低空無人機(jī)交通管理概覽與建議

全權(quán)，李剛，柏藝琴，付饒，李夢芯，柯晨旭，蔡開元

1. 北京航空航天大學(xué) 自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京 100083 2. 上海華為技術(shù)有限公司，上海 201206 3. 中國民航科學(xué)技術(shù)研究院，北京 100028

1 低空無人機(jī)交通管理基本概念和現(xiàn)狀

1.1 基本概念和定義

低空空域原則上是指真高(離地高度)1 000 m(含)以下空域，超低空空域一般是指真高120 m(含)以下空域，主要用于視距飛行高度限制。根據(jù)中國民航局2019年第一季度無人機(jī)云數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：運(yùn)行高度在120 m以下的無人機(jī)占96.5%，1 000 m以下的無人機(jī)占據(jù)99.9%。

這些年民用無人系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展迅猛，這歸功于電池技術(shù)和電力推進(jìn)等技術(shù)的進(jìn)步，無人機(jī)自主飛行技術(shù)等自動化技術(shù)的日趨成熟，以及圖像處理器和人工智能處理器的發(fā)展。由于無人機(jī)的性能得到了極大改進(jìn)，無人機(jī)由視距內(nèi)人工遙控器操作，發(fā)展為超視距內(nèi)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)操作。隨著4G移動通信技術(shù)的成熟和面向行業(yè)應(yīng)用的5G技術(shù)的逐步商用，民用無人機(jī)大規(guī)模應(yīng)用離生活也將越來越近。

為了保證安全，民用無人機(jī)應(yīng)該與民航飛行器一樣，飛行過程必須接受管理。對于民用飛行器，空中交通管理(Air Traffic Management, ATM)的任務(wù)是[1]：“考慮空中及地面系統(tǒng)的運(yùn)行能力以及經(jīng)濟(jì)上的需要，為用戶提供空域利用上的最大效能；考慮飛機(jī)裝備的等級和運(yùn)行目的的不同，靈活地組織不同用戶之間分享空域；保證空中交通管理系統(tǒng)的總效率；向用戶提供從起飛到著陸的連續(xù)協(xié)調(diào)、有效服務(wù)和管制，確保安全；與國際上協(xié)調(diào)一致，保證飛越國境順利進(jìn)行”。空中交通管理的內(nèi)容主要包括空中交通服務(wù)、空中交通流量管理和空域管理3大部分[1-2]。

現(xiàn)有的適用于民航飛行器運(yùn)行的空中交通管理方式不能適用于未來數(shù)以百萬架的無人機(jī)。

1) 低空無人機(jī)數(shù)目多，體積小，執(zhí)行任務(wù)復(fù)雜多樣。

2) 現(xiàn)行民航空中交通管理的通信、導(dǎo)航和監(jiān)視技術(shù)手段都很難應(yīng)用于低空目標(biāo)。民航航空是傳統(tǒng)的窄帶通信技術(shù)，無法滿足大量的無人駕駛航空器更大的帶寬通信需求；低空無人機(jī)的導(dǎo)航技術(shù)需要結(jié)合基站定位、視覺導(dǎo)航等新興技術(shù)；現(xiàn)有民航的監(jiān)視技術(shù)也難以滿足低空輕小無人機(jī)的監(jiān)視需求。

3) 無人機(jī)缺乏有效的信息獲取手段，難以全面、及時(shí)感知規(guī)避障礙物，導(dǎo)致空中碰撞的風(fēng)險(xiǎn)增加。除此之外，現(xiàn)有的空中交通管理仍然是20世紀(jì)30年代發(fā)展起來的管理方式，走的是輔助飛行員駕駛的技術(shù)途徑；而無人機(jī)的駕駛員在地面，所以針對低空無人機(jī)交通管理[3]，需結(jié)合現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)以及信息化技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)更加智能和自動化的交通管理。因此，考慮到支撐技術(shù)以及運(yùn)行安全，根據(jù)中國民航局2016年發(fā)布的《民用無人駕駛航空器空中交通管理辦法》(MD-TM-2016-004)規(guī)定，無人機(jī)目前被要求在隔離空域飛行。參考國務(wù)院、國務(wù)院中央軍委空中交通管制委員會《無人駕駛航空器飛行管理暫行條例》對輕小微型無人機(jī)的適飛空域高度定義以及民航最低安全高度要求，本文主要著重進(jìn)行低空空域無人機(jī)交通管理(Unmanned Aircraft System(UAS) Traffic Management，UTM)的概述，特別是真高300 m(含)以下的空域。

低空無人機(jī)交通管理的最終目標(biāo)是基于不同的地理?xiàng)l件(從農(nóng)村到城市)和不同的應(yīng)用目的(從空中監(jiān)視、設(shè)施巡檢到物流等)，推動具有不同能力的無人機(jī)在低空空域有序飛行，并進(jìn)一步拓展到載人飛行器等。更具體地說，保持無人機(jī)與空中其他飛行器(如：無人機(jī)、有人機(jī)、自由氣球、飛艇等)和障礙物的安全間隔，并提供一個高效和有序的交通流量控制與容量管理。低空無人機(jī)交通管理系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，需要根據(jù)無人機(jī)性能、無人機(jī)作業(yè)場景等確保無人機(jī)操作所需的安全級別。與此同時(shí)，低空無人機(jī)交通管理也需要與無人機(jī)運(yùn)營服務(wù)等協(xié)同，內(nèi)容包含無人機(jī)從生產(chǎn)制造信息到飛行使用和產(chǎn)品維修等整個全生命周期過程，涉及無人機(jī)、駕駛員、運(yùn)營人、制造企業(yè)等相關(guān)體系。低空無人機(jī)交通管制，不再是管制員對駕駛員的管制，更多的交通管制功能由后臺系統(tǒng)進(jìn)行自動化的處理。低空無人機(jī)空域管理和流量管理，將與實(shí)時(shí)低空交通流量控制、碰撞檢測等進(jìn)行深度融合。管制員將逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檫\(yùn)維監(jiān)視員和系統(tǒng)維護(hù)員角色，因此低空無人機(jī)交通管理框架可以如圖1所示。

無人機(jī)空中交通服務(wù)包括：空域管理、容量管理、流量管理、空中交通管制、飛行監(jiān)視(針對消費(fèi)級無人機(jī))、無人機(jī)圍欄、飛行情報(bào)服務(wù)、告警與通知等。與傳統(tǒng)民用航空空中交通管制不同，低空無人機(jī)的空中交通管制功能將進(jìn)行簡化，部分功能融入到容量管理和流量管理當(dāng)中，由后臺計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)。

圖1 無人機(jī)交通管理組成框架Fig.1 Component framework of UAV traffic management

飛行運(yùn)營服務(wù)包括：運(yùn)營人管理、駕駛員管理、設(shè)備(無人機(jī)與遙控器)管理等，更多的無人機(jī)運(yùn)營服務(wù)還包括無人機(jī)維修服務(wù)、充電服務(wù)和保險(xiǎn)服務(wù)等。低空無人機(jī)交通管理不包括運(yùn)營服務(wù)，僅包括交通服務(wù)，充當(dāng)著整個空中交通管理的大腦的角色，負(fù)責(zé)決策。

通信、導(dǎo)航和監(jiān)控(Communication, Navigation, Surveillance, CNS)功能等基礎(chǔ)設(shè)施充當(dāng)著整個無人機(jī)交通管理系統(tǒng)的眼睛、耳朵和神經(jīng)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)態(tài)勢感知和信息傳輸。

1) 通信(Communication)。這里通信的目的是為了傳輸交通管理的信息，包括空對空通信、空對地通信、地對地通信、無人機(jī)與無(有)人機(jī)之間的通信，無人機(jī)與無人機(jī)交通服務(wù)提供商的通信，無人機(jī)交通服務(wù)提供商之間的通信等[4]，具體包括4G/5G公網(wǎng)、AeroMACS、專網(wǎng)、衛(wèi)星、V2X等。針對低空300 m以下空域，考慮到基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本，可以采用移動運(yùn)營商提供的4G/5G公共網(wǎng)絡(luò)。

2) 導(dǎo)航(Navigation)。無人機(jī)在低空飛行需要知道自己的位置等信息，進(jìn)而知道其他無人機(jī)的位置。由于雷達(dá)導(dǎo)航部署存在較大困難，容易受到障礙物遮擋等，因此傳統(tǒng)民用航空所需的雷達(dá)導(dǎo)航并不適用于低空300 m以下空域。針對低空無人機(jī)，涉及的技術(shù)包括基站定位技術(shù)、衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)、雷達(dá)導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航和慣導(dǎo)等。特別在衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)容易受干擾和初期基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)緩慢情況下，建議發(fā)展視覺導(dǎo)航技術(shù)。

3) 監(jiān)視(Surveillance)。在低空飛行過程中，無人機(jī)的飛行位置和狀態(tài)信息等需要主動或被動地傳送給地面管制單位。主動監(jiān)視又包含遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視和本地廣播監(jiān)視。目前，民航飛行器進(jìn)一步將依靠廣播式自動相關(guān)監(jiān)視(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast, ADS-B)進(jìn)行發(fā)送和接收周圍信息。然而，對于民用輕小型及以下的無人機(jī)來說，因?yàn)槠涑叽缧?、飛得低、數(shù)目多，很難用雷達(dá)來監(jiān)控它們；而通過ADS-B等又會對現(xiàn)有民航形成干擾，并且進(jìn)一步加重ADS-B通信帶寬的負(fù)荷。由于低空通信組網(wǎng)的最佳方式是采用移動蜂窩網(wǎng)，因此對于低空輕小無人機(jī)等，建議采用基于移動蜂窩網(wǎng)發(fā)展的、滿足更大帶寬和速率的C-V2X技術(shù)，滿足無人機(jī)到無人機(jī)、無人機(jī)到地面監(jiān)視人員之間的通信。本地廣播監(jiān)視的可靠性較差，接收器很容易被攻擊，如果缺乏被動監(jiān)視進(jìn)行過濾，很難發(fā)現(xiàn)異常，導(dǎo)致接收器/服務(wù)器拒絕服務(wù)甚至癱瘓。因此，對于輕小型及以下無人機(jī)來說，本地廣播監(jiān)視的部署是需要慎重考慮的問題。

1.2 世界各國技術(shù)現(xiàn)狀

目前實(shí)施科學(xué)的低空無人機(jī)空中交通管理已經(jīng)成為各航空發(fā)達(dá)國家的共同選擇。盡管每個地區(qū)使用的術(shù)語和組織略有不同，但是無人機(jī)交通管理系統(tǒng)在世界各地發(fā)展的基本原理和方法非常相似。

1)美國。美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)牽頭，與美國聯(lián)邦航空管理局(Federal Aviation Administration, FAA)、工業(yè)界、學(xué)術(shù)界合作共同研制了一套無人機(jī)系統(tǒng)交通管理框架UTM[5-6]。UTM是一個非管制的、面向服務(wù)的空中交通管理框架，通過授權(quán)給民營機(jī)構(gòu)，也就是無人機(jī)服務(wù)提供商(Unmanned aircraft system Service Supplier, USS)來提供服務(wù)。這些機(jī)構(gòu)具有無人機(jī)所需服務(wù)(包括運(yùn)營服務(wù)和交通服務(wù))的提供能力，能給使用無人機(jī)作業(yè)的企業(yè)提供FAA所不具備的服務(wù)。UTM開發(fā)將最終確定服務(wù)內(nèi)容、角色/責(zé)任、信息架構(gòu)、數(shù)據(jù)交換協(xié)議、軟件功能、基礎(chǔ)設(shè)施和性能要求，以實(shí)現(xiàn)對低空非管制的無人機(jī)運(yùn)行管理，解決低空空域(解決地面以上400英尺(1英尺=0.304 8 m)，約120 m以下的空域)小型無人機(jī)的非管制運(yùn)行。UTM的技術(shù)發(fā)展分為4個階段[7]：① 第1技術(shù)階段的測試目的在于測試基于接口的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)行和信息共享能力；② 第2技術(shù)階段[8]的測試目的在于測試超視距、飛行意圖分享和地理圍欄等能力；③ 第3技術(shù)階段的測試[9]目的在于測試常態(tài)超視距運(yùn)行、空中機(jī)對機(jī)防撞和規(guī)避靜態(tài)障礙物等能力；④ 第4技術(shù)階段的測試[10]目的在于超視距運(yùn)行、跟蹤和定位、規(guī)避動態(tài)障礙物，以及處理大規(guī)模突發(fā)事件等能力。

2) 歐洲各國。歐盟委員會和歐洲航空安全局(EASA)提出建立公共無人機(jī)飛行系統(tǒng)U-Space[11-12]。U-Space是為了確保大量無人機(jī)安全、高效的進(jìn)入空域，所設(shè)計(jì)的一套新的數(shù)字和自動化服務(wù)程序。其理念與無人機(jī)交通管理系統(tǒng)UTM相同，U-Space服務(wù)提供商提供關(guān)鍵功能，它們都與U-Space系統(tǒng)管理器進(jìn)行通信。U-Space規(guī)定無人機(jī)在低空使用，飛行高度不超過150 m，并把無人機(jī)分為3類：開放(Open)、特許(Specific)與審定(Certificate)。U-Space系統(tǒng)將自動使用電子身份識別以及地理圍欄等工具以確保自主無人機(jī)可訪問相關(guān)信息。其發(fā)展分為4步走:① 第1步計(jì)劃于2019年開始提供基礎(chǔ)服務(wù)，包括電子注冊、電子識別和電子圍欄；② 第2步計(jì)劃于2022年開始提供初始服務(wù)，包括飛行規(guī)劃、追蹤、與傳統(tǒng)空管的交互；③ 第3步計(jì)劃于2027年提供擴(kuò)展服務(wù)，包括沖突檢測、自動監(jiān)測、避障功能；④ 第4步計(jì)劃于2035年開始提供高度自動化、連接性、數(shù)字化的全功能服務(wù)。

3) 日本。日本UTM協(xié)會(Japan UTM，JUTM)和新能源工業(yè)技術(shù)開發(fā)組織(New Energy and Industrial Technology Development Organization, NEDO)共同建立了國家UTM項(xiàng)目[13]。它包括一個飛行情報(bào)管理系統(tǒng)(Flight Information Management System, FIMS)、一些無人機(jī)服務(wù)提供商、一層數(shù)據(jù)源提供商(Source Data Service Provider, SDSP)和運(yùn)營商。FIMS管理所有飛行計(jì)劃，處理緊急警報(bào)并提供避免指令。無人機(jī)服務(wù)提供商位于FIMS與每個運(yùn)營商之間。JUTM在2017開始了演示。NEDO下開發(fā)的個人用戶系統(tǒng)在2018年進(jìn)行了演示，2019年將首次進(jìn)行全系統(tǒng)演示，2020年將開始實(shí)施。

4) 新加坡。新加坡民航局(Civil Aviation Authority of Singapore, CAAS)與新加坡南洋理工大學(xué)聯(lián)辦了航空交通管理研究院，并著手研發(fā)無人機(jī)空管系統(tǒng)TM-UAS[14-15]。目前，TM-UAS已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了地理圍欄、沖突避免等技術(shù)。根據(jù)新加坡的城市特點(diǎn)，CAAS研究正著眼于對多架無人機(jī)在人口密度極高的城市環(huán)境中安全有效的運(yùn)作。

5) 中國。目前主要有中國民航局飛標(biāo)司批準(zhǔn)的各家無人機(jī)云系統(tǒng)以及民航局空管辦主導(dǎo)開發(fā)的無人機(jī)交通管理信息系統(tǒng)。針對民用無人機(jī)，現(xiàn)階段重點(diǎn)解決無人機(jī)的主動飛行監(jiān)視與管控、信息收集和信息分享等，由無人機(jī)云系統(tǒng)提供上述功能。無人機(jī)云系統(tǒng)通過無人機(jī)云交換系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，并集成無人機(jī)云交互系統(tǒng)到無人機(jī)運(yùn)行管理(UAS Operation Management, UOM)系統(tǒng)中。無人機(jī)云系統(tǒng)提供無人機(jī)禁飛區(qū)查詢、身份識別、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、電子圍欄、動態(tài)監(jiān)視、軌跡回放、告警與通知等功能。無人機(jī)云交換系統(tǒng)提供飛行信息服務(wù)、飛行計(jì)劃申請、審批、放飛授權(quán)等信息交換功能。在2019年初，中國民航局飛標(biāo)司、適航司和空管辦聯(lián)合發(fā)布了《特定類無人機(jī)試運(yùn)行管理規(guī)程》(AC-92-01)，針對特定類行業(yè)級無人機(jī)應(yīng)用啟動無人機(jī)空中交通空域管理、流量管理、飛行管制與風(fēng)險(xiǎn)評估等的研究與試點(diǎn)。無人機(jī)云系統(tǒng)如何提供空域管理、容量管理、流量控制和避撞等空中交通服務(wù)，如何與國家無人機(jī)綜合監(jiān)管平臺進(jìn)行協(xié)作，還需要進(jìn)一步研究。

無人機(jī)空中交通管理的研發(fā)在各國均正處于起步階段，美國UTM投入早，走在世界各國的前列。在空域劃分上，美國擁有非管制的G類空域。航空器在G類空域中飛行時(shí)，管制中心不提供空中交通管制服務(wù)，飛行安全由飛行員自己負(fù)責(zé)。該類空域允許航空器包括無人機(jī)進(jìn)行自由飛行。然而，目前中國所有空域都為管制空域，并且中國的低空通信網(wǎng)絡(luò)主要由政府主導(dǎo)，由移動通信服務(wù)提供商提供良好的4G/5G網(wǎng)絡(luò)?；谶@些差別，雖然中國基本服務(wù)與美國UTM 中的無人機(jī)服務(wù)提供商提供的服務(wù)一致，但在實(shí)現(xiàn)上結(jié)合中國空域現(xiàn)狀和通信基礎(chǔ)設(shè)施等采取的技術(shù)路徑不同。中國更適合開展基于集中管理、有序飛行的低空無人機(jī)交通管理技術(shù)，歐美各國會重點(diǎn)和優(yōu)先發(fā)展碰撞檢測與避免技術(shù)。無人機(jī)交通管理技術(shù)的研發(fā)與落地，不僅能夠滿足不斷增長的無人機(jī)行業(yè)應(yīng)用需求，亦可作為有人機(jī)自動化演進(jìn)的重要技術(shù)途徑，實(shí)現(xiàn)中國航空業(yè)的快速發(fā)展，成為世界各國進(jìn)入航空強(qiáng)國的重要途徑。

2 低空無人機(jī)交通管理

首先，本節(jié)分析低空無人機(jī)交通管理的特殊性。針對無人機(jī)交通網(wǎng)特點(diǎn)，介紹無人機(jī)交通管理設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)思路。之后，在空間維度上分別分析和總結(jié)目前美國和中國的無人機(jī)空中管理框架。最后，在時(shí)間維度上介紹無人機(jī)飛行過程。

2.1 低空無人機(jī)交通管理的特殊性

如表1所示，低空無人機(jī)交通與傳統(tǒng)民航交通、公路交通、鐵路交通等之間存在一定差異，具有一定的特殊性。

傳統(tǒng)的民航空中交通系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)依賴政府力量，而管理方式依靠空中交通管制員和飛行員之間的語音通信以及雷達(dá)探測。即使依賴人的參與，傳統(tǒng)的民航空中交通管理依舊十分復(fù)雜[16]。與傳統(tǒng)的民航相比，由于無人機(jī)的數(shù)量龐大，在很小區(qū)域內(nèi)(如10 km2)可以隨時(shí)擴(kuò)展到數(shù)千架，并共享有限的空域，所以無法使用像傳統(tǒng)民航交通管理系統(tǒng)這樣的集中通過管制員的方式來進(jìn)行負(fù)載預(yù)測和分配。因?yàn)闊o人機(jī)的預(yù)期交通密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了當(dāng)前民航空中交通管理系統(tǒng)的能力，所以必須考慮基于大規(guī)模并行計(jì)算的分布式解決方案，管理會更具挑戰(zhàn)性。另外，民航空中交通系統(tǒng)還在進(jìn)行平臺化和信息化升級，下一代航空運(yùn)輸網(wǎng)(Air Transport Network, ATN)還處于過渡期，自動化系統(tǒng)等級升級過程較長且困難重重[17]。因此，目前傳統(tǒng)民航平臺不適應(yīng)低空無人機(jī)。除此之外，低空無人機(jī)交通呈現(xiàn)很多新特征。針對低空無人機(jī)交通的CNS設(shè)施都需要面向低空，而低空空域受到低空障礙物等影響。因此，通信組網(wǎng)復(fù)雜度、導(dǎo)航可靠性、監(jiān)視手段也需要更新?lián)Q代。針對低空無人機(jī)，可以考慮采用4G/5G公共移動通信網(wǎng)絡(luò)、基站定位導(dǎo)航、視覺和無線電監(jiān)視等新興技術(shù)等。無人機(jī)交通服務(wù)的飛行器和機(jī)場種類也將更加豐富，比如：在城市空中交通中的無人機(jī)要求其在城市中完成起降，因此無人機(jī)應(yīng)具備垂直起飛和著陸功能。無人機(jī)垂直起降功能可以避免如固定翼飛機(jī)所需的長距跑道。這樣機(jī)場可以分布在區(qū)域各個角落，如屋頂或塔臺型無人機(jī)場，形式簡單多樣。

與鐵路和公路相比，鐵路網(wǎng)可以認(rèn)為是一維空間，公路網(wǎng)是受限二維空間，而無人機(jī)運(yùn)行的空域是三維空間，所以無人機(jī)在避障方面更加靈活。與此同時(shí)，其墜毀對地面也帶來了安全的隱患。因此，必須合理規(guī)劃空域，并基于低空航路網(wǎng)設(shè)計(jì)無人機(jī)的空中交通管制算法，以確保實(shí)現(xiàn)安全的空中交通管制。

除以上提到的特性不同外，低空無人機(jī)的突發(fā)任務(wù)頻次遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)民用航空，低空無人機(jī)交通網(wǎng)需要保證隨時(shí)劃分航線進(jìn)而接入無人機(jī)，并隨時(shí)釋放臨時(shí)航線。因此，整個網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)變化較高，這與傳統(tǒng)民航網(wǎng)、公路網(wǎng)和鐵路網(wǎng)都不相同。此外，在單位區(qū)域數(shù)量、入網(wǎng)申請、任務(wù)重復(fù)性、是否可停留避撞和路徑規(guī)劃等方面，與傳統(tǒng)民航網(wǎng)、公路網(wǎng)和鐵路網(wǎng)有些部分相似又不盡相同。綜上所述，目前低空無人機(jī)交通網(wǎng)并沒有合適的現(xiàn)成的交通管理方式。

表1 低空無人機(jī)交通與公路、鐵路、傳統(tǒng)民航3種交通的區(qū)別Table 1 Difference between low-altitude UAV traffic and highway, railway and civil aviation traffic

注：① 公路的任務(wù)重復(fù)度從總體上每天近似重復(fù)，但是相比其他網(wǎng)絡(luò)比較低。

② 目前無人機(jī)以垂直起降為主，可以懸停；而民航飛行器多以固定翼為主，不能懸停，但能盤旋，但盡量減少這種方式進(jìn)行避障。

2.2 低空無人機(jī)交通管理設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)思路

基于低空無人機(jī)交通的特殊性，低空無人機(jī)空中管理系統(tǒng)勢必有著獨(dú)特的要求和框架。

2.2.1 設(shè)計(jì)要求

1) 系統(tǒng)的操作原則

從系統(tǒng)的操作原則上看[11]，無人機(jī)空中交通管理系統(tǒng)需要滿足： ① 只有經(jīng)過認(rèn)證的無人機(jī)和操作員才能在空域內(nèi)操作； ② 無人機(jī)間應(yīng)保持距離； ③ 無人機(jī)和載人飛行器應(yīng)保持距離； ④ 無人機(jī)、其操作員或支持系統(tǒng)了解空域內(nèi)的所有限制條件，包括地面上的人、動物和建筑，無人機(jī)將保持遠(yuǎn)離這些限制； ⑤ 公共安全無人機(jī)應(yīng)優(yōu)先于其他無人機(jī)和載人航空。

2) 系統(tǒng)的性能要求

從系統(tǒng)的性能要求上看，需要滿足：① 可擴(kuò)展、靈活和適應(yīng)性強(qiáng)，在管理與民用航空的接口的同時(shí)，能夠響應(yīng)需求、數(shù)量、技術(shù)、商業(yè)模式和應(yīng)用程序的變化；② 在無人機(jī)運(yùn)營商的監(jiān)督下，多個自動無人機(jī)可實(shí)現(xiàn)高密度飛行；③ 保證所有用戶公平和公正地進(jìn)入空域；④ 隨時(shí)提供具有競爭力和成本效益的服務(wù)，支持無人機(jī)運(yùn)營商的商業(yè)模式；⑤ 盡可能利用現(xiàn)有的航空服務(wù)和基礎(chǔ)設(shè)施以及移動通信服務(wù)等其他部門的服務(wù)，使部署和運(yùn)營成本降到最低；⑥ 遵循基于風(fēng)險(xiǎn)和性能的方法，同時(shí)盡量減少對環(huán)境的影響，尊重公民的隱私，包括數(shù)據(jù)保護(hù)。

3) 系統(tǒng)的服務(wù)要求

從飛行功能服務(wù)來看[18]，整個系統(tǒng)應(yīng)該提供：① 安全服務(wù)，系統(tǒng)健康監(jiān)測、無人機(jī)注冊、用戶身份驗(yàn)證以及飛行監(jiān)控；② 飛行服務(wù)，飛行計(jì)劃、計(jì)劃和需求管理(進(jìn)一步可參考文獻(xiàn)[19])、間隔保證(Separation Assurance)及應(yīng)急管理；③ 情報(bào)服務(wù)，空域定義、天氣信息、地形和障礙物及交通運(yùn)行信息。

低空空域按可提供服務(wù)分為：管制空域、監(jiān)視空域和報(bào)告空域分類。

1) 管制空域是指為飛行活動提供空中交通管制服務(wù)、飛行情報(bào)服務(wù)、航空氣象服務(wù)、航空情報(bào)服務(wù)和告警服務(wù)的空域。

2) 監(jiān)視空域是指為飛行活動提供飛行情報(bào)服務(wù)、航空氣象服務(wù)、航空情報(bào)服務(wù)和告警服務(wù)的空域。

3) 報(bào)告空域是指為飛行活動提供航空氣象服務(wù)和告警服務(wù)，并根據(jù)用戶需求提供航空情報(bào)服務(wù)的空域。

針對低空無人機(jī)的飛行服務(wù)仍然可以按照上述進(jìn)行分類，由具有不同能力等級的無人機(jī)服務(wù)提供商提供不同空域的服務(wù)。

2.2.2 設(shè)計(jì)思路

從設(shè)計(jì)方式來說，分為：戰(zhàn)略管理、戰(zhàn)術(shù)管理、邊緣管理和個體管理，它們呈現(xiàn)遞進(jìn)關(guān)系，如圖2所示。

圖2 無人機(jī)交通管理設(shè)計(jì)方式
Fig.2 Traffic management design of UAV

1) 戰(zhàn)略管理(Strategic Management)?；诘乩硇畔ⅰ⑼ㄐ艑?dǎo)航監(jiān)視能力等，設(shè)計(jì)和規(guī)劃航路網(wǎng)，解決空域管理問題，并由此得到系統(tǒng)容量(最大容量)。

2) 戰(zhàn)術(shù)管理(Tactical Management)。結(jié)合飛行計(jì)劃申報(bào)，評估對未來一段時(shí)間內(nèi)的可能運(yùn)行容量，完成飛行計(jì)劃的審批，解決作業(yè)前容量管理。在巡航過程中解決流量控制問題，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的有序飛行，實(shí)現(xiàn)即時(shí)運(yùn)行容量的最大化，防止沖突的發(fā)生。在巡航過程中，結(jié)合動態(tài)電子圍欄、臨時(shí)交通管制等，解決可能發(fā)生的碰撞問題。此時(shí)，如發(fā)生異常，由地面管制員(維護(hù)員)代替駕駛員操作無人機(jī)將是較好的選擇。

3) 邊緣管理(Edge Management)。解決區(qū)域性(視距范圍、無人機(jī)與遙控器間點(diǎn)到點(diǎn)通信距離)問題，如機(jī)場涉及的起飛與降落(進(jìn)近)管理，重點(diǎn)解決機(jī)場區(qū)域的起飛授權(quán)、容量控制和起飛降落等問題。由于無人機(jī)的駕駛員在地面，在整個飛行過程中，尤其是超視距飛行時(shí)保持高可靠的指揮與控制鏈路是不現(xiàn)實(shí)的。因此，無人機(jī)駕駛員部署在機(jī)場區(qū)域。如發(fā)生異常情況，通過地面駕駛員本地操作無人機(jī)起飛和降落，此時(shí)指揮與控制鏈路的時(shí)延大大縮短，可靠性大大提高。

4) 個體管理(Individual Management)。通過機(jī)載處理器解決障礙物碰撞問題，包括無人機(jī)與無人機(jī)之間、無人機(jī)與有人機(jī)之間、無人機(jī)與障礙物之間，采取有效的機(jī)載路徑規(guī)劃技術(shù)，繞開障礙物，并廣播相關(guān)信息。

1.2節(jié)中提到，由于中國不存在非管制空域，因此從頂層架構(gòu)上中國應(yīng)優(yōu)先發(fā)展基于4G/5G聯(lián)網(wǎng)的戰(zhàn)略管理設(shè)計(jì)、戰(zhàn)術(shù)管理設(shè)計(jì)，并結(jié)合4G/5G 移動邊緣計(jì)算技術(shù)開展邊緣管理設(shè)計(jì)，在5G V2X技術(shù)成熟以后再開展個體管理設(shè)計(jì)(本地廣播)。相比下來，由于歐美目前主要焦點(diǎn)在解決無人機(jī)的碰撞檢測與避免，以及本地監(jiān)視，采用了與4G/5G不太兼容的低功耗藍(lán)牙(BLE)、專用短程通信技術(shù)(DSRC)等技術(shù)，在后續(xù)會可能限制其低空無人機(jī)交通管理的發(fā)展。

從飛行時(shí)間來說，分為：飛行前、飛行中和飛行后，如圖3所示。

圖3 無人機(jī)交通管理階段Fig.3 UAV traffic management phase

1) 飛行前(Pre-flight phase)。解決飛行計(jì)劃申報(bào)、航線規(guī)劃和起飛授權(quán)問題。

2) 飛行中(In-flight phase)。解決飛行中的流量管理、碰撞檢測與避免、降落等各種問題。

3) 飛行后(Post-flight phase)。分析記錄方面以及其他相關(guān)的飛行后業(yè)務(wù)和義務(wù)，保險(xiǎn)與充電、維修等。

2.2.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容

根據(jù)2.2.1節(jié)與2.2.2節(jié)所述，對無人機(jī)的空中交通服務(wù)內(nèi)容包括以下4個方面。

1) 容量管理服務(wù)。涉及如下階段：① 計(jì)劃申報(bào)階段，通過與飛行計(jì)劃申報(bào)相結(jié)合，預(yù)估整體航路網(wǎng)未來較長一段時(shí)間內(nèi)的半靜態(tài)容量，對飛行計(jì)劃進(jìn)行審批和授權(quán)；② 起飛階段(考慮機(jī)場)，通過計(jì)算當(dāng)前運(yùn)行容量，對放飛申請進(jìn)行授權(quán)；③ 巡航階段，結(jié)合異常情況，交通管制、異常天氣、障礙物等實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)前機(jī)場或者航路運(yùn)行容量，并觸發(fā)流量控制；④ 降落階段，通過計(jì)算區(qū)域運(yùn)行容量，對機(jī)場區(qū)域無人機(jī)進(jìn)行可靠導(dǎo)航并有序降落。

2) 流量管理服務(wù)。涉及巡航階段：① 沖突檢測，計(jì)算機(jī)場或者航路上的飛行器沖突風(fēng)險(xiǎn)；② 流量控制，結(jié)合沖突風(fēng)險(xiǎn)、運(yùn)行容量、航空管制等調(diào)整飛行器的運(yùn)行速度、航線等；③ 保持飛行器之間的最優(yōu)飛行間隔，完成飛行計(jì)劃。

3) 碰撞檢測與避撞服務(wù)。涉及起飛、巡航和降落階段：① 碰撞檢測，通過機(jī)載或者地面檢測到的異常信息發(fā)起交通管制(結(jié)合動態(tài)電子圍欄)；② 通過機(jī)載路徑規(guī)劃防碰撞系統(tǒng)繞過障礙物；③ 通過機(jī)載V2V(Vehicle to Vehicle)系統(tǒng)廣播碰撞告警信息。

4) 空中交通管制服務(wù)。通過人工介入，解決突發(fā)交通問題和飛行管制等，不再提供傳統(tǒng)民航的程序管制服務(wù)等功能。

低空無人機(jī)空中交通服務(wù)受限于所采用的移動通信技術(shù)。低空移動通信網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量(Quantity of Service, QoS)將大大影響低空交通服務(wù)的能力。因此，低空無人機(jī)交通服務(wù)提供商需要向移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商定制所需的通信能力(如低空網(wǎng)絡(luò)覆蓋等)，并結(jié)合通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)質(zhì)量，采取相應(yīng)的容量管理和流量管理等手段。

2.3 低空無人機(jī)交通管理系統(tǒng)框架

為了解決民航空中交通系統(tǒng)的弊端和發(fā)揮工業(yè)界的力量，世界各國都提出了自己的無人機(jī)交通管理系統(tǒng)框架。這里主要介紹美國NASA主導(dǎo)提出的UTM框架[5-6]，世界各地的無人機(jī)空中管理框架與美國的UTM框架類似，因此UTM可以認(rèn)為是無人機(jī)空中管理的通用框架。除了美國的UTM框架，本文還總結(jié)和介紹了中國的無人機(jī)空中管理框架UOM。

2.3.1 美國UTM框架

UTM不依賴于集中控制，而是使用分布式授權(quán)的原則。它是一個框架，是一種網(wǎng)絡(luò)化的服務(wù)集合，它們結(jié)合在一起并基于共同規(guī)則彼此相通。它是為了將來的應(yīng)用而建立的，能夠隨著技術(shù)的進(jìn)步和市場需求的成熟而保持相關(guān)性。其結(jié)構(gòu)如圖4[5-6]所示。

UTM系統(tǒng)是由飛行情報(bào)管理系統(tǒng)(FIMS)和以USS為中心的網(wǎng)絡(luò)組成。UTM具有多層分離保證，從戰(zhàn)略管理到更實(shí)時(shí)的分離規(guī)則和應(yīng)急管理，再到實(shí)時(shí)避障能力，以確保各項(xiàng)操作安全進(jìn)行。USS由FAA認(rèn)證，每個服務(wù)供應(yīng)商的責(zé)任是交換數(shù)據(jù)和協(xié)調(diào)其他服務(wù)供應(yīng)商。FAA管理通過信息交換與ATM系統(tǒng)協(xié)調(diào)所需的數(shù)據(jù)，并存儲諸如飛行計(jì)劃等信息，這一過程稱為全系統(tǒng)信息管理(System Wide Information Management， SWIM)。同時(shí)，F(xiàn)AA通過運(yùn)行飛行情報(bào)管理系統(tǒng)，在USS、ATM和國家空間系統(tǒng)(National Airspace System, NAS)之間進(jìn)行協(xié)調(diào)。通過這種方式，F(xiàn)AA可維持空域和交通運(yùn)行的監(jiān)管、運(yùn)營權(quán)限, 具有給空域用戶的提供按需訪問的權(quán)限，并可以通過UTM來維持空中態(tài)勢感知。空中交通管制員不需要管制空域中的每個無人機(jī)，而只需使用UTM來發(fā)布指令，約束和配置空域。

圖4 UTM框架[5-6]Fig.4 UTM framework[5-6]

2.3.2 中國無人機(jī)運(yùn)行管理框架

在2019年，中國也提出了自己的無人機(jī)交通管理系統(tǒng)框架UOM[20]，如圖5所示。

參考《低空飛行服務(wù)保障體系建設(shè)總體方案》[21]，B類飛行服務(wù)站應(yīng)當(dāng)具備飛行計(jì)劃處理、航空情報(bào)服務(wù)、航空氣象服務(wù)、告警和協(xié)助救援服務(wù)等功能，向服務(wù)范圍內(nèi)的通用航空飛行活動提供服務(wù)，定期向區(qū)域信息處理系統(tǒng)提供飛行計(jì)劃及實(shí)施情況相關(guān)信息。A類飛行服務(wù)站還應(yīng)當(dāng)具備監(jiān)視和飛行中服務(wù)等功能。目前審批通過的無人機(jī)云系統(tǒng)僅提供B類飛行服務(wù)站部分功能，但未具備飛行服務(wù)站的區(qū)域?qū)傩?。進(jìn)一步，無人機(jī)云系統(tǒng)將升級為無人機(jī)交通服務(wù)系統(tǒng)，提供空中交通服務(wù)等功能，即A類飛行服務(wù)站，并具有區(qū)域?qū)傩浴Ｖ袊鵁o人機(jī)交通管理系統(tǒng)包括如圖6[20]所示的功能單元組成[20]，下面介紹下它們各自的功能。

圖5 中國無人機(jī)運(yùn)行管理(UOM)示意圖Fig.5 Sketch map of UOM in China

圖6 無人機(jī)交通管理系統(tǒng)框架[20]Fig.6 Framework of UAV traffic management system[20]

1) 無人機(jī)系統(tǒng)。主要包括無人機(jī)、遙控器，還包括企業(yè)服務(wù)器和PC機(jī)(地面站)，可通過實(shí)時(shí)連接蜂窩網(wǎng)絡(luò)用于自動化物流、巡檢等。

2) 通信網(wǎng)絡(luò)。包括移動4G/5G通信、衛(wèi)星通信、民航專網(wǎng)通信等(根據(jù)圖1介紹)，用于完成無人機(jī)系統(tǒng)與無人機(jī)交通服務(wù)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信。

3) 無人機(jī)交通服務(wù)系統(tǒng)(無人機(jī)云系統(tǒng)升級)。充當(dāng)整個空中交通管理系統(tǒng)的大腦的角色，主要負(fù)責(zé)決策及風(fēng)險(xiǎn)評估。

4) 無人機(jī)云交換系統(tǒng)。負(fù)責(zé)無人機(jī)信息管理，其中包括信息的收集、儲存、轉(zhuǎn)發(fā)與同步等。

5) 無人機(jī)實(shí)名登記系統(tǒng)。負(fù)責(zé)對無人機(jī)系統(tǒng)、運(yùn)營人、駕駛員等進(jìn)行信息登記。

6) 國家無人機(jī)綜合監(jiān)管平臺。重點(diǎn)負(fù)責(zé)無人機(jī)的飛行監(jiān)視、交通管制、信息服務(wù)、飛行計(jì)劃等。

無人機(jī)云交換系統(tǒng)、無人機(jī)實(shí)名登記系統(tǒng)均屬于UOM平臺的子系統(tǒng)，這些功能和模塊均統(tǒng)一由政府部門提供。UOM將具有以下特點(diǎn)：

1) 與針對消費(fèi)級無人機(jī)的監(jiān)管系統(tǒng)完成融合，并與行業(yè)應(yīng)用所需空中交通管理完成系統(tǒng)融合，消費(fèi)級無人機(jī)可直接由國家無人機(jī)綜合監(jiān)管平臺提供服務(wù)。由于一般消費(fèi)級無人機(jī)屬于開放類輕小型及以下的無人機(jī)，所以只需在報(bào)告空域(適飛空域)飛行即可。

2) 行業(yè)應(yīng)用無人機(jī)空域通過無人機(jī)云系統(tǒng)提供服務(wù)，并由無人機(jī)云系統(tǒng)上報(bào)無人機(jī)狀態(tài)信息，完成信息收集。無人機(jī)云系統(tǒng)之間通過無人機(jī)云交換系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同，這一方案解決了現(xiàn)階段無人機(jī)云系統(tǒng)之間的信息分享與同步問題。

3) 未來將無人機(jī)云系統(tǒng)升級為無人機(jī)交通服務(wù)系統(tǒng)，無人機(jī)交通服務(wù)系統(tǒng)之間可通過區(qū)域間信息共享以及無人機(jī)云交換系統(tǒng)的輔助協(xié)同，并與有人機(jī)空中交通管理系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同，最終達(dá)到實(shí)現(xiàn)低空無人機(jī)空中交通管理的目的[20]。

2.4 低空無人機(jī)交通管理過程

在整個交通管理過程涉及到無人機(jī)空中交通管理系統(tǒng)中不同的角色。因?yàn)槟壳皻W洲和美國僅僅公開了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，而具體處理流程沒有公開。因此，這里采用中國民航局UOM框架，參考中國民航局《無人機(jī)云系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口規(guī)范》(MH/T 2009-2017)和《無人機(jī)云系統(tǒng)數(shù)據(jù)規(guī)范》進(jìn)行說明。無人機(jī)飛行過程一般按照如圖7所示的流程[20]。

圖7 無人機(jī)交通服務(wù)流程示意圖[20]Fig.7 Flowchart of UAV traffic service[20]

從時(shí)間上來看，無人機(jī)飛行流程正常情況下可以按飛行流程逐一發(fā)生，如圖7所示。

1) 無人機(jī)運(yùn)營人在無人機(jī)交通服務(wù)系統(tǒng)中完成注冊并申請相關(guān)服務(wù)。

2) 無人機(jī)飛行前需要向無人機(jī)交通服務(wù)系統(tǒng)遞交飛行計(jì)劃(包含飛行任務(wù))，如作業(yè)目的，具體機(jī)型、臨時(shí)航線及基于航路網(wǎng)的固定任務(wù)等。無人機(jī)飛行服務(wù)系統(tǒng)在接收到飛行計(jì)劃(任務(wù))后，會根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對飛行計(jì)劃進(jìn)行初步審核，并評估將對空中交通容量產(chǎn)生的影響。無人機(jī)運(yùn)營人將飛行計(jì)劃申報(bào)給無人機(jī)交通服務(wù)系統(tǒng)后，系統(tǒng)可以通過自動判斷計(jì)劃沖突情況的方式進(jìn)行自動審核。如果自動審核失敗，計(jì)劃將進(jìn)入人工審核環(huán)節(jié)。飛行計(jì)劃預(yù)審核通過以后，還需要通過上報(bào)給無人機(jī)云交換系統(tǒng)，交由國家管理部門再次審核。

3) 基于航路網(wǎng)的飛行計(jì)劃生成。在無人機(jī)起飛之前，需要向無人機(jī)交通服務(wù)系統(tǒng)發(fā)送放飛申請，并提交飛行目標(biāo)點(diǎn)，如從A點(diǎn)飛到B點(diǎn)。無人機(jī)交通服務(wù)系統(tǒng)將根據(jù)當(dāng)前航路網(wǎng)容量運(yùn)行情況，為無人機(jī)自動規(guī)劃一條航線，航線可以由首尾相接的直線路線組成(其中也包括飛每條直線路線的速度等飛行參數(shù))。該條航線會作為飛行計(jì)劃，上報(bào)給無人機(jī)空中管理系統(tǒng)，無人機(jī)空中管理系統(tǒng)根據(jù)目前空中交通狀況以及已經(jīng)安排的飛行計(jì)劃，推演并計(jì)算該無人機(jī)最終的飛行計(jì)劃(其中包括起飛時(shí)間、航線以及飛行速度安排等)，并將授權(quán)結(jié)果發(fā)送給無人機(jī)。

4) 無人機(jī)得到最終放飛申請授權(quán)結(jié)果后，需在指定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行無人機(jī)預(yù)位，并按規(guī)定起飛時(shí)間起飛。其中起飛授權(quán)預(yù)留人工介入窗口，無人機(jī)在起飛前還需要經(jīng)過人工起飛授權(quán)確認(rèn)，否則不能起飛。

5) 在正常情況下，無人機(jī)在飛行過程中周期上報(bào)飛行數(shù)據(jù)，并會按飛行計(jì)劃進(jìn)行飛行，直到最后飛行任務(wù)結(jié)束。由于在實(shí)際飛行過程中，有很多不確定因素，如：某些有人機(jī)要穿過無人機(jī)交通網(wǎng)導(dǎo)致某些航路不可用、某些無人機(jī)因逆風(fēng)導(dǎo)致飛行速度變慢、某些無人機(jī)未能按時(shí)起飛等。這就需要無人機(jī)空中管理系統(tǒng)完成流量控制、碰撞避免等操作，并接收告警與通知消息。

3 低空無人機(jī)交通管理的關(guān)鍵技術(shù)

相比民航飛行器的交通管理技術(shù)，低空無人機(jī)交通關(guān)鍵技術(shù)亟待突破。本節(jié)將介紹關(guān)鍵技術(shù)及研究現(xiàn)狀。

3.1 低空空域管理的關(guān)鍵技術(shù)

3.1.1 空域定義

1) 空域空間?？沼蛞话惚欢x為地球表面以上的可供飛行器飛行的空氣空間，即可航空間。空間層次關(guān)系如圖8所示?，F(xiàn)在已經(jīng)使用的空域只是可航空間的一部分。因此，目前人們所提到的空域，更具體地說應(yīng)該是為飛行器提供飛行服務(wù)的空間。由此空域具有：自然屬性、社會屬性和技術(shù)屬性?？沼虻募夹g(shù)屬性是由CNS等技術(shù)形成的信息場，并由此構(gòu)建空中交通管理能力。

圖8 空間關(guān)系Fig.8 Space relationship

美國FAA的CFR PART 107規(guī)范定義了輕小無人機(jī)系統(tǒng)的飛行規(guī)則，即UTM使用的空域是地面以上400英尺(約合122 m)以下的超低空空域的非管制空域(G類空域,如圖9[6]所示)。進(jìn)一步，美國亞馬遜公司[22]提議將距離地面400～500英尺(約合122～152 m)的區(qū)域列為隔離區(qū)，以便在無人機(jī)和有人機(jī)之間設(shè)立一個緩沖區(qū)，如圖10[22]所示。

圖9 無人機(jī)空域劃分圖[6]Fig.9 UAV airspaces division[6]

圖10 無人機(jī)緩沖區(qū)[22]Fig.10 UAV no fly zone[22]

民航飛行器的飛行高度必須保持在500英尺以上，而低于400英尺的區(qū)域則劃分為兩部分。配有避障技術(shù)，而且能夠與交通管理系統(tǒng)建立可靠連接的無人機(jī)，可以在200～400英尺的“高速區(qū)”飛行，其他無人機(jī)(包括一些消費(fèi)級無人機(jī)，以及用于調(diào)查或航拍的無人機(jī))只能在200英尺以下的“低速區(qū)”飛行。

如圖11所示，本文建議以無人機(jī)類型、作業(yè)任務(wù)和場景來劃分飛行高度層：① 超低空航路空域，90～120 m高度層用于輕小型及以下無人機(jī)物流配送，設(shè)計(jì)最后一公里航路網(wǎng)，主要是多旋翼無人機(jī)作業(yè)，而60～90 m高度層用于保護(hù)。當(dāng)然特殊場景可依據(jù)作業(yè)任務(wù)、所需通信性能和定位能力，可以設(shè)計(jì)40～50 m高度層用于地面巡檢，如交通車輛巡檢、警用治安巡檢等，60～80 m高度層用于房屋、基站、橋梁巡檢等。② 近低空航路網(wǎng)空域，150～270 m，設(shè)計(jì)末端航路網(wǎng)，供混合翼無人機(jī)等高速前飛的無人機(jī)使用。進(jìn)一步可分為兩層，用于物流配送和載人運(yùn)輸。③ 低空航路網(wǎng)空域，300～1 000 m，暫不做建議。

以上分層建議的+0 m基準(zhǔn)高度是一個區(qū)域參考點(diǎn)的修正海拔高度，所有的高度測量均為相對于基準(zhǔn)高度。如果是山地丘陵區(qū)域或者密集城區(qū)高樓建筑較多，應(yīng)該按照地形修正基準(zhǔn)高度，如圖9中美國G類空域，采用相對高度測量。相對基準(zhǔn)高度+300 m以上區(qū)域，建議采用絕對高度測量。

圖11 低空航路網(wǎng)分層示意圖Fig.11 Sketch of low-altitude route network layers

2) 無人機(jī)圍欄。無人機(jī)通常在低空空域飛行，需要與低空的復(fù)雜環(huán)境、地面的人財(cái)物直接接觸。目前裝有自動駕駛儀的無人機(jī)仍需要在人的指揮控制下進(jìn)行作業(yè)。無人機(jī)圍欄是一種監(jiān)管無人機(jī)飛行的有效工具，其原理是在相應(yīng)電子地理范圍中劃出特定區(qū)域，阻止該區(qū)域的無人機(jī)飛入或飛出，并配合CNS系統(tǒng)保障區(qū)域內(nèi)安全，其示意圖如圖12所示。無人機(jī)圍欄許可類型可以分為禁止飛入與禁止飛出[23-26]。

如果無人機(jī)沒有獲得飛入地理圍欄的許可，無人機(jī)就將該地理圍欄標(biāo)記為禁止飛入地理圍欄。如果無人機(jī)獲得了某個地理圍欄的許可，無人機(jī)就將該地理圍欄標(biāo)記為禁止飛出地理圍欄。禁止飛出可以分為單機(jī)禁止飛出和多機(jī)禁止飛出。單機(jī)禁止飛出地理圍欄僅僅對一架無人機(jī)開放，該機(jī)始終保持在該地理圍欄內(nèi)飛行。除了該機(jī)，其他無人機(jī)均將該地理圍欄視為禁止飛入地理圍欄。

如圖12所示，無人機(jī)圍欄模型采用4維空間結(jié)構(gòu)，經(jīng)度、緯度、高度和有效時(shí)間。由此可以通過設(shè)定臨時(shí)無人機(jī)圍欄的方式，禁止無人機(jī)飛入或者飛出某個空域。無人機(jī)圍欄是空間的虛擬表示，又稱為無人機(jī)電子圍欄。

圖12 無人機(jī)圍欄示意圖Fig.12 Sketch of UAV fence

3.1.2 空域表示和組織

空域組織的目的是如何結(jié)構(gòu)化空域以最大限度地提高通行能力。空域組織的基礎(chǔ)是空域的表示模型。

1) 空域表示：網(wǎng)格化

目前通用的構(gòu)建空域環(huán)境研究采用網(wǎng)格法(Grid)建立低空無人機(jī)低空飛行空域環(huán)境。低空空域在地理空間上被分為多個三維網(wǎng)格，其目的是利用網(wǎng)格塊的中心點(diǎn)作為空域的采樣點(diǎn)，進(jìn)行計(jì)算、模擬、測量和分析，并利用網(wǎng)格塊進(jìn)行顏色編碼可視化，使整個城市空域能夠在離散方式下進(jìn)行系統(tǒng)地管理。盡管所有的網(wǎng)格塊都假定具有相同的大小，但單個網(wǎng)格塊在緯度、經(jīng)度和高度上的尺寸不一定相同。它們可以根據(jù)不同的分析模型、需求、容量、約束等進(jìn)行變化。典型的網(wǎng)格化空域表示例子就是目前中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航網(wǎng)格碼，其在航空領(lǐng)域的重要性不言而喻?？沼蛲ㄟ^網(wǎng)格化表示，即空域把三維地理信息映射到網(wǎng)格中，可以為不同的行業(yè)應(yīng)用提供不同的精度范圍，由此避免國家資源的信息泄露[27-28]。

2) 空域組織：航路網(wǎng)

基于網(wǎng)格化的表示，可以對空域進(jìn)一步進(jìn)行結(jié)構(gòu)化。首先將空域環(huán)境劃分為網(wǎng)格塊，然后根據(jù)網(wǎng)格內(nèi)包含的：航點(diǎn)(通信點(diǎn)、機(jī)場、臨時(shí)降落區(qū)、降落等待區(qū)等)、限制區(qū)、惡劣氣候多發(fā)區(qū)、機(jī)場凈空保護(hù)區(qū)和通信、導(dǎo)航和監(jiān)視能力，將網(wǎng)格分為障礙網(wǎng)格和自由網(wǎng)格。自此，空域環(huán)境由自由網(wǎng)格和障礙網(wǎng)格構(gòu)成，并形成一個連通圖。這樣，航路規(guī)劃問題就轉(zhuǎn)化成對自由網(wǎng)格的規(guī)劃問題，即在該連通圖上尋找從起始網(wǎng)格到終點(diǎn)網(wǎng)格的規(guī)避障礙物的最優(yōu)路徑。

這樣一來，空域的結(jié)構(gòu)類似于城市的道路網(wǎng)絡(luò)。無人機(jī)只能進(jìn)入以下3個區(qū)域：與道路起類似作用的航路、由至少兩條直線航路形成的交叉口以及節(jié)點(diǎn)[29]，其中空中航路是指根據(jù)地面導(dǎo)航設(shè)施建立的供無人機(jī)作航線飛行之用的具有一定寬度的空域。該空域以連接各導(dǎo)航設(shè)施的直線為中心線，規(guī)定有上限和下限高度和寬度。這里的節(jié)點(diǎn)可以是機(jī)場或者一片自由飛行空域。借鑒民航空域設(shè)置，無人機(jī)航空空域也可被劃分為若干扇區(qū)[29]，因此每個扇區(qū)都包含其航路、交叉口和節(jié)點(diǎn)。相鄰扇區(qū)可以通過進(jìn)近入口(Gate)相互連接，進(jìn)近入口是扇區(qū)邊界的交叉口，但它們是屬于兩個扇區(qū)的特殊區(qū)域。不允許任何航路穿過兩個扇區(qū)之間的邊界，除非它被分成兩個航路，并且在邊界處有一個進(jìn)近入口連接航路[29]。

文獻(xiàn)[30]按照無人機(jī)低空航路的定位和服務(wù)，建議劃分為4級：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。

航線連接與優(yōu)化初步設(shè)計(jì)的無人機(jī)航路網(wǎng)局限于僅考慮兩兩無人機(jī)機(jī)場組合情形，但這未考慮交叉節(jié)點(diǎn)對航路的影響，存在飛行安全隱患，無法滿足實(shí)際飛行要求。因此，應(yīng)采用合適的優(yōu)化算法對其進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。如合并臨近無人機(jī)機(jī)場，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。因此，需要航路規(guī)劃，其重要步驟包括[1-2]：航路搜索和航路簡化和優(yōu)化。針對無人機(jī)，低空航路網(wǎng)設(shè)計(jì)還有許多潛力可挖。文獻(xiàn)[31]介紹了無人交通網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的新概念。第一，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動的空中交通建模與分析方法，確定適合嵌入網(wǎng)絡(luò)的可行的低層城市空域區(qū)域。第二，利用改進(jìn)的K中心方法，通過考慮城市地區(qū)預(yù)期的典型無人機(jī)操作的地理覆蓋范圍，確定候選網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)位置。第三，K-最近鄰和圖論概念被用來定義一個無人交通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)試圖在不影響現(xiàn)有有人空中交通運(yùn)行的情況下，最大限度地?cái)U(kuò)大覆蓋范圍。

3.1.3 空域容量

1) 基本概念

空域容量是用來量化空域及空中交通服務(wù)的效能，被認(rèn)為是表示空管可擴(kuò)展性約束的適當(dāng)指標(biāo)[32]。低空無人機(jī)航路網(wǎng)運(yùn)行容量是指在航路入口點(diǎn)所允許的最大無人機(jī)放行率。很多因素可能影響航路網(wǎng)運(yùn)行容量：① 航路的可用高度層、高度層的垂直間隔；② 航路上飛行器的縱向間隔；③ CNS設(shè)備的覆蓋情況；④ 航路交叉點(diǎn)的數(shù)量和位置。考慮到近地飛行，空中容量還需要考慮無人機(jī)發(fā)出的噪聲對人的影響。

由于無人機(jī)采用自動化運(yùn)行，因此相比目前的民航飛行，可以將空管管制人員的壓力因素去除。另外，并非所有無人機(jī)墜毀的都是災(zāi)難性的，大多數(shù)情況下僅會導(dǎo)致財(cái)產(chǎn)損失，而不是人員傷亡。因此，低空空域容量評估提出了新的改進(jìn)機(jī)會[33]。在新的特點(diǎn)下，評估的難點(diǎn)主要在于需要考慮空域運(yùn)行的動態(tài)性、空域結(jié)構(gòu)復(fù)雜性以及無人機(jī)在空域的分布不均及飛行規(guī)則各異等特點(diǎn)。

2) 容量設(shè)計(jì)

在研究空域容量時(shí)，基本上有兩個重要方面：交通密度和交通復(fù)雜度[34-35]。關(guān)鍵問題是，或多或少的結(jié)構(gòu)優(yōu)化是否有利于空域的容量。4種空域結(jié)構(gòu)概念如圖13[36]所示。通過在極端流量密度下，通過批量模擬進(jìn)行測試，同時(shí)對4種空域結(jié)構(gòu)進(jìn)行沖突率、多米諾骨牌效應(yīng)、入侵和效率的測量[37]。結(jié)果表明，所謂的“層概念”在防止全球沖突率高、對飛行效率影響最小方面最為成功[38]。文獻(xiàn)[36]通過仿真表明了某些速度一致性對降低相對速度以及沖突率的產(chǎn)生有很大影響。地理矢量是為給定區(qū)域指定的三維速度矢量范圍?？梢詤^(qū)分2種類型的地理矢量：靜態(tài)地理矢量可作為航路網(wǎng)數(shù)據(jù)庫的一部分，而動態(tài)地理矢量將通過網(wǎng)絡(luò)或廣播系統(tǒng)作為實(shí)時(shí)情報(bào)服務(wù)提供給無人機(jī)管理系統(tǒng)以及無人機(jī)系統(tǒng)。

除了設(shè)計(jì)空域結(jié)構(gòu)，還可以通過設(shè)計(jì)分離間隔機(jī)制來增加空域容量。① 先進(jìn)的CNS技術(shù)可使無人機(jī)以最小的分離間隔運(yùn)行，依據(jù)所需CNS性能和飛行計(jì)劃，也可以提供整網(wǎng)最優(yōu)和安全的分離間隔。② 側(cè)重于使用新的CNS技術(shù)，通過精確定義的4D飛行軌跡減少分離要求。

3) 容量評估

參考民航交通管理中的容量估計(jì)方法[39-41]，人們針對無人機(jī)的空域容量估計(jì)提出了多種方案，其中以基于數(shù)學(xué)計(jì)算模型的方法居多。文獻(xiàn)[42]首先提出采用基于閾值的數(shù)學(xué)定義來估計(jì)未來的通行能力。之后，文獻(xiàn)[33]提出了一種更先進(jìn)的基于吞吐量的低空空域容量估計(jì)方法，以適應(yīng)未來低空空域的空中交通需求。針對存在城市建筑物的更普遍情況，文獻(xiàn)[43]提出禁止飛入和禁止飛出兩類地理圍欄方案用于分析空域容量。針對無人機(jī)空域容量確定的理論方法，文獻(xiàn)[44]中提出一種確定無人機(jī)的空域容量的解析方法。

圖13 4種空域結(jié)構(gòu)概念[36]Fig.13 Four airspace concepts of increasing structures[36]

3.1.4 存在的挑戰(zhàn)

針對低空空域如何進(jìn)行具體劃分，本文給出了一些建議，但這目前依然是個開放性問題。低空航路網(wǎng)的劃分也十分有挑戰(zhàn)性。針對城市空域，文獻(xiàn)[45]提出用地形圖和骨架圖來解釋城市空域潛在的幾何和拓?fù)涮卣?。為了無人機(jī)安全飛行，CNS的性能以及低空復(fù)雜環(huán)境會限制低空空域使用[46-47]，比如：空間三維網(wǎng)格可能只被通信、導(dǎo)航和監(jiān)控設(shè)備之一覆蓋或者部分覆蓋。為此，文獻(xiàn)[46]開發(fā)CNS的仿真工具來分析空間和操作越來越密集的空域情況。文獻(xiàn)[47]分析了可控和非可控空域?qū)NS的要求。另一方面，無人機(jī)墜毀的并非都是災(zāi)難性的，這種風(fēng)險(xiǎn)跟空域?qū)?yīng)的地面人流密度和覆蓋物等相關(guān)(具體請見3.3節(jié))，其中地面人流密度又與時(shí)間相關(guān)[48]。因此，低空無人機(jī)航路網(wǎng)設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮以上因素，這也是因低空無人機(jī)交通帶來的新問題也是新機(jī)會。進(jìn)一步，基于設(shè)置的空域和航路網(wǎng)，容量設(shè)計(jì)和評估的難點(diǎn)主要在于空域運(yùn)行的動態(tài)性、空域結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、無人機(jī)在空域的分布不均及飛行規(guī)則各異[37]。

3.2 低空飛行管理的關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 飛行管理概述

參考2.2.3節(jié)的設(shè)計(jì)描述，無人機(jī)飛行管理主要包括如下內(nèi)容，如圖14所示。

1) 在基于空域管理和航路網(wǎng)規(guī)劃時(shí)設(shè)定安全邊界和間隔

可以認(rèn)為在飛行區(qū)域和飛行航路上進(jìn)行事先的限制。這個手段在3.1節(jié)簡單介紹過。這里還包括動態(tài)設(shè)置禁飛區(qū)隔離空域中的無人機(jī)等。

2) 評估和審批飛行計(jì)劃，調(diào)整起飛授權(quán)放飛時(shí)間和降落授權(quán)

在計(jì)劃申報(bào)階段，通過與飛行計(jì)劃申報(bào)相結(jié)合，預(yù)估未來較長一段時(shí)間內(nèi)的空域容量，對飛行計(jì)劃進(jìn)行審批和授權(quán)，即飛行計(jì)劃容量控制。另外，在起飛階段(考慮機(jī)場與航路)，通過計(jì)算當(dāng)前運(yùn)行容量，對放飛申請進(jìn)行授權(quán)，即起飛授權(quán)容量控制。飛行計(jì)劃包括無人機(jī)的飛行航線，可以是人為設(shè)定的，也可以是起飛前航線進(jìn)行自動規(guī)劃。除此之外，還包括在降落階段(考慮機(jī)場容量)，對降落申請進(jìn)行授權(quán)。

3) 流量管理

動態(tài)航線規(guī)劃和飛行速度控制，使空中無人機(jī)之間保持一定的安全間隔

在運(yùn)行階段，結(jié)合多種異常情況，包括交通管制、異常天氣、障礙物等產(chǎn)生的實(shí)時(shí)沖突，或者根據(jù)航路和機(jī)場的運(yùn)行容量，進(jìn)而觸發(fā)流量管理。這個時(shí)候沖突預(yù)計(jì)發(fā)生的時(shí)間較長(比如分鐘級別)，通過動態(tài)航線規(guī)劃和飛行速度控制修正來消除沖突。

4) 碰撞避讓控制

調(diào)整飛行速度和飛行方向進(jìn)行障礙(危險(xiǎn)物)避讓

這個時(shí)候沖突預(yù)計(jì)發(fā)生的時(shí)間較短(比如秒級別)，碰撞即將發(fā)生。這時(shí)對于無人機(jī)可以采用邊緣計(jì)算技術(shù)，地面管控系統(tǒng)對無人機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)避障控制，也可以通過機(jī)載V2V系統(tǒng)廣播碰撞信息，無人機(jī)進(jìn)行自主避障控制。

圖14 空中交通控制流程框圖Fig.14 Flowchart of air traffic control

3.2.2 關(guān)鍵技術(shù)介紹

飛行管理中的細(xì)節(jié)和技術(shù)很多，這里我們僅對其中的關(guān)鍵問題和技術(shù)進(jìn)行概述。

1) 容量管理

首先關(guān)注民航飛行器的容量管理。一個抽象的空域容量管理問題如圖15所示[49]，空中交通管制員試圖管理一個空域內(nèi)的民航飛行器操作量，使該空域內(nèi)的交通量小于航空交通管制(Air Traffic Control, ATC)所能支持的最大實(shí)際容量。

圖15 ATC目前管理空域容量的方法[49]Fig.15 ATC’s current method of managing airspace capacity[49]

目前，管制員通過增加空域的容量(例如通過調(diào)整飛行程序或分配給空域的管制員數(shù)量)，或者通過交通管理和臨時(shí)禁飛區(qū)來限制進(jìn)入空域的交通量等舉措，來達(dá)到容量平衡。這種容量控制的方法直接，但過于簡單。這是因?yàn)?，?shí)際空中飛行器在整個航路網(wǎng)上并不是均勻分布的。也就是說，可能有些區(qū)域飛行很擁擠[50]，而其他地方卻很稀疏。

在容量控制方面，可以采用地面等待策略，將放飛時(shí)間作為控制量來調(diào)節(jié)容量。該方法的目的是將成本相對較高的空中等待轉(zhuǎn)化為地面等待，從而使延誤成本最小、安全性最高。這種等待策略在民航飛行器已經(jīng)被廣泛使用[51]。文獻(xiàn)[52]采用最小成本流算法和動態(tài)規(guī)劃算法，解決了多個飛機(jī)隨機(jī)抵達(dá)單一擁擠機(jī)場的問題。針對靜態(tài)多機(jī)場地面等待問題，文獻(xiàn)[53]研究了其通用整數(shù)規(guī)劃模型，以便所有航班延誤成本總和最小化。進(jìn)一步針對動態(tài)多機(jī)場地面等待問題，可參考文獻(xiàn)[54]。

針對無人機(jī)空中交通，可以將操作員的工作負(fù)荷這個因素去掉，僅考慮空域結(jié)構(gòu)上的約束。借鑒民航的地面等待策略，需要計(jì)算無人機(jī)的放飛時(shí)間，包括地面起飛的無人機(jī)以及空中飛行的在進(jìn)近入口(Gate)等待跨區(qū)域的無人機(jī)。

2) 航線規(guī)劃管理

自1987年Odoni首次對空中交通流量管理問題做出系統(tǒng)性描述[55]后，流量管理理論研究受到了廣泛關(guān)注。

改航策略，是指受到諸如天氣、禁飛區(qū)等實(shí)際因素影響而重新分配航線的方法。該方法的優(yōu)勢是以少量的空中飛行時(shí)間來換取大量的地面等待時(shí)間，從而產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益。針對改航策略，文獻(xiàn)[56]為空中交通流量管理問題提出了一個整數(shù)規(guī)劃模型，其完整表述了每個飛行階段(起飛、巡航和著陸階段)。文獻(xiàn)[57]以最小化延遲成本為目標(biāo)，解決了在面對動態(tài)變化的天氣時(shí)如何重新規(guī)劃飛機(jī)路線的問題。

民航飛行器的空域比較開闊，飛機(jī)之間的間距比較大，因此航班時(shí)刻優(yōu)化比較重要。而無人機(jī)的空域相對比較狹窄，而無人機(jī)飛行又比較密集，航路網(wǎng)上的路線選擇比較靈活。因此，相比于民航飛行器，無人機(jī)的航線規(guī)劃比較重要。另外，民航飛行器的機(jī)場容量或剩余燃料的余量都較為充足，而無人機(jī)機(jī)場有的建設(shè)在城市樓頂，可能只能容納有限的無人機(jī)，還應(yīng)考慮到達(dá)時(shí)間的規(guī)劃問題。

無人機(jī)航線規(guī)劃是指依據(jù)任務(wù)要求和周圍環(huán)境信息等因素，規(guī)劃出一條從起點(diǎn)到終點(diǎn)的最優(yōu)無碰撞路線。這里分為起飛前航線規(guī)劃和起飛后動態(tài)航線規(guī)劃(例如某無人機(jī)在起飛后被通知事先規(guī)劃的航線經(jīng)過了臨時(shí)禁飛區(qū)，這時(shí)需要調(diào)整之前的規(guī)劃的航線，即動態(tài)航線規(guī)劃)。與起飛前航線規(guī)劃不同的是，動態(tài)航線規(guī)劃顯得更加緊迫而且必須有解，因?yàn)闊o人機(jī)已經(jīng)處于空中。目前，主要應(yīng)用的算法有動態(tài)規(guī)劃法、A*搜索算法、遺傳算法、蟻群算法和基于粒子群優(yōu)化的航跡規(guī)劃算法等。這些方法大致可分為兩類：基于圖的搜索方法和基于最優(yōu)控制的方法。圖的搜索方法往往面臨維數(shù)災(zāi)問題，而基于最優(yōu)控制的方法通常依賴數(shù)值解法，面臨極小點(diǎn)問題[58-59]。

文獻(xiàn)[58]提出了一種局部路徑規(guī)劃算法，使無人機(jī)能夠在滿足實(shí)時(shí)流量和地理圍欄約束的情況下執(zhí)行特定的飛行任務(wù)。該規(guī)劃算法將快速探索隨機(jī)樹法與形式化驗(yàn)證的算法相結(jié)合，以保證交通清晰明了，以及能檢測地理圍欄沖突。文獻(xiàn)[59]基于假設(shè)無人機(jī)之間通過機(jī)間通信協(xié)議進(jìn)行通信，并相互共享位置和速度信息，描述了一種基于樹的航跡規(guī)劃算法。該算法考慮了UTM體積邊界和其他在共享空域內(nèi)飛行的無人機(jī)。飛行計(jì)劃階段的能量消耗估算是保證安全的關(guān)鍵，文獻(xiàn)[60]提出了一種基于能量的無人機(jī)交通規(guī)劃方式。文獻(xiàn)[61]對系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間和狀態(tài)離散化，并利用最優(yōu)控制的思想提出了一種在合理時(shí)間內(nèi)規(guī)劃高維空間最優(yōu)軌跡的方法。文獻(xiàn)[62]針對微小型無人機(jī)提出了一種基于搜索的運(yùn)動規(guī)劃方法，來解決具有模型不確定性和視場約束的規(guī)劃問題。該方法將運(yùn)動不確定性建模為軟約束，并通過人工勢場法來規(guī)劃盡可能安全的軌跡。文獻(xiàn)[63]基于上文的離散化方法和人工勢函數(shù)進(jìn)一步提出了一種基于搜索的運(yùn)動規(guī)劃方法。該方法是通過基于最大熵的逆向強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法，從真實(shí)數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)空中交通控制規(guī)則作為規(guī)劃的代價(jià)函數(shù)。

針對民航飛行器和無人機(jī)混合空域控制和資源分布管理規(guī)劃很少有研究關(guān)注。為此，文獻(xiàn)[64]提出了一種整數(shù)規(guī)劃方法的分布式實(shí)現(xiàn)，用于解決無人機(jī)存在下的大規(guī)?？罩薪煌髁抗芾韱栴}。關(guān)于算法、數(shù)學(xué)證明和實(shí)驗(yàn)的全面討論可見文獻(xiàn)[65]。

3) 碰撞避讓

碰撞避讓技術(shù)[66-68]，涉及無人機(jī)與無人機(jī)相撞和無人機(jī)與有人機(jī)相撞，其中，無人機(jī)與有人機(jī)之間相撞會造成更為嚴(yán)重的后果。空中避讓技術(shù)，如交通警報(bào)和避碰系統(tǒng)(Traffic Collision Avoidance System, TCAS)已被民用航空業(yè)成功采用?；诿裼煤娇盏臋C(jī)載沖突避免系統(tǒng)也一樣適用于低空無人機(jī)機(jī)載沖突避免系統(tǒng)。然而，為了避免對民用飛行器造成干擾，無人機(jī)的沖突避免系統(tǒng)所依賴的通信手段建議重新設(shè)計(jì)或直接采用主動探測技術(shù)等。

在避讓技術(shù)上，近距離的空中避讓算法大體可分為4類[68-69]：基于軌跡投影(Trajectory-Projection Based)方法、基于在線查表(Online Table Based)方法、基于力場(Force Field Based)方法和最優(yōu)軌跡方法。

① 基于軌跡投影方法

基于軌跡投影的方法需要估計(jì)入侵者的當(dāng)前狀態(tài)(如位置和速度)及預(yù)測入侵者的軌跡。如果無人機(jī)的位置進(jìn)入了這個危險(xiǎn)區(qū)域，則立即會產(chǎn)生一個新的航向角指令使無人機(jī)離開危險(xiǎn)區(qū)域，離開危險(xiǎn)區(qū)域后再使無人機(jī)沿著原來的航向飛行回到原來的軌跡。該方法簡單直接，易于實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[70]采用幾何約束和運(yùn)動學(xué)方程相結(jié)合的方法，解決了多旋翼無人機(jī)的避撞問題?；谲壽E投影方法比較適合基于機(jī)載視覺傳感器的控制避讓策略。因?yàn)橐曈X傳感器往往只能得到需要避讓物的方位而不能測量相對位置，所以通過改變飛行航向角是比較直接的控制方式[67]。

② 基于查表方法

基于查表的方法是使用預(yù)先定義的表，這些表通常是由經(jīng)驗(yàn)生成的，并且放棄了軌跡預(yù)測功能。一旦收到入侵者的狀態(tài)(位置和速度)，這種方法將搜索其在線表格，并確定最佳機(jī)動方式。文獻(xiàn)[71]提出了一種魯棒高效的解決算法，基于分解一個大型多智能體馬爾可夫決策過程，并融合其解，為每架無人機(jī)生成建議。

③ 基于力場方法

基于力場的方法通常使用吸引力(保持在原始路徑上或跟隨原始目的地)和排斥力(避免潛在沖突)來生成控制命令，以便進(jìn)行下一步操作。不同作用力的權(quán)重在線調(diào)整，以平衡不同作用力之間的權(quán)衡。典型的方法有勢場法和速度障礙法。文獻(xiàn)[72]提出了一種使用自主無人機(jī)的通用且分布式的空中交通控制方案用于密集交通情況，并采用30架自主無人機(jī)在室外協(xié)同飛行中進(jìn)行驗(yàn)證。在傳感器噪聲、通信延遲、通信范圍有限、傳感器更新率有限和動力受限的現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，文獻(xiàn)[73]研究了二維和三維開闊空間(Open Space)中密集多旋翼無人機(jī)交通仿真場景。

④ 最優(yōu)軌跡方法

基于路徑規(guī)劃的方法與前面的航線規(guī)劃類似。在確保無人機(jī)不與障礙物發(fā)生碰撞的同時(shí)，還能使無人機(jī)盡可能地沿著預(yù)先擬定的航跡飛向目標(biāo)航點(diǎn)。文獻(xiàn)[74]依靠預(yù)測控制算法來計(jì)算最優(yōu)航路點(diǎn)，能在到達(dá)目標(biāo)的同時(shí)避開途中檢測到的靜態(tài)障礙物。文獻(xiàn)[75]設(shè)計(jì)并分析了一種具有避障能力的制導(dǎo)方法，來幫助無人機(jī)快速到達(dá)目的地，同時(shí)避免與其他飛行器發(fā)生碰撞。該方法將碰撞避免問題表示為一個馬爾科夫決策過程，并使用蒙特卡羅樹搜索法求解?；诳沼?yàn)橐粋€個網(wǎng)格單元組成，文獻(xiàn)[76]利用圖論計(jì)算軌道和估計(jì)碰撞，并使用優(yōu)先級來解決沖突。文獻(xiàn)[77-78]描述了僅使用線性約束的近似動力學(xué)，應(yīng)用混合整數(shù)線性規(guī)劃方法來創(chuàng)建沒有碰撞的飛行路徑。文獻(xiàn)[79]提出了一種無人機(jī)實(shí)時(shí)路徑規(guī)劃算法，以避免與其他飛行器發(fā)生碰撞?？蛇_(dá)集用于表示障礙飛行器可能的軌跡集合，并用于無人機(jī)路徑規(guī)劃中的碰撞預(yù)測。文獻(xiàn)[80]研究了幾種假設(shè)在共享空域內(nèi)飛行的飛行器之間發(fā)生沖突的解決問題。為了避免不同飛行器之間可能發(fā)生的沖突，飛行器不能在給定的安全距離之內(nèi)彼此靠近。對于這種多機(jī)系統(tǒng)，考慮了給定航路點(diǎn)之間的路徑規(guī)劃問題，避免了所有可能的沖突。文獻(xiàn)[81]提出一種半定規(guī)劃的方法來進(jìn)行沖突解除問題。每架飛行器提出其預(yù)期航向，進(jìn)而通過半定規(guī)劃方法集中解算，解決飛行器之間產(chǎn)生的任何沖突，同時(shí)最小化每架飛行器的預(yù)期航向和無沖突航向之間的偏差。為解決局部沖突而修改飛行軌跡可能會導(dǎo)致多米諾骨牌效應(yīng)，即解決沖突可能會導(dǎo)致新的沖突，而新的沖突的解決又會導(dǎo)致更多的沖突等[82]。在文獻(xiàn)[83]中，開發(fā)了滿足(全局)可證明安全條件的交叉航路沖突解決程序。其主要思想是：在路徑交叉之前將路徑分割為多條路徑；使用相同長度的路徑；在路徑交叉之后將路徑合并為原始路徑。將每個(交叉)路徑分割成多個路徑會增加每個分割路徑上飛行器之間的間距。增加的間距允許路徑之間無沖突的交叉。在交叉點(diǎn)之后，路徑被合并回原始路線，這意味著不會在沖突解決過程所需的區(qū)域之外生成新的沖突。

3.2.3 存在的挑戰(zhàn)

低空無人機(jī)的空域規(guī)劃和飛行管理與高空類似，大大受到地面因素的影響，如：地面人口的流動性、地面建筑物的建設(shè)與規(guī)劃、地面活動等。如果完全參考傳統(tǒng)民航技術(shù)，勢必對地面交通以及建設(shè)規(guī)劃產(chǎn)生影響，這反過來又會導(dǎo)致公眾對低空無人機(jī)的接受程度大大降低，抵制情緒增加，從而約束了無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展。由此以上的技術(shù)有些來源于傳統(tǒng)民航，有些技術(shù)是新增的，如：動態(tài)電子圍欄[84]等?，F(xiàn)有民航技術(shù)的演進(jìn)也已把時(shí)間因素作為重要研究課題[85]，但是高空的交通管理遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有低空復(fù)雜，并且低空管理面臨環(huán)境變化更頻繁，考慮因素更多。文獻(xiàn)[86]通過有效的空域分割和無人機(jī)性能建模對裝備低劣和裝備精良的無人機(jī)平等開放空域。高密度無人機(jī)交通要求高吞吐量而不造成擁堵。為此，文獻(xiàn)[87]提出了一種名叫“電梯”空域結(jié)構(gòu)最小化上升/下降所需的空間。這些勢必造成管理的難度。低空空域管理和規(guī)劃的周期可能會減少到天，甚至到小時(shí)等；低空空域管理與流量管理更難區(qū)分，融合度大大增加。臨時(shí)設(shè)置禁飛區(qū)會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)動態(tài)變化頻率比較大，是否可以通過動態(tài)航路網(wǎng)設(shè)計(jì)來考慮中央商務(wù)區(qū)(CBD)區(qū)域的空域管理。同時(shí)在保證安全前提下，如何進(jìn)行控制且使效益最大化是目前低空無人機(jī)交通面臨的新挑戰(zhàn)。這需要對網(wǎng)絡(luò)變化進(jìn)行預(yù)估，在此基礎(chǔ)上針對動態(tài)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行航線規(guī)劃。目前大多數(shù)低空無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間有限，這增加了在對網(wǎng)絡(luò)變化進(jìn)行預(yù)估的機(jī)場上針對動態(tài)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的航線規(guī)劃難度[88-89]。

為了應(yīng)對緊急狀況，臨時(shí)航線規(guī)劃如何進(jìn)行，比如：是否規(guī)劃新的直線航線直通無人機(jī)機(jī)場。針對碰撞避讓，需要考慮在航路上而非開闊空間進(jìn)行，也就是狹小空間(由3.1.1節(jié)可知，低空航路空間十分有限)約束下的避障問題。如何利用低空無人機(jī)的特性(如垂直起降特性)和一些保護(hù)帶等，設(shè)計(jì)更好的碰撞避讓策略甚至極端情況下的迫降策略是需要考慮的新問題[90]。實(shí)際上，以上這些問題處理不當(dāng)，很可能產(chǎn)生多米諾骨牌效應(yīng)，整個交通網(wǎng)絡(luò)會出現(xiàn)癱瘓。

3.3 低空風(fēng)險(xiǎn)管理的關(guān)鍵技術(shù)

3.3.1 運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評估的特殊性

無人機(jī)的運(yùn)行安全性問題與有人機(jī)相比存在著諸多的差異[91]。如表2所示。

表2 無人機(jī)與有人機(jī)的區(qū)別Table 2 Difference between UAV and manned aircraft

有人機(jī)考慮失效后果對自身機(jī)組人員和乘客的影響，但無人機(jī)是“人機(jī)分離”，本身沒有機(jī)組人員和乘客，主要考慮其對空中其他載人飛行器和地面人員的影響。因此，同一架無人機(jī)在人口密集區(qū)和荒野失效，其后果是完全不同的，對應(yīng)的無人機(jī)安全性指標(biāo)應(yīng)有區(qū)別。

除此之外，針對無人機(jī)尤其是輕小型及以下的無人機(jī)的安全性分析，還有如下的挑戰(zhàn)。

1) 輕小無人機(jī)載重有限，不可能準(zhǔn)備很多套冗余系統(tǒng)。

2) 輕小型多旋翼經(jīng)常在低空飛行，而低空環(huán)境更加復(fù)雜，且具有挑戰(zhàn)性。

3) 對于有人機(jī)而言，飛行員和管制員希望并且能夠盡量減少或消除與其他飛行器及地面上的人員或財(cái)產(chǎn)發(fā)生危險(xiǎn)，但是對于輕小無人機(jī)來講，需要通過自動控制來實(shí)現(xiàn)。

4) 多旋翼無人機(jī)的噪音嚴(yán)重，對于地面人員的感受舒適度會有極大的影響，同時(shí)對航路網(wǎng)的規(guī)劃、高度層的劃分存在影響。

3.3.2 等效安全性指標(biāo)

傳統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評估方法在應(yīng)用于大規(guī)模、高度自動化的無人操作時(shí)存在問題。針對以上特點(diǎn)和問題，在確定無人機(jī)安全性指標(biāo)要求時(shí)，并不是像確定有人機(jī)的安全性指標(biāo)要求那樣，僅僅只針對飛行器本身事故損失率的可接受程度提出安全性指標(biāo)；而是提出了“等效安全水平(Equivalent Level Of Safety，ELOS) ”的原則，并基于此原則來導(dǎo)出無人機(jī)的安全性指標(biāo)要求[92]。ELOS是指無人機(jī)安全性目標(biāo)應(yīng)不低于有人機(jī)的安全性水平，或與有人機(jī)的安全性水平相當(dāng)，以實(shí)現(xiàn)未來無人機(jī)能夠進(jìn)入更為廣闊的有人機(jī)空域運(yùn)行，而不會增大空域內(nèi)其它飛行器或地面人員及財(cái)產(chǎn)的安全風(fēng)險(xiǎn)。由此可見，無人機(jī)安全性指標(biāo)要求是基于公眾對其發(fā)生事故時(shí)對地面人員和他機(jī)及機(jī)上人員造成的損失的可接受程度提出的。ELOS是確定無人機(jī)安全性要求的一個基本原則。該指標(biāo)最終與無人機(jī)的適航性緊密結(jié)合起來[93-95]。在這個指標(biāo)的指導(dǎo)下，可以進(jìn)行定性的風(fēng)險(xiǎn)評估和定量的風(fēng)險(xiǎn)評估。

3.3.3 定性風(fēng)險(xiǎn)評估

針對無人機(jī)，無人系統(tǒng)聯(lián)合規(guī)則制定機(jī)構(gòu) (Joint Authorities for Rulemaking on Unmanned Systems, JARUS)發(fā)布特許運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評估 (Specific Operations Risk Assessment, SORA)指導(dǎo)材料[96]。2019年2月1日，中國民航局飛標(biāo)司、適航司和空管辦聯(lián)合下發(fā)了咨詢通告《特定類無人機(jī)試運(yùn)行管理規(guī)程》(AC-92-1)[97]。在該文件中，SORA給出了較為明確的輸入?yún)?shù)，可得到無人機(jī)在特定條件(空域、對應(yīng)的地面狀況等)下飛行的地面風(fēng)險(xiǎn)等級、空中風(fēng)險(xiǎn)等級，然后得到特定保證等級和完整級別 (Special Assurance and Integerity Level, SAIL)。對于不同的SAIL等級，民航局給出了對應(yīng)的無人機(jī)運(yùn)行安全目標(biāo)，若能提供安全目標(biāo)證明，則可允許運(yùn)行。

3.3.4 定量風(fēng)險(xiǎn)評估

SORA評估方法對運(yùn)行中的可能出現(xiàn)地面風(fēng)險(xiǎn)和空中風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估，依據(jù)質(zhì)量、動能等的范圍進(jìn)行分級。因此，還需要進(jìn)一步考慮定量評估。它可以在保持安全的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)大批量飛行計(jì)劃處理的自動化。針對這個問題，Altiscope正利用統(tǒng)計(jì)建模和相關(guān)數(shù)據(jù)來構(gòu)建一個具有多種輸出的定量模型[98]。下面將介紹一種定量化風(fēng)險(xiǎn)評估的基本思路，可以分為對地撞擊安全性水平要求及指標(biāo)以及空中相撞安全性水平要求及指標(biāo)兩部分[99-100]。

1) 對地撞擊安全性水平要求及指標(biāo)的確定

地面撞擊失效后果的嚴(yán)重程度與系統(tǒng)可靠性指標(biāo)有關(guān)。可以通過對地撞擊安全性模型來計(jì)算計(jì)算ELOS。

Pelos,ground=fGIAAexpρP(fatality|exposure)Ppen

(1)

式中：fGIA為摔落的事故率，次/h；Aexp為無人機(jī)地面撞擊導(dǎo)致致命性傷害的平均面積,m2；ρ為地面撞擊處平均人口密度,人/m2；Ppen為假設(shè)地面撞擊處有防護(hù)措施和遮擋物，碎片穿過遮擋物的擊穿概率；P(fatality|exposure)為暴露時(shí)受到嚴(yán)重傷害的概率[100]。這里的事故率可以進(jìn)一步表示為

fGIA=fSFR+fcollision+fother

(2)

式中：fSFR為由設(shè)計(jì)原因?qū)е聼o人機(jī)不能連續(xù)飛行的每飛行小時(shí)事故率；fcollision為空中兩機(jī)相撞致墜地的每飛行小時(shí)事故率；fother為由其他原因(如天氣、鳥撞以及人為差錯等) 導(dǎo)致的無人機(jī)撞地每飛行小時(shí)事故率。上述模型將無人機(jī)撞地事故的類別進(jìn)行了劃分。

若不考慮空中碰撞因素，即fcollision+fother=0。令tmtbf表示平均事故間隔時(shí)間，h，那么

(3)

進(jìn)一步

(4)

為簡化分析，模型基于完全確定假設(shè)，沒有考慮參數(shù)的變化和不確定性，對于式(1)：① 不考慮人口密度ρ的變化；② 不考慮地面遮擋物變化導(dǎo)致的Ppen變化。因此，將tmtbf作為確保目標(biāo)安全水平的可控因素，確保地面撞擊ELOS為Pelos=10-7。如表3所示，舉個例子(2010年，北京市西城區(qū)每平方千米有24 517人，而北京市延慶區(qū)每平方千米有159人)。

為了達(dá)到地面撞擊ELOS為Pelos=10-7。該例子要求西城區(qū)上空飛行的無人機(jī)平均事故間隔時(shí)間為588 h，而延慶區(qū)上空飛行的無人機(jī)要求是平均事故間隔時(shí)間為3.816 h。由此可見，對西城區(qū)上空飛行的無人機(jī)要求十分苛刻。實(shí)際中ρ和Ppen還要進(jìn)一步根據(jù)在該地區(qū)的飛行航線與時(shí)段來計(jì)算?？梢赃x擇河道或房頂來減少ρ和Ppen，從而達(dá)到較低的平均事故間隔時(shí)間。另外，P(fatality|exposure)可以根據(jù)飛行的高度、速度、重量以及材質(zhì)進(jìn)行確認(rèn)。最終得到一個比較可靠而又不保守的平均事故間隔時(shí)間。否則，這將給無人機(jī)設(shè)計(jì)廠商帶來極大的設(shè)計(jì)難度，以及成本。

表3 不同地區(qū)的平均事故間隔時(shí)間Table 3 Average accident interval time in different areas

2) 空中相撞安全性水平要求及指標(biāo)的確定

根據(jù)ELOS原則，如果類似于對地撞擊事故，空中相撞的目標(biāo)安全水平也采用死亡率來衡量，可分為兩類情況。第1種情況為無人機(jī)與有人機(jī)空中相撞導(dǎo)致有人機(jī)機(jī)上人員死亡率或相撞后墜地導(dǎo)致地面人員死亡率，第2種情況為無人機(jī)與無人機(jī)相撞后墜地導(dǎo)致地面人員死亡率。這兩種情況下會牽涉到與之相撞的有人機(jī)或無人機(jī)的不同類型問題，如被撞有人機(jī)的大小或載人的多少、被撞無人機(jī)的大小等，將會使問題變得更為復(fù)雜，因此無人機(jī)與有人機(jī)或無人機(jī)與無人機(jī)空中相撞的目標(biāo)安全水平用空中相撞事故率來表示更為可取。

在文獻(xiàn)[101]中，基于氣體模型(Gas Model)，建立了無人機(jī)與其他飛行器發(fā)生空中碰撞的可能性模型。除了該模型，還有Reich Marks模型、交叉模型和幾何沖突模型[102]。更精細(xì)的模型當(dāng)屬于概率模型，可以用于離線或在線碰撞概率評估，但需要無人機(jī)的隨機(jī)運(yùn)行模型等[103-104]。最直接采用蒙特卡羅方法迭代解微分方程，但是蒙特卡羅方法往往需要消耗大量時(shí)間才能得到較為準(zhǔn)確的值，不利于多旋翼的實(shí)時(shí)安全性能評估。因此，需要一種快速準(zhǔn)確的解析碰撞概率評估算法。文獻(xiàn)[105]提出一種基于條件概率的碰撞概率評估方法。將整條路徑分割成若干離散路徑點(diǎn)，利用截?cái)嗾龖B(tài)分布求解之前路徑點(diǎn)均未碰撞的條件下當(dāng)前路徑點(diǎn)不發(fā)生碰撞的概率，將一系列條件概率相乘以評估整條路徑的碰撞概率。然而，這種方法主要適用于二維平面上的碰撞，而不太適合三維空間內(nèi)的碰撞。文獻(xiàn)[106]中將障礙物建模為凸多邊形，計(jì)算多旋翼到凸多邊形的邊界距離這一隨機(jī)變量，并以距離的分布來估計(jì)碰撞概率。這種方法對障礙物形狀要求太苛刻，而且在障礙物為多個的情況下，其近似方法會帶來很大的誤差。文獻(xiàn)[107-109]中引入多項(xiàng)式混沌以估計(jì)碰撞概率。其思想是用多項(xiàng)式混沌展開近似表示隨機(jī)微分方程的解，然后進(jìn)行蒙特卡羅仿真計(jì)算碰撞概率。然而，這種方法似乎更適用于建模為隨機(jī)變量的噪聲而非建模為隨機(jī)過程的噪聲。文獻(xiàn)[110]中提出了一種估計(jì)碰撞概率的簡單方法，假設(shè)待評估物體和障礙物的相對運(yùn)動情況不發(fā)生變化，可以通過一個簡單的二重積分計(jì)算碰撞概率，而且可以化成一重積分。但是這種方法一般適合短期評估，而不適合長期預(yù)估。

因?yàn)閷?shí)際過程中發(fā)生沖突后，無人機(jī)的空中避讓設(shè)計(jì)會使無人機(jī)進(jìn)行避障，因此，還要計(jì)算P(collision|CT)，其中CT表示沖突航線的次數(shù)。無人機(jī)每飛行小時(shí)空中碰撞頻率可表示為

fcollision=fCT×P(collision|CT)

(5)

式中：fCT為沖突的頻率，次/時(shí)。僅由碰撞導(dǎo)致的災(zāi)害性事故的空中相撞安全性模型為

Pelos,air=E(fatality|collision)fcollision

(6)

式中：E(fatality|collision)為由碰撞(沒有落地)帶來的嚴(yán)重受傷人數(shù)期望，主要是無人機(jī)與有人機(jī)相撞。

為滿足較小的Pelos,air，需要從空域使用(空中交通控制)和無人機(jī)設(shè)計(jì)兩方面來考慮，其中空中交通控制可以減少fCT，無人機(jī)防相撞設(shè)計(jì)可以減少P(collision|CT)，航路的設(shè)計(jì)可以減少E(fatality|collision)。通過限制無人機(jī)飛行空域，保證無人機(jī)與有人機(jī)碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。考慮減輕碰撞的危害量級，那么防止空中相撞的“感知-規(guī)避”能力設(shè)計(jì)是其主要考慮因素。最后，對于計(jì)算fcollision的方法可以細(xì)化，而非采取粗略的公式。

3) 航路網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評估

給定一架無人機(jī)，它墜落到地面對人的傷害以及空中碰撞對人的傷害綜合可以得到

Pelos=Pelos,ground+Pelos,air=

fGIAAexpρP(fatality|exposure)Ppen+

E(fatality|collision)fcollision=

(fSFR+fcollision+fother)Aexpρ·

P(fatality|exposure)Ppen+

E(fatality|collision)fcollision

(7)

考慮隔離空域的低空交通網(wǎng)，它遠(yuǎn)離機(jī)場及其航線，那么該區(qū)域的無人機(jī)跟空中有人機(jī)相撞而導(dǎo)致嚴(yán)重受傷的概率基本可以忽略。該空域網(wǎng)容量為N架類型相同的無人機(jī)，那么

Pelos=N[(fSFR+fcollision+fother)Aexpρ·

P(fatality|exposure)Ppen]

(8)

設(shè)計(jì)的航路網(wǎng)實(shí)際是整個空域的一小部分空域。這一部分空域一般遠(yuǎn)離人群或網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)的地面有較多的覆蓋物。這樣一來，對于設(shè)計(jì)的航路網(wǎng)，式(8)的Ppenρ會變得很小，進(jìn)而有利于降低運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。另外一方面，飛行限制在航路網(wǎng)上勢必增加了碰撞概率。然而，這一部分可以通過空中交通管理來盡可能降低碰撞。總體而言，通過設(shè)計(jì)航路網(wǎng)和空中交通管理可以大大降低運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。以上方法偏離線評估，但也可以根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)向后估計(jì)，擴(kuò)展為在線評估。除以上的方法外，文獻(xiàn)[111]提出了利用貝葉斯信賴網(wǎng)絡(luò)(Bayesian Belief Networks)對整個無人機(jī)交通進(jìn)行在線風(fēng)險(xiǎn)評估。

3.3.5 存在的挑戰(zhàn)

針對低空無人機(jī)交通，風(fēng)險(xiǎn)評估的挑戰(zhàn)在于盡可能準(zhǔn)確且及時(shí)地反映當(dāng)前的風(fēng)險(xiǎn)。這一點(diǎn)對目前無人機(jī)來說非常重要，它直接決定了空域的使用，進(jìn)一步?jīng)Q定了無人機(jī)在相同空域下的密度等。在解算等效安全性指標(biāo)時(shí)，我們用了飛行器事故率fSFR。實(shí)際中，飛行器事故率不是恒定的值，而是隨著個體情況而改變的，可以由健康評估等手段進(jìn)行評估[112-114]，但準(zhǔn)確估計(jì)具有挑戰(zhàn)。另外一方面，碰撞頻率fcollision與空中交通控制和航路網(wǎng)設(shè)計(jì)相關(guān)[37]。因低空無人機(jī)交通具有其特殊性(見2.1節(jié))，這給準(zhǔn)確估計(jì)帶來新問題和新挑戰(zhàn)。

4 低空無人機(jī)交通管理的相關(guān)科學(xué)問題

交通本身就是一個很大的學(xué)科。與大部分交通不同的是，低空無人機(jī)交通具有無人(大部分上可以認(rèn)為無人駕駛)、三維空間運(yùn)行，以及集中式和分布式控制并行等特性，相關(guān)的問題數(shù)不勝數(shù)?？傮w來分，可以分為：風(fēng)險(xiǎn)等總體指標(biāo)如何分解？相關(guān)分解指標(biāo)如何設(shè)計(jì)？進(jìn)一步，如何進(jìn)行評估？以及如何進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化？下面從宏觀角度闡述相關(guān)7個科學(xué)問題(不僅限于這7個)。

1) 等效安全水平風(fēng)險(xiǎn)與各個分系統(tǒng)性能及人為差錯之間的關(guān)系是什么?

給定等效安全水平(比如為10-7/飛行小時(shí))，如何將該指標(biāo)合理分配到空域和航路網(wǎng)設(shè)計(jì)、導(dǎo)航系統(tǒng)要求、通信系統(tǒng)要求、監(jiān)視系統(tǒng)要求、交通規(guī)則和控制設(shè)計(jì)、機(jī)場設(shè)計(jì)、無人機(jī)設(shè)計(jì)以及管理人員要求等等。雖然無人機(jī)交通管理盡可能自動化，但一些重要的頂層決策仍然需要人來最終決策。這需要低空空域無人機(jī)空中交通管制員、維護(hù)人員和地面駕駛員等具備基本的能力要求，從而降低風(fēng)險(xiǎn)[115]。這些因素是閉環(huán)動態(tài)耦合在一起的，需要建立模型描述他們之間的關(guān)系。一般很難用故障樹簡單建立這些模塊和系統(tǒng)的關(guān)系(無人機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)分解可以參考文獻(xiàn)[91])。如何合理且準(zhǔn)確地將要求的等效風(fēng)險(xiǎn)分配到無人機(jī)空中交通的各個方面?需要考慮到每個部分目前的技術(shù)水平和改進(jìn)的經(jīng)濟(jì)性，因此還需要將安全性指標(biāo)轉(zhuǎn)換為合理可行的性能指標(biāo)，指導(dǎo)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2) 風(fēng)險(xiǎn)、空域容量、飛行經(jīng)濟(jì)性、噪聲污染、天氣情況與無人機(jī)航路網(wǎng)之間的關(guān)系是什么?

首先，航路網(wǎng)遵循何種原則進(jìn)行設(shè)計(jì)?文獻(xiàn)[36]按運(yùn)行容量最優(yōu)給出了“層設(shè)計(jì)”的原則。除了容量，無人機(jī)航路網(wǎng)設(shè)計(jì)還需要考慮到航路網(wǎng)下方地面端的風(fēng)險(xiǎn)，交叉路口的數(shù)目與分布，以及機(jī)場到機(jī)場之間的航路距離，以及效率和噪聲污染等。建立風(fēng)險(xiǎn)、空域容量、飛行經(jīng)濟(jì)性、噪聲污染與無人機(jī)航路網(wǎng)之間的關(guān)系模型，有利于根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)和所需空域容量，優(yōu)化無人機(jī)航路網(wǎng)。具體到一條航路，同一段航路是否可以有更加靈活的設(shè)計(jì)，盡可能充分利用三維空間。如雙機(jī)道、平鋪的四機(jī)道以及上下四機(jī)道等(如圖16所示)，或者增加應(yīng)急機(jī)道。有文獻(xiàn)借鑒地面交通環(huán)島的思路設(shè)計(jì)航路[116]，也有將航路的多條航道取消的設(shè)計(jì)思路[117]。除了航路，還需要重點(diǎn)考慮機(jī)場節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，如何設(shè)計(jì)機(jī)場進(jìn)出入口滿足多機(jī)多方向起和降落，以及進(jìn)一步考慮機(jī)場的降落盤旋區(qū)和緩沖區(qū)等。

3) 如何設(shè)計(jì)CNS系統(tǒng)能可靠地達(dá)到給定風(fēng)險(xiǎn)要求?

先以導(dǎo)航為例，無人機(jī)可以依靠GPS(或差分GPS)、移動蜂窩基站、無線信標(biāo)或者基于視覺的低空高精度數(shù)字地形圖等進(jìn)行低空導(dǎo)航[118]。當(dāng)某一導(dǎo)航系統(tǒng)出現(xiàn)故障，通過其他導(dǎo)航方式進(jìn)行融合，提高導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性。監(jiān)視系統(tǒng)和通信系統(tǒng)也可以作為輔助的導(dǎo)航系統(tǒng)，為無人機(jī)提供必要的導(dǎo)航信息。另外，監(jiān)視系統(tǒng)和通信系統(tǒng)還可以通過上傳信息，使得無人機(jī)能夠知道周圍無人機(jī)的信息。同樣，導(dǎo)航系統(tǒng)和通信系統(tǒng)配合，也可以方便監(jiān)視。因此，導(dǎo)航系統(tǒng)和監(jiān)視系統(tǒng)可以通過通信系統(tǒng)互補(bǔ)。具體到通信系統(tǒng)，首先需要考慮如何解決全空域通信組網(wǎng)問題。針對全空域通信覆蓋，目前還缺乏一種有效的解決全空域通信組網(wǎng)方案，無論是基于地基的移動通信系統(tǒng)還是基于星基的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。目前，在低空300 m以下空域可以基于移動運(yùn)營商地面通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行拓展，但是未來如何拓展到1 000～3 000 m空域，是值得探討的問題。另外，需要對數(shù)據(jù)通信鏈路的可靠性、時(shí)延和速率等要求根據(jù)不同作業(yè)場景進(jìn)行規(guī)定。最后，CNS系統(tǒng)的性能指標(biāo)與無人機(jī)的控制性能息息相關(guān)[119-121]。有時(shí)候整個空域分別被CNS系統(tǒng)全部覆蓋，會使得成本極高。因此，如何搭配分配各系統(tǒng)的覆蓋范圍以及性能，又能達(dá)到給定的風(fēng)險(xiǎn)要求是件十分有意義的工作。

圖16 航道設(shè)計(jì)Fig.16 Design of airways

4) 給定航路網(wǎng)和飛行任務(wù)，交通控制方式與給定碰撞風(fēng)險(xiǎn)之間有何種關(guān)系?

文獻(xiàn)[38]分析了沖突與交通密度之間的關(guān)系。進(jìn)一步，交通密度又與航路網(wǎng)、飛行任務(wù)以及交通控制方式相關(guān)。對于給定航路網(wǎng)和飛行任務(wù)，交通控制方式包括安全間隔、放飛時(shí)間、航線規(guī)劃方式和速度調(diào)節(jié)方式等等。安全間隔與無人機(jī)機(jī)動特性以及通信、導(dǎo)航和監(jiān)視系統(tǒng)的性能息息相關(guān)。放飛時(shí)間與航線規(guī)劃又相關(guān)。進(jìn)一步，航線規(guī)劃是直接按每段航線的距離進(jìn)行規(guī)劃，還是考慮擁堵按每段航線估計(jì)通行時(shí)間規(guī)劃?這也是需要解決的問題。更進(jìn)一步，每條航路上采取何種通行模式：航路中的無人機(jī)以平均速度飛行，不允許超越模型，還是允許超越模型[1]? 近距離的避讓方式也各種各樣，更存在碰撞風(fēng)險(xiǎn)。整個無人機(jī)飛行分離策略分成不同階段，因此碰撞風(fēng)險(xiǎn)由不同階段按條件概率相加而成。因?yàn)榻煌刂品绞綍?dǎo)致整個空中交通動態(tài)變化，因此需要建立交通控制方式與碰撞風(fēng)險(xiǎn)關(guān)系具有挑戰(zhàn)性。

5) 不確定性因素(網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化或者無人機(jī)速度發(fā)生改變)、航路網(wǎng)結(jié)構(gòu)、交通控制方式三者需要滿足何種規(guī)律能保證交通網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行穩(wěn)定?

在實(shí)際過程中，因?yàn)樘鞖鈁122]或者有人機(jī)穿過航路網(wǎng)而設(shè)置臨時(shí)的禁飛區(qū)。因?yàn)榻w區(qū)的設(shè)立，航路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)因此會發(fā)生改變。在這種情況下，即將經(jīng)過禁飛區(qū)的無人機(jī)需要改變航路[98]。另外，因?yàn)榫植繀^(qū)域風(fēng)的影響會導(dǎo)致該區(qū)域的無人機(jī)速度發(fā)生改變，進(jìn)而引起較大規(guī)模的沖突的可能。在這種情況下，無人機(jī)需要改變速度或者改變航線。因此，需要找到不確定(網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化或者無人機(jī)速度發(fā)生改變)、航路網(wǎng)、交通控制方式三者之間能夠穩(wěn)定管理運(yùn)行的規(guī)律。進(jìn)一步，若能夠像控制系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度或者魯棒性[123]一樣刻畫航路網(wǎng)和采取交通控制方式能夠容忍的不確定，那么就能界定不確定，并進(jìn)一步設(shè)計(jì)和優(yōu)化航路網(wǎng)，以及改進(jìn)交通控制。

6) 如何進(jìn)行可行且準(zhǔn)確的離線和在線的風(fēng)險(xiǎn)評估?

風(fēng)險(xiǎn)評估的精度越高，那么越利于指導(dǎo)實(shí)踐。然而，從以上的問題可以看出，模型之間相互呈現(xiàn)動態(tài)耦合的關(guān)系。這就需要采用更加合理的方法對此類模型進(jìn)行分析和評估。另外，白天和夜間人流密度會發(fā)生變化，交通也會因需求而發(fā)生變化，因此風(fēng)險(xiǎn)模型還呈現(xiàn)時(shí)變的特性。離線風(fēng)險(xiǎn)評估是指利用歷史數(shù)據(jù)，來估算給定航路網(wǎng)及交通需求的靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，具有一定保守性，但是便于決策者(如法律法規(guī)制定者)決策或者保險(xiǎn)公司進(jìn)行保險(xiǎn)條款的制定[124]。而在線風(fēng)險(xiǎn)評估更加即時(shí)，可以利用無人機(jī)當(dāng)前健康數(shù)據(jù)，以及即時(shí)的人流密度和交通情況，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測，比較準(zhǔn)確。這方便與即時(shí)的交通控制決策。

7) 無人機(jī)空中交通系統(tǒng)遵循何種標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)?

針對無人機(jī)系統(tǒng)，特別是目前的低空輕小型及以下無人機(jī)，沒有太多現(xiàn)成的設(shè)計(jì)和開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)可以遵循。目前世界各個無人機(jī)相關(guān)協(xié)會正積極推進(jìn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定[125]。相比無人機(jī)系統(tǒng)，無人機(jī)空中交通管理系統(tǒng)是一個更大的系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)如何制定?以UTM的核心模塊USS為例，目前沒有相應(yīng)軟件開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)。是否以航空領(lǐng)域的DO-178C作為標(biāo)準(zhǔn)，那么是否會阻礙USS在初期階段的發(fā)展[126]。進(jìn)一步，誰來對其進(jìn)行審核，第三方機(jī)構(gòu)還是政府機(jī)構(gòu)?這一系列問題意味著巨大的挑戰(zhàn)和機(jī)會。

5 結(jié) 論

民用無人機(jī)特別是以多旋翼飛行器為典型代表的無人機(jī)發(fā)展迅猛。為了保證安全，民用無人機(jī)與民航飛行器一樣，飛行過程必須接受全程管理。無人機(jī)空中交通管理系統(tǒng)目的是保持無人機(jī)與空中其他飛行器(如：無人機(jī)、有人機(jī)、氣球等)的安全間隔，并提供一個高效和有序的交通流量控制方法。目前，無人機(jī)空管系統(tǒng)的研發(fā)在各國均正處于起步階段。無人機(jī)交通管理技術(shù)的研發(fā)與落地，不僅能夠滿足不斷增長的無人機(jī)行業(yè)應(yīng)用需求，亦可作為有人飛行器自動化演進(jìn)的重要技術(shù)途徑，實(shí)現(xiàn)航空業(yè)的快速發(fā)展，成為世界各國進(jìn)入航空強(qiáng)國的重要途徑。

無人機(jī)交通網(wǎng)與傳統(tǒng)民航網(wǎng)、公路網(wǎng)、鐵路網(wǎng)等之間存在一定差異，具有一定的特殊性。因此，沒有現(xiàn)成的交通控制管理方式能夠直接沿用。目前美國NASA主導(dǎo)提出UTM，不依賴于國家政府部門集中控制，而是采用分布式授權(quán)給私人無人機(jī)服務(wù)供應(yīng)商的原則。這樣既保證空域安全，又能利用私人無人機(jī)服務(wù)供應(yīng)商技術(shù)迭代靈活的優(yōu)點(diǎn)降低了政府運(yùn)營成本，同時(shí)為無人機(jī)服務(wù)提供商釋放了市場。該框架被目前被廣泛接受。

無人機(jī)交通管理功能主要包括空域管理、飛行管理和風(fēng)險(xiǎn)管理。針對這些管理，低空無人機(jī)交通需要攻克多個關(guān)鍵技術(shù)。① 需要結(jié)構(gòu)化空域以最大限度地提高通行能力，結(jié)構(gòu)化包括空域網(wǎng)格化，以及航路網(wǎng)生成；進(jìn)一步，還需要進(jìn)行容量的準(zhǔn)確評估。② 需要設(shè)計(jì)針對無人機(jī)特點(diǎn)的交通管理方法，包括容量控制、航線規(guī)劃以及空中避讓技術(shù)等，避免因?yàn)椴淮_定而導(dǎo)致的航路網(wǎng)交通不穩(wěn)定的現(xiàn)象。③ 需要針對無人機(jī)交通，利用大數(shù)據(jù)和各種合理的模型，設(shè)計(jì)準(zhǔn)確可行的風(fēng)險(xiǎn)評估方法。除此之外，需要開發(fā)可靠的CNS系統(tǒng)，并確定匹配安全飛行的性能指標(biāo)。另外，還需要考慮無人機(jī)的研發(fā)[127-128]和通信安全問題[129]等。

以上的關(guān)鍵技術(shù)是相互耦合的。① 風(fēng)險(xiǎn)、空域容量、飛行經(jīng)濟(jì)性與無人機(jī)航路網(wǎng)之間存在緊密關(guān)系。② 通信、導(dǎo)航和監(jiān)視系統(tǒng)的性能指標(biāo)與風(fēng)險(xiǎn)息息相關(guān)。③ 給定航路網(wǎng)和飛行任務(wù)，交通控制方式?jīng)Q定著碰撞風(fēng)險(xiǎn)。④ 在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化或者無人機(jī)速度發(fā)生改變等情況下，某種交通控制方式下的航路網(wǎng)可能不穩(wěn)定。最終，為了走向真正應(yīng)用，需要對設(shè)備和流程等進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

在技術(shù)開發(fā)的同時(shí)，低空無人機(jī)交通的發(fā)展還需要公眾接受、法律法規(guī)制定和相關(guān)人才培養(yǎng)等基礎(chǔ)條件?？梢灶A(yù)見，由于各方面的推進(jìn)節(jié)奏不一致，前進(jìn)的道路是曲折的。雖然這樣，但只有堅(jiān)定發(fā)展低空無人機(jī)交通，控制風(fēng)險(xiǎn)，民用無人機(jī)產(chǎn)業(yè)才能夠健康有序地向前發(fā)展。