無人機(jī)空中交通管理體系架構(gòu)研究

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；空中交通管理；體系架構(gòu)；標(biāo)準(zhǔn)

DOI編碼：10.3969/j.issn.1674-5698.2025.01.014

0 引言

近年來，無人機(jī)應(yīng)用已由消費娛樂逐步遍布物流運輸、農(nóng)林植保、電力巡檢、國土測繪、安防、消防等各個領(lǐng)域，并開始載人運輸初步嘗試[1]。根據(jù)中國民航局發(fā)布數(shù)據(jù)顯示，截至2023年底，我國注冊無人機(jī)共126萬架。雖然無人機(jī)的生產(chǎn)及應(yīng)用已相對成熟，處于世界領(lǐng)先地位，但我國民用無人機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展并不順利，在管理上遇到了一系列問題和瓶頸，最為突出的是飛行安全和空中交通管理問題。

無人機(jī)大量無序的低空飛行會對地面設(shè)施、公共安全、空中載人飛行器等帶來巨大危害[2]。造成這種現(xiàn)狀的原因來自多個方面：（1）低空運行的無人機(jī)數(shù)量多，體積小，執(zhí)行任務(wù)復(fù)雜多樣，不好監(jiān)管；（2）現(xiàn)行民用航空是傳統(tǒng)的窄帶通信技術(shù)，無法滿足大量的無人機(jī)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、及時感知規(guī)避障礙物，導(dǎo)致空中碰撞的風(fēng)險增加[3]。

此外，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，所以針對無人機(jī)空中交通管理（UTM），需結(jié)合現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)以及信息化技術(shù)等，實現(xiàn)更加智能和自動化的交通管理。這些變化對空中交通管理（ATM）體系帶來整體性沖擊，尤其是對體系架構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)的影響巨大。因此，有必要針對無人機(jī)空中交通管理開展體系架構(gòu)研究，構(gòu)建適用于我國國情的無人機(jī)空中交通管理體系架構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)，推動我國無人機(jī)產(chǎn)業(yè)和低空經(jīng)濟(jì)發(fā)展[4]。

1 無人機(jī)空中交通體系架構(gòu)層級及管理方式

1.1 無人機(jī)空中交通管理體系架構(gòu)層級

無人機(jī)空中交通管理的最終目標(biāo)是基于不同的地理條件和不同的應(yīng)用目的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)一步拓展到載人航空器等[5]。

從國外無人機(jī)空中交通管理體系架構(gòu)來看（見表1），無人機(jī)空中交通管理體系架構(gòu)分為集中式管理和分散式管理兩種[6]。

（1）集中式管理：將全國所有的無人機(jī)交通信息集中到由民航局授權(quán)的一個交通服務(wù)商UTM系統(tǒng)中，授權(quán)唯一的交通服務(wù)商統(tǒng)籌管理所有的無人機(jī)飛行活動。UTM 架構(gòu)通常為單層級。

（2）分散式管理：將全國所有的無人機(jī)交通信息分散到多個交通服務(wù)商中，服務(wù)商建立自身的UTM系統(tǒng)，系統(tǒng)間信息共享，形成服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，為無人機(jī)運行人提供服務(wù)。UTM架構(gòu)通常為單層級、雙層級、三層級。當(dāng)UTM為單層級架構(gòu)時，所有的無人機(jī)空中交通服務(wù)均由N個市場化服務(wù)商提供服務(wù)。當(dāng)UTM為雙層級架構(gòu)時，有兩種情況。一種是根據(jù)服務(wù)范圍劃分，即由1個全國性服務(wù)商和N個區(qū)域性服務(wù)商提供服務(wù)；另外一種是根據(jù)服務(wù)類型劃分，即由1個共同信息服務(wù)商和N個市場化服務(wù)商提供服務(wù)。當(dāng)UTM為三層級架構(gòu)時，根據(jù)服務(wù)的類型差異，由1個共同信息服務(wù)商、M個國家服務(wù)商、N個市場化服務(wù)商提供服務(wù)。

1.2 無人機(jī)空中交通管理方式

針對不同的無人機(jī)空管體系架構(gòu)，空管系統(tǒng)中解決沖突的方式有中心化管理和去中心化管理兩種方式。

（1）中心化管理

將所有的交通信息集中到無人機(jī)交通服務(wù)商的UTM系統(tǒng)中，由系統(tǒng)指令每一個航空器的飛行動作，所有航空器按照指令執(zhí)行。中心化管理方式可以最大程度地避免無人機(jī)空中可能的沖突，并通過指揮中心調(diào)配好每一架無人機(jī)的飛行線路和時間，可以在大飛行量下保證空域的安全運行。但此種沖突管理方式將需要考慮無人機(jī)的反應(yīng)速度以及相應(yīng)的余度，從而增大相互間隔而導(dǎo)致空域利用效率下降[7]。

（2）去中心化管理

無人機(jī)交通服務(wù)商提供信息共享，鼓勵無人機(jī)操作員按照管理機(jī)構(gòu)設(shè)立好的規(guī)則，共享了解相互間的意圖并避免可能的沖突。去中心化管理的主要理念是根據(jù)所在區(qū)域的流量采用相應(yīng)的管控方式。無人機(jī)操作員可以通過交通服務(wù)提供商獲取空中交通相關(guān)的共享信息，并通過無人機(jī)交通服務(wù)商進(jìn)行時間以及飛行區(qū)域的相互協(xié)調(diào)，達(dá)到戰(zhàn)略上沖突解除以及基于設(shè)定好的規(guī)則戰(zhàn)術(shù)上解除沖突，以達(dá)到最大程度的空域利用。但基于自主沖突解除的管理方式將無法應(yīng)用于大飛行量空域，且需要無人機(jī)具有良好的安全意識[8]。

2 無人機(jī)空中交通管理體系架構(gòu)設(shè)計

2.1 基本原則

無人機(jī)空管體系架構(gòu)設(shè)計遵循以下基本原則：

（1）服務(wù)主導(dǎo)：基于不同交通管理服務(wù)需要，滿足不同運行或管理需求。

（2）安全聚焦：以保證飛行安全為底線，不影響現(xiàn)行有人航空的正常運行。

（3）市場開放：滿足市場多元化應(yīng)用需求，鼓勵服務(wù)商提供定制化的增值服務(wù)。

（4）標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一：統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交互規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)，提供規(guī)范化的數(shù)據(jù)服務(wù)。

（5）場景導(dǎo)向：滿足不同運行場景的需求，銜接無人機(jī)與有人機(jī)融合空域的運行。

（6）全球互聯(lián)：兼容國內(nèi)外通用的無人機(jī)管理規(guī)則，建立全球互聯(lián)的體系。

遵循上述基本原則，結(jié)合目前的無人機(jī)管理現(xiàn)狀，以構(gòu)建一個網(wǎng)絡(luò)化、可協(xié)調(diào)的、全球可互用的民用無人機(jī)空管運行管理體系為目標(biāo)，提出3種UTM架構(gòu)，即集中式UTM架構(gòu)、分散式1+N雙層級UTM架構(gòu)、分散式1+M+N三層級UTM架構(gòu)。

2.2 集中式UTM架構(gòu)

集中式UTM架構(gòu)是指由民航局授權(quán)或設(shè)立一個無人機(jī)國家服務(wù)商提供無人機(jī)空中交通服務(wù)，通過集中式無人機(jī)運行管理系統(tǒng)（CUOMS）進(jìn)行管理。CUMOS統(tǒng)一受理所有的無人機(jī)飛行計劃，調(diào)配每一架無人機(jī)的飛行線路和時間。此時的無人機(jī)國家服務(wù)商是綜合型SUSP。

ATM服務(wù)商為有人機(jī)提供空管服務(wù)的單位，與無人機(jī)國家服務(wù)商協(xié)調(diào)涉及管制空域無人機(jī)的飛行活動，必要時與無人機(jī)建立通信聯(lián)系。

CUMO S提供的服務(wù)主要包含基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理服務(wù)、空中交通管理服務(wù)。其中，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理服務(wù)針對注冊、適航、駕駛員執(zhí)照、維修等進(jìn)行的管理。空中交通管理服務(wù)則考慮了無人機(jī)空管與傳統(tǒng)有人機(jī)空管的綜合ATM體系。

在信息交互上，無人機(jī)可以直接向CUOMS傳輸數(shù)據(jù)，也可通過無人機(jī)市場化服務(wù)商、運營人等進(jìn)行中轉(zhuǎn)傳輸。軍隊、公安、公眾等用戶可以與CUOMS交互諸如：飛行動態(tài)數(shù)據(jù)、飛行計劃、適飛空域、氣象信息、飛行通知公告等。

雖然集中式UTM架構(gòu)存在無人機(jī)市場化服務(wù)商，但無人機(jī)市場化服務(wù)商是作為無人機(jī)或無人機(jī)運營人與無人機(jī)國家服務(wù)商的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)樞紐，本身不具備直接為無人機(jī)提供空管服務(wù)的能力。所有的空管信息均需要從無人機(jī)國家服務(wù)商獲取。

2.3 分散式1+N雙層級UTM架構(gòu)

分散式1+N雙層級UTM系統(tǒng)架構(gòu)存在集中制雙層架構(gòu)和競爭制雙層架構(gòu)兩種類型。

（1）集中制雙層UTM架構(gòu)

集中制雙層UTM架構(gòu)是指我國無人機(jī)由一個綜合型無人機(jī)國家服務(wù)商和若干個無人機(jī)市場化服務(wù)商共同提供無人機(jī)空中交通管理服務(wù)，形成1+N體系架構(gòu)。當(dāng)同一個空域涉及多個運行人飛行沖突時，此時只能通過國家服務(wù)商進(jìn)行集中調(diào)配。

其中，無人機(jī)國家服務(wù)商提供空域管理、流量管理、空中交通服務(wù)等基礎(chǔ)性公共交通服務(wù)，是一個綜合型SUSP；無人機(jī)市場化服務(wù)商根據(jù)地區(qū)或行業(yè)的需求提供特殊氣象信息、按需飛行情報、動態(tài)交通信息、運行風(fēng)險評估等定制交通服務(wù)。無人機(jī)市場化服務(wù)商可分為區(qū)域型無人機(jī)市場化服務(wù)商或行業(yè)型無人機(jī)市場化服務(wù)商。

無人機(jī)國家服務(wù)商與空防安全監(jiān)管方、運行安全監(jiān)管方交互業(yè)務(wù)所需的信息。其中，空防安全監(jiān)管方發(fā)布空域劃設(shè)與授權(quán)數(shù)據(jù)，運行安全監(jiān)管方提供注冊登記、航空器適航管理、空中交通管理規(guī)范等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)。

ATM服務(wù)商為有人機(jī)提供空管服務(wù)的單位，與無人機(jī)國家服務(wù)商協(xié)調(diào)涉及管制空域無人機(jī)的飛行活動，必要時與無人機(jī)建立通信聯(lián)系。

公共安全監(jiān)管方等用戶可以與無人機(jī)國家服務(wù)商進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，例如：包括飛行動態(tài)數(shù)據(jù)、飛行計劃、適飛空域、飛行通知公告等。無人機(jī)系統(tǒng)可以直接通過無人機(jī)國家服務(wù)商獲得基礎(chǔ)性空中交通服務(wù)信息，也可通過無人機(jī)市場化服務(wù)商進(jìn)行中轉(zhuǎn)獲得所需的空中交通服務(wù)信息。

（2）競爭制雙層UTM架構(gòu)

競爭制雙層UTM架構(gòu)是指我國無人機(jī)由一個基本型無人機(jī)國家服務(wù)商（稱為共同信息服務(wù)商）和若干個無人機(jī)市場化服務(wù)商共同提供無人機(jī)空中交通管理服務(wù)，形成1+N體系架構(gòu)。當(dāng)一個空域涉及多個運行人飛行沖突時，由屬地化的市場化服務(wù)商進(jìn)行調(diào)配，國家服務(wù)商僅提供基本態(tài)勢信息，不提供實時流量管理功能。

其中，共同信息服務(wù)商提供的服務(wù)包括空域授權(quán)、計劃審批、身份識別、追蹤定位、飛行計劃監(jiān)控、航空情報、告警等基本空中交通服務(wù)，是一個基本型SUSP；無人機(jī)市場化服務(wù)商為授權(quán)的區(qū)域型服務(wù)商，除了根據(jù)地區(qū)需求提供特殊氣象信息、按需飛行情報、動態(tài)交通信息、運行風(fēng)險評估等定制交通服務(wù)，還提供國家服務(wù)提供商涉及的高級空中交通服務(wù)，包括空域分類、空域規(guī)劃、空域性能評估、容流管理、感知與避讓、應(yīng)急處置等服務(wù)。

共同信息服務(wù)商與空防安全監(jiān)管方、運行安全監(jiān)管方交互業(yè)務(wù)所需的信息。其中，空防安全監(jiān)管方發(fā)布空域劃設(shè)與授權(quán)數(shù)據(jù)，運行安全監(jiān)管方提供注冊登記、航空器適航管理、空中交通管理規(guī)范等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)。

ATM服務(wù)商為有人機(jī)提供空管服務(wù)的單位，與共同信息服務(wù)商、無人機(jī)市場化服務(wù)商協(xié)調(diào)涉及管制空域無人機(jī)的飛行活動，必要時與無人機(jī)建立通信聯(lián)系。

公共安全監(jiān)管方等用戶可以與共同信息服務(wù)商進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，例如：包括飛行動態(tài)數(shù)據(jù)、飛行計劃、適飛空域、飛行通知公告等。無人機(jī)系統(tǒng)可以直接通過共同信息服務(wù)商獲得基礎(chǔ)性空中交通服務(wù)信息，也可通過無人機(jī)市場化服務(wù)商進(jìn)行中轉(zhuǎn)獲得所需的空中交通服務(wù)信息。

2.4分散式1+M+N三層級UTM架構(gòu)

分散式三層級U TM系統(tǒng)架構(gòu)是指我國無人機(jī)由一個共同信息服務(wù)商、若干個無人機(jī)國家服務(wù)商和若干個無人機(jī)市場化服務(wù)商共同提供無人機(jī)空中交通管理服務(wù)，形成1+M+N體系架構(gòu)。

其中，共同信息服務(wù)商主要提供無人機(jī)基礎(chǔ)性公共交通服務(wù)中基本信息服務(wù)，其角色定位為全國無人機(jī)公共性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集平臺，建立飛行計劃數(shù)據(jù)庫和飛行信息數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)運行信息的實時采集與可視化監(jiān)管，提供的服務(wù)包括空域授權(quán)、計劃審批、身份識別、追蹤定位、飛行計劃監(jiān)控、航空情報、告警等，其本質(zhì)是基本型SUSP；無人機(jī)國家服務(wù)商提供空域管理、流量管理、空中交通服務(wù)等基礎(chǔ)性公共交通服務(wù)的高級功能，其角色定位是為流量管理決策的中樞，提供的服務(wù)包括空域分類、空域規(guī)劃、空域性能評估、容流管理、感知與避讓、應(yīng)急處置等服務(wù)，其本質(zhì)是高級型SUSP；無人機(jī)市場化服務(wù)商提供特殊氣象信息、按需飛行情報、動態(tài)交通信息、運行風(fēng)險評估等定制交通服務(wù)。通常無人機(jī)國家服務(wù)商按照不同區(qū)域設(shè)置，即為區(qū)域型無人機(jī)國家服務(wù)商，其為區(qū)域中運行的無人機(jī)提供流量管理服務(wù)。

ATM服務(wù)商為有人機(jī)提供空管服務(wù)的單位，與無人機(jī)國家服務(wù)商或共同信息服務(wù)商協(xié)調(diào)涉及管制空域無人機(jī)的飛行活動，必要時與無人機(jī)建立通信聯(lián)系。

共同信息服務(wù)商與空防安全監(jiān)管方、運行安全監(jiān)管方交互業(yè)務(wù)所需的信息?？辗腊踩O(jiān)管方發(fā)布空域劃設(shè)與授權(quán)數(shù)據(jù)，運行安全監(jiān)管方提供注冊登記、航空器適航管理、空中交通管理規(guī)范等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)。

公共安全監(jiān)管方等用戶可以與無人機(jī)國家服務(wù)商進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，例如：包括飛行動態(tài)數(shù)據(jù)、飛行計劃、適飛空域、飛行通知公告等。無人機(jī)系統(tǒng)可以直接通過無人機(jī)國家服務(wù)商獲得基礎(chǔ)性空中交通服務(wù)信息，也可通過無人機(jī)市場化服務(wù)商進(jìn)行中轉(zhuǎn)獲得所需的空中交通服務(wù)信息。

考慮到無人機(jī)國家服務(wù)商與ATM服務(wù)商存在兩種交互的情況：（1）與通過共同信息服務(wù)商中轉(zhuǎn)交互；（2）無人機(jī)國家服務(wù)商與ATM服務(wù)商直接交互，分別設(shè)計兩種分散式三層級UTM架構(gòu)。

3 民用無人機(jī)飛行動態(tài)傳輸模式

在民用無人機(jī)飛行動態(tài)傳輸模式上，民航管理部門作為統(tǒng)一動態(tài)數(shù)據(jù)接收方，其他各管理部門之間的數(shù)據(jù)共享。并且根據(jù)參與組織實施民用無人機(jī)飛行活動的各相關(guān)方設(shè)計飛行動態(tài)傳輸?shù)亩喾N路徑，保證數(shù)據(jù)源的唯一性。

民航管理服務(wù)部門統(tǒng)一收到民用無人機(jī)飛行動態(tài)之后，轉(zhuǎn)發(fā)至其他相關(guān)部門，如：空域管理部門（軍方）、公共安全管理部門（公安機(jī)關(guān)）、農(nóng)林植保管理部門（農(nóng)業(yè)、林業(yè)部門）、應(yīng)急管理部門（應(yīng)急管理部）等。

設(shè)計4 類主要飛行動態(tài)數(shù)據(jù)傳輸路徑。（1）從無人機(jī)系統(tǒng)（機(jī)載系統(tǒng)或者地面控制站）直接發(fā)送飛行動態(tài)數(shù)據(jù)；（2）由無人機(jī)系統(tǒng)將數(shù)據(jù)發(fā)送至相應(yīng)的飛行活動運營人（類似航空公司），之后由運營人轉(zhuǎn)發(fā)至民航管理部門；（3）結(jié)合民用無人機(jī)管理存在引入市場化服務(wù)商（如：無人機(jī)云系統(tǒng)）的現(xiàn)狀提出由無人機(jī)系統(tǒng)——市場化服務(wù)商——民航管理部門的路徑；（4）針對極少數(shù)非協(xié)作式無人機(jī)，提供重點區(qū)域部署的地面探測設(shè)備報送其獲取的飛行動態(tài)途徑。需要說明的是，由于無人機(jī)市場化服務(wù)商應(yīng)當(dāng)為其覆蓋的區(qū)域內(nèi)提供包括飛行安全在內(nèi)的相關(guān)服務(wù)，其必須掌握該區(qū)域內(nèi)所有無人機(jī)的飛行動態(tài)。因此，無人機(jī)市場化服務(wù)商和民航管理服務(wù)方之間的飛行動態(tài)數(shù)據(jù)流是雙向的。

4 結(jié)論

本文總結(jié)分析了國外無人機(jī)空中交通管理方式及體系架構(gòu)層級，并結(jié)合我國無人機(jī)空中交通管理特點，歸納了無人機(jī)空中交通管理體系架構(gòu)設(shè)計的基本原則[9]，提出了集中式UTM架構(gòu)、分散式集中制雙層級架構(gòu)、分散式競爭制雙層級架構(gòu)和分散式三層級架構(gòu)，并給出民用無人機(jī)飛行動態(tài)傳輸模式和加快UTM標(biāo)準(zhǔn)建議，推動我國無人機(jī)產(chǎn)業(yè)和低空經(jīng)濟(jì)發(fā)展。