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無人機(jī)整機(jī)
無人機(jī)配件
無人機(jī)服務(wù)
設(shè)備與工具
基于數(shù)字化空域系統(tǒng)的城市無人機(jī)管理對策研究
當(dāng)前，全球正在發(fā)生一場以空中無人駕駛交通為代表的運(yùn)輸模式變革。對此，美國發(fā)布《加強(qiáng)空中交通國家藍(lán)圖》報告，制定了以無人駕駛航空器為核心的先進(jìn)空中交通愿景和先進(jìn)空中交通發(fā)展戰(zhàn)略，提出了美國在該領(lǐng)域保持領(lǐng)先地位的建議，并進(jìn)行無人機(jī)空域集成技術(shù)成熟度對比分析，規(guī)劃先進(jìn)空中交通發(fā)展路線和相關(guān)項(xiàng)目。歐盟將“數(shù)字化歐洲天空”概念作為SESAR2020數(shù)字化愿景，增加了以無人駕駛航空器為代表的先進(jìn)空中交通服務(wù)研究內(nèi)容。
綜上可以看出，以“無人駕駛航空器”為代表的先進(jìn)智慧交通模式成為重要發(fā)展趨勢，歐美國家正積極布局和推進(jìn)有人和無人駕駛航空器融合運(yùn)行的新一代空管系統(tǒng)研發(fā)，并圍繞無人機(jī)空域開展政策制度審查、交通規(guī)則研究和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。
隨著通航產(chǎn)業(yè)鏈拓展和“無人機(jī)+”的新業(yè)態(tài)生成，中國經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域正開創(chuàng)一種新經(jīng)濟(jì)模式———低空經(jīng)濟(jì)模式。無人機(jī)正快速應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)作業(yè)、消費(fèi)娛樂、物流運(yùn)輸、城市管理等行業(yè)領(lǐng)域。
2022年中國無人機(jī)制造商達(dá)1200多家，登記在冊的無人機(jī)超過34萬架，中國民用無人機(jī)市場規(guī)模占世界70%以上。目前，低空飛行的航空器比例構(gòu)成發(fā)生巨大變化，無人機(jī)已多于有人機(jī)。2019年以來，商業(yè)、政府公共安全與緊急救援無人機(jī)的飛行使用量已高于有人機(jī)兩倍以上。
而與成熟的陸路、水路及民航運(yùn)輸相比，城市無人機(jī)應(yīng)用尚處在初始發(fā)展階段。城市低空空域?qū)⒊蔀閲灵_發(fā)的一類重要資源，為適應(yīng)城市先進(jìn)交通的發(fā)展，亟須構(gòu)建新型低空空域管理模式。
在數(shù)字化、信息化、智能化等為特征的再信息化過程中，電子信息技術(shù)發(fā)展的深度和應(yīng)用的廣度將幫助重塑空中交通體系，為以無人機(jī)為代表的未來低空新經(jīng)濟(jì)提供無限機(jī)遇與發(fā)展可能。
本文基于數(shù)字化低空空域系統(tǒng)，圍繞當(dāng)前城市無人機(jī)應(yīng)用管理所面臨的核心難點(diǎn)與關(guān)鍵科學(xué)問題，從政策制度、無人機(jī)運(yùn)行管控、數(shù)字低空建設(shè)等方面構(gòu)建城市無人機(jī)管理方案，可為未來先進(jìn)空中交通新模式建設(shè)提供參考。
數(shù)字化空域背景與概念
數(shù)字化空域系統(tǒng)基本內(nèi)涵
通過信息基礎(chǔ)設(shè)施支撐，構(gòu)建大規(guī)?？沼驍?shù)字計(jì)算系統(tǒng)，在信息空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)大尺度空域數(shù)字化重構(gòu)和表達(dá)，開展針對空域的映射管理和使用控制，最終達(dá)成以下目標(biāo)：
①空域的可視化分析。在可視化空域使用狀態(tài)基礎(chǔ)上建立空域系統(tǒng)圖，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)掌握全部空域?qū)嶋H使用分配與建設(shè)情況，為基于一致認(rèn)知的空域動態(tài)管理配置提供支撐；
②空域的可度量處理。通過發(fā)展空域管理時空大數(shù)據(jù)技術(shù)方法，建立全新的空域性能和狀態(tài)評估數(shù)值計(jì)算方法，測度全空域的交通性能，為開展交通流量、管制及作戰(zhàn)空域使用奠定基礎(chǔ)；
③空域的可計(jì)算決策。通過發(fā)展一套基于數(shù)字化空域的計(jì)算決策模型，為開展空域與交通流量管制的協(xié)同管理奠定基礎(chǔ)；同時為開展基于模型算法的空域結(jié)構(gòu)優(yōu)化、運(yùn)行控制提供支撐。
空域網(wǎng)格模型
當(dāng)前大規(guī)模計(jì)算系統(tǒng)提供的計(jì)算能力，具備了管理全球尺度百億級網(wǎng)格空域體的能力，為開展百萬級受控/非受控用空對象的空域優(yōu)化配置提供可能性，由此要設(shè)計(jì)面向空域管理的全球尺度網(wǎng)格空域模型。
空域網(wǎng)格劃分是要建立一種全新的空中交通管理與戰(zhàn)場空域空間的四維時空框架，如圖1所示，將物理空間通過空域規(guī)則劃分后，利用空域網(wǎng)格體及信息空間的映射矩陣空間，管理空中交通的空間幾何結(jié)構(gòu)和空域結(jié)構(gòu)；利用空域劃分建立的全球唯一位置碼，建立空中交通和戰(zhàn)場空域的時空大數(shù)據(jù)庫，管理和監(jiān)視空中安全態(tài)勢、容量態(tài)勢及空中運(yùn)動演化態(tài)勢，為空中交通管控決策提供數(shù)據(jù)計(jì)算方法等。
網(wǎng)格劃分模型基本思路是利用地理空間網(wǎng)格遞歸劃分，通過將連續(xù)空間離散為基本空域體，并針對不同劃分層級的基本空域體建立全球統(tǒng)一尺度的位置編碼，并用基本空域體編碼取代傳統(tǒng)的經(jīng)緯度位置來標(biāo)識空間方位；依據(jù)空間位置描述精度要求，選擇相應(yīng)劃分層級的基本空域體，通過組合描述方法建立任意形狀空域近似標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)；
以空域體編碼為索引，建立描述空域管理狀態(tài)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實(shí)時動態(tài)表述基本空域體承載空中交通的關(guān)聯(lián)態(tài)勢；建立空域數(shù)值計(jì)算方法來管理各類空域活動和智能調(diào)度與控制空域結(jié)構(gòu)?；诖诵枨蠛湍康?，空域網(wǎng)格劃分的基本原則包括。
（1）統(tǒng)一基準(zhǔn)，全球覆蓋。對地球表面垂直至臨近空間范圍內(nèi)的空域，建立統(tǒng)一的基本空域網(wǎng)格高度位置基準(zhǔn)；對全球尺度范圍內(nèi)空域，建立統(tǒng)一的基本空域網(wǎng)格水平位置基準(zhǔn)；采用等緯度球面退化網(wǎng)格劃分方法進(jìn)行合幅處理，解決地球南北兩極高緯度區(qū)域的網(wǎng)格變形問題。
（2）兼容并包，相互轉(zhuǎn)換。兼容地理位置網(wǎng)格碼及北斗網(wǎng)格位置碼等既有國家標(biāo)準(zhǔn)，并入或包含航空領(lǐng)域相關(guān)的地理位置編碼規(guī)范，并實(shí)現(xiàn)與相關(guān)網(wǎng)格位置碼的相互轉(zhuǎn)換。
（3）簡單實(shí)用，精準(zhǔn)高效。以地理經(jīng)緯網(wǎng)格為原型，遵循國際民航組織公約推薦航圖地理信息要求，劃分不同層級的基本空域體，并基于空域管理需求在不同層級網(wǎng)格上建立相應(yīng)的應(yīng)用規(guī)范。
無人機(jī)空域進(jìn)入面臨的挑戰(zhàn)
目前無人機(jī)空域進(jìn)入呈指數(shù)級增長態(tài)勢，已對傳統(tǒng)空管系統(tǒng)構(gòu)成了巨大挑戰(zhàn)。將無人機(jī)飛行安全納入現(xiàn)有空域系統(tǒng)的管理方法將很快達(dá)到性能極限，特別是無人機(jī)執(zhí)行復(fù)雜操作指令和目視之外飛行時，安全融入空域系統(tǒng)將變得更加艱難。
傳統(tǒng)空中交通管理手段和通航飛行規(guī)則，難以適用于城市環(huán)境下的空中交通運(yùn)行。無人機(jī)空域進(jìn)入還存在管控自動化系統(tǒng)回路不閉環(huán)、交通防撞功能不健全、安全風(fēng)險估計(jì)缺乏可靠方法等問題，真正達(dá)成先進(jìn)空中交通模式面臨著一系列挑戰(zhàn)。
政策與法規(guī)
目前美國、加拿大、歐盟18個成員國、日本及中國均頒布了無人機(jī)管理規(guī)定，但其總體脈絡(luò)仍著眼急需、突出安全與疏堵，缺乏明確涉及無人機(jī)的法律條例，亟待從未來先進(jìn)空中交通模式出發(fā)，發(fā)展以無人機(jī)交通服務(wù)為載體、監(jiān)管于無形中的政策制度架構(gòu)。
感知-避撞能力
有人機(jī)“看見即避讓”具有較大主觀成分，而無人機(jī)則需通過系列技術(shù)方法將有人機(jī)主觀的避撞轉(zhuǎn)換為對無人機(jī)飛行距離、時間和速度的調(diào)節(jié)。
交通服務(wù)能力
在無人機(jī)管控層面，需要形成“八個方面”的交通服務(wù)能力：融合運(yùn)行概念、空域規(guī)劃管理、空管系統(tǒng)整合、無人機(jī)適航、指揮與控制鏈路、感知與避撞、人—機(jī)—環(huán)因素分析、遠(yuǎn)程飛行員許可等。
而現(xiàn)有的無人駕駛航空器運(yùn)行理論多建立在隔離空域前提下，未充分考慮其與有人駕駛航空器的異構(gòu)特性帶來的不確定性問題。針對上述問題，本文將從政策制度、無人機(jī)運(yùn)行管控、數(shù)字低空建設(shè)等方面對城市無人機(jī)應(yīng)用管理方案進(jìn)行研究。
城市數(shù)字低空建設(shè)
無人機(jī)通信導(dǎo)航監(jiān)視基礎(chǔ)建設(shè)
1）基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)
城市無人機(jī)通信導(dǎo)航監(jiān)視基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)納入智慧城市設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域，并與地面自動駕駛汽車的基礎(chǔ)設(shè)施融合，在低功耗、小尺寸條件下實(shí)現(xiàn)高精度、高分辨的目標(biāo)定位；構(gòu)建以低空智聯(lián)網(wǎng)為核心的城市無人機(jī)交通設(shè)施，基于物聯(lián)網(wǎng)、5G、人工智能等技術(shù)，提供網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)行、數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能化管理服務(wù)，支撐國家和地區(qū)低空經(jīng)濟(jì)發(fā)展；工業(yè)5G標(biāo)準(zhǔn)中，應(yīng)加快推進(jìn)低空飛行綜合服務(wù)的通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定，支持通信、導(dǎo)航增強(qiáng)和監(jiān)視一體化應(yīng)用。
2）低空網(wǎng)絡(luò)覆蓋
城市低空網(wǎng)絡(luò)按照分層覆蓋，并融合衛(wèi)星通導(dǎo)，構(gòu)建空天地一體化網(wǎng)絡(luò)，支持地面汽車和無人機(jī)一體化運(yùn)行；從陸-空協(xié)同角度看，地面車、地表近空與低空各類無人機(jī)和通航有人飛機(jī)的混合運(yùn)行是一種跨域異質(zhì)交通場景，存在不同尺度的速度和運(yùn)行控制響應(yīng)時間要求。城市低空建設(shè)場景如圖2所示。
數(shù)字低空規(guī)劃與管理
城市低空空域分類是一大難題，其不同于傳統(tǒng)的低空空域分類情況。在城市環(huán)境中，障礙物及樓宇近空保護(hù)復(fù)雜，針對無人機(jī)交通，亟須構(gòu)建一類新型低空分類方案。城市低空數(shù)字化是未來發(fā)展的重要趨勢，低空資源與道路資源同屬一類交通資源，本文設(shè)想今后的城市道路、建筑物、街景、可用低空資源等應(yīng)一體化表征和數(shù)字化建模。
1）城市低空空域網(wǎng)格模型
城市低空百億級網(wǎng)格空域體管理，需要構(gòu)建全新的數(shù)據(jù)模型來描述低空空域活動，涵蓋時空框架、性能與氣象等，對建/構(gòu)筑物、障礙物、可用通信導(dǎo)航監(jiān)視資源、低空飛行狀態(tài)信息、風(fēng)與溫度信息等進(jìn)行結(jié)構(gòu)化表征與管理，因此需要發(fā)展一種基于網(wǎng)格空域體的新型地理信息系統(tǒng)，如圖3所示。
參考第1節(jié)內(nèi)容，建立網(wǎng)格坐標(biāo)系統(tǒng)，描述無人機(jī)空域活動，然后根據(jù)運(yùn)行場景建立數(shù)據(jù)分析管理數(shù)學(xué)模型，為實(shí)現(xiàn)空域使用管理的量化計(jì)算與優(yōu)化奠定基礎(chǔ)；網(wǎng)格空域體管理應(yīng)與低空智聯(lián)網(wǎng)一體設(shè)計(jì)，通過先進(jìn)無人機(jī)交通管理技術(shù)支持，實(shí)現(xiàn)城市低空“自由飛行”。
構(gòu)建城市低空空域網(wǎng)格模型，其核心是分析空中交通管理結(jié)構(gòu)、交通流量結(jié)構(gòu)、空域配置結(jié)構(gòu)及空中交通運(yùn)行數(shù)據(jù)集等時間屬性特征和空間屬性特征，包括空中交通的空間尺度、時間范圍、運(yùn)動特性及飛行沖突、空域容量、安全等級、航空效率、管制負(fù)荷、空域復(fù)雜度等，根據(jù)此情況開展空中交通管理的空域網(wǎng)格單元劃分，確定網(wǎng)格單元的空間和時間精度，分析網(wǎng)格單元對應(yīng)的索引性能、空中交通演化態(tài)勢計(jì)算等，從而實(shí)現(xiàn)把連續(xù)空中交通空域離散成為多級網(wǎng)格單元系統(tǒng)，形成統(tǒng)一的時空描述方法，即空中交通管理的四維時空框架。
2）空域分層治理建設(shè)
本文按照分類的思想，將運(yùn)輸航空、軍事航空、通用航空器的空域管理及配套體系建設(shè)分開規(guī)劃，從無人駕駛航空器的空域進(jìn)入需求看，必須統(tǒng)籌考慮，推進(jìn)以空域系統(tǒng)分層治理為核心的空管體系建設(shè)論證，可考慮在數(shù)字化網(wǎng)格空域的基礎(chǔ)上進(jìn)行空域分層治理，如圖4所示。
無人機(jī)混合運(yùn)行管控
1）構(gòu)建間隔標(biāo)準(zhǔn)
城市無人機(jī)運(yùn)行面臨建立各類間隔標(biāo)準(zhǔn)，包括無人機(jī)與樓宇障礙物、無人機(jī)與無人機(jī)、無人機(jī)與地面車輛、無人機(jī)與人群等。這些間隔標(biāo)準(zhǔn)需要通過大量試驗(yàn)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和運(yùn)行實(shí)踐才能得出量化的安全間隔，并提出一套適用于無人機(jī)的安全間隔、丟失告警及安全間隔恢復(fù)方法。
2）安全風(fēng)險監(jiān)控
在城市無人機(jī)感知-避撞技術(shù)體制中，需建立適用于城市環(huán)境的飛行規(guī)則，在規(guī)定的間隔標(biāo)準(zhǔn)下，圍繞飛行沖突開展技術(shù)架構(gòu)和決策模型算法設(shè)計(jì)，并基于行為意圖和運(yùn)行規(guī)則的空域模型，實(shí)現(xiàn)航空器實(shí)時感知低空環(huán)境信息，自主保持計(jì)劃飛行、智能探測飛行沖突和協(xié)商優(yōu)化解脫。
可根據(jù)無人機(jī)機(jī)載導(dǎo)航、通信指揮與控制鏈路、沖突探測與避讓、地形探測與避撞、氣象探測與回避等設(shè)備性能參數(shù)，構(gòu)建基于無人機(jī)水平位置和高度保持能力的偏航與碰撞風(fēng)險評估模型，并建立無人機(jī)事故/運(yùn)行案例庫，實(shí)現(xiàn)融合不同運(yùn)行場景的分級分類的安全風(fēng)險識別方法。
3）無人機(jī)交通控制回路分工與協(xié)同
明確無人機(jī)交通控制3個回路的控制分工及協(xié)同、優(yōu)先權(quán)限、各自作用等，包括：①空中自主網(wǎng)下的分布式管制；②地面集中式管制；③地面分布無人機(jī)控制站操作員、空中有人機(jī)駕駛員、地面管制中心管制員的分布協(xié)同控制，無人機(jī)交通控制回路如圖5所示。
城市無人機(jī)管理相關(guān)措施
加快城市無人機(jī)立法定規(guī)
亟須加快城市無人機(jī)專項(xiàng)立法定規(guī)，健全無人機(jī)分類標(biāo)準(zhǔn)，確認(rèn)監(jiān)管主體與責(zé)任。在法律中明確適航審查標(biāo)準(zhǔn)與程序，細(xì)化飛行計(jì)劃申請、空域使用報批的條件，簡化無人機(jī)飛行流程，構(gòu)建無人機(jī)駕駛航空器實(shí)名登記注冊管理系統(tǒng)。此外，受人們對新事物的接受程度、傳統(tǒng)思想束縛等影響，針對先進(jìn)空中交通模式，需要進(jìn)行更為廣泛的宣傳和引導(dǎo)，促使觀念革新。
城市無人機(jī)規(guī)模應(yīng)用試點(diǎn)
對無人機(jī)飛行的監(jiān)管將普及進(jìn)入社會大眾日常生活之中，其是最具創(chuàng)新活力的空管領(lǐng)域，呈現(xiàn)跳變式發(fā)展，今后隨著信息社會建設(shè)，可能會成為新型公共基礎(chǔ)設(shè)施。著眼長遠(yuǎn)發(fā)展，城市建設(shè)需預(yù)留無人機(jī)飛行空間，按照國家空域分層治理建設(shè)，啟動城市無人機(jī)運(yùn)行管理體系建設(shè)，提前布局和試點(diǎn)嘗試發(fā)展城市無人機(jī)交通應(yīng)用新業(yè)態(tài)，或許可形成助力經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的新領(lǐng)域。
打造城市無人機(jī)與有人機(jī)通航一體的低空經(jīng)濟(jì)
升級通航發(fā)展規(guī)劃，打造無人機(jī)與有人機(jī)通航一體的低空經(jīng)濟(jì)，將促進(jìn)有人機(jī)通航發(fā)展的低空空域管理改革升級為無人機(jī)與通航融入一體的新改革。實(shí)現(xiàn)對低空空域分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂，增加無人機(jī)空域種類，并針對通航發(fā)展新變化、新動向、新需求，將有人機(jī)的低空通航飛行服務(wù)體系升級轉(zhuǎn)變成為兼容無人機(jī)監(jiān)管的全新低空空域系統(tǒng)，進(jìn)行新一代城市低空空域管理與飛行服務(wù)體系建設(shè)。
結(jié)語
本文針對構(gòu)建城市無人機(jī)運(yùn)行的空域管理新模式所面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，提出以數(shù)字化空域系統(tǒng)為基礎(chǔ)的城市無人機(jī)管理對策。首先，從無人駕駛航空器與空中交通管理層面梳理中國城市無人機(jī)管理面臨的核心問題，并圍繞相關(guān)政策制度、無人機(jī)運(yùn)行管控、關(guān)鍵技術(shù)等方面建立城市數(shù)字低空空域管理體系。如今中國民航已進(jìn)入大空管時代，空管體系必須適應(yīng)并進(jìn)行更新?lián)Q代，發(fā)展以無人機(jī)交通服務(wù)為載體、監(jiān)管于無形中的政策制度架構(gòu)將成為未來先進(jìn)空中交通新模式的焦點(diǎn)。
頭圖來源網(wǎng)絡(luò)
內(nèi)容來源：《中國民航大學(xué)學(xué)報》,2023,41(03):8-12+64
作者：陳 志 杰,朱 永 文,劉 楊
版權(quán)歸原作者平臺所有，僅用于學(xué)術(shù)分享，如有侵權(quán)請聯(lián)系刪除
成都空御科技有限公司成立于2014年，是一家集研發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、銷售和技術(shù)服務(wù)于一體的國家級高新技術(shù)企業(yè)，致力于將核心技術(shù)與行業(yè)場景深度融合，提供一站式全面高效、精準(zhǔn)防護(hù)的產(chǎn)品、服務(wù)和解決方案，現(xiàn)已成長為國內(nèi)領(lǐng)先的系統(tǒng)級綜合反無解決方案提供商。
空御科技貫徹“軍工品質(zhì)、科技創(chuàng)新”的價值理念，積極主動服務(wù)國防和軍隊(duì)建設(shè)，廣泛參與校企科研項(xiàng)目合作，持續(xù)進(jìn)行研發(fā)投入，自主研發(fā)的“降鷹”反無人機(jī)系統(tǒng)已獲得50余項(xiàng)知識產(chǎn)權(quán)。公司具備完備的檢測認(rèn)證資質(zhì)，已通過高新技術(shù)企業(yè)、四川省/成都市軍民融合企業(yè)、武器裝備質(zhì)量管理體系等認(rèn)證，入圍公安部警采中心協(xié)議供貨項(xiàng)目。
多年來，空御科技始終奮戰(zhàn)在低空安防保障的第一線，不斷優(yōu)化產(chǎn)品和解決方案，憑借扎實(shí)的自主創(chuàng)新實(shí)力、貼近用戶的解決方案和專業(yè)快捷的客戶服務(wù)，贏得了市場的廣泛認(rèn)可。未來空御科技將繼續(xù)積極推動行業(yè)健康有序發(fā)展，為國家反恐、維穩(wěn)、民眾安全及軍事應(yīng)用提供有力支撐，成為國家空域安全背后的中堅(jiān)力量。
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