無人機航空管制現(xiàn)狀分析與研究

顧成虎 申科 陳孟家 劉源

◆摘? 要：當(dāng)前無人機在各領(lǐng)域里的卓越表現(xiàn)使其變得越來越普及，無人機的發(fā)展和使用呈現(xiàn)出爆發(fā)式的增長，無人機技術(shù)日新月異，無人機在軍用和民用航空中發(fā)揮著越來越重要的作用。本文對無人機航空管制現(xiàn)狀進行分析，對無人機系統(tǒng)融入未來空管系統(tǒng)面臨的問題進行研究和思考。提出無人機航空管制必須在通信導(dǎo)航與監(jiān)視技術(shù)方面，具備有效的溝通監(jiān)視能力;在感知和規(guī)避技術(shù)方面，應(yīng)具備態(tài)勢感知告警和防相撞能力;并結(jié)合無人機系統(tǒng)任務(wù)特點，制定針對性空管規(guī)則;加強無人機集群和協(xié)同管制，保證無人機安全運行。

◆關(guān)鍵詞：無人機;航空管制現(xiàn)狀

1引言

無人機根據(jù)應(yīng)用場景的不同可以分為軍用無人機、工業(yè)級無人機和消費級無人機。消費級無人機在個人航拍、娛樂等領(lǐng)域有較多應(yīng)用。工業(yè)無人機在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、物流、氣象等領(lǐng)域有眾多應(yīng)用，成像設(shè)備的結(jié)合拓寬了無人機的應(yīng)用場景。無人機還可以按照飛行平臺構(gòu)型、按照用途、尺寸、活動半徑、任務(wù)高度對無人機進行分類。無人機的應(yīng)用領(lǐng)域不斷得到擴展，飛行任務(wù)多種多樣。無人機生產(chǎn)研制單位多、型號數(shù)量多、使用單位眾多、飛行時段復(fù)雜等特點對當(dāng)前航空管制帶來較大挑戰(zhàn)。

以工業(yè)級無人機為例，工業(yè)級無人機應(yīng)用于農(nóng)林、物流、航拍、安防、電力監(jiān)測以及其他。無人機根據(jù)飛行任務(wù)不同，無人機的飛行高度、飛行時段、活動范圍紛繁復(fù)雜，無人機的應(yīng)用不斷被擴展，無人機對全空域飛行的需求增大，不可避免的需要進入有人機空域。無人機的空域使用和管理問題，已成為使用無人機需要面臨的重大問題。

2當(dāng)前無人機航空管制現(xiàn)狀

近年來，我國無人機的發(fā)展研制和使用呈現(xiàn)出爆發(fā)式的增長，無人機技術(shù)日新月異，無人機市場得到進一步拓展。隨著無人機的爆發(fā)式發(fā)展，為規(guī)范無人機監(jiān)管和航空保障，航空管制部門也相繼出臺了一系列法律法規(guī)，但是相應(yīng)的法律法規(guī)相對無人機的發(fā)展和應(yīng)用相對比較滯后。

造成這一現(xiàn)象的原因多樣，我國監(jiān)管無人機飛行的機構(gòu)較多，主要有軍航航空管制部門、民航空管單位、民用航空局、體育總局等，這些管理單位根據(jù)相應(yīng)的法律規(guī)定與自身職責(zé)對無人機進行監(jiān)管。各單位的具體管制范圍和工作內(nèi)容沒有劃分特別清晰，只有較寬泛的原則要求。

無人機的數(shù)量和應(yīng)用場景正在蓬勃發(fā)展，無人機的全空域飛行還處于探索和研究階段，無人機空域飛行有很大的發(fā)展前景。但是，當(dāng)前無人機還不能長時間保持安全有效飛行，人們對無人機飛行的穩(wěn)定性顧慮重重，全空域無人機飛行現(xiàn)狀仍面臨許多需要解決的問題。人們還不能保障無人機與有人機在共享空域進行穩(wěn)定的例行飛行，特許條件下，無人機與有人機可以在用一個非隔離空域同時飛行。我國無人機每次飛行基本上都是特事特辦“臨時批準(zhǔn)”，并且，無人機不能隨意進入所需空域飛行，無人機要嚴(yán)格限制在隔離空域內(nèi)飛行。其根本問題是很多人認(rèn)為無人機系統(tǒng)目前還不具備像有人機一樣穩(wěn)定飛行的能力，還不能保障無人機長時間安全有效地飛行。無人機在各個領(lǐng)域的發(fā)展和運用，使無人機在空域資源的需求上越來越大，隔離空域極大地限制了無人機的發(fā)展和運用。

3無人機系統(tǒng)融入未來空管系統(tǒng)面臨的問題和思考

3.1無人機系統(tǒng)融入未來空管系統(tǒng)面臨的問題

無人機系統(tǒng)的空中交通管理可以分為隔離運行和非隔離運行兩種。隔離運行是指為無人機活動劃設(shè)單獨的使用空域，避免對其他航空器造成影響的運行方式;非隔離運行是指在完成對航空器適航認(rèn)證、可靠性驗證等工作的基礎(chǔ)上，允許無人機與有人機在同一空域按照共同的規(guī)則運行。現(xiàn)階段無人機的飛行都是采用隔離運行，然而空域是有限的資源，無人機隔離運行將會占用更多空域。因此，無人機要融入未來空管系統(tǒng)，非隔離運行是未來發(fā)展方向。

當(dāng)前，無人機系統(tǒng)缺乏足夠的可靠性，無人機空域飛行的相應(yīng)法規(guī)、自身的“感知和避讓”能力不夠以及存在的技術(shù)障礙等方面。

3.1.1安全問題頻現(xiàn)，系統(tǒng)可靠性有待提高

美國在無人機研制和應(yīng)用領(lǐng)域處于領(lǐng)先水平，但也伴隨高事故發(fā)生率和造成大量經(jīng)濟損失。據(jù)統(tǒng)計，2001-2015年，美國空軍共發(fā)生236架次的大型無人機墜毀或造成200萬美元以上經(jīng)濟損失飛行事故。2018年5月1日，西安《紅五月西安城墻文化節(jié)》上無人機表演中，由于無人機故障，多架無人機墜落。2021年10月1日河南鄭州萬達廣場無人機表演中由于系統(tǒng)故障，多架無人機失控墜落。

無人機運行安全問題是無人機系統(tǒng)融入未來空管系統(tǒng)的關(guān)鍵性問題。無人機的系統(tǒng)設(shè)計直接關(guān)系到其可靠性，無人機系統(tǒng)故障問題會隨研制使用進程不斷減少，但是無人機安全問題頻現(xiàn)是一個不爭的事實，相信在不遠的將來，無人機系統(tǒng)的穩(wěn)定性會有一個進一步的提高。

3.1.2缺乏針對性空管規(guī)則的有力執(zhí)行

空管規(guī)則的制定對于規(guī)范無人機飛行活動，確保飛行安全有著重要意義。現(xiàn)有的適用于軍民航飛行器的航空管制方法并不適用于無人機，尤其是數(shù)量眾多，飛行較隨意、飛行任務(wù)復(fù)雜的消費級無人機。為規(guī)范無人機飛行，我國民航主管部門多次出臺過相關(guān)規(guī)范和管理辦法。2015年12月29日民航局發(fā)布《輕小型無人機運行規(guī)定》，2016年9月21日發(fā)布《民用無人駕駛航空器系統(tǒng)空中交通管理辦法》，2017年8月21日發(fā)布《關(guān)于發(fā)布無人適航管理路線圖的通知》，2018年1月26日國家空中交通管制委員會辦公室組織起草了《無人駕駛航空器飛行管理暫行條例（征求意見稿）》，2019年2月1日發(fā)布《特定類無人機試運行管理規(guī)程（暫行）》，2021年3月24日發(fā)布《通用航空空管運行規(guī)定》。但是，以上規(guī)定對于無人機航空管制并沒有一個具體明確的管制規(guī)范，致使有規(guī)定沒法具體實行。所以，有一些省份或者城市下發(fā)了自己的無人機管制規(guī)定。另一方面，飛行申請門檻較高，除微型無人機操作人員必須具有無人機駕駛執(zhí)照;經(jīng)過當(dāng)?shù)剀姺斤w行管制單位審批;向當(dāng)?shù)孛窈斤w行單位報備。飛行申請涉及單位多，流程復(fù)雜，我國無人機飛行相關(guān)規(guī)定形同虛設(shè)。當(dāng)前大多數(shù)消費級無人機飛行也并沒有遵守以上規(guī)定，這也是造成無人機“黑飛”產(chǎn)生的根源。

3.2無人機航空管制涉及的關(guān)鍵技術(shù)

無人機航空管制的核心是將無人機納入整個空管體系，具備與空管系統(tǒng)之間有效的通信和監(jiān)視手段，同時自身又具有滿足空管要求的導(dǎo)航性能，即能保證自身飛行安全，又能保證所飛空域其它飛行器的安全，無人駕駛航空器飛行高度普遍較低，需要結(jié)合基站進行定位。現(xiàn)有的通信導(dǎo)航和監(jiān)視設(shè)備并不能用于飛行高度低、體積小、數(shù)目眾多的無人駕駛航空器。因此，無人機航空管制涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下幾個方面：

3.2.1通信導(dǎo)航與監(jiān)視技術(shù)方面，具備有效的溝通監(jiān)視能力

無人機操控手通常是在其控制站中，通過通信鏈路監(jiān)控?zé)o人機的飛行，管制員的語音指令必須通過轉(zhuǎn)發(fā)，傳達到位于控制站中的操控手，無人機操控手才能對其進行回應(yīng)，這就要求話音轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)及時準(zhǔn)確。建立管制員與無人機操控手之間暢通的話音轉(zhuǎn)發(fā)渠道。

為保證無人機具備可靠的導(dǎo)航能力，其導(dǎo)航系統(tǒng)必須采用多余度設(shè)計，具有不同慣性設(shè)備的備份能力。要具備冗余/獨立的導(dǎo)航手段以及滿足各飛行階段需求的導(dǎo)航性能。

在監(jiān)視技術(shù)方面，要具備有效的航管應(yīng)答能力以及其它低空小目標(biāo)監(jiān)視手段。為保障無人機能對空管系統(tǒng)的詢問進行有效應(yīng)答，無人機應(yīng)配裝兼容各種模式的航管應(yīng)答機，能夠在各種環(huán)境下保持對航空器的監(jiān)控，進而實現(xiàn)對周邊空域交通狀況全面詳細(xì)的了解。

3.2.2在感知和規(guī)避技術(shù)方面，應(yīng)具備態(tài)勢感知告警和防相撞能力

無人機體積較小，不能裝備有人機傳統(tǒng)使用的防撞系統(tǒng)以及傳感器，信息獲取能力有限不能較全面及時獲取周圍障礙物，導(dǎo)致航空器發(fā)生危險接近等不安全事件的風(fēng)險增加。這時，無人機自主感知和規(guī)避就顯得十分重要。其關(guān)鍵技術(shù)包括：高分辨率高靈敏度的探測傳感器技術(shù)、快速的自動檢測與識別技術(shù)、自主的規(guī)避控制技術(shù)等。無人機感知規(guī)避技術(shù)要求無人機具備識別障礙物，根據(jù)識別的障礙物作出相應(yīng)規(guī)避決策。自主規(guī)避控制技術(shù)涉及無人機的航路規(guī)劃和飛行決策，根據(jù)傳感器進行數(shù)據(jù)融合與分析、信息智能處理、計算機和圖像處理等多學(xué)科綜合問題。隨著無人機技術(shù)的不斷發(fā)展和各項關(guān)鍵技術(shù)的不斷完善，無人機的感知規(guī)避技術(shù)已經(jīng)從理論和實驗室一步一步走向?qū)嶋H應(yīng)用。

3.3有關(guān)無人機系統(tǒng)融入未來空管系統(tǒng)的思考

針對我國無人機融入未來空管系統(tǒng)所面臨的問題，以及無人機航空管制涉及的關(guān)鍵技術(shù)，除了解決以上問題和關(guān)鍵技術(shù)外，針對無人機管制相關(guān)內(nèi)容本文還有以下兩個方面的思考。

3.3.1結(jié)合無人機系統(tǒng)任務(wù)特點，制定針對性空管規(guī)則

無人機需要與有人機一樣遵守相關(guān)空管規(guī)則，才能更好融入未來空管系統(tǒng)。無人機的空管規(guī)則應(yīng)從飛行規(guī)則、運行管理規(guī)定、特殊情況處置原則、小型無人機管理規(guī)定等幾個方面入手。

有人機通過程序管制、雷達管制和飛行員觀察控制來避免飛行危險情況，無人機依靠各種先進的技術(shù)手段來實現(xiàn)這一目標(biāo)。像“全球鷹”和“捕食者”等這樣的大中型無人機平臺已安裝應(yīng)答機飛行，實現(xiàn)與有人機的空域融合。但是在微小型無人機系統(tǒng)上增加如此復(fù)雜的設(shè)備不符合實際情況，在滿足速度、高度、使用空域范圍等方面的嚴(yán)格限制條件下，可以通過為微小型無人機單獨下發(fā)規(guī)定來適當(dāng)放寬或者制定小型無人機的空管規(guī)則。大中型無人機在系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)安裝機載防相撞系統(tǒng)，充分預(yù)想空中可能出現(xiàn)的特殊情況，根據(jù)不同特情的嚴(yán)重性等級設(shè)置不同級別的響應(yīng)程序，能夠及時準(zhǔn)確的做出相應(yīng)動作。

無人機空管規(guī)則的制定應(yīng)根據(jù)無人機特點進行細(xì)化，不能太過籠統(tǒng)，加強無人機管制的理論和規(guī)定依據(jù)，能夠快速推進無人機航空管制步入管制正軌，責(zé)任和管制流程細(xì)化，具體實施過程流程化制度化，能夠安全順暢的保障無人機融入現(xiàn)有航空管制管理體系。

3.3.2加強無人機集群和協(xié)同管制，保證無人機安全運行

未來無人機的發(fā)展將是進行全天候多任務(wù)協(xié)同工作，無人機協(xié)同包括無人機與有人機協(xié)同、無人機與無人機協(xié)同、無人機近距空中支援等多種協(xié)同工作，共同完成任務(wù)，這樣就需要制定不同協(xié)同方式下的航空管制。

另外，未來無人機的發(fā)展也將朝著無人機集群方向發(fā)展。無人機集群完成任務(wù)就需要我們對無人機集群進行航空管制，通過研究和制定無人機集群管制策略來保證無人機集群安全運行。

科技的進步使無人機快速發(fā)展。同時，無人機又尚未成熟到與有人機同等或相近安全的程度。如果空管機制和無人機自身的安全性能得到實質(zhì)性的突破，無人機具備與有人機共享空域飛行的能力，相信會迎來前所未有的無人機大發(fā)展時期。

4結(jié)語

無人機管制方式正隨著科技水平的發(fā)展不斷進步，伴隨著對無人機特有特點的不斷認(rèn)識，人們逐漸明確無人機管制的重要性以及其特殊性。本文從無人機系統(tǒng)融入未來空管系統(tǒng)面臨的問題為切入進行分析和思考，需要結(jié)合無人機系統(tǒng)特點，制定由針對性空管規(guī)則。加強無人機集群和協(xié)同管制，保證無人機安全運行。相信在不遠的未來，無人機也會像有人機一樣，能夠穩(wěn)定安全的為人類社會服務(wù)。

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