾和碰撞風(fēng)險(xiǎn)。但是，地面的因素可能會(huì)給低空超視距飛行帶來(lái)航空和公共安全隱患，因此，在進(jìn)行低空航路規(guī)劃時(shí)需要大量精準(zhǔn)地理空間數(shù)據(jù)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，構(gòu)建一個(gè)航路規(guī)劃本底數(shù)據(jù)庫(kù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)不僅包含地面道路分布、通信環(huán)境、地形條件、涉及人類活動(dòng)的禁飛區(qū)、限制區(qū)以及潛在的危險(xiǎn)區(qū)等靜態(tài)數(shù)據(jù)，還應(yīng)包括未知威脅信息以及嚴(yán)重影響無(wú)人機(jī)飛行活動(dòng)的動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)，以支持無(wú)人機(jī)飛行路徑的重規(guī)劃。本文優(yōu)先考慮低空氣候（風(fēng)切變、雷暴、積冰、低能見(jiàn)度天氣等）約束、通信約束和限制區(qū)約束。

無(wú)人機(jī)空港布局

“無(wú)人機(jī)空港”或者“無(wú)人機(jī)驗(yàn)證場(chǎng)”一詞最早在我國(guó)無(wú)人機(jī)遙感應(yīng)用領(lǐng)域提出。無(wú)人機(jī)空港是指擁有合法空域的無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)和有關(guān)服務(wù)設(shè)施構(gòu)成的有機(jī)整體，硬件設(shè)施主要包括無(wú)人機(jī)跑道、無(wú)人機(jī)機(jī)庫(kù)、無(wú)人機(jī)組裝調(diào)試區(qū)，導(dǎo)航通信設(shè)施等，軟件設(shè)施主要包括飛行監(jiān)管系統(tǒng)、空管協(xié)同通報(bào)系統(tǒng)等。無(wú)人機(jī)空港是無(wú)人機(jī)低空航路與地面的樞紐，可作為無(wú)人機(jī)的起降點(diǎn)和中轉(zhuǎn)場(chǎng)地，為無(wú)人機(jī)的安全飛行提供保障。結(jié)合當(dāng)前依托國(guó)家生態(tài)觀測(cè)研究試驗(yàn)網(wǎng)開(kāi)展無(wú)人機(jī)驗(yàn)證場(chǎng)和無(wú)人機(jī)組網(wǎng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，本文擬根據(jù)中科院在全國(guó)272個(gè)野外科學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)站的布局?jǐn)?shù)據(jù)，結(jié)合各省會(huì)城市、區(qū)域經(jīng)濟(jì)中心城市或交通樞紐城市位置分布，選擇一批野外臺(tái)站定義為無(wú)人機(jī)空港，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建連接各無(wú)人機(jī)空港的無(wú)人機(jī)低空航路，形成全國(guó)無(wú)人機(jī)科學(xué)實(shí)驗(yàn)低空航路網(wǎng)，作為全國(guó)無(wú)人機(jī)低空骨干航路原型，達(dá)到演示全國(guó)無(wú)人機(jī)低空航路構(gòu)建過(guò)程的目的。

航線連接與優(yōu)化

初步設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)航路網(wǎng)局限于無(wú)人機(jī)空港對(duì)，未考慮交叉節(jié)點(diǎn)對(duì)航路的影響，存在飛行安全隱患，無(wú)法滿足實(shí)際飛行要求。因此應(yīng)采用合適的優(yōu)化算法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。如合并臨近無(wú)人機(jī)空港，調(diào)整共線航路、交叉航線和低利用率航路，以及調(diào)整航路網(wǎng)絡(luò)非直線性等。

構(gòu)建空域環(huán)境

研究采用柵格法建立無(wú)人機(jī)低空飛行空域環(huán)境。首先將空域環(huán)境劃分為大小相同的矩形空間，然后根據(jù)柵格內(nèi)是否包含限制區(qū)、惡劣氣候多發(fā)區(qū)、機(jī)場(chǎng)凈空保護(hù)區(qū)和基站信號(hào)覆蓋區(qū)，將柵格分為障礙柵格和自由柵格。自此，空域環(huán)境由自由柵格和障礙柵格構(gòu)成，并形成一個(gè)連通圖，因而航路規(guī)劃問(wèn)題就轉(zhuǎn)化成對(duì)自由柵格的規(guī)劃問(wèn)題，即在該連通圖上尋找從起始柵格到終點(diǎn)柵格的規(guī)避障礙物的最優(yōu)路徑。

路徑搜索

構(gòu)建空域環(huán)境后，采用搜索算法進(jìn)行最優(yōu)路徑搜索，得到無(wú)人機(jī)空港對(duì)之間的最優(yōu)航路。路徑搜索原則包括：（1）避開(kāi)障礙物；（2）在移動(dòng)通信基站信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)；（3）路徑最短或者耗時(shí)最短；（4）沿地面路網(wǎng)搜索。

航路優(yōu)化

無(wú)人機(jī)航路除了安全性要求外，還需滿足無(wú)人機(jī)的動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)彎速率，即航路上任意一點(diǎn)上的曲率必須小于無(wú)人機(jī)可達(dá)到的最大曲率。研究采用FrenetSerret（FS）坐標(biāo)系定義無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)，在二維平面內(nèi)曲率定義為路徑的轉(zhuǎn)彎半徑。因此，為了滿足無(wú)人機(jī)的動(dòng)力學(xué)約束，設(shè)計(jì)航路時(shí)需要考慮現(xiàn)有無(wú)人機(jī)的最小轉(zhuǎn)彎半徑等機(jī)動(dòng)性參數(shù)。

案例應(yīng)用分析

根據(jù)各級(jí)航路的職能區(qū)分，全國(guó)骨干航路網(wǎng)在整個(gè)航路網(wǎng)絡(luò)中起著舉足輕重的作用，京津冀承擔(dān)著政治和經(jīng)濟(jì)中心的重要職能。因此，本文以全國(guó)骨干航路網(wǎng)和京津冀多級(jí)航路網(wǎng)為例，進(jìn)行全國(guó)骨干航路網(wǎng)和京津翼多級(jí)航路網(wǎng)規(guī)劃。

本研究結(jié)合《“十三五”現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系發(fā)展規(guī)劃》，在北京、上海、廣州、成都、昆明、烏魯木齊、哈爾濱、西安、鄭州、武漢、大連、廈門等12個(gè)國(guó)際性綜合交通樞紐的地區(qū)，依托中科院野外臺(tái)站作為無(wú)人機(jī)骨干航路的主要空港，將其他野外臺(tái)站作為航路沿途的輔助空港。假設(shè)這些無(wú)人機(jī)主要空港承擔(dān)著全國(guó)無(wú)人機(jī)物流集散、中轉(zhuǎn)等綜合服務(wù)功能，據(jù)此通過(guò)輸入約束條件，優(yōu)化計(jì)算出通達(dá)全國(guó)的無(wú)人機(jī)低空交通中樞（見(jiàn)圖4）；選擇京津冀地區(qū)的北京、天津、石家莊、唐山、秦皇島、邯鄲、張家口、承德、保定、滄州、衡水、邢臺(tái)和廊坊等13個(gè)地區(qū)綜合交通樞紐的區(qū)域內(nèi)，依托中科院野外臺(tái)站或選擇行政中心地帶作為無(wú)人機(jī)空港，構(gòu)建京津冀地區(qū)的無(wú)人機(jī)骨干和主干航路空港。此外，選擇以京津冀地區(qū)的縣級(jí)市中心地帶或交通樞紐附近，建設(shè)各地區(qū)的無(wú)人機(jī)支線航路網(wǎng)空港。

基于無(wú)人機(jī)低空航路規(guī)劃基本流程，考慮在氣象約束、通信約束、限制區(qū)約束和機(jī)場(chǎng)凈空保護(hù)區(qū)約束條件下進(jìn)行無(wú)人機(jī)航路規(guī)劃。氣象約束條件主要包括風(fēng)切變、積冰、雷暴和低能見(jiàn)度天氣；在假設(shè)有人區(qū)通信狀況良好的情況下（假設(shè)北京和天津全境基站信號(hào)覆蓋良好），通信約束環(huán)境僅考慮無(wú)人區(qū)的基站覆蓋情況，因此，通信空域環(huán)境由人口分布和基站信號(hào)覆蓋數(shù)據(jù)綜合得到；限制區(qū)主要考慮地市級(jí)以上的重要政府機(jī)關(guān)、火車站、客運(yùn)站、港口碼頭、公安局和高層大廈的分布；機(jī)場(chǎng)凈空保護(hù)區(qū)根據(jù)《民用航空機(jī)場(chǎng)障礙物限制面保護(hù)范圍數(shù)據(jù)》得到。為簡(jiǎn)化計(jì)算，以上約束條件均轉(zhuǎn)化為航路規(guī)劃空域環(huán)境中的“障礙物”，在路徑搜索中實(shí)行“規(guī)避”原則。構(gòu)建全國(guó)和京津冀的航路規(guī)劃空域環(huán)境后，進(jìn)行最優(yōu)路徑的搜索。研究采用蟻群算法進(jìn)行最短路徑搜索。然后利用ArcMAP軟件自帶的指數(shù)核的多項(xiàng)式近似 （PAEK）算法，基于無(wú)人機(jī)的性能參數(shù)（假設(shè)無(wú)人機(jī)最小轉(zhuǎn)彎半徑為1千米）進(jìn)行航路的平滑優(yōu)化，得到全國(guó)無(wú)人機(jī)低空骨干航路網(wǎng)（圖5）和京津冀無(wú)人機(jī)低空多級(jí)航路網(wǎng)（圖6）。

結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合無(wú)人機(jī)商業(yè)化應(yīng)用的迅猛發(fā)展和日益增加的無(wú)人機(jī)數(shù)量所引起的監(jiān)管困難，本文提出并定義了無(wú)人機(jī)低空多級(jí)公共航路的概念，研究了無(wú)人機(jī)低空多級(jí)航路規(guī)劃的關(guān)鍵技術(shù)，并將其應(yīng)用到全國(guó)和京津冀航路網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)中，通過(guò)地理信息多約束條件和路徑搜索與優(yōu)化算法，得到基于全國(guó)無(wú)人機(jī)空港骨干布局基礎(chǔ)上的全國(guó)骨干航路網(wǎng)和包括縣級(jí)行政區(qū)的京津冀的支線航路網(wǎng)。該研究成果作為基于地理信息技術(shù)生成的無(wú)人機(jī)低空航路圖，可促進(jìn)和規(guī)范未來(lái)無(wú)人機(jī)大范圍商業(yè)化應(yīng)用、為全國(guó)和地區(qū)的無(wú)人機(jī)飛行監(jiān)管提供相關(guān)技術(shù)支撐，為已有的無(wú)人機(jī)云管理系統(tǒng)提供公共航路支持。但是當(dāng)前的無(wú)人機(jī)低空公共航路規(guī)劃僅停留在理論層面，在未來(lái)工作中，將對(duì)無(wú)人機(jī)航路實(shí)施基于相關(guān)軟件平臺(tái)的仿真飛行和實(shí)際飛行，檢驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)性，論證無(wú)人機(jī)航路的合理性和安全性；并設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)無(wú)人機(jī)航路規(guī)劃軟件，規(guī)范推進(jìn)無(wú)人機(jī)低空應(yīng)用的大發(fā)展。