中國網(wǎng)/中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊   隨著現(xiàn)代高新技術(shù)的快速發(fā)展，全球民用無人機(jī)數(shù)量不斷增長，低空無人機(jī)應(yīng)用場景日益多樣化，無人機(jī)及其應(yīng)用正在逐漸影響甚至改變?nèi)祟惿睢Ｖ袊呀?jīng)是無人機(jī)生產(chǎn)和運行大國，截至2021年12月31日，經(jīng)實名登記注冊的民用無人機(jī)數(shù)量達(dá)83.02萬架，日均飛行時間達(dá)4.57萬小時；民用無人機(jī)每年飛行時間已超過1800萬小時，約為民航運輸飛行量的2倍。進(jìn)一步統(tǒng)計說明，輕小型無人機(jī)是低空飛行活動主體，其中90%以上無人機(jī)飛行高度低于120米（含），70%以上無人機(jī)飛行速度低于5米/秒；低空無人機(jī)飛行活動具有典型的“低，慢，小”特征。但是，低空環(huán)境復(fù)雜多變，起伏的地形地貌、高動態(tài)變化的建筑物，以及復(fù)雜的電磁環(huán)境和低空局部湍流都給規(guī)模化無人機(jī)應(yīng)用帶來巨大風(fēng)險。近年來，無人機(jī)“黑飛”“亂飛”事件頻發(fā)，給國家、航空和公共安全帶來極大威脅。高效有序規(guī)范發(fā)展和管控?zé)o人機(jī)、保障低空運行安全十分迫切。

為了有序管理無人機(jī)應(yīng)用，無人機(jī)監(jiān)管部門、生產(chǎn)企業(yè)、行業(yè)協(xié)會和科研院所等頒布或研發(fā)了相關(guān)監(jiān)管政策或技術(shù)手段來隔離無人機(jī)與傳統(tǒng)航空（軍/民航）及其他空域用戶活動，從而保障空域安全。主要包括：空域限制（無人機(jī)最大飛行高度、地理圍欄和隔離空域等）、沖突消減（最小安全間隔、探測和避讓等）和無人機(jī)交通管理系統(tǒng)等。無人機(jī)交通管理系統(tǒng)是一種綜合有效監(jiān)管手段，該系統(tǒng)通過對經(jīng)實名登記注冊且具備唯一識別碼的聯(lián)網(wǎng)無人機(jī)進(jìn)行實時監(jiān)控和任務(wù)、時空資源的統(tǒng)一調(diào)度，從而實現(xiàn)了無人機(jī)積極管控和空域資源的合理配置。當(dāng)前進(jìn)展較快的包括美國國家航空航天局（NASA）研制的無人機(jī)交通管理（UTM）系統(tǒng)、歐洲航空安全局（EASA）推出的U-Space系統(tǒng)、中國民用航空局（CAAC）推動的民用無人駕駛航空器綜合管理平臺（UOM），以及新加坡項目團(tuán)隊提出的城市場景下無人機(jī)城市交通管理系統(tǒng)（UTM-UAS）等。

通過上述監(jiān)管政策的實施或技術(shù)手段的支持，低空無人機(jī)運行得到初步規(guī)范。隨著政策的調(diào)整和完善及技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)監(jiān)管體系也將日趨完善。然而，監(jiān)管發(fā)展相對滯后于技術(shù)應(yīng)用研發(fā)，信息化、自動化等高新技術(shù)的快速發(fā)展及其在無人機(jī)領(lǐng)域的深度應(yīng)用帶來的是更高標(biāo)準(zhǔn)的無人機(jī)飛行要求；尤其是在應(yīng)對未來應(yīng)用范圍廣、飛行頻次高、業(yè)務(wù)類型多、面向群體廣的低空規(guī)模化業(yè)務(wù)運行時，當(dāng)前監(jiān)管體系面臨著更大的挑戰(zhàn)。和幾十年前傳統(tǒng)無人機(jī)比較，當(dāng)代無人機(jī)是“新技術(shù)之花”，其牢牢扎根于先進(jìn)高技術(shù)和眾多科技基礎(chǔ)設(shè)施中。無人機(jī)安全運行高度依賴飛機(jī)外部科技基礎(chǔ)設(shè)施提供支撐，包括全球?qū)Ш叫l(wèi)星、低延遲高帶寬通信、安全高效運行和有效監(jiān)視監(jiān)管等。無人機(jī)規(guī)模化商業(yè)運行時代，科學(xué)規(guī)劃和構(gòu)建能提供相應(yīng)支撐的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施是無人機(jī)規(guī)模化安全高效運行的前提和基礎(chǔ)。

論文基于當(dāng)前無人機(jī)應(yīng)用發(fā)展與監(jiān)管現(xiàn)狀，分析無人機(jī)低空規(guī)模化業(yè)務(wù)運行對于基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展與建設(shè)的需求，并分析存在的主要問題；結(jié)合未來技術(shù)和政策發(fā)展趨勢，提出低空無人機(jī)應(yīng)用發(fā)展建議，并總結(jié)低空無人機(jī)應(yīng)用的未來挑戰(zhàn)。

低空無人機(jī)業(yè)務(wù)化運行對基礎(chǔ)設(shè)施的需求分析

低空無人機(jī)業(yè)務(wù)化運行要求

當(dāng)代無人機(jī)的迅猛發(fā)展主要得益于科技發(fā)展的浪潮，例如：微電子技術(shù)帶動了無人機(jī)元器件和傳感器的小型化、集成化發(fā)展，新材料技術(shù)助力無人機(jī)結(jié)構(gòu)趨于輕質(zhì)化、多功能化，自動化技術(shù)帶來無人機(jī)的自動駕駛和作業(yè)，通信技術(shù)實現(xiàn)無人機(jī)的高效測控和實時高帶寬圖像傳輸功能，燃料電池、鋰離子電池等技術(shù)延長無人機(jī)的續(xù)航時間，以及導(dǎo)航定位技術(shù)提供三維空間精準(zhǔn)定位導(dǎo)航服務(wù)等。高新技術(shù)通過關(guān)鍵技術(shù)催生和若干“科技基礎(chǔ)設(shè)施”的形式支撐了無人機(jī)應(yīng)用的大發(fā)展，為低空規(guī)模化業(yè)務(wù)運行提供了必要條件。

面向低空的規(guī)模化業(yè)務(wù)應(yīng)用，運營商安全生產(chǎn)和政府安全監(jiān)管對無人機(jī)運行提出了高要求：“永不迷失”，是指在導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)與各類增強(qiáng)導(dǎo)航系統(tǒng)支持下，無人機(jī)能實時獲取自身高精度位置信息；“永不失聯(lián)”，是指在無線網(wǎng)、衛(wèi)星和公網(wǎng)等通信技術(shù)及基礎(chǔ)設(shè)施支持下，無人機(jī)時刻處于聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)；  “有效管控”，是要求無人機(jī)用戶能按照軍/民航或地方政府頒布的空域和飛行管制要求進(jìn)行合規(guī)飛行，并及時接收管制部門指令； “安全運行”，主要是對無人機(jī)運行的確定性和安全性的要求，包括無人機(jī)運行環(huán)境安全、無人機(jī)之間及其與“有人機(jī)”之間的運行安全。

基礎(chǔ)設(shè)施需求

外部公共或?qū)Ｓ玫幕A(chǔ)設(shè)施是支撐以上無人機(jī)業(yè)務(wù)化運行要求的基礎(chǔ)（圖1），主要包括以下4方面。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和各類增強(qiáng)導(dǎo)航系統(tǒng)提供無人機(jī)位置服務(wù)。當(dāng)代無人機(jī)飛行離不開導(dǎo)航系統(tǒng)，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）和各類增強(qiáng)導(dǎo)航系統(tǒng)（包括SBAS和GBAS）為無人機(jī)高精度定位提供技術(shù)及基礎(chǔ)設(shè)施支撐服務(wù)^[12]。GNSS能在地球表面或近地空間的任何地點為用戶提供全天候三維坐標(biāo)、速度和時間信息。目前，全球主要有四大導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，包括美國的全球定位系統(tǒng)（GPS），俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS），歐洲的伽利略導(dǎo)航系統(tǒng)（GALILEO），以及我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）。SBAS通過提供差分修正和完好性監(jiān)控數(shù)據(jù)加強(qiáng)GNSS監(jiān)測的精度和完好性，是衛(wèi)星導(dǎo)航的一種補(bǔ)充加強(qiáng)手段。衛(wèi)星導(dǎo)航信號結(jié)合GBAS，如通過參考站信息開展基于載波相位實時差分技術(shù)（RTK）的動態(tài)解算，能夠達(dá)到厘米級定位精度。通過GNSS、SBAS及GBAS等系列公共基礎(chǔ)設(shè)施，可實現(xiàn)無人機(jī)的動態(tài)位置實時解算、高速移動速度解算，提供全天時、全天候的時間基準(zhǔn)和授時通信服務(wù)。這些服務(wù)具有高精度、高可靠、多模態(tài)、兼容組合的特點，客觀上為無人機(jī)飛行與監(jiān)管提供了非常重要的技術(shù)支撐。然而，復(fù)雜地理環(huán)境下（如城市、自然峽谷和森林）容易出現(xiàn)信號遮擋或阻塞，從而降低衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的可用性和定位準(zhǔn)確性。對GPS精度的研究試驗發(fā)現(xiàn)，由于山體或建筑物導(dǎo)致衛(wèi)星信號阻塞，無人機(jī)定位漂移可能超過20米。這使得用戶需要尋求其他獨立于GNSS的外部基礎(chǔ)設(shè)施解決方案。 

衛(wèi)星通信系統(tǒng)和地面移動通信網(wǎng)支撐無人機(jī)聯(lián)網(wǎng)通信。無人機(jī)安全飛行和監(jiān)管要求無人機(jī)必須時刻處于聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)。當(dāng)前無人機(jī)通信主要基于無線、衛(wèi)星中繼與地面移動通信技術(shù)。其中，無線通信通過數(shù)傳電臺或無線局域網(wǎng)技術(shù)（主要是指2.4吉赫茲）實現(xiàn)，均需要進(jìn)一步開發(fā)完善。無線數(shù)傳電臺在特定頻段上進(jìn)行簡單點對點通信，存在頻譜資源可用性和通信延遲等挑戰(zhàn)；無線局域網(wǎng)技術(shù)是一種短距離通信傳輸技術(shù)，存在信號易受遮擋和干擾等問題。無人機(jī)衛(wèi)星中繼通信通過專用機(jī)載模塊利用北斗等低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)實現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，成本較高，一般應(yīng)用于無人區(qū)等特殊作業(yè)場景，以及應(yīng)急情況下的無人機(jī)通信服務(wù)。相比傳統(tǒng)通信手段，地面移動通信技術(shù)優(yōu)勢在于高速率、低成本和基礎(chǔ)設(shè)施覆蓋范圍廣。當(dāng)前廣泛支撐無人機(jī)作業(yè)的地面移動通信技術(shù)主要是4G通信技術(shù)，基于覆蓋全國的4G通信基礎(chǔ)設(shè)施，在大部分應(yīng)用場景下，監(jiān)管部門和用戶能實時獲取聯(lián)網(wǎng)無人機(jī)信號。隨著低空時代的到來，無人機(jī)業(yè)務(wù)化、商業(yè)化運行對實時通信提出了更高要求，高帶寬、低時延、端對端是保障低空業(yè)務(wù)化穩(wěn)定運行的基本條件。由于空中通信業(yè)務(wù)的特殊性，當(dāng)前面向地面用戶的主流通信技術(shù)難于滿足數(shù)百米高度層和高帶寬穩(wěn)定應(yīng)用要求，而具備高帶寬、低時延、滿足更深低空縱深覆蓋的新一代通信技術(shù)（如5G通信技術(shù)）將是低空無人機(jī)應(yīng)用主要低成本保障性通信手段。

無人機(jī)交通管理系統(tǒng)和云系統(tǒng)服務(wù)無人機(jī)合法合規(guī)運行。當(dāng)前各國都在建設(shè)無人機(jī)云端管理系統(tǒng)，中國也提出了UOM一期建設(shè)框架，同時行業(yè)部門更早的時候也研發(fā)了無人駕駛航空器空中交通管理信息服務(wù)系統(tǒng)（UTMISS）服務(wù)平臺。在中國民用航空局的主導(dǎo)和授權(quán)下，各行業(yè)和企業(yè)也開展了一些無人機(jī)試點工作，如UTMISS在深圳和海南的空域開展審批試點工作。總之，頂層架構(gòu)UOM，核心UTMISS，行業(yè)無人機(jī)云，以及公安部、工業(yè)和信息化部等部門關(guān)于無人機(jī)系統(tǒng)的政策（地理圍欄、無人機(jī)實名登記注冊等），都為無人機(jī)安全運行提供了相應(yīng)支撐。當(dāng)前，任何一架無人機(jī)都必須在合法云系統(tǒng)監(jiān)管條件下方能合法飛行。事實上，這也是一個服務(wù)無人機(jī)低空應(yīng)用發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施。中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所主持研發(fā)的“中科天網(wǎng)”云服務(wù)系統(tǒng)也獲得中國民用航空局批準(zhǔn)運行。

高精度氣象預(yù)報和無人機(jī)驗證場支撐安全運行與科學(xué)實驗。在實際飛行中，切變風(fēng)和大氣邊界層湍流等局地極端氣候一直是造成低空無人機(jī)運行事故的重要原因。尤其是在城市復(fù)雜環(huán)境下，風(fēng)場的快速動態(tài)變化會降低無人機(jī)飛行的穩(wěn)定性，氣壓變化帶來的感知高度誤差也會降低無人機(jī)的定位精度，嚴(yán)重影響起降階段運行安全。為了保障低空無人機(jī)運行安全，需要提前預(yù)報和及時獲取沿途及起降場的天氣情況。然而，大區(qū)域范圍的高精度氣象預(yù)報要求高算力、高存儲空間和精細(xì)化高分辨率天氣預(yù)報模式支持，當(dāng)前區(qū)域氣象預(yù)報模式模擬結(jié)果的時空精度還達(dá)不到要求，尤其是風(fēng)力風(fēng)速的預(yù)報還存在比較大的誤差，無法滿足高頻次的低空商業(yè)運行需求。另外，在無人機(jī)應(yīng)用進(jìn)程中，需要在特定區(qū)域特定場景內(nèi)進(jìn)行多類別無人機(jī)科學(xué)實驗，以驗證沖突避讓、低空監(jiān)管、對地遙感等關(guān)鍵技術(shù)的可行性與合理性。無人機(jī)驗證場是一種保障無人機(jī)科學(xué)試驗飛行安全的重要基礎(chǔ)設(shè)施，其對于無人機(jī)未來商業(yè)化運行不可或缺。近20年來，中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所和空天信息創(chuàng)新研究院等已陸續(xù)在全國結(jié)合中國科學(xué)院野外科學(xué)臺站或通過與地方合作，建設(shè)了一批面向多應(yīng)用場景的無人機(jī)綜合驗證場（圖2），初步形成無人機(jī)空港服務(wù)網(wǎng)，并在科學(xué)觀測試驗和應(yīng)急觀測實踐中發(fā)揮了重要作用。

基礎(chǔ)設(shè)施問題分析

目前，公共或?qū)Ｓ玫幕A(chǔ)設(shè)施支撐無人機(jī)運行還局限于小規(guī)模、低頻次和簡單環(huán)境。面向未來無人機(jī)商業(yè)化運行大發(fā)展，尤其是低空無人機(jī)規(guī)模化和體系化發(fā)展，當(dāng)前基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)體系還存在以下問題需要不斷完善和改進(jìn)：對于高精度導(dǎo)航，GPS和廣播式自動相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)（ADS-B）等當(dāng)前常用無人機(jī)導(dǎo)航和監(jiān)視技術(shù)在復(fù)雜城市環(huán)境中存在位置誤差較大、高密度環(huán)境過飽和等問題；在通信覆蓋方面，無線通信易受環(huán)境干擾，衛(wèi)星通信成本較高，地面移動通信基礎(chǔ)設(shè)施無法有效覆蓋空中通信需求；對于低空無人機(jī)運行的監(jiān)視監(jiān)管，無人機(jī)監(jiān)管平臺及云交換系統(tǒng)只能監(jiān)管主動接入系統(tǒng)的無人機(jī)，無法有效監(jiān)管未注冊和非合作無人機(jī)，也無法有效避免無人機(jī)與地表障礙物的碰撞；對于安全運行，現(xiàn)行氣象預(yù)報服務(wù)也僅適用于區(qū)域尺度要素數(shù)值預(yù)報，沒有針對飛行路線的帶狀氣象定制服務(wù)，無法保障低空氣象預(yù)報及時滿足業(yè)務(wù)化運行需求。

總之，由于缺乏滿足發(fā)展需求的技術(shù)體系和相適應(yīng)的科技基礎(chǔ)設(shè)施支撐，規(guī)模化無人機(jī)在緊鄰復(fù)雜地理環(huán)境的低空無法做到常態(tài)化安全高效運行，其中將低空公共航路作為安全高效運行的保障性新型基礎(chǔ)設(shè)施這一觀念逐漸獲得地方政府和空域監(jiān)管部門的認(rèn)可。當(dāng)前無人機(jī)管理系統(tǒng)和云平臺實際上是沒有航路的，而構(gòu)建航路在近些年已經(jīng)為很多物流企業(yè)所實踐。以低空公共航路為核心，在當(dāng)前基礎(chǔ)設(shè)施水平和高技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)上，融合高精度多組合導(dǎo)航定位、5G聯(lián)網(wǎng)通信、精細(xì)氣象預(yù)報等新一代技術(shù)，構(gòu)建以航路為載體的低空無人機(jī)應(yīng)用服務(wù)能力，升級完善固有基礎(chǔ)設(shè)施或者新建基礎(chǔ)設(shè)施形成新型基礎(chǔ)設(shè)施體系，對于應(yīng)對規(guī)模化低空業(yè)務(wù)運行十分重要。

低空公共航路網(wǎng)是低空無人機(jī)運行關(guān)鍵新型基礎(chǔ)設(shè)施

關(guān)于為無人機(jī)運行預(yù)設(shè)航路，當(dāng)前國內(nèi)外存在一種有爭議的學(xué)術(shù)觀點，即無人機(jī)的發(fā)展是遵循自由飛行還是沿航路飛行。溫故知新，民航運輸發(fā)展經(jīng)歷了自由飛行到航路飛行的歷史。早期，在飛機(jī)數(shù)量少的時候飛行員在航線選擇上有很大的自由度。現(xiàn)在飛機(jī)越來越多，缺乏航路劃設(shè)和管制造成了嚴(yán)重的機(jī)毀人亡事故，這促使各國在全球范圍內(nèi)建立了完善的空中交通管理（ATM）體系。空域管理問題可以比喻為泳池管理問題。當(dāng)游泳池里面人滿為患，并且需求與能力各異時，如何提升游泳池利用率？設(shè)計泳道是很好的解決方案。其實航路就是空中的“泳道”，也是解決低空無人機(jī)有序運行的“良方”。人自身具備很好的探測與避讓（D&A）功能，但是人足夠多時游泳池還是需要規(guī)劃泳道。同理，盡管無人機(jī)可以通過D&A功能實現(xiàn)避讓，對于規(guī)模化無人機(jī)安全高效運行，航路將是重要選項。

無人機(jī)低空公共航路發(fā)展現(xiàn)狀

2017年，中國科學(xué)院首先提出發(fā)展無人機(jī)低空公共航路倡議。2019年，中國民用航空局將低空航路納入《無人駕駛航空器飛行管理暫行條例（征求意見稿）》，確定了國內(nèi)發(fā)展無人機(jī)低空航路的趨勢。UOM系統(tǒng)雖然沒有航路服務(wù)功能，但是中國科學(xué)院和中國民用航空局簽訂了戰(zhàn)略協(xié)議，中國科學(xué)院重點項目支持研發(fā)的春蠶系統(tǒng)（ARPS）在科技層面實現(xiàn)了與中國民用航空局UOM的耦合（圖3）。春蠶系統(tǒng)也是國內(nèi)首個具備航路規(guī)劃與仿真飛行驗證功能的系統(tǒng)，包括智能化算法庫、高動態(tài)海量基礎(chǔ)地理信息與遙感大數(shù)據(jù)平臺、航路網(wǎng)規(guī)劃構(gòu)建與仿真驗證模塊和系統(tǒng)產(chǎn)出的“天路圖”（圖4）。

2021年12月，中國科學(xué)院牽頭制定的“面向無人機(jī)運行的低空空域結(jié)構(gòu)化框架標(biāo)準(zhǔn)”（IEEE Std 1939.1^TM-2021）正式出版，這是電氣與電子工程師協(xié)會（IEEE）首個關(guān)于無人機(jī)低空運行的國際標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)定義了一種以低空公共航路為核心，旨在促進(jìn)無人機(jī)交通管理安全和有效發(fā)展的無人機(jī)低空空域結(jié)構(gòu)，包括網(wǎng)格技術(shù)、遙感數(shù)據(jù)、通信與聯(lián)網(wǎng)、航路規(guī)劃、運行和管理等內(nèi)容（圖5）。其中，網(wǎng)格和編碼技術(shù)是構(gòu)建結(jié)構(gòu)化低空的基礎(chǔ)性技術(shù)，遙感及其地物識別提取是低空結(jié)構(gòu)化建設(shè)所需地表地理信息的重要來源，通信和聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可為低空無人機(jī)運行提供高質(zhì)量、安全可靠的通信和數(shù)據(jù)鏈路，低空航路是一種精細(xì)的低空空域結(jié)構(gòu)，運行和管理技術(shù)從UTM建設(shè)角度提供航路運行建議。

無人機(jī)低空公共航路構(gòu)建關(guān)鍵問題

低空地理環(huán)境復(fù)雜多變，不僅有著起伏的地形地貌和動態(tài)變化的合法/非法建筑物，以及電網(wǎng)、高塔、風(fēng)車等人工構(gòu)筑物，還有局地極端天氣。同時，在低空運行的航空器會帶來噪音，影響居民生活，并且機(jī)地通訊也易受電磁環(huán)境和地形干擾等，這些都是不利無人機(jī)飛行的因素。因此，在低空規(guī)劃航路困難重重。要發(fā)展和建設(shè)無人機(jī)低空公共航路基礎(chǔ)設(shè)施，以下2個關(guān)鍵問題亟須解決。

無人機(jī)低空公共航路敏感約束地理要素快速識別與精準(zhǔn)提取。清晰明確的地理環(huán)境是低空無人機(jī)安全運行的前提條件。城市低空環(huán)境復(fù)雜多變，地物尺度精細(xì)。由于重返周期和空間分辨率等限制，衛(wèi)星遙感手段很難滿足高動態(tài)精細(xì)地理信息獲取的要求。隨著傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)動靈活的無人機(jī)通過搭載多類型傳感器逐漸成為動態(tài)獲取高清遙感影像的有效手段。基于此，通過半自動/自動化的地物識別與提取算法，用戶可以快速獲取高精度航路敏感約束地理要素信息。為支撐大范圍規(guī)模化商業(yè)飛行，建議構(gòu)建航路空間范圍內(nèi)關(guān)鍵約束要素的動態(tài)更新周期與飛行安全間定量關(guān)系，并通過大數(shù)據(jù)平臺等技術(shù)手段整合不同來源的高分辨率高動態(tài)更新無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)，從而降低地理信息獲取、更新和航路維護(hù)的成本。

約束地理要素三維凈空范圍的科學(xué)確定。地理圍欄是一種通過劃定凈空范圍來保障禁飛區(qū)安全和規(guī)范無人機(jī)運行的技術(shù)手段。空域監(jiān)管部門通過劃定永久或臨時凈空范圍來限制無人機(jī)活動。從已公布的地理圍欄數(shù)據(jù)來看，當(dāng)前凈空范圍遠(yuǎn)超無人機(jī)避障所需空間。當(dāng)代無人機(jī)已經(jīng)可以靈活快速躲避障礙物，而例如離電力線和塔桿一公里等凈空范圍的規(guī)定，雖能降低無人機(jī)碰撞風(fēng)險，但也極大地降低了低空空域資源的利用率。因此，為了應(yīng)對業(yè)務(wù)化運行時代低空空域資源的稀缺性問題，建議進(jìn)一步科學(xué)論證約束地理要素的三維凈空范圍，尤其是一些關(guān)鍵的地理約束要素（如建筑物等）和重要的飛行條件（如噪聲、隱私等），明確無人機(jī)與上述要素的安全間隔。

基于低空公共航路的新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)展望

在信息化、自動化和高性能計算等新一代技術(shù)迅速發(fā)展的背景下，開展以低空公共航路為核心的通信、導(dǎo)航、監(jiān)視（CNS）和航路氣象服務(wù)等專用能力建設(shè)是未來面向低空業(yè)務(wù)化運行的新基建發(fā)展趨勢，建議形成如圖6所示的新基建體系。

構(gòu)建基于低空公共航路的無人機(jī)CNS能力

通信。當(dāng)前地面移動通信基礎(chǔ)設(shè)施布局無法有效覆蓋300米高度以上的無人機(jī)通信需求，易出現(xiàn)信號中斷等問題。構(gòu)建基于低空公共航路的高速率、高帶寬、低延時的專用通信環(huán)境將是一種低空通信能力提升手段。公共通訊基礎(chǔ)設(shè)施的開放，以及專用通信能力的建設(shè)將支持高速移動遙感無人機(jī)大容量數(shù)傳和大范圍通信的跨基站無縫切換。建議基于現(xiàn)有地面移動通信基站布局，通過大規(guī)模天線陣列和波束賦形等新技術(shù)切換更窄的波束朝向低空運行無人機(jī)，據(jù)此優(yōu)化調(diào)整航路沿途的通信基站天線朝向，實現(xiàn)空中信號增強(qiáng)覆蓋；結(jié)合5G等新一代通信技術(shù)基站的波束覆蓋特點完善現(xiàn)有基站的布局設(shè)計，保障低空通信的空間連續(xù)性，縮短多地面站之間的通信切換時間。

導(dǎo)航。針對復(fù)雜環(huán)境下導(dǎo)航定位漂移問題，建議通過使用基于圖像的導(dǎo)航系統(tǒng)、協(xié)作導(dǎo)航或信號，以及額外的地面基礎(chǔ)設(shè)施輔助，實現(xiàn)更高的定位精度^[22]。例如，GPS和蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)的組合可將誤差降低至厘米級。針對GNSS短時間內(nèi)誤差限寬問題，結(jié)合具備短時間內(nèi)高精度位置優(yōu)勢的慣導(dǎo)系統(tǒng)，可以提高精度、可靠性和數(shù)據(jù)的更新效率，更好地服務(wù)于無人機(jī)導(dǎo)航定位需求。

監(jiān)視。在傳統(tǒng)雷達(dá)不足以監(jiān)視低空無人機(jī)運行的背景下，非合作無人機(jī)一直是導(dǎo)致“黑飛”“亂飛”的主要原因。針對非合作無人機(jī)的低空監(jiān)視，自主、高效的低空監(jiān)視網(wǎng)建設(shè)應(yīng)是未來發(fā)展方向。無論是合作對象還是非合作對象，都應(yīng)具備被監(jiān)管能力。但是對于全國土范圍內(nèi)的低空全域監(jiān)管，投資將非常巨大。因此，建議基于低空公共航路建設(shè)低空監(jiān)視網(wǎng)。對于重點大范圍區(qū)域，可以進(jìn)行局部的全域監(jiān)視網(wǎng)建設(shè)。同時，開發(fā)克服ADS-B限制的先進(jìn)監(jiān)視系統(tǒng)，更高的飛行自由度將需要更復(fù)雜的CNS技術(shù)支撐。基于航路的低空監(jiān)視服務(wù)網(wǎng)建設(shè)將是低空產(chǎn)業(yè)鏈的“技術(shù)底座”和平穩(wěn)運行的“能力保障”。

基于高精度預(yù)報系統(tǒng)提供低空公共航路氣象服務(wù)

高精度氣象預(yù)報的核心在于保障高空間分辨率和高預(yù)報頻次，尤其考慮到城市低空環(huán)境的復(fù)雜性和運行無人機(jī)以輕小機(jī)型為主等特點，基于航路的氣象預(yù)報需要達(dá)到米級和小時級，短距離航路甚至需要達(dá)到分鐘級。如何在有限計算資源空間內(nèi)兼顧空間分辨率和時間效率？基于航路的帶狀核心氣象要素數(shù)值模擬是一種有效手段。例如，有學(xué)者基于高分辨率氣候模式模擬了京津冀地區(qū)無人機(jī)低空公共航路沿途風(fēng)速風(fēng)向數(shù)值，并與氣象臺站實際觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。然而，當(dāng)前基于航路的精準(zhǔn)帶狀天氣預(yù)報研究進(jìn)展無法滿足無人機(jī)運行對氣象預(yù)報的高時效性要求。建議采用自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行帶狀氣象數(shù)值快速模擬，核心問題在于氣象模式模擬時自適應(yīng)網(wǎng)格大小及網(wǎng)格移動方式的設(shè)置。另外，如何獲取高動態(tài)更新的城市湍流廓線也是值得探討的問題，已有學(xué)者利用無人機(jī)搭載微小型氣象站來監(jiān)測獲取城市湍流信息。中國科學(xué)院相關(guān)團(tuán)隊也在航路氣象預(yù)報方面做了一些探索，并在上海金山至浙江舟山群島的無人機(jī)海上運輸中進(jìn)行了實際應(yīng)用，通過模擬溫度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向、濕度、降水概率等氣象指標(biāo)數(shù)值預(yù)報50—300米高度層的高精度氣象信息，為長距離航路運行提供氣象保障。

當(dāng)代無人機(jī)是高新技術(shù)交叉融合孵化出來的“新技術(shù)之花”，其在低空的安全、高效運行需要充分用好衛(wèi)星導(dǎo)航特別是北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)、衛(wèi)星和地面移動通信等公共基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)。在無人機(jī)規(guī)模化商業(yè)運行時代，需要進(jìn)一步開發(fā)利用高精度導(dǎo)航、新一代移動通信網(wǎng)等重要基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)能力，規(guī)劃和建設(shè)好面向低空無人機(jī)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的低空公共航路網(wǎng)、云監(jiān)管、低空監(jiān)視、航路氣象預(yù)報等專用基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃建設(shè)，特別是超前規(guī)劃多層級與地面基礎(chǔ)設(shè)施有機(jī)銜接的無人機(jī)低空公共航路網(wǎng)新型基礎(chǔ)設(shè)施。為了加快推進(jìn)低空公共航路網(wǎng)建設(shè)，需要中央或更多的地方政府層面出臺相關(guān)政策支持，從法律法規(guī)、關(guān)鍵技術(shù)突破和數(shù)據(jù)獲取等科學(xué)層面深化航路規(guī)劃構(gòu)建理論研究和應(yīng)用實踐推進(jìn)，為未來城市空中交通新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和安全高效運行提供系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與基礎(chǔ)性解決方案；并借助我國民用無人機(jī)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)先優(yōu)勢，抓住低空經(jīng)濟(jì)發(fā)展新機(jī)遇，將低空無人機(jī)大規(guī)模商業(yè)化運行作為低空經(jīng)濟(jì)“動脈”，帶動無人機(jī)制造業(yè)和服務(wù)業(yè)的發(fā)展。在國家和地方建設(shè)新型基礎(chǔ)設(shè)施有關(guān)政策支持下，相信未來幾年低空“天路”在深圳等先行示范區(qū)內(nèi)將率先開展深化研究與實際應(yīng)用探索。

（作者：廖小罕、徐晨晨，中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點實驗室  中國科學(xué)院無人機(jī)應(yīng)用與管控研究中心 中國民航局民航低空地理信息與航路重點實驗室；葉虎平、房世峰、林靜，中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點實驗室 中國民航局民航低空地理信息與航路重點實驗室；譚翔，中國科學(xué)院無人機(jī)應(yīng)用與管控研究中心；黃耀歡，中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點實驗室。《中國科學(xué)院院刊》供稿）

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