陳義友， 張建平， 鄒 翔， 吳卿剛

(中國(guó)民用航空總局第二研究所， 成都 610041)

近年來，國(guó)際民航組織(International Civil Aviation Organization, ICAO)、無人駕駛航空器規(guī)則制定聯(lián)合體(Joint Authorities for Rulemaking of Unmanned Systems, JARUS)、美國(guó)聯(lián)邦航空管理局(Federal Aviation Administration, FAA)、歐洲航空安全局(European Union Aviation Safety Agency, EASA)、波音(Boeing)、泰雷茲(Thales)、新加坡南洋理工大學(xué)等紛紛啟動(dòng)了民用無人駕駛航空器系統(tǒng)(unmanned aircraft system, UAS)即“無人機(jī)”，交通管理策略的探索、研究、試點(diǎn)論證，甚至局部推行工作。其中比較有代表性的項(xiàng)目或者系統(tǒng)包括ICAO基于儀表飛行規(guī)則(instrument flight rules, IFR)飛行的管控空域遠(yuǎn)程遙控駕駛航空器系統(tǒng)(remotely piloted aircraft systems，RPAS)項(xiàng)目[1-2]，美國(guó)低空輕小型民用無人駕駛航空器的解決方案(USA UAS traffic management，USA-UTM)[3-5]和城市空中交通解決方案(USA urban air mobility, USA-UAM)[6]，歐洲超低空輕小型民用無人駕駛航空器的解決方案(U-space)[7-8]，新加坡針對(duì)人群密集市區(qū)的民用無人駕駛航空器的解決方案(urban traffic management of unmanned aircraft systems，uTM-UAS)[9-10]，這些計(jì)劃和項(xiàng)目各具特色，主要圍繞高空管制空域、超低空空域、城市空域在空中交通管理重點(diǎn)開展。

在中國(guó)，近幾年國(guó)家空管委、中國(guó)民用航空局等單位陸續(xù)推出了一系列關(guān)于民用無人機(jī)管理的政策、法規(guī)、規(guī)章、標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范性文件，對(duì)無人機(jī)的交通管理、實(shí)名登記、駕駛員管理、經(jīng)營(yíng)許可、適航管理、運(yùn)行管理、安全評(píng)估、飛行動(dòng)態(tài)監(jiān)控、無人機(jī)圍欄、云系統(tǒng)接口等進(jìn)行了規(guī)定，尤其在2019年11月發(fā)布了《輕小型民用無人機(jī)飛行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)管理規(guī)定》，規(guī)定了輕小型民用無人機(jī)、植保無人機(jī)的飛行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的管理要求、數(shù)據(jù)與傳輸要求、第三方平臺(tái)系統(tǒng)技術(shù)與安全要求等，為中國(guó)無人機(jī)交通管理體系的構(gòu)建奠定了數(shù)據(jù)管理基礎(chǔ)。

總體而言，包括ICAO在內(nèi)的全世界各民用無人機(jī)管理相關(guān)組織或機(jī)構(gòu)針對(duì)無人機(jī)交通管理的研究和探索多處于針對(duì)單一運(yùn)行場(chǎng)景[11-12]的策略制定和相關(guān)支撐技術(shù)方案的探討和論證階段，尚沒有完整成熟針對(duì)所有無人機(jī)在所有空域飛行的交通管理解決方案，更沒有大面積的實(shí)踐應(yīng)用。如ICAO目前盡管發(fā)布了無人機(jī)交通管理(UAS traffic management, UTM)通用框架，但欠缺細(xì)分運(yùn)行場(chǎng)景基礎(chǔ)，主要提供的是原則性規(guī)則[13]，過于宏觀粗略；美國(guó)USA-UTM項(xiàng)目中當(dāng)前最具有實(shí)用性的LAANC(low altitude authorization and notification capability)[14]系統(tǒng)目前針對(duì)低空空域，且部署在民用機(jī)場(chǎng)及周邊；歐洲U-space項(xiàng)目重點(diǎn)針對(duì)超低空空域，處于大規(guī)模驗(yàn)證階段[15]。相比較而言，中國(guó)除發(fā)布了相關(guān)文件外，還結(jié)合國(guó)情開展了一系列相關(guān)試點(diǎn)驗(yàn)證工作，如民航局無人機(jī)實(shí)名登記系統(tǒng)、無人機(jī)云系統(tǒng)、在深圳及海南地區(qū)開展的針對(duì)低空空管體系和技術(shù)驗(yàn)證的無人駕駛航空器空中交通管理信息服務(wù)系統(tǒng)(unmanned aircraft traffic management information service system, UTMISS)試點(diǎn)項(xiàng)目及基于SORA(specific operations risk assessment)的無人機(jī)物流配送試運(yùn)行試點(diǎn)。也有研究者針對(duì)無人機(jī)低空空域[16-17]、城市空域[18-19]、融入管制空域[20]提出相應(yīng)的交通管理策略和技術(shù)，這些工作已讓中國(guó)的無人機(jī)交通管理工作走在了世界前列。但由于無人機(jī)類型多樣[21]且應(yīng)用場(chǎng)景廣泛、國(guó)家空域資源有限、空管保障能力不足等原因，總體上仍然存在無人機(jī)飛行需求難以滿足，無人機(jī)交通管理頂層設(shè)計(jì)缺失、交通管理關(guān)鍵技術(shù)研究不足問題。

因此，在分析國(guó)外民用無人機(jī)交通管理現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，提出了面向全譜系運(yùn)行場(chǎng)景的無人機(jī)交通管理體系架構(gòu)，闡述民用無人機(jī)交通管理關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，以期為未來民用無人機(jī)交通管理策略的頂層設(shè)計(jì)提供初步依據(jù)，為未來無人機(jī)空管關(guān)鍵技術(shù)研究提供新方向，助推無人機(jī)產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

1 國(guó)外民用無人機(jī)交通管理現(xiàn)狀

民用無人機(jī)交通管理直接面向無人機(jī)飛行作業(yè)，是無人機(jī)管理各個(gè)環(huán)節(jié)和成果的集中體現(xiàn)，在整個(gè)無人機(jī)運(yùn)行管理中處于核心地位。為強(qiáng)化頂層設(shè)計(jì)，美國(guó)、歐洲等紛紛提出適合國(guó)家無人駕駛航空發(fā)展的無人機(jī)交通管理運(yùn)行概念或無人機(jī)融合國(guó)家空域路線圖。現(xiàn)將從無人機(jī)交通管理運(yùn)行概念入手，對(duì)美國(guó)、歐洲、其他國(guó)家或地區(qū)的民用無人機(jī)交通管理現(xiàn)狀進(jìn)行分析，為無人機(jī)交通管理體系架構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1.1 美國(guó)

2013年11月，美國(guó)FAA正式發(fā)布第一版《民用無人機(jī)系統(tǒng)融入國(guó)家空域系統(tǒng)路線圖》[22]，提出從低風(fēng)險(xiǎn)隔離運(yùn)行到全空域融合運(yùn)行的發(fā)展策略。隨后在2018年7月發(fā)布的第二版路線圖[23]按照運(yùn)行復(fù)雜程度由低到高界定了人群上空運(yùn)行、擴(kuò)展運(yùn)行(超視距運(yùn)行)、小型無人機(jī)包裹配送、非隔離運(yùn)行、日常或定期運(yùn)行、大型運(yùn)輸公司的貨運(yùn)運(yùn)行、旅客運(yùn)輸運(yùn)行等七類運(yùn)行，并提出相應(yīng)運(yùn)無人機(jī)運(yùn)行管理的能力要求。2020年9月發(fā)布第三版路線圖[24]，闡述了美國(guó)無人機(jī)空域環(huán)境概念。

2014年4月，美國(guó)航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)首次提出無人機(jī)交通管理概念[25]，并在2016年的AIAA(American Institute of Aviation and Aeronautics)發(fā)布了學(xué)術(shù)報(bào)告，對(duì)UTM運(yùn)行概念進(jìn)行全面闡述[4]，該論文是美國(guó)UTM發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)性成果。2015年，F(xiàn)AA和NASA建立了一個(gè)UTM研究轉(zhuǎn)化小組(UTM research transition team, RTT)。于2017年1月31日，發(fā)布《UTM RTT計(jì)劃》[26]，制定了無人機(jī)技術(shù)能力水平(technical capability levels, TCL)發(fā)展的四個(gè)等級(jí)，以此來逐步實(shí)現(xiàn)從視距內(nèi)運(yùn)行(visual line of sight, VLOS)到超視距運(yùn)行(beyond VLOS, BVLOS)、從城郊人口稀疏區(qū)到城區(qū)人口稠密區(qū)、從人工手動(dòng)控制到智能自動(dòng)管理的轉(zhuǎn)變。

2018年5月，F(xiàn)AA正式發(fā)布第一版UTM運(yùn)行概念[5]，提出UTM的使用空域是真高400 ft(1ft=30.48 cm)以下的超低空空域的非管制空域(G類空域)。隨后在2020年3月發(fā)布的第二版UTM運(yùn)行概念[3]拓展到真高400 ft以下的管制空域，描述了更加復(fù)雜的BVLOS飛行場(chǎng)景。第二版UTM運(yùn)行概念中的UTM參與方包括運(yùn)營(yíng)人、駕駛員、無人機(jī)系統(tǒng)服務(wù)提供商(UAS service supplier, USS),無人機(jī)系統(tǒng)補(bǔ)充數(shù)據(jù)服務(wù)提供商(supplemental data ser-vice provider, SDSP),FAA和其他利益相關(guān)者。UTM的主要服務(wù)包括遠(yuǎn)程身份識(shí)別、FAA信息發(fā)送、發(fā)現(xiàn)、運(yùn)營(yíng)人注冊(cè)、空域授權(quán)、限制管理、運(yùn)營(yíng)人信息發(fā)送、戰(zhàn)略沖突管理、一致性監(jiān)視、沖突通告與告警、動(dòng)態(tài)路由、運(yùn)行計(jì)劃、飛行簽派、天氣、地圖、通信、監(jiān)視、導(dǎo)航、無人機(jī)系統(tǒng)監(jiān)視等。

2020年5月，F(xiàn)AA正式發(fā)布第一版超高空交通管理(upper class E traffic management, ETM)運(yùn)行概念[27]，聚焦在運(yùn)營(yíng)人如何在超高空(upper class E)運(yùn)行，跨越不同空域如何與空中交通管制 (air traffic control, ATC)/空中交通管理(air traffic management, ATM)進(jìn)行交互，界定了運(yùn)營(yíng)人和ATC/ATM的職責(zé)。

2020年6月，F(xiàn)AA正式發(fā)布第一版城市空中交通(urban air mobility, UAM)運(yùn)行概念[6]，提出“先易后難、逐步實(shí)施”的總體發(fā)展路線，定義UAM走廊空域、UAM服務(wù)商(provider of services for UAM, PSU)等概念。

1.2 歐洲

2018年3月，歐洲單一天空空管計(jì)劃(single European sky ATM research, SESAR)發(fā)布《歐洲空管主計(jì)劃：無人機(jī)安全融入所有空域的路線圖》[28]。SESAR的任務(wù)是構(gòu)建滿足有人和無人航空交通增長(zhǎng)需求的航空環(huán)境，該目標(biāo)愿景的演化將通過發(fā)展路線和創(chuàng)新路線來實(shí)現(xiàn)。其中發(fā)展路線：RPAS融入傳統(tǒng)有人航空使用空域，分為三個(gè)階段，從RPAS從儀表飛行能力向儀表飛行/目視飛行雙重能力發(fā)展，從RPAS在A/B/C空域融合運(yùn)行向所有空域融合運(yùn)行發(fā)展；創(chuàng)新路線：針對(duì)小型無人機(jī)交通管理系統(tǒng)U-space劃分四個(gè)發(fā)展階段(U1～U4)，從基礎(chǔ)服務(wù)(U1)、初級(jí)服務(wù)(U2)、高級(jí)服務(wù)(U3)到全功能服務(wù)(U4)，每個(gè)階段具備的不同服務(wù)能力，最終支持基于高度自動(dòng)化的U-space全面運(yùn)行能力。

2018年11月，歐洲航行安全組織(European Organization for the Safety of Air Navigation, EUROCONTROL)發(fā)布無人機(jī)系統(tǒng)空管融合運(yùn)行概念[29]。根據(jù)無人機(jī)飛行規(guī)則，將無人機(jī)飛行空域劃分為超低空飛行空域、IFR(instrument flight rules)或VFR(visual flight rules)飛行空域、超高空飛行空域，其中超低空飛行空域在真高500 ft(1 ft=0.304 8 m)以下。提出需設(shè)計(jì)超低空飛行規(guī)則(low-level flight rules, LFR)、超高空飛行規(guī)則(high-level flight rules, VFR)。

2019年3月，SESAR聯(lián)合執(zhí)行體(SESAR joint undertaking, SJU)基于歐洲無人機(jī)交通管理系統(tǒng)運(yùn)行概念(concept of operations for European UTM systems, CORUS)項(xiàng)目正式發(fā)布U-space運(yùn)行概念[7, 30-31]。U-space目前聚焦在超低空運(yùn)行場(chǎng)景(very low level, VLL)。VLL分為X、Y、Z空域，并明確U-space架構(gòu)設(shè)計(jì)原則。UTM參與方[30]包括U-space服務(wù)提供商、無人機(jī)制造商、全國(guó)或區(qū)域或地區(qū)管理機(jī)構(gòu)、無人機(jī)運(yùn)營(yíng)人、無人機(jī)擁有者、普通大眾、其他空域用戶、通信導(dǎo)航監(jiān)視(communication navigation surveillance, CNS)設(shè)施服務(wù)提供商、補(bǔ)充數(shù)據(jù)服務(wù)提供商、空中航行服務(wù)提供商(air navigation service provider, ANSP)、民航管理機(jī)構(gòu)、國(guó)防安全和公共安全管理機(jī)構(gòu)、機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)人、保險(xiǎn)企業(yè)、培訓(xùn)機(jī)構(gòu)。U-space服務(wù)[30]包括識(shí)別與追蹤、空域管理、任務(wù)管理、沖突管理、應(yīng)急管理、監(jiān)視、環(huán)境、與空中交通管制(ATC)交互等。

2020年4月，瑞士發(fā)布Swiss U-space運(yùn)行概念[32]。U-space參與方包括無人機(jī)運(yùn)營(yíng)人或駕駛員、無人機(jī)系統(tǒng)、行業(yè)U-space服務(wù)提供商、SDSP、ANSP、共同信息功能服務(wù)商、授權(quán)用戶、授權(quán)U-space服務(wù)提供商等。U-space服務(wù)包括通信、發(fā)現(xiàn)、認(rèn)證和授權(quán)、注冊(cè)、遠(yuǎn)程識(shí)別、空域授權(quán)、圍欄感知、通知、規(guī)則感知、地理信息、追蹤、運(yùn)行計(jì)劃、間隔、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、天氣、噪聲緩解、責(zé)任保險(xiǎn)、應(yīng)急管理、事故和事件報(bào)告、數(shù)字日志等服務(wù)。

1.3 其他國(guó)家或地區(qū)

2017年9月，新加坡南洋理工大學(xué)在ICAO“放飛無人機(jī)”(Drone Enable)會(huì)議上提出服務(wù)城市環(huán)境的無人機(jī)交通管理(uTM-UAS)運(yùn)行概念[9]，使小型無人機(jī)融入城市空中交通系統(tǒng)。UTM功能包括城市空域管理、飛行管理、風(fēng)險(xiǎn)管理、命令與控制鏈路(command and control, C2)管理四個(gè)模塊。

2020年11月，印度發(fā)布UTM運(yùn)行概念討論稿[33]，明確了各利益相關(guān)方，包括機(jī)場(chǎng)管理當(dāng)局、空中防衛(wèi)部門、軍隊(duì)、民航局、標(biāo)準(zhǔn)制定機(jī)構(gòu)、駕駛員、地方政府、普通大眾、UTM服務(wù)提供商(UTM service provider, UTMSP)、通信服務(wù)提供商、SDSP、運(yùn)營(yíng)人、無人機(jī)反制服務(wù)商等，通過服務(wù)提供者、服務(wù)需求者、服務(wù)使能者進(jìn)行區(qū)分各相關(guān)方的職責(zé)。UTM服務(wù)包括無人機(jī)系統(tǒng)服務(wù)、SDSP服務(wù)、UTMSP服務(wù)、數(shù)字天空引擎服務(wù)四大類。

2020年12月，澳大利亞面向低空空域正式發(fā)布城市空中交通管理(urban air traffic management, UATM)運(yùn)行概念[34]，主要的利益相關(guān)方包括UAM駕駛員、起降場(chǎng)運(yùn)營(yíng)人、航空器運(yùn)營(yíng)人、預(yù)定平臺(tái)運(yùn)營(yíng)人、ANSP、USS、適航管理機(jī)構(gòu)、其他監(jiān)管方。主要的UATM服務(wù)包括空域和程序設(shè)計(jì)、信息交互、飛行計(jì)劃和空域授權(quán)、流量管理、動(dòng)態(tài)空域管理、一致性監(jiān)視，并提出每種服務(wù)的性能要求和成熟度水平。

2 民用無人機(jī)交通管理體系架構(gòu)

相比國(guó)外很早就提出民用無人機(jī)交通管理運(yùn)行概念，中國(guó)雖然在無人機(jī)產(chǎn)業(yè)上具有較大優(yōu)勢(shì)，但民用無人機(jī)交通管理頂層設(shè)計(jì)概念文件依然缺失。從頂層概念上構(gòu)建中國(guó)新的無人機(jī)交通管理體系架構(gòu)是行業(yè)發(fā)展的迫切需求。

2.1 運(yùn)行場(chǎng)景

民用無人機(jī)類型多樣，分為微型、輕型、小型、中型、大型，且構(gòu)型、能源、控制方式、續(xù)航時(shí)間、用途不一[21]。與傳統(tǒng)有人航空、公路、高鐵等交通方式相比，民用無人機(jī)在交通量、飛行速度、飛行密度等交通流主要參數(shù)對(duì)比如表1所示。

由表1可知，民用無人機(jī)將呈現(xiàn)交通量大、飛行速度多樣、飛行密度高的交通流特性。民用無人機(jī)交通流最終將形成帶有時(shí)間維度的四維屬性，即無人機(jī)三維飛行空域不再固定，可隨飛行時(shí)間或飛行需求動(dòng)態(tài)變化、靈活調(diào)整，需要突破傳統(tǒng)針對(duì)有人航空的空中交通管理規(guī)則，探索新的解決方案。建議從三維空間上參照有人航空器分層管理，而在同一高度層上借鑒公路車流設(shè)計(jì)不同車道，最終形成綜合、立體、多層次、靈活的民用無人機(jī)綜合立體網(wǎng)絡(luò)，有序規(guī)范民用無人機(jī)的安全飛行。

表1 民用無人機(jī)交通流特性對(duì)比

借鑒中外無人機(jī)交通管理相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)民用無人機(jī)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的高低和所需空域保持能力的不同，結(jié)合國(guó)家相關(guān)政策規(guī)定、空域分類、飛行規(guī)則、任務(wù)用途等因素，從民用無人機(jī)運(yùn)行逐步融入國(guó)家空域系統(tǒng)的角度，提出四類民用無人機(jī)典型運(yùn)行場(chǎng)景，如圖1所示。

圖1 民用無人機(jī)典型運(yùn)行場(chǎng)景

2.1.1 超低空隔離運(yùn)行場(chǎng)景

運(yùn)行范圍在真高(above ground level, AGL)120 m(含)以下且不包含民航空管管制范圍。一般有民用微型、輕型、小型無人機(jī)在此范圍內(nèi)進(jìn)行視距內(nèi)(VLOS)或超視距(BVLOS)飛行。此場(chǎng)景內(nèi)，民用無人機(jī)一般與有人機(jī)相互隔離運(yùn)行，其主要應(yīng)用包括個(gè)人娛樂、農(nóng)林植保、國(guó)土測(cè)繪、電力巡線、應(yīng)急救援，支線及末端物流等。

2.1.2 低空混合運(yùn)行場(chǎng)景

運(yùn)行范圍在民航空管管制范圍以外的低空區(qū)域，且不含超低空隔離運(yùn)行場(chǎng)景的范圍。所有類型民用無人機(jī)均可能在此場(chǎng)景下進(jìn)行BVLOS飛行。在此場(chǎng)景內(nèi)，民用無人機(jī)面臨與有人通用航空器混合運(yùn)行，其主要應(yīng)用包括支線物流、應(yīng)急救援、短途載人運(yùn)輸?shù)取?/p>

2.1.3 高空融合運(yùn)行場(chǎng)景

運(yùn)行范圍在民航空管管制范圍以內(nèi)。一般有民用中大型無人機(jī)基于IFR規(guī)則飛行。此場(chǎng)景內(nèi)，民用無人機(jī)與民航運(yùn)輸航空飛機(jī)融合運(yùn)行，其主要應(yīng)用為公共航空運(yùn)輸，是典型的遠(yuǎn)程遙控駕駛航空器(RPAS)運(yùn)行場(chǎng)景。高空融合運(yùn)行場(chǎng)景的運(yùn)行規(guī)則與空管體系基本沿用現(xiàn)有ATM體系。

2.1.4 超高空運(yùn)行場(chǎng)景

運(yùn)行范圍在FL600飛行高度層(不含)以上。一般只有民用中大型無人機(jī)基于IFR規(guī)則飛行。此場(chǎng)景內(nèi)，民用無人機(jī)應(yīng)用包括行星探測(cè)等[35]。

2.2 管理策略

在設(shè)計(jì)民用無人機(jī)交通管理策略時(shí)，需考慮不同運(yùn)行場(chǎng)景間的差異[36]。面向不同運(yùn)行場(chǎng)景，基于不同運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，民用無人機(jī)管理策略分為開放、特許、審定三類。

2.2.1 低風(fēng)險(xiǎn)運(yùn)行——開放管理策略

運(yùn)行方不需要為其使用的民用無人機(jī)進(jìn)行適航審定，不需要在運(yùn)行前向監(jiān)管方提出用以證明其具備相應(yīng)運(yùn)行安全水平的資質(zhì)申請(qǐng)，也不需要在飛行前提交任何飛行申請(qǐng)。監(jiān)管方不設(shè)置嚴(yán)格的交通規(guī)則，運(yùn)行方對(duì)民用無人機(jī)飛行安全自主負(fù)責(zé)，負(fù)責(zé)避讓、應(yīng)急處置等。

2.2.2 中風(fēng)險(xiǎn)運(yùn)行——特許管理策略

運(yùn)行方不需要為其使用的民用無人機(jī)進(jìn)行適航審定，但應(yīng)當(dāng)在運(yùn)行前向監(jiān)管方提出用以證明其具備相應(yīng)特許運(yùn)行安全水平的資質(zhì)申請(qǐng)，在飛行前提交飛行申請(qǐng)。監(jiān)管方需要設(shè)置相應(yīng)交通規(guī)則并由相關(guān)無人機(jī)服務(wù)方為運(yùn)行方提供無人機(jī)交通服務(wù)。

2.2.3 高風(fēng)險(xiǎn)運(yùn)行——審定管理策略

運(yùn)行方需要為其使用的民用無人機(jī)進(jìn)行適航審定，在運(yùn)行前向監(jiān)管方提出用以證明其具備相應(yīng)運(yùn)行安全水平的資質(zhì)申請(qǐng)，在飛行前提交飛行申請(qǐng)。民航空中交通服務(wù)機(jī)構(gòu)參照運(yùn)輸航空ATM規(guī)則對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)運(yùn)行提供相應(yīng)空中交通服務(wù)。

2.3 運(yùn)行生態(tài)

民用無人機(jī)運(yùn)行生態(tài)如圖2所示。無人機(jī)運(yùn)行生態(tài)主要參與方包括監(jiān)管方、服務(wù)方、運(yùn)行方、保障方、其他方。其中，服務(wù)方主要包括無人機(jī)服務(wù)提供方(UAS service provider，USP)、通航飛行服務(wù)方、民航空中交通服務(wù)機(jī)構(gòu)。USP主要在超低空或低空范圍內(nèi)為民用無人機(jī)運(yùn)行提供差異化的無人機(jī)服務(wù)。根據(jù)服務(wù)的差異，USP又可分為無人機(jī)交通服務(wù)方和無人機(jī)信息服務(wù)方。

圖2 民用無人機(jī)運(yùn)行生態(tài)

無人機(jī)所有的運(yùn)行相關(guān)方都通過高度自動(dòng)化的應(yīng)用程序接口實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。服務(wù)方處于整個(gè)生態(tài)的中央位置，是面向監(jiān)管方、運(yùn)行方、保障方、其他方的統(tǒng)一對(duì)外門戶。

在超低空或低空隔離運(yùn)行場(chǎng)景下，民用無人機(jī)交通服務(wù)方、無人機(jī)信息服務(wù)方各自向運(yùn)行方提供相應(yīng)服務(wù)，三方之間可通過互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議傳輸信息。在低空混合運(yùn)行場(chǎng)景下，存在民用無人機(jī)與有人通航飛行器混合運(yùn)行的情況，在此空域內(nèi)的各類USP應(yīng)當(dāng)能與相應(yīng)的通航飛行服務(wù)方進(jìn)行充分協(xié)同并逐步進(jìn)行融合，以提供相應(yīng)空域內(nèi)民用無人機(jī)和有人通航飛行器的綜合化低空空管服務(wù)。另一方面，為確保民用無人機(jī)不對(duì)有人運(yùn)輸航空飛行活動(dòng)造成影響，并在低空運(yùn)行場(chǎng)景和高空?qǐng)鼍爸g轉(zhuǎn)換時(shí)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過渡，提供具體交通服務(wù)的USP需與相應(yīng)民航航路航線及機(jī)場(chǎng)管制地帶內(nèi)的民航空管服務(wù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行飛行計(jì)劃、飛行態(tài)勢(shì)、管制指令等信息的交互。但在一個(gè)特定空域中，僅能有一個(gè)服務(wù)方為無人機(jī)或有人機(jī)提供安全間隔等管制類服務(wù)。

在高空或超高空運(yùn)行場(chǎng)景，涉及進(jìn)入民航管制空域的民用無人機(jī)飛行，其服務(wù)方主要為民航空中交通服務(wù)機(jī)構(gòu)。空中交通服務(wù)機(jī)構(gòu)依托現(xiàn)行有人機(jī)的相關(guān)管理規(guī)定，遵循ICAO基于IFR的RPAS國(guó)際運(yùn)行修訂的標(biāo)準(zhǔn)、建議措施、指導(dǎo)材料要求，為進(jìn)入管制空域運(yùn)行的民用無人機(jī)提供相應(yīng)的空中交通服務(wù)。服務(wù)的運(yùn)行方為民用無人機(jī)機(jī)構(gòu)運(yùn)行人。

3 民用無人機(jī)交通管理關(guān)鍵技術(shù)

構(gòu)建智能化的民用無人機(jī)交通管理系統(tǒng)，需要實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)的突破。民用無人機(jī)交通管理關(guān)鍵技術(shù)分成運(yùn)行技術(shù)和支撐技術(shù)。運(yùn)行技術(shù)分為戰(zhàn)略、預(yù)戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)術(shù)三個(gè)層面，即無人機(jī)空域精細(xì)化管理、無人機(jī)運(yùn)行安全與間隔管理以及無人機(jī)交通引導(dǎo)與控制。支撐技術(shù)主要包括無人機(jī)智能化設(shè)施規(guī)劃與應(yīng)用。下面分別介紹民用無人機(jī)交通管理關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)。

3.1 無人機(jī)空域精細(xì)化管理

3.1.1 空域分類

空域分類是一系列標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)運(yùn)行軟硬件框架的集合，包括對(duì)空域內(nèi)運(yùn)行的人員、設(shè)備、服務(wù)、管理的綜合要求。無人機(jī)飛行類型多樣，需突破現(xiàn)行針對(duì)有人航空的空域分類規(guī)定，現(xiàn)有研究主要聚焦在某一指定空域或典型運(yùn)行場(chǎng)景上，未形成系統(tǒng)的無人機(jī)空域分類框架、方法、技術(shù)。

1)空域分類因素

根據(jù)空域的安全性，無人機(jī)飛行空域可簡(jiǎn)單分為隔離空域與融合空域。隔離空域尤其是超低空或者低空與有人機(jī)隔離運(yùn)行的空域是目前各國(guó)關(guān)注的重點(diǎn)，如美國(guó)限定了UTM使用的空域?yàn)檎娓?00 ft以下的空域[3]；歐洲U-space重點(diǎn)解決超低空飛行的X、Y、Z空域[37]；新加坡則聚焦于城市飛行的輕小型無人機(jī)，將其使用的空域規(guī)定為與有人機(jī)隔離的空域[38]。關(guān)于融合空域，則以ICAO為主，重點(diǎn)研究基于IFR的RPAS在有人機(jī)的管制空域運(yùn)行。

未來，無人機(jī)空域分類除考慮空域的安全性，應(yīng)基于無人機(jī)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)與所需性能的準(zhǔn)則，考慮空域中空中交通的容量、復(fù)雜性，設(shè)計(jì)微型、輕型、小型、中型、大型無人機(jī)在不同飛行高度上的空域類型，提出無人機(jī)空域的間隔要求、所需交通管理服務(wù)及運(yùn)行保障能力要求。

2)空域表征

無人機(jī)飛行空域表現(xiàn)形態(tài)為自由空域(full mix airspace)、分層空域(layers airspace)、輪輻空域(zones airspace)、管道空域(tubes airspace)、網(wǎng)格化空域。

針對(duì)自由空域、分層空域、輪輻空域、管道空域，Sunil[39]通過仿真分析城市環(huán)境下對(duì)這四類空域容量、復(fù)雜性、安全性的影響，認(rèn)為分層空域在安全性表現(xiàn)最好，即通過在高度層的劃分，明確不同飛行空域的間隔標(biāo)準(zhǔn)，降低無人機(jī)碰撞風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)分層空域，亞馬遜公司[40]建議在真高400～500 ft的區(qū)域設(shè)為無人機(jī)與有人機(jī)的緩沖區(qū)，且真高400 ft以下空域根據(jù)無人機(jī)飛行性能分為高速區(qū)和低速區(qū)；McCarthy等[12]假設(shè)在真高150 m的城市空域中，真高50 m以下用于無人機(jī)的垂直起降，真高50～150 m分為三層，每一層包括標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)行層和沖突緩解層。

針對(duì)網(wǎng)格化空域，在中國(guó)深圳試點(diǎn)的UTMISS基于網(wǎng)格化的方法，劃設(shè)了微型和輕型無人機(jī)的管控空域及適飛空域[41]。該試點(diǎn)的空域網(wǎng)格法，雖然有效地避開了敏感地區(qū)，確保多方安全，但本質(zhì)上屬于二維網(wǎng)格，只能對(duì)空域中同一高度的靜態(tài)環(huán)境進(jìn)行建模。

總之，無人機(jī)空域應(yīng)采用至少三維甚至四維空域?qū)傩员碚?，劃設(shè)無人機(jī)不同飛行空域的多重屬性及可重構(gòu)動(dòng)態(tài)邊界。

3.1.2 空域規(guī)劃

1)無人機(jī)地理圍欄設(shè)計(jì)

無人機(jī)地理圍欄是在相應(yīng)的電子地理范圍中劃出特定區(qū)域，防止區(qū)域中的無人機(jī)飛入或飛出，圍欄模型采用四維空間結(jié)構(gòu)，包括平面地理區(qū)域(經(jīng)度、緯度)、限制高度、有效時(shí)間[42]。根據(jù)目的，分為禁止飛入地理圍欄和禁止飛出地理圍欄[43]。根據(jù)地理圍欄的時(shí)效性和控制手段，分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)地理圍欄[44]。

目前研究主要聚焦在民用機(jī)場(chǎng)無人機(jī)地理圍欄設(shè)計(jì)上。中國(guó)將機(jī)場(chǎng)周邊包含機(jī)場(chǎng)障礙物限制面在內(nèi)的距機(jī)場(chǎng)跑道中心線兩側(cè)各10 km，跑道端外20 km的區(qū)域，劃設(shè)為無人機(jī)管控區(qū)域。相比于中國(guó)直接沿用障礙物限制面的做法，英國(guó)民航局為全英國(guó)機(jī)場(chǎng)劃設(shè)相同范圍的輕型無人機(jī)管控區(qū)，由機(jī)場(chǎng)周邊2～2.5 n mile(海里，1 n mile=1.852 km)半徑周邊圓形區(qū)域加上跑道兩端長(zhǎng)5 km、寬1 km矩形區(qū)域組成。FAA在全美機(jī)場(chǎng)周邊繪制了無人機(jī)設(shè)施地圖(UAS facility maps, UASFMs)，以柵格的形式給出了機(jī)場(chǎng)周邊輕型無人機(jī)能夠飛行的區(qū)域和高度范圍，以機(jī)場(chǎng)中心設(shè)置空域網(wǎng)格參數(shù)，每個(gè)網(wǎng)格為1′緯度×1′緯度，大約1 mile2(1 mile2≈2.6 km2)面積[45]。Zhang等[46]則創(chuàng)造性提出了基于飛行軌跡分布的民用機(jī)場(chǎng)無人機(jī)地理圍欄設(shè)計(jì)流程及方法，并劃設(shè)了重慶江北國(guó)際機(jī)場(chǎng)輕型無人機(jī)管控區(qū)域。

此外，付其喜等[47]提出一種針對(duì)水平方向的地理圍欄預(yù)控制生成算法，同時(shí)設(shè)計(jì)了針自主飛行無人機(jī)越界航點(diǎn)重規(guī)劃方法解決地理圍欄的邊界保持控制問題。D’Souza等[48]提出了一種在UTM環(huán)境下基于無人機(jī)性能和風(fēng)影響的代數(shù)幾何地理圍欄算法，將地理圍欄垂直和水平方向上的最低尺寸由30 m降低到5 m以下。Wang等[49]針對(duì)機(jī)場(chǎng)終端區(qū)域，設(shè)計(jì)了基于隨機(jī)沖突地圖的告警區(qū)域防止非合作無人機(jī)對(duì)機(jī)場(chǎng)有人機(jī)的沖突避撞。隨后，采用3D蒙特卡洛模型構(gòu)建了民用機(jī)場(chǎng)無人機(jī)3D告警區(qū)域[50]。但這些設(shè)計(jì)方法更多偏向無人機(jī)靜態(tài)圍欄設(shè)計(jì)。

無人機(jī)類型多樣，飛行環(huán)境復(fù)雜，地理圍欄的設(shè)計(jì)應(yīng)更多地考慮時(shí)間屬性，突破動(dòng)態(tài)地理圍欄技術(shù)，提高空域的使用效率。

2)無人機(jī)航路網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

無人機(jī)航路網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃屬于戰(zhàn)略規(guī)劃問題，類似于ATM體系中航路網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，最終需要明確無人機(jī)起降點(diǎn)和空中航路節(jié)點(diǎn)的位置與數(shù)量、空中航路上下限高度和寬度、節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)的連接。值得注意的是，目前研究解決無人機(jī)單次飛行航路(或航線、或航跡、或路徑)預(yù)先或?qū)崟r(shí)規(guī)劃問題，屬于任務(wù)規(guī)劃問題，并非航路網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃問題，該類問題將在3.3.2節(jié)中“動(dòng)態(tài)路由”進(jìn)行闡述?？傮w而言，目前無人機(jī)航路網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃研究更多側(cè)重在隔離空域低空運(yùn)行場(chǎng)景，且對(duì)于無人機(jī)與通用航空有人機(jī)、與運(yùn)輸航空有人機(jī)融合飛行下航路網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃研究較少。

針對(duì)隔離運(yùn)行無人機(jī)航路網(wǎng)規(guī)劃，徐晨晨等[51]提出隔離空域內(nèi)無人機(jī)低空公共航路分為骨干航路、主干航路、支線航路和末端航路四級(jí)，同時(shí)基于多源地理空間數(shù)據(jù)和改進(jìn)的蟻群算法，規(guī)劃在既定起降點(diǎn)基礎(chǔ)上的無人機(jī)低空公共航路網(wǎng)絡(luò)。該分層規(guī)劃方法在理論上提供了一種規(guī)劃低空無人機(jī)航路網(wǎng)絡(luò)的方法，但在實(shí)際應(yīng)用過程中存在以下不足：僅規(guī)劃同一高度平面的航路網(wǎng)絡(luò)，沒有考慮地面障礙物導(dǎo)致的飛行高度變化情況，未建立符合實(shí)際的不同高度三維航路網(wǎng)絡(luò)；低空飛行空域的構(gòu)建要素沒有系統(tǒng)考慮CNS設(shè)施的服務(wù)能力[52]，實(shí)際飛行中存在數(shù)據(jù)鏈路丟失的風(fēng)險(xiǎn)；無人機(jī)航路連接僅僅通過起降點(diǎn)，沒有設(shè)置空中航路點(diǎn)，存在飛行隱患；空中航路上下限高度和寬度不明確，無法指導(dǎo)各種無人機(jī)的實(shí)際飛行。除了分層構(gòu)建無人機(jī)低空航路網(wǎng)絡(luò)外，McFadyen等[53]提出了無人機(jī)交通網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)新概念。首先，運(yùn)用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的交通建模與分析方法構(gòu)建了適合無人機(jī)低空飛行的交通網(wǎng)絡(luò)區(qū)域；其次，考慮城市環(huán)境中典型無人機(jī)運(yùn)行的地理覆蓋范圍，采用修正的K中心方法確定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；最后，以不影響有人機(jī)的運(yùn)行、實(shí)現(xiàn)無人機(jī)覆蓋最大化為目標(biāo)，采用K-最近鄰和圖論的概念設(shè)計(jì)無人機(jī)交通網(wǎng)絡(luò)。Mohamed等[38]考慮起降點(diǎn)環(huán)境、城市建筑和地形限制，探討了如何在城市空域構(gòu)造小型無人機(jī)航路網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃問題，提出基于離散網(wǎng)格空域、基于建筑上方、基于道路上方的三種航路網(wǎng)絡(luò)，仿真結(jié)果揭示每種城市航路網(wǎng)絡(luò)具有不同性能，航路網(wǎng)絡(luò)應(yīng)結(jié)合不同需求靈活規(guī)劃。徐晨晨等[54]基于遙感和地理信息技術(shù)提出了一套城鎮(zhèn)化區(qū)域低空無人機(jī)公共航路網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法。

針對(duì)融合運(yùn)行無人機(jī)航空網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，盡管Pérez-Castán等[55]建立了RPAS在融合空域內(nèi)應(yīng)遵循的安全飛行航路框架，基于空域的幾何屬性和空中交通的運(yùn)行特性，設(shè)計(jì)了航路復(fù)雜性、交叉點(diǎn)復(fù)雜性等靜態(tài)指標(biāo)，航路占有率、交叉點(diǎn)占有率、航路可用性等動(dòng)態(tài)指標(biāo)，以及航路風(fēng)險(xiǎn)、交叉點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)的混合指標(biāo)，并以西班牙LECMZGZ空域FL250到300為例進(jìn)行分析驗(yàn)證，但基于融合運(yùn)行的無人機(jī)航路網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的研究還不成體系。雖然有研究建議無人機(jī)融合飛行遵從現(xiàn)有ATM體系[56-57]，但由于無人機(jī)類型、性能不一，起降場(chǎng)設(shè)施有固定、臨時(shí)之分，并非所有融合飛行的無人機(jī)均滿足ATM體系要求。因此，需細(xì)分無人機(jī)運(yùn)行場(chǎng)景，規(guī)劃融合空域無人機(jī)航路網(wǎng)絡(luò)。為避免飛行沖突，規(guī)劃時(shí)可基于同高度航路不同時(shí)間使用、不同高度航路同一時(shí)間使用原則。如果無人機(jī)與有人機(jī)共用同一航路，無人機(jī)航路設(shè)計(jì)應(yīng)嚴(yán)格遵循ATM相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求[55, 58]。

相比有人機(jī)航路的常態(tài)化、固定化，無人機(jī)航路網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃應(yīng)注重時(shí)效性，充分考慮無人機(jī)運(yùn)行場(chǎng)景的特有屬性，在規(guī)劃基礎(chǔ)上動(dòng)態(tài)調(diào)整，即構(gòu)建帶有時(shí)間維度的四維無人機(jī)航路網(wǎng)絡(luò)[38]，以切實(shí)釋放空域需求，滿足日益增長(zhǎng)的無人機(jī)飛行需求。

3.1.3 空域性能測(cè)評(píng)

1)無人機(jī)空域安全評(píng)估

隨著無人機(jī)飛行需求增加、技術(shù)與規(guī)則的完善，最后將實(shí)現(xiàn)無人機(jī)與有人機(jī)融合運(yùn)行狀態(tài)。Pérez-Castán等[59]基于巡航飛行RPAS融合飛行，通過蒙特卡洛模擬，得到引入RPAS后空域總?cè)萘繉⒔档停瑯訑?shù)量的RPAS飛行，將平均增加90%的飛行沖突及300%的沖突時(shí)間。如何在確保無人機(jī)融入現(xiàn)有有人機(jī)飛行空域下不降低現(xiàn)有目標(biāo)安全水平(target level of safety, TLS)是無人機(jī)空域管理亟待解決的關(guān)鍵問題[60]。

歐洲在最新的U-space運(yùn)行概念文件[30]構(gòu)建了一種安全評(píng)估方法MEDUSA(methodology for the U-space safety assessment)，該方法主要用來識(shí)別和管理U-space體系中無人機(jī)交通的風(fēng)險(xiǎn)，綜合考慮了不同的視角，包括無人機(jī)運(yùn)營(yíng)人視角(如SORA)、無人機(jī)交通服務(wù)提供方的空域視角、無人機(jī)交通服務(wù)與ATM交互的視角?？山邮艿哪繕?biāo)安全水平包括：基于IFR飛行的有人機(jī)與VLOS飛行的無人機(jī)的飛行小時(shí)碰撞概率不低于基于IFR飛行的有人機(jī)與基于VFR飛行的有人機(jī)，基于IFR飛行的有人機(jī)與BVLOS飛行的無人機(jī)的飛行小時(shí)碰撞概率不低于基于IFR飛行的有人機(jī)與基于IFR飛行的有人機(jī)。具體可參考文獻(xiàn)[31, 61]相關(guān)介紹。

2)無人機(jī)空域容量評(píng)估

針對(duì)小型無人機(jī)飛行的城市空域，Cho等[43]提出了一種基于禁止飛入和禁止飛出的地理圍欄的無人機(jī)飛行空域容量評(píng)估方法。Bulusu等[62]基于安全準(zhǔn)則，考慮合作和非合作無人機(jī)，提出了一種適應(yīng)低空大城市無人機(jī)空域容量的理論方法。Mohamed等[38]針對(duì)小型無人機(jī)與有人機(jī)隔離運(yùn)行場(chǎng)景，提出與交通密度需求相適應(yīng)的城市空域管理(adaptive urban airspace management, AdUrAM)方法，并以無人機(jī)航路網(wǎng)絡(luò)為變量，分析對(duì)無人機(jī)空域容量和吞吐量的影響。

無人機(jī)空域容量設(shè)計(jì)與評(píng)估相比有人機(jī)更加復(fù)雜，主要表現(xiàn)在：運(yùn)行需求多樣，包括低空物流、航拍、載人、應(yīng)急需求；飛行規(guī)則不一，現(xiàn)行針對(duì)有人航空設(shè)定的IFR/VFR已不能適應(yīng)無人機(jī)操控的飛行機(jī)制；無人機(jī)類型多樣，存在尺寸、重量、性能、操控方式、任務(wù)用途等多維度本質(zhì)差異；空域環(huán)境復(fù)雜，包括超低空復(fù)雜地形環(huán)境、城市人口密集區(qū)及樓層建筑障礙、中高空飛行有人機(jī)的影響。在這些因素的共同作用下，無人機(jī)空域容量將并非是一個(gè)固定數(shù)值，而應(yīng)是針對(duì)不同場(chǎng)景的一組動(dòng)態(tài)數(shù)組。該動(dòng)態(tài)數(shù)組將界定飛行空域內(nèi)某種場(chǎng)景下無人機(jī)最大飛行架次，且隨著時(shí)間處于變化中。

綜上，無人機(jī)空域性能測(cè)評(píng)的研究目前主要在低空輕小型無人機(jī)的空域安全和容量評(píng)估上有所嘗試，未來可圍繞全面構(gòu)建空域性能測(cè)評(píng)指標(biāo)體系和綜合評(píng)價(jià)方法開展研究。

3.2 無人機(jī)運(yùn)行安全與間隔管理

3.2.1 運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

無人機(jī)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是確保無人機(jī)飛行安全的前提，其評(píng)估對(duì)象是針對(duì)運(yùn)行人的無人機(jī)單次飛行。相比傳統(tǒng)有人機(jī)運(yùn)行基于事故率可接受程度標(biāo)定安全指標(biāo)，無人機(jī)由于運(yùn)行場(chǎng)景差異大、飛行規(guī)模大、自主智能化等特征，需設(shè)計(jì)無人機(jī)運(yùn)行對(duì)應(yīng)的等效安全指標(biāo)。無人機(jī)運(yùn)行安全指標(biāo)可基于社會(huì)公眾對(duì)無人機(jī)飛行事件造成空中和地面損失的可接受程度為原則[63]。值得注意的是，無人機(jī)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估不是無人機(jī)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，前者側(cè)重在飛行過程的風(fēng)險(xiǎn)，以滿足空管的需求[64]；后者側(cè)重?zé)o人機(jī)系統(tǒng)本身的風(fēng)險(xiǎn)，以滿足適航的需求[65-66]。

為提高無人機(jī)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的適用性和準(zhǔn)確性，應(yīng)基于運(yùn)行場(chǎng)景明確運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)類型，選擇科學(xué)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。

1)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)類型

目前，無人機(jī)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)研究主要聚焦于低空輕小型無人機(jī)隔離運(yùn)行[64]、高空RPAS融合運(yùn)行場(chǎng)景[60, 67-68]，也有研究者開始關(guān)注低空無人機(jī)與有人機(jī)混合運(yùn)行場(chǎng)景[69]、無人機(jī)臨近民用機(jī)場(chǎng)區(qū)域的飛行場(chǎng)景[49-50]。

無人機(jī)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)類型分為空中風(fēng)險(xiǎn)和地面風(fēng)險(xiǎn)?？罩酗L(fēng)險(xiǎn)主要包括無人機(jī)與無人機(jī)碰撞風(fēng)險(xiǎn)、無人機(jī)與有人機(jī)碰撞風(fēng)險(xiǎn)、無人機(jī)與空中障礙物(如鳥群)碰撞風(fēng)險(xiǎn)，刻畫空中風(fēng)險(xiǎn)的模型包括Reich Marks模型、交叉模型、幾何沖突模型等[70]；地面風(fēng)險(xiǎn)主要包括無人機(jī)與地面人群碰撞風(fēng)險(xiǎn)、無人機(jī)與地面財(cái)產(chǎn)(如高樓)碰撞風(fēng)險(xiǎn)，刻畫地面風(fēng)險(xiǎn)的模型包括失效模型(failure model)、影響定位模型(impact location model)、恢復(fù)模型(recovery model)、壓力模型(stress model)、暴露模型(exposure mo-del)、事件壓力模型(incident stress model)、傷害模型(harm model)等[71]。但這些風(fēng)險(xiǎn)模型大都針對(duì)特定的無人機(jī)飛行風(fēng)險(xiǎn)類型，如無人機(jī)失效墜落傷人，并不能完全適用所有的運(yùn)行場(chǎng)景。

2)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

在評(píng)估方法上，大量文獻(xiàn)基于特許運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估(SORA)方法[72]，即通過定性評(píng)估相關(guān)輸入?yún)?shù)，計(jì)算無人機(jī)在特定條件下飛行的地面風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、空中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，然后得到特定保證等級(jí)和完整級(jí)別和對(duì)應(yīng)的無人機(jī)運(yùn)行安全目標(biāo)。SORA評(píng)估方法給出了空中風(fēng)險(xiǎn)、地面風(fēng)險(xiǎn)量化的分級(jí)，但風(fēng)險(xiǎn)的定級(jí)與計(jì)算大都基于定性分析，側(cè)重飛行前、特定類無人機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，具有局限性。相比SORA評(píng)估飛行前風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，也有研究者開展了基于定量分析的飛行中實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。Ancel等[64]基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建了美國(guó)UTM概念下的低空小型無人機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估框架(UTM risk assessment framework, URAF)，并著重分析了低空飛行對(duì)地面人群造成的可能影響范圍與影響程度。

綜上，無人機(jī)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估應(yīng)基于不同運(yùn)行場(chǎng)景，以數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)充分考慮周邊人群密度、地面建筑物、電磁環(huán)境、氣象條件、機(jī)體本身功能性能、飛行線路空域態(tài)勢(shì)、駕駛員歷史飛行記錄等大量數(shù)據(jù)，以社會(huì)公眾對(duì)無人機(jī)飛行事件造成空中和地面損失的可接受程度為原則，考慮不同運(yùn)行場(chǎng)景、不同飛行過程，設(shè)計(jì)無人機(jī)飛行等效安全指標(biāo)體系，集成量化預(yù)評(píng)估無人機(jī)飛行前風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)與評(píng)估飛行中風(fēng)險(xiǎn)，全面識(shí)別無人機(jī)全周期飛行過程中的各類可能性危害，實(shí)現(xiàn)智能測(cè)算無人機(jī)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

3.2.2 間隔標(biāo)定

在傳統(tǒng)ATM體系中，有人機(jī)在各種飛行階段的水平及垂直間隔有清晰的定義。然而，到目前為止，由于民用無人機(jī)類型及飛行場(chǎng)景差異巨大，UTM體系中還沒有系統(tǒng)成熟的無人機(jī)飛行間隔標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)無人機(jī)間隔標(biāo)準(zhǔn)，需要明確哪種運(yùn)行場(chǎng)景下無人機(jī)安全間隔類型，再設(shè)計(jì)相應(yīng)的間隔策略。

1)安全間隔類型

美國(guó)的UTM運(yùn)行概念[5]提出，超低空運(yùn)行場(chǎng)景間隔標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)包括：VLOS無人機(jī)與VLOS無人機(jī)、VLOS無人機(jī)與BVLOS無人機(jī)、BVLOS無人機(jī)與BVLOS無人機(jī)、VLOS無人機(jī)與低空飛行有人機(jī)、BVLOS無人機(jī)與低空飛行有人機(jī)。中國(guó)的《無人駕駛航空器飛行管理暫行條例》(征求意見稿)提出，間隔標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)包括：微型無人機(jī)與其他無人機(jī)、輕型無人機(jī)與其他無人機(jī)、小型無人機(jī)與其他無人機(jī)、中型無人機(jī)與其他無人機(jī)、大型無人機(jī)與其他無人機(jī)、無人機(jī)與有人機(jī)，同時(shí)也規(guī)定無人機(jī)要主動(dòng)避讓地面、水上交通工具，不得危害人員及財(cái)產(chǎn)安全。于清媛等[73]針對(duì)融合運(yùn)行場(chǎng)景，首先將無人機(jī)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)高度層分類，基于無人機(jī)相比有人管制機(jī)管制操縱指令延遲的實(shí)際情況，推導(dǎo)計(jì)算了無人機(jī)與運(yùn)輸航空有人機(jī)的防撞管制間隔。

每種場(chǎng)景所需的無人機(jī)安全間隔不同，其中在超低空運(yùn)行場(chǎng)景，重點(diǎn)關(guān)注無人機(jī)與地面障礙物的間隔[17]，尤其是在城市人口密集區(qū)域飛行；在低空運(yùn)行場(chǎng)景，重點(diǎn)關(guān)注按航線飛行的無人機(jī)間的間隔、無人機(jī)與通用航空有人機(jī)的間隔；在高空運(yùn)行場(chǎng)景，重點(diǎn)關(guān)注無人機(jī)與通用航空有人機(jī)的間隔、無人機(jī)與運(yùn)輸航空有人機(jī)的間隔；在超高空運(yùn)行場(chǎng)景，重點(diǎn)關(guān)注無人機(jī)與運(yùn)輸航空有人機(jī)的間隔。

2)安全間隔策略設(shè)計(jì)

無人機(jī)安全間隔策略包括基于距離、基于時(shí)間、基于距離和時(shí)間組合[74]?；诰嚯x的間隔策略是以無人機(jī)為中心點(diǎn)，形成一個(gè)圓柱的保護(hù)區(qū)域，一旦受到入侵，則認(rèn)為失去安全間隔標(biāo)準(zhǔn)，但該策略沒有考慮入侵航空器的速度，無法適用于無人機(jī)融合運(yùn)行場(chǎng)景；基于時(shí)間的間隔策略則是考慮無人機(jī)與入侵航空器的相對(duì)速度，如果反應(yīng)時(shí)間低于沖突臨近時(shí)間，則認(rèn)為失去安全間隔標(biāo)準(zhǔn)，但該策略很難可視化；基于距離和時(shí)間的組合間隔策略充分發(fā)揮了前兩者策略的優(yōu)勢(shì)，是標(biāo)定無人機(jī)安全間隔的發(fā)展趨勢(shì)。

3.2.3 應(yīng)急管理

無人機(jī)交通管理應(yīng)急管理指為應(yīng)對(duì)各種空中交通管理突發(fā)事件影響無人機(jī)飛行活動(dòng)而提供的一系列服務(wù)。因此，評(píng)定無人機(jī)空中交通管理突發(fā)事件類型及等級(jí)是應(yīng)急管理首要解決的問題。現(xiàn)有文獻(xiàn)關(guān)注了無人機(jī)突發(fā)事件的類型，如C2 link丟失、導(dǎo)航定位系統(tǒng)失效，將應(yīng)急事件的風(fēng)險(xiǎn)水平根據(jù)事件發(fā)生的可能性和影響后果，分為低風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)[75]。

針對(duì)UTM應(yīng)急管理，Low[75]提出了飛行前和飛行中的城市UTM的應(yīng)急管理框架，并分析了開放空域、城市空域、機(jī)場(chǎng)管控空域不同應(yīng)急事件的風(fēng)險(xiǎn)水平。歐洲在最新的U-space運(yùn)行概念文件[30-31]分析了U-space偶發(fā)事件(contingency)和緊急事件(emergency)的差異，認(rèn)為偶發(fā)事件是指服務(wù)是可控和可預(yù)防的，其應(yīng)急計(jì)劃是作為備份計(jì)劃，以維持系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)水平；緊急事件是指服務(wù)完全失去控制的，其響應(yīng)計(jì)劃是針對(duì)事故或事件，以最小化失控事件的影響后果。Ali[11]認(rèn)為開展UTM應(yīng)急管理思路為：以現(xiàn)有ATM的應(yīng)急管理體系為基準(zhǔn)；識(shí)別無人機(jī)與有人機(jī)的區(qū)別，尤其是在空中交通管理的差異性；分析無人機(jī)運(yùn)行場(chǎng)景的特點(diǎn)，從“人-機(jī)-環(huán)-管”分析。

一般上，UTM應(yīng)急管理流程包括如下：應(yīng)急識(shí)別，確定是否有應(yīng)急事件發(fā)生；應(yīng)急評(píng)估；評(píng)估事件風(fēng)險(xiǎn)水平和類型；應(yīng)急緩解，制定措施緩解應(yīng)急風(fēng)險(xiǎn)；應(yīng)急再評(píng)估，確定應(yīng)急事件是否得到解決。

綜上，目前對(duì)于無人機(jī)交通管理應(yīng)急事件的等級(jí)分類或影響程度尚欠缺系統(tǒng)研究，關(guān)于UTM應(yīng)急管理的研究處于概念設(shè)計(jì)階段，大都屬于定性地分析。未來應(yīng)重點(diǎn)解決以下幾個(gè)問題[75]：量化評(píng)估應(yīng)急管理的有效性；定量衡量應(yīng)急事件對(duì)飛行空域的影響；從飛行前制定緩解措施提高應(yīng)急管理方案的有效性。

3.3 無人機(jī)交通引導(dǎo)與控制

3.3.1 起降管理

無人機(jī)類型多樣、起降模式不一、運(yùn)行場(chǎng)景廣泛，不同起降場(chǎng)條件下所需的起降管理技術(shù)能力要求不同。

民用機(jī)場(chǎng)作為無人機(jī)起降場(chǎng)一種重要類型，是大型無人機(jī)運(yùn)行的核心樞紐，也是飛行程序的第一環(huán)節(jié)。歐洲機(jī)場(chǎng)協(xié)會(huì)(ACI Europe)[76]首次提出民用機(jī)場(chǎng)無人機(jī)運(yùn)行概念文件，包括三種模式：第一種為隔離運(yùn)行模式，在一個(gè)隔離區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，不需要與ATC進(jìn)行交互；第二種為協(xié)調(diào)運(yùn)行模式，開展風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，建立標(biāo)準(zhǔn)的無人機(jī)緩沖地帶，與有人機(jī)保持間隔，與ATC進(jìn)行交互；第三種為一體化運(yùn)行模式，與ATC建立雙向聯(lián)系，無人機(jī)基于IFR飛行，遵循有人機(jī)管制間隔規(guī)定，需升級(jí)現(xiàn)有ATM相關(guān)設(shè)備。Lichoń[77]基于ICAO飛行程序設(shè)計(jì)指南，研究了RPAS在融合空域的標(biāo)準(zhǔn)儀表進(jìn)場(chǎng)程序，為新航空器的引入到ATM系統(tǒng)融合運(yùn)行提供了設(shè)計(jì)思路。

無人機(jī)垂直起降場(chǎng)是城市空中交通網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點(diǎn)，是智能交通基礎(chǔ)設(shè)施。有研究者開始關(guān)注無人機(jī)垂直起降場(chǎng)流量管理問題。Zeng等[78]基于效率優(yōu)先準(zhǔn)則研究了一種單入口單出口、航路交叉、多停機(jī)坪的無人機(jī)垂直起降場(chǎng)模型。崔愷等[79]在此基礎(chǔ)上，考慮緊急降落的無人機(jī)調(diào)度情形，研究了同時(shí)段多架次垂直起降問題，并設(shè)計(jì)了基于圖論安全優(yōu)先的起降點(diǎn)區(qū)域流量控制方法，包括航路規(guī)劃、延遲策略和航路圖更新。

綜上，關(guān)于無人機(jī)起降管理目前主要聚焦在無人機(jī)起降場(chǎng)概念模型和城市無人機(jī)垂直起降場(chǎng)流量管理上。未來應(yīng)根據(jù)起降場(chǎng)類型，尤其是無人機(jī)與有人機(jī)共用、不同構(gòu)型無人機(jī)共用情形，綜合考慮安全和效率目標(biāo)，研究無人機(jī)起降場(chǎng)三維數(shù)字化、民用機(jī)場(chǎng)無人機(jī)起降控制策略、不同類型無人機(jī)協(xié)同起降流量管理、無人機(jī)與有人機(jī)協(xié)同起降流量管理、無人機(jī)起降交通控制運(yùn)行性能評(píng)估，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算無人機(jī)起降順序、時(shí)間、地點(diǎn)及流量管理策略，保障無人機(jī)在起降階段飛行安全和通行效率的提高。

3.3.2 動(dòng)態(tài)路由

相比有人機(jī)，民用無人機(jī)需求多變、運(yùn)行場(chǎng)景多、飛行環(huán)境復(fù)雜，在飛行前制定飛行航線計(jì)劃、飛行中動(dòng)態(tài)調(diào)整航線，能安全高效管理空域中飛行流量，實(shí)現(xiàn)容流均衡。民用無人機(jī)動(dòng)態(tài)路由是基于任務(wù)需求，在滿足無人機(jī)機(jī)動(dòng)性能、空域環(huán)境、自然地形環(huán)境、起降點(diǎn)環(huán)境、氣象環(huán)境等無人機(jī)飛行約束下，設(shè)計(jì)出一條從起點(diǎn)到終點(diǎn)代價(jià)最小的飛行航線[16, 80]，本質(zhì)是任務(wù)規(guī)劃。

1)無人機(jī)航線類型

不同場(chǎng)景應(yīng)具有不同的飛行航線，無人機(jī)航線可根據(jù)不同維度劃分：

根據(jù)是否調(diào)整航線方案，可分為靜態(tài)航線和動(dòng)態(tài)航線。其中靜態(tài)航線重點(diǎn)解決考慮大規(guī)模飛行需求下全局航線安全、效率、環(huán)保等多目標(biāo)最優(yōu)規(guī)劃問題，動(dòng)態(tài)航線重點(diǎn)解決應(yīng)對(duì)臨時(shí)禁限飛空域、天氣危害等各種突發(fā)情況下調(diào)整局部航線的實(shí)時(shí)規(guī)劃問題[55-56]。

根據(jù)是否融合運(yùn)行，可分為隔離運(yùn)行航線和融合運(yùn)行航線。其中隔離運(yùn)行航線重點(diǎn)解決輕小型民用無人機(jī)在城市密集不規(guī)則障礙環(huán)境下的航線高效規(guī)劃問題，融合運(yùn)行航線重點(diǎn)解決中大型民用無人機(jī)與通用航空有人機(jī)或運(yùn)輸航空有人機(jī)融合飛下協(xié)同航線規(guī)劃問題[46]。

根據(jù)無人機(jī)商業(yè)飛行目的，可分為物流航線、載人航線、電力巡線航線等。其中無人機(jī)物流航線規(guī)劃是中外研究者關(guān)注的重點(diǎn)[81-82]。

以上列舉了規(guī)劃無人機(jī)航線的主要場(chǎng)景，實(shí)際上還需結(jié)合無人機(jī)的分類來設(shè)計(jì)相應(yīng)的飛行航線。關(guān)于民用無人機(jī)分類可參考文獻(xiàn)[21]。

2)無人機(jī)路由算法

無人機(jī)路由算法主要有：?jiǎn)l(fā)式搜索算法，如A*算法[81]、深度優(yōu)先搜索算法[83]；圖論算法，如概率地圖法[84]；隨機(jī)規(guī)劃的方法，如快速擴(kuò)展隨機(jī)數(shù)算法[85]；智能優(yōu)化算法，如粒子群算法[86]、蟻群算法[53]；基于勢(shì)場(chǎng)的方法，如人工勢(shì)場(chǎng)法[87]、流體擾動(dòng)算法[88]。關(guān)于無人機(jī)路由算法的綜述可參考文獻(xiàn)[89]。盡管求解無人機(jī)航線規(guī)劃已有諸多算法[89]，但目前算法大都針對(duì)軍用無人機(jī)、二維航線、隔離空域、靜態(tài)航線開展相關(guān)的研究，結(jié)合民用無人機(jī)飛行的特有屬性，規(guī)劃帶有時(shí)間維度的無人機(jī)四維航線的路由算法亟待突破。

綜上，未來應(yīng)針對(duì)城市密集不規(guī)則地區(qū)、大流量飛行實(shí)時(shí)響應(yīng)需求、多類型無人機(jī)協(xié)同飛行、CNS設(shè)施能力覆蓋不足、與有人機(jī)融合飛行等情形研究無人機(jī)動(dòng)態(tài)路由方法，設(shè)計(jì)無人機(jī)四維飛行航線，確保無人機(jī)安全高效飛行。

3.3.3 沖突管理

無人機(jī)沖突管理與標(biāo)定的安全間隔標(biāo)準(zhǔn)密切相關(guān)，沖突管理的目的是能察覺、感知或探測(cè)碰撞或其它風(fēng)險(xiǎn)，并采取適當(dāng)應(yīng)對(duì)措施確保安全的飛行間隔，具有達(dá)到類似有人機(jī)的感知避讓系統(tǒng)能力[69, 90]。流程上可分為態(tài)勢(shì)感知、沖突探測(cè)和沖突解脫[90-92]。態(tài)勢(shì)感知指如何建立無人機(jī)飛行態(tài)勢(shì)情景意識(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍環(huán)境的感知；沖突探測(cè)指通過精準(zhǔn)預(yù)測(cè)航跡，判斷是否與障礙物存在飛行沖突；沖突解脫指無人機(jī)探測(cè)到飛行沖突后，如何設(shè)計(jì)解脫策略保證安全飛行間隔。

1)飛行沖突類型

在飛行沖突類型上，無人機(jī)飛行沖突可分為無人機(jī)與無人機(jī)的飛行沖突、無人機(jī)與通用航空有人機(jī)的飛行沖突、無人機(jī)與運(yùn)輸航空有人機(jī)的飛行沖突、無人機(jī)其他障礙物的飛行沖突(如鳥群、危險(xiǎn)天氣、地面人群、地形或地面障礙物、管控區(qū)域邊界)?？傮w而言，無人機(jī)飛行沖突障礙物具有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)屬性，其中靜態(tài)屬性主要面臨地面固定障礙物的威脅；動(dòng)態(tài)屬性主要面臨空中移動(dòng)障礙物的威脅。

目前，由于無人機(jī)飛行間隔標(biāo)準(zhǔn)沒有清晰的定義，各國(guó)也未達(dá)成統(tǒng)一共識(shí)，意味著無人機(jī)飛行管理處于粗放式管理階段，如何在動(dòng)態(tài)空域開展無人機(jī)實(shí)時(shí)沖突管理研究[87, 93]是未來精細(xì)化管理階段的重點(diǎn)。

2)沖突管理策略

在沖突管理策略上，包括戰(zhàn)略交通流量管理、戰(zhàn)術(shù)沖突解脫[74]。

無人機(jī)戰(zhàn)略交通流量管理包括兩種類型，一是在隔離空域內(nèi)，不同構(gòu)型無人機(jī)之間流量協(xié)同管理，包括載貨無人機(jī)和載人無人機(jī)協(xié)同；二是在融合空域內(nèi)，無人機(jī)與有人機(jī)之間流量協(xié)同管理，包括無人機(jī)與通用航空有人機(jī)協(xié)同、無人機(jī)與運(yùn)輸航空有人機(jī)協(xié)同[94]。除此，未來無人機(jī)交通流量管理技術(shù)應(yīng)體現(xiàn)空域與流量一體化管理概念，使空域資源適應(yīng)飛行需求，使飛行流量適應(yīng)空域容量。

無人機(jī)戰(zhàn)術(shù)沖突解脫包括加速、減速、左轉(zhuǎn)向、右轉(zhuǎn)向、爬升、下降六種基本類型和組合類型[74]。具體沖突解脫算法上，有智能優(yōu)化算法、勢(shì)場(chǎng)法、幾何分析法、視覺避讓法、隨機(jī)模型方法等。甄然等[95]設(shè)計(jì)了量子遺傳算法求解兩架無人機(jī)在二維平面上進(jìn)行航向調(diào)整的沖突解脫問題。Du等[87]基于動(dòng)態(tài)人工勢(shì)場(chǎng)法研究了動(dòng)態(tài)空域下低空小型無人機(jī)實(shí)時(shí)沖突避讓問題，定義了與障礙物的可變安全距離，給出了高效、安全、穩(wěn)定、可調(diào)整的規(guī)劃航線。Thanh等[96]采用幾何學(xué)和運(yùn)動(dòng)力學(xué)研究了多旋翼無人機(jī)飛行在靜態(tài)環(huán)境和動(dòng)態(tài)環(huán)境的碰撞問題，定義了無人機(jī)障礙物的碰撞編輯，給出了沖突避讓的飛行航跡角。Abdulla等[97]提出了一種基于小型無人機(jī)攜帶單目攝像機(jī)解決碰撞沖突的方法，并通過室內(nèi)和室外飛行驗(yàn)證了方法的有效性。關(guān)于無人機(jī)視覺避讓方法的綜述可參考文獻(xiàn)[98]。Ong等[99]采用多智能體馬爾科夫決策過程來研究低空無人機(jī)與無人機(jī)間的沖突避讓問題，提出了具有魯棒性和高效率的短期沖突解脫算法，為每架無人機(jī)設(shè)計(jì)了避讓策略。無人機(jī)沖突避讓算法應(yīng)結(jié)合不同運(yùn)行場(chǎng)景選擇設(shè)計(jì)。

綜上，關(guān)于無人機(jī)沖突管理現(xiàn)有研究聚焦于戰(zhàn)術(shù)沖突解脫，尤其是合作型入侵目標(biāo)、二維靜態(tài)環(huán)境、中短期沖突避讓、局部小規(guī)模飛行沖突上。未來應(yīng)圍繞無人機(jī)面臨靜/動(dòng)態(tài)碰撞威脅、面臨合作/非合作碰撞威脅、單機(jī)/多機(jī)/混合多種任務(wù)模式、兼容現(xiàn)有ATM系統(tǒng)管理程序和工具等情形下，研究無人機(jī)全域態(tài)勢(shì)感知、沖突預(yù)測(cè)、沖突避讓方法，探索無人機(jī)與ATM系統(tǒng)飛行沖突協(xié)同管控技術(shù)，包括飛行計(jì)劃協(xié)同、飛行態(tài)勢(shì)共享、航跡協(xié)同管控，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)飛行自主避障。

3.4 無人機(jī)智能化設(shè)施規(guī)劃與應(yīng)用

3.4.1 起降場(chǎng)規(guī)劃

無人機(jī)起降場(chǎng)作為一種新型的基礎(chǔ)設(shè)施，是打造立體交通的重要網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。相比有人機(jī)的民用機(jī)場(chǎng)類型單一，無人機(jī)起降場(chǎng)類型更多樣，包括無人機(jī)與有人機(jī)共用的民用機(jī)場(chǎng)、無人機(jī)專用機(jī)場(chǎng)、無人機(jī)垂直起降場(chǎng)、無人機(jī)臨時(shí)起降點(diǎn)等。合理規(guī)劃無人機(jī)起降場(chǎng)的位置，明確其類型、規(guī)模、數(shù)量，是大容量無人機(jī)實(shí)現(xiàn)高效智能化運(yùn)行的有效支撐。

開展無人機(jī)起降場(chǎng)規(guī)劃研究，需首先明確規(guī)劃目的，進(jìn)而明確所需起降場(chǎng)的類型。鹿明等[100]針對(duì)中國(guó)洪澇災(zāi)害無人機(jī)應(yīng)急監(jiān)測(cè)的需要，以中國(guó)科學(xué)院野外觀測(cè)臺(tái)站作為無人機(jī)起降場(chǎng)候選設(shè)施點(diǎn)進(jìn)行布局。優(yōu)步(uber)、空客(airbus)等企業(yè)針對(duì)城市空中交通，基于電動(dòng)垂直起降航空器(electric vertical take-off and landing, eVTOL)提出了UAM起降場(chǎng)概念。張洪海等[19]提出應(yīng)建立垂直起降場(chǎng)、垂直起降站、垂直起降點(diǎn)三級(jí)節(jié)點(diǎn)體系滿足城市空中交通發(fā)展的需要。

針對(duì)無人機(jī)起降場(chǎng)選址方法，Vascik等[101]提出噪聲是城市垂直起降場(chǎng)選址的最大影響因素。Vascik等[102]提出四種無人機(jī)垂直起降場(chǎng)的設(shè)計(jì)概念，并采用整數(shù)規(guī)劃方法研究了垂直起降場(chǎng)的運(yùn)力和容量。Fadhil[103]針對(duì)停機(jī)位、航站樓、起降場(chǎng)面布局的不同，提出垂直起降站(vertistop)、垂直起降場(chǎng)(vertiport)、垂直起降中心(vertihub)三種起降場(chǎng)概念，考慮運(yùn)行安全、充電站、噪聲、天氣、火災(zāi)威脅、通信設(shè)施、停車點(diǎn)等因素，采用GIS(geographic information system)分析方法，研究了UAM垂直起降場(chǎng)布局問題。

綜上，關(guān)于無人機(jī)起降場(chǎng)規(guī)劃現(xiàn)有的研究聚焦于城市無人機(jī)垂直起降場(chǎng)上，考慮情形較為單一。未來應(yīng)重點(diǎn)圍繞多類型多層級(jí)無人機(jī)起降場(chǎng)、城市無人機(jī)公共起降場(chǎng)、與有人機(jī)混合運(yùn)行的起降場(chǎng)，考慮噪音影響、公眾接受度、無人機(jī)性能參數(shù)、與其他交通運(yùn)輸方式的銜接，兼顧無人機(jī)運(yùn)行人的業(yè)務(wù)需求和監(jiān)管方的安全管理需要，構(gòu)建一張高效的無人機(jī)起降設(shè)施網(wǎng)絡(luò)。

3.4.2 通信導(dǎo)航監(jiān)視

通信、導(dǎo)航、監(jiān)視(CNS)是支撐民用無人機(jī)交通管理的三項(xiàng)最基礎(chǔ)的技術(shù)。2018年，中國(guó)民用航空局發(fā)布信息公告《低空網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)安全飛行測(cè)試報(bào)告》[104]，提出目前移動(dòng)蜂窩網(wǎng)可以滿足120 m以下絕大部分場(chǎng)景的無人機(jī)行業(yè)應(yīng)用需求，以及300 m以下絕大部分區(qū)域的無人機(jī)安全飛行業(yè)務(wù)鏈路指標(biāo)需求。2019年，Ponchak等[105]設(shè)計(jì)了針對(duì)管制與非管制空域運(yùn)行環(huán)境下所有類型無人機(jī)系統(tǒng)的CNS體系架構(gòu)指南，并提出了關(guān)于無人機(jī)系統(tǒng)CNS的九個(gè)技術(shù)成熟等級(jí)(TRL)。2020年，Stouffer等[106]發(fā)布了針對(duì)UAM運(yùn)行所需的可靠、安全、可衡量的CNS技術(shù)調(diào)查報(bào)告，以支撐UAM成熟度等級(jí)UML-4的運(yùn)行。

總體上，通信方面，現(xiàn)有研究聚焦低空輕小無人機(jī)，4G/5G、公網(wǎng)、專網(wǎng)、衛(wèi)星、V2X等技術(shù)已應(yīng)用于通信研究；導(dǎo)航方面，拓展了基站定位、衛(wèi)星導(dǎo)航、雷達(dá)導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航、慣航等技術(shù)研究；利用ADS-B、TCAS-II開展了針對(duì)合作目標(biāo)的探測(cè)研究，利用雷達(dá)、紅外、聲吶、光電、激光雷達(dá)開展了針對(duì)非合作目標(biāo)的探測(cè)研究。

綜上，無人機(jī)通信技術(shù)更加復(fù)雜、服務(wù)對(duì)象多，至少包括空對(duì)空通信、空對(duì)地通信、地對(duì)地通信、無人機(jī)與無人機(jī)、無人機(jī)與有人機(jī)之間的通信，無人機(jī)與無人機(jī)交通服務(wù)方的通信，無人機(jī)與ATM系統(tǒng)的通信等，上述技術(shù)亟待研究。導(dǎo)航技術(shù)上，目前大都基于單一導(dǎo)航技術(shù)，定位精度較低，欠缺基于北斗導(dǎo)航技術(shù)的研究，無法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，無法滿足長(zhǎng)航時(shí)、高精度、高可靠、高穩(wěn)定、自主性飛行的需要。監(jiān)視技術(shù)上，無人機(jī)類型多樣、數(shù)量眾多、應(yīng)用場(chǎng)景廣闊，監(jiān)視手段上需加強(qiáng)合作和非合作監(jiān)視技術(shù)研究，多源融合動(dòng)態(tài)監(jiān)視是無人機(jī)監(jiān)視技術(shù)亟待解決的問題，是實(shí)現(xiàn)無人機(jī)高效管控的前提。

4 結(jié)論

民用無人機(jī)交通管理是民用無人機(jī)運(yùn)行管理的核心。由于無人機(jī)交通流的特殊性，決定了沒有成熟的交通管理方式可適用于四維多變的無人機(jī)交通流屬性特征，需要空管新體系。目前各國(guó)提出的UTM運(yùn)行概念或驗(yàn)證技術(shù)大都針對(duì)單一運(yùn)行場(chǎng)景，沒有系統(tǒng)指明民用無人機(jī)交通管理的體系架構(gòu)和未來關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展方向。

對(duì)此，在分析美國(guó)、歐洲、其他國(guó)家或地區(qū)的民用無人機(jī)交通管理現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了面向全譜系運(yùn)行場(chǎng)景的無人機(jī)交通管理體系架構(gòu)。在運(yùn)行場(chǎng)景上，提出了從民用無人機(jī)超低空隔離運(yùn)行、低空混合運(yùn)行、高空融合運(yùn)行到超高空運(yùn)行，逐步融入國(guó)家空域系統(tǒng)；運(yùn)行分類包括開放類運(yùn)行(低風(fēng)險(xiǎn))、特許類運(yùn)行(中風(fēng)險(xiǎn))、審定類運(yùn)行(高風(fēng)險(xiǎn))，相應(yīng)的管理策略為開放、特許、審定，管理的力度隨風(fēng)險(xiǎn)的增加而提升。最后定義了民用無人機(jī)運(yùn)行生態(tài)，明確了民用無人機(jī)交通管理過程中涉及的監(jiān)管方、服務(wù)方、運(yùn)行方、保障方、其他方等空管相關(guān)方的職責(zé)。該體系架構(gòu)旨在指導(dǎo)民用無人機(jī)安全高效運(yùn)行，解決無人機(jī)交通管理頂層設(shè)計(jì)不充分、不完善問題。

民用無人機(jī)交通管理需攻克多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。無人機(jī)空域精細(xì)化管理方面，空域系統(tǒng)亟待重構(gòu)，民用無人機(jī)融入國(guó)家空域系統(tǒng)帶來了空域分類、規(guī)劃、評(píng)估新問題；無人機(jī)運(yùn)行安全與間隔管理方面，缺乏成熟的無人機(jī)飛行安全間隔標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)急管理手段，導(dǎo)致安全預(yù)測(cè)難、評(píng)估難、防控難；無人機(jī)交通引導(dǎo)與控制方面，無人機(jī)飛行自然環(huán)境和交通態(tài)勢(shì)感知能力不足，引導(dǎo)與控制空間和時(shí)間精度不足，及時(shí)應(yīng)對(duì)能力不足，交通服務(wù)智能化程度低；在無人機(jī)智能化設(shè)施規(guī)劃與應(yīng)用方面，無人機(jī)多元化起降場(chǎng)規(guī)劃布局、新的通信導(dǎo)航監(jiān)視技術(shù)應(yīng)用無法滿足復(fù)雜多變的無人機(jī)飛行需求。因此，在民用無人機(jī)交通管理關(guān)鍵技術(shù)的研究中，需重點(diǎn)考慮以下要素：①多場(chǎng)景，考慮無人機(jī)運(yùn)行場(chǎng)景的差異性，分析場(chǎng)景的特有屬性，包括空域規(guī)則、服務(wù)規(guī)則等；②多類型，考慮無人機(jī)類型的差異性，抽取飛行無人機(jī)的共同屬性，預(yù)留飛行安全閾值；③多階段，考慮無人機(jī)飛行階段的差異性，飛行前防控風(fēng)險(xiǎn)，飛行中提高效率，飛行后總結(jié)規(guī)律；④交互性，考慮無人機(jī)飛行管理與ATM系統(tǒng)的交互性，抽取交互規(guī)則共性，使無人機(jī)具備融入國(guó)家空域系統(tǒng)的飛行能力；⑤大規(guī)模，考慮同時(shí)管理服務(wù)大規(guī)模異質(zhì)性無人機(jī)飛行，具備實(shí)時(shí)在線、大容量飛行數(shù)據(jù)并行計(jì)算、動(dòng)態(tài)優(yōu)化能力；⑥高自主，考慮無人機(jī)自主化飛行特性，設(shè)計(jì)高度可靠的、信任的無人機(jī)空中交通管理機(jī)制。換言之，民用無人機(jī)交通管理關(guān)鍵技術(shù)研究，應(yīng)基于運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)和基于所需性能的原則，服務(wù)于特定運(yùn)行場(chǎng)景的飛行需求。