低空无人机空中交通管理研究

低空无人机空中交通管理研究

陈熳

民航浙江空管分局 浙江 杭州 310000

摘要：无人机迅速提升续航时间、扩大操控范围，实现多元化功能模块，逐渐向物流、巡检、安防和农林牧渔等多个领域行业渗透。低空无人机不断商用、民用化对公共安全产生了潜在威胁。传统空中交通管理措施难以满足现阶段低空管制场景，需要积极创新空中交通管理措施，更加符合低空无人机空中交通管理要求，满足新一代运输方式的持续发展需求。

关键词：低空无人机；空中交通管理；管理措施

1低空无人机空中交通管理概念

我国电池技术和电力推进等先进技术不断进步，无人机自主飞行技术等自动化技术不断完善成熟，同时图像和人工智能处理器的发展，促进民用无人系统技术迅速发展。人们大大改进无人机使用性能，通过视距内人工遥控器操作，逐渐发展成超视距内远程网络操作^[1]。我国4G移动通信技术成熟发展，5G技术逐渐商用，民用无人机大范围的应用和人们生活日益接近。民用无人机在实际应用过程中，为了保证其安全，需要和民航飞行器相同，在飞行过程中加大管理力度。空中交通管理针对民用飞行器，主要任务就是综合考虑控制和地面系统运行实际能量水平，以及经济上的需求，为用户提供空域利用的最大价值；考量飞机装备等级和运行目的存在差异性，灵活有效的组织不同用户之间合理分享空域；为用户提供持续性协调和服务管理，保证无民用飞行器从起飞到着陆的安全稳定性；增强空中交通管理系统的质量和效率，和国际上保持协调统一，保证飞越国境顺利进行。空中交通管理内容主要包含空中交通服务、流量和空域管理。

2低空无人机空中交通管理存在问题

现有低空无人机交通管理过程中大多采用民用航空的空中交通管理模式，但是已经难以符合未来无人机数量大幅度增长的实际管理需求，主要体现在以下几个方面：①低空无人机相对体积较小，空域能够容纳的无人机数量相比较民航较多。但是，低空无人机载重较少、飞行频次相对更加密集，在相同空域中运行的低空无人机数量较多，造成当前一名管理人员服务多架航空器的交通管理方式难以获得理想的管理效果。②低空无人机飞行高度低、目标小。目前民航空中交通管理的通信、监视设备和导航等和相关技术措施面对该种类型的低空飞行器难以提供看安全可靠的全面服务。民航通信和信息传送大多应用甚高频、卫星进行通信，不能符合架数较多的无人机通信需要的带宽。另外，低空无人机飞行高度低，无线电信号受到地形地势和障碍物等多种因素较大影响，以往的星级导航、雷达监视手段不能符合相应需求。③无人机驾驶员处于地面，对飞行态势不能进行有效感知。当前空中交通服务不能向无人机提供需要的交通信息，在很大程度上增加了飞行安全风险隐患。无人机缺乏针对性的信息获取措施，不能全面及时的感知规避障碍物，容易出现空中碰撞的风险。

3低空无人机管理关键技术

3.1航线规划管理

改航措施主要是受到自然气候、禁飞区等相关因素影响，重新科学合理的分配航线。该种方法在实际管理中具有一定的优势，能够采用少量空中飞行时间有效换取大量地面等待时间，进而形成良好的经济效益。民航飞行器具有开阔空域，飞机之间具有较大间距，凸显出航班时刻优化的重要性。无人机空域相对较狭小，飞行密集，航路网上的路线选择具有一定的灵活性。因此，无人机航线规划相比较民航飞行器更加重要。同时，民航飞行器具有充足的机场容量和剩余燃料余量，但是部分无人机机场在城市楼顶建设，容纳有限的无人机，需要充分考虑无人机到达时间的规划问题。

无人机航线规划主要是结合任务要求和周边自然环境信息等相关因素，合理规划出一条从起点到终点的最佳无碰撞路线，包含起飞前和起飞后的动态航线规划。例如，当无人机起飞之后被同时预先规划的航线经过临时禁飞区，需要及时调整预先规划的航线，属于动态航线规划，和起飞之前的无人机航线规划存在不同，动态航线规划更加紧迫，由于无人机处于空中运行的状态。相关研究人员提出一种局部路径规划算法，促进无人机能够符合实时流量、地理围栏约束的条件下执行一定的飞行任务^[2]。局部路径规划算法有效融合了快速探索随机树法、形式化验证算法，确保交通更加清晰明了，同时能够有效检测出地理围栏冲突。另外，部分研究者针对微小型无人机提出基于搜索的运动规划方法，有效解决具有模型不确定性、视场约束的规划问题，主要将运动的不确定性进行建模为软约束，借助人工势场法有效规划安全的轨迹。

3.2碰撞避让技术

该技术涉及无人机之间相碰撞、无人机和人机之间相碰撞，后者会产生严重的后果。交通警报和避碰系统等空中避让技术在民用航空业成功应用，同样适用于低空无人机机载冲突避让系统。但是，无人机冲突避让系统主要依赖的通信手段需要重新设计，或者直接应用主动探测技术等，更加有效地防止对民用飞行器产生干扰。

空中避让技术，近距离的空中避让算法主要包含：①基于轨迹投影方法，需要合理估计入侵者目前位置、速度等实际状态、有效预测其运动轨迹。当无人机位置进入到该危险区域，会及时形成新的航向角指令，促进无人机及时离开危险区域，之后使无人机沿着原有的航向飞行到原来的运动轨迹。基于轨迹投影方法更加的简单直接，能够有效实现，更加适合基于机载视觉传感器的控制避让策略。视觉传感器通常能够获得需要避让物的方位，但是不能直接测量相对位置，因此经过飞行航向角的改变属于更加直接的管控方法

^[3]。②基于力场方法，主要应用吸引力有效维持在原始路径上或者直接跟随原始目的地，同时应用排斥力有效防止出现潜在冲突，进而形成控制命令，有利于下一步操作。作用力的权重在线调整不同的情况下，以平衡不同作用力之间的权衡，视场法和速度障碍法属于典型的方法。相关研究人员提供使用自主无人机的通用、分布式的空中交通控制方案，适用在密集交通情况，同时应用30架自主无人机在室外协同飞行中进行验证。在传感器噪声、通信延迟、通信范围和传感器更新率有限的现实环境中，研究二维、三维开阔空间中的密集多旋翼无人机交通仿真场景。③基于查表方法，主要应用预先定义的表，大多通过经验生成，同时放弃了轨迹预测功能。无人机受到入侵者的位置和速度等状态，基于查表方法有效搜索其在线表格，明确最优机动方式。④最优轨迹方法，能够保证无人机在实际飞行中不和障碍物出现碰撞现象，同时还能促进无人机最大限度地沿着预先设定的航迹安全顺利的飞向目标航点。相关人员借助预测控制算法有效计算最佳航路点，能够顺利到达目标的同时规避飞行途中检测到的静态障碍物，设计分析了呈现出避障能力的制导方法，有效帮助无人机迅速到达目的地，防止和其他飞行器出现碰撞问题。另外，相关研究人员提出半定规划的方法有效解除冲突问题。不同飞行器提出针对性预期航向，通过该种方法进行集中解算，解决不同飞行器之间出现的所有冲突，同时实现不同飞行器预期航向和无冲突航向之间偏差的最小化，保证飞行器按照预先规划航线到达目的地。

结束语：无人机交通管理技术的研发和应用，能够有效符合不断增长的无人机行业应用要求，同时能够当作有人飞行器自动化严谨的主要技术途径，促进航空业迅速发展，为世界各国进入航空强国提供有力的支持和保障。

参考文献：

[1]全权, 李刚, 柏艺琴,等. 低空无人机交通管理概览与建议[J]. 航空学报, 2020, 41(1):29-29.

[2]付其喜, 梁晓龙, 张佳强,等. 无人机低空交通管理系统综述[J]. 飞行力学, 2019(2):6-6.

[3]黄静洋, 付小蓉, 潘卫军. 无人机交通管理中路径规划策略研究综述[J]. 科技与创新, 2020(6):6-6.