無人機應用發展關鍵基礎設施規劃與展望

隨著現代高新技術的快速發展，全球民用無人機數量不斷增長，低空無人機應用場景日益多樣化，無人機及其應用正在逐漸影響甚至改變人類生活。輕小型無人機是低空飛行活動主體，其中90%以上無人機飛行高度低于120米（含），70%以上無人機飛行速度低于5米/秒；低空無人機飛行活動具有典型的“低，慢，小”特征。但是，低空環境復雜多變，起伏的地形地貌、高動態變化的建筑物，以及復雜的電磁環境和低空局部湍流都給規模化無人機應用帶來巨大風險。高效有序規范發展和管控無人機、保障低空運行安全十分迫切。

為了有序管理無人機應用，無人機監管部門、生產企業、行業協會和科研院所等頒布或研發相關監管政策或技術手段來隔離無人機與傳統航空及其他空域用戶活動，從而保障空域安全。主要包括：空域限制（無人機最大飛行高度、地理圍欄和隔離空域等）、沖突消減（最小安全間隔、探測和避讓等）和無人機交通管理系統等。無人機交通管理系統是一種綜合有效監管手段，該系統通過對經實名登記注冊且具備唯一識別碼的聯網無人機進行實時監控和任務、時空資源的統一調度，從而實現了無人機積極管控和空域資源的合理配置。當前進展較快的包括美國國家航空航天局（NASA）研制的無人機交通管理（UTM）系統、歐洲航空安全局（EASA）推出的U-Space系統、中國民用航空局（CAAC）推動的民用無人駕駛航空器綜合管理平臺（UOM），以及新加坡項目團隊提出的城市場景下無人機城市交通管理系統（UTM-UAS）等。

低空無人機業務化運行對基礎設施的需求分析

當代無人機的迅猛發展主要得益于科技發展的浪潮，例如：微電子技術帶動了無人機元器件和傳感器的小型化、集成化發展，新材料技術助力無人機結構趨于輕質化、多功能化，自動化技術帶來無人機的自動駕駛和作業，通信技術實現無人機的高效測控和實時高帶寬圖像傳輸功能，燃料電池、鋰離子電池等技術延長無人機的續航時間，以及導航定位技術提供三維空間精準定位導航服務等。高新技術通過關鍵技術催生和若干“科技基礎設施”的形式支撐了無人機應用的大發展，為低空規模化業務運行提供了必要條件。

面向低空的規模化業務應用，運營商安全生產和政府安全監管對無人機運行提出了高要求：“永不迷失”，是指在導航衛星系統與各類增強導航系統支持下，無人機能實時獲取自身高精度位置信息；“永不失聯”，是指在無線網、衛星和公網等通信技術及基礎設施支持下，無人機時刻處于聯網狀態；“有效管控”，是要求無人機用戶能按照民航或地方政府頒布的空域和飛行管制要求進行合規飛行，并及時接收管制部門指令；“安全運行”，主要是對無人機運行的確定性和安全性的要求，包括無人機運行環境安全、無人機之間及其與“有人機”之間的運行安全。

基礎設施需求

外部公共或專用的基礎設施是支撐以上無人機業務化運行要求的基礎，主要包括以下4方面。

衛星導航系統和各類增強導航系統提供無人機位置服務。當代無人機飛行離不開導航系統，全球導航衛星系統（GNSS）和各類增強導航系統（包括SBAS和GBAS）為無人機高精度定位提供技術及基礎設施支撐服務。GNSS能在地球表面或近地空間的任何地點為用戶提供全天候三維坐標、速度和時間信息。目前，全球主要有四大導航衛星系統，包括美國的全球定位系統（GPS），俄羅斯的格洛納斯衛星導航系統（GLONASS），歐洲的伽利略導航系統（GALILEO），以及我國的北斗衛星導航系統（BDS）。SBAS通過提供差分修正和完好性監控數據加強GNSS監測的精度和完好性，是衛星導航的一種補充加強手段。衛星導航信號結合GBAS，如通過參考站信息開展基于載波相位實時差分技術（RTK）的動態解算，能夠達到厘米級定位精度。通過GNSS、SBAS及GBAS等系列公共基礎設施，可實現無人機的動態位置實時解算、高速移動速度解算，提供全天時、全天候的時間基準和授時通信服務。這些服務具有高精度、高可靠、多模態、兼容組合的特點，客觀上為無人機飛行與監管提供了非常重要的技術支撐。然而，復雜地理環境下（如城市、自然峽谷和森林）容易出現信號遮擋或阻塞，從而降低衛星導航系統的可用性和定位準確性。對GPS精度的研究試驗發現，由于山體或建筑物導致衛星信號阻塞，無人機定位漂移可能超過20米。這使得用戶需要尋求其他獨立于GNSS的外部基礎設施解決方案。

衛星通信系統和地面移動通信網支撐無人機聯網通信。無人機安全飛行和監管要求無人機必須時刻處于聯網狀態。當前無人機通信主要基于無線、衛星中繼與地面移動通信技術。其中，無線通信通過數傳電臺或無線局域網技術實現，均需要進一步開發完善。無線數傳電臺在特定頻段上進行簡單點對點通信，存在頻譜資源可用性和通信延遲等挑戰；無線局域網技術是一種短距離通信傳輸技術，存在信號易受遮擋和干擾等問題。無人機衛星中繼通信通過專用機載模塊利用北斗等低軌衛星通信系統實現遠距離通信，成本較高，一般應用于無人區等特殊作業場景，以及應急情況下的無人機通信服務。相比傳統通信手段，地面移動通信技術優勢在于高速率、低成本和基礎設施覆蓋范圍廣。當前廣泛支撐無人機作業的地面移動通信技術主要是4G通信技術，基于覆蓋全國的4G通信基礎設施，在大部分應用場景下，監管部門和用戶能實時獲取聯網無人機信號。隨著低空時代的到來，無人機業務化、商業化運行對實時通信提出了更高要求，高帶寬、低時延、端對端是保障低空業務化穩定運行的基本條件。由于空中通信業務的特殊性，當前面向地面用戶的主流通信技術難于滿足數百米高度層和高帶寬穩定應用要求，而具備高帶寬、低時延、滿足更深低空縱深覆蓋的新一代通信技術（如5G通信技術）將是低空無人機應用主要低成本保障性通信手段。

無人機交通管理系統和云系統服務無人機合法合規運行。當前各國都在建設無人機云端管理系統，中國也提出了UOM一期建設框架，同時行業部門更早的時候也研發了無人駕駛航空器空中交通管理信息服務系統（UTMISS）服務平臺。在中國民用航空局的主導和授權下，各行業和企業也開展了一些無人機試點工作，如UTMISS在深圳和海南的空域開展審批試點工作。總之，頂層架構UOM，核心UTMISS，行業無人機云，以及公安部、工業和信息化部等部門關于無人機系統的政策（地理圍欄、無人機實名登記注冊等），都為無人機安全運行提供了相應支撐。當前，任何一架無人機都必須在合法云系統監管條件下方能合法飛行。事實上，這也是一個服務無人機低空應用發展的重要基礎設施。中國科學院地理科學與資源研究所主持研發的“中科天網”云服務系統也獲得中國民用航空局批準運行。

高精度氣象預報和無人機驗證場支撐安全運行與科學實驗。在實際飛行中，切變風和大氣邊界層湍流等局地極端氣候一直是造成低空無人機運行事故的重要原因。尤其是在城市復雜環境下，風場的快速動態變化會降低無人機飛行的穩定性，氣壓變化帶來的感知高度誤差也會降低無人機的定位精度，嚴重影響起降階段運行安全。為了保障低空無人機運行安全，需要提前預報和及時獲取沿途及起降場的天氣情況。然而，大區域范圍的高精度氣象預報要求高算力、高存儲空間和精細化高分辨率天氣預報模式支持，當前區域氣象預報模式模擬結果的時空精度還達不到要求，尤其是風力風速的預報還存在比較大的誤差，無法滿足高頻次的低空商業運行需求。另外，在無人機應用進程中，需要在特定區域特定場景內進行多類別無人機科學實驗，以驗證沖突避讓、低空監管、對地遙感等關鍵技術的可行性與合理性。無人機驗證場是一種保障無人機科學試驗飛行安全的重要基礎設施，其對于無人機未來商業化運行不可或缺。近20年來，中國科學院地理科學與資源研究所和空天信息創新研究院等已陸續在全國結合中國科學院野外科學臺站或通過與地方合作，建設了一批面向多應用場景的無人機綜合驗證場，初步形成無人機空港服務網，并在科學觀測試驗和應急觀測實踐中發揮了重要作用。