無人機(jī)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(jī)在各領(lǐng)域里的卓越表現(xiàn)使其變得越來越普及，無人機(jī)的發(fā)展和使用呈現(xiàn)出爆發(fā)式的增長，無人機(jī)技術(shù)日新月異，無人機(jī)在軍用和民用航空中發(fā)揮著越來越重要的作用。本文對(duì)無人機(jī)航空管制現(xiàn)狀進(jìn)行分析，對(duì)無人機(jī)系統(tǒng)融入未來空管系統(tǒng)面臨的問題進(jìn)行研究和思考。提出無人機(jī)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(jī)系統(tǒng)任務(wù)特點(diǎn)，制定針對(duì)性空管規(guī)則;加強(qiáng)無人機(jī)集群和協(xié)同管制，保證無人機(jī)安全運(yùn)行。

◆關(guān)鍵詞：無人機(jī);航空管制現(xiàn)狀

1引言

無人機(jī)根據(jù)應(yīng)用場景的不同可以分為軍用無人機(jī)、工業(yè)級(jí)無人機(jī)和消費(fèi)級(jí)無人機(jī)。消費(fèi)級(jí)無人機(jī)在個(gè)人航拍、娛樂等領(lǐng)域有較多應(yīng)用。工業(yè)無人機(jī)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(jī)的應(yīng)用場景。無人機(jī)還可以按照飛行平臺(tái)構(gòu)型、按照用途、尺寸、活動(dòng)半徑、任務(wù)高度對(duì)無人機(jī)進(jìn)行分類。無人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷得到擴(kuò)展，飛行任務(wù)多種多樣。無人機(jī)生產(chǎn)研制單位多、型號(hào)數(shù)量多、使用單位眾多、飛行時(shí)段復(fù)雜等特點(diǎn)對(duì)當(dāng)前航空管制帶來較大挑戰(zhàn)。

以工業(yè)級(jí)無人機(jī)為例，工業(yè)級(jí)無人機(jī)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(jī)根據(jù)飛行任務(wù)不同，無人機(jī)的飛行高度、飛行時(shí)段、活動(dòng)范圍紛繁復(fù)雜，無人機(jī)的應(yīng)用不斷被擴(kuò)展，無人機(jī)對(duì)全空域飛行的需求增大，不可避免的需要進(jìn)入有人機(jī)空域。無人機(jī)的空域使用和管理問題，已成為使用無人機(jī)需要面臨的重大問題。

2當(dāng)前無人機(jī)航空管制現(xiàn)狀

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

造成這一現(xiàn)象的原因多樣，我國監(jiān)管無人機(jī)飛行的機(jī)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(duì)無人機(jī)進(jìn)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(jī)的數(shù)量和應(yīng)用場景正在蓬勃發(fā)展，無人機(jī)的全空域飛行還處于探索和研究階段，無人機(jī)空域飛行有很大的發(fā)展前景。但是，當(dāng)前無人機(jī)還不能長時(shí)間保持安全有效飛行，人們對(duì)無人機(jī)飛行的穩(wěn)定性顧慮重重，全空域無人機(jī)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(jī)與有人機(jī)在共享空域進(jìn)行穩(wěn)定的例行飛行，特許條件下，無人機(jī)與有人機(jī)可以在用一個(gè)非隔離空域同時(shí)飛行。我國無人機(jī)每次飛行基本上都是特事特辦“臨時(shí)批準(zhǔn)”，并且，無人機(jī)不能隨意進(jìn)入所需空域飛行，無人機(jī)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(jī)系統(tǒng)目前還不具備像有人機(jī)一樣穩(wěn)定飛行的能力，還不能保障無人機(jī)長時(shí)間安全有效地飛行。無人機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展和運(yùn)用，使無人機(jī)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(jī)的發(fā)展和運(yùn)用。

3無人機(jī)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(jī)系統(tǒng)融入未來空管系統(tǒng)面臨的問題

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

當(dāng)前，無人機(jī)系統(tǒng)缺乏足夠的可靠性，無人機(jī)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(jī)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(jì)損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2001-2015年，美國空軍共發(fā)生236架次的大型無人機(jī)墜毀或造成200萬美元以上經(jīng)濟(jì)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(jī)表演中，由于無人機(jī)故障，多架無人機(jī)墜落。2021年10月1日河南鄭州萬達(dá)廣場無人機(jī)表演中由于系統(tǒng)故障，多架無人機(jī)失控墜落。

無人機(jī)運(yùn)行安全問題是無人機(jī)系統(tǒng)融入未來空管系統(tǒng)的關(guān)鍵性問題。無人機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)直接關(guān)系到其可靠性，無人機(jī)系統(tǒng)故障問題會(huì)隨研制使用進(jìn)程不斷減少，但是無人機(jī)安全問題頻現(xiàn)是一個(gè)不爭的事實(shí)，相信在不遠(yuǎn)的將來，無人機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性會(huì)有一個(gè)進(jìn)一步的提高。

3.1.2缺乏針對(duì)性空管規(guī)則的有力執(zhí)行

空管規(guī)則的制定對(duì)于規(guī)范無人機(jī)飛行活動(dòng)，確保飛行安全有著重要意義?，F(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(jī)，尤其是數(shù)量眾多，飛行較隨意、飛行任務(wù)復(fù)雜的消費(fèi)級(jí)無人機(jī)。為規(guī)范無人機(jī)飛行，我國民航主管部門多次出臺(tái)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(jī)運(yùn)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(huì)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(jī)試運(yùn)行管理規(guī)程（暫行）》，2021年3月24日發(fā)布《通用航空空管運(yùn)行規(guī)定》。但是，以上規(guī)定對(duì)于無人機(jī)航空管制并沒有一個(gè)具體明確的管制規(guī)范，致使有規(guī)定沒法具體實(shí)行。所以，有一些省份或者城市下發(fā)了自己的無人機(jī)管制規(guī)定。另一方面，飛行申請(qǐng)門檻較高，除微型無人機(jī)操作人員必須具有無人機(jī)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(bào)備。飛行申請(qǐng)涉及單位多，流程復(fù)雜，我國無人機(jī)飛行相關(guān)規(guī)定形同虛設(shè)。當(dāng)前大多數(shù)消費(fèi)級(jí)無人機(jī)飛行也并沒有遵守以上規(guī)定，這也是造成無人機(jī)“黑飛”產(chǎn)生的根源。

3.2無人機(jī)航空管制涉及的關(guān)鍵技術(shù)

無人機(jī)航空管制的核心是將無人機(jī)納入整個(gè)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(shí)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(jìn)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(jī)航空管制涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下幾個(gè)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(jī)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(jī)的飛行，管制員的語音指令必須通過轉(zhuǎn)發(fā)，傳達(dá)到位于控制站中的操控手，無人機(jī)操控手才能對(duì)其進(jìn)行回應(yīng)，這就要求話音轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)及時(shí)準(zhǔn)確。建立管制員與無人機(jī)操控手之間暢通的話音轉(zhuǎn)發(fā)渠道。

為保證無人機(jī)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(jì)，具有不同慣性設(shè)備的備份能力。要具備冗余/獨(dú)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(jī)能對(duì)空管系統(tǒng)的詢問進(jìn)行有效應(yīng)答，無人機(jī)應(yīng)配裝兼容各種模式的航管應(yīng)答機(jī)，能夠在各種環(huán)境下保持對(duì)航空器的監(jiān)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jī)體積較小，不能裝備有人機(jī)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(shí)獲取周圍障礙物，導(dǎo)致航空器發(fā)生危險(xiǎn)接近等不安全事件的風(fēng)險(xiǎn)增加。這時(shí)，無人機(jī)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(dòng)檢測與識(shí)別技術(shù)、自主的規(guī)避控制技術(shù)等。無人機(jī)感知規(guī)避技術(shù)要求無人機(jī)具備識(shí)別障礙物，根據(jù)識(shí)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(jī)的航路規(guī)劃和飛行決策，根據(jù)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合與分析、信息智能處理、計(jì)算機(jī)和圖像處理等多學(xué)科綜合問題。隨著無人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的不斷完善，無人機(jī)的感知規(guī)避技術(shù)已經(jīng)從理論和實(shí)驗(yàn)室一步一步走向?qū)嶋H應(yīng)用。

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

針對(duì)我國無人機(jī)融入未來空管系統(tǒng)所面臨的問題，以及無人機(jī)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(duì)無人機(jī)管制相關(guān)內(nèi)容本文還有以下兩個(gè)方面的思考。

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

無人機(jī)需要與有人機(jī)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(jī)的空管規(guī)則應(yīng)從飛行規(guī)則、運(yùn)行管理規(guī)定、特殊情況處置原則、小型無人機(jī)管理規(guī)定等幾個(gè)方面入手。

有人機(jī)通過程序管制、雷達(dá)管制和飛行員觀察控制來避免飛行危險(xiǎn)情況，無人機(jī)依靠各種先進(jìn)的技術(shù)手段來實(shí)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(jī)平臺(tái)已安裝應(yīng)答機(jī)飛行，實(shí)現(xiàn)與有人機(jī)的空域融合。但是在微小型無人機(jī)系統(tǒng)上增加如此復(fù)雜的設(shè)備不符合實(shí)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(jī)單獨(dú)下發(fā)規(guī)定來適當(dāng)放寬或者制定小型無人機(jī)的空管規(guī)則。大中型無人機(jī)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)安裝機(jī)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(jí)設(shè)置不同級(jí)別的響應(yīng)程序，能夠及時(shí)準(zhǔn)確的做出相應(yīng)動(dòng)作。

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

3.3.2加強(qiáng)無人機(jī)集群和協(xié)同管制，保證無人機(jī)安全運(yùn)行

未來無人機(jī)的發(fā)展將是進(jìn)行全天候多任務(wù)協(xié)同工作，無人機(jī)協(xié)同包括無人機(jī)與有人機(jī)協(xié)同、無人機(jī)與無人機(jī)協(xié)同、無人機(jī)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(jī)的發(fā)展也將朝著無人機(jī)集群方向發(fā)展。無人機(jī)集群完成任務(wù)就需要我們對(duì)無人機(jī)集群進(jìn)行航空管制，通過研究和制定無人機(jī)集群管制策略來保證無人機(jī)集群安全運(yùn)行。

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

4結(jié)語

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

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