張 進

（南京航空航天大學，江蘇 南京 210000）

早在無人機成為新聞熱點之前，行業(yè)領(lǐng)導者們就認識到需要一種系統(tǒng)性方法來安全管理無人機在低空空域的運行[1]。多年來，國內(nèi)外學者開展了一系列空中交通管理系統(tǒng)研究，提供了各種基于計算機的工具，幫助提高飛行效率、減少延誤、減少燃料使用和排放，同時確保航空器在空域中的安全。如今，創(chuàng)新者不斷發(fā)現(xiàn)新的、有益的無人機應用領(lǐng)域，例如：貨物交付、基礎(chǔ)設(shè)施檢查、搜尋救援、農(nóng)業(yè)監(jiān)測。但無人機運行時需要一個安全系統(tǒng)，來幫助這一最新進入天空的飛行器不會與建筑物、民航航空器或其他飛行器發(fā)生碰撞。

中國民用航空局（Civil Aviation Administration of China，CAAC）空中交通管理局[2]為了加強對民用無人機飛行活動的管理，規(guī)范其空中交通管理的辦法，保證民用航空活動的安全，將有關(guān)民用無人機空中交通管理的有關(guān)問題規(guī)定如下：民用無人機應當依法從事工業(yè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、漁業(yè)、礦業(yè)、建筑業(yè)的作業(yè)飛行和醫(yī)療衛(wèi)生、搶險救災、氣象探測、海洋檢測、科學實驗、遙感測繪、教育訓練、文化體育、旅游觀光等方面的飛行活動。張建平等[3]在對國際民航組織及美國、歐洲等民航發(fā)達國家和地區(qū)民用無人機分類管理經(jīng)驗進行歸納總結(jié)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國民用無人機管理現(xiàn)狀，提出我國基于多屬性分類的民用無人機空中交通管理模式，分別從戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)略層面進行闡述，并對關(guān)鍵的無人機交通管理系統(tǒng)的設(shè)計提出建議，以供民航業(yè)界決策參考。于憲澤[4]指出，在民航飛速發(fā)展的今天，從前神秘的無人機逐漸走入人們的視野，在日常的生產(chǎn)、生活中無人機發(fā)揮著重要作用。目前，我國無人機在航拍、測繪、電力、科考、農(nóng)田探測等諸多領(lǐng)域均有所應用。無人機的作用不斷加強，數(shù)量和種類日益增加，飛行活動范圍逐步擴大，這對民航空中交通管理提出了新的要求。CAAC發(fā)布《特定類無人機試運行管理規(guī)程（暫行）》（以下簡稱《規(guī)程》）[5]，遵循“促進發(fā)展、先試先行、分類管理”的原則，鼓勵無人機相關(guān)行業(yè)從業(yè)人員在典型場景下規(guī)范運行無人機操作。CAAR發(fā)布《通用航空經(jīng)營許可管理規(guī)定》[6]，其中包含有關(guān)通航公司管理無人機的相關(guān)規(guī)定。李誠龍等[7]指出UAM交通管理將可能會和現(xiàn)有無人機交通管理體系產(chǎn)生交集并逐漸融合，面對這一新型運輸方式，國家可能采用集中管理、試點運行、有序開放的交通管理發(fā)展路線。耿增顯等[8]利用事故樹分析安全風險因素，建立運行場景，利用基于特定運行風險評估（SORA）對該運行場景航路運行階段進行風險評估，并提出相應的風險緩解措施。

國外學者研究包括：Kamienski等[9]研究了緩解不同UAS挑戰(zhàn)引起的問題的潛在方法，并審查了這些不同方法的一些利弊，包括程序、自動化和政策的變化。Jiang T等[10]指出在UAS交通管理的許多領(lǐng)域中，進一步的研究將極大地有助于UAS用于公共和民用目的。ElisaCapello等[11]提出在城市環(huán)境中運行的基于云的遙控飛機系統(tǒng)（RPAS）監(jiān)控設(shè)計。Liu Z等[12]說明了無人機安全、高效和可靠運行所需的多種操作、技術(shù)和監(jiān)管改進，并指出了未來的研究方向。

1 農(nóng)業(yè)無人機空中運行問題

農(nóng)業(yè)無人機系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)越來越多地被使用，但是在一個分散的監(jiān)管框架下，并不是以連貫的方式定義。這些飛機的應用非常廣泛（基礎(chǔ)設(shè)施的損壞檢查和監(jiān)視、洪水等自然災害的監(jiān)測、天氣預報的大氣數(shù)據(jù)收集、農(nóng)田探測等）。未來，它們還可用于農(nóng)業(yè)種植和噴灑農(nóng)藥進行除蟲。高度自動化的農(nóng)業(yè)無人機技術(shù)現(xiàn)在正在成熟，并且有顯著增長和創(chuàng)造就業(yè)機會的潛力。據(jù)預測，未來10年，UAS市場的價值可能占航空市場的10%，即每年150億歐元。然而，民用UAS有各種形狀和大小，它們在空域中與其他有人駕駛飛機的整合是一個真正的挑戰(zhàn)。

UAS任務(wù)不同于有人駕駛飛機飛行。它們通常不會從一個機場起飛并降落在另一個機場。因此，從空中交通管理的角度來看，需要以不同的方式來管理。如今，民用RPAS飛行的快速增長增加了對它們進入民用空域的需求。然而，這帶來了一個新的挑戰(zhàn)，由于許多因素（適航性、空中交通管制、系統(tǒng)維護、安全網(wǎng)等）的貢獻，有人駕駛飛機被認為是安全的。這些因素現(xiàn)在可能會受到新空域用戶整合的影響。由于無人機上沒有飛行員，因此應開發(fā)技術(shù)解決方案，以便通過命令鏈接（C2Link）的數(shù)據(jù)鏈路從遠程位置或以高度自動化的模式控制飛機。無人機上沒有飛行員，因此地面操作人員就要面臨挑戰(zhàn)，不僅要看到危險情況和其他空域用戶情況，還要了解惡劣天氣條件，同時要避免與障礙物的碰撞，這些都在考核著操作人員執(zhí)行飛行的能力。因此，需要開發(fā)新功能，以管理UAS的任何情況，并保證與現(xiàn)有載人技術(shù)（如機載防撞系統(tǒng)）的兼容性。事實上，UAS任務(wù)是多功能的，其在空域中的集成應該以不同的方式解決。

低空RPAS操作現(xiàn)在是經(jīng)濟發(fā)展的驅(qū)動力。許多小型無人機系統(tǒng)在低于地平面（AGL）152.4m的高度運行。根據(jù)國際民航組織的說法，152.4m是巡航期間的最低VFR高度，起飛和著陸除外。這個限制在無人機操作和有人駕駛飛機操作之間創(chuàng)造了一個自然邊界。航模愛好者把無人機因操作不當或發(fā)生故障導致墜機的情況稱作“炸機”，截至目前炸機傷人事故已發(fā)生多起。旋翼操控不好可能就會招致禍患，一方面來說，無人機的旋翼非常快，每秒鐘能達到150轉(zhuǎn)以上；另一方面，無人機在飛行過程中，其本身也有自重。如果無人機在高空出現(xiàn)意外，加上自身的自重，旋翼的旋轉(zhuǎn)速度，就會對市民造成非常大的安全傷害。這也證實了為UAS制定改進的監(jiān)管框架和操作概念的重要性。

2 農(nóng)業(yè)無人機空中交通管理規(guī)則

2.1 管理原則

國際民航組織將空中交通管理（ATM）定義為“在空中、地面和/或天基通信、導航和監(jiān)視的支持下，通過人員、信息、技術(shù)、設(shè)施和服務(wù)的協(xié)作整合。沖突管理將包括三個層次：通過空域組織和管理、需求和容量平衡以及交通同步在國家空域管理中整合戰(zhàn)略沖突；分離條款；避免碰撞”。根據(jù)2011年發(fā)布的國際民航組織328號通告，“將無人機系統(tǒng)安全整合到非隔離空域中的一個關(guān)鍵因素是它們能夠像有人駕駛飛機一樣行動和響應。這種能力在很大程度上取決于技術(shù)——飛機由遠程飛行員控制”。實際上，UAS是要集成到ATM中的新系統(tǒng)。然而，UAS任務(wù)是多種類的。在152.4m以上，他們將使用與有人駕駛飛機相同的空域設(shè)計。然而，如下所述，可以預見需要一個適應小型遙控駕駛航空器的不同組織。它在歐洲被稱為UAS交通管理（UTM）或U-space。它的操作程序、飛行意圖、識別和跟蹤都會有所不同，因為RPAS任務(wù)與有人駕駛飛機飛行不同。事實上，UTM以及U-space將是一套新的服務(wù)和量身定制的程序，旨在支持大量UAS安全、高效和可靠地進入空域。這些服務(wù)將依賴于功能的高水平數(shù)字化和自動化，無論它們是在UAS本身還是地面環(huán)境的一部分。今天，一系列措施已經(jīng)到位，例如在視線內(nèi)運行，在交通密度低的地面以上152.4m以下的高度飛行，配備識別和地理限制功能并進行登記。根據(jù)地面和空中風險評估，UAS在機場附近的任何操作都需要獲得國家航空局的特別授權(quán)。但是，仍然有必要協(xié)調(diào)所有這些做法。

2.2 農(nóng)業(yè)無人機空域融合規(guī)則

中空長航時（MALE）：假設(shè)在A到G類空域內(nèi)作為IFR（儀表飛行規(guī)則）運行的UAS，主要是RPAS，將像有人駕駛飛機一樣遵守相關(guān)空域要求。大型RPAS被視為有人駕駛飛機。不同的是，機長在地面上。因此，需要特定的功能：命令和控制鏈接（C2Link）檢測和避免（DAA）系統(tǒng)。需要與有人駕駛飛機相同水平的設(shè)備。需要考慮的差異主要涉及它們的性能：（1）速度和爬升率。小型農(nóng)業(yè)無人機會飛得很低（VLL），所以沒有必要為這些農(nóng)業(yè)無人機提供空中交通管制（ATC）。但是，需要對空域進行組織、識別和監(jiān)視。（2）飛行計劃，類似于儀表飛行規(guī)則（IFR）有人駕駛飛機。（3）滿足通信、導航和監(jiān)視空域要求。（4）配備檢測和回避系統(tǒng)。（5）在進入管制空域時通知負責的ATC單位。（6）通知ATC將要使用的應急和緊急程序的類型，特別是在C2Link丟失的情況下。（7）使用出發(fā)和到達定制程序（待開發(fā)）。

2.3 農(nóng)業(yè)無人機自動巡檢

自動巡檢是一項使機器“看見”的技術(shù)。這項技術(shù)使用攝像機和計算機代替人眼來識別、跟蹤和測量目標，以便進行進一步的圖像處理。隨著計算機視覺技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)在農(nóng)業(yè)自動化領(lǐng)域得到了廣泛應用，對農(nóng)業(yè)自動化的發(fā)展起到了關(guān)鍵作用。我們相信未來計算機視覺技術(shù)將與深度學習技術(shù)等智能技術(shù)相結(jié)合，應用于基于大規(guī)模數(shù)據(jù)集的農(nóng)業(yè)無人機生產(chǎn)管理的各個方面，更廣泛地應用于解決農(nóng)業(yè)問題，更好地提高農(nóng)業(yè)自動化系統(tǒng)的經(jīng)濟性、通用性和健全性，從而推動農(nóng)業(yè)自動化設(shè)備和系統(tǒng)向更加智能化的方向發(fā)展。為了實現(xiàn)基于無人機的自動巡航監(jiān)測，有關(guān)學者提出了一種基于計算植被指數(shù)（VI）的林冠高度模型，該模型結(jié)合了可見光波段（RGB）和近紅外（NIR）域，有助于種植園的快速管理和可持續(xù)發(fā)展。簡而言之，無人機自動巡航在灌區(qū)監(jiān)測和水資源管理決策中發(fā)揮著重要作用。

3 農(nóng)業(yè)無人機監(jiān)視技術(shù)要點

3.1 農(nóng)業(yè)無人機地空通信

無人機控制器的工作原理是從遙控器向無人機發(fā)送無線電信號，告訴無人機該做什么。無線電信號從農(nóng)業(yè)無人機控制器中的無線電發(fā)射機發(fā)送，并由農(nóng)業(yè)無人機接收器接收。這就是無人機控制器有時簡稱為無人機無線電發(fā)射機或無人機無線電控制器的原因。使用控制器移動無人機有四種主要方式：（1）在空中向左或向右移動無人機，字面意思是“滾動”無人機。（2）向前或向后傾斜無人機。（3）偏航。順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)無人機，讓無人機在空中做圓圈或圖案。（4）將操作命令發(fā)送到無人機，使無人機更快或更慢。作為獲取遙感數(shù)據(jù)的新型手段，無人機遙感技術(shù)在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)中的應用日趨廣泛。利用無人機的近紅外光設(shè)備，可以實現(xiàn)對土壤的全面監(jiān)測，并通過土壤圖像的對比分析，得出土壤的濕度及其相關(guān)系數(shù)，確保土壤水分監(jiān)測的合理性。農(nóng)業(yè)無人機用于土壤水分監(jiān)測不僅成本較低，而且具有較強的時效性和實用性。利用農(nóng)業(yè)無人機對土壤水分進行實時、全面監(jiān)測是農(nóng)情監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展趨勢，對現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)的發(fā)展有著極其重要的促進作用。

3.2 農(nóng)業(yè)無人機控制鏈路

農(nóng)業(yè)無人機的安全運行需要地面飛行員的穩(wěn)定指揮和控制鏈路。當距離增加時，傳統(tǒng)鏈路將逐漸退化，使鏈路更容易受到干擾和突然的條件變化，這反過來又會危及安全飛行。重新連接增加指揮和控制鏈路的彈性，確保飛行員始終保持對無人機的控制。面對意外惡化的情況，飛行員可以啟動必要的安全程序，避免事故。指揮與控制（C2）或控制與非有效載荷通信（CNPC）鏈路為無人機在地面視距（LOS）條件下的控制和所謂超視距（BLOS）條件下的衛(wèi)星通信鏈路中的控制提供安全信息。在正常情況下，頻率管理通常是管制員的任務(wù)之一，而UAS可能會增加該工作量。由于C2鏈路延遲而導致的飛機機動延遲也可能使判斷分離機動變得更加困難。如果通信和控制鏈路完全失效，地面飛行員將無法再控制無人機或與管制員交談。飛機將開始按照預先編程的程序飛行，將其帶到安全著陸點或無人居住的地點。在這些情況下，不能向UAS發(fā)送許可，而必須讓所有其他飛機讓路。此外，有關(guān)預編程程序的信息并不總是可供該扇區(qū)的控制器隨時使用，這給管理其周圍的其余流量帶來了挑戰(zhàn)。

3.3 廣播式自動相關(guān)監(jiān)視

廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）是一種監(jiān)視技術(shù)，其中飛機定期廣播其位置并從地面站接收消息。ADS-B是將空中交通管制從基于雷達的系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)樽盍餍械募夹g(shù)。UAS的快速發(fā)展大大超過了其適當?shù)牧⒎ǎ斍暗姆ㄒ?guī)禁止將ADS-B輸出（發(fā)射機）系統(tǒng)安裝在未注冊的系統(tǒng)（絕大多數(shù)UAS）上。由于不能確保可接受的空中安全水平，許多文件中的監(jiān)視規(guī)定和提案都排除了小型農(nóng)業(yè)無人機。然而，ADS-B的范圍、分辨率、精度和更新率都優(yōu)于其他現(xiàn)有技術(shù)。幾乎所有UAS都在極低空（VLL）空域運行，F(xiàn)AA將其定義為低于152.4m的高度。這個問題可能會在不久的將來通過5G/B5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來解決，例如，通過利用現(xiàn)有的ADS-BLTE系統(tǒng)。然而，農(nóng)村地區(qū)有限的覆蓋范圍和鏈路初始化時間是僅使用LTE的限制因素。蜂窩網(wǎng)絡(luò)依靠一組基站（BSs），每個基站的覆蓋半徑可達數(shù)十公里。如今，它們被廣泛部署在所有發(fā)達國家。蜂窩網(wǎng)絡(luò)中最廣泛的定位技術(shù)基于時差。例如，GSM定位基于現(xiàn)有的觀測時差（OTD）。OTD評估從兩個不同BSs傳輸?shù)組S的信號之間的時間差。至少需要三個可見BSs來估計MS位置，這是通過將焦點位于BSs位置的雙曲線相交而獲得的。使用OTD的基于GSM的定位系統(tǒng)中的最終位置估計精度范圍為50-500m。ADS-B和5G農(nóng)業(yè)無人機系統(tǒng)之間的合作方法可以減輕978MHzADS-B頻道上的同頻干擾風險。在5G網(wǎng)絡(luò)中，蜂窩足跡已經(jīng)從宏基站發(fā)展到小型或納米基站。給定區(qū)域內(nèi)更多BS的占用空間更小，可提高容量和空間頻譜效率，但實現(xiàn)這種密集化是以增加切換速率為代價的?？赡軙е掠脩粼O(shè)備中數(shù)據(jù)流的意外中斷，這是5G農(nóng)業(yè)無人機用戶導航和監(jiān)控應用中的重大挑戰(zhàn)。無人機（UAV）或無人機系統(tǒng)（UAS）有望成為5G/beyond 5G（B5G）通信的重要組成部分。這包括它們在蜂窩體系結(jié)構(gòu)（5G無人機）中的使用，在蜂窩體系結(jié)構(gòu)中，促進無線廣播和點對點傳輸，通常使用小型無人機（SUA）。允許無人機與商用飛機、貨運飛機和其他有人駕駛飛機一起在空域內(nèi)運行，至少在短期內(nèi)可能需要專用和受保護的航空頻譜，而監(jiān)管機構(gòu)則會適應其使用。

4 結(jié)束語

隨著時代的發(fā)展與進步，各種先進設(shè)備逐漸出現(xiàn)。其中，農(nóng)業(yè)無人機的發(fā)展較為迅速，其被應用于測繪、勘察、攝影等多個領(lǐng)域，并發(fā)揮了較大的作用。要注意的是，大量無序飛行的農(nóng)業(yè)無人機運行會對地面設(shè)施、公共安全、空中載人飛行器等帶來危害。目前，民航空中交通管理不能適應未來數(shù)以百萬架的農(nóng)業(yè)無人機。為了應對該挑戰(zhàn)，世界各國針對低空農(nóng)業(yè)無人機空中交通管理開發(fā)了新框架。只有制定符合國家空域發(fā)展需求、滿足社會安全目標水平的政策，才能使農(nóng)業(yè)無人機能夠安全、便捷融入國家空域體系的無人機空中交通管理規(guī)則，確保農(nóng)業(yè)無人機能夠安全運行。