無人機空中交通管理體系架構研究

關鍵詞：無人機；空中交通管理；體系架構；標準

DOI編碼：10.3969/j.issn.1674-5698.2025.01.014

0 引言

近年來，無人機應用已由消費娛樂逐步遍布物流運輸、農林植保、電力巡檢、國土測繪、安防、消防等各個領域，并開始載人運輸初步嘗試[1]。根據中國民航局發布數據顯示，截至2023年底，我國注冊無人機共126萬架。雖然無人機的生產及應用已相對成熟，處于世界領先地位，但我國民用無人機產業的發展并不順利，在管理上遇到了一系列問題和瓶頸，最為突出的是飛行安全和空中交通管理問題。

無人機大量無序的低空飛行會對地面設施、公共安全、空中載人飛行器等帶來巨大危害[2]。造成這種現狀的原因來自多個方面：（1）低空運行的無人機數量多，體積小，執行任務復雜多樣，不好監管；（2）現行民用航空是傳統的窄帶通信技術，無法滿足大量的無人機更大的帶寬通信需求；低空無人機的導航技術需要結合基站定位、視覺導航等新興技術；現有民航的監視技術也難以滿足低空輕小無人機的監視需求；（3）無人機缺乏有效的信息獲取手段，難以全面、及時感知規避障礙物，導致空中碰撞的風險增加[3]。

此外，現有的空中交通管理仍然是20世紀30年代發展起來的管理方式，走的是輔助飛行員駕駛的技術途徑；而無人機的駕駛員在地面，所以針對無人機空中交通管理（UTM），需結合現有物聯網以及信息化技術等，實現更加智能和自動化的交通管理。這些變化對空中交通管理（ATM）體系帶來整體性沖擊，尤其是對體系架構與標準的影響巨大。因此，有必要針對無人機空中交通管理開展體系架構研究，構建適用于我國國情的無人機空中交通管理體系架構及標準，推動我國無人機產業和低空經濟發展[4]。

1 無人機空中交通體系架構層級及管理方式

1.1 無人機空中交通管理體系架構層級

無人機空中交通管理的最終目標是基于不同的地理條件和不同的應用目的推動具有不同能力的無人機在低空空域有序飛行，并進一步拓展到載人航空器等[5]。

從國外無人機空中交通管理體系架構來看（見表1），無人機空中交通管理體系架構分為集中式管理和分散式管理兩種[6]。

（1）集中式管理：將全國所有的無人機交通信息集中到由民航局授權的一個交通服務商UTM系統中，授權唯一的交通服務商統籌管理所有的無人機飛行活動。UTM 架構通常為單層級。

（2）分散式管理：將全國所有的無人機交通信息分散到多個交通服務商中，服務商建立自身的UTM系統，系統間信息共享，形成服務網絡，為無人機運行人提供服務。UTM架構通常為單層級、雙層級、三層級。當UTM為單層級架構時，所有的無人機空中交通服務均由N個市場化服務商提供服務。當UTM為雙層級架構時，有兩種情況。一種是根據服務范圍劃分，即由1個全國性服務商和N個區域性服務商提供服務；另外一種是根據服務類型劃分，即由1個共同信息服務商和N個市場化服務商提供服務。當UTM為三層級架構時，根據服務的類型差異，由1個共同信息服務商、M個國家服務商、N個市場化服務商提供服務。

1.2 無人機空中交通管理方式

針對不同的無人機空管體系架構，空管系統中解決沖突的方式有中心化管理和去中心化管理兩種方式。

（1）中心化管理

將所有的交通信息集中到無人機交通服務商的UTM系統中，由系統指令每一個航空器的飛行動作，所有航空器按照指令執行。中心化管理方式可以最大程度地避免無人機空中可能的沖突，并通過指揮中心調配好每一架無人機的飛行線路和時間，可以在大飛行量下保證空域的安全運行。但此種沖突管理方式將需要考慮無人機的反應速度以及相應的余度，從而增大相互間隔而導致空域利用效率下降[7]。

（2）去中心化管理

無人機交通服務商提供信息共享，鼓勵無人機操作員按照管理機構設立好的規則，共享了解相互間的意圖并避免可能的沖突。去中心化管理的主要理念是根據所在區域的流量采用相應的管控方式。無人機操作員可以通過交通服務提供商獲取空中交通相關的共享信息，并通過無人機交通服務商進行時間以及飛行區域的相互協調，達到戰略上沖突解除以及基于設定好的規則戰術上解除沖突，以達到最大程度的空域利用。但基于自主沖突解除的管理方式將無法應用于大飛行量空域，且需要無人機具有良好的安全意識[8]。

2 無人機空中交通管理體系架構設計

2.1 基本原則

無人機空管體系架構設計遵循以下基本原則：

（1）服務主導：基于不同交通管理服務需要，滿足不同運行或管理需求。

（2）安全聚焦：以保證飛行安全為底線，不影響現行有人航空的正常運行。

（3）市場開放：滿足市場多元化應用需求，鼓勵服務商提供定制化的增值服務。

（4）標準統一：統一的數據交互規則和標準，提供規范化的數據服務。

（5）場景導向：滿足不同運行場景的需求，銜接無人機與有人機融合空域的運行。

（6）全球互聯：兼容國內外通用的無人機管理規則，建立全球互聯的體系。

遵循上述基本原則，結合目前的無人機管理現狀，以構建一個網絡化、可協調的、全球可互用的民用無人機空管運行管理體系為目標，提出3種UTM架構，即集中式UTM架構、分散式1+N雙層級UTM架構、分散式1+M+N三層級UTM架構。

2.2 集中式UTM架構

集中式UTM架構是指由民航局授權或設立一個無人機國家服務商提供無人機空中交通服務，通過集中式無人機運行管理系統（CUOMS）進行管理。CUMOS統一受理所有的無人機飛行計劃，調配每一架無人機的飛行線路和時間。此時的無人機國家服務商是綜合型SUSP。

ATM服務商為有人機提供空管服務的單位，與無人機國家服務商協調涉及管制空域無人機的飛行活動，必要時與無人機建立通信聯系。

CUMO S提供的服務主要包含基礎數據管理服務、空中交通管理服務。其中，基礎數據管理服務針對注冊、適航、駕駛員執照、維修等進行的管理?？罩薪煌ü芾矸談t考慮了無人機空管與傳統有人機空管的綜合ATM體系。

在信息交互上，無人機可以直接向CUOMS傳輸數據，也可通過無人機市場化服務商、運營人等進行中轉傳輸。軍隊、公安、公眾等用戶可以與CUOMS交互諸如：飛行動態數據、飛行計劃、適飛空域、氣象信息、飛行通知公告等。

雖然集中式UTM架構存在無人機市場化服務商，但無人機市場化服務商是作為無人機或無人機運營人與無人機國家服務商的數據中轉樞紐，本身不具備直接為無人機提供空管服務的能力。所有的空管信息均需要從無人機國家服務商獲取。

2.3 分散式1+N雙層級UTM架構

分散式1+N雙層級UTM系統架構存在集中制雙層架構和競爭制雙層架構兩種類型。

（1）集中制雙層UTM架構

集中制雙層UTM架構是指我國無人機由一個綜合型無人機國家服務商和若干個無人機市場化服務商共同提供無人機空中交通管理服務，形成1+N體系架構。當同一個空域涉及多個運行人飛行沖突時，此時只能通過國家服務商進行集中調配。

其中，無人機國家服務商提供空域管理、流量管理、空中交通服務等基礎性公共交通服務，是一個綜合型SUSP；無人機市場化服務商根據地區或行業的需求提供特殊氣象信息、按需飛行情報、動態交通信息、運行風險評估等定制交通服務。無人機市場化服務商可分為區域型無人機市場化服務商或行業型無人機市場化服務商。

無人機國家服務商與空防安全監管方、運行安全監管方交互業務所需的信息。其中，空防安全監管方發布空域劃設與授權數據，運行安全監管方提供注冊登記、航空器適航管理、空中交通管理規范等基礎數據服務。

ATM服務商為有人機提供空管服務的單位，與無人機國家服務商協調涉及管制空域無人機的飛行活動，必要時與無人機建立通信聯系。

公共安全監管方等用戶可以與無人機國家服務商進行數據交互，例如：包括飛行動態數據、飛行計劃、適飛空域、飛行通知公告等。無人機系統可以直接通過無人機國家服務商獲得基礎性空中交通服務信息，也可通過無人機市場化服務商進行中轉獲得所需的空中交通服務信息。

（2）競爭制雙層UTM架構

競爭制雙層UTM架構是指我國無人機由一個基本型無人機國家服務商（稱為共同信息服務商）和若干個無人機市場化服務商共同提供無人機空中交通管理服務，形成1+N體系架構。當一個空域涉及多個運行人飛行沖突時，由屬地化的市場化服務商進行調配，國家服務商僅提供基本態勢信息，不提供實時流量管理功能。

其中，共同信息服務商提供的服務包括空域授權、計劃審批、身份識別、追蹤定位、飛行計劃監控、航空情報、告警等基本空中交通服務，是一個基本型SUSP；無人機市場化服務商為授權的區域型服務商，除了根據地區需求提供特殊氣象信息、按需飛行情報、動態交通信息、運行風險評估等定制交通服務，還提供國家服務提供商涉及的高級空中交通服務，包括空域分類、空域規劃、空域性能評估、容流管理、感知與避讓、應急處置等服務。

共同信息服務商與空防安全監管方、運行安全監管方交互業務所需的信息。其中，空防安全監管方發布空域劃設與授權數據，運行安全監管方提供注冊登記、航空器適航管理、空中交通管理規范等基礎數據服務。

ATM服務商為有人機提供空管服務的單位，與共同信息服務商、無人機市場化服務商協調涉及管制空域無人機的飛行活動，必要時與無人機建立通信聯系。

公共安全監管方等用戶可以與共同信息服務商進行數據交互，例如：包括飛行動態數據、飛行計劃、適飛空域、飛行通知公告等。無人機系統可以直接通過共同信息服務商獲得基礎性空中交通服務信息，也可通過無人機市場化服務商進行中轉獲得所需的空中交通服務信息。

2.4分散式1+M+N三層級UTM架構

分散式三層級U TM系統架構是指我國無人機由一個共同信息服務商、若干個無人機國家服務商和若干個無人機市場化服務商共同提供無人機空中交通管理服務，形成1+M+N體系架構。

其中，共同信息服務商主要提供無人機基礎性公共交通服務中基本信息服務，其角色定位為全國無人機公共性基礎數據的采集平臺，建立飛行計劃數據庫和飛行信息數據庫，實現運行信息的實時采集與可視化監管，提供的服務包括空域授權、計劃審批、身份識別、追蹤定位、飛行計劃監控、航空情報、告警等，其本質是基本型SUSP；無人機國家服務商提供空域管理、流量管理、空中交通服務等基礎性公共交通服務的高級功能，其角色定位是為流量管理決策的中樞，提供的服務包括空域分類、空域規劃、空域性能評估、容流管理、感知與避讓、應急處置等服務，其本質是高級型SUSP；無人機市場化服務商提供特殊氣象信息、按需飛行情報、動態交通信息、運行風險評估等定制交通服務。通常無人機國家服務商按照不同區域設置，即為區域型無人機國家服務商，其為區域中運行的無人機提供流量管理服務。

ATM服務商為有人機提供空管服務的單位，與無人機國家服務商或共同信息服務商協調涉及管制空域無人機的飛行活動，必要時與無人機建立通信聯系。

共同信息服務商與空防安全監管方、運行安全監管方交互業務所需的信息。空防安全監管方發布空域劃設與授權數據，運行安全監管方提供注冊登記、航空器適航管理、空中交通管理規范等基礎數據服務。

公共安全監管方等用戶可以與無人機國家服務商進行數據交互，例如：包括飛行動態數據、飛行計劃、適飛空域、飛行通知公告等。無人機系統可以直接通過無人機國家服務商獲得基礎性空中交通服務信息，也可通過無人機市場化服務商進行中轉獲得所需的空中交通服務信息。

考慮到無人機國家服務商與ATM服務商存在兩種交互的情況：（1）與通過共同信息服務商中轉交互；（2）無人機國家服務商與ATM服務商直接交互，分別設計兩種分散式三層級UTM架構。

3 民用無人機飛行動態傳輸模式

在民用無人機飛行動態傳輸模式上，民航管理部門作為統一動態數據接收方，其他各管理部門之間的數據共享。并且根據參與組織實施民用無人機飛行活動的各相關方設計飛行動態傳輸的多種路徑，保證數據源的唯一性。

民航管理服務部門統一收到民用無人機飛行動態之后，轉發至其他相關部門，如：空域管理部門（軍方）、公共安全管理部門（公安機關）、農林植保管理部門（農業、林業部門）、應急管理部門（應急管理部）等。

設計4 類主要飛行動態數據傳輸路徑。（1）從無人機系統（機載系統或者地面控制站）直接發送飛行動態數據；（2）由無人機系統將數據發送至相應的飛行活動運營人（類似航空公司），之后由運營人轉發至民航管理部門；（3）結合民用無人機管理存在引入市場化服務商（如：無人機云系統）的現狀提出由無人機系統——市場化服務商——民航管理部門的路徑；（4）針對極少數非協作式無人機，提供重點區域部署的地面探測設備報送其獲取的飛行動態途徑。需要說明的是，由于無人機市場化服務商應當為其覆蓋的區域內提供包括飛行安全在內的相關服務，其必須掌握該區域內所有無人機的飛行動態。因此，無人機市場化服務商和民航管理服務方之間的飛行動態數據流是雙向的。

4 結論

本文總結分析了國外無人機空中交通管理方式及體系架構層級，并結合我國無人機空中交通管理特點，歸納了無人機空中交通管理體系架構設計的基本原則[9]，提出了集中式UTM架構、分散式集中制雙層級架構、分散式競爭制雙層級架構和分散式三層級架構，并給出民用無人機飛行動態傳輸模式和加快UTM標準建議，推動我國無人機產業和低空經濟發展。