廖小罕 徐晨晨* 葉虎平 譚 翔 房世峰 黃耀歡 林 靜

1 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 北京 100101

2 中國科學(xué)院無人機應(yīng)用與管控研究中心 北京 100101

3 中國民航局民航低空地理信息與航路重點實驗室 北京 100101

隨著現(xiàn)代高新技術(shù)的快速發(fā)展，全球民用無人機數(shù)量不斷增長，低空無人機應(yīng)用場景日益多樣化，無人機及其應(yīng)用正在逐漸影響甚至改變?nèi)祟惿?。中國已?jīng)是無人機生產(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數(shù)量達 83.02 萬架，日均飛行時間達 4.57 萬小時①中國民航網(wǎng). 新業(yè)態(tài) 無人機行業(yè)飛速發(fā)展. (2022-01-06)[2022-06-17]. http://www.caacnews.com.cn/1/6/202201/t20220106_1337505.html.；民用無人機每年飛行時間已超過 1 800 萬小時，約為民航運輸飛行量的 2 倍。進一步統(tǒng)計說明，輕小型無人機是低空飛行活動主體，其中 90% 以上無人機飛行高度低于 120 米（含），70% 以上無人機飛行速度低于 5 米/秒[1]；低空無人機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)?；療o人機應(yīng)用帶來巨大風(fēng)險。近年來，無人機“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、保障低空運行安全十分迫切。

為了有序管理無人機應(yīng)用，無人機監(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（無人機最大飛行高度[2]、地理圍欄[3]和隔離空域[2]等）、沖突消減（最小安全間隔[4]、探測和避讓[5]等）和無人機交通管理系統(tǒng)等。無人機交通管理系統(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[6]且具備唯一識別碼[7]的聯(lián)網(wǎng)無人機進行實時監(jiān)控和任務(wù)、時空資源的統(tǒng)一調(diào)度，從而實現(xiàn)了無人機積極管控和空域資源的合理配置。當(dāng)前進展較快的包括美國國家航空航天局（NASA）研制的無人機交通管理（UTM）系統(tǒng)[8]、歐洲航空安全局（EASA）推出的 U-Space 系統(tǒng)[9]、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）②中國民用航空局. 民用無人駕駛航空器綜合管理平臺（UOM）. [2022-06-01]. https://uom.caac.gov.cn.，以及新加坡項目團隊提出的城市場景下無人機城市交通管理系統(tǒng)（UTM-UAS）等[10]。

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)[11]，信息化、自動化等高新技術(shù)的快速發(fā)展及其在無人機領(lǐng)域的深度應(yīng)用帶來的是更高標(biāo)準(zhǔn)的無人機飛行要求；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)?；瘶I(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)無人機比較，當(dāng)代無人機是“新技術(shù)之花”，其牢牢扎根于先進高技術(shù)和眾多科技基礎(chǔ)設(shè)施中。無人機安全運行高度依賴飛機外部科技基礎(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。無人機規(guī)?；虡I(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)施是無人機規(guī)?；踩咝н\行的前提和基礎(chǔ)。

論文基于當(dāng)前無人機應(yīng)用發(fā)展與監(jiān)管現(xiàn)狀，分析無人機低空規(guī)?；瘶I(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，提出低空無人機應(yīng)用發(fā)展建議，并總結(jié)低空無人機應(yīng)用的未來挑戰(zhàn)。

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

1.1 低空無人機業(yè)務(wù)化運行要求

當(dāng)代無人機的迅猛發(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)帶來無人機的自動駕駛和作業(yè)，通信技術(shù)實現(xiàn)無人機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)?；瘶I(yè)務(wù)應(yīng)用，運營商安全生產(chǎn)和政府安全監(jiān)管對無人機運行提出了高要求：① “永不迷失”，是指在導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)與各類增強導(dǎo)航系統(tǒng)支持下，無人機能實時獲取自身高精度位置信息；② “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，無人機時刻處于聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)；③ “有效管控”，是要求無人機用戶能按照軍/民航或地方政府頒布的空域和飛行管制要求進行合規(guī)飛行，并及時接收管制部門指令；④ “安全運行”，主要是對無人機運行的確定性和安全性的要求，包括無人機運行環(huán)境安全、無人機之間及其與“有人機”之間的運行安全。

1.2 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業(yè)務(wù)化運行要求的基礎(chǔ)（圖 1），主要包括以下 4 方面。

圖1 低空無人機業(yè)務(wù)化運行對基礎(chǔ)設(shè)施的需求Figure 1 Needs of infrastructures to support UAV commercial operations in low-altitude airspaces

（1）衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和各類增強導(dǎo)航系統(tǒng)提供無人機位置服務(wù)。當(dāng)代無人機飛行離不開導(dǎo)航系統(tǒng)，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）和各類增強導(dǎo)航系統(tǒng)（包括 SBAS 和 GBAS③SBAS為星基增強系統(tǒng)，GBAS為地基增強系統(tǒng)。）為無人機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 GNSS 監(jiān)測的精度和完好性，是衛(wèi)星導(dǎo)航的一種補充加強手段。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，無人機定位漂移可能超過 20 米[13]。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[14]。

（2）衛(wèi)星通信系統(tǒng)和地面移動通信網(wǎng)支撐無人機聯(lián)網(wǎng)通信。無人機安全飛行和監(jiān)管要求無人機必須時刻處于聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)。當(dāng)前無人機通信主要基于無線、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)，均需要進一步開發(fā)完善。無線數(shù)傳電臺在特定頻段上進行簡單點對點通信，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。無人機衛(wèi)星中繼通信通過專用機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)無人機信號。隨著低空時代的到來，無人機業(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)）將是低空無人機應(yīng)用主要低成本保障性通信手段。

（3）無人機交通管理系統(tǒng)和云系統(tǒng)服務(wù)無人機合法合規(guī)運行。當(dāng)前各國都在建設(shè)無人機云端管理系統(tǒng)[15]，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④中國民用航空局. 無人駕駛航空器空中交通管理信息服務(wù)系統(tǒng)（UTMISS）. [2022-06-01]. https://www.utmiss.com/.。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試點工作，如UTMISS在深圳和海南的空域開展審批試點工作?？傊?，頂層架構(gòu)UOM，核心UTMISS，行業(yè)無人機云，以及公安部、工業(yè)和信息化部等部門關(guān)于無人機系統(tǒng)的政策（地理圍欄、無人機實名登記注冊等），都為無人機安全運行提供了相應(yīng)支撐。當(dāng)前，任何一架無人機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⑤中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所. “中科天網(wǎng)”無人機綜合管理云系統(tǒng)正式獲得中國民用航空局批準(zhǔn)運行. (2019-04-17)[2022-06-01]. http://www.igsnrr.cas.cn/xwzx/zhxw/201904/t20190417_5276493.html.。

（4）高精度氣象預(yù)報和無人機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，在無人機應(yīng)用進程中，需要在特定區(qū)域特定場景內(nèi)進行多類別無人機科學(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。無人機驗證場是一種保障無人機科學(xué)試驗飛行安全的重要基礎(chǔ)設(shè)施，其對于無人機未來商業(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)用場景的無人機綜合驗證場（圖 2），初步形成無人機空港服務(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⑥江西省人民政府. 國家防總秘書長、應(yīng)急管理部副部長兼水利部副部長周學(xué)文調(diào)研指導(dǎo)鄱陽湖模型試驗研究基地工作. (2020-07-21)[2022-06-01]. http://www.jiangxi.gov.cn/art/2020/7/21/art_5194_2629068.html.。

圖2 部分中國科學(xué)院無人機驗證場展示[16]Figure 2 Demonstrations of part of UAV verification fields of Chinese Academy of Sciences[16]

1.3 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。面向未來無人機商業(yè)化運行大發(fā)展，尤其是低空無人機規(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： 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； 對于低空無人機運行的監(jiān)視監(jiān)管，無人機監(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，無法有效監(jiān)管未注冊和非合作無人機，也無法有效避免無人機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)?；療o人機在緊鄰復(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[17,18]。當(dāng)前無人機管理系統(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⑦人民日報. 美團無人機助力全國首個城市低空物流運營示范中心建設(shè). (2021-07-10)[2022-06-01]. https://wap.peopleapp.com/article/6246541/6144731.。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)?；涂諛I(yè)務(wù)運行十分重要。

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

關(guān)于為無人機運行預(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)在飛機越來越多，缺乏航路劃設(shè)和管制造成了嚴(yán)重的機毀人亡事故，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?？沼蚬芾韱栴}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，盡管無人機可以通過 D&A 功能實現(xiàn)避讓，對于規(guī)?；療o人機安全高效運行，航路將是重要選項。

2.1 無人機低空公共航路發(fā)展現(xiàn)狀

2017 年，中國科學(xué)院首先提出發(fā)展無人機低空公共航路倡議[19]。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）》[17]，確定了國內(nèi)發(fā)展無人機低空航路的趨勢。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）。

圖3 春蠶系統(tǒng)（ARPS）與民用無人駕駛航空器綜合管理平臺（UOM）耦合界面 Figure 3 Coupling interface between air route planning system (ARPS) and integrated management platform of civil unmanned aerial vehicle (UOM)

圖4 春蠶系統(tǒng)（ARPS）輸出的“天路圖”展示Figure 4 Demonstration of “Sky Roadmap” in air route planning system (ARPS)

2021 年 12 月，中國科學(xué)院牽頭制定的“面向無人機運行的低空空域結(jié)構(gòu)化框架標(biāo)準(zhǔn)”（IEEE Std 1939.1TM-2021）正式出版，這是電氣與電子工程師協(xié)會（IEEE）首個關(guān)于無人機低空運行的國際標(biāo)準(zhǔn)[20]。該標(biāo)準(zhǔn)定義了一種以低空公共航路為核心，旨在促進無人機交通管理安全和有效發(fā)展的無人機低空空域結(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。

圖5 “面向無人機運行的低空空域結(jié)構(gòu)化框架標(biāo)準(zhǔn)”（IEEE Std 1939.1TM-2021）的內(nèi)容框架Figure 5 Structure of standard of “A framework for structuring low altitude airspace for UAV operation” (IEEE Std 1939.1TM-2021)

2.2 無人機低空公共航路構(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，機動靈活的無人機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)?；虡I(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)更新無人機遙感數(shù)據(jù)，從而降低地理信息獲取、更新和航路維護的成本。

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)范無人機運行的技術(shù)手段?？沼虮O(jiān)管部門通過劃定永久或臨時凈空范圍來限制無人機活動。從已公布的地理圍欄數(shù)據(jù)來看，當(dāng)前凈空范圍遠(yuǎn)超無人機避障所需空間。當(dāng)代無人機已經(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），明確無人機與上述要素的安全間隔。

3 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。

圖6 基于低空公共航路的低空無人機應(yīng)用發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施體系Figure 6 Infrastructure system of UAV application development in low-altitude airspace based on low-altitude public air routes

3.1 構(gòu)建基于低空公共航路的無人機 CNS 能力

（1）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通信需求，易出現(xiàn)信號中斷等問題[21]。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，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。

（2）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)于無人機導(dǎo)航定位需求[12]。

（3）監(jiān)視。在傳統(tǒng)雷達不足以監(jiān)視低空無人機運行的背景下，非合作無人機一直是導(dǎo)致“黑飛”“亂飛”的主要原因。針對非合作無人機的低空監(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?；诤铰返牡涂毡O(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”。

3.2 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)雜性和運行無人機以輕小機型為主等特點，基于航路的氣象預(yù)報需要達到米級和小時級，短距離航路甚至需要達到分鐘級。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)進行對比分析[23]。然而，當(dāng)前基于航路的精準(zhǔn)帶狀天氣預(yù)報研究進展無法滿足無人機運行對氣象預(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)者利用無人機搭載微小型氣象站來監(jiān)測獲取城市湍流信息[24]。中國科學(xué)院相關(guān)團隊也在航路氣象預(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海上運輸中進行了實際應(yīng)用⑧上海市金山區(qū)人民政府. 全國首飛成功！無人機完成海島間超長距離運輸 舟山海鮮1小時送達上海. (2021-08-30)[2022-06-01]. https://jinshan.gov.cn/ysdt-zxdt/20210830/819793.html.，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。

4 總結(jié)

當(dāng)代無人機是高新技術(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)。在無人機規(guī)?；虡I(yè)運行時代，需要進一步開發(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)施有機銜接的無人機低空公共航路網(wǎng)新型基礎(chǔ)設(shè)施。為了加快推進低空公共航路網(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，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產(chǎn)業(yè)領(lǐng)先優(yōu)勢，抓住低空經(jīng)濟發(fā)展新機遇，將低空無人機大規(guī)模商業(yè)化運行作為低空經(jīng)濟“動脈”，帶動無人機制造業(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。