低空无人机应用发展关键基础设施
来源：第十六届中国智能交通年会（ITSAC 2021）暨2021智能交通大会
廖小罕 研究员
中国科学院地理科学与资源研究所党委书记，副所长
一、高技术发展催生了当代无人机的发展
（一） 多元化的旺盛需求，拉动无人机应用大发展
近年来低空空域开放脚步加快，低空无人机应用迅速多样化，目前无人机已经广泛应用于测绘遥感、国土资源调查、生态环境监测、应急救援、农林植保、电力线巡检、城市安防等人类生活的方方面面。随着科技与政策的继续深化发展完善，在自动化、智能化等技术加持下的无人机必将更加深度地影响人类生活，尤其是在智能交通领域方面。
（二） 无人机助力交通领域智能化发展
从交通领域智能化发展看，相比车辆及大型货运飞机等传统交通工具，无人机具备智能、安全、高效、绿色等特点。中国民航局和众多科技型企业在物流运输、公共交通以及超前的载人无人机等方面已经开展了很多工作。随着技术发展和政策进一步完善，无人机在低空物流、交通线路巡查与流量监控、基础设施巡检、以及应急医疗救护等智能化交通领域方面有广泛的应用潜力。
（三） 助推当代无人机迅猛发展和多样化应用的科技洪流
以上是无人机发展外化的表象，究其本质，当代无人机的迅猛发展主要得益于科技发展的浪潮。如微电子技术带动了无人机元器件和传感器的小型化、集成化发展，新材料技术助力无人机结构趋于轻质化、多功能化，自动化技术带来无人机的自动化驾驶和作业，通信技术实现无人机的高效测控和实时高宽带图像传输功能，燃料电池、锂离子电池轻量化等延长无人机的续航时间，以及导航定位技术提供三维空间精准定位导航服务等。以上高技术构成新兴科技体系，共同组成了体系化的无人机发展“科技基础设施”。
（四） 当代无人机运行重要公共基础设施－全球导航卫星系统
当代无人机飞行离不开卫星导航。可以说，当代无人机运行最重要的公共基础设施便是卫星导航系统。当前，全球主要有四大导航卫星系统，GPS、GLONASS、GALILEO和北斗。广域增强系统是卫星导航的一种补充加强手段，通过全球卫星导航系统、广域增强系统以及地基增强系统等系列公共基础设施，可实现无人机的动态位置实时解算、高速移动的速度解算，提供全天时全天候的时间基准和授时以及通信服务，特点是高精度、高可靠、多模态、兼容、组合，客观上为无人机飞行与监管提供了非常重要的技术支撑。
（五） 当代无人机与高技术、基础设施的关系
无人机是新技术之花，是高新技术联姻嫁接出的典型成果，其先进技术应用不是单靠飞机自身就能完全支撑解决的，必须依赖外部基础设施提供支撑才能业务化运行。无人机商业化运行时代，合理规划和构建提供能相应支撑的公共基础设施是无人机规模化安全高效运行的前提和基础。我们看得见的是无人机，但其后面其实是受多学科交叉的高新技术与系列重要基础设施的支撑。
图1 当代无人机与高技术、基础设施的关系
二、低空无人机业务化运行的基础设施需求分析
无人机的业务化运行特点是飞机数量多、运行频次高、时间跨度大、服务范围广、服务类型杂、终端用户多、以及流程一体化，对无人机本身及其辅助软硬件以及配套基础设施与政策保障要求高。主要包括“永不失联，永不迷失，合法合规，安全运行”四个方面。其中，“永不迷失”要求用户能实时获取无人机高精度位置信息，通过全球卫星导航系统与区域增强导航系统实现；“永不失联”是指无人机在无线、公网等通信技术及设施支持下，时刻处于联网状态，通过卫星通信系统、地面移动通信网等公共基础设施的全国覆盖实现；“合法合规”要求无人机在符合空域政策前提条件下，不违背具体飞行条例地执行任务，当前通过建设云端管控系统（云系统）实现监管；“安全运行”主要是对无人机运行的确定性和安全性要求，包括无人机的运行环境安全和以及无人机之间的运行安全，低空公共航路网是一种被逐渐得到共识，也被民航局认可的保障无人机低空运行的新型基础设施。
图2 当前低空无人机运行对公共基础设施的需求
（一） 全球卫星导航系统和各类广域增强系统
GNSS和卫星增强系统，主要是星基和地基，组成了现代导航系统。汽车自动驾驶和无人机精准飞行都需要导航信号支持。卫星导航信号通常同时要结合地基增强系统，比如基于参考站信息开展RTK动态解算，定位能够达到厘米级。目前以四大全球卫星导航系统为主要支撑，在全球和地区范围内产生了各类广域增强系统。
（二） 5G 移动通信网建设可提供低空无人机运行需要的有效覆盖
当前广泛支撑无人机作业的地面移动通信技术主要是4G，比如大疆无人机需要通过无线通讯入网进行地理围栏解算和验证，才能合法起飞。随着低空时代的到来，无人机业务化、商业化运行对通信提出了更高要求，高带宽、低时延、端对端是保障低空业务化稳定运行的基本条件。5G通信技术的兴起与应用很好地契合了这些需求。针对低空无人机运行建设5G专网，通过设置天线角度可以带来航路上低空高纵横、高带宽、低延时的通信环境。
图3 基于通信覆盖能力的低空空域划分（中国移动成都研究院提供）
（三） 无人机交通管理系统和云系统提供无人机运行监管和服务
当前各国都在建设针对无人机的云端管理系统。从国内发展来看，民航局提出了民用无人航空器运行管理系统（UOM）一期建设框架，同时行业部门更早的时候也研发了无人机云端管理系统（有的叫管控系统，更主要是叫管理系统），当前这些系统逐渐都汇聚到民航局。在民航局的主导或授权下，各行业或企业也开展了一些无人机试点工作，如UTMISS无人机管控系统在深圳和海南的空域审批试点工作。
总的来说，顶层架构UOM，核心UTMISS，以及行业无人机云、公安部、工信部等的有关无人机系统，这些都为无人机的唯一标识认证和无人机安全运行提供了相应支撑。当前，任何一架无人机必须在任何一个合法云系统监管条件下方能合法起飞。事实上，这也是一个重要的基础设施。
（四） 低空监视网
非合作无人机一直是导致“黑飞”、“乱飞”的主要原因，如何针对非合作无人机做好低空监视呢？无人机反制手枪等低空监视装备的研制是当前主要手段。然而，无人机反制技术是建立在知悉非合作无人机位置的条件下，且执法效率低下，自主、高效的监管应是未来发展方向。无论是合作对象还是非合作对象，都应具备被监管能力。但是当前无人机并没有航路概念，对于全国土范围内的低空全域监管，投资将非常巨大。笔者认为，低空监视网最终要基于航路来建设，对于重点大范围区域，可以进行局部的全域监视网建设。低空监视网该怎么建设？值得行业部门、科研院所和企业联手去探索和试点。在低空监视网建好以前，重要区域无人机的飞行不可能实现大规模的商业化运行。
（五） 基于气象保障和精细分辨率的预报系统提供低空航路气象服务
风切变、湍流等低空气象事件一直是造成无人机低空运行事故的重要因素，尤其是在无人机起降阶段。无人机要飞得好、飞得安全，需要提前预报和获取沿途天气情况。当前，基于航路的精准带状天气预报研究与服务处于初始阶段，上文提及的低空监视网以及下文将涉及的低空航路，中科院已经先行先试取得了一些阶段性成果。
（六） 服务于多用途的无人机验证场/无人机空港网
在无人机应用进程中，需要在特定区域特定场景内进行无人机多类别的科学实验，以验证冲突避让、低空监管等关键技术的可行性与合理性，也包括大量的无人机遥感与农林植保应用测试和验证。无人机验证场是一种保障无人机科学试验安全的有效手段。为了支撑多类别多场景无人机试验，需要建设一批遍布全国的无人机验证场，开展无人机组网监测等科学实验，进而辐射到周边区域，并支撑无人机安全飞行与飞行培训等各方面工作。这对于无人机未来商业化运行不可或缺，必须在全国范围内构建无人机验证场网络，比如顺丰在考虑建设全国无人机物流运输网。
三、低空公共航路网是关键新型基础设施
当前无人机管理系统和云平台，实际上是没有路的，而构建航路网近些年已经成为很多物流企业迫切的需求。通过构建航路网可以有序规划空域资源，可极大提升空域资源的利用率和安全性，真正满足日益增长的无人机应用发展需求。民航局与军航支持下，当前国内已经提出公共航路试点的政策建议，要推动相关地理栅格技术、低空航路规划和构建等关键技术研究。规划低空公共航路势在必行。因此，低空公共航路是无人机低空运行“新基建”的载体和重要应用。在低空无人机大规模商业化运行时代，航路是低空交通的先决条件。
关于航路，当前国内外存在一个有争议的学术观点，即无人机的发展是遵循自由飞行还是沿航路飞行？参考民航机发展历史，天上飞机数量少的时候可以自由飞行，当无人机越来越多的时候，就会出现碰撞风险。再比如，泳池是一个经典例子，当一个游泳池只有少量人在游泳，自由游完全可行；但是当游泳池里面有很多人，并且需求各异，如何提升游泳池利用率？设计泳道是很好的解决方案。航路就是空中的“泳道”，也是解决低空多机碰撞的“良方”。虽然当前无人机可以基于ADS-B（广播式自动相关监视系统）初步实现探测和防撞功能，就像人自身本就具备ADS-B功能，但是游泳池还得装上泳道一样，航路也是未来发展趋势。关于航路，美国和新加坡也进行了一些研究。国内UOM系统虽然没有航路，但是中科院和民航局签订了战略协议，中科院建设的无人机低空公共航路规划仿真验证系统在科学层面实现了与民航局UOM的耦合。
（一） 构建低空航路网需要解决的科学问题
（1）低空地理环境复杂多变，“荒山荒坡”规划航路困难重重
低空因靠近地表，环境复杂多变；加上有人机极少利用低空，当前，低空空域处于“荒山荒坡”状态。面向无人机的低空应用，低空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。在低空运行的航空器会带来噪音，并且机地通讯也易受地形干扰等，这些都是不利无人机飞行的因素。在低空规划航路，可以说是困难重重。
（2）基于遥感技术的航路敏感约束地理要素识别与提取
京东顺丰等物流公司采用无人机运输的前提条件是获取高精度的地表地理信息，城市低空环境复杂多变，地物尺度精细，卫星遥感因过境周期和分辨率等限制，满足不了信息获取的要求，无人机遥感是一种有效手段。基于无人机遥感技术可以自动识别和提取飞行敏感约束要素。而且，如果能将这种厘米级高分辨率高动态的数据进行整合，将大大降低低空地理信息的获取和刷新成本。
（3）约束地理要素三维净空范围的科学确定
地理围栏是一种保障禁飞区安全的科学和政策手段，也是一种净空。但是该净空范围很粗犷，比如离天线离塔一公里等，对于低空空域资源是一种浪费。当前无人机越来越多，在自动化、智能化技术的加持下，无人机可以灵活地躲避一些障碍物，可以有效地缩减一些净空距离。因此，可以进一步科学论证净空边界。尤其是一些关键的地理约束要素（如建筑物等）和重要的条件（如噪声、隐私等），其实测与定标都是将来要开展的工作；同时，为了更直观地展示无人机可飞空间，约束要素的可视化表达也值得深化研究（图4）。
图4 关键约束要素三维净空可视化效果图
（二） 低空公共航路研究初步成果
（1）提出发展无人机低空公共航路基本概念和方法
2017年，中科院首先提出发展无人机低空公共航路倡议，并在航路规划研究理论与关键技术突破等方面取得进展。
（2）IEEE P1939.1 标准研究内容及发布进程
2021年12月1日，IEEE Std 1939.1TM-2021“面向无人机运行的低空空域结构化框架标准”正式出版，这是全球首例关于无人机低空公共航路的国际化标准。该标准由我国率先引领，由中科院牵头国内其他科研院所，无人机、通信等企业共21家单位共同编写。该标准定义了一种旨在促进无人机交通管理安全和有效发展的无人机低空结构，从网格技术、遥感数据、通信与联网、航路规划、运行与管理等五个部分阐述。
（3）无人机低空公共航路规划与仿真验证系统(ARPS)
无人机低空公共航路规划与仿真验证系统（ARPS）（图5）具备基于阈值分割、大津算法、深度学习Unet和Mask RCNN等改进算法集成的低空复杂环境飞行地理约束要素甄别提取功能，采用等距行列编码的低空地理信息网格体系构建低空地理环境，融合了改进智能蚁群算法的多级航路生成与基于地表格局五步迭代优化的高精度多级航路网构建方法，并且实现基于AR（增强现实）电子沙盘的飞行仿真验证与SORA风险评估等功能，成功耦合到中国民用航空局无人机运行管理系统（UOM），可为国家各级航路网规划及行业应用提供技术支撑、验证及评估。该系统成果入选第二届民航科教创新成果展（https://catep.caacnews.com.cn/user/cgz/exhibitor/13d2ba71-0602-44be-bfc5-e1c190b6920e?projectId=4d96663e-5d40-4f2b-a6ad-4d9c11d14fcb）。
图 5 ARPS系统要素自动提取、多级航路规划、气象服务和AR仿真等相关功能展示
（4）应用案例
基于以上无人机低空公共航路研究成果、航路规划和运行保障成果投入实际应用。2021年7与10月，项目组团队为华东无人机基地以及顺丰和峰飞公司提供从上海金山-舟山、金山-桃花山等无人机往返航路规划建议及运行保障服务，为首次跨海无人机航路飞行提供了高精度高频次更新低空航路气象预报与气象灾害预警服务；此外，围绕延庆区“民用无人驾驶航空试验区”建设，在保障飞行安全、国家公共安全以及空防安全的同时，着力于面向“冬奥会”低空运行安全保障，中国科学院无人机应用与管控研究中心与中关村科技园区延庆园管理委员会就在北京延庆共同发起建设“低空安全公共航路”项目。
四、总结
在智能交通领域，无人机是一个潜在非常重要的成员。不同于传统交通工具，无人机是高技术之花，是众多基础设施支撑下的产物，无人机在低空的安全、高效运营需要各方面基础设施支撑。
除了导航、通讯、交通管理系统、低空监视网、气象保障等基础设施，在商业化运行时代，低空公共航路网是迫切需要建设的基础设施。这一点当前正在形成共识。为了加快低空公共航路的建设，需要政府层面出台相关政策支持，从法律法规层面，以及关键技术突破、数据获取等科学层面进行深化研究和推进。
最后，低空复杂多变，高分辨率遥感影像和三维地理信息技术对于高精度地理信息的获取和可视化表达至关重要，在航路规划方面也可发挥重要作用。
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