農業無人機空中交通管理及監視技術研究

張 進

（南京航空航天大學，江蘇 南京 210000）

早在無人機成為新聞熱點之前，行業領導者們就認識到需要一種系統性方法來安全管理無人機在低空空域的運行[1]。多年來，國內外學者開展了一系列空中交通管理系統研究，提供了各種基于計算機的工具，幫助提高飛行效率、減少延誤、減少燃料使用和排放，同時確保航空器在空域中的安全。如今，創新者不斷發現新的、有益的無人機應用領域，例如：貨物交付、基礎設施檢查、搜尋救援、農業監測。但無人機運行時需要一個安全系統，來幫助這一最新進入天空的飛行器不會與建筑物、民航航空器或其他飛行器發生碰撞。

中國民用航空局（Civil Aviation Administration of China，CAAC）空中交通管理局[2]為了加強對民用無人機飛行活動的管理，規范其空中交通管理的辦法，保證民用航空活動的安全，將有關民用無人機空中交通管理的有關問題規定如下：民用無人機應當依法從事工業、農業、林業、漁業、礦業、建筑業的作業飛行和醫療衛生、搶險救災、氣象探測、海洋檢測、科學實驗、遙感測繪、教育訓練、文化體育、旅游觀光等方面的飛行活動。張建平等[3]在對國際民航組織及美國、歐洲等民航發達國家和地區民用無人機分類管理經驗進行歸納總結的基礎上，結合我國民用無人機管理現狀，提出我國基于多屬性分類的民用無人機空中交通管理模式，分別從戰術和戰略層面進行闡述，并對關鍵的無人機交通管理系統的設計提出建議，以供民航業界決策參考。于憲澤[4]指出，在民航飛速發展的今天，從前神秘的無人機逐漸走入人們的視野，在日常的生產、生活中無人機發揮著重要作用。目前，我國無人機在航拍、測繪、電力、科考、農田探測等諸多領域均有所應用。無人機的作用不斷加強，數量和種類日益增加，飛行活動范圍逐步擴大，這對民航空中交通管理提出了新的要求。CAAC發布《特定類無人機試運行管理規程（暫行）》（以下簡稱《規程》）[5]，遵循“促進發展、先試先行、分類管理”的原則，鼓勵無人機相關行業從業人員在典型場景下規范運行無人機操作。CAAR發布《通用航空經營許可管理規定》[6]，其中包含有關通航公司管理無人機的相關規定。李誠龍等[7]指出UAM交通管理將可能會和現有無人機交通管理體系產生交集并逐漸融合，面對這一新型運輸方式，國家可能采用集中管理、試點運行、有序開放的交通管理發展路線。耿增顯等[8]利用事故樹分析安全風險因素，建立運行場景，利用基于特定運行風險評估（SORA）對該運行場景航路運行階段進行風險評估，并提出相應的風險緩解措施。

國外學者研究包括：Kamienski等[9]研究了緩解不同UAS挑戰引起的問題的潛在方法，并審查了這些不同方法的一些利弊，包括程序、自動化和政策的變化。Jiang T等[10]指出在UAS交通管理的許多領域中，進一步的研究將極大地有助于UAS用于公共和民用目的。ElisaCapello等[11]提出在城市環境中運行的基于云的遙控飛機系統（RPAS）監控設計。Liu Z等[12]說明了無人機安全、高效和可靠運行所需的多種操作、技術和監管改進，并指出了未來的研究方向。

1 農業無人機空中運行問題

農業無人機系統在全球范圍內越來越多地被使用，但是在一個分散的監管框架下，并不是以連貫的方式定義。這些飛機的應用非常廣泛（基礎設施的損壞檢查和監視、洪水等自然災害的監測、天氣預報的大氣數據收集、農田探測等）。未來，它們還可用于農業種植和噴灑農藥進行除蟲。高度自動化的農業無人機技術現在正在成熟，并且有顯著增長和創造就業機會的潛力。據預測，未來10年，UAS市場的價值可能占航空市場的10%，即每年150億歐元。然而，民用UAS有各種形狀和大小，它們在空域中與其他有人駕駛飛機的整合是一個真正的挑戰。

UAS任務不同于有人駕駛飛機飛行。它們通常不會從一個機場起飛并降落在另一個機場。因此，從空中交通管理的角度來看，需要以不同的方式來管理。如今，民用RPAS飛行的快速增長增加了對它們進入民用空域的需求。然而，這帶來了一個新的挑戰，由于許多因素（適航性、空中交通管制、系統維護、安全網等）的貢獻，有人駕駛飛機被認為是安全的。這些因素現在可能會受到新空域用戶整合的影響。由于無人機上沒有飛行員，因此應開發技術解決方案，以便通過命令鏈接（C2Link）的數據鏈路從遠程位置或以高度自動化的模式控制飛機。無人機上沒有飛行員，因此地面操作人員就要面臨挑戰，不僅要看到危險情況和其他空域用戶情況，還要了解惡劣天氣條件，同時要避免與障礙物的碰撞，這些都在考核著操作人員執行飛行的能力。因此，需要開發新功能，以管理UAS的任何情況，并保證與現有載人技術（如機載防撞系統）的兼容性。事實上，UAS任務是多功能的，其在空域中的集成應該以不同的方式解決。

低空RPAS操作現在是經濟發展的驅動力。許多小型無人機系統在低于地平面（AGL）152.4m的高度運行。根據國際民航組織的說法，152.4m是巡航期間的最低VFR高度，起飛和著陸除外。這個限制在無人機操作和有人駕駛飛機操作之間創造了一個自然邊界。航模愛好者把無人機因操作不當或發生故障導致墜機的情況稱作“炸機”，截至目前炸機傷人事故已發生多起。旋翼操控不好可能就會招致禍患，一方面來說，無人機的旋翼非常快，每秒鐘能達到150轉以上；另一方面，無人機在飛行過程中，其本身也有自重。如果無人機在高空出現意外，加上自身的自重，旋翼的旋轉速度，就會對市民造成非常大的安全傷害。這也證實了為UAS制定改進的監管框架和操作概念的重要性。

2 農業無人機空中交通管理規則

2.1 管理原則

國際民航組織將空中交通管理（ATM）定義為“在空中、地面和/或天基通信、導航和監視的支持下，通過人員、信息、技術、設施和服務的協作整合。沖突管理將包括三個層次：通過空域組織和管理、需求和容量平衡以及交通同步在國家空域管理中整合戰略沖突；分離條款；避免碰撞”。根據2011年發布的國際民航組織328號通告，“將無人機系統安全整合到非隔離空域中的一個關鍵因素是它們能夠像有人駕駛飛機一樣行動和響應。這種能力在很大程度上取決于技術——飛機由遠程飛行員控制”。實際上，UAS是要集成到ATM中的新系統。然而，UAS任務是多種類的。在152.4m以上，他們將使用與有人駕駛飛機相同的空域設計。然而，如下所述，可以預見需要一個適應小型遙控駕駛航空器的不同組織。它在歐洲被稱為UAS交通管理（UTM）或U-space。它的操作程序、飛行意圖、識別和跟蹤都會有所不同，因為RPAS任務與有人駕駛飛機飛行不同。事實上，UTM以及U-space將是一套新的服務和量身定制的程序，旨在支持大量UAS安全、高效和可靠地進入空域。這些服務將依賴于功能的高水平數字化和自動化，無論它們是在UAS本身還是地面環境的一部分。今天，一系列措施已經到位，例如在視線內運行，在交通密度低的地面以上152.4m以下的高度飛行，配備識別和地理限制功能并進行登記。根據地面和空中風險評估，UAS在機場附近的任何操作都需要獲得國家航空局的特別授權。但是，仍然有必要協調所有這些做法。

2.2 農業無人機空域融合規則

中空長航時（MALE）：假設在A到G類空域內作為IFR（儀表飛行規則）運行的UAS，主要是RPAS，將像有人駕駛飛機一樣遵守相關空域要求。大型RPAS被視為有人駕駛飛機。不同的是，機長在地面上。因此，需要特定的功能：命令和控制鏈接（C2Link）檢測和避免（DAA）系統。需要與有人駕駛飛機相同水平的設備。需要考慮的差異主要涉及它們的性能：（1）速度和爬升率。小型農業無人機會飛得很低（VLL），所以沒有必要為這些農業無人機提供空中交通管制（ATC）。但是，需要對空域進行組織、識別和監視。（2）飛行計劃，類似于儀表飛行規則（IFR）有人駕駛飛機。（3）滿足通信、導航和監視空域要求。（4）配備檢測和回避系統。（5）在進入管制空域時通知負責的ATC單位。（6）通知ATC將要使用的應急和緊急程序的類型，特別是在C2Link丟失的情況下。（7）使用出發和到達定制程序（待開發）。

2.3 農業無人機自動巡檢

自動巡檢是一項使機器“看見”的技術。這項技術使用攝像機和計算機代替人眼來識別、跟蹤和測量目標，以便進行進一步的圖像處理。隨著計算機視覺技術的發展，該技術在農業自動化領域得到了廣泛應用，對農業自動化的發展起到了關鍵作用。我們相信未來計算機視覺技術將與深度學習技術等智能技術相結合，應用于基于大規模數據集的農業無人機生產管理的各個方面，更廣泛地應用于解決農業問題，更好地提高農業自動化系統的經濟性、通用性和健全性，從而推動農業自動化設備和系統向更加智能化的方向發展。為了實現基于無人機的自動巡航監測，有關學者提出了一種基于計算植被指數（VI）的林冠高度模型，該模型結合了可見光波段（RGB）和近紅外（NIR）域，有助于種植園的快速管理和可持續發展。簡而言之，無人機自動巡航在灌區監測和水資源管理決策中發揮著重要作用。

3 農業無人機監視技術要點

3.1 農業無人機地空通信

無人機控制器的工作原理是從遙控器向無人機發送無線電信號，告訴無人機該做什么。無線電信號從農業無人機控制器中的無線電發射機發送，并由農業無人機接收器接收。這就是無人機控制器有時簡稱為無人機無線電發射機或無人機無線電控制器的原因。使用控制器移動無人機有四種主要方式：（1）在空中向左或向右移動無人機，字面意思是“滾動”無人機。（2）向前或向后傾斜無人機。（3）偏航。順時針或逆時針旋轉無人機，讓無人機在空中做圓圈或圖案。（4）將操作命令發送到無人機，使無人機更快或更慢。作為獲取遙感數據的新型手段，無人機遙感技術在現代化農業中的應用日趨廣泛。利用無人機的近紅外光設備，可以實現對土壤的全面監測，并通過土壤圖像的對比分析，得出土壤的濕度及其相關系數，確保土壤水分監測的合理性。農業無人機用于土壤水分監測不僅成本較低，而且具有較強的時效性和實用性。利用農業無人機對土壤水分進行實時、全面監測是農情監測技術的發展趨勢，對現代化農業節水技術的發展有著極其重要的促進作用。

3.2 農業無人機控制鏈路

農業無人機的安全運行需要地面飛行員的穩定指揮和控制鏈路。當距離增加時，傳統鏈路將逐漸退化，使鏈路更容易受到干擾和突然的條件變化，這反過來又會危及安全飛行。重新連接增加指揮和控制鏈路的彈性，確保飛行員始終保持對無人機的控制。面對意外惡化的情況，飛行員可以啟動必要的安全程序，避免事故。指揮與控制（C2）或控制與非有效載荷通信（CNPC）鏈路為無人機在地面視距（LOS）條件下的控制和所謂超視距（BLOS）條件下的衛星通信鏈路中的控制提供安全信息。在正常情況下，頻率管理通常是管制員的任務之一，而UAS可能會增加該工作量。由于C2鏈路延遲而導致的飛機機動延遲也可能使判斷分離機動變得更加困難。如果通信和控制鏈路完全失效，地面飛行員將無法再控制無人機或與管制員交談。飛機將開始按照預先編程的程序飛行，將其帶到安全著陸點或無人居住的地點。在這些情況下，不能向UAS發送許可，而必須讓所有其他飛機讓路。此外，有關預編程程序的信息并不總是可供該扇區的控制器隨時使用，這給管理其周圍的其余流量帶來了挑戰。

3.3 廣播式自動相關監視

廣播式自動相關監視（ADS-B）是一種監視技術，其中飛機定期廣播其位置并從地面站接收消息。ADS-B是將空中交通管制從基于雷達的系統轉變為最流行的技術。UAS的快速發展大大超過了其適當的立法，當前的法規禁止將ADS-B輸出（發射機）系統安裝在未注冊的系統（絕大多數UAS）上。由于不能確保可接受的空中安全水平，許多文件中的監視規定和提案都排除了小型農業無人機。然而，ADS-B的范圍、分辨率、精度和更新率都優于其他現有技術。幾乎所有UAS都在極低空（VLL）空域運行，FAA將其定義為低于152.4m的高度。這個問題可能會在不久的將來通過5G/B5G網絡技術來解決，例如，通過利用現有的ADS-BLTE系統。然而，農村地區有限的覆蓋范圍和鏈路初始化時間是僅使用LTE的限制因素。蜂窩網絡依靠一組基站（BSs），每個基站的覆蓋半徑可達數十公里。如今，它們被廣泛部署在所有發達國家。蜂窩網絡中最廣泛的定位技術基于時差。例如，GSM定位基于現有的觀測時差（OTD）。OTD評估從兩個不同BSs傳輸到MS的信號之間的時間差。至少需要三個可見BSs來估計MS位置，這是通過將焦點位于BSs位置的雙曲線相交而獲得的。使用OTD的基于GSM的定位系統中的最終位置估計精度范圍為50-500m。ADS-B和5G農業無人機系統之間的合作方法可以減輕978MHzADS-B頻道上的同頻干擾風險。在5G網絡中，蜂窩足跡已經從宏基站發展到小型或納米基站。給定區域內更多BS的占用空間更小，可提高容量和空間頻譜效率，但實現這種密集化是以增加切換速率為代價的。可能會導致用戶設備中數據流的意外中斷，這是5G農業無人機用戶導航和監控應用中的重大挑戰。無人機（UAV）或無人機系統（UAS）有望成為5G/beyond 5G（B5G）通信的重要組成部分。這包括它們在蜂窩體系結構（5G無人機）中的使用，在蜂窩體系結構中，促進無線廣播和點對點傳輸，通常使用小型無人機（SUA）。允許無人機與商用飛機、貨運飛機和其他有人駕駛飛機一起在空域內運行，至少在短期內可能需要專用和受保護的航空頻譜，而監管機構則會適應其使用。

4 結束語

隨著時代的發展與進步，各種先進設備逐漸出現。其中，農業無人機的發展較為迅速，其被應用于測繪、勘察、攝影等多個領域，并發揮了較大的作用。要注意的是，大量無序飛行的農業無人機運行會對地面設施、公共安全、空中載人飛行器等帶來危害。目前，民航空中交通管理不能適應未來數以百萬架的農業無人機。為了應對該挑戰，世界各國針對低空農業無人機空中交通管理開發了新框架。只有制定符合國家空域發展需求、滿足社會安全目標水平的政策，才能使農業無人機能夠安全、便捷融入國家空域體系的無人機空中交通管理規則，確保農業無人機能夠安全運行。