本文刊载于《中国科学院院刊》2022年第7期“政策与管理研究”
廖小罕1,2,3 徐晨晨1,2,3* 叶虎平1,3 谭 翔2,3 房世峰1,3 黄耀欢1 林 静1,3
1 中国科学院地理科学与资源研究所 资源与环境信息系统国家重点实验室
2 中国科学院无人机应用与管控研究中心
3 中国民航局民航低空地理信息与航路重点实验室
图片来自网络
低空公共航路网是低空无人机运行关键新型基础设施
关于为无人机运行预设航路，当前国内外存在一种有争议的学术观点，即无人机的发展是遵循自由飞行还是沿航路飞行。温故知新，民航运输发展经历了自由飞行到航路飞行的历史。早期，在飞机数量少的时候飞行员在航线选择上有很大的自由度。现在飞机越来越多，缺乏航路划设和管制造成了严重的机毁人亡事故，这促使各国在全球范围内建立了完善的空中交通管理（ATM）体系。
空域管理问题可以比喻为泳池管理问题。当游泳池里面人满为患，并且需求与能力各异时，如何提升游泳池利用率？设计泳道是很好的解决方案。其实航路就是空中的“泳道”，也是解决低空无人机有序运行的“良方”。人自身具备很好的探测与避让（D&A）功能，但是人足够多时游泳池还是需要规划泳道。同理，尽管无人机可以通过 D&A 功能实现避让，对于规模化无人机安全高效运行，航路将是重要选项。
无人机低空公共航路发展现状
2017 年，中国科学院首先提出发展无人机低空公共航路倡议。2019 年，中国民用航空局将低空航路纳入《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例（征求意见稿）》，确定了国内发展无人机低空航路的趋势。UOM 系统虽然没有航路服务功能，但是中国科学院和中国民用航空局签订了战略协议，中国科学院重点项目支持研发的春蚕系统（ARPS）在科技层面实现了与中国民用航空局 UOM 的耦合（图 3）。春蚕系统也是国内首个具备航路规划与仿真飞行验证功能的系统，包括智能化算法库、高动态海量基础地理信息与遥感大数据平台、航路网规划构建与仿真验证模块和系统产出的“天路图”（图 4）。
图 3 春蚕系统（ARPS）与民用无人驾驶航空器综合管理平台（UOM）耦合界面
图 4 春蚕系统（ARPS）输出的“天路图”展示
（a）骨干航路网；（b）主干航路网；（c）支线航路网；（d）区域航路网
2021 年 12 月，中国科学院牵头制定的“面向无人机运行的低空空域结构化框架标准”（IEEE Std 1939.1TM-2021）正式出版，这是电气与电子工程师协会（IEEE）首个关于无人机低空运行的国际标准。该标准定义了一种以低空公共航路为核心，旨在促进无人机交通管理安全和有效发展的无人机低空空域结构，包括网格技术、遥感数据、通信与联网、航路规划、运行和管理等内容（图 5）。
其中，网格和编码技术是构建结构化低空的基础性技术，遥感及其地物识别提取是低空结构化建设所需地表地理信息的重要来源，通信和联网技术可为低空无人机运行提供高质量、安全可靠的通信和数据链路，低空航路是一种精细的低空空域结构，运行和管理技术从 UTM 建设角度提供航路运行建议。
图 5 “面向无人机运行的低空空域结构化框架标准”（IEEE Std 1939.1TM-2021）的内容框架
无人机低空公共航路构建关键问题
低空地理环境复杂多变，不仅有着起伏的地形地貌和动态变化的合法/非法建筑物，以及电网、高塔、风车等人工构筑物，还有局地极端天气。同时，在低空运行的航空器会带来噪音，影响居民生活，并且机地通讯也易受电磁环境和地形干扰等，这些都是不利无人机飞行的因素。因此，在低空规划航路困难重重。要发展和建设无人机低空公共航路基础设施，以下 2 个关键问题亟须解决。
无人机低空公共航路敏感约束地理要素快速识别与精准提取。清晰明确的地理环境是低空无人机安全运行的前提条件。城市低空环境复杂多变，地物尺度精细。由于重返周期和空间分辨率等限制，卫星遥感手段很难满足高动态精细地理信息获取的要求。随着传感器技术的不断发展，机动灵活的无人机通过搭载多类型传感器逐渐成为动态获取高清遥感影像的有效手段。基于此，通过半自动/自动化的地物识别与提取算法，用户可以快速获取高精度航路敏感约束地理要素信息。为支撑大范围规模化商业飞行，建议构建航路空间范围内关键约束要素的动态更新周期与飞行安全间定量关系，并通过大数据平台等技术手段整合不同来源的高分辨率高动态更新无人机遥感数据，从而降低地理信息获取、更新和航路维护的成本。
约束地理要素三维净空范围的科学确定。地理围栏是一种通过划定净空范围来保障禁飞区安全和规范无人机运行的技术手段。空域监管部门通过划定永久或临时净空范围来限制无人机活动。从已公布的地理围栏数据来看，当前净空范围远超无人机避障所需空间。当代无人机已经可以灵活快速躲避障碍物，而例如离电力线和塔杆一公里等净空范围的规定，虽能降低无人机碰撞风险，但也极大地降低了低空空域资源的利用率。因此，为了应对业务化运行时代低空空域资源的稀缺性问题，建议进一步科学论证约束地理要素的三维净空范围，尤其是一些关键的地理约束要素（如建筑物等）和重要的飞行条件（如噪声、隐私等），明确无人机与上述要素的安全间隔。
基于低空公共航路的新型基础设施建设展望
在信息化、自动化和高性能计算等新一代技术迅速发展的背景下，开展以低空公共航路为核心的通信、导航、监视（CNS）和航路气象服务等专用能力建设是未来面向低空业务化运行的新基建发展趋势，建议形成如图 6 所示的新基建体系。
图 6 基于低空公共航路的低空无人机应用发展基础设施体系
构建基于低空公共航路的无人机 CNS 能力
1、通信
当前地面移动通信基础设施布局无法有效覆盖 300 米高度以上的无人机通信需求，易出现信号中断等问题。构建基于低空公共航路的高速率、高带宽、低延时的专用通信环境将是一种低空通信能力提升手段。公共通讯基础设施的开放，以及专用通信能力的建设将支持高速移动遥感无人机大容量数传和大范围通信的跨基站无缝切换。建议基于现有地面移动通信基站布局，通过大规模天线阵列和波束赋形等新技术切换更窄的波束朝向低空运行无人机，据此优化调整航路沿途的通信基站天线朝向，实现空中信号增强覆盖；结合 5G 等新一代通信技术基站的波束覆盖特点完善现有基站的布局设计，保障低空通信的空间连续性，缩短多地面站之间的通信切换时间。
2、导航
针对复杂环境下导航定位漂移问题，建议通过使用基于图像的导航系统、协作导航或信号，以及额外的地面基础设施辅助，实现更高的定位精度。例如，GPS 和蜂窝移动通信网络的组合可将误差降低至厘米级。针对 GNSS 短时间内误差限宽问题，结合具备短时间内高精度位置优势的惯导系统，可以提高精度、可靠性和数据的更新效率，更好地服务于无人机导航定位需求。
3、监视
在传统雷达不足以监视低空无人机运行的背景下，非合作无人机一直是导致“黑飞”“乱飞”的主要原因。针对非合作无人机的低空监视，自主、高效的低空监视网建设应是未来发展方向。无论是合作对象还是非合作对象，都应具备被监管能力。但是对于全国土范围内的低空全域监管，投资将非常巨大。因此，建议基于低空公共航路建设低空监视网。对于重点大范围区域，可以进行局部的全域监视网建设。同时，开发克服 ADS-B 限制的先进监视系统，更高的飞行自由度将需要更复杂的 CNS 技术支撑。基于航路的低空监视服务网建设将是低空产业链的“技术底座”和平稳运行的“能力保障”。
基于高精度预报系统提供低空公共航路气象服务
高精度气象预报的核心在于保障高空间分辨率和高预报频次，尤其考虑到城市低空环境的复杂性和运行无人机以轻小机型为主等特点，基于航路的气象预报需要达到米级和小时级，短距离航路甚至需要达到分钟级。
如何在有限计算资源空间内兼顾空间分辨率和时间效率？基于航路的带状核心气象要素数值模拟是一种有效手段。例如，有学者基于高分辨率气候模式模拟了京津冀地区无人机低空公共航路沿途风速风向数值，并与气象台站实际观测数据进行对比分析 。
然而，当前基于航路的精准带状天气预报研究进展无法满足无人机运行对气象预报的高时效性要求。建议采用自适应网格技术进行带状气象数值快速模拟，核心问题在于气象模式模拟时自适应网格大小及网格移动方式的设置。
另外，如何获取高动态更新的城市湍流廓线也是值得探讨的问题，已有学者利用无人机搭载微小型气象站来监测获取城市湍流信息。中国科学院相关团队也在航路气象预报方面做了一些探索，并在上海金山至浙江舟山群岛的无人机海上运输中进行了实际应用，通过模拟温度、气压、风速、风向、湿度、降水概率等气象指标数值预报 50—300 米高度层的高精度气象信息，为长距离航路运行提供气象保障。
总结
当代无人机是高新技术交叉融合孵化出来的“新技术之花”，其在低空的安全、高效运行需要充分用好卫星导航特别是北斗导航卫星系统、卫星和地面移动通信等公共基础设施服务。在无人机规模化商业运行时代，需要进一步开发利用高精度导航、新一代移动通信网等重要基础设施服务能力，规划和建设好面向低空无人机大规模商业化应用的低空公共航路网、云监管、低空监视、航路气象预报等专用基础设施规划建设，特别是超前规划多层级与地面基础设施有机衔接的无人机低空公共航路网新型基础设施。
为了加快推进低空公共航路网建设，需要中央或更多的地方政府层面出台相关政策支持，从法律法规、关键技术突破和数据获取等科学层面深化航路规划构建理论研究和应用实践推进，为未来城市空中交通新型基础设施建设和安全高效运行提供系统关键技术与基础性解决方案；并借助我国民用无人机产业领先优势，抓住低空经济发展新机遇，将低空无人机大规模商业化运行作为低空经济“动脉”，带动无人机制造业和服务业的发展。
在国家和地方建设新型基础设施有关政策支持下，相信未来几年低空“天路”在深圳等先行示范区内将率先开展深化研究与实际应用探索。
文章来源：廖小罕, 徐晨晨, 叶虎平, 等. 无人机应用发展关键基础设施与低空公共航路网规划. 中国科学院院刊, 2022, 37(7): 977-988.。鸢飞科技综合整理。
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