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當前，全球正在發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展戰略，提出了美國在該領域保持領先地位的建議，并進行無人機空域集成技術成熟度對比分析，規劃先進空中交通發展路線和相關項目。歐盟將“數字化歐洲天空”概念作為SESAR2020數字化愿景，增加了以無人駕駛航空器為代表的先進空中交通服務研究內容。
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研發，并圍繞無人機空域開展政策制度審查、交通規則研究和關鍵技術攻關。
隨著通航產業鏈拓展和“無人機+”的新業態生成，中國經濟領域正開創一種新經濟模式———低空經濟模式。無人機正快速應用于工農業作業、消費娛樂、物流運輸、城市管理等行業領域。
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模占世界70%以上。目前，低空飛行的航空器比例構成發生巨大變化，無人機已多于有人機。2019年以來，商業、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，城市無人機應用尚處在初始發展階段。城市低空空域將成為國土開發的一類重要資源，為適應城市先進交通的發展，亟須構建新型低空空域管理模式。
在數字化、信息化、智能化等為特征的再信息化過程中，電子信息技術發展的深度和應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濟提供無限機遇與發展可能。
本文基于數字化低空空域系統，圍繞當前城市無人機應用管理所面臨的核心難點與關鍵科學問題，從政策制度、無人機運行管控、數字低空建設等方面構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提供參考。
數字化空域背景與概念
數字化空域系統基本內涵
通過信息基礎設施支撐，構建大規模空域數字計算系統，在信息空間內實現大尺度空域數字化重構和表達，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基礎上建立空域系統圖，實現精準掌握全部空域實際使用分配與建設情況，為基于一致認知的空域動態管理配置提供支撐；
②空域的可度量處理。通過發展空域管理時空大數據技術方法，建立全新的空域性能和狀態評估數值計算方法，測度全空域的交通性能，為開展交通流量、管制及作戰空域使用奠定基礎；
③空域的可計算決策。通過發展一套基于數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同管理奠定基礎；同時為開展基于模型算法的空域結構優化、運行控制提供支撐。
空域網格模型
當前大規模計算系統提供的計算能力，具備了管理全球尺度百億級網格空域體的能力，為開展百萬級受控/非受控用空對象的空域優化配置提供可能性，由此要設計面向空域管理的全球尺度網格空域模型。
空域網格劃分是要建立一種全新的空中交通管理與戰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則劃分后，利用空域網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構和空域結構；利用空域劃分建立的全球唯一位置碼，建立空中交通和戰場空域的時空大數據庫，管理和監視空中安全態勢、容量態勢及空中運動演化態勢，為空中交通管控決策提供數據計算方法等。
網格劃分模型基本思路是利用地理空間網格遞歸劃分，通過將連續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一尺度的位置編碼，并用基本空域體編碼取代傳統的經緯度位置來標識空間方位；依據空間位置描述精度要求，選擇相應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構；
以空域體編碼為索引，建立描述空域管理狀態的數據結構，實時動態表述基本空域體承載空中交通的關聯態勢；建立空域數值計算方法來管理各類空域活動和智能調度與控制空域結構。基于此需求和目的，空域網格劃分的基本原則包括。
（1）統一基準，全球覆蓋。對地球表面垂直至臨近空間范圍內的空域，建立統一的基本空域網格高度位置基準；對全球尺度范圍內空域，建立統一的基本空域網格水平位置基準；采用等緯度球面退化網格劃分方法進行合幅處理，解決地球南北兩極高緯度區域的網格變形問題。
（2）兼容并包，相互轉換。兼容地理位置網格碼及北斗網格位置碼等既有國家標準，并入或包含航空領域相關的地理位置編碼規范，并實現與相關網格位置碼的相互轉換。
（3）簡單實用，精準高效。以地理經緯網格為原型，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格上建立相應的應用規范。
無人機空域進入面臨的挑戰
目前無人機空域進入呈指數級增長態勢，已對傳統空管系統構成了巨大挑戰。將無人機飛行安全納入現有空域系統的管理方法將很快達到性能極限，特別是無人機執行復雜操作指令和目視之外飛行時，安全融入空域系統將變得更加艱難。
傳統空中交通管理手段和通航飛行規則，難以適用于城市環境下的空中交通運行。無人機空域進入還存在管控自動化系統回路不閉環、交通防撞功能不健全、安全風險估計缺乏可靠方法等問題，真正達成先進空中交通模式面臨著一系列挑戰。
政策與法規
目前美國、加拿大、歐盟18個成員國、日本及中國均頒布了無人機管理規定，但其總體脈絡仍著眼急需、突出安全與疏堵，缺乏明確涉及無人機的法律條例，亟待從未來先進空中交通模式出發，發展以無人機交通服務為載體、監管于無形中的政策制度架構。
感知-避撞能力
有人機“看見即避讓”具有較大主觀成分，而無人機則需通過系列技術方法將有人機主觀的避撞轉換為對無人機飛行距離、時間和速度的調節。
交通服務能力
在無人機管控層面，需要形成“八個方面”的交通服務能力：融合運行概念、空域規劃管理、空管系統整合、無人機適航、指揮與控制鏈路、感知與避撞、人—機—環因素分析、遠程飛行員許可等。
而現有的無人駕駛航空器運行理論多建立在隔離空域前提下，未充分考慮其與有人駕駛航空器的異構特性帶來的不確定性問題。針對上述問題，本文將從政策制度、無人機運行管控、數字低空建設等方面對城市無人機應用管理方案進行研究。
城市數字低空建設
無人機通信導航監視基礎建設
1）基礎設施建設
城市無人機通信導航監視基礎設施應納入智慧城市設施建設領域，并與地面自動駕駛汽車的基礎設施融合，在低功耗、小尺寸條件下實現高精度、高分辨的目標定位；構建以低空智聯網為核心的城市無人機交通設施，基于物聯網、5G、人工智能等技術，提供網絡化運行、數字化轉型、智能化管理服務，支撐國家和地區低空經濟發展；工業5G標準中，應加快推進低空飛行綜合服務的通信技術標準制定，支持通信、導航增強和監視一體化應用。
2）低空網絡覆蓋
城市低空網絡按照分層覆蓋，并融合衛星通導，構建空天地一體化網絡，支持地面汽車和無人機一體化運行；從陸-空協同角度看，地面車、地表近空與低空各類無人機和通航有人飛機的混合運行是一種跨域異質交通場景，存在不同尺度的速度和運行控制響應時間要求。城市低空建設場景如圖2所示。
數字低空規劃與管理
城市低空空域分類是一大難題，其不同于傳統的低空空域分類情況。在城市環境中，障礙物及樓宇近空保護復雜，針對無人機交通，亟須構建一類新型低空分類方案。城市低空數字化是未來發展的重要趨勢，低空資源與道路資源同屬一類交通資源，本文設想今后的城市道路、建筑物、街景、可用低空資源等應一體化表征和數字化建模。
1）城市低空空域網格模型
城市低空百億級網格空域體管理，需要構建全新的數據模型來描述低空空域活動，涵蓋時空框架、性能與氣象等，對建/構筑物、障礙物、可用通信導航監視資源、低空飛行狀態信息、風與溫度信息等進行結構化表征與管理，因此需要發展一種基于網格空域體的新型地理信息系統，如圖3所示。
參考第1節內容，建立網格坐標系統，描述無人機空域活動，然后根據運行場景建立數據分析管理數學模型，為實現空域使用管理的量化計算與優化奠定基礎；網格空域體管理應與低空智聯網一體設計，通過先進無人機交通管理技術支持，實現城市低空“自由飛行”。
構建城市低空空域網格模型，其核心是分析空中交通管理結構、交通流量結構、空域配置結構及空中交通運行數據集等時間屬性特征和空間屬性特征，包括空中交通的空間尺度、時間范圍、運動特性及飛行沖突、空域容量、安全等級、航空效率、管制負荷、空域復雜度等，根據此情況開展空中交通管理的空域網格單元劃分，確定網格單元的空間和時間精度，分析網格單元對應的索引性能、空中交通演化態勢計算等，從而實現把連續空中交通空域離散成為多級網格單元系統，形成統一的時空描述方法，即空中交通管理的四維時空框架。
2）空域分層治理建設
本文按照分類的思想，將運輸航空、軍事航空、通用航空器的空域管理及配套體系建設分開規劃，從無人駕駛航空器的空域進入需求看，必須統籌考慮，推進以空域系統分層治理為核心的空管體系建設論證，可考慮在數字化網格空域的基礎上進行空域分層治理，如圖4所示。
無人機混合運行管控
1）構建間隔標準
城市無人機運行面臨建立各類間隔標準，包括無人機與樓宇障礙物、無人機與無人機、無人機與地面車輛、無人機與人群等。這些間隔標準需要通過大量試驗、數據統計和運行實踐才能得出量化的安全間隔，并提出一套適用于無人機的安全間隔、丟失告警及安全間隔恢復方法。
2）安全風險監控
在城市無人機感知-避撞技術體制中，需建立適用于城市環境的飛行規則，在規定的間隔標準下，圍繞飛行沖突開展技術架構和決策模型算法設計，并基于行為意圖和運行規則的空域模型，實現航空器實時感知低空環境信息，自主保持計劃飛行、智能探測飛行沖突和協商優化解脫。
可根據無人機機載導航、通信指揮與控制鏈路、沖突探測與避讓、地形探測與避撞、氣象探測與回避等設備性能參數，構建基于無人機水平位置和高度保持能力的偏航與碰撞風險評估模型，并建立無人機事故/運行案例庫，實現融合不同運行場景的分級分類的安全風險識別方法。
3）無人機交通控制回路分工與協同
明確無人機交通控制3個回路的控制分工及協同、優先權限、各自作用等，包括：①空中自主網下的分布式管制；②地面集中式管制；③地面分布無人機控制站操作員、空中有人機駕駛員、地面管制中心管制員的分布協同控制，無人機交通控制回路如圖5所示。
城市無人機管理相關措施
加快城市無人機立法定規
亟須加快城市無人機專項立法定規，健全無人機分類標準，確認監管主體與責任。在法律中明確適航審查標準與程序，細化飛行計劃申請、空域使用報批的條件，簡化無人機飛行流程，構建無人機駕駛航空器實名登記注冊管理系統。此外，受人們對新事物的接受程度、傳統思想束縛等影響，針對先進空中交通模式，需要進行更為廣泛的宣傳和引導，促使觀念革新。
城市無人機規模應用試點
對無人機飛行的監管將普及進入社會大眾日常生活之中，其是最具創新活力的空管領域，呈現跳變式發展，今后隨著信息社會建設，可能會成為新型公共基礎設施。著眼長遠發展，城市建設需預留無人機飛行空間，按照國家空域分層治理建設，啟動城市無人機運行管理體系建設，提前布局和試點嘗試發展城市無人機交通應用新業態，或許可形成助力經濟社會發展的新領域。
打造城市無人機與有人機通航一體的低空經濟
升級通航發展規劃，打造無人機與有人機通航一體的低空經濟，將促進有人機通航發展的低空空域管理改革升級為無人機與通航融入一體的新改革。實現對低空空域分類標準進行修訂，增加無人機空域種類，并針對通航發展新變化、新動向、新需求，將有人機的低空通航飛行服務體系升級轉變成為兼容無人機監管的全新低空空域系統，進行新一代城市低空空域管理與飛行服務體系建設。
結語
本文針對構建城市無人機運行的空域管理新模式所面臨的嚴峻挑戰，提出以數字化空域系統為基礎的城市無人機管理對策。首先，從無人駕駛航空器與空中交通管理層面梳理中國城市無人機管理面臨的核心問題，并圍繞相關政策制度、無人機運行管控、關鍵技術等方面建立城市數字低空空域管理體系。如今中國民航已進入大空管時代，空管體系必須適應并進行更新換代，發展以無人機交通服務為載體、監管于無形中的政策制度架構將成為未來先進空中交通新模式的焦點。
內容來源：《中國民航大學學報》,2023,41(03):8-12+64作者：陳 志 杰,朱 永 文,劉 楊版權歸原作者平臺所有，僅用于學術分享，如有侵權請聯系刪除
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