低空无人机交通管理概览与建议

　　摘要：低空空域原则上是指真高1000m(含)以下空域。根据官方发布的2019年第一季度无人机云数据统计报告，运行在低空空域的无人机飞行小时数占该季度总飞行小时数的99.9%。然而，大量无序飞行的低空无人机运行会对地面设施、公共安全、空中载人飞行器等带来危害。低空无人机交通管理是通过对整个低空的无人机运行安全和风险进行评估，同时对低空的无人机进行有效的规划，保证它们合理有序的飞行，从而促进无人机行业的健康发展。

　　然而，民航空中交通管理不能适应未来数以百万架的无人机。这是因为低空空域环境、无人机交通网络特性，以及低空通讯、导航和监视系统等，都与目前高空民航存在大量差异。为了适应新的特点，世界各国针对低空无人机空中交通管理开发了新框架。低空无人机空中交通管理属于近几年出来的新事物。

　　本文藉此聚焦于低空无人机交通管理，从四个方面概览：低空无人机相关的空中交通基本概念及现状、低空无人机交通管理介绍、低空无人机交通管理的关键技术和低空无人机交通管理相关科学问题。回答为什么需要发展低空无人机交通、低空无人机交通系统是什么、研制低空无人机交通系统需要哪些关键技术，以及与该领域哪些新的科学问题需要解决。

　　关键词：无人机;交通管理;低空;风险;集群;5G;无人机云系统;城市空中交通

　　1低空无人机交通基本概念和现状

　　1.1基本概念和定义

　　低空空域原则上是指真高1000m(含)以下空域，超低空空域一般是指真高120m(含)以下空域，主要用于视距飞行高度限制。根据中国民航局2019年第一季度无人机云数据统计：运行高度在120m以下的无人机占96.5%，1000m以下的无人机占据99.9%。

　　这些年民用无人系统技术发展迅猛。这归功于电池技术和电力推进等技术的进步，无人机自主飞行技术等自动化技术的日趋成熟，以及图像处理器和人工智能处理器的发展。由于无人机的性能得到了极大改进，无人机由视距内人工遥控器操作，发展为超视距内远程网络操作。

　　随着4G移动通信技术的成熟和面向行业应用的5G技术的逐步商用，民用无人机大规模应用离我们的生活也将越来越近。为了保证安全，民用无人机应该与民航飞行器一样，飞行过程必须接受管理。对于民用飞行器，空中交通管理(AirTrafficManagement,ATM)的任务是[1]：“考虑空中及地面系统的运行能力以及经济上的需要，为用户提供空域利用上的最大效能;考虑飞机装备的等级和运行目的的不同，灵活地组织不同用户之间分享空域;保证空中交通管理系统的总效率;向用户提供从起飞到着陆的连续协调、有效服务和管制，确保安全;与国际上协调一致，保证飞越国境顺利进行”。

　　空中交通管理的内容主要包括空中交通服务、空中交通流量管理和空域管理三大部分[1-2]。现有的适用于民航飞行器运行的空中交通管理方式不能适用于未来数以百万架的无人机。

　　(1)低空无人机数目多，体积小，执行任务复杂多样。(2)现行民航空中交通管理的通信、导航和监视技术手段都很难应用于低空目标。民航航空是传统的窄带通信技术，无法满足大量的无人驾驶航空器更大的带宽通信需求;低空无人机的导航技术需要结合基站定位、视觉导航等新兴技术;现有民航的监视技术也难以满足低空轻小无人机的监视需求。

　　(3)无人机缺乏有效的信息获取手段，难以全面、及时感知规避障碍物，导致空中碰撞的风险增加。除此之外，现有的空中交通管理仍然是20世纪30年代发展起来的管理方式，走的是辅助飞行员驾驶的技术途径;而无人机的驾驶员在地面，所以针对低空无人机交通管理[3]，需结合现有物联网以及信息化技术等，实现更加智能和自动化的交通管理。

　　因此，考虑到支撑技术以及运行安全，根据中国民航局2016年发布的《民用无人驾驶航空器空中交通管理办法》(MDTM-2016-004)规定，无人机目前被要求在隔离空域飞行。参考国务院、中央军委空管委《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》对轻小微型无人机的适飞空域高度定义以及民航最低安全高度要求，本文主要着重进行低空空域无人机交通管理的概述，特别是真高300m(含)以下的空域。

　　低空无人机交通管理(UnmannedAircraftSystem(UAS)TrafficManagement，UTM)的最终目标是基于不同的地理条件(从农村到城市)和不同的应用目的(从空中监视、设施巡检到物流等)，推动具有不同能力的无人机在低空空域有序飞行，并进一步拓展到载人飞行器等。更具体地说，保持无人机与空中其他飞行器(如：无人机、有人机、自由气球、飞艇等)和障碍物的安全间隔，并提供一个高效和有序的交通流量控制与容量管理。低空无人机交通管理系统是一个复杂的系统，需要根据无人机性能、无人机作业场景等确保无人机操作所需的安全级别。

　　与此同时，低空无人机交通管理也需要与无人机运营服务等协同，内容包含无人机从生产制造信息到飞行使用和产品维修等整个全生命周期过程，涉及无人机、驾驶员、运营人、制造企业等相关体系。低空无人机交通管制，不再是管制员对驾驶员的管制，更多的交通管制功能由后台系统进行自动化的处理。低空无人机空域管理和流量管理，将与实时低空交通流量控制、碰撞检测等进行深度融合。

　　管制员将逐渐转变为运维监视员和系统维护员角色，无人机空中交通服务包括：空域管理、容量管理、流量管理、空中交通管制、飞行监视(针对消费级无人机)、无人机围栏、飞行情报服务、告警与通知等。与传统民用航空空中交通管制不同，低空无人机的空中交通管制功能将进行简化，部分功能融入到容量管理和流量管理当中，由后台计算机负责。

　　飞行运营服务包括：运营人管理、驾驶员管理、设备(无人机与遥控器)管理等，更多的无人机运营服务还包括无人机维修服务、充电服务和保险服务等。低空无人机交通管理不包括运营服务，仅包括交通服务，充当着整个空中交通管理的大脑的角色，负责决策。通信、导航和监控(Communication,Navigation,Surveillance,CNS)功能等基础设施充当着整个无人机交通管理系统的眼睛、耳朵和神经系统，负责态势感知和信息传输。

　　(1)通信(Communication)。这里通信的目的是为了传输交通管理的信息，包括空对空通信、空对地通信、地对地通信、无人机与无(有)人机之间的通信，无人机与无人机交通服务提供商的通信，无人机交通服务提供商之间的通信等[4]，具体包括4G/5G公网、AeroMACS、专网、卫星、V2X等。针对低空300m以下空域，考虑到基础设施建设成本，可以采用移动运营商提供的4G/5G公共网络。

　　(2)导航(Navigation)。无人机在低空飞行需要知道自己的位置等信息，进而知道其它无人机的位置。由于雷达导航部署存在较大困难，容易受到障碍物遮挡等，因此传统民用航空所需的雷达导航并不适用于低空300m以下空域。针对低空无人机，涉及的技术包括基站定位技术、卫星导航技术、雷达导航、视觉导航和惯导等。特别在卫星导航技术容易受干扰和初期基础设施建设缓慢情况下，建议发展视觉导航技术。

　　(3)监视(Surveillance)。在低空飞行过程中，无人机的飞行位置和状态信息等需要主动或被动地传送给地面管制单位。主动监视又包含远程网络监视和本地广播监视。目前，民航飞行器进一步将依靠广播式自动相关监视(AutomaticDependentSurveillance–Broadcast,ADS-B)进行发送和接收周围信息。

　　然而，对于民用轻小型及以下的无人机来说，因为其尺寸小、飞得低、数目多，很难用雷达来监控它们;而通过ADS-B等又会对现有民航形成干扰，并且进一步加重ADS-B通信带宽的负荷。由于低空通信组网的最佳方式是采用移动蜂窝网，因此对于低空轻小无人机等，建议采用基于移动蜂窝网发展的、满足更大带宽和速率的C-V2X技术，满足无人机到无人机、无人机到地面监视人员之间的通信。本地广播监视的可靠性较差，接收器很容易被攻击，如果缺乏被动监视进行过滤，很难发现异常，导致接收器/服务器拒绝服务甚至瘫痪。因此，对于轻小型及以下无人机来说，本地广播监视的部署是需要慎重考虑的问题。

　　1.2世界各国技术现状

　　目前实施科学的低空无人机空中交通管理已经成为各航空发达国家的共同选择。尽管每个地区使用的术语和组织略有不同，但是无人机交通管理系统在世界各地发展的基本原理和方法非常相似。

　　(1)美国在美国，美国国家航空航天局(NationalAeronauticsandSpaceAdministration,NASA)牵头，与美国联邦航空管理局(FederalAviationAdministration,FAA)、工业界、学术界合作共同研制了一套无人机系统交通管理框架UTM(UnmannedAircraftSystemTrafficManagement)[5-6]。UTM是一个非管制的、面向服务的空中交通管理框架，通过授权给民营机构，也就是无人机服务提供商(UnmannedaircraftsystemServiceSupplier,USS)来提供服务。这些机构具有无人机所需服务(包括运营服务和交通服务)的提供能力，能给使用无人机作业的企业提供FAA所不具备的服务。

　　UTM开发将最终确定服务内容、角色/责任、信息架构、数据交换协议、软件功能、基础设施和性能要求，以实现对低空非管制的无人机运行管理，解决低空空域(解决地面以上400ft，约120m以下的空域)小型无人机的非管制运行。UTM的技术发展分为四个阶段[7]。

　　1)第一技术阶段的测试目的在于测试基于接口的网络化运行和信息共享能力。2)第二技术阶段[8]的测试目的在于测试超视距、飞行意图分享和地理围栏等能力。3)第三技术阶段的测试[9]的目的在于测试常态超视距运行、空中机对机防撞和规避静态障碍物等能力。4)第四技术阶段的测试[10]目的在于超视距运行、跟踪和定位、规避动态障碍物，以及处理大规模突发事件等能力。

　　(2)欧洲

　　在欧洲，欧盟委员会和欧洲航空安全局(EASA)提出建立公共无人机飞行系统U-Space[11-12]。U-Space是为了确保大量无人机安全、高效的进入空域，所设计的一套新的数字和自动化服务程序。其理念与无人机交通管理系统UTM相同，U-Space服务提供商提供关键功能，它们都与U-Space系统管理器进行通信。U-Space规定无人机在低空使用，飞行高度不超过150m，并把无人机分为三类：开放(Open)、特许(Specific)与审定(Certificate)。U-Space系统将自动使用电子身份识别以及地理围栏等工具以确保自主无人机可访问相关信息。其发展分为四步走。

　　1)第一步计划于2019年开始提供基础服务，包括电子注册、电子识别和电子围栏。2)第二步计划于2022年开始提供初始服务，包括飞行规划、追踪、与传统空管的交互。3)第三步计划于2027年提供扩展服务，包括冲突检测、自动监测、避障功能。4)第四步计划于2035年开始提供高度自动化、连接性、数字化的全功能服务。

　　(3)日本

　　日本UTM协会(JapanUTM，JUTM)和新能源工业技术开发组织(NewEnergyandIndustrialTechnologyDevelopmentOrganization,NEDO)共同建立了国家UTM项目[13]。它包括一个飞行情报管理系统(FlightInformationManagementSystem,FIMS)、一些无人机服务提供商、一层数据源提供商(SourceDataServiceProvider,SDSP)和运营商。

　　FIMS管理所有飞行计划，处理紧急警报并提供避免指令。无人机服务提供商位于FIMS与每个运营商之间。JUTM在2017开始了演示。NEDO下开发的个人用户系统在2018年进行了演示，2019年将首次进行全系统演示，2020年将开始实施。

　　(4)新加坡

　　在新加坡，新加坡民航局(CivilAviationAuthorityofSingapore,CAAS)与新加坡南洋理工大学联办了航空交通管理研究院，并着手研发无人机空管系统TM-UAS[14-15]。目前，TM-UAS已经实现了地理围栏、冲突避免等技术。根据新加坡的城市特点，CAAS研究正着眼于对多架无人机在人口密度极高的城市环境中安全有效的运作。

　　2低空无人机交通管理介绍

　　首先，本节分析了低空无人机交通管理的特殊性。针对无人机交通网特点，介绍了无人机交通管理设计要求和设计思路。之后，在空间维度上分别分析和总结了目前美国和中国的无人机空中管理框架。最后，在时间维度上介绍了无人机飞行过程。

　　2.1低空无人机交通管理的特殊性

　　低空无人机交通与传统民航交通、公路交通、铁路交通等之间存在一定差异，具有一定的特殊性。传统的民航空中交通系统基础设施建设依赖政府力量，而管理方式依靠空中交通管制员和飞行员之间的语音通信以及雷达探测。

　　即使依赖人的参与，传统的民航空中交通管理依旧十分复杂[16]。与传统的民航相比，由于无人机的数量庞大，在很小区域内(如10km2)可以随时扩展到数千架，并共享有限的空域，所以无法使用像传统民航交通管理系统这样的集中通过管制员的方式来进行负载预测和分配。

　　因为无人机的预期交通密度远远超出了当前民航空中交通管理系统的能力，所以我们必须考虑基于大规模并行计算的分布式解决方案，管理会更具挑战性。另外，民航空中交通系统还在进行平台化和信息化升级，下一代航空运输网(AirTransportNetwork,ATN)还处于过渡期，自动化系统等级升级过程较长且困难重重[17]。

　　因此，目前传统民航平台不适应低空无人机。除此之外，低空无人机交通呈现很多新特征。针对低空无人机交通的CNS设施都需要面向低空，而低空空域受到低空障碍物等影响。因此，通信组网复杂度、导航可靠性、监视手段也需要更新换代。针对低空无人机，可以考虑采用4G/5G公共移动通信网络、基站定位导航、视觉和无线电监视等新兴技术等。无人机交通服务的飞行器和机场种类也将更加丰富，比如：在城市空中交通中的无人机要求其在城市中完成起降，因此无人机应具备垂直起飞和着陆功能。

　　无人机垂直起降功能可以避免如固定翼飞机所需的长距跑道。这样机场可以分布在区域各个角落，如屋顶或塔台型无人机场，形式简单多样。与铁路和公路相比，铁路网可以认为是一维空间，公路网是受限二维空间，而无人机运行的空域是三维空间，所以无人机在避障方面更加灵活。与此同时，其坠毁对地面也带来了安全的隐患。因此，必须合理规划空域，并基于低空航路网设计无人机的空中交通管制算法，以确保实现安全的空中交通管制。

　　2.2无人机交通管理设计要求和设计思路

　　基于低空无人机交通的特殊性，低空无人机空中管理系统势必有着独特的要求和框架。

　　2.2.1设计要求

　　(1)系统的操作原则从系统的操作原则上看[11]，无人机空中交通管理系统需要满足：1)只有经过认证的无人机和操作员才能在空域内操作;2)无人机间应保持距离;3)无人机和载人飞行器应保持距离;4)无人机、其操作员或支持系统了解空域内的所有限制条件，包括地面上的人、动物和建筑，无人机将保持远离这些限制;5)公共安全无人机应优先于其他无人机和载人航空。

　　(2)系统的性能要求从系统的性能要求上看[20]，需要满足：1)可扩展、灵活和适应性强，在管理与民用航空的接口的同时，能够响应需求、数量、技术、商业模式和应用程序的变化;2)在无人机运营商的监督下，多个自动无人机可实现高密度飞行;3)保证所有用户公平和公正地进入空域;4)随时提供具有竞争力和成本效益的服务，支持无人机运营商的商业模式;5)尽可能利用现有的航空服务和基础设施以及移动通信服务等其他部门的服务，使部署和运营成本降到最低;6)遵循基于风险和性能的方法，同时尽量减少对环境的影响，尊重公民的隐私，包括数据保护。

　　(3)系统的服务要求从飞行功能服务来看[18]，整个系统应该提供：1)安全服务：系统健康监测、无人机注册、用户身份验证以及飞行监控;2)飞行服务：飞行计划、计划和需求管理(进一步可参考[19])、间隔保证(SeparationAssurance)及应急管理;3)情报服务：空域定义、天气信息、地形和障碍物及交通运行信息。低空空域按可提供服务分为：管制空域、监视空域和报告空域分类。

　　3低空无人机交通管理的关键技术

　　相比民航飞行器的交通管理技术，低空无人机交通关键技术亟待突破。下文将一一介绍关键技术及研究现状。

　　3.1低空空域管理的关键技术

　　3.1.1空域定义

　　(1)空域空间空域一般被定义为地球表面以上的可供飞行器飞行的空气空间，即可航空间。现在已经使用的空域只是可航空间的一部分。因此，目前人们所提到的空域，更具体地说应该是为飞行器提供飞行服务的空间。由此空域具有：自然属性、社会属性和技术属性。

　　空域的技术属性是由CNS等技术形成的信息场，并由此构建空中交通管理能力。美国FAA的CFRPART107规范定义了轻小无人机系统的飞行规则，即UTM使用的空域是地面以上400ft以下的超低空空域的非管制空域(G类空域)。进一步，美国亚马逊公司[22]提议将距离地面400至500ft(约合122m至152m)的区域列为隔离区，以便在无人机和有人机之间设立一个缓冲区。

　　民航飞行器的飞行高度必须保持在500ft以上，而低于400ft的区域则划分为两部分。配有避障技术，而且能够与交通管理系统建立可靠连接的无人机，可以在200至400ft的“高速区”飞行，其它无人机(包括一些消费级无人机，以及用于调查或航拍的无人机)只能在200ft以下的“低速区”飞行。

　　我们建议以无人机类型、作业任务和场景来划分飞行高度层：1)超低空航路空域，90-120m高度层用于轻小型及以下无人机物流配送，设计最后一公里航路网，主要是多旋翼无人机作业，而60-90m高度层用于保护。当然特殊场景可依据作业任务、所需通信性能和定位能力，可以设计40-50m高度层用于地面巡检，如交通车辆巡检、警用治安巡检等，60-80m高度层用于房屋、基站、桥梁巡检等。

　　2)近低空航路网空域，150-270m，设计末端航路网，供混合翼无人机等高速前飞的无人机使用。进一步可分为两层，用于物流配送和载人运输。3)低空航路网空域，300~1000m，暂不做建议。以上分层建议的+0m基准高度是一个区域参考点的修正海拔高度，所有的高度测量均为相对于基准高度。如果是山地丘陵区域或者密集城区高楼建筑较多，应该按照地形修正基准高度，采用相对高度测量。相对基准高度+300m以上区域，建议采用绝对高度测量。

　　(2)无人机围栏

　　无人机通常在低空空域飞行，需要与低空的复杂环境、地面的人财物直接接触。目前装有自动驾驶仪的无人机仍需要在人的指挥控制下进行作业。无人机围栏是一种监管无人机飞行的有效工具，其原理是在相应电子地理范围中划出特定区域，阻止该区域的无人机飞入或飞出，并配合CNS系统保障区域内安全。无人机围栏许可类型可以分为禁止飞入与禁止飞出[23-26]。

　　4总结

　　民用无人机特别是以多旋翼飞行器为典型代表的无人机发展迅猛。为了保证安全，民用无人机与民航飞行器一样，飞行过程必须接受全程管理。无人机空中交通管理系统目的是保持无人机与空中其他飞行器(如：无人机、有人机、气球等)的安全间隔，并提供一个高效和有序的交通流量控制方法。目前，无人机空管系统的研发在各国均正处于起步阶段。

　　无人机交通管理技术的研发与落地，不仅能够满足不断增长的无人机行业应用需求，亦可作为有人飞行器自动化演进的重要技术途径，实现航空业的快速发展，成为世界各国进入航空强国的重要途径。无人机交通网与传统民航网、公路网、铁路网等之间存在一定差异，具有一定的特殊性。

　　因此，没有现成的交通控制管理方式能够直接沿用。目前美国NASA主导提出UTM，不依赖于国家政府部门集中控制，而是采用分布式授权给私人无人机服务供应商的原则。这样既保证空域安全，又能利用私人无人机服务供应商技术迭代灵活的优点降低了政府运营成本，同时为无人机服务提供商释放了市场。该框架被目前被广泛接受。无人机交通管理功能主要包括空域管理、飞行管理和风险管理。针对这些管理，低空无人机交通需要攻克多个关键技术。

　　(1)需要结构化空域以最大限度地提高通行能力，结构化包括空域网格化，以及航路网生成;进一步，还需要进行容量的准确评估。(2)需要设计针对无人机特点的交通管理方法，包括容量控制、航线规划以及空中避让技术等，避免因为不确定而导致的航路网交通不稳定的现象。(3)需要针对无人机交通，利用大数据和各种合理的模型，设计准确可行的风险评估方法。除此之外，需要开发可靠的CNS系统，并确定匹配安全飞行的性能指标。另外，还需要考虑无人机的研发[127-128]和通信安全问题[129]等等。

　　以上的关键技术是相互耦合的。(1)风险、空域容量、飞行经济性与无人机航路网之间存在紧密关系。(2)通信、导航和监视系统的性能指标与风险息息相关。(3)给定航路网和飞行任务，交通控制方式决定着碰撞风险。(4)在网络结构变化或者无人机速度发生改变等情况下，某种交通控制方式下的航路网可能不稳定。

　　最终，为了走向真正应用，需要对设备和流程等进行标准化。在技术开发的同时，低空无人机交通的发展还需要公众接受、法律法规制定和相关人才培养等等基础条件。可以预见，由于各方面的推进节奏不一致，前进的道路曲折。虽然这样，只有坚定发展低空无人机交通，控制风险，民用无人机产业才能够健康有序地向前发展。

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