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當(dāng)前，全球正在發(fā)生一場以空中無人駕駛交通為代表的運(yùn)輸模式變革。對此，美國發(fā)布《加強(qiáng)空中交通國家藍(lán)圖》報(bào)告，制定了以無人駕駛航空器為核心的先進(jìn)空中交通愿景和先進(jìn)空中交通發(fā)展戰(zhàn)略，提出了美國在該領(lǐng)域保持領(lǐng)先地位的建議，并進(jìn)行無人機(jī)空域集成技術(shù)成熟度對比分析，規(guī)劃先進(jìn)空中交通發(fā)展路線和相關(guān)項(xiàng)目。歐盟將“數(shù)字化歐洲天空”概念作為SESAR2020數(shù)字化愿景，增加了以無人駕駛航空器為代表的先進(jìn)空中交通服務(wù)研究內(nèi)容。

綜上可以看出，以“無人駕駛航空器”為代表的先進(jìn)智慧交通模式成為重要發(fā)展趨勢，歐美國家正積極布局和推進(jìn)有人和無人駕駛航空器融合運(yùn)行的新一代空管系統(tǒng)研發(fā)，并圍繞無人機(jī)空域開展政策制度審查、交通規(guī)則研究和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。

隨著通航產(chǎn)業(yè)鏈拓展和“無人機(jī)+”的新業(yè)態(tài)生成，中國經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域正開創(chuàng)一種新經(jīng)濟(jì)模式———低空經(jīng)濟(jì)模式。無人機(jī)正快速應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)作業(yè)、消費(fèi)娛樂、物流運(yùn)輸、城市管理等行業(yè)領(lǐng)域。

2022年中國無人機(jī)制造商達(dá)1200多家，登記在冊的無人機(jī)超過34萬架，中國民用無人機(jī)市場規(guī)模占世界70%以上。目前，低空飛行的航空器比例構(gòu)成發(fā)生巨大變化，無人機(jī)已多于有人機(jī)。2019年以來，商業(yè)、政府公共安全與緊急救援無人機(jī)的飛行使用量已高于有人機(jī)兩倍以上。

而與成熟的陸路、水路及民航運(yùn)輸相比，城市無人機(jī)應(yīng)用尚處在初始發(fā)展階段。城市低空空域?qū)⒊蔀閲灵_發(fā)的一類重要資源，為適應(yīng)城市先進(jìn)交通的發(fā)展，亟須構(gòu)建新型低空空域管理模式。

在數(shù)字化、信息化、智能化等為特征的再信息化過程中，電子信息技術(shù)發(fā)展的深度和應(yīng)用的廣度將幫助重塑空中交通體系，為以無人機(jī)為代表的未來低空新經(jīng)濟(jì)提供無限機(jī)遇與發(fā)展可能。

本文基于數(shù)字化低空空域系統(tǒng)，圍繞當(dāng)前城市無人機(jī)應(yīng)用管理所面臨的核心難點(diǎn)與關(guān)鍵科學(xué)問題，從政策制度、無人機(jī)運(yùn)行管控、數(shù)字低空建設(shè)等方面構(gòu)建城市無人機(jī)管理方案，可為未來先進(jìn)空中交通新模式建設(shè)提供參考。

數(shù)字化空域背景與概念

數(shù)字化空域系統(tǒng)基本內(nèi)涵

通過信息基礎(chǔ)設(shè)施支撐，構(gòu)建大規(guī)模空域數(shù)字計(jì)算系統(tǒng)，在信息空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)大尺度空域數(shù)字化重構(gòu)和表達(dá)，開展針對空域的映射管理和使用控制，最終達(dá)成以下目標(biāo)：

①空域的可視化分析。在可視化空域使用狀態(tài)基礎(chǔ)上建立空域系統(tǒng)圖，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)掌握全部空域?qū)嶋H使用分配與建設(shè)情況，為基于一致認(rèn)知的空域動態(tài)管理配置提供支撐；

②空域的可度量處理。通過發(fā)展空域管理時空大數(shù)據(jù)技術(shù)方法，建立全新的空域性能和狀態(tài)評估數(shù)值計(jì)算方法，測度全空域的交通性能，為開展交通流量、管制及作戰(zhàn)空域使用奠定基礎(chǔ)；

③空域的可計(jì)算決策。通過發(fā)展一套基于數(shù)字化空域的計(jì)算決策模型，為開展空域與交通流量管制的協(xié)同管理奠定基礎(chǔ)；同時為開展基于模型算法的空域結(jié)構(gòu)優(yōu)化、運(yùn)行控制提供支撐。

空域網(wǎng)格模型

當(dāng)前大規(guī)模計(jì)算系統(tǒng)提供的計(jì)算能力，具備了管理全球尺度百億級網(wǎng)格空域體的能力，為開展百萬級受控/非受控用空對象的空域優(yōu)化配置提供可能性，由此要設(shè)計(jì)面向空域管理的全球尺度網(wǎng)格空域模型。

空域網(wǎng)格劃分是要建立一種全新的空中交通管理與戰(zhàn)場空域空間的四維時空框架，如圖1所示，將物理空間通過空域規(guī)則劃分后，利用空域網(wǎng)格體及信息空間的映射矩陣空間，管理空中交通的空間幾何結(jié)構(gòu)和空域結(jié)構(gòu)；利用空域劃分建立的全球唯一位置碼，建立空中交通和戰(zhàn)場空域的時空大數(shù)據(jù)庫，管理和監(jiān)視空中安全態(tài)勢、容量態(tài)勢及空中運(yùn)動演化態(tài)勢，為空中交通管控決策提供數(shù)據(jù)計(jì)算方法等。

網(wǎng)格劃分模型基本思路是利用地理空間網(wǎng)格遞歸劃分，通過將連續(xù)空間離散為基本空域體，并針對不同劃分層級的基本空域體建立全球統(tǒng)一尺度的位置編碼，并用基本空域體編碼取代傳統(tǒng)的經(jīng)緯度位置來標(biāo)識空間方位；依據(jù)空間位置描述精度要求，選擇相應(yīng)劃分層級的基本空域體，通過組合描述方法建立任意形狀空域近似標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)；

以空域體編碼為索引，建立描述空域管理狀態(tài)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實(shí)時動態(tài)表述基本空域體承載空中交通的關(guān)聯(lián)態(tài)勢；建立空域數(shù)值計(jì)算方法來管理各類空域活動和智能調(diào)度與控制空域結(jié)構(gòu)。基于此需求和目的，空域網(wǎng)格劃分的基本原則包括。

（1）統(tǒng)一基準(zhǔn)，全球覆蓋。對地球表面垂直至臨近空間范圍內(nèi)的空域，建立統(tǒng)一的基本空域網(wǎng)格高度位置基準(zhǔn)；對全球尺度范圍內(nèi)空域，建立統(tǒng)一的基本空域網(wǎng)格水平位置基準(zhǔn)；采用等緯度球面退化網(wǎng)格劃分方法進(jìn)行合幅處理，解決地球南北兩極高緯度區(qū)域的網(wǎng)格變形問題。

（2）兼容并包，相互轉(zhuǎn)換。兼容地理位置網(wǎng)格碼及北斗網(wǎng)格位置碼等既有國家標(biāo)準(zhǔn)，并入或包含航空領(lǐng)域相關(guān)的地理位置編碼規(guī)范，并實(shí)現(xiàn)與相關(guān)網(wǎng)格位置碼的相互轉(zhuǎn)換。

（3）簡單實(shí)用，精準(zhǔn)高效。以地理經(jīng)緯網(wǎng)格為原型，遵循國際民航組織公約推薦航圖地理信息要求，劃分不同層級的基本空域體，并基于空域管理需求在不同層級網(wǎng)格上建立相應(yīng)的應(yīng)用規(guī)范。

無人機(jī)空域進(jìn)入面臨的挑戰(zhàn)

目前無人機(jī)空域進(jìn)入呈指數(shù)級增長態(tài)勢，已對傳統(tǒng)空管系統(tǒng)構(gòu)成了巨大挑戰(zhàn)。將無人機(jī)飛行安全納入現(xiàn)有空域系統(tǒng)的管理方法將很快達(dá)到性能極限，特別是無人機(jī)執(zhí)行復(fù)雜操作指令和目視之外飛行時，安全融入空域系統(tǒng)將變得更加艱難。