對(duì)無(wú)人機(jī)低空交通管理系統(tǒng)的分析

摘要：無(wú)人機(jī)在低空領(lǐng)域飛行是低空領(lǐng)域改革的重點(diǎn)，也是促進(jìn)低空領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的重要手段。本文對(duì)低空交通管理系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的概述，進(jìn)一步分析了無(wú)人機(jī)低空交通的管理系統(tǒng)，旨在滿足我國(guó)對(duì)空間數(shù)據(jù)急速增長(zhǎng)的要求，推動(dòng)社會(huì)空間技術(shù)和交通管理系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī);低空空域;交通管理系統(tǒng)

前言：隨著無(wú)人機(jī)領(lǐng)域?qū)m(xù)航時(shí)間、飛行水平的要求的逐漸增加，無(wú)人機(jī)低空交通管理系統(tǒng)成為我國(guó)研究的重要課題。低空交通管理系統(tǒng)旨在確保無(wú)人機(jī)能夠在城市上區(qū)1000m的領(lǐng)域內(nèi)飛行，對(duì)我國(guó)初步設(shè)計(jì)并完成無(wú)人機(jī)軟件的開(kāi)發(fā)具有重要意義。

1、低空交通管理系統(tǒng)概述

電池技術(shù)以及電力推進(jìn)技術(shù)迅速發(fā)展的背景下，無(wú)人機(jī)技術(shù)逐漸成熟，無(wú)人機(jī)性能也顯著提升，但是隨著無(wú)人機(jī)數(shù)量的不斷增加，其導(dǎo)致的安全事故也在上升。因此，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)無(wú)人機(jī)的低空管理。通常來(lái)說(shuō)，低空主要指的是離地高度1000米以下的空域，為了保證安全，無(wú)人機(jī)需要受到有關(guān)部門(mén)的管理。當(dāng)前民航飛行器的管理模式已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)當(dāng)前無(wú)人機(jī)的發(fā)展，首先，由于低空無(wú)人機(jī)數(shù)量龐大，高達(dá)數(shù)百萬(wàn)，因此加大了管理難度。其次，現(xiàn)階段民航的管理方式以及相應(yīng)的技術(shù)手段較為落后，難以將其應(yīng)用在低空領(lǐng)域，這主要是由于低空的交通管理對(duì)帶寬的要求較高，但是當(dāng)前民航的航空管理仍舊使用的是傳統(tǒng)的窄帶信息通信技術(shù)，導(dǎo)致無(wú)法對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。最后，缺少信息獲取的方式，不能幫助無(wú)人機(jī)避開(kāi)障礙物，無(wú)法保障無(wú)人機(jī)駕駛的安全性。總而言之，近年來(lái)我國(guó)政府頒布了與民用無(wú)人機(jī)駕駛相關(guān)的管理規(guī)定，通過(guò)利用現(xiàn)代信息技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，令低空管理朝著智能化與自動(dòng)化的方向發(fā)展。

2、無(wú)人機(jī)低空交通管理系統(tǒng)

低空無(wú)人機(jī)在空中發(fā)生碰撞會(huì)造成嚴(yán)重的飛機(jī)事故，因此判斷無(wú)人機(jī)進(jìn)入防撞區(qū)域和隔離區(qū)域是無(wú)人機(jī)低空交通管理系統(tǒng)的重要組成部分。此外，感知避讓技術(shù)和沖突技術(shù)決定了無(wú)人機(jī)是否能夠安全飛行的重要技術(shù)，也是評(píng)價(jià)無(wú)人機(jī)研究水平的重要指標(biāo)。目前，正在研究無(wú)人飛行器和低空交通管理系統(tǒng)的國(guó)家超過(guò)32個(gè)，種類多達(dá)300種，我國(guó)也正在加快該項(xiàng)技術(shù)的研究。

2.1關(guān)鍵技術(shù)

2.1.1感知避讓技術(shù)

無(wú)人機(jī)空中預(yù)警防撞系統(tǒng)（TCAS）、自動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)（ADS-B）和防撞控制系統(tǒng)（ACASX）是無(wú)人機(jī)感知避讓系統(tǒng)的重要組成部分。其中TCAS最開(kāi)始裝在小型有人飛機(jī)上，隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，預(yù)警防撞系統(tǒng)已經(jīng)不再適用于非合作式感知避讓技術(shù)中，主要是因?yàn)榕c非合作式感知避讓系統(tǒng)中的傳感器存在沖突。自動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)相對(duì)于預(yù)警防撞系統(tǒng)是一項(xiàng)較先進(jìn)的技術(shù)，主要由數(shù)據(jù)來(lái)源、數(shù)據(jù)傳輸通路和數(shù)據(jù)處理三部分組成，廣泛應(yīng)用于各種無(wú)人機(jī)的防撞系統(tǒng)中，有效降低了大部分無(wú)人機(jī)發(fā)生相撞的概率。防撞控制系統(tǒng)是由西方發(fā)達(dá)國(guó)家航空公司共同研究出的一種防撞系統(tǒng)，具體分為三部分：ACASX X、ACASX Xa、ACASX Xu。非合作式的感知避讓技術(shù)主要是通過(guò)雷達(dá)、傳感器以及紅外線來(lái)感知無(wú)人機(jī)在飛行時(shí)周圍的狀況，并能夠幫助無(wú)人機(jī)主動(dòng)避讓在空中飛行的鳥(niǎo)類以及其他飛行生物[1]。

2.1.2沖突技術(shù)

沖突技術(shù)的主要作用是判斷無(wú)人機(jī)飛行器的周圍是否存在安全隱患，具體的判斷方法包括概率與幾何分析法。其中，概率分析法是通過(guò)建立短期和中期飛行模型來(lái)預(yù)測(cè)無(wú)人機(jī)周圍是否存在沖突，但由于相關(guān)算法程序和計(jì)算量較大，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中存在較多的限制因素。幾何分析法指的是利用與幾何有關(guān)的分子方法來(lái)建立飛行模型，普遍使用離散法，從飛行的開(kāi)始時(shí)間每隔10秒鐘取一組飛行數(shù)據(jù)，與概率分析法相比，總體的計(jì)算量小，可廣泛應(yīng)用于實(shí)際的飛行中。

2.2系統(tǒng)組成

2.2.1 ITS體制

ITS體制是無(wú)人機(jī)低空交通管理系統(tǒng)常用的一種規(guī)避體制，可有效避免無(wú)人機(jī)在較低的空中領(lǐng)域發(fā)生安全事故。主要的感知層包括自動(dòng)避讓、地理圍欄等，并結(jié)合安全技術(shù)共同服務(wù)于低空交通管理系統(tǒng)，保證無(wú)人機(jī)的智能化、自主化。

2.2.2導(dǎo)航系統(tǒng)

導(dǎo)航系統(tǒng)的主要功能是幫助無(wú)人機(jī)獲取自身的地理位置信息，并規(guī)避周圍的障礙物。涉及到的相關(guān)技術(shù)有雷達(dá)導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、視覺(jué)導(dǎo)航等其中雷達(dá)導(dǎo)航并不適用于300m以下的低空領(lǐng)域，因此要根據(jù)實(shí)際需要合理選擇配有相應(yīng)技術(shù)的低空交通管理系統(tǒng)。

2.2.3.通信系統(tǒng)

低空無(wú)人機(jī)配有通信系統(tǒng)的目的是向地面數(shù)據(jù)收集機(jī)器傳輸在空中的交通信息以及檢測(cè)的地理環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)人與無(wú)人機(jī)之間的信息交換。配備的基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)包括4G/5G、AeroMACS、V2X、飛機(jī)專網(wǎng)等。當(dāng)飛機(jī)在300m以下的空中領(lǐng)域飛行時(shí)，可使用4G/5G網(wǎng)絡(luò)。

2.2.4.服務(wù)系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)的服務(wù)系統(tǒng)主要包括空中交通服務(wù)和運(yùn)營(yíng)服務(wù)，兩方面的服務(wù)系統(tǒng)又具體分為多種系統(tǒng)。例如，在對(duì)地理進(jìn)行測(cè)繪時(shí)，經(jīng)常采用無(wú)人機(jī)觀測(cè)地理數(shù)據(jù)，主要具有觀測(cè)范圍廣而全面、服務(wù)作用大、靈活性高、數(shù)據(jù)精準(zhǔn)等特點(diǎn)。可實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)林資源開(kāi)發(fā)、重大災(zāi)害預(yù)測(cè)、監(jiān)測(cè)城市變化等功能，在很大程度上幫助了政府部門(mén)獲得具有高精度的數(shù)據(jù)，并為日后的城市規(guī)劃奠定扎實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[2]。

2.2.5.監(jiān)視系統(tǒng)

低空交通管理系統(tǒng)中的監(jiān)視系統(tǒng)主要職能包括監(jiān)護(hù)其他系統(tǒng)在無(wú)人機(jī)運(yùn)行時(shí)是否能夠正常使用，并能夠?qū)⒈O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸回地面，為地面控制人員提供科學(xué)的無(wú)人機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，并判斷是否需要立即收回?zé)o人機(jī)，避免無(wú)人機(jī)的損壞。監(jiān)視系統(tǒng)又分為主動(dòng)監(jiān)視和被動(dòng)監(jiān)視，民航飛行器使用的就是主動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)。由于低空領(lǐng)域存在移動(dòng)蜂窩網(wǎng)，建議采用C-V2X技術(shù)，ADS-B通信技術(shù)會(huì)使無(wú)人機(jī)產(chǎn)生較大的負(fù)荷，因此不建議使用。對(duì)于小型無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)，使用被動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)，可保證其有效規(guī)避周圍的意外攻擊。無(wú)人機(jī)具體組成框架如圖1所示：

結(jié)論：綜上所述，低空交通管理系統(tǒng)為無(wú)人機(jī)提供了有效的安全保障，是無(wú)人機(jī)應(yīng)急保障服務(wù)的重要基礎(chǔ)設(shè)施。我國(guó)正大力推進(jìn)無(wú)人機(jī)低空運(yùn)行技術(shù)的自主創(chuàng)新，切實(shí)為提高交通管理系統(tǒng)的服務(wù)保障功能提供有力的技術(shù)支持。低空無(wú)人機(jī)的廣泛使用，促進(jìn)了有關(guān)部門(mén)對(duì)區(qū)域地理信息的實(shí)時(shí)掌握，推動(dòng)了我國(guó)社會(huì)現(xiàn)代化建設(shè)的進(jìn)程。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳莉.基于低空無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)試驗(yàn)分析研究[J].國(guó)土資源導(dǎo)刊，2019，016（001）：25-29.

[2]楊榮幫，畢洪基.低空無(wú)人機(jī)航攝控制點(diǎn)布設(shè)及影像精度分析[J].北京測(cè)繪，2018，032（004）：399-404.

作者簡(jiǎn)介：

李志明，中國(guó)民用飛行學(xué)院新津分院。