無人機(jī)應(yīng)用發(fā)展關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施與低空公共航路網(wǎng)規(guī)劃

廖小罕 徐晨晨* 葉虎平 譚 翔 房世峰 黃耀歡 林 靜

1 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所 資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100101

2 中國科學(xué)院無人機(jī)應(yīng)用與管控研究中心 北京 100101

3 中國民航局民航低空地理信息與航路重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100101

隨著現(xiàn)代高新技術(shù)的快速發(fā)展，全球民用無人機(jī)數(shù)量不斷增長，低空無人機(jī)應(yīng)用場(chǎng)景日益多樣化，無人機(jī)及其應(yīng)用正在逐漸影響甚至改變?nèi)祟惿睢Ｖ袊呀?jīng)是無人機(jī)生產(chǎn)和運(yùn)行大國，截至 2021 年 12 月 31 日，經(jīng)實(shí)名登記注冊(cè)的民用無人機(jī)數(shù)量達(dá) 83.02 萬架，日均飛行時(shí)間達(dá) 4.57 萬小時(shí)①中國民航網(wǎng). 新業(yè)態(tài) 無人機(jī)行業(yè)飛速發(fā)展. (2022-01-06)[2022-06-17]. http://www.caacnews.com.cn/1/6/202201/t20220106_1337505.html.；民用無人機(jī)每年飛行時(shí)間已超過 1 800 萬小時(shí)，約為民航運(yùn)輸飛行量的 2 倍。進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)說明，輕小型無人機(jī)是低空飛行活動(dòng)主體，其中 90% 以上無人機(jī)飛行高度低于 120 米（含），70% 以上無人機(jī)飛行速度低于 5 米/秒[1]；低空無人機(jī)飛行活動(dòng)具有典型的“低，慢，小”特征。但是，低空環(huán)境復(fù)雜多變，起伏的地形地貌、高動(dòng)態(tài)變化的建筑物，以及復(fù)雜的電磁環(huán)境和低空局部湍流都給規(guī)模化無人機(jī)應(yīng)用帶來巨大風(fēng)險(xiǎn)。近年來，無人機(jī)“黑飛”“亂飛”事件頻發(fā)，給國家、航空和公共安全帶來極大威脅。高效有序規(guī)范發(fā)展和管控?zé)o人機(jī)、保障低空運(yùn)行安全十分迫切。

為了有序管理無人機(jī)應(yīng)用，無人機(jī)監(jiān)管部門、生產(chǎn)企業(yè)、行業(yè)協(xié)會(huì)和科研院所等頒布或研發(fā)了相關(guān)監(jiān)管政策或技術(shù)手段來隔離無人機(jī)與傳統(tǒng)航空（軍/民航）及其他空域用戶活動(dòng)，從而保障空域安全。主要包括：空域限制（無人機(jī)最大飛行高度[2]、地理圍欄[3]和隔離空域[2]等）、沖突消減（最小安全間隔[4]、探測(cè)和避讓[5]等）和無人機(jī)交通管理系統(tǒng)等。無人機(jī)交通管理系統(tǒng)是一種綜合有效監(jiān)管手段，該系統(tǒng)通過對(duì)經(jīng)實(shí)名登記注冊(cè)[6]且具備唯一識(shí)別碼[7]的聯(lián)網(wǎng)無人機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和任務(wù)、時(shí)空資源的統(tǒng)一調(diào)度，從而實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)積極管控和空域資源的合理配置。當(dāng)前進(jìn)展較快的包括美國國家航空航天局（NASA）研制的無人機(jī)交通管理（UTM）系統(tǒng)[8]、歐洲航空安全局（EASA）推出的 U-Space 系統(tǒng)[9]、中國民用航空局（CAAC）推動(dòng)的民用無人駕駛航空器綜合管理平臺(tái)（UOM）②中國民用航空局. 民用無人駕駛航空器綜合管理平臺(tái)（UOM）. [2022-06-01]. https://uom.caac.gov.cn.，以及新加坡項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)提出的城市場(chǎng)景下無人機(jī)城市交通管理系統(tǒng)（UTM-UAS）等[10]。

通過上述監(jiān)管政策的實(shí)施或技術(shù)手段的支持，低空無人機(jī)運(yùn)行得到初步規(guī)范。隨著政策的調(diào)整和完善及技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)監(jiān)管體系也將日趨完善。然而，監(jiān)管發(fā)展相對(duì)滯后于技術(shù)應(yīng)用研發(fā)[11]，信息化、自動(dòng)化等高新技術(shù)的快速發(fā)展及其在無人機(jī)領(lǐng)域的深度應(yīng)用帶來的是更高標(biāo)準(zhǔn)的無人機(jī)飛行要求；尤其是在應(yīng)對(duì)未來應(yīng)用范圍廣、飛行頻次高、業(yè)務(wù)類型多、面向群體廣的低空規(guī)模化業(yè)務(wù)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)前監(jiān)管體系面臨著更大的挑戰(zhàn)。和幾十年前傳統(tǒng)無人機(jī)比較，當(dāng)代無人機(jī)是“新技術(shù)之花”，其牢牢扎根于先進(jìn)高技術(shù)和眾多科技基礎(chǔ)設(shè)施中。無人機(jī)安全運(yùn)行高度依賴飛機(jī)外部科技基礎(chǔ)設(shè)施提供支撐，包括全球?qū)Ш叫l(wèi)星、低延遲高帶寬通信、安全高效運(yùn)行和有效監(jiān)視監(jiān)管等。無人機(jī)規(guī)模化商業(yè)運(yùn)行時(shí)代，科學(xué)規(guī)劃和構(gòu)建能提供相應(yīng)支撐的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施是無人機(jī)規(guī)模化安全高效運(yùn)行的前提和基礎(chǔ)。

論文基于當(dāng)前無人機(jī)應(yīng)用發(fā)展與監(jiān)管現(xiàn)狀，分析無人機(jī)低空規(guī)模化業(yè)務(wù)運(yùn)行對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展與建設(shè)的需求，并分析存在的主要問題；結(jié)合未來技術(shù)和政策發(fā)展趨勢(shì)，提出低空無人機(jī)應(yīng)用發(fā)展建議，并總結(jié)低空無人機(jī)應(yīng)用的未來挑戰(zhàn)。

1 低空無人機(jī)業(yè)務(wù)化運(yùn)行對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的需求分析

1.1 低空無人機(jī)業(yè)務(wù)化運(yùn)行要求

當(dāng)代無人機(jī)的迅猛發(fā)展主要得益于科技發(fā)展的浪潮，例如：微電子技術(shù)帶動(dòng)了無人機(jī)元器件和傳感器的小型化、集成化發(fā)展，新材料技術(shù)助力無人機(jī)結(jié)構(gòu)趨于輕質(zhì)化、多功能化，自動(dòng)化技術(shù)帶來無人機(jī)的自動(dòng)駕駛和作業(yè)，通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的高效測(cè)控和實(shí)時(shí)高帶寬圖像傳輸功能，燃料電池、鋰離子電池等技術(shù)延長無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間，以及導(dǎo)航定位技術(shù)提供三維空間精準(zhǔn)定位導(dǎo)航服務(wù)等。高新技術(shù)通過關(guān)鍵技術(shù)催生和若干“科技基礎(chǔ)設(shè)施”的形式支撐了無人機(jī)應(yīng)用的大發(fā)展，為低空規(guī)模化業(yè)務(wù)運(yùn)行提供了必要條件。

面向低空的規(guī)模化業(yè)務(wù)應(yīng)用，運(yùn)營商安全生產(chǎn)和政府安全監(jiān)管對(duì)無人機(jī)運(yùn)行提出了高要求：① “永不迷失”，是指在導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)與各類增強(qiáng)導(dǎo)航系統(tǒng)支持下，無人機(jī)能實(shí)時(shí)獲取自身高精度位置信息；② “永不失聯(lián)”，是指在無線網(wǎng)、衛(wèi)星和公網(wǎng)等通信技術(shù)及基礎(chǔ)設(shè)施支持下，無人機(jī)時(shí)刻處于聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)；③ “有效管控”，是要求無人機(jī)用戶能按照軍/民航或地方政府頒布的空域和飛行管制要求進(jìn)行合規(guī)飛行，并及時(shí)接收管制部門指令；④ “安全運(yùn)行”，主要是對(duì)無人機(jī)運(yùn)行的確定性和安全性的要求，包括無人機(jī)運(yùn)行環(huán)境安全、無人機(jī)之間及其與“有人機(jī)”之間的運(yùn)行安全。

1.2 基礎(chǔ)設(shè)施需求

外部公共或?qū)Ｓ玫幕A(chǔ)設(shè)施是支撐以上無人機(jī)業(yè)務(wù)化運(yùn)行要求的基礎(chǔ)（圖 1），主要包括以下 4 方面。

圖1 低空無人機(jī)業(yè)務(wù)化運(yùn)行對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的需求Figure 1 Needs of infrastructures to support UAV commercial operations in low-altitude airspaces

（1）衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和各類增強(qiáng)導(dǎo)航系統(tǒng)提供無人機(jī)位置服務(wù)。當(dāng)代無人機(jī)飛行離不開導(dǎo)航系統(tǒng)，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）和各類增強(qiáng)導(dǎo)航系統(tǒng)（包括 SBAS 和 GBAS③SBAS為星基增強(qiáng)系統(tǒng)，GBAS為地基增強(qiáng)系統(tǒng)。）為無人機(jī)高精度定位提供技術(shù)及基礎(chǔ)設(shè)施支撐服務(wù)[12]。GNSS 能在地球表面或近地空間的任何地點(diǎn)為用戶提供全天候三維坐標(biāo)、速度和時(shí)間信息。目前，全球主要有四大導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，包括美國的全球定位系統(tǒng)（GPS），俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS），歐洲的伽利略導(dǎo)航系統(tǒng)（GALILEO），以及我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）。SBAS 通過提供差分修正和完好性監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)加強(qiáng) GNSS 監(jiān)測(cè)的精度和完好性，是衛(wèi)星導(dǎo)航的一種補(bǔ)充加強(qiáng)手段。衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)結(jié)合 GBAS，如通過參考站信息開展基于載波相位實(shí)時(shí)差分技術(shù)（RTK）的動(dòng)態(tài)解算，能夠達(dá)到厘米級(jí)定位精度。通過 GNSS、SBAS 及 GBAS 等系列公共基礎(chǔ)設(shè)施，可實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的動(dòng)態(tài)位置實(shí)時(shí)解算、高速移動(dòng)速度解算，提供全天時(shí)、全天候的時(shí)間基準(zhǔn)和授時(shí)通信服務(wù)。這些服務(wù)具有高精度、高可靠、多模態(tài)、兼容組合的特點(diǎn)，客觀上為無人機(jī)飛行與監(jiān)管提供了非常重要的技術(shù)支撐。然而，復(fù)雜地理環(huán)境下（如城市、自然峽谷和森林）容易出現(xiàn)信號(hào)遮擋或阻塞，從而降低衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的可用性和定位準(zhǔn)確性。對(duì) GPS 精度的研究試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于山體或建筑物導(dǎo)致衛(wèi)星信號(hào)阻塞，無人機(jī)定位漂移可能超過 20 米[13]。這使得用戶需要尋求其他獨(dú)立于 GNSS 的外部基礎(chǔ)設(shè)施解決方案[14]。

（2）衛(wèi)星通信系統(tǒng)和地面移動(dòng)通信網(wǎng)支撐無人機(jī)聯(lián)網(wǎng)通信。無人機(jī)安全飛行和監(jiān)管要求無人機(jī)必須時(shí)刻處于聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)。當(dāng)前無人機(jī)通信主要基于無線、衛(wèi)星中繼與地面移動(dòng)通信技術(shù)。其中，無線通信通過數(shù)傳電臺(tái)或無線局域網(wǎng)技術(shù)（主要是指 2.4 吉赫茲）實(shí)現(xiàn)，均需要進(jìn)一步開發(fā)完善。無線數(shù)傳電臺(tái)在特定頻段上進(jìn)行簡單點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，存在頻譜資源可用性和通信延遲等挑戰(zhàn)；無線局域網(wǎng)技術(shù)是一種短距離通信傳輸技術(shù)，存在信號(hào)易受遮擋和干擾等問題。無人機(jī)衛(wèi)星中繼通信通過專用機(jī)載模塊利用北斗等低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，成本較高，一般應(yīng)用于無人區(qū)等特殊作業(yè)場(chǎng)景，以及應(yīng)急情況下的無人機(jī)通信服務(wù)。相比傳統(tǒng)通信手段，地面移動(dòng)通信技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于高速率、低成本和基礎(chǔ)設(shè)施覆蓋范圍廣。當(dāng)前廣泛支撐無人機(jī)作業(yè)的地面移動(dòng)通信技術(shù)主要是 4G 通信技術(shù)，基于覆蓋全國的 4G 通信基礎(chǔ)設(shè)施，在大部分應(yīng)用場(chǎng)景下，監(jiān)管部門和用戶能實(shí)時(shí)獲取聯(lián)網(wǎng)無人機(jī)信號(hào)。隨著低空時(shí)代的到來，無人機(jī)業(yè)務(wù)化、商業(yè)化運(yùn)行對(duì)實(shí)時(shí)通信提出了更高要求，高帶寬、低時(shí)延、端對(duì)端是保障低空業(yè)務(wù)化穩(wěn)定運(yùn)行的基本條件。由于空中通信業(yè)務(wù)的特殊性，當(dāng)前面向地面用戶的主流通信技術(shù)難于滿足數(shù)百米高度層和高帶寬穩(wěn)定應(yīng)用要求，而具備高帶寬、低時(shí)延、滿足更深低空縱深覆蓋的新一代通信技術(shù)（如 5G 通信技術(shù)）將是低空無人機(jī)應(yīng)用主要低成本保障性通信手段。

（3）無人機(jī)交通管理系統(tǒng)和云系統(tǒng)服務(wù)無人機(jī)合法合規(guī)運(yùn)行。當(dāng)前各國都在建設(shè)無人機(jī)云端管理系統(tǒng)[15]，中國也提出了 UOM 一期建設(shè)框架，同時(shí)行業(yè)部門更早的時(shí)候也研發(fā)了無人駕駛航空器空中交通管理信息服務(wù)系統(tǒng)（UTMISS）服務(wù)平臺(tái)④中國民用航空局. 無人駕駛航空器空中交通管理信息服務(wù)系統(tǒng)（UTMISS）. [2022-06-01]. https://www.utmiss.com/.。在中國民用航空局的主導(dǎo)和授權(quán)下，各行業(yè)和企業(yè)也開展了一些無人機(jī)試點(diǎn)工作，如UTMISS在深圳和海南的空域開展審批試點(diǎn)工作。總之，頂層架構(gòu)UOM，核心UTMISS，行業(yè)無人機(jī)云，以及公安部、工業(yè)和信息化部等部門關(guān)于無人機(jī)系統(tǒng)的政策（地理圍欄、無人機(jī)實(shí)名登記注冊(cè)等），都為無人機(jī)安全運(yùn)行提供了相應(yīng)支撐。當(dāng)前，任何一架無人機(jī)都必須在合法云系統(tǒng)監(jiān)管條件下方能合法飛行。事實(shí)上，這也是一個(gè)服務(wù)無人機(jī)低空應(yīng)用發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施。中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所主持研發(fā)的“中科天網(wǎng)”云服務(wù)系統(tǒng)也獲得中國民用航空局批準(zhǔn)運(yùn)行⑤中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所. “中科天網(wǎng)”無人機(jī)綜合管理云系統(tǒng)正式獲得中國民用航空局批準(zhǔn)運(yùn)行. (2019-04-17)[2022-06-01]. http://www.igsnrr.cas.cn/xwzx/zhxw/201904/t20190417_5276493.html.。

（4）高精度氣象預(yù)報(bào)和無人機(jī)驗(yàn)證場(chǎng)支撐安全運(yùn)行與科學(xué)實(shí)驗(yàn)。在實(shí)際飛行中，切變風(fēng)和大氣邊界層湍流等局地極端氣候一直是造成低空無人機(jī)運(yùn)行事故的重要原因。尤其是在城市復(fù)雜環(huán)境下，風(fēng)場(chǎng)的快速動(dòng)態(tài)變化會(huì)降低無人機(jī)飛行的穩(wěn)定性，氣壓變化帶來的感知高度誤差也會(huì)降低無人機(jī)的定位精度，嚴(yán)重影響起降階段運(yùn)行安全。為了保障低空無人機(jī)運(yùn)行安全，需要提前預(yù)報(bào)和及時(shí)獲取沿途及起降場(chǎng)的天氣情況。然而，大區(qū)域范圍的高精度氣象預(yù)報(bào)要求高算力、高存儲(chǔ)空間和精細(xì)化高分辨率天氣預(yù)報(bào)模式支持，當(dāng)前區(qū)域氣象預(yù)報(bào)模式模擬結(jié)果的時(shí)空精度還達(dá)不到要求，尤其是風(fēng)力風(fēng)速的預(yù)報(bào)還存在比較大的誤差，無法滿足高頻次的低空商業(yè)運(yùn)行需求。另外，在無人機(jī)應(yīng)用進(jìn)程中，需要在特定區(qū)域特定場(chǎng)景內(nèi)進(jìn)行多類別無人機(jī)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證沖突避讓、低空監(jiān)管、對(duì)地遙感等關(guān)鍵技術(shù)的可行性與合理性。無人機(jī)驗(yàn)證場(chǎng)是一種保障無人機(jī)科學(xué)試驗(yàn)飛行安全的重要基礎(chǔ)設(shè)施，其對(duì)于無人機(jī)未來商業(yè)化運(yùn)行不可或缺。近 20 年來，中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所和空天信息創(chuàng)新研究院等已陸續(xù)在全國結(jié)合中國科學(xué)院野外科學(xué)臺(tái)站或通過與地方合作，建設(shè)了一批面向多應(yīng)用場(chǎng)景的無人機(jī)綜合驗(yàn)證場(chǎng)（圖 2），初步形成無人機(jī)空港服務(wù)網(wǎng)，并在科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)和應(yīng)急觀測(cè)實(shí)踐中發(fā)揮了重要作用⑥江西省人民政府. 國家防總秘書長、應(yīng)急管理部副部長兼水利部副部長周學(xué)文調(diào)研指導(dǎo)鄱陽湖模型試驗(yàn)研究基地工作. (2020-07-21)[2022-06-01]. http://www.jiangxi.gov.cn/art/2020/7/21/art_5194_2629068.html.。

圖2 部分中國科學(xué)院無人機(jī)驗(yàn)證場(chǎng)展示[16]Figure 2 Demonstrations of part of UAV verification fields of Chinese Academy of Sciences[16]

1.3 基礎(chǔ)設(shè)施問題分析

目前，公共或?qū)Ｓ玫幕A(chǔ)設(shè)施支撐無人機(jī)運(yùn)行還局限于小規(guī)模、低頻次和簡單環(huán)境。面向未來無人機(jī)商業(yè)化運(yùn)行大發(fā)展，尤其是低空無人機(jī)規(guī)模化和體系化發(fā)展，當(dāng)前基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)體系還存在以下問題需要不斷完善和改進(jìn)： 對(duì)于高精度導(dǎo)航，GPS 和廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)（ADS-B）等當(dāng)前常用無人機(jī)導(dǎo)航和監(jiān)視技術(shù)在復(fù)雜城市環(huán)境中存在位置誤差較大、高密度環(huán)境過飽和等問題； 在通信覆蓋方面，無線通信易受環(huán)境干擾，衛(wèi)星通信成本較高，地面移動(dòng)通信基礎(chǔ)設(shè)施無法有效覆蓋空中通信需求； 對(duì)于低空無人機(jī)運(yùn)行的監(jiān)視監(jiān)管，無人機(jī)監(jiān)管平臺(tái)及云交換系統(tǒng)只能監(jiān)管主動(dòng)接入系統(tǒng)的無人機(jī)，無法有效監(jiān)管未注冊(cè)和非合作無人機(jī)，也無法有效避免無人機(jī)與地表障礙物的碰撞； 對(duì)于安全運(yùn)行，現(xiàn)行氣象預(yù)報(bào)服務(wù)也僅適用于區(qū)域尺度要素?cái)?shù)值預(yù)報(bào)，沒有針對(duì)飛行路線的帶狀氣象定制服務(wù)，無法保障低空氣象預(yù)報(bào)及時(shí)滿足業(yè)務(wù)化運(yùn)行需求。

總之，由于缺乏滿足發(fā)展需求的技術(shù)體系和相適應(yīng)的科技基礎(chǔ)設(shè)施支撐，規(guī)模化無人機(jī)在緊鄰復(fù)雜地理環(huán)境的低空無法做到常態(tài)化安全高效運(yùn)行，其中將低空公共航路作為安全高效運(yùn)行的保障性新型基礎(chǔ)設(shè)施這一觀念逐漸獲得地方政府和空域監(jiān)管部門的認(rèn)可[17,18]。當(dāng)前無人機(jī)管理系統(tǒng)和云平臺(tái)實(shí)際上是沒有航路的，而構(gòu)建航路在近些年已經(jīng)為很多物流企業(yè)所實(shí)踐⑦人民日?qǐng)?bào). 美團(tuán)無人機(jī)助力全國首個(gè)城市低空物流運(yùn)營示范中心建設(shè). (2021-07-10)[2022-06-01]. https://wap.peopleapp.com/article/6246541/6144731.。以低空公共航路為核心，在當(dāng)前基礎(chǔ)設(shè)施水平和高技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)上，融合高精度多組合導(dǎo)航定位、5G聯(lián)網(wǎng)通信、精細(xì)氣象預(yù)報(bào)等新一代技術(shù)，構(gòu)建以航路為載體的低空無人機(jī)應(yīng)用服務(wù)能力，升級(jí)完善固有基礎(chǔ)設(shè)施或者新建基礎(chǔ)設(shè)施形成新型基礎(chǔ)設(shè)施體系，對(duì)于應(yīng)對(duì)規(guī)模化低空業(yè)務(wù)運(yùn)行十分重要。

2 低空公共航路網(wǎng)是低空無人機(jī)運(yùn)行關(guān)鍵新型基礎(chǔ)設(shè)施

關(guān)于為無人機(jī)運(yùn)行預(yù)設(shè)航路，當(dāng)前國內(nèi)外存在一種有爭議的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)，即無人機(jī)的發(fā)展是遵循自由飛行還是沿航路飛行。溫故知新，民航運(yùn)輸發(fā)展經(jīng)歷了自由飛行到航路飛行的歷史。早期，在飛機(jī)數(shù)量少的時(shí)候飛行員在航線選擇上有很大的自由度。現(xiàn)在飛機(jī)越來越多，缺乏航路劃設(shè)和管制造成了嚴(yán)重的機(jī)毀人亡事故，這促使各國在全球范圍內(nèi)建立了完善的空中交通管理（ATM）體系。空域管理問題可以比喻為泳池管理問題。當(dāng)游泳池里面人滿為患，并且需求與能力各異時(shí)，如何提升游泳池利用率？設(shè)計(jì)泳道是很好的解決方案。其實(shí)航路就是空中的“泳道”，也是解決低空無人機(jī)有序運(yùn)行的“良方”。人自身具備很好的探測(cè)與避讓（D&A）功能，但是人足夠多時(shí)游泳池還是需要規(guī)劃泳道。同理，盡管無人機(jī)可以通過 D&A 功能實(shí)現(xiàn)避讓，對(duì)于規(guī)模化無人機(jī)安全高效運(yùn)行，航路將是重要選項(xiàng)。

2.1 無人機(jī)低空公共航路發(fā)展現(xiàn)狀

2017 年，中國科學(xué)院首先提出發(fā)展無人機(jī)低空公共航路倡議[19]。2019 年，中國民用航空局將低空航路納入《無人駕駛航空器飛行管理暫行條例（征求意見稿）》[17]，確定了國內(nèi)發(fā)展無人機(jī)低空航路的趨勢(shì)。UOM 系統(tǒng)雖然沒有航路服務(wù)功能，但是中國科學(xué)院和中國民用航空局簽訂了戰(zhàn)略協(xié)議，中國科學(xué)院重點(diǎn)項(xiàng)目支持研發(fā)的春蠶系統(tǒng)（ARPS）在科技層面實(shí)現(xiàn)了與中國民用航空局 UOM 的耦合（圖 3）。春蠶系統(tǒng)也是國內(nèi)首個(gè)具備航路規(guī)劃與仿真飛行驗(yàn)證功能的系統(tǒng)，包括智能化算法庫、高動(dòng)態(tài)海量基礎(chǔ)地理信息與遙感大數(shù)據(jù)平臺(tái)、航路網(wǎng)規(guī)劃構(gòu)建與仿真驗(yàn)證模塊和系統(tǒng)產(chǎn)出的“天路圖”（圖 4）。

圖3 春蠶系統(tǒng)（ARPS）與民用無人駕駛航空器綜合管理平臺(tái)（UOM）耦合界面 Figure 3 Coupling interface between air route planning system (ARPS) and integrated management platform of civil unmanned aerial vehicle (UOM)

圖4 春蠶系統(tǒng)（ARPS）輸出的“天路圖”展示Figure 4 Demonstration of “Sky Roadmap” in air route planning system (ARPS)

2021 年 12 月，中國科學(xué)院牽頭制定的“面向無人機(jī)運(yùn)行的低空空域結(jié)構(gòu)化框架標(biāo)準(zhǔn)”（IEEE Std 1939.1TM-2021）正式出版，這是電氣與電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）首個(gè)關(guān)于無人機(jī)低空運(yùn)行的國際標(biāo)準(zhǔn)[20]。該標(biāo)準(zhǔn)定義了一種以低空公共航路為核心，旨在促進(jìn)無人機(jī)交通管理安全和有效發(fā)展的無人機(jī)低空空域結(jié)構(gòu)，包括網(wǎng)格技術(shù)、遙感數(shù)據(jù)、通信與聯(lián)網(wǎng)、航路規(guī)劃、運(yùn)行和管理等內(nèi)容（圖 5）。其中，網(wǎng)格和編碼技術(shù)是構(gòu)建結(jié)構(gòu)化低空的基礎(chǔ)性技術(shù)，遙感及其地物識(shí)別提取是低空結(jié)構(gòu)化建設(shè)所需地表地理信息的重要來源，通信和聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可為低空無人機(jī)運(yùn)行提供高質(zhì)量、安全可靠的通信和數(shù)據(jù)鏈路，低空航路是一種精細(xì)的低空空域結(jié)構(gòu)，運(yùn)行和管理技術(shù)從 UTM 建設(shè)角度提供航路運(yùn)行建議。

圖5 “面向無人機(jī)運(yùn)行的低空空域結(jié)構(gòu)化框架標(biāo)準(zhǔn)”（IEEE Std 1939.1TM-2021）的內(nèi)容框架Figure 5 Structure of standard of “A framework for structuring low altitude airspace for UAV operation” (IEEE Std 1939.1TM-2021)

2.2 無人機(jī)低空公共航路構(gòu)建關(guān)鍵問題

低空地理環(huán)境復(fù)雜多變，不僅有著起伏的地形地貌和動(dòng)態(tài)變化的合法/非法建筑物，以及電網(wǎng)、高塔、風(fēng)車等人工構(gòu)筑物，還有局地極端天氣。同時(shí)，在低空運(yùn)行的航空器會(huì)帶來噪音，影響居民生活，并且機(jī)地通訊也易受電磁環(huán)境和地形干擾等，這些都是不利無人機(jī)飛行的因素。因此，在低空規(guī)劃航路困難重重。要發(fā)展和建設(shè)無人機(jī)低空公共航路基礎(chǔ)設(shè)施，以下 2 個(gè)關(guān)鍵問題亟須解決。

無人機(jī)低空公共航路敏感約束地理要素快速識(shí)別與精準(zhǔn)提取。清晰明確的地理環(huán)境是低空無人機(jī)安全運(yùn)行的前提條件。城市低空環(huán)境復(fù)雜多變，地物尺度精細(xì)。由于重返周期和空間分辨率等限制，衛(wèi)星遙感手段很難滿足高動(dòng)態(tài)精細(xì)地理信息獲取的要求。隨著傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)動(dòng)靈活的無人機(jī)通過搭載多類型傳感器逐漸成為動(dòng)態(tài)獲取高清遙感影像的有效手段。基于此，通過半自動(dòng)/自動(dòng)化的地物識(shí)別與提取算法，用戶可以快速獲取高精度航路敏感約束地理要素信息。為支撐大范圍規(guī)模化商業(yè)飛行，建議構(gòu)建航路空間范圍內(nèi)關(guān)鍵約束要素的動(dòng)態(tài)更新周期與飛行安全間定量關(guān)系，并通過大數(shù)據(jù)平臺(tái)等技術(shù)手段整合不同來源的高分辨率高動(dòng)態(tài)更新無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)，從而降低地理信息獲取、更新和航路維護(hù)的成本。

約束地理要素三維凈空范圍的科學(xué)確定。地理圍欄是一種通過劃定凈空范圍來保障禁飛區(qū)安全和規(guī)范無人機(jī)運(yùn)行的技術(shù)手段。空域監(jiān)管部門通過劃定永久或臨時(shí)凈空范圍來限制無人機(jī)活動(dòng)。從已公布的地理圍欄數(shù)據(jù)來看，當(dāng)前凈空范圍遠(yuǎn)超無人機(jī)避障所需空間。當(dāng)代無人機(jī)已經(jīng)可以靈活快速躲避障礙物，而例如離電力線和塔桿一公里等凈空范圍的規(guī)定，雖能降低無人機(jī)碰撞風(fēng)險(xiǎn)，但也極大地降低了低空空域資源的利用率。因此，為了應(yīng)對(duì)業(yè)務(wù)化運(yùn)行時(shí)代低空空域資源的稀缺性問題，建議進(jìn)一步科學(xué)論證約束地理要素的三維凈空范圍，尤其是一些關(guān)鍵的地理約束要素（如建筑物等）和重要的飛行條件（如噪聲、隱私等），明確無人機(jī)與上述要素的安全間隔。

3 基于低空公共航路的新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)展望

在信息化、自動(dòng)化和高性能計(jì)算等新一代技術(shù)迅速發(fā)展的背景下，開展以低空公共航路為核心的通信、導(dǎo)航、監(jiān)視（CNS）和航路氣象服務(wù)等專用能力建設(shè)是未來面向低空業(yè)務(wù)化運(yùn)行的新基建發(fā)展趨勢(shì)，建議形成如圖 6 所示的新基建體系。

圖6 基于低空公共航路的低空無人機(jī)應(yīng)用發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施體系Figure 6 Infrastructure system of UAV application development in low-altitude airspace based on low-altitude public air routes

3.1 構(gòu)建基于低空公共航路的無人機(jī) CNS 能力

（1）通信。當(dāng)前地面移動(dòng)通信基礎(chǔ)設(shè)施布局無法有效覆蓋 300 米高度以上的無人機(jī)通信需求，易出現(xiàn)信號(hào)中斷等問題[21]。構(gòu)建基于低空公共航路的高速率、高帶寬、低延時(shí)的專用通信環(huán)境將是一種低空通信能力提升手段。公共通訊基礎(chǔ)設(shè)施的開放，以及專用通信能力的建設(shè)將支持高速移動(dòng)遙感無人機(jī)大容量數(shù)傳和大范圍通信的跨基站無縫切換。建議基于現(xiàn)有地面移動(dòng)通信基站布局，通過大規(guī)模天線陣列和波束賦形等新技術(shù)切換更窄的波束朝向低空運(yùn)行無人機(jī)，據(jù)此優(yōu)化調(diào)整航路沿途的通信基站天線朝向，實(shí)現(xiàn)空中信號(hào)增強(qiáng)覆蓋；結(jié)合 5G 等新一代通信技術(shù)基站的波束覆蓋特點(diǎn)完善現(xiàn)有基站的布局設(shè)計(jì)，保障低空通信的空間連續(xù)性，縮短多地面站之間的通信切換時(shí)間。

（2）導(dǎo)航。針對(duì)復(fù)雜環(huán)境下導(dǎo)航定位漂移問題，建議通過使用基于圖像的導(dǎo)航系統(tǒng)、協(xié)作導(dǎo)航或信號(hào)，以及額外的地面基礎(chǔ)設(shè)施輔助，實(shí)現(xiàn)更高的定位精度[22]。例如，GPS 和蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的組合可將誤差降低至厘米級(jí)。針對(duì) GNSS 短時(shí)間內(nèi)誤差限寬問題，結(jié)合具備短時(shí)間內(nèi)高精度位置優(yōu)勢(shì)的慣導(dǎo)系統(tǒng)，可以提高精度、可靠性和數(shù)據(jù)的更新效率，更好地服務(wù)于無人機(jī)導(dǎo)航定位需求[12]。

（3）監(jiān)視。在傳統(tǒng)雷達(dá)不足以監(jiān)視低空無人機(jī)運(yùn)行的背景下，非合作無人機(jī)一直是導(dǎo)致“黑飛”“亂飛”的主要原因。針對(duì)非合作無人機(jī)的低空監(jiān)視，自主、高效的低空監(jiān)視網(wǎng)建設(shè)應(yīng)是未來發(fā)展方向。無論是合作對(duì)象還是非合作對(duì)象，都應(yīng)具備被監(jiān)管能力。但是對(duì)于全國土范圍內(nèi)的低空全域監(jiān)管，投資將非常巨大。因此，建議基于低空公共航路建設(shè)低空監(jiān)視網(wǎng)。對(duì)于重點(diǎn)大范圍區(qū)域，可以進(jìn)行局部的全域監(jiān)視網(wǎng)建設(shè)。同時(shí)，開發(fā)克服 ADS-B 限制的先進(jìn)監(jiān)視系統(tǒng)，更高的飛行自由度將需要更復(fù)雜的 CNS 技術(shù)支撐。基于航路的低空監(jiān)視服務(wù)網(wǎng)建設(shè)將是低空產(chǎn)業(yè)鏈的“技術(shù)底座”和平穩(wěn)運(yùn)行的“能力保障”。

3.2 基于高精度預(yù)報(bào)系統(tǒng)提供低空公共航路氣象服務(wù)

高精度氣象預(yù)報(bào)的核心在于保障高空間分辨率和高預(yù)報(bào)頻次，尤其考慮到城市低空環(huán)境的復(fù)雜性和運(yùn)行無人機(jī)以輕小機(jī)型為主等特點(diǎn)，基于航路的氣象預(yù)報(bào)需要達(dá)到米級(jí)和小時(shí)級(jí)，短距離航路甚至需要達(dá)到分鐘級(jí)。如何在有限計(jì)算資源空間內(nèi)兼顧空間分辨率和時(shí)間效率？基于航路的帶狀核心氣象要素?cái)?shù)值模擬是一種有效手段。例如，有學(xué)者基于高分辨率氣候模式模擬了京津冀地區(qū)無人機(jī)低空公共航路沿途風(fēng)速風(fēng)向數(shù)值，并與氣象臺(tái)站實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析[23]。然而，當(dāng)前基于航路的精準(zhǔn)帶狀天氣預(yù)報(bào)研究進(jìn)展無法滿足無人機(jī)運(yùn)行對(duì)氣象預(yù)報(bào)的高時(shí)效性要求。建議采用自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行帶狀氣象數(shù)值快速模擬，核心問題在于氣象模式模擬時(shí)自適應(yīng)網(wǎng)格大小及網(wǎng)格移動(dòng)方式的設(shè)置。另外，如何獲取高動(dòng)態(tài)更新的城市湍流廓線也是值得探討的問題，已有學(xué)者利用無人機(jī)搭載微小型氣象站來監(jiān)測(cè)獲取城市湍流信息[24]。中國科學(xué)院相關(guān)團(tuán)隊(duì)也在航路氣象預(yù)報(bào)方面做了一些探索，并在上海金山至浙江舟山群島的無人機(jī)海上運(yùn)輸中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用⑧上海市金山區(qū)人民政府. 全國首飛成功！無人機(jī)完成海島間超長距離運(yùn)輸 舟山海鮮1小時(shí)送達(dá)上海. (2021-08-30)[2022-06-01]. https://jinshan.gov.cn/ysdt-zxdt/20210830/819793.html.，通過模擬溫度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向、濕度、降水概率等氣象指標(biāo)數(shù)值預(yù)報(bào) 50—300 米高度層的高精度氣象信息，為長距離航路運(yùn)行提供氣象保障。

4 總結(jié)

當(dāng)代無人機(jī)是高新技術(shù)交叉融合孵化出來的“新技術(shù)之花”，其在低空的安全、高效運(yùn)行需要充分用好衛(wèi)星導(dǎo)航特別是北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)、衛(wèi)星和地面移動(dòng)通信等公共基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)。在無人機(jī)規(guī)模化商業(yè)運(yùn)行時(shí)代，需要進(jìn)一步開發(fā)利用高精度導(dǎo)航、新一代移動(dòng)通信網(wǎng)等重要基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)能力，規(guī)劃和建設(shè)好面向低空無人機(jī)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的低空公共航路網(wǎng)、云監(jiān)管、低空監(jiān)視、航路氣象預(yù)報(bào)等專用基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃建設(shè)，特別是超前規(guī)劃多層級(jí)與地面基礎(chǔ)設(shè)施有機(jī)銜接的無人機(jī)低空公共航路網(wǎng)新型基礎(chǔ)設(shè)施。為了加快推進(jìn)低空公共航路網(wǎng)建設(shè)，需要中央或更多的地方政府層面出臺(tái)相關(guān)政策支持，從法律法規(guī)、關(guān)鍵技術(shù)突破和數(shù)據(jù)獲取等科學(xué)層面深化航路規(guī)劃構(gòu)建理論研究和應(yīng)用實(shí)踐推進(jìn)，為未來城市空中交通新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和安全高效運(yùn)行提供系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與基礎(chǔ)性解決方案；并借助我國民用無人機(jī)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，抓住低空經(jīng)濟(jì)發(fā)展新機(jī)遇，將低空無人機(jī)大規(guī)模商業(yè)化運(yùn)行作為低空經(jīng)濟(jì)“動(dòng)脈”，帶動(dòng)無人機(jī)制造業(yè)和服務(wù)業(yè)的發(fā)展。在國家和地方建設(shè)新型基礎(chǔ)設(shè)施有關(guān)政策支持下，相信未來幾年低空“天路”在深圳等先行示范區(qū)內(nèi)將率先開展深化研究與實(shí)際應(yīng)用探索。