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當前，全球正在發(fā)生一場以空中無人駕駛交通為代表的運輸模式變革。對此，美國發(fā)布《加強空中交通國家藍圖》報告，制定了以無人駕駛航空器為核心的先進空中交通愿景和先進空中交通發(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，并進行無人機空域集成技術(shù)成熟度對比分析，規(guī)劃先進空中交通發(fā)展路線和相關(guān)項目。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有人和無人駕駛航空器融合運行的新一代空管系統(tǒng)研發(fā)，并圍繞無人機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+”的新業(yè)態(tài)生成，中國經(jīng)濟領(lǐng)域正開創(chuàng)一種新經(jīng)濟模式———低空經(jīng)濟模式。無人機正快速應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)作業(yè)、消費娛樂、物流運輸、城市管理等行業(yè)領(lǐng)域。

2022年中國無人機制造商達1200多家，登記在冊的無人機超過34萬架，中國民用無人機市場規(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，無人機已多于有人機。2019年以來，商業(yè)、政府公共安全與緊急救援無人機的飛行使用量已高于有人機兩倍以上。

而與成熟的陸路、水路及民航運輸相比，城市無人機應(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，為以無人機為代表的未來低空新經(jīng)濟提供無限機遇與發(fā)展可能。

本文基于數(shù)字化低空空域系統(tǒng)，圍繞當前城市無人機應(yīng)用管理所面臨的核心難點與關(guān)鍵科學問題，從政策制度、無人機運行管控、數(shù)字低空建設(shè)等方面構(gòu)建城市無人機管理方案，可為未來先進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)字計算系統(tǒng)，在信息空間內(nèi)實現(xiàn)大尺度空域數(shù)字化重構(gòu)和表達，開展針對空域的映射管理和使用控制，最終達成以下目標：

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，實現(xiàn)精準掌握全部空域?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空域的可計算決策。通過發(fā)展一套基于數(shù)字化空域的計算決策模型，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、運行控制提供支撐。

空域網(wǎng)格模型

當前大規(guī)模計算系統(tǒng)提供的計算能力，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)勢及空中運動演化態(tài)勢，為空中交通管控決策提供數(shù)據(jù)計算方法等。

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準結(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，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；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；采用等緯度球面退化網(wǎng)格劃分方法進行合幅處理，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準，并入或包含航空領(lǐng)域相關(guān)的地理位置編碼規(guī)范，并實現(xiàn)與相關(guān)網(wǎng)格位置碼的相互轉(zhuǎn)換。

（3）簡單實用，精準高效。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。

無人機空域進入面臨的挑戰(zhàn)

目前無人機空域進入呈指數(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)。將無人機飛行安全納入現(xiàn)有空域系統(tǒng)的管理方法將很快達到性能極限，特別是無人機執(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。