陳義友， 張建平， 鄒 翔， 吳卿剛

(中國民用航空總局第二研究所， 成都 610041)

近年來，國際民航組織(International Civil Aviation Organization, ICAO)、無人駕駛航空器規(guī)則制定聯合體(Joint Authorities for Rulemaking of Unmanned Systems, JARUS)、美國聯邦航空管理局(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等紛紛啟動了民用無人駕駛航空器系統(tǒng)(unmanned aircraft system, UAS)即“無人機”，交通管理策略的探索、研究、試點論證，甚至局部推行工作。其中比較有代表性的項目或者系統(tǒng)包括ICAO基于儀表飛行規(guī)則(instrument flight rules, IFR)飛行的管控空域遠程遙控駕駛航空器系統(tǒng)(remotely piloted aircraft systems，RPAS)項目[1-2]，美國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]，這些計劃和項目各具特色，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開展。

在中國，近幾年國家空管委、中國民用航空局等單位陸續(xù)推出了一系列關于民用無人機管理的政策、法規(guī)、規(guī)章、標準及規(guī)范性文件，對無人機的交通管理、實名登記、駕駛員管理、經營許可、適航管理、運行管理、安全評估、飛行動態(tài)監(jiān)控、無人機圍欄、云系統(tǒng)接口等進行了規(guī)定，尤其在2019年11月發(fā)布了《輕小型民用無人機飛行動態(tài)數據管理規(guī)定》，規(guī)定了輕小型民用無人機、植保無人機的飛行動態(tài)數據的管理要求、數據與傳輸要求、第三方平臺系統(tǒng)技術與安全要求等，為中國無人機交通管理體系的構建奠定了數據管理基礎。

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

因此，在分析國外民用無人機交通管理現狀基礎上，提出了面向全譜系運行場景的無人機交通管理體系架構，闡述民用無人機交通管理關鍵技術研究現狀與發(fā)展趨勢，以期為未來民用無人機交通管理策略的頂層設計提供初步依據，為未來無人機空管關鍵技術研究提供新方向，助推無人機產業(yè)的高質量發(fā)展。

1 國外民用無人機交通管理現狀

民用無人機交通管理直接面向無人機飛行作業(yè)，是無人機管理各個環(huán)節(jié)和成果的集中體現，在整個無人機運行管理中處于核心地位。為強化頂層設計，美國、歐洲等紛紛提出適合國家無人駕駛航空發(fā)展的無人機交通管理運行概念或無人機融合國家空域路線圖?，F將從無人機交通管理運行概念入手，對美國、歐洲、其他國家或地區(qū)的民用無人機交通管理現狀進行分析，為無人機交通管理體系架構設計提供參考。

1.1 美國

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

2014年4月，美國航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)首次提出無人機交通管理概念[25]，并在2016年的AIAA(American Institute of Aviation and Aeronautics)發(fā)布了學術報告，對UTM運行概念進行全面闡述[4]，該論文是美國UTM發(fā)展的標準性成果。2015年，FAA和NASA建立了一個UTM研究轉化小組(UTM research transition team, RTT)。于2017年1月31日，發(fā)布《UTM RTT計劃》[26]，制定了無人機技術能力水平(technical capability levels, TCL)發(fā)展的四個等級，以此來逐步實現從視距內運行(visual line of sight, VLOS)到超視距運行(beyond VLOS, BVLOS)、從城郊人口稀疏區(qū)到城區(qū)人口稠密區(qū)、從人工手動控制到智能自動管理的轉變。

2018年5月，FAA正式發(fā)布第一版UTM運行概念[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運行概念[3]拓展到真高400 ft以下的管制空域，描述了更加復雜的BVLOS飛行場景。第二版UTM運行概念中的UTM參與方包括運營人、駕駛員、無人機系統(tǒng)服務提供商(UAS service supplier, USS),無人機系統(tǒng)補充數據服務提供商(supplemental data ser-vice provider, SDSP),FAA和其他利益相關者。UTM的主要服務包括遠程身份識別、FAA信息發(fā)送、發(fā)現、運營人注冊、空域授權、限制管理、運營人信息發(fā)送、戰(zhàn)略沖突管理、一致性監(jiān)視、沖突通告與告警、動態(tài)路由、運行計劃、飛行簽派、天氣、地圖、通信、監(jiān)視、導航、無人機系統(tǒng)監(jiān)視等。

2020年5月，FAA正式發(fā)布第一版超高空交通管理(upper class E traffic management, ETM)運行概念[27]，聚焦在運營人如何在超高空(upper class E)運行，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)進行交互，界定了運營人和ATC/ATM的職責。

2020年6月，FAA正式發(fā)布第一版城市空中交通(urban air mobility, UAM)運行概念[6]，提出“先易后難、逐步實施”的總體發(fā)展路線，定義UAM走廊空域、UAM服務商(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劃(single European sky ATM research, SESAR)發(fā)布《歐洲空管主計劃：無人機安全融入所有空域的路線圖》[28]。SESAR的任務是構建滿足有人和無人航空交通增長需求的航空環(huán)境，該目標愿景的演化將通過發(fā)展路線和創(chuàng)新路線來實現。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空域融合運行向所有空域融合運行發(fā)展；創(chuàng)新路線：針對小型無人機交通管理系統(tǒng)U-space劃分四個發(fā)展階段(U1～U4)，從基礎服務(U1)、初級服務(U2)、高級服務(U3)到全功能服務(U4)，每個階段具備的不同服務能力，最終支持基于高度自動化的U-space全面運行能力。

2018年11月，歐洲航行安全組織(European Organization for the Safety of Air Navigation, EUROCONTROL)發(fā)布無人機系統(tǒng)空管融合運行概念[29]。根據無人機飛行規(guī)則，將無人機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。提出需設計超低空飛行規(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聯合執(zhí)行體(SESAR joint undertaking, SJU)基于歐洲無人機交通管理系統(tǒng)運行概念(concept of operations for European UTM systems, CORUS)項目正式發(fā)布U-space運行概念[7, 30-31]。U-space目前聚焦在超低空運行場景(very low level, VLL)。VLL分為X、Y、Z空域，并明確U-space架構設計原則。UTM參與方[30]包括U-space服務提供商、無人機制造商、全國或區(qū)域或地區(qū)管理機構、無人機運營人、無人機擁有者、普通大眾、其他空域用戶、通信導航監(jiān)視(communication navigation surveillance, CNS)設施服務提供商、補充數據服務提供商、空中航行服務提供商(air navigation service provider, ANSP)、民航管理機構、國防安全和公共安全管理機構、機場運營人、保險企業(yè)、培訓機構。U-space服務[30]包括識別與追蹤、空域管理、任務管理、沖突管理、應急管理、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運行概念[32]。U-space參與方包括無人機運營人或駕駛員、無人機系統(tǒng)、行業(yè)U-space服務提供商、SDSP、ANSP、共同信息功能服務商、授權用戶、授權U-space服務提供商等。U-space服務包括通信、發(fā)現、認證和授權、注冊、遠程識別、空域授權、圍欄感知、通知、規(guī)則感知、地理信息、追蹤、運行計劃、間隔、風險評估、天氣、噪聲緩解、責任保險、應急管理、事故和事件報告、數字日志等服務。

1.3 其他國家或地區(qū)

2017年9月，新加坡南洋理工大學在ICAO“放飛無人機”(Drone Enable)會議上提出服務城市環(huán)境的無人機交通管理(uTM-UAS)運行概念[9]，使小型無人機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、風險管理、命令與控制鏈路(command and control, C2)管理四個模塊。

2020年11月，印度發(fā)布UTM運行概念討論稿[33]，明確了各利益相關方，包括機場管理當局、空中防衛(wèi)部門、軍隊、民航局、標準制定機構、駕駛員、地方政府、普通大眾、UTM服務提供商(UTM service provider, UTMSP)、通信服務提供商、SDSP、運營人、無人機反制服務商等，通過服務提供者、服務需求者、服務使能者進行區(qū)分各相關方的職責。UTM服務包括無人機系統(tǒng)服務、SDSP服務、UTMSP服務、數字天空引擎服務四大類。

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)運行概念[34]，主要的利益相關方包括UAM駕駛員、起降場運營人、航空器運營人、預定平臺運營人、ANSP、USS、適航管理機構、其他監(jiān)管方。主要的UATM服務包括空域和程序設計、信息交互、飛行計劃和空域授權、流量管理、動態(tài)空域管理、一致性監(jiān)視，并提出每種服務的性能要求和成熟度水平。

2 民用無人機交通管理體系架構

相比國外很早就提出民用無人機交通管理運行概念，中國雖然在無人機產業(yè)上具有較大優(yōu)勢，但民用無人機交通管理頂層設計概念文件依然缺失。從頂層概念上構建中國新的無人機交通管理體系架構是行業(yè)發(fā)展的迫切需求。

2.1 運行場景

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

由表1可知，民用無人機將呈現交通量大、飛行速度多樣、飛行密度高的交通流特性。民用無人機交通流最終將形成帶有時間維度的四維屬性，即無人機三維飛行空域不再固定，可隨飛行時間或飛行需求動態(tài)變化、靈活調整，需要突破傳統(tǒng)針對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計不同車道，最終形成綜合、立體、多層次、靈活的民用無人機綜合立體網絡，有序規(guī)范民用無人機的安全飛行。

表1 民用無人機交通流特性對比

借鑒中外無人機交通管理相關經驗，根據民用無人機運行風險的高低和所需空域保持能力的不同，結合國家相關政策規(guī)定、空域分類、飛行規(guī)則、任務用途等因素，從民用無人機運行逐步融入國家空域系統(tǒng)的角度，提出四類民用無人機典型運行場景，如圖1所示。

圖1 民用無人機典型運行場景

2.1.1 超低空隔離運行場景

運行范圍在真高(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、小型無人機在此范圍內進行視距內(VLOS)或超視距(BVLOS)飛行。此場景內，民用無人機一般與有人機相互隔離運行，其主要應用包括個人娛樂、農林植保、國土測繪、電力巡線、應急救援，支線及末端物流等。

2.1.2 低空混合運行場景

運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行場景的范圍。所有類型民用無人機均可能在此場景下進行BVLOS飛行。在此場景內，民用無人機面臨與有人通用航空器混合運行，其主要應用包括支線物流、應急救援、短途載人運輸等。

2.1.3 高空融合運行場景

運行范圍在民航空管管制范圍以內。一般有民用中大型無人機基于IFR規(guī)則飛行。此場景內，民用無人機與民航運輸航空飛機融合運行，其主要應用為公共航空運輸，是典型的遠程遙控駕駛航空器(RPAS)運行場景。高空融合運行場景的運行規(guī)則與空管體系基本沿用現有ATM體系。

2.1.4 超高空運行場景

運行范圍在FL600飛行高度層(不含)以上。一般只有民用中大型無人機基于IFR規(guī)則飛行。此場景內，民用無人機應用包括行星探測等[35]。

2.2 管理策略

在設計民用無人機交通管理策略時，需考慮不同運行場景間的差異[36]。面向不同運行場景，基于不同運行風險等級，民用無人機管理策略分為開放、特許、審定三類。

2.2.1 低風險運行——開放管理策略

運行方不需要為其使用的民用無人機進行適航審定，不需要在運行前向監(jiān)管方提出用以證明其具備相應運行安全水平的資質申請，也不需要在飛行前提交任何飛行申請。監(jiān)管方不設置嚴格的交通規(guī)則，運行方對民用無人機飛行安全自主負責，負責避讓、應急處置等。

2.2.2 中風險運行——特許管理策略

運行方不需要為其使用的民用無人機進行適航審定，但應當在運行前向監(jiān)管方提出用以證明其具備相應特許運行安全水平的資質申請，在飛行前提交飛行申請。監(jiān)管方需要設置相應交通規(guī)則并由相關無人機服務方為運行方提供無人機交通服務。

2.2.3 高風險運行——審定管理策略

運行方需要為其使用的民用無人機進行適航審定，在運行前向監(jiān)管方提出用以證明其具備相應運行安全水平的資質申請，在飛行前提交飛行申請。民航空中交通服務機構參照運輸航空ATM規(guī)則對高風險運行提供相應空中交通服務。

2.3 運行生態(tài)

民用無人機運行生態(tài)如圖2所示。無人機運行生態(tài)主要參與方包括監(jiān)管方、服務方、運行方、保障方、其他方。其中，服務方主要包括無人機服務提供方(UAS service provider，USP)、通航飛行服務方、民航空中交通服務機構。USP主要在超低空或低空范圍內為民用無人機運行提供差異化的無人機服務。根據服務的差異，USP又可分為無人機交通服務方和無人機信息服務方。

圖2 民用無人機運行生態(tài)

無人機所有的運行相關方都通過高度自動化的應用程序接口實現互聯。服務方處于整個生態(tài)的中央位置，是面向監(jiān)管方、運行方、保障方、其他方的統(tǒng)一對外門戶。

在超低空或低空隔離運行場景下，民用無人機交通服務方、無人機信息服務方各自向運行方提供相應服務，三方之間可通過互聯網協(xié)議傳輸信息。在低空混合運行場景下，存在民用無人機與有人通航飛行器混合運行的情況，在此空域內的各類USP應當能與相應的通航飛行服務方進行充分協(xié)同并逐步進行融合，以提供相應空域內民用無人機和有人通航飛行器的綜合化低空空管服務。另一方面，為確保民用無人機不對有人運輸航空飛行活動造成影響，并在低空運行場景和高空場景之間轉換時實現平穩(wěn)過渡，提供具體交通服務的USP需與相應民航航路航線及機場管制地帶內的民航空管服務機構進行飛行計劃、飛行態(tài)勢、管制指令等信息的交互。但在一個特定空域中，僅能有一個服務方為無人機或有人機提供安全間隔等管制類服務。

在高空或超高空運行場景，涉及進入民航管制空域的民用無人機飛行，其服務方主要為民航空中交通服務機構?？罩薪煌ǚ諜C構依托現行有人機的相關管理規(guī)定，遵循ICAO基于IFR的RPAS國際運行修訂的標準、建議措施、指導材料要求，為進入管制空域運行的民用無人機提供相應的空中交通服務。服務的運行方為民用無人機機構運行人。

3 民用無人機交通管理關鍵技術

構建智能化的民用無人機交通管理系統(tǒng)，需要實現關鍵技術的突破。民用無人機交通管理關鍵技術分成運行技術和支撐技術。運行技術分為戰(zhàn)略、預戰(zhàn)術和戰(zhàn)術三個層面，即無人機空域精細化管理、無人機運行安全與間隔管理以及無人機交通引導與控制。支撐技術主要包括無人機智能化設施規(guī)劃與應用。下面分別介紹民用無人機交通管理關鍵技術的研究現狀與發(fā)展趨勢。

3.1 無人機空域精細化管理

3.1.1 空域分類

空域分類是一系列標準和系統(tǒng)運行軟硬件框架的集合，包括對空域內運行的人員、設備、服務、管理的綜合要求。無人機飛行類型多樣，需突破現行針對有人航空的空域分類規(guī)定，現有研究主要聚焦在某一指定空域或典型運行場景上，未形成系統(tǒng)的無人機空域分類框架、方法、技術。

1)空域分類因素

根據空域的安全性，無人機飛行空域可簡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隔離運行的空域是目前各國關注的重點，如美國限定了UTM使用的空域為真高400 ft以下的空域[3]；歐洲U-space重點解決超低空飛行的X、Y、Z空域[37]；新加坡則聚焦于城市飛行的輕小型無人機，將其使用的空域規(guī)定為與有人機隔離的空域[38]。關于融合空域，則以ICAO為主，重點研究基于IFR的RPAS在有人機的管制空域運行。

未來，無人機空域分類除考慮空域的安全性，應基于無人機運行風險與所需性能的準則，考慮空域中空中交通的容量、復雜性，設計微型、輕型、小型、中型、大型無人機在不同飛行高度上的空域類型，提出無人機空域的間隔要求、所需交通管理服務及運行保障能力要求。

2)空域表征

無人機飛行空域表現形態(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)、網格化空域。

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

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

總之，無人機空域應采用至少三維甚至四維空域屬性表征，劃設無人機不同飛行空域的多重屬性及可重構動態(tài)邊界。

3.1.2 空域規(guī)劃

1)無人機地理圍欄設計

無人機地理圍欄是在相應的電子地理范圍中劃出特定區(qū)域，防止區(qū)域中的無人機飛入或飛出，圍欄模型采用四維空間結構，包括平面地理區(qū)域(經度、緯度)、限制高度、有效時間[42]。根據目的，分為禁止飛入地理圍欄和禁止飛出地理圍欄[43]。根據地理圍欄的時效性和控制手段，分為靜態(tài)和動態(tài)地理圍欄[44]。

目前研究主要聚焦在民用機場無人機地理圍欄設計上。中國將機場周邊包含機場障礙物限制面在內的距機場跑道中心線兩側各10 km，跑道端外20 km的區(qū)域，劃設為無人機管控區(qū)域。相比于中國直接沿用障礙物限制面的做法，英國民航局為全英國機場劃設相同范圍的輕型無人機管控區(qū)，由機場周邊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5 km、寬1 km矩形區(qū)域組成。FAA在全美機場周邊繪制了無人機設施地圖(UAS facility maps, UASFMs)，以柵格的形式給出了機場周邊輕型無人機能夠飛行的區(qū)域和高度范圍，以機場中心設置空域網格參數，每個網格為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場無人機地理圍欄設計流程及方法，并劃設了重慶江北國際機場輕型無人機管控區(qū)域。

此外，付其喜等[47]提出一種針對水平方向的地理圍欄預控制生成算法，同時設計了針自主飛行無人機越界航點重規(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)境下基于無人機性能和風影響的代數幾何地理圍欄算法，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]針對機場終端區(qū)域，設計了基于隨機沖突地圖的告警區(qū)域防止非合作無人機對機場有人機的沖突避撞。隨后，采用3D蒙特卡洛模型構建了民用機場無人機3D告警區(qū)域[50]。但這些設計方法更多偏向無人機靜態(tài)圍欄設計。

無人機類型多樣，飛行環(huán)境復雜，地理圍欄的設計應更多地考慮時間屬性，突破動態(tài)地理圍欄技術，提高空域的使用效率。

2)無人機航路網絡規(guī)劃

無人機航路網絡規(guī)劃屬于戰(zhàn)略規(guī)劃問題，類似于ATM體系中航路網絡設計，最終需要明確無人機起降點和空中航路節(jié)點的位置與數量、空中航路上下限高度和寬度、節(jié)點與節(jié)點的連接。值得注意的是，目前研究解決無人機單次飛行航路(或航線、或航跡、或路徑)預先或實時規(guī)劃問題，屬于任務規(guī)劃問題，并非航路網絡規(guī)劃問題，該類問題將在3.3.2節(jié)中“動態(tài)路由”進行闡述。總體而言，目前無人機航路網絡規(guī)劃研究更多側重在隔離空域低空運行場景，且對于無人機與通用航空有人機、與運輸航空有人機融合飛行下航路網絡規(guī)劃研究較少。

針對隔離運行無人機航路網規(guī)劃，徐晨晨等[51]提出隔離空域內無人機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，同時基于多源地理空間數據和改進的蟻群算法，規(guī)劃在既定起降點基礎上的無人機低空公共航路網絡。該分層規(guī)劃方法在理論上提供了一種規(guī)劃低空無人機航路網絡的方法，但在實際應用過程中存在以下不足：僅規(guī)劃同一高度平面的航路網絡，沒有考慮地面障礙物導致的飛行高度變化情況，未建立符合實際的不同高度三維航路網絡；低空飛行空域的構建要素沒有系統(tǒng)考慮CNS設施的服務能力[52]，實際飛行中存在數據鏈路丟失的風險；無人機航路連接僅僅通過起降點，沒有設置空中航路點，存在飛行隱患；空中航路上下限高度和寬度不明確，無法指導各種無人機的實際飛行。除了分層構建無人機低空航路網絡外，McFadyen等[53]提出了無人機交通網絡設計新概念。首先，運用數據驅動的交通建模與分析方法構建了適合無人機低空飛行的交通網絡區(qū)域；其次，考慮城市環(huán)境中典型無人機運行的地理覆蓋范圍，采用修正的K中心方法確定網絡節(jié)點；最后，以不影響有人機的運行、實現無人機覆蓋最大化為目標，采用K-最近鄰和圖論的概念設計無人機交通網絡。Mohamed等[38]考慮起降點環(huán)境、城市建筑和地形限制，探討了如何在城市空域構造小型無人機航路網絡規(guī)劃問題，提出基于離散網格空域、基于建筑上方、基于道路上方的三種航路網絡，仿真結果揭示每種城市航路網絡具有不同性能，航路網絡應結合不同需求靈活規(guī)劃。徐晨晨等[54]基于遙感和地理信息技術提出了一套城鎮(zhèn)化區(qū)域低空無人機公共航路網絡構建方法。

針對融合運行無人機航空網絡規(guī)劃，盡管Pérez-Castán等[55]建立了RPAS在融合空域內應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行特性，設計了航路復雜性、交叉點復雜性等靜態(tài)指標，航路占有率、交叉點占有率、航路可用性等動態(tài)指標，以及航路風險、交叉點風險的混合指標，并以西班牙LECMZGZ空域FL250到300為例進行分析驗證，但基于融合運行的無人機航路網絡規(guī)劃的研究還不成體系。雖然有研究建議無人機融合飛行遵從現有ATM體系[56-57]，但由于無人機類型、性能不一，起降場設施有固定、臨時之分，并非所有融合飛行的無人機均滿足ATM體系要求。因此，需細分無人機運行場景，規(guī)劃融合空域無人機航路網絡。為避免飛行沖突，規(guī)劃時可基于同高度航路不同時間使用、不同高度航路同一時間使用原則。如果無人機與有人機共用同一航路，無人機航路設計應嚴格遵循ATM相應的設計要求[55, 58]。

相比有人機航路的常態(tài)化、固定化，無人機航路網絡規(guī)劃應注重時效性，充分考慮無人機運行場景的特有屬性，在規(guī)劃基礎上動態(tài)調整，即構建帶有時間維度的四維無人機航路網絡[38]，以切實釋放空域需求，滿足日益增長的無人機飛行需求。

3.1.3 空域性能測評

1)無人機空域安全評估

隨著無人機飛行需求增加、技術與規(guī)則的完善，最后將實現無人機與有人機融合運行狀態(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后空域總容量將降低，同樣數量的RPAS飛行，將平均增加90%的飛行沖突及300%的沖突時間。如何在確保無人機融入現有有人機飛行空域下不降低現有目標安全水平(target level of safety, TLS)是無人機空域管理亟待解決的關鍵問題[60]。

歐洲在最新的U-space運行概念文件[30]構建了一種安全評估方法MEDUSA(methodology for the U-space safety assessment)，該方法主要用來識別和管理U-space體系中無人機交通的風險，綜合考慮了不同的視角，包括無人機運營人視角(如SORA)、無人機交通服務提供方的空域視角、無人機交通服務與ATM交互的視角?？山邮艿哪繕税踩桨ǎ夯贗FR飛行的有人機與VLOS飛行的無人機的飛行小時碰撞概率不低于基于IFR飛行的有人機與基于VFR飛行的有人機，基于IFR飛行的有人機與BVLOS飛行的無人機的飛行小時碰撞概率不低于基于IFR飛行的有人機與基于IFR飛行的有人機。具體可參考文獻[31, 61]相關介紹。

2)無人機空域容量評估

針對小型無人機飛行的城市空域，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飛行空域容量評估方法。Bulusu等[62]基于安全準則，考慮合作和非合作無人機，提出了一種適應低空大城市無人機空域容量的理論方法。Mohamed等[38]針對小型無人機與有人機隔離運行場景，提出與交通密度需求相適應的城市空域管理(adaptive urban airspace management, AdUrAM)方法，并以無人機航路網絡為變量，分析對無人機空域容量和吞吐量的影響。

無人機空域容量設計與評估相比有人機更加復雜，主要表現在：運行需求多樣，包括低空物流、航拍、載人、應急需求；飛行規(guī)則不一，現行針對有人航空設定的IFR/VFR已不能適應無人機操控的飛行機制；無人機類型多樣，存在尺寸、重量、性能、操控方式、任務用途等多維度本質差異；空域環(huán)境復雜，包括超低空復雜地形環(huán)境、城市人口密集區(qū)及樓層建筑障礙、中高空飛行有人機的影響。在這些因素的共同作用下，無人機空域容量將并非是一個固定數值，而應是針對不同場景的一組動態(tài)數組。該動態(tài)數組將界定飛行空域內某種場景下無人機最大飛行架次，且隨著時間處于變化中。

綜上，無人機空域性能測評的研究目前主要在低空輕小型無人機的空域安全和容量評估上有所嘗試，未來可圍繞全面構建空域性能測評指標體系和綜合評價方法開展研究。

3.2 無人機運行安全與間隔管理

3.2.1 運行風險評估

無人機運行風險評估是確保無人機飛行安全的前提，其評估對象是針對運行人的無人機單次飛行。相比傳統(tǒng)有人機運行基于事故率可接受程度標定安全指標，無人機由于運行場景差異大、飛行規(guī)模大、自主智能化等特征，需設計無人機運行對應的等效安全指標。無人機運行安全指標可基于社會公眾對無人機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，無人機運行風險評估不是無人機風險評估，前者側重在飛行過程的風險，以滿足空管的需求[64]；后者側重無人機系統(tǒng)本身的風險，以滿足適航的需求[65-66]。

為提高無人機運行風險評估方法的適用性和準確性，應基于運行場景明確運行風險類型，選擇科學的風險評估方法。

1)運行風險類型

目前，無人機運行風險研究主要聚焦于低空輕小型無人機隔離運行[64]、高空RPAS融合運行場景[60, 67-68]，也有研究者開始關注低空無人機與有人機混合運行場景[69]、無人機臨近民用機場區(qū)域的飛行場景[49-50]。

無人機運行風險類型分為空中風險和地面風險?？罩酗L險主要包括無人機與無人機碰撞風險、無人機與有人機碰撞風險、無人機與空中障礙物(如鳥群)碰撞風險，刻畫空中風險的模型包括Reich Marks模型、交叉模型、幾何沖突模型等[70]；地面風險主要包括無人機與地面人群碰撞風險、無人機與地面財產(如高樓)碰撞風險，刻畫地面風險的模型包括失效模型(failure model)、影響定位模型(impact location model)、恢復模型(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]。但這些風險模型大都針對特定的無人機飛行風險類型，如無人機失效墜落傷人，并不能完全適用所有的運行場景。

2)運行風險評估方法

在評估方法上，大量文獻基于特許運行風險評估(SORA)方法[72]，即通過定性評估相關輸入參數，計算無人機在特定條件下飛行的地面風險等級、空中風險等級，然后得到特定保證等級和完整級別和對應的無人機運行安全目標。SORA評估方法給出了空中風險、地面風險量化的分級，但風險的定級與計算大都基于定性分析，側重飛行前、特定類無人機的風險評估，具有局限性。相比SORA評估飛行前風險評估，也有研究者開展了基于定量分析的飛行中實時風險評估。Ancel等[64]基于貝葉斯網絡，構建了美國UTM概念下的低空小型無人機實時運行風險評估框架(UTM risk assessment framework, URAF)，并著重分析了低空飛行對地面人群造成的可能影響范圍與影響程度。

綜上，無人機運行風險評估應基于不同運行場景，以數據為驅動充分考慮周邊人群密度、地面建筑物、電磁環(huán)境、氣象條件、機體本身功能性能、飛行線路空域態(tài)勢、駕駛員歷史飛行記錄等大量數據，以社會公眾對無人機飛行事件造成空中和地面損失的可接受程度為原則，考慮不同運行場景、不同飛行過程，設計無人機飛行等效安全指標體系，集成量化預評估無人機飛行前風險，實時預測與評估飛行中風險，全面識別無人機全周期飛行過程中的各類可能性危害，實現智能測算無人機運行風險等級。

3.2.2 間隔標定

在傳統(tǒng)ATM體系中，有人機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，由于民用無人機類型及飛行場景差異巨大，UTM體系中還沒有系統(tǒng)成熟的無人機飛行間隔標準。設計無人機間隔標準，需要明確哪種運行場景下無人機安全間隔類型，再設計相應的間隔策略。

1)安全間隔類型

美國的UTM運行概念[5]提出，超低空運行場景間隔標準應包括：VLOS無人機與VLOS無人機、VLOS無人機與BVLOS無人機、BVLOS無人機與BVLOS無人機、VLOS無人機與低空飛行有人機、BVLOS無人機與低空飛行有人機。中國的《無人駕駛航空器飛行管理暫行條例》(征求意見稿)提出，間隔標準應包括：微型無人機與其他無人機、輕型無人機與其他無人機、小型無人機與其他無人機、中型無人機與其他無人機、大型無人機與其他無人機、無人機與有人機，同時也規(guī)定無人機要主動避讓地面、水上交通工具，不得危害人員及財產安全。于清媛等[73]針對融合運行場景，首先將無人機進行風險高度層分類，基于無人機相比有人管制機管制操縱指令延遲的實際情況，推導計算了無人機與運輸航空有人機的防撞管制間隔。

每種場景所需的無人機安全間隔不同，其中在超低空運行場景，重點關注無人機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；在低空運行場景，重點關注按航線飛行的無人機間的間隔、無人機與通用航空有人機的間隔；在高空運行場景，重點關注無人機與通用航空有人機的間隔、無人機與運輸航空有人機的間隔；在超高空運行場景，重點關注無人機與運輸航空有人機的間隔。

2)安全間隔策略設計

無人機安全間隔策略包括基于距離、基于時間、基于距離和時間組合[74]?；诰嚯x的間隔策略是以無人機為中心點，形成一個圓柱的保護區(qū)域，一旦受到入侵，則認為失去安全間隔標準，但該策略沒有考慮入侵航空器的速度，無法適用于無人機融合運行場景；基于時間的間隔策略則是考慮無人機與入侵航空器的相對速度，如果反應時間低于沖突臨近時間，則認為失去安全間隔標準，但該策略很難可視化；基于距離和時間的組合間隔策略充分發(fā)揮了前兩者策略的優(yōu)勢，是標定無人機安全間隔的發(fā)展趨勢。

3.2.3 應急管理

無人機交通管理應急管理指為應對各種空中交通管理突發(fā)事件影響無人機飛行活動而提供的一系列服務。因此，評定無人機空中交通管理突發(fā)事件類型及等級是應急管理首要解決的問題。現有文獻關注了無人機突發(fā)事件的類型，如C2 link丟失、導航定位系統(tǒng)失效，將應急事件的風險水平根據事件發(fā)生的可能性和影響后果，分為低風險、中風險、高風險[75]。

針對UTM應急管理，Low[75]提出了飛行前和飛行中的城市UTM的應急管理框架，并分析了開放空域、城市空域、機場管控空域不同應急事件的風險水平。歐洲在最新的U-space運行概念文件[30-31]分析了U-space偶發(fā)事件(contingency)和緊急事件(emergency)的差異，認為偶發(fā)事件是指服務是可控和可預防的，其應急計劃是作為備份計劃，以維持系統(tǒng)的運營水平；緊急事件是指服務完全失去控制的，其響應計劃是針對事故或事件，以最小化失控事件的影響后果。Ali[11]認為開展UTM應急管理思路為：以現有ATM的應急管理體系為基準；識別無人機與有人機的區(qū)別，尤其是在空中交通管理的差異性；分析無人機運行場景的特點，從“人-機-環(huán)-管”分析。

一般上，UTM應急管理流程包括如下：應急識別，確定是否有應急事件發(fā)生；應急評估；評估事件風險水平和類型；應急緩解，制定措施緩解應急風險；應急再評估，確定應急事件是否得到解決。

綜上，目前對于無人機交通管理應急事件的等級分類或影響程度尚欠缺系統(tǒng)研究，關于UTM應急管理的研究處于概念設計階段，大都屬于定性地分析。未來應重點解決以下幾個問題[75]：量化評估應急管理的有效性；定量衡量應急事件對飛行空域的影響；從飛行前制定緩解措施提高應急管理方案的有效性。

3.3 無人機交通引導與控制

3.3.1 起降管理

無人機類型多樣、起降模式不一、運行場景廣泛，不同起降場條件下所需的起降管理技術能力要求不同。

民用機場作為無人機起降場一種重要類型，是大型無人機運行的核心樞紐，也是飛行程序的第一環(huán)節(jié)。歐洲機場協(xié)會(ACI Europe)[76]首次提出民用機場無人機運行概念文件，包括三種模式：第一種為隔離運行模式，在一個隔離區(qū)域內運行，不需要與ATC進行交互；第二種為協(xié)調運行模式，開展風險評估，建立標準的無人機緩沖地帶，與有人機保持間隔，與ATC進行交互；第三種為一體化運行模式，與ATC建立雙向聯系，無人機基于IFR飛行，遵循有人機管制間隔規(guī)定，需升級現有ATM相關設備。Lichoń[77]基于ICAO飛行程序設計指南，研究了RPAS在融合空域的標準儀表進場程序，為新航空器的引入到ATM系統(tǒng)融合運行提供了設計思路。

無人機垂直起降場是城市空中交通網絡的重要節(jié)點，是智能交通基礎設施。有研究者開始關注無人機垂直起降場流量管理問題。Zeng等[78]基于效率優(yōu)先準則研究了一種單入口單出口、航路交叉、多停機坪的無人機垂直起降場模型。崔愷等[79]在此基礎上，考慮緊急降落的無人機調度情形，研究了同時段多架次垂直起降問題，并設計了基于圖論安全優(yōu)先的起降點區(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，關于無人機起降管理目前主要聚焦在無人機起降場概念模型和城市無人機垂直起降場流量管理上。未來應根據起降場類型，尤其是無人機與有人機共用、不同構型無人機共用情形，綜合考慮安全和效率目標，研究無人機起降場三維數字化、民用機場無人機起降控制策略、不同類型無人機協(xié)同起降流量管理、無人機與有人機協(xié)同起降流量管理、無人機起降交通控制運行性能評估，實現自動計算無人機起降順序、時間、地點及流量管理策略，保障無人機在起降階段飛行安全和通行效率的提高。

3.3.2 動態(tài)路由

相比有人機，民用無人機需求多變、運行場景多、飛行環(huán)境復雜，在飛行前制定飛行航線計劃、飛行中動態(tài)調整航線，能安全高效管理空域中飛行流量，實現容流均衡。民用無人機動態(tài)路由是基于任務需求，在滿足無人機機動性能、空域環(huán)境、自然地形環(huán)境、起降點環(huán)境、氣象環(huán)境等無人機飛行約束下，設計出一條從起點到終點代價最小的飛行航線[16, 80]，本質是任務規(guī)劃。

1)無人機航線類型

不同場景應具有不同的飛行航線，無人機航線可根據不同維度劃分：

根據是否調整航線方案，可分為靜態(tài)航線和動態(tài)航線。其中靜態(tài)航線重點解決考慮大規(guī)模飛行需求下全局航線安全、效率、環(huán)保等多目標最優(yōu)規(guī)劃問題，動態(tài)航線重點解決應對臨時禁限飛空域、天氣危害等各種突發(fā)情況下調整局部航線的實時規(guī)劃問題[55-56]。

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

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

以上列舉了規(guī)劃無人機航線的主要場景，實際上還需結合無人機的分類來設計相應的飛行航線。關于民用無人機分類可參考文獻[21]。

2)無人機路由算法

無人機路由算法主要有：啟發(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]；隨機規(guī)劃的方法，如快速擴展隨機數算法[85]；智能優(yōu)化算法，如粒子群算法[86]、蟻群算法[53]；基于勢場的方法，如人工勢場法[87]、流體擾動算法[88]。關于無人機路由算法的綜述可參考文獻[89]。盡管求解無人機航線規(guī)劃已有諸多算法[89]，但目前算法大都針對軍用無人機、二維航線、隔離空域、靜態(tài)航線開展相關的研究，結合民用無人機飛行的特有屬性，規(guī)劃帶有時間維度的無人機四維航線的路由算法亟待突破。

綜上，未來應針對城市密集不規(guī)則地區(qū)、大流量飛行實時響應需求、多類型無人機協(xié)同飛行、CNS設施能力覆蓋不足、與有人機融合飛行等情形研究無人機動態(tài)路由方法，設計無人機四維飛行航線，確保無人機安全高效飛行。

3.3.3 沖突管理

無人機沖突管理與標定的安全間隔標準密切相關，沖突管理的目的是能察覺、感知或探測碰撞或其它風險，并采取適當應對措施確保安全的飛行間隔，具有達到類似有人機的感知避讓系統(tǒng)能力[69, 90]。流程上可分為態(tài)勢感知、沖突探測和沖突解脫[90-92]。態(tài)勢感知指如何建立無人機飛行態(tài)勢情景意識，實現對周圍環(huán)境的感知；沖突探測指通過精準預測航跡，判斷是否與障礙物存在飛行沖突；沖突解脫指無人機探測到飛行沖突后，如何設計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，無人機飛行沖突可分為無人機與無人機的飛行沖突、無人機與通用航空有人機的飛行沖突、無人機與運輸航空有人機的飛行沖突、無人機其他障礙物的飛行沖突(如鳥群、危險天氣、地面人群、地形或地面障礙物、管控區(qū)域邊界)?？傮w而言，無人機飛行沖突障礙物具有靜態(tài)和動態(tài)屬性，其中靜態(tài)屬性主要面臨地面固定障礙物的威脅；動態(tài)屬性主要面臨空中移動障礙物的威脅。

目前，由于無人機飛行間隔標準沒有清晰的定義，各國也未達成統(tǒng)一共識，意味著無人機飛行管理處于粗放式管理階段，如何在動態(tài)空域開展無人機實時沖突管理研究[87, 93]是未來精細化管理階段的重點。

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)術沖突解脫[74]。

無人機戰(zhàn)略交通流量管理包括兩種類型，一是在隔離空域內，不同構型無人機之間流量協(xié)同管理，包括載貨無人機和載人無人機協(xié)同；二是在融合空域內，無人機與有人機之間流量協(xié)同管理，包括無人機與通用航空有人機協(xié)同、無人機與運輸航空有人機協(xié)同[94]。除此，未來無人機交通流量管理技術應體現空域與流量一體化管理概念，使空域資源適應飛行需求，使飛行流量適應空域容量。

無人機戰(zhàn)術沖突解脫包括加速、減速、左轉向、右轉向、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、勢場法、幾何分析法、視覺避讓法、隨機模型方法等。甄然等[95]設計了量子遺傳算法求解兩架無人機在二維平面上進行航向調整的沖突解脫問題。Du等[87]基于動態(tài)人工勢場法研究了動態(tài)空域下低空小型無人機實時沖突避讓問題，定義了與障礙物的可變安全距離，給出了高效、安全、穩(wěn)定、可調整的規(guī)劃航線。Thanh等[96]采用幾何學和運動力學研究了多旋翼無人機飛行在靜態(tài)環(huán)境和動態(tài)環(huán)境的碰撞問題，定義了無人機障礙物的碰撞編輯，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攜帶單目攝像機解決碰撞沖突的方法，并通過室內和室外飛行驗證了方法的有效性。關于無人機視覺避讓方法的綜述可參考文獻[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與無人機間的沖突避讓問題，提出了具有魯棒性和高效率的短期沖突解脫算法，為每架無人機設計了避讓策略。無人機沖突避讓算法應結合不同運行場景選擇設計。

綜上，關于無人機沖突管理現有研究聚焦于戰(zhàn)術沖突解脫，尤其是合作型入侵目標、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。未來應圍繞無人機面臨靜/動態(tài)碰撞威脅、面臨合作/非合作碰撞威脅、單機/多機/混合多種任務模式、兼容現有ATM系統(tǒng)管理程序和工具等情形下，研究無人機全域態(tài)勢感知、沖突預測、沖突避讓方法，探索無人機與ATM系統(tǒng)飛行沖突協(xié)同管控技術，包括飛行計劃協(xié)同、飛行態(tài)勢共享、航跡協(xié)同管控，實現無人機飛行自主避障。

3.4 無人機智能化設施規(guī)劃與應用

3.4.1 起降場規(guī)劃

無人機起降場作為一種新型的基礎設施，是打造立體交通的重要網絡節(jié)點。相比有人機的民用機場類型單一，無人機起降場類型更多樣，包括無人機與有人機共用的民用機場、無人機專用機場、無人機垂直起降場、無人機臨時起降點等。合理規(guī)劃無人機起降場的位置，明確其類型、規(guī)模、數量，是大容量無人機實現高效智能化運行的有效支撐。

開展無人機起降場規(guī)劃研究，需首先明確規(guī)劃目的，進而明確所需起降場的類型。鹿明等[100]針對中國洪澇災害無人機應急監(jiān)測的需要，以中國科學院野外觀測臺站作為無人機起降場候選設施點進行布局。優(yōu)步(uber)、空客(airbus)等企業(yè)針對城市空中交通，基于電動垂直起降航空器(electric vertical take-off and landing, eVTOL)提出了UAM起降場概念。張洪海等[19]提出應建立垂直起降場、垂直起降站、垂直起降點三級節(jié)點體系滿足城市空中交通發(fā)展的需要。

針對無人機起降場選址方法，Vascik等[101]提出噪聲是城市垂直起降場選址的最大影響因素。Vascik等[102]提出四種無人機垂直起降場的設計概念，并采用整數規(guī)劃方法研究了垂直起降場的運力和容量。Fadhil[103]針對停機位、航站樓、起降場面布局的不同，提出垂直起降站(vertistop)、垂直起降場(vertiport)、垂直起降中心(vertihub)三種起降場概念，考慮運行安全、充電站、噪聲、天氣、火災威脅、通信設施、停車點等因素，采用GIS(geographic information system)分析方法，研究了UAM垂直起降場布局問題。

綜上，關于無人機起降場規(guī)劃現有的研究聚焦于城市無人機垂直起降場上，考慮情形較為單一。未來應重點圍繞多類型多層級無人機起降場、城市無人機公共起降場、與有人機混合運行的起降場，考慮噪音影響、公眾接受度、無人機性能參數、與其他交通運輸方式的銜接，兼顧無人機運行人的業(yè)務需求和監(jiān)管方的安全管理需要，構建一張高效的無人機起降設施網絡。

3.4.2 通信導航監(jiān)視

通信、導航、監(jiān)視(CNS)是支撐民用無人機交通管理的三項最基礎的技術。2018年，中國民用航空局發(fā)布信息公告《低空網聯無人機安全飛行測試報告》[104]，提出目前移動蜂窩網可以滿足120 m以下絕大部分場景的無人機行業(yè)應用需求，以及300 m以下絕大部分區(qū)域的無人機安全飛行業(yè)務鏈路指標需求。2019年，Ponchak等[105]設計了針對管制與非管制空域運行環(huán)境下所有類型無人機系統(tǒng)的CNS體系架構指南，并提出了關于無人機系統(tǒng)CNS的九個技術成熟等級(TRL)。2020年，Stouffer等[106]發(fā)布了針對UAM運行所需的可靠、安全、可衡量的CNS技術調查報告，以支撐UAM成熟度等級UML-4的運行。

總體上，通信方面，現有研究聚焦低空輕小無人機，4G/5G、公網、專網、衛(wèi)星、V2X等技術已應用于通信研究；導航方面，拓展了基站定位、衛(wèi)星導航、雷達導航、視覺導航、慣航等技術研究；利用ADS-B、TCAS-II開展了針對合作目標的探測研究，利用雷達、紅外、聲吶、光電、激光雷達開展了針對非合作目標的探測研究。

綜上，無人機通信技術更加復雜、服務對象多，至少包括空對空通信、空對地通信、地對地通信、無人機與無人機、無人機與有人機之間的通信，無人機與無人機交通服務方的通信，無人機與ATM系統(tǒng)的通信等，上述技術亟待研究。導航技術上，目前大都基于單一導航技術，定位精度較低，欠缺基于北斗導航技術的研究，無法實現精準定位，無法滿足長航時、高精度、高可靠、高穩(wěn)定、自主性飛行的需要。監(jiān)視技術上，無人機類型多樣、數量眾多、應用場景廣闊，監(jiān)視手段上需加強合作和非合作監(jiān)視技術研究，多源融合動態(tài)監(jiān)視是無人機監(jiān)視技術亟待解決的問題，是實現無人機高效管控的前提。

4 結論

民用無人機交通管理是民用無人機運行管理的核心。由于無人機交通流的特殊性，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交通流屬性特征，需要空管新體系。目前各國提出的UTM運行概念或驗證技術大都針對單一運行場景，沒有系統(tǒng)指明民用無人機交通管理的體系架構和未來關鍵技術的發(fā)展方向。

對此，在分析美國、歐洲、其他國家或地區(qū)的民用無人機交通管理現狀的基礎上，提出了面向全譜系運行場景的無人機交通管理體系架構。在運行場景上，提出了從民用無人機超低空隔離運行、低空混合運行、高空融合運行到超高空運行，逐步融入國家空域系統(tǒng)；運行分類包括開放類運行(低風險)、特許類運行(中風險)、審定類運行(高風險)，相應的管理策略為開放、特許、審定，管理的力度隨風險的增加而提升。最后定義了民用無人機運行生態(tài)，明確了民用無人機交通管理過程中涉及的監(jiān)管方、服務方、運行方、保障方、其他方等空管相關方的職責。該體系架構旨在指導民用無人機安全高效運行，解決無人機交通管理頂層設計不充分、不完善問題。

民用無人機交通管理需攻克多個關鍵技術。無人機空域精細化管理方面，空域系統(tǒng)亟待重構，民用無人機融入國家空域系統(tǒng)帶來了空域分類、規(guī)劃、評估新問題；無人機運行安全與間隔管理方面，缺乏成熟的無人機飛行安全間隔標準和應急管理手段，導致安全預測難、評估難、防控難；無人機交通引導與控制方面，無人機飛行自然環(huán)境和交通態(tài)勢感知能力不足，引導與控制空間和時間精度不足，及時應對能力不足，交通服務智能化程度低；在無人機智能化設施規(guī)劃與應用方面，無人機多元化起降場規(guī)劃布局、新的通信導航監(jiān)視技術應用無法滿足復雜多變的無人機飛行需求。因此，在民用無人機交通管理關鍵技術的研究中，需重點考慮以下要素：①多場景，考慮無人機運行場景的差異性，分析場景的特有屬性，包括空域規(guī)則、服務規(guī)則等；②多類型，考慮無人機類型的差異性，抽取飛行無人機的共同屬性，預留飛行安全閾值；③多階段，考慮無人機飛行階段的差異性，飛行前防控風險，飛行中提高效率，飛行后總結規(guī)律；④交互性，考慮無人機飛行管理與ATM系統(tǒng)的交互性，抽取交互規(guī)則共性，使無人機具備融入國家空域系統(tǒng)的飛行能力；⑤大規(guī)模，考慮同時管理服務大規(guī)模異質性無人機飛行，具備實時在線、大容量飛行數據并行計算、動態(tài)優(yōu)化能力；⑥高自主，考慮無人機自主化飛行特性，設計高度可靠的、信任的無人機空中交通管理機制。換言之，民用無人機交通管理關鍵技術研究，應基于運行風險和基于所需性能的原則，服務于特定運行場景的飛行需求。