摘要：低空空域原則上是指真高1000m(含)以下空域。根據官方發布的2019年第一季度無人機云數據統計報告，運行在低空空域的無人機飛行小時數占該季度總飛行小時數的99.9%。然而，大量無序飛行的低空無人機運行會對地面設施、公共安全、空中載人飛行器等帶來危害。低空無人機交通管理是通過對整個低空的無人機運行安全和風險進行評估，同時對低空的無人機進行有效的規劃，保證它們合理有序的飛行，從而促進無人機行業的健康發展。

　　然而，民航空中交通管理不能適應未來數以百萬架的無人機。這是因為低空空域環境、無人機交通網絡特性，以及低空通訊、導航和監視系統等，都與目前高空民航存在大量差異。為了適應新的特點，世界各國針對低空無人機空中交通管理開發了新框架。低空無人機空中交通管理屬于近幾年出來的新事物。

　　本文藉此聚焦于低空無人機交通管理，從四個方面概覽：低空無人機相關的空中交通基本概念及現狀、低空無人機交通管理介紹、低空無人機交通管理的關鍵技術和低空無人機交通管理相關科學問題。回答為什么需要發展低空無人機交通、低空無人機交通系統是什么、研制低空無人機交通系統需要哪些關鍵技術，以及與該領域哪些新的科學問題需要解決。

　　關鍵詞：無人機;交通管理;低空;風險;集群;5G;無人機云系統;城市空中交通

　　1低空無人機交通基本概念和現狀

　　1.1基本概念和定義

　　低空空域原則上是指真高1000m(含)以下空域，超低空空域一般是指真高120m(含)以下空域，主要用于視距飛行高度限制。根據中國民航局2019年第一季度無人機云數據統計：運行高度在120m以下的無人機占96.5%，1000m以下的無人機占據99.9%。

　　這些年民用無人系統技術發展迅猛。這歸功于電池技術和電力推進等技術的進步，無人機自主飛行技術等自動化技術的日趨成熟，以及圖像處理器和人工智能處理器的發展。由于無人機的性能得到了極大改進，無人機由視距內人工遙控器操作，發展為超視距內遠程網絡操作。

　　隨著4G移動通信技術的成熟和面向行業應用的5G技術的逐步商用，民用無人機大規模應用離我們的生活也將越來越近。為了保證安全，民用無人機應該與民航飛行器一樣，飛行過程必須接受管理。對于民用飛行器，空中交通管理(AirTrafficManagement,ATM)的任務是[1]：“考慮空中及地面系統的運行能力以及經濟上的需要，為用戶提供空域利用上的最大效能;考慮飛機裝備的等級和運行目的的不同，靈活地組織不同用戶之間分享空域;保證空中交通管理系統的總效率;向用戶提供從起飛到著陸的連續協調、有效服務和管制，確保安全;與國際上協調一致，保證飛越國境順利進行”。

　　空中交通管理的內容主要包括空中交通服務、空中交通流量管理和空域管理三大部分[1-2]。現有的適用于民航飛行器運行的空中交通管理方式不能適用于未來數以百萬架的無人機。

　　(1)低空無人機數目多，體積小，執行任務復雜多樣。(2)現行民航空中交通管理的通信、導航和監視技術手段都很難應用于低空目標。民航航空是傳統的窄帶通信技術，無法滿足大量的無人駕駛航空器更大的帶寬通信需求;低空無人機的導航技術需要結合基站定位、視覺導航等新興技術;現有民航的監視技術也難以滿足低空輕小無人機的監視需求。

　　(3)無人機缺乏有效的信息獲取手段，難以全面、及時感知規避障礙物，導致空中碰撞的風險增加。除此之外，現有的空中交通管理仍然是20世紀30年代發展起來的管理方式，走的是輔助飛行員駕駛的技術途徑;而無人機的駕駛員在地面，所以針對低空無人機交通管理[3]，需結合現有物聯網以及信息化技術等，實現更加智能和自動化的交通管理。

　　因此，考慮到支撐技術以及運行安全，根據中國民航局2016年發布的《民用無人駕駛航空器空中交通管理辦法》(MDTM-2016-004)規定，無人機目前被要求在隔離空域飛行。參考國務院、中央軍委空管委《無人駕駛航空器飛行管理暫行條例》對輕小微型無人機的適飛空域高度定義以及民航最低安全高度要求，本文主要著重進行低空空域無人機交通管理的概述，特別是真高300m(含)以下的空域。

　　低空無人機交通管理(UnmannedAircraftSystem(UAS)TrafficManagement，UTM)的最終目標是基于不同的地理條件(從農村到城市)和不同的應用目的(從空中監視、設施巡檢到物流等)，推動具有不同能力的無人機在低空空域有序飛行，并進一步拓展到載人飛行器等。更具體地說，保持無人機與空中其他飛行器(如：無人機、有人機、自由氣球、飛艇等)和障礙物的安全間隔，并提供一個高效和有序的交通流量控制與容量管理。低空無人機交通管理系統是一個復雜的系統，需要根據無人機性能、無人機作業場景等確保無人機操作所需的安全級別。

　　與此同時，低空無人機交通管理也需要與無人機運營服務等協同，內容包含無人機從生產制造信息到飛行使用和產品維修等整個全生命周期過程，涉及無人機、駕駛員、運營人、制造企業等相關體系。低空無人機交通管制，不再是管制員對駕駛員的管制，更多的交通管制功能由后臺系統進行自動化的處理。低空無人機空域管理和流量管理，將與實時低空交通流量控制、碰撞檢測等進行深度融合。

　　管制員將逐漸轉變為運維監視員和系統維護員角色，無人機空中交通服務包括：空域管理、容量管理、流量管理、空中交通管制、飛行監視(針對消費級無人機)、無人機圍欄、飛行情報服務、告警與通知等。與傳統民用航空空中交通管制不同，低空無人機的空中交通管制功能將進行簡化，部分功能融入到容量管理和流量管理當中，由后臺計算機負責。

　　飛行運營服務包括：運營人管理、駕駛員管理、設備(無人機與遙控器)管理等，更多的無人機運營服務還包括無人機維修服務、充電服務和保險服務等。低空無人機交通管理不包括運營服務，僅包括交通服務，充當著整個空中交通管理的大腦的角色，負責決策。通信、導航和監控(Communication,Navigation,Surveillance,CNS)功能等基礎設施充當著整個無人機交通管理系統的眼睛、耳朵和神經系統，負責態勢感知和信息傳輸。

　　(1)通信(Communication)。這里通信的目的是為了傳輸交通管理的信息，包括空對空通信、空對地通信、地對地通信、無人機與無(有)人機之間的通信，無人機與無人機交通服務提供商的通信，無人機交通服務提供商之間的通信等[4]，具體包括4G/5G公網、AeroMACS、專網、衛星、V2X等。針對低空300m以下空域，考慮到基礎設施建設成本，可以采用移動運營商提供的4G/5G公共網絡。

　　(2)導航(Navigation)。無人機在低空飛行需要知道自己的位置等信息，進而知道其它無人機的位置。由于雷達導航部署存在較大困難，容易受到障礙物遮擋等，因此傳統民用航空所需的雷達導航并不適用于低空300m以下空域。針對低空無人機，涉及的技術包括基站定位技術、衛星導航技術、雷達導航、視覺導航和慣導等。特別在衛星導航技術容易受干擾和初期基礎設施建設緩慢情況下，建議發展視覺導航技術。

　　(3)監視(Surveillance)。在低空飛行過程中，無人機的飛行位置和狀態信息等需要主動或被動地傳送給地面管制單位。主動監視又包含遠程網絡監視和本地廣播監視。目前，民航飛行器進一步將依靠廣播式自動相關監視(AutomaticDependentSurveillance–Broadcast,ADS-B)進行發送和接收周圍信息。

　　然而，對于民用輕小型及以下的無人機來說，因為其尺寸小、飛得低、數目多，很難用雷達來監控它們;而通過ADS-B等又會對現有民航形成干擾，并且進一步加重ADS-B通信帶寬的負荷。由于低空通信組網的最佳方式是采用移動蜂窩網，因此對于低空輕小無人機等，建議采用基于移動蜂窩網發展的、滿足更大帶寬和速率的C-V2X技術，滿足無人機到無人機、無人機到地面監視人員之間的通信。本地廣播監視的可靠性較差，接收器很容易被攻擊，如果缺乏被動監視進行過濾，很難發現異常，導致接收器/服務器拒絕服務甚至癱瘓。因此，對于輕小型及以下無人機來說，本地廣播監視的部署是需要慎重考慮的問題。

　　1.2世界各國技術現狀

　　目前實施科學的低空無人機空中交通管理已經成為各航空發達國家的共同選擇。盡管每個地區使用的術語和組織略有不同，但是無人機交通管理系統在世界各地發展的基本原理和方法非常相似。

　　(1)美國在美國，美國國家航空航天局(NationalAeronauticsandSpaceAdministration,NASA)牽頭，與美國聯邦航空管理局(FederalAviationAdministration,FAA)、工業界、學術界合作共同研制了一套無人機系統交通管理框架UTM(UnmannedAircraftSystemTrafficManagement)[5-6]。UTM是一個非管制的、面向服務的空中交通管理框架，通過授權給民營機構，也就是無人機服務提供商(UnmannedaircraftsystemServiceSupplier,USS)來提供服務。這些機構具有無人機所需服務(包括運營服務和交通服務)的提供能力，能給使用無人機作業的企業提供FAA所不具備的服務。

　　UTM開發將最終確定服務內容、角色/責任、信息架構、數據交換協議、軟件功能、基礎設施和性能要求，以實現對低空非管制的無人機運行管理，解決低空空域(解決地面以上400ft，約120m以下的空域)小型無人機的非管制運行。UTM的技術發展分為四個階段[7]。

　　1)第一技術階段的測試目的在于測試基于接口的網絡化運行和信息共享能力。2)第二技術階段[8]的測試目的在于測試超視距、飛行意圖分享和地理圍欄等能力。3)第三技術階段的測試[9]的目的在于測試常態超視距運行、空中機對機防撞和規避靜態障礙物等能力。4)第四技術階段的測試[10]目的在于超視距運行、跟蹤和定位、規避動態障礙物，以及處理大規模突發事件等能力。

　　(2)歐洲

　　在歐洲，歐盟委員會和歐洲航空安全局(EASA)提出建立公共無人機飛行系統U-Space[11-12]。U-Space是為了確保大量無人機安全、高效的進入空域，所設計的一套新的數字和自動化服務程序。其理念與無人機交通管理系統UTM相同，U-Space服務提供商提供關鍵功能，它們都與U-Space系統管理器進行通信。U-Space規定無人機在低空使用，飛行高度不超過150m，并把無人機分為三類：開放(Open)、特許(Specific)與審定(Certificate)。U-Space系統將自動使用電子身份識別以及地理圍欄等工具以確保自主無人機可訪問相關信息。其發展分為四步走。

　　1)第一步計劃于2019年開始提供基礎服務，包括電子注冊、電子識別和電子圍欄。2)第二步計劃于2022年開始提供初始服務，包括飛行規劃、追蹤、與傳統空管的交互。3)第三步計劃于2027年提供擴展服務，包括沖突檢測、自動監測、避障功能。4)第四步計劃于2035年開始提供高度自動化、連接性、數字化的全功能服務。

　　(3)日本

　　日本UTM協會(JapanUTM，JUTM)和新能源工業技術開發組織(NewEnergyandIndustrialTechnologyDevelopmentOrganization,NEDO)共同建立了國家UTM項目[13]。它包括一個飛行情報管理系統(FlightInformationManagementSystem,FIMS)、一些無人機服務提供商、一層數據源提供商(SourceDataServiceProvider,SDSP)和運營商。

　　FIMS管理所有飛行計劃，處理緊急警報并提供避免指令。無人機服務提供商位于FIMS與每個運營商之間。JUTM在2017開始了演示。NEDO下開發的個人用戶系統在2018年進行了演示，2019年將首次進行全系統演示，2020年將開始實施。

　　(4)新加坡

　　在新加坡，新加坡民航局(CivilAviationAuthorityofSingapore,CAAS)與新加坡南洋理工大學聯辦了航空交通管理研究院，并著手研發無人機空管系統TM-UAS[14-15]。目前，TM-UAS已經實現了地理圍欄、沖突避免等技術。根據新加坡的城市特點，CAAS研究正著眼于對多架無人機在人口密度極高的城市環境中安全有效的運作。

　　2低空無人機交通管理介紹

　　首先，本節分析了低空無人機交通管理的特殊性。針對無人機交通網特點，介紹了無人機交通管理設計要求和設計思路。之后，在空間維度上分別分析和總結了目前美國和中國的無人機空中管理框架。最后，在時間維度上介紹了無人機飛行過程。

　　2.1低空無人機交通管理的特殊性

　　低空無人機交通與傳統民航交通、公路交通、鐵路交通等之間存在一定差異，具有一定的特殊性。傳統的民航空中交通系統基礎設施建設依賴政府力量，而管理方式依靠空中交通管制員和飛行員之間的語音通信以及雷達探測。

　　即使依賴人的參與，傳統的民航空中交通管理依舊十分復雜[16]。與傳統的民航相比，由于無人機的數量龐大，在很小區域內(如10km2)可以隨時擴展到數千架，并共享有限的空域，所以無法使用像傳統民航交通管理系統這樣的集中通過管制員的方式來進行負載預測和分配。

　　因為無人機的預期交通密度遠遠超出了當前民航空中交通管理系統的能力，所以我們必須考慮基于大規模并行計算的分布式解決方案，管理會更具挑戰性。另外，民航空中交通系統還在進行平臺化和信息化升級，下一代航空運輸網(AirTransportNetwork,ATN)還處于過渡期，自動化系統等級升級過程較長且困難重重[17]。

　　因此，目前傳統民航平臺不適應低空無人機。除此之外，低空無人機交通呈現很多新特征。針對低空無人機交通的CNS設施都需要面向低空，而低空空域受到低空障礙物等影響。因此，通信組網復雜度、導航可靠性、監視手段也需要更新換代。針對低空無人機，可以考慮采用4G/5G公共移動通信網絡、基站定位導航、視覺和無線電監視等新興技術等。無人機交通服務的飛行器和機場種類也將更加豐富，比如：在城市空中交通中的無人機要求其在城市中完成起降，因此無人機應具備垂直起飛和著陸功能。

　　無人機垂直起降功能可以避免如固定翼飛機所需的長距跑道。這樣機場可以分布在區域各個角落，如屋頂或塔臺型無人機場，形式簡單多樣。與鐵路和公路相比，鐵路網可以認為是一維空間，公路網是受限二維空間，而無人機運行的空域是三維空間，所以無人機在避障方面更加靈活。與此同時，其墜毀對地面也帶來了安全的隱患。因此，必須合理規劃空域，并基于低空航路網設計無人機的空中交通管制算法，以確保實現安全的空中交通管制。

　　2.2無人機交通管理設計要求和設計思路

　　基于低空無人機交通的特殊性，低空無人機空中管理系統勢必有著獨特的要求和框架。

　　2.2.1設計要求

　　(1)系統的操作原則從系統的操作原則上看[11]，無人機空中交通管理系統需要滿足：1)只有經過認證的無人機和操作員才能在空域內操作;2)無人機間應保持距離;3)無人機和載人飛行器應保持距離;4)無人機、其操作員或支持系統了解空域內的所有限制條件，包括地面上的人、動物和建筑，無人機將保持遠離這些限制;5)公共安全無人機應優先于其他無人機和載人航空。

　　(2)系統的性能要求從系統的性能要求上看[20]，需要滿足：1)可擴展、靈活和適應性強，在管理與民用航空的接口的同時，能夠響應需求、數量、技術、商業模式和應用程序的變化;2)在無人機運營商的監督下，多個自動無人機可實現高密度飛行;3)保證所有用戶公平和公正地進入空域;4)隨時提供具有競爭力和成本效益的服務，支持無人機運營商的商業模式;5)盡可能利用現有的航空服務和基礎設施以及移動通信服務等其他部門的服務，使部署和運營成本降到最低;6)遵循基于風險和性能的方法，同時盡量減少對環境的影響，尊重公民的隱私，包括數據保護。

　　(3)系統的服務要求從飛行功能服務來看[18]，整個系統應該提供：1)安全服務：系統健康監測、無人機注冊、用戶身份驗證以及飛行監控;2)飛行服務：飛行計劃、計劃和需求管理(進一步可參考[19])、間隔保證(SeparationAssurance)及應急管理;3)情報服務：空域定義、天氣信息、地形和障礙物及交通運行信息。低空空域按可提供服務分為：管制空域、監視空域和報告空域分類。

　　3低空無人機交通管理的關鍵技術

　　相比民航飛行器的交通管理技術，低空無人機交通關鍵技術亟待突破。下文將一一介紹關鍵技術及研究現狀。

　　3.1低空空域管理的關鍵技術

　　3.1.1空域定義

　　(1)空域空間空域一般被定義為地球表面以上的可供飛行器飛行的空氣空間，即可航空間。現在已經使用的空域只是可航空間的一部分。因此，目前人們所提到的空域，更具體地說應該是為飛行器提供飛行服務的空間。由此空域具有：自然屬性、社會屬性和技術屬性。

　　空域的技術屬性是由CNS等技術形成的信息場，并由此構建空中交通管理能力。美國FAA的CFRPART107規范定義了輕小無人機系統的飛行規則，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類空域)。進一步，美國亞馬遜公司[22]提議將距離地面400至500ft(約合122m至152m)的區域列為隔離區，以便在無人機和有人機之間設立一個緩沖區。

　　民航飛行器的飛行高度必須保持在500ft以上，而低于400ft的區域則劃分為兩部分。配有避障技術，而且能夠與交通管理系統建立可靠連接的無人機，可以在200至400ft的“高速區”飛行，其它無人機(包括一些消費級無人機，以及用于調查或航拍的無人機)只能在200ft以下的“低速區”飛行。

　　我們建議以無人機類型、作業任務和場景來劃分飛行高度層：1)超低空航路空域，90-120m高度層用于輕小型及以下無人機物流配送，設計最后一公里航路網，主要是多旋翼無人機作業，而60-90m高度層用于保護。當然特殊場景可依據作業任務、所需通信性能和定位能力，可以設計40-50m高度層用于地面巡檢，如交通車輛巡檢、警用治安巡檢等，60-80m高度層用于房屋、基站、橋梁巡檢等。

　　2)近低空航路網空域，150-270m，設計末端航路網，供混合翼無人機等高速前飛的無人機使用。進一步可分為兩層，用于物流配送和載人運輸。3)低空航路網空域，300~1000m，暫不做建議。以上分層建議的+0m基準高度是一個區域參考點的修正海拔高度，所有的高度測量均為相對于基準高度。如果是山地丘陵區域或者密集城區高樓建筑較多，應該按照地形修正基準高度，采用相對高度測量。相對基準高度+300m以上區域，建議采用絕對高度測量。

　　(2)無人機圍欄

　　無人機通常在低空空域飛行，需要與低空的復雜環境、地面的人財物直接接觸。目前裝有自動駕駛儀的無人機仍需要在人的指揮控制下進行作業。無人機圍欄是一種監管無人機飛行的有效工具，其原理是在相應電子地理范圍中劃出特定區域，阻止該區域的無人機飛入或飛出，并配合CNS系統保障區域內安全。無人機圍欄許可類型可以分為禁止飛入與禁止飛出[23-26]。

　　4總結

　　民用無人機特別是以多旋翼飛行器為典型代表的無人機發展迅猛。為了保證安全，民用無人機與民航飛行器一樣，飛行過程必須接受全程管理。無人機空中交通管理系統目的是保持無人機與空中其他飛行器(如：無人機、有人機、氣球等)的安全間隔，并提供一個高效和有序的交通流量控制方法。目前，無人機空管系統的研發在各國均正處于起步階段。

　　無人機交通管理技術的研發與落地，不僅能夠滿足不斷增長的無人機行業應用需求，亦可作為有人飛行器自動化演進的重要技術途徑，實現航空業的快速發展，成為世界各國進入航空強國的重要途徑。無人機交通網與傳統民航網、公路網、鐵路網等之間存在一定差異，具有一定的特殊性。

　　因此，沒有現成的交通控制管理方式能夠直接沿用。目前美國NASA主導提出UTM，不依賴于國家政府部門集中控制，而是采用分布式授權給私人無人機服務供應商的原則。這樣既保證空域安全，又能利用私人無人機服務供應商技術迭代靈活的優點降低了政府運營成本，同時為無人機服務提供商釋放了市場。該框架被目前被廣泛接受。無人機交通管理功能主要包括空域管理、飛行管理和風險管理。針對這些管理，低空無人機交通需要攻克多個關鍵技術。

　　(1)需要結構化空域以最大限度地提高通行能力，結構化包括空域網格化，以及航路網生成;進一步，還需要進行容量的準確評估。(2)需要設計針對無人機特點的交通管理方法，包括容量控制、航線規劃以及空中避讓技術等，避免因為不確定而導致的航路網交通不穩定的現象。(3)需要針對無人機交通，利用大數據和各種合理的模型，設計準確可行的風險評估方法。除此之外，需要開發可靠的CNS系統，并確定匹配安全飛行的性能指標。另外，還需要考慮無人機的研發[127-128]和通信安全問題[129]等等。

　　以上的關鍵技術是相互耦合的。(1)風險、空域容量、飛行經濟性與無人機航路網之間存在緊密關系。(2)通信、導航和監視系統的性能指標與風險息息相關。(3)給定航路網和飛行任務，交通控制方式決定著碰撞風險。(4)在網絡結構變化或者無人機速度發生改變等情況下，某種交通控制方式下的航路網可能不穩定。

　　最終，為了走向真正應用，需要對設備和流程等進行標準化。在技術開發的同時，低空無人機交通的發展還需要公眾接受、法律法規制定和相關人才培養等等基礎條件。可以預見，由于各方面的推進節奏不一致，前進的道路曲折。雖然這樣，只有堅定發展低空無人機交通，控制風險，民用無人機產業才能夠健康有序地向前發展。

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