低空空域動態管理與無人機航線優化策略研究

DOI：10.12433/zgkjtz.20250611

隨著現代科技的飛速發展，無人機在各個領域的應用日益廣泛，從航拍、農業植保到物流配送、應急救援等，無人機已成為不可或缺的一部分。然而，無人機的大量使用也給低空空域管理帶來前所未有的挑戰。低空空域一般是指高度在1000米以下的空域，具有開放性、復雜性和動態性等特點，管理難度較大。如何實現低空空域的有效管理，以促進無人機應用的健康有序發展，成為當下亟待解決的重要問題。目前，我國在低空空域管理方面已采取一系列措施，包括完善相關法律法規、創新監管手段、建立專門的管理機構和服務平臺等，但仍存在法規政策落實不到位、管理技術和手段滯后、不同部門協調合作不順暢等問題。隨著城市化進程加快，地面交通擁堵加劇，開發低空資源、發展城市空中交通已成為前沿熱點問題。優化無人機航線，保障無人機運行安全、有序和高效，對于構建安全、經濟、綠色、規范的城市空中交通體系具有重要意義。

一、低空空域動態管理現狀與問題分析

（一）當前低空空域動態管理現狀

在過去三年里，對低空空域的使用需求顯著上升，促使對空管要求的提升。為應對這一變化，民航總局已將低空空域細分為“控制”“監控”與“報告”三大類別，并相應地制定規章和保障措施以確保其運作[。盡管如此，我國空域的劃分尚存在不合理之處，調整進程緩慢，管理范圍有限，且體制尚不完善，這些因素均會制約航空運輸企業的發展。此外，法律體系的不完善、基礎設施的缺陷、責任界定的模糊以及服務提供的不及時，均增加行業風險。同時，飛機種類的多樣性以及飛行任務的日益復雜化，也給我國的航空管制帶來新的挑戰。因此，迫切需要對我國低空空域實施有效的管理和控制。

（二）面臨的管理難題

截至2023年末，中國的低空無人機總飛行時間已經超過2311萬小時，2023年的飛行時間是144.25萬小時，與去年相比，增加 11.8% 。在過去五年中呈現快速增長態勢，達到世界領先水平[。如圖1所示，低空空域中的輕型和小型無人機已成為主力軍。

然而，我國目前正面臨空中交通量激增、空中空間資源緊張以及管理方法不足等挑戰，這些問題限制我國低空經濟的快速發展。在航空運輸領域，目前存在幾個關鍵問題：

1.空域資源緊缺。截至2022年底，全國注冊的低空航空器數量已達到126.7萬余架，然而，可供通航的低空航道數量卻不足1000條。相應的起降平臺和導航設備等基礎設施同樣稀缺，導致航空需求與空間資源之間的矛盾日益加劇。大量航班無法在規定時限內準時執行，其準點率低于 60% ，并且往往需要長時間等待才能獲得飛行批準。

2.缺乏必要的科技支持。航空運輸的發展依賴于監測、通信、評估等先進科技。《無人駕駛航空器飛行管理暫行條例》明確指出，需要建立一個綜合性的監管和業務平臺，并在全國范圍內推廣使用[。但目前，空管技術人員在掌握和應用這些前沿技術方面存在不足，難以滿足管理需求，新系統的建設仍在探索階段。

二、低空空域動態管理政府機構職能分析

（一）優化完善低空空域管理體系

我國目前實行的是一種將空中交通管制（以下簡稱“空管”）與空中防御（簡稱“空防”）相結合的空域管理體系。中國人民解放軍空軍作為空域管理的核心主體，統籌全國空域資源的戰略分配與動態調配，同時依托軍民融合機制協調軍事航空與民用航空的協同運行。在低空空域管理實踐中，軍事空域優先保障國防需求，而民航部門則通過劃設低空目視飛行航線、臨時飛行空域等方式釋放資源。然而，現行體系仍面臨軍民空域劃設界限模糊、跨部門協調效率不足等問題。對此，需進一步推進空域分類改革，建立基于動態需求的空域共享模型，并開發智能化空域管理平臺，實現空域資源實時可視化監測與自適應分配。

（二）持續加強低空飛行活動管理

截至2023年底，全國已構建起覆蓋15個省級行政區的低空飛行服務保障網絡，形成 分級管理模式。以四川、湖南等試點省份為例，其通過搭建低空空域協同管理數字平臺，整合軍航管制系統、民航ADS-B監視數據及地方氣象信息，實現飛行計劃審批周期從72小時壓縮至4小時以內。在技術層面，引入區塊鏈技術構建飛行活動存證系統，確保申報數據的不可篡改性。在服務層面，開發移動端“一鍵通”應用程序，集成空域狀態查詢、三維電子圍欄預警、應急響應通道等12項功能。未來需重點突破多源異構數據融合難題，構建低空飛行態勢認知智能體，提升復雜場景下的動態風險預判能力。

（三）合理分配低空航空器管理職責

當前我國對低空無人機的監管采用全生命周期穿透式管理模式，形成“設計一生產一運行一退役”閉環監管鏈條。以適航管理為例，民航局通過推行基于風險的差異化審定策略，對 25kg 以上無人機實施型號合格審定（TC），對 7～25kg 無人機采用設計生產聯合審定（PC），而 7kg 以下機型則通過標準化檢測認證簡化流程。在運行階段，建立無人機云系統（U-Cloud）實現飛行數據實時回傳，并探索運用 ^α5G+ 北斗”高精度定位技術劃定電子圍欄。針對日益增多的物流無人機、載人eVTOL等新興業態，亟需制定《無人駕駛航空器飛行管理暫行條例》實施細則，明確地方政府在空域協調、起降點建設及事故應急處置中的權責邊界，構建分級分類的協同監管框架。

三、無人機航線優化策略

（一）航線設計

為了確保無人機能夠安全、高效地完成飛行任務，本文深入研究了基于MO-RRT（Multi-OptimizationRRT）算法的無人機航線設計與優化方法，旨在為無人機在復雜多變的環境中提供一條既安全又高效的飛行路徑。

MO-RRT算法作為一種先進的路徑規劃算法，結合了快速擴展隨機樹（RRT）的隨機探索能力和多目標優化策略，能夠在復雜環境中快速找到一條從起點到目標點的可行路徑，同時兼顧路徑的最優性和飛行安全性。該算法通過引入多目標優化機制，對傳統的RRT算法進行了改進和優化，使其在路徑規劃過程中能夠綜合考慮多種因素，如飛行距離、避開威脅區域、飛行穩定性等，從而生成一條綜合性能最優的飛行航線。

（二）航線優化

1.模擬測試環境

通過一系列仿真實驗，驗證MO-RRT在飛機航跡優化中的應用效果。表1為試驗中的參數設定。

由于RRT算法的隨機特性，即便是在相同條件下，每次規劃的結果也可能有所不同。為排除這種隨機性的干擾，每種算法都進行1000次測試，并計算規劃結果的平均值。

2.實驗成果及分析

（1）優化策略的驗證。將計劃面積設為60kmx60km，以（10、10）作為目標點，以（59、59）作為結束。該雷達設置在（30、30）處。

通過1000個模擬試驗，這兩種方法的性能指標顯示在表2中。

樹節點數目多（2034.2），結構復雜，產生的路徑不是最優的。與傳統的遺傳算法相比，MO-RRT算法只需要118.4個結點，在一定程度上減少搜索樹的規模，加快算法的收斂速度。另外，經過平均飛行距離的比較可知，用標準的RRT方法產生的航路，都是遠離雷達威脅區（圖中的灰色區域），從而延長航路長度。而MO-RRT算法可以在不被雷達發現的前提下，以較小的飛行路徑通過雷達的最大搜索距離。

（2）航路實時優化設計方法的有效性。為了進一步驗證MO-RRT算法在復雜戰場條件下的航跡規劃能力，本文利用該算法對實時航路進行了優化設計。圖2展示了基于MO-RRT算法的航線設計即時流程，包括根據已知危險進行的預先路線計劃、無人機在飛行過程中檢測到突發危險時的實時再規劃，以及最終生成的優化航線。

圖2（a）是根據已知的危險（表示事先計劃好的路線）進行的路線計劃。當無人機在某個航路上檢測到前面有突然的危險時，它的藍色線條表示已經飛行的路線，見圖2（b）。利用MO-RRT方法對航跡進行重新規劃，其中紅線表示的是實時再計劃航路，見圖2（c）。圖2（d）是一條根據重新計劃路線進行的無人機的路線。基于此，本研究提出一種基于再規劃時間、航線節點數目以及航線長度的優化方法。

在實際飛行過程中，當無人機沿著預先規劃的航線飛行時，如果檢測到前方存在突發危險，如敵方雷達、防空武器等，就需要迅速重新規劃航線以避開危險并繼續向目標點飛行。MO-RRT算法能夠在極短的時間內完成這一過程，經過1000次仿真實驗，其平均重新規劃時間為180毫秒，這對于處理突發事件來說是足夠迅速的。此外，基于該算法重新設計了83條新的航路，總航路長度為247.02公里，這些航路不僅能夠有效避開危險區域，還保持了較好的飛行性能和穩定性，充分證明了MO-RRT算法在航路實時優化設計中的有效性和實用性。

綜上所述，MO-RRT算法在無人機航線設計與優化中展現出了顯著的優勢，不僅能夠快速生成安全、高效的飛行路徑，還能在復雜多變的環境中實現實時的航路優化，為無人機在低空空域中的安全飛行提供有力保障。

四、結語

綜上所述，本文通過對低空空域動態管理現狀與問題的深入分析，明確政府機構在其中的關鍵職能，并提出針對性的優化建議。同時，對無人機航線優化策略的研究，為提升無人機飛行效率和安全性提供有力支持。未來，應繼續加強低空空域管理與無人機航線優化的研究與實踐，以適應航空航天事業的快速發展。通過不斷完善管理體系和優化航線策略，將有力推動低空經濟的高效、安全、有序發展。

參考文獻：

[1]陶偉文，馮登超，吳佑軍，等.低空空域管理改革背景下民用無人駕駛航空器安全管理初探Ⅲ.軍民兩用技術與產品，2023（1）：28-33.

[2]張洪海，夷珈，李姍，等.低空空域容量評估研究綜述[J]交通運輸工程學報，2023，23（6）：78-93.

[3]趙嶷飛，李亞鵬.基于“信號燈\"策略的無人機航線交叉口控制方法：以杭州華正起降場空域為例[J].科學技術與工程，2024，24（27）：11909-11918.

[4]張健，王守源，趙飛，等.城市無人機航線飛行間隔與調控頻率綜合研究[J].交通信息與安全，2024，42（1）：11-18.

[5]韓佩佩，周鑫鑫，戚知晨，等.自然資源離散監測圖斑無人機航線規劃方法研究[J].測繪科學，2022

[6]高九州，張焯.基于改進A*算法的無人機三維空間避障路徑規劃[J].計算機測量與控制，2023，31（12：203-209.

（作者單位：四川九洲空管科技有限責任公司）