无人机对空中交通管理的挑战

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来源：防务快讯

作者：王璨

简介：随着无人机的应用越来越广泛，航空业面临着新的挑战，特别是在空中交通管制（ATC）领域。空中交通管制主要负责各类飞行器在管制空域中的安全飞行。为了保护常规飞行器，必须创建新的运行环境以确保各类飞行器飞行的安全性和可行性。本文重点讨论了无人机相关的安全和运行问题。有人和无人机的共存对于空中交通管理（ATM）来说至关重要，因此需要重视对各类飞行器的管理。无人机交通管理系统（UTM）的广泛使用可以解决关键的无人机运行问题。本文对无人机交通管理系统运行相关的服务和功能进行了定义，这对于无人机的安全飞行来说是必不可少的。

1.引言

过去几年中，小型的商用遥控飞行系统（RPAS）逐渐普及。由于科技发展，这些飞行器（通常称为“无人机”）在未来将发挥越来越重要的作用。各种新技术的涌现和大规模生产导致无人机的价格逐渐下降，从而为挖掘新的无人机服务潜能提供了条件，推动了无人机这一新兴行业的迅速发展。无人机（UAV）以前主要由军方使用，直到无人机的商业用途渐渐成为服务业、农业和轻工业领域的优先选项。想要满足不同应用的需求，无人机设计、参数以及管制模式等方面都需要制定完全不同的实施方案。民用需求的增加推动了航空无人机领域的发展，自第二次世界大战以来，持续发展的航空业具有完全不同的发展阶段特点。无人机的开发是开放性的，开发人员可以在任何开发程度的情况下重新加入任何参与方。这也导致在市场存在各种不同的无人机解决方案。由于无人机设备价格便宜、广泛普及且容易获取，导致用户面较广，几乎任何人都可以进入航空领域，这带来了严重的安全性风险，无人机系统的日益普及可能危及民用航空以及基础设施的安全性，甚至会影响人类生活。对于无人机引起的航空安全等问题，必须找到全面的解决方案，从而最终实现无人机在使用空域时不会威胁常规空域用户的目标。发达国家的许多领先科研机构都在研究无人机解决方案，这些解决方案可以通过适当的安全保证来应对出现的新挑战。美国国家航空航天局（NASA）与美国联邦航空局（FAA）合作，欧洲航行安全组织（EUROCONTROL）与英国国家空运局（NATS）、德国航空航天中心（DLR）、德国空管局（DFS）、Indra、Thales等领先的航空研究机构合作，以寻找令人满意的答案。

2.无人机简介

为了避免文中的表达歧义，本文使用了国际民航组织（ICAO）术语。可在国际民航组织无人机系统（UAS）出版物中找到这些术语的定义。

2.1 无人机的分类

如今虽然还没有统一的无人机分类标准，但是美国国防部使用各种标准对无人机进行分类。根据不同的标准有以下几种分类方式：（1）按大小分类（表1）

表1 按大小分类的无人机

类型	大小	载荷	附加信息
超小型飞行器	~厘米	~10克	纳米、微型、迷你无人飞行器
小型飞行器	~10厘米	~千克（例如相机、传感器等）	俗称无人机
中型飞行器	~米	~10千克	无法通过人力让飞行器起飞。 这些飞行器独立于空中交通管制，因此只能在带有应答器的独立空域中运行。
大型飞行器	~10米	~100千克 军事战术装备	这些飞行器独立于空中交通管制，因此只能在带有应答器的独立空域中运行。

（2）按性能分类（表2）

表2 按性能参数分类的无人飞行器

性能水平	类型	运行高度	有效载荷	持续飞行时间	范围
低性能无人飞行器	MAV	低空	~10米	~克	~分钟	~100米
中性能无人飞行器	LASE	~10-100米	~（1-5）千克	~10分钟	~公里
高性能无人飞行器（通常用于军事或通用（国家）用途的设备）	LALE	~100米	~（1-10）千克	~30分钟	~10公里
MALE	中空（~1-10公里）	~10千克	~小时	~100公里
HALE	高空（~10-30公里）	~100千克	~10小时	~1000公里

（3）按结构分类（表3）：

表3 按结构分类的无人飞行器

轻于航空器	重于航空器
气球 飞艇	固定翼	多种飞机混合 （具有垂直起降能力的固定翼飞机、倾斜机翼飞机、倾转旋翼飞机）	旋翼飞机 （单旋翼：常规配备共轴式弗莱特纳旋翼）	旋翼飞机（具有多个旋翼：3-8个）

（4）按重量分类

• 低于250克；
• 250克至2千克之间；
• 2千克至25千克之间；
• 超过25千克（不超过150千克）。

（5）按功能分组

• 国家职能（包括军事活动）：

-执法支持；-刑事侦察；-搜寻和救援；-灾难救援；-边境防卫；-空中监视，安全优先事件等。

• 人道主义活动（提供不可进入区域）；
• 支持农业活动（喷洒、计数等）；
• 管道检查（天然气、汽油、原油、电力线等）；
• 环境和自然观测；
• 遥感、摄影测量；
• 航空摄影（照片和视频）；
• 国防观察（通过空中监视补充或替换安全系统）；
• 科学活动和研究（车辆制造、大气物理等）；
• 空运和客运；
• 业余爱好和娱乐活动。

2.2无人机的业界关系

无人机的使用需要航空业界合作伙伴之间的持续合作。业界合作伙伴包括立法机构（负责法规的国家/国际组织）。

• 承担监督和管制职责的航空监管和政府机构；
• 车辆制造商、开发商和科学研究机构；
• 操作人员和用户；
• 无人机交通管理服务提供商。这些合作伙伴负责保障与无人机交通管理相关的必要系统。这些系统与当前的空中交通管理系统类似，但是只用于支持无人机系统解决方案，可划分给其他服务提供商：

-雷达制造商、监视/雷达服务提供商；-航空信息服务（AIS）提供商；-通信提供商；-空中交通管理-无人机交通管理（ATM-UTM）集成商：确保不同系统之间的数据传输。

• 航行服务提供商（ANSP）/空中交通管理提供商。
• 培训机构。
• 保险公司，向操作人员提供强制责任保险。
• 利益代表组织。
• 常规空域用户。
• 机场。

3.空中交通管制与无人机的关系

为了应对无人机运行所带来的挑战，必须了解空中交通管制的基本任务。从空中交通管制员（ATCO）责任的角度来区分管制空域和非管制空域。管制员的责任只在管制空域中，根据签发的许可证对多种飞行器进行管制。在管制空域中，空中交通管制服务提供商负责提供飞行器之间的间隔标准，空中交通管制员确保各飞行器不会与其他飞行器、其他地面车辆以及任何自然或人为障碍物发生碰撞，维持交通有序流动，并不断将相关情况通知飞行员。在非管制空域中，虽然不能提供空中交通管制服务，但可以提供飞行信息和空中交通咨询服务。这些服务的目的是向飞行员提供必要信息，以避免发生碰撞和任何其他危险情况。这些服务并非管制服务，因此不提供许可证。服务提供商仅使用“建议”和“推荐”之类的措辞。在非管制空域中，飞行员对飞行安全负责。无人机运行的主要问题是需要使用超低空空域（离地面仅几十米的高度），在这种情况下，无人机与常规空域用户之间可能会发生冲突。当不同用户同时处于交通流量大且交通密度高的高度范围时，将会发生危险。例如：机场附近的飞机进场与离场高度范围内还存在低空飞行的政府或国家航班（警察、军方等）、医疗救护直升机、检查飞行等，极易发生碰撞事件。为了在管制空域和非管制空域中保持飞行器之间的必要间隔，至少需要获得以下数据：

• 准确的位置（坐标和高度）；
• 飞行参数和性能（速度、爬升/下降坡度、性能和类型数据等）；
• 规划的飞行路线（用于三维投影）；
• 与飞行员的通信；
• 运行时需要遵守的特殊规则（例如，增加间隔等）。

这些数据应向管制空域中的空中交通管制员提供，管制员可通过许可控制飞行间隔。在非管制空域中，空域用户通过无线电通信共享数据，根据这些信息以安全的方式调整交通，并考虑必要的间隔。

4.无人机面临的挑战

4.1 运行方面

空中交通管制中的最大挑战是，大多数低空运行的小型无人机都没有配备可提供精确位置的应答器，因此无法获取无人机位置信息。主要监视雷达无法检测到小型无人飞行器，遥控飞行系统的检测困难问题将导致巨大的飞行安全风险。从空中交通管制的角度来看，管制员基本不肯可能干预无人机飞行，因为在大多数情况下不具备干预条件。尽管如此，管制员按照需求迅速实施修改航线等干预措施，也可能导致危险事件。从空中交通管制的角度来看，最严重的问题是两架飞行器发生碰撞。如果在空中发生碰撞，并且两架飞行器的速度或质量相当将会非常危险。为了避免这种情况，需要一种能够保证将无人机集成到空域中的解决方案。为了实现这一目标，空中交通管理行业中出现了一个新的领域——无人机交通管理。无人机交通管理与当前现有的空中交通管理类似，涵盖了空域管理、飞行规划等与航空直接或间接相关的领域。随着无人机数量的增加，一个高度异构的用户群体正在形成，包括业余爱好者以及专业用户。无人机交通管理系统应该为各种无人机（从低空到高空）用户群体的出现做好准备。

4.2 经济方面

无论从已售出的无人机数量还是从行业投资方面都可以看出遥控飞行系统市场在全球范围内正在不断扩大。根据单一欧洲天空空中交通管理研究计划联合执行体（SESAR JU）的调查，近年来，欧洲的无人机销售量每年翻一倍。截至2016年底，使用中的无人机大约有100-150万架。商业活动使用的无人机大约有1万架，其余的无人机则用于娱乐活动。根据SESAR联合执行体的预测，到2035年，无人飞行器的年销售额将达到100亿欧元，到2050年将达到150亿欧元。其中大部分是政府和商业订单。美国联邦航空局对这一主题进行了研究和趋势分析。从2015年12月到2016年底，个人非商业用户注册了62.6万架小型无人飞行器，但是估计小型无人飞行器的实际数量大约是这个数字的两倍。即使根据保守的估计，到2021年，小型无人飞行器的数量也将增加三倍以上（355万架）。关于无人机商业用途的数量，仍处于初步发展阶段。根据预测，未来几年这些应用将加速发展。根据最保守的估计，到2021年，市场规模可能会是2016年的五倍，甚至很有可能会增长十倍甚至四十倍。最典型的商业活动包括航空摄影、房地产测量；建筑工地检查、工业设施和公用事业；农业观测。到2021年，注册的无人机飞行员数量将增加20倍（参加在线培训并填写知识水平调查）。在2016年就有数百家公司开展了与无人机系统相关的活动，包括设备的开发、商业活动和保险。仅在美国，就有600家公司致力于开发各种可商用的遥控飞行系统。此外，这一预测并不包括包裹投递飞行，因为对于这些活动，尚无任何法规可以执行。这些飞行通常是特殊运行，无人机不在飞行员的视距范围内（超视距飞行），并且自动执行飞行。当此类飞行的法律和技术条件实现时，无人机执行的任务的数量将增加数百万次。

5.技术解决方案

5.1 监视

空中交通管制和飞行情报服务单位必须注意所有飞行器。一次和二次雷达可以检测到常规飞行器，因为这些飞行器的质量、大小、构造材料和仪表能够提供协同或灵敏的信号。民用遥控飞行系统无法通过空中交通管制中使用的二次监视雷达进行检测和识别，因为几十厘米的小型飞行器的大小小于雷达的分辨率，塑料、复合材料等构造材料无法反射信号。雷达可以探测到较大型的飞行器（超过20至30千克），因为这些飞行器具有较大的反射面。另一个监视方面的问题是缺少必需的应答器，并且这些飞行器在低空空域（距地面仅几十米，最高不超过200米）飞行，一次雷达和二次雷达等常规监视雷达均无法检测，地形也会影响雷达信号的传播。当前，有很多可以检测到小型飞行器的解决方案，但它们完全独立于空中交通管理系统，必须将这些解决方案集成到空中交通管理中，才能提供可用的监视数据。目前可用的技术如下：

• 监视并分析遥控飞行系统的管制频率。
• Spotter射频公司的环形监视雷达。
• 全息雷达。
• 调频连续波（FMCW）雷达无线电检测和测距。
• 将雷达与成像处理系统相结合，能够通过光学传感器显示主要目标。
• 声音传感器：每架无人机旋翼都具有特征，可以对其进行检测，并且系统可以根据噪声识别无人机的类型。

由于技术解决方案的局限性，与常规飞行器相比，遥控飞行系统的识别需要更大型、更具扩展性的基础设施网络。

5.2 飞行报告与飞行规划

目前并没有强制要求无人机提交与飞行任务有关的飞行规划（空域请求）。因此，空中交通管制服务无法掌握受任务影响地区的任何空间和时间信息。部分当前可用的遥控飞行系统解决方案（任务规划与报告应用程序）可以处理任务规划相关数据，并为用户/操作人员提供航空信息服务，但是由于这些解决方案独立于空中交通管理系统，数据不适用于空中交通管制服务。此外，监视解决方案的使用取决于操作人员使用的任务管制系统，而该系统受遥控飞行系统的管制方式以及制造商所使用的管制平台影响。任务支持系统与航空信息服务提供商不相关，因此不能保证数据的可靠性。

5.3 无人机识别

空中交通管制提供商使用的飞行数据处理系统可以根据飞行规划和监视数据的分配明确地识别空域中的无人机。因此，空中交通管制员必须获得无人机及其任务的所有必要数据。由于监视解决方案的局限性（无论是一级还是二级雷达）以及飞行规划的缺失，无法提供无人机的飞行信息，从而无法分配无人机飞行航路。当前的监视系统仅能识别无人机的类型。

5.4 安全与保障

从航空安全的角度来看，最重要的是避免无人机与其他空域用户发生冲突和碰撞。根据目前的开发水平，配备不同仪表的无人机可能无法检测到所有其他飞行器，而且部分飞行器没有配备防撞系统，无法通过提前制定的飞行规则来修改飞行路径以避免冲突。另一个重要问题是管制信号丢失或在运行过程中出现技术故障时应采取的方案。目前没有统一的解决方案，所使用的程序取决于遥控飞行系统制造商。飞行安全还与适航要求的严格程度相关。根据规定来定义基本的结构与运行要求，以确保安全运行。从安全保障的角度来看，由于恐怖主义的不断涌现，必须对无人机的传播进行严格调查。由于无人机检测的困难性，恐怖分子显然会利用无人机作为连通手段。在安全保障方面，以下问题尚未得到解决：

• 持续监视遥测数据；
• 分析数据传输协议和数据内容；
• 禁止分散管制的赛博安全解决方案；
• 接管无人机的管制权；
• 防止无人机进入特殊空域（例如受限或禁入空域）；
• 识别无人机所运输的货物；
• 拦截无人机：接管无人机的管制、停用、清除权力。

5.5 数据传输与通信

无人机通信的方式与常规飞行器不同，因为给定任务相关的数据内容存在差异，无人机通信的数据量更大。应该采用特殊的通信信道，既可以实时满足新需求，而又能提供足够的宽带，避免延迟（必须上传管制数据，遥感勘测情况必须发送回地面卫星接收站）。对于近程任务，远程站点附近的WiFi及类似的低性能通信方式是有效的。而对于远程任务，应采用第三代和第四代移动数据传输解决方案等特殊的通信方法，不受信号传播障碍的干扰，满足实际需求。但在将来，当连接到万维网（物联网）的设备数量增加时，4G将无法提供所需精度。目前处于研发阶段的5G通信解决方案能够满足这些高负载需求。为了避免冲突并提高无人机蜂群飞行的能力，无人机之间的通信问题也应得到解决。

6.支持无人机交通管理的系统之系统

无人机交通管理系统可以为上述挑战提供突破性的解决方案。无人机数量的增加这一事实证明了特定管理系统存在的必要性。包括飞行与空中交通信息系统等已规划的解决方案必须具有多个信息管理功能，可支持完成相关飞行任务，以便有效管理总体航空交通（常规飞机和无人机）。无人机交通管理解决方案可能会通过提供新的信息管理运行系统来提高效率。无人机交通管理基于用户及其系统的协同，可定义为一种系统之系统（SoS），目的是保持无人机与常规空域用户之间的必要间隔，此外，还需要保持超低空（VLL）空域中的交通秩序。

图1 无人机交通管理系统之系统的简化结构模型

技术基础设施元素：提供无人机交通管理功能可访问性的各种组件

• 通信基础设施（COM）
• 导航基础设施（NAV）
• 监视基础架构（SUR）
• 航空信息服务基础设施（AIS）
• 气象基础设施（MET）
• 空中交通管理系统之间的连接

运行支持系统：人机界面组件

• 无人机系统（UAS/RPAS）
• 用户和无人机数据的记录系统（REG）
• 无人机交通管理系统（UTM）
• 管理局/国家信息系统（AUTH）

7.与无人机任务有关的信息管理

表4根据任务的时间（飞行前、飞行中、飞行后）说明了无人机交通管理系统的功能。由于解决方案的复杂性，目前需要创建一种具有附加功能的系统，该系统可以管理运行（与任务相关）和非运行（所谓的通用）数据的集成。与这些功能相关的信息管理运行可能超出了无人机交通管理系统和无人机交通管理服务的范围，并且可能影响其他国家（政府/管理局）机构进行的行动。

表4 基于任务时间的无人机交通管理系统功能

近年，无人机领域出现了越来越多的新功能，但这些功能必须由远程（用户）站/终端来完成，应该改善平台的独立通信情况以避免可能发生的冲突。用户终端的功能属于基本任务：

• 无人飞行器管制（一站一机）；
• 管制自主飞行/任务；
• 同时管制多架飞行器（机群）；
• 通过通用通信（TCAS、FLARM、ADS-B等）解决飞行器之间的冲突。

无人机执行的飞行任务与常规飞机的飞行任务明显不同，因此有必要制定新的规定并定义运行环境。下表包含了无人机交通管理功能的定义和数据管理运行的描述。基于当前的技术发展水平和法规，表5-8指出给定功能是无人机交通管理服务功能或附加功能（非无人机交通管理功能）。非无人机交通管理功能可支持复杂无人机交通管理系统的高效运行，但是无人机交通管理服务提供商不负责创建与给定功能相关的数据，仅使用已生成的数据。

表5 无人机交通管理附加功能的定义

表6 无人机交通管理飞行前功能的定义

表7 无人机交通管理飞行中功能的定义

表8 无人机交通管理飞行后功能的定义

具有内容和时间有效性（静态、半动态、动态）的可用数据应与给定功能相关。可以通过提供以下数据来使用全面解决方案的相关功能：

• 注册数据：已在无人机交通管理系统中注册的用户和飞行器数据，对于任务、无人机和用户的分配来说是必要的；
• 航空信息服务数据：飞行器安全运行数据可用于规划与执行任务。这一数据涵盖了实际和预测的气象和交通情况以及空域使用和管制区域；
• 航空基础设施（空域管理单元（AMC））数据：与空域、扇区、机场、航路等相关的数据可规划和支持任务的执行；
• 权限数据：已授权任务的数据（飞行前数据）；
• 交通数据：运行相关数据包含飞行/任务规划和雷达数据。这些数据通过给定任务的正确时间规划来支持运行；
• 飞行运行（遥测）数据：数据来源不同，包括无人机甚至是远程站点生成的与实时任务相关的信息；
• 联系数据：不断更新飞行员的个人信息，以便立即进行语音或数据通信。在恶劣环境下，这一点至关重要；
• 设备数据：有关固定或便携式的通信、监视和其他技术设备的地面基础设施数据。

为了全面使用各种功能，应建立统一的平台来获得不同来源（甚至来自不同组织和行业合作伙伴）的数据，从而简化数据管理，并满足必要的数据质量要求。无人机交通管理系统的运行独立于空中交通管理系统，但是由于信息管理运行的特殊性以及飞行情报的集中处理，无人机交通管理系统与空中交通管理系统重叠。就管理数据而言，无人机交通管理系统需要使用空中交通管理系统中的数据，包括与航空信息服务、空域管理单元、气象、飞行规划以及交通相关的数据。随着新功能的出现，这些数据被用于多个方面（如图2）。

图2 无人机交通管理系统体系的功能结构

图2对这些功能根据以下进行了分类：

• 无人机交通管理/非无人飞行器交通管理功能；
• 是否涉及无人飞行器交通管理服务；
• 基本功能：任务必须被纳入无人机交通管理，从而可以提供服务；
• 可选功能：对无人机交通管理服务来说并非必不可少，但是可以通过该功能提高服务水平；
• 支持功能：独立于无人机交通管理但支持无人机交通管理和用户的功能。

用户只有在操作前配合提交飞行/任务的详细信息，才能完全使用无人机交通管理系统之系统提供的集成信息管理服务。否则信息的不完整将导致服务质量下降，从而增加安全风险。无人机交通管理将交通管理作为一个复杂的飞行信息系统，安全性问题需要重视。无人机的中断、干预、损坏等安全性问题（例如中断、干预、破坏等）由负责法律秩序的国家服务部门提供解决方案。开发人员在开发过程中需要考虑到信息技术和赛博安全性问题，因此无人机交通管理系统的开发必须确保系统有能力抵御赛博攻击。

8.结论

无人机相关活动给无人机空中交通管理带来了复杂的挑战，必须对无人机活动进行有效和高效的管理，以提高航空安全。无人机交通管理解决方案不断发展变化。如今，随着连通服务和技术的发展，无人机领域市场不断扩大。新技术的发展比法律框架的制定要快得多，这对连通和应用服务的传播产生了不利影响。随着技术的发展，未来几年内，无人机领域将发生巨大发展，应尽快建立新的法律框架。无人机交通管理系统的运行独立于空中交通管理系统，但是由于信息管理（例如航空信息服务、空域使用数据等）的部分重叠，因此不可能完全独立或单独运行。无人机交通管理与空中交通管理是互连的，每个系统都依赖于来自另一个系统的数据。尽管有这种依赖关系，但在提供互操作性时，两个系统也可以由不同的服务提供商负责。现如今尚无与空中交通管理类似的服务范围覆盖全国的无人机交通管理服务提供商，现有的解决方案正在试验过程中。无人机开发公司中既有大公司，也有小公司，从初创企业到行业领先的空中交通管理开发公司，涉及范围广泛。未来的法律、市场和运行环境将极大地影响无人机交通管理服务。遥控飞行系统的日益普及是由于多个相关因素的相互作用而造成的：

• 众多公司参与无人机的制造和开发，因此竞争异常激烈，这也导致了无人机的价格下降和广泛普及；
• 无人机新开发的许多功能可以替代人力；
• 无人机新功能可以满足潜在需求；
• 近来，无人机的运行变得越来越简单，管制活动不需要具备特殊知识和资格。

为了使无人机在市场上发挥更大的作用，许多从事不同行业合作伙伴已经在无人机的研发领域进行合作。本文中的信息为原始数据。由于无人机领域正在不断发展，因此上述某些问题可能会在未来通过进一步的技术发展而得到解决。

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