面向低空安全三維數字化空中走廊體系的飛行器交通管理平臺構建

馮登超

(北華航天工業學院 遙感-導航-地理信息集成應用技術研究室，河北 廊坊 065000)

面向低空安全三維數字化空中走廊體系的飛行器交通管理平臺構建

馮登超

(北華航天工業學院 遙感-導航-地理信息集成應用技術研究室，河北 廊坊 065000)

對低空空域的產業發展、低空飛行器的行業應用進行了闡述，對低空空域出現的潛在安全隱患進行了分析，開展了低空飛行器實時偵測和定位、實名認證準入制度、低空飛行器監測網構建研究，采用主動和被動式低空飛行器探測系統作為監測平臺的補充模塊，提出了面向低空安全三維數字化空中走廊體系的低空飛行器交通管理平臺建設方案，為低空三維數字化空中走廊體系構建提供了關鍵技術支撐，對保障低空安全產業的健康、可持續性發展具有一定的參考價值。

低空安全；空中走廊；實名認證；飛行器；交通管理

0 引言

低空空域是我國通航活動的主要區域，也是空域資源中最接近地表的區域，在其開發和利用過程中呈現出了空間資源的寶貴價值和緊迫的市場需求[1]。此外，隨著低空空域應用需求和應用領域的不斷擴大[2]，各類飛行器，特別是無人操作飛行器的快速發展及其普遍應用已呈現井噴式增長[3]。然而，由于飛行器在低空空域飛行高度較低，嚴重威脅到城市地面人群、商業活動區及復雜設施的安全[4]。在低空空域飛行期間，飛行器會帶來各種航空噪聲和天空排放污染，干擾城市地面的正常生活。低空飛行過程也會出現個人隱私侵犯[5]、涉密行為、恐怖犯罪行為，對正常的航空飛行器、公共安全甚至涉及國家安全的敏感區域造成潛在危害[6]。

目前，低空空域資源開發及應用面臨嚴峻挑戰。在通航產業快速發展的時代，構建健康、有序的低空安全三維數字化空中走廊體系，管理低空交通秩序已刻不容緩。其中，對低空飛行器進行規范化監管變得尤為重要。馮登超等提出了低空安全告警航圖研究策略[1]，探索了基于衛星導航、遙感及地理信息技術的低空告警航圖可視化匹配技術[4]，綜述了低空安全走廊構建技術以及在緊急情況下的應急管理可視化研究方法[6]。為了加快低空安全走廊體系的建設步伐，本文提出了構建低空飛行器空中交通管理平臺的建設方案。該數字化空中交通管理平臺是我國低空安全三維數字化空中走廊體系的重要組成部分，旨在為低空飛行器提供所需的航行情報信息服務、飛行計劃服務，并參考路面交通管理方法，設置虛擬交通信號指示燈、低空交通規則、低空飛行等待區、低空飛行航道等，提供飛行區域不利天氣等實時信息，幫助低空飛行器進行路徑規劃和碰撞危險規避，保障航空器在低空空域的飛行安全及起降過程的安全，促進低空領域的開放管理和低空飛行器市場的可持續發展。

1 國內低空安全研究現狀

我國地形錯綜復雜，山脈及水體交錯分布，低空空域與地表之間、尤其是城市中的各類高層建筑之間的邊界模糊復雜，是空域資源到地域資源的過度區域，受地表波動、氣流、城區地面建筑物影響較大，同時也面臨許多不確定社會因素(如地面的商業活動、重大節日聚會等)[7]。因此，低空空域資源利用的風險系數相對較高。

在低空空域的飛行器包括大量的各類航空器，如通用航空飛機、飛艇、無人操作航空飛行器等。探索低空飛行器空中交通管理平臺是確保低空安全的重要內容，也將為各類飛行器高效、合理的使用低空空域資源提供平臺支持和技術保障。在飛行器交通管理平臺的建設初期，對低空空域中的飛行器進行實時偵測和定位是保障有效監管的重要技術手段。龐莉等對雷達、通信、導航技術進行了深入分析，探討了多源監測方法在低空空域監管中的應用策略[8]。張曉愚等開展了波束方向探測仿真[9]。王宇等研究了信息作戰環境下的艦船無源定位系統設計與實現方法[10]。李璇等研究了異構網絡定位算法，并將其應用在物聯網領域[11]。王萍等采用GPS-GSM設計了海上船舶監控系統服務器[12]。蔣軍彪等探索了原子陀螺定位技術，并探索了該技術在智能彈藥中的應用前景[13]。常志巧等研究了無奇點根數和坐標旋轉的廣播星歷擬合技術，并對其性能進行了評估[14]。胡必玲等研究了RFID識別技術，并與無人機結合，開展了農業畜牧定位研究[15]。上述相關探測及定位的研究成果印證了飛行器監測定位的可行性。在飛行器交通管理平臺中，對低空空域中的飛行器進行實時偵測與定位，設立禁飛區域，并避免在禁飛區域設立基站(非基站覆蓋區域，接近禁飛區時通過飛行器的當前速度評估安全距離，并及時報警)。禁飛區可包括：1)所有政府及行政機關駐地； 2)所有涉密區域，如重要的軍事基地 ；3)大壩、水庫、電廠、變電站、油氣輸送管道等關系國計民生的重點區域；4)城區行政執法現場；5)大型公益或商業活動中心 ；6)車站、廣場等人流密集地區；7)危險品制造區及化工工廠、重要倉庫等；8)我國所有機場及周邊區域。

在空中目標監管中，將實時監測基站范圍內飛行器的數量、高度、速度、是否攜帶違禁物品(炸藥及危險品)、范圍(尤其在禁飛區一旦發現，做到立即警報，在最短時間內進行有效干預)、飛行軌跡[16](做到實時跟蹤并記錄軌跡，做到可追溯性)。此外，在交通管理平臺中，將包括低空飛行器監測網構建，即采用電磁、頻譜掃描、音頻、視頻等多方式協同探測的手段[17]，通過多種偵測裝備協同互補的工作[18-19]，建立“一點發現，多維跟蹤”、多偵測方式相結合的全天候、全方位探測系統，可及時獲取目標位置、視頻圖像、操控無線電頻率等多種信息。最后，為確保各類飛行器合理利用空域，將對飛行器加裝認證模塊，沒有加裝認證模塊的飛行器將受到飛行行為限制，認證模塊相對獨立工作，確保飛行器可識別、監管。

2 飛行器交通管理平臺建設方案

低空飛行器交通管理平臺是飛行器在低空空域安全飛行的重要服務保障。它為各類飛行器提供在低空空域飛行期間的航行情報信息服務、基地通信及情報交換服務、空中預警及告警服務等各類信息服務，是低空空域中對飛行器執行飛行調度的核心內容，是確保低空安全的重要數據服務平臺，也是面向低空安全的三維數字化空中走廊體系的重要內容。低空飛行器交通管理平臺將圍繞我國低空安全三維數字化空中走廊的體系架構思路(如圖1所示)，采用多源傳感器探測技術、大數據分析技術、計算機控制技術、信息技術和虛擬現實技術等相結合，設計智能化、系統化的低空交通管理平臺，提供飛行器在低空空域的綠色飛行環境，實現低空交通信息服務的實時性、準確性、高效性，降低低空監管人員對低空空域中各類飛行器監管的難度，保障飛行器在低空空域航行過程及起降階段的安全。

由圖1可知，面向低空安全的三維數字化空中走廊體系包括6個主要研究方向，各研究方向由上至下依次呈現遞進關系，即：低空安全走廊劃定技術、空間交通網絡生成技術、空間交通路由規劃技術、飛行動態監控技術、飛行器飛行控制技術及綜合服務平臺關鍵技術。低空安全走廊劃定技術目標是實現在低空空域中的監視空域和報告空域無縫銜接，劃設低空空域中的目視飛行航線，方便通用航空器快捷機動飛行。根據空域分類標準，在我國的邊境地帶、重點防控目標區、空中禁飛區和重點防空目標區域等重要地區劃設管制空域，包括民用航空使用的航路航線、終端區進場路徑和機場管制地帶等空域，確保民航航班及相關重要地面工作區域的安全運營。空間交通網絡生成技術是根據低空空域中的空間交通網絡布局、規模與城市規模、空間結構、地形地貌、城市居民區與商業區及工業區的分布等因素的互動關系，結合空中交通網絡中各網絡節點連通的可靠性、飛行器出行時間可靠性及飛行情報服務質量可靠性等測度指標，開展交通網絡空間需求分析與優化研究，構建空間交通網絡搜索引擎，實現空間交通網絡的定量分析和快速構建。空間交通路由規劃技術是分析地面形態與空間交通網絡布局的關聯性，開展偏差事件管理、飛行品質管理、風險管理，構建空中交通路線自動搜索與動態更新機制，實現空間交通的靜態路徑規劃及動態路徑規劃。飛行動態監控技術是運用移動互聯網、大數據分析等現代信息技術，建設低空安全監管平臺，提升對飛行器在地面起降階段和空中飛行過程中的追蹤和監控能力，構建航空器飛行過程中涉及的短期航跡預測、沖突動態監控及沖突消解策略，確保飛行器在低空空域飛行期間識別飛行報文類型、跟蹤飛行軌跡、監測飛行狀況，并對多源信息數據采用地圖化顯示方式和數據庫管理，實現地面對飛行全過程動態實時監控。飛行器飛行控制技術是開展航空器模型特性分析、飛行控制系統設計與仿真、飛行任務規劃，結合飛行品質規范，研究飛行姿態和軌跡的跟蹤控制算法，以及對多組飛行器進行編隊避障和控制編隊隊形，檢測飛行環境、跟蹤障礙目標、規劃避障路徑、控制路徑跟隨方式，確保航空器自主、高精度、高可靠地實現任務目標。綜合服務平臺關鍵技術重點圍繞完善低空空域中的基礎性飛行情報資料體系，制定并發布低空數字化告警航圖，在監視空域和報告空域實時發布飛行器的相關飛行動態以及飛行區域的天氣條件情況，提升航空情報、航空氣象、飛行情報與告警服務等面向低空空域的數據服務能力。綜合服務平臺中包含低空飛行器在飛行區域的飛行任務審批、飛行計劃申請和飛行審批備案的數據通信接口。為數據管理、數據查詢選擇、空間分析、交通需求預測和可視化表達提供空地一體化綜合服務平臺，實現空中交通網絡的自動化管理和無縫運營。

圖1 低空安全三維數字化空中走廊體系

低空飛行器交通管理平臺是面向低空安全的三維數字化空中走廊體系中的綜合服務應用平臺的重要分支模塊。低空飛行器交通管理平臺包括對低空飛行器實行實名認證準入制度，運用導航、通信、定位技術，結合主動式和被動式低空飛行器探測系統作為監測平臺的補充模塊，構建低空監測網，采用空中走廊的路徑規劃方法，實現對低空飛行器的探測與動態信息服務。

在飛行器交通管理平臺構建中，低空飛行器實行實名認證準入制度，從生產廠家源頭或后期加裝認證模塊。認證模塊為小型輕量化裝置，可外置或集成安裝在低空飛行器上，主要由GPS或北斗定位芯片、4G通信模塊、ARM可編程芯片和電池組成。作用是實現監管部門對低空飛行器飛行前的認證和飛行過程的全程監控。實現原理：首先低空飛行器在放飛前操作人員通過手機客戶端或其他無線方式與之進行身份匹配，向認證模塊提供飛行執照ID和飛行計劃ID，匹配成功后可持續通過4G通信網絡按固定時間間隔向監管平臺發送低空飛行器ID、飛行執照ID、飛行計劃ID以及當前坐標含海拔信息等數據報文，報文內容通過監管平臺進行可視化展示和實時監管。該設計方案的優點如下：可全地域、全天候上報飛行數據，只需一個監管平臺即可解決監管區域內低空飛行器飛行狀態的監管，有效解決低空飛行器定位距離限制。甚至在低空飛行器意外墜毀時，也可以快速定位到最后發送的坐標，縮小搜救范圍，提高快速反應能力。

主動和被動式低空飛行器探測系統作為監測平臺的補充模塊，探測系統建設以永久或半永久的固定式監測站、移動式監測站為主(如圖2所示)，逐步形成探測半徑可交叉覆蓋的探測網。

圖2 移動式監測站

低空探測網的主要功能如下：

1)空域掃描：能夠對監管空域進行掃描，模版比對，對新出現的低空飛行器目標實現快速捕獲，即發現目標；

2)信號參數測量：能夠對低空飛行器發出的數據鏈信號進行測量，包含中心頻率、頻譜帶寬、信號強度等參數，即確認目標；

3)目標測向：通過電磁、頻譜掃描等方式對低空飛行器進行方位角和高度測量，即鎖定目標。

低空探測網對探測區域內所有類型的低空飛行器進行實時監測和跟蹤定位，并記錄運動軌跡，并將探測到的低空飛行器飛行數據實時上傳到低空飛行器交通管理數據中心，在監管中心平臺上統一顯示。

飛行器監管中心執行空中走廊路徑規劃，在重點部位設置“虛擬路障”的禁飛區，發現低空飛行器有接近企圖時進行提前告警，并通知執法部門根據具體情況對危險目標及時采取干擾、攔截、驅離、迫降、捕獲等手段。

3 平臺建設內容

在低空飛行器交通管理平臺建設中，根據低空飛行器監管的需要，分步驟建設數據中心、認證中心、交通管理平臺、低空飛行器探測網以及執法中心，預留氣象、城市規劃、環境監測、防災減災等職能部門業務數據接口。在低空飛行器交通管理平臺中，包括了空中走廊構建、多源數據可視化展示、飛行計劃及飛行器路徑規劃、空域中碰撞規避、飛行器違規告警以及對違規或違法的飛行器進行飛控干預等措施，提供針對執法部門的數據接口，便于相關執法機構對違規事件進行處置等。低空飛行器交通管理平臺的業務流程及各模塊功能如圖3所示。

圖3 低空飛行器交通管理平臺結構示意圖

由圖3可知，低空飛行器服務商編制飛行計劃，將飛行數據上報至交通管理平臺，并執行飛行器實名登記，將飛行器操作員申請執照信息發送到認證中心。認證中心進行飛行器和操作人員審核，并通過網絡等形式將飛行器及操作人員的審核結果發送至數據中心進行數據存儲。數據中心負責接收交通管理平臺傳回的飛行數據及電子圍欄數據，并存入數據中心數據庫，并將認證信息發送到低空飛行器交通管理平臺。低空交通管理平臺接收低空飛行器探測網發送的低空空域的飛行器探測數據，并與各相關職能部門進行業務數據的雙向交換。對于飛行過程中出現的違規事件，將其報送到執法中心，由執法中心對低空飛行器服務商進行執法處置。

1)數據中心:數據中心是低空交通管理平臺的重要數據平臺，包括計算機系統和通信與存儲系統以及數據通信連接與環境控制設備，采用監測點接入和互聯網接入兩種方式，存儲有關低空飛行器監管的各類數據，并提供大數據分析和信息服務，為低空飛行器監管提供輔助決策。

2)認證中心:認證中心是低空交通管理平臺中承擔電子認證服務，確認飛行器及操作人員合法身份及區分空域飛行中違規事件的核心環節。認證中心接收低空飛行器服務商發送的飛行器實名登記信息和操作員申請執照信息，負責數字證書申請的審批和數字憑證的管理，并將審核結果上報到數據中心。

3)執法中心:執法中心提供低空交通管理平臺的數據通信接口，記錄飛行器交通管理平臺發送的飛行器違規事件，并對飛行器交通管理平臺發送的違規事件溯源結果數據進行存儲和優先級排序，將違規事件的相關數據傳遞給執法部門，由執法部門對違規飛行器及相關操作人員和服務機構進行執法處理。

4)低空飛行器服務商: 低空飛行器服務商是提供飛行計劃、飛行數據服務和執照申請服務等的機構。低空飛行器服務商通過數據鏈路接口將飛行計劃和飛行數據報送低空交通管理平臺，對低空飛行器采用實名認證準入制度，承擔操作員申請執照業務，將飛行器實名登記信息和操作員申請執照信息傳輸到認證中心。同時，低空飛行器服務商保留與執法中心的數據通信接口，對于飛行器在飛行空域中發生的違規事件，接受執法中心的相關處置。

5)低空飛行器探測網: 低空飛行器探測網是探測低空空域中出現的各類飛行器，并將探測結果發送到低空飛行器交通管理平臺。探測網采用固定式監測站、移動式監測站相結合，組成探測半徑可交叉覆蓋的飛行器探測網，實現對復雜的地雜波環境和各種天氣條件下，全天候、全天時對低空飛行目標進行探測和識別，通過有線/無線網絡等通信方式，將目標數據上報到飛行器交通管理平臺。

6)低空交通管理平臺: 低空交通管理平臺包含空中走廊空間通道構建、數據可視化顯示、操作員執照管理、氣象信息服務和通信網絡標準接口等關鍵技術。(1)空中走廊空間通道的構建：按照飛行器類型劃分飛行空域和航線。低空飛行器的自動化導航技術已經取得了很多實質性突破，如動態規避碰撞等，為保障飛行器空中走廊的構建提供了技術支撐。根據飛行器的活動密度、飛行器的類型、作業目標及城市的人群及地物分布形式，采用網格化技術對空間進行水平和垂直劃分[20]，劃定空中交通隔離區，實現對空中走廊的空間通道的精確構建和動態更新[21];(2)可視化顯示：集成地理信息系統和區域遙感影像，在系統界面上顯示全國矢量地圖(可自由縮放)和當前關注區域內正在飛行的低空飛行器，可實時監控低空空域中的各類飛行器的數量、方位、速度、高度和航向，防止它們發生碰撞或者飛入禁飛區或限飛區等敏感區域。移動鼠標到低空飛行器圖標上可以顯示低空飛行器基本信息、當前操作人員以及詳細飛行狀態;(3)操作員執照管理：操作人員通過交通管理平臺中的監管系統網上錄入個人身份、受訓記錄、考核成績等信息，申請操作執照；監管系統進行網絡審核以決定是否分配執照ID;(4)氣象信息服務接口：提供管理區域的大氣氣流和氣象要素信息，對危險天氣條件下的航線更改，飛行通道切換、應急管理提供氣象保障;(5)通信網絡接口：預留通信接口，確保飛行器空中通信網絡系統的協調和協作。

綜上所述，低空飛行器交通管理平臺覆蓋了低空飛行器探測網、數據中心、飛行器及操作員認證中心、低空飛行器服務商及執法中心等多個模塊及職能部門業務數據接口，包括空中走廊構建、可視化顯示、電子圍欄設置、飛行路徑規劃、碰撞規避、違規報警、飛控干預等多項技術。該平臺的建設成果將有助于完善和充實面向低空安全的三維數字化空中走廊體系的內容，推動低空安全產業的進一步發展。

4 結束語

低空空域是國家亟待開發的重要新興戰略資源，也是最接近繁華區域、邊境區域以及各類文化、經濟、政治交流場所的空間區域。2010年，國務院及中央軍委聯合印發了《關于深化我國低空空域管理改革的意見》，提出了適時、有序推進低空空域管理的建議，推動了低空空域的規范化發展。2014年，針對低空空域市場的發展需求，我國空管委頒布了《低空空域使用管理規定(試行)》，進一步明確了我國低空空域資源管理的建設目標。2016年10月21日，國家體育總局等九部委聯合印發了《航空運動產業發展規劃》，推動了低空空域的開發和航空運動產業的蓬勃發展。

低空資源的廣闊應用市場、不同飛行器在低空空域的規范操作和使用、低空空域相關配套產業(如飛行器制造業、低空服務業、低空旅游、保險、法律咨詢等)的有序發展以及低空空域飛行器有效監測及管控技術已經成為我國低空安全應用健康發展的重要保障，也是我國軍民融合的典型應用。2016年7月11日，我國民航局飛標司頒布了《民用無人機駕駛員管理規定》，對低空空域中的無人機駕駛員進行規范化管理。2017年5月16日，中國民航局頒布了《民用無人駕駛航空器實名制登記管理規定》，對無人機擁有者進行實名登記，為后期的空域監管提供了飛行器溯源保障。低空飛行器交通管理平臺是低空安全三維數字化空中走廊體系的重要組成部分，包括了數據中心、認證中心、交通管理平臺、低空飛行器探測網以及執法中心等建設內容，預留相關職能部門業務數據接口，并將隨著我國低空空域管理法規的逐步完善以及通航發展的不同階段、不同時期而不斷修正平臺的各項功能。總之，隨著低空空域的逐步開放以及通航產業的蓬勃發展，低空空域的安全環境也將面臨嚴峻挑戰。低空飛行器交通管理平臺的建設是面向低空安全的三維數字化空中走廊體系的重要組成部分，需要社會各相關研究機構及應用領域共同參與的復雜巨系統工程，契合了我國低空安全戰略發展的緊迫需求，對推動我國低空安全產業的健康、有序、可持續性發展具有積極意義。

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Construction of Aircraft Traffic Management Platform for Low Altitude Security Based on Three Dimensional Digital Aerial Corridor

Feng Dengchao

(Integrated Application Laboratory of Remote Sensing, GNSS and GIS, North China Institute of Aerospace Engineering, Langfang 065000, China)

The development of low altitude airspace and the industry application of aircraft were illustrated in the paper. The potential risk in low altitude airspace was analyzed, the real-time detection and location technology of aircraft and the construction of aircraft monitoring network were studied and the active and passive detection system was used as the supplement module of aircraft monitoring platform. Correspondingly, the aircraft traffic management platform based on three dimensional digital aerial corridor system was proposed, which provided the support of the key technology in the construction of three dimensional aerial corridor and has the positive practical significance for ensuring the healthy and sustainable development of low altitude safety industry.

low altitude security; aerial corridor; real-name registration; aircraft; traffic management

2017-11-02；

2017-11-15。

河北省教育廳重點項目(ZD2016106)。

馮登超(1977-)，男，四川南充人，博士，副教授，主要從事面向低空安全的三維數字化空中走廊體系方向的研究。

1671-4598(2017)12-0137-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.12.036

V355.2

A