引言

 

城市真高120m以下空间(国外通常定义为400ft以下)可称为城市超低空空域,国内外相关方面已基本达成共识接受该空域范围将主要作为民用微轻小型无人机活动空间。与此同时,迅蚁、美团、顺丰、Wing等公司也在积极开展城市超低空物流配送的试点,一旦该类场景的商业价值得到充分验证并推广,城市超低空运行的无人机数量将会大幅增加。除此之外,用于娱乐航拍的消费级无人机、用于低空巡检和城市治理的各类工业级无人机也在共用城市上空空间,这意味着未来超低空空域将呈现出高密度、融合化的发展趋势。但城市上空无人机数量在快速增长的同时也将带来新的风险和问题主要有以下3点:

 

 

1)对民众隐私泄露和噪声侵扰;

 

 

2)无人机空中碰撞带来的对空风险(撞损其他飞行器和高层建筑)以及失控坠落引起的对地风险(致人死伤和财产受损);

 

 

3)对城市中大型运输机场起飞和进近阶段的干扰。

 

 

为应对上述风险和挑战,城市超低空需要逐步构建起一套可行的无人机管控体系。本文结合现有技术水平可行性尝试提出一种城市超低空无人机运行概念(Co-nOps),具体包括其所需的空域划设框架、通信导航监视设施以及运行管控的基本思路。

 

 

城市超低空运行需求

 

一、任务场景需求

 

 

我国即将出台的《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例(征求意见稿)》中较为明确的分类规定了微、轻、小型3类无人机的分类标准及其管控空域和适飞空域,特别限定了微型无人机50m以上对其施行管控,轻型无人机120m以上对其施行管控。但尽管如此,各类无人机应用需求之间仍会存在较多冲突,例如城市巡检类的无人机在50m以下近地面巡检时可能和娱乐航拍应用的无人机存在碰撞风险;又比如用于物流配送类的轻小型无人机在起降过程中同样会使用50m高度层以下的空间。

 

 

因此首先需厘清城市超低空运行场景中的各类空域用户需求,并对城市低空空域进行结构化划设,这样才能更好为各类空域用户合理分配满足其运行所需的空域结构。如表1所示,我们总结了主要的几类无人机运行需求场景及其对应类型无人机的通信导航监视性能和任务轨迹特点。

 

 

 

二、公共安全诉求

 

面对城市超低空空域的逐步开发,行政管理方会更多关注公共安全问题。明确城市超低空运行概念和适度的引入管控技术手段,这些措施的根本目标都是为了最大程度消减无人机飞行活动风险,以安全为前提来推进城市超低空空域开发。具体而言,是需要通过建立飞行规则并引入自动化系统来引导约束空中各无人机用户行为,其首要目的是保持飞行器之间安全间隔,防止飞行器意外闯入空中禁区或管控空域,最终使无人机事故致害水平在可控安全目标内。这项安全目标尚未形成正式标准,但参考《民用航空器飞行事故等级》(GB14648-93）,我们可将事故造成死亡人数和直接财产损失作为无人机在城市超低空运行关键的两项安全指标。

 

公共财产损失和人员致死的赔偿可以逐渐由无人机强制保险体系进行解决,但需要确定指标的具体值。这样既可以帮助设定低空管控的具体安全目标,也能帮助强制险制订具体的定价策略。我们认为上述两项指标必须要以远高于传统通用航空水平来进行设置,以死亡人数为例,建议未来城市超低空无人机运行事故致害死亡人数水平应当达到现有传统通用航空10~15倍,即致死人数不超过1×10-6人/飞行小时(2020年国内通用航空死亡人数水平为13.2×10-6人/飞行小时)。这样确定有3层原因:

 

1)未来无人机运行规模和飞行小时数将会远高于传统通用航空水平,以2020年为例,国内无人机云交换系统中记录的无人机飞行时间为183×104h,而通用航空2020年总飞行小时仅为98.4×104小时。

 

2)尽管无人机飞行小时数已经是传统通航飞行小时数的2倍,但无人机单位飞行小时数所产生的平均生产价值小于传统通用航空,因此需要更多倍数的飞行小时数获得产业盈利才能支撑其保险费用赔付体系。

 

3)作为一类新事物,无人机和城市场景运行本身就更容易受到普通民众和舆论关注,即使是发生一般等级的事故也可能会对行业造成强烈的消极影响,因此必须要采取比通用航空更为严苛的安全标准。

 

 

城市超低空无人机运行概念

 

一、城市超低空空域划设

 

1、水平空域划分

 

即将出台的《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例(征求意见稿)》体现了对民用无人机“需求牵引,分类施策”的管控思路，而微轻小型无人机限于机载设备条件和可靠程度,未来将大概率走向与有人驾驶航空器隔离运行的状态。

 

条例中在空域定义上主要提出了以下5类水平空域概念:

 

 

第1类,适飞空域,指对应等级无人机不用提前申报计划,在该类空域中报备飞行即可;

 

第2类,管控空域,指无人机到该类空域中需要报空中管制部门批准方可在该空域中飞行; 

 

第3类,隔离空域,指无人机与有人驾驶航空器保持一定间隔的中间隔离空域带;

 

第4类,空中禁区,指一般情况下严禁民用无人机飞入区域;

 

第5类,净空保护区,有人驾驶航空器机场起飞离场或进近降落设计有机场净空保护区,不允许未经批准的微轻小型无人机进入。

 

在暂行条例所提出的空域划设思路框架下,城市超低空空域则需要制订更为精细的管理规则,这一点尤其体现在对水平空域边界的规定上。水平方向上空域结构应针对不同等级的无人机构建城市地面风险地图,一般可以网格化来进行划分:

  

1)空中禁区,严禁任何未经授权的闯入行为,民用无人机一旦闯入即采取驱离甚至强制手段击落并用刑事手段处理涉事人员;如军事涉密单位、重要政府保障场所、重要公共设施的上方均可被列为空中禁区。 

 

2)动态地理围栏管控区,限定民用无人机闯入,一旦违规进入,将会被管控系统记录,并事后追责对无人机运营人进行行政处罚,情形严重的追究刑事责任。目前城市空域的运输机场是多采用“糖果形”地理围栏来进行保护,这容易割裂城市超低空空域,影响超低空物流运输网的连通性。未来经过探索实践后可能会将净空保护面下方划设出限高空中廊道,留出合理空间来作为轻小型无人机的适飞空域。

 

3)适飞区域,适飞空域可进一步细分为以下几种情形:

 

①通行高度限制区,这类网格应区给出无人机通行高度限制,例如图1中运输机场净空保护面下的可用空中廊道、城市楼宇建筑物以上的高度层都应在网格中给出无人机的通行高度限制;

  

 

②根据地理网格下方的人口密度和建筑物遮蔽等因素评估出对应网格可接受风险水平,并将其分为高、中、低风险3类适飞空域。

 

③不同任务性质的无人机被授予不同权限,决定其是否可以进入中、高风险适飞空域,例如应急救援的无人机优先级高,城市超低空空域管理系统应批准其穿越高风险适飞空域。

 

2、垂直空域划分

 

城市超低空垂直方向上空域划分尤其是高度层结构的引入可以较大程度降低空中冲突的风险,如图2所示,提出以下几条空域垂直划设导则。

 

真高50m及以下适飞空域:这类空域应不做高度分层,但仍应粗中有细的建立一些空域使用规则:

 

①该类空间的使用主体为消费娱乐级微型、轻型无人机;

  

②物流运送类的轻小型无人机从地面起降站到50m以上巡航高度层这一段爬升降落区间应设置专用垂直起降廊道并用动态电子围栏标识。当有物流无人机起降时电子围栏开启,禁止其他类型包括消费级无人机进入;

 

③城市巡检无人机如需在50m高度层以下小范围巡检作业,则应自行负责保持与其他无人机的间隔。

 

真高50~100m的适飞空域采用公共超低空无人机管控系统提供网格化的空域分配管理,为各类无人机运行需求分配网格化后的4D航迹空域:

 

①尽可能将物流无人机巡航需求分配至60m/75m/90m这3个高度层上使用(对地噪音影响小);速度越快、运送距离越远的无人机将被分配到越高的高度层巡航,但伴随着速度增大,越高的高度层空域容量会适当调小;

 

②60m/75m/90m高度层内,不限制物流无人机运行航向,而是通过空域管理平台提供路由分配和间隔保持服务。

 

③50~60m、60~75m、75~90m、90~100m这几个高度层之间的空间带将作为物流无人机的紧急避让层,同时也兼容向中低频次的城市巡检类无人机作业需求开放。

 

真高100~120m的空域应作为保留空域,起到以下两点作用:

 

①作为与传统通航有人驾驶航空器、未来新型eVTOL航空器、以及中大型无人机运行空域的缓冲间隔带;

 

②作为备用空域供经过审批的航拍测绘、应急管理等其他用途无人机使用。

 

 

 

二、通信、导航与监视

 

对民用无人机进行管控更离不开通信、导航与监视技术手段的支撑。

 

1、通信

 

无人机在运行时进行通信的目的主要有2个:接受地面对空控制指令;向地面和空中其他合作目标传输本机飞行状态信息。对于消费级微型无人机,不改变其现有的数传/图传通信链路架构,微型无人机运行数据经由地面遥控器和手机联网后上报无人机云,再由无人机云服务商上报局方的无人机管控平台;对于在超过50m以上高度或者超视距运行的物流类、巡检类轻小型无人机,则要求至少与地面建立有2条不同的通信链路,手段包括但不限于运营商4G/5G通信网络、卫星通信链路、数传链路等。伴随着低空智联网概念的提出,未来低空运行所需的通信基础设施将会进一步完善。

 

2、导航

 

微轻小型无人机广泛应用的是GNSS/IMU组合导航手段,但在城市超低空运行环境中,无人机卫星导航定位系统受到干扰是事实存在的,因此对于超视距运行的轻小型无人机必须要面对信号易受城市电磁环境和建筑物遮蔽影响这一可能,可考虑增加视觉导航、基站辅助定位等手段作为其冗余备份的导航手段。

 

3、监视

 

城市超低空空域监视对象可分为入网目标和非入网目标,即基于低空智联网中通信网进行合作监视的飞行器和未入网的飞行器。根据监视方式的组织形式,我们将城市低空监视手段类型分为图3中的3类:

 

①集中相关监视:要求所有飞行器基于地空通讯链路主动合作上报实时状态信息,地面中心管控系统统一收集后再分送空域态势给空中无人机;

 

②空中分布相关监视:是指空中邻近的飞行目标之间直接广播实时位置并接收其他飞行目标广播的位置,在小空域范围内形成类似于局域自组网的监视模式;

 

③机载自主监视:基于机载光学、毫米波雷达等传感器提供无人机机载实时感知能力。除以上几种模式之外,近期华为公司提出的通信感知一体化技术并基于5G基站进行了初步验证,为城市范围内的超低空主动监视提供了另一种可能性。

 

 

三、自动化管控

 

城市超低空运行管控是指通过建立飞行规则并应用自动化系统来引导约束空中各无人机用户行为,具体管控措施设计上可考虑遵循以下几条运行导则。

 

要求50m高度层以下空间适飞空域对微型、轻型消费级无人机充分放开,但应限定活动的飞行器以低速飞行(最大速度不超过10m/s),这将使得这一空间活动的无人机基于自身有限的机载设备也能以合作/非合作方式进行空中避撞。

 

50~100m高度范围将严格管控微型无人机进入,这一空间主要用于物流运输、城市巡检等类型的无人机,应接受该城市统一的空管服务系统管控,接受系统为其分配无冲突4D航迹,并严格按照该4D航迹执行飞行任务。当任务中途出现任务变更或因为避撞等特殊情况未能按时到达关键航路点时,则该4D航迹失效,此时无人机应进入紧急避让层,等待管控系统重新分配新的4D航迹后继续执行任务。

 

考虑到应急救援、医疗用品运输等一些特殊任务的时效性,对应无人机会被标记为不同的优先级,优先级高的任务会被公共无人机管控平台优先分配最优路径,甚至允许临时穿过某些电子围栏保护区和管控区域。

 

城市超低空运行过程中无人机之间应建构有不同层次的避撞策略,如图4所示,按照优先级类型可分为3种:①基于合作通信监视下的协调避让,同优先级和设备装配等级的无人机之间建立实时双工通信条件下的冲突解脱策略;②基于既定规则的主动避让,指低优先级或低航路使用权的无人机在合作监视条件下主动向高优先级的无人机让开航路;③非合作条件下的自主感知避让,是指正常运行条件下的无人机基于机载传感设备感知到未入网“黑飞”目标或故障失控的无人机并进行主动避让。

 

  

发展建议与路径

 

要想管好城市超低空空域的无人机就必须先承认现阶段民用微轻小型无人机更容易坠落这一事实,生产成本和机载设备性能水平约束着当下单架飞行器的耐用度和可靠性,其甚至很难达到传统通用航空器的水准。因此未来管控的理念并不能简单停留于防止飞行器碰撞,而更多应关注这类飞行器出现事故后最终致害的人员伤亡和财产损失情况是否在可接受水平内,这需要相关通信导航监视和自动化管控手段的提升来共同应对。

 

上述城市超低空运行概念较为可行的实现路径是:每座城市建立一个统一的超低空管控平台,依托城市内4G/5G基础设施对所有合作无人机进行网联并提供低成本的通信监视服务;而导航定位、路由规划等服务则根据无人机等级和任务需求按需提供。对于消费娱乐用途的微、轻型无人机用户,在其适飞空域范围内开放使用,可允许其不具备直接接受管控平台调度的功能,但起飞前需联网更新实时的电子围栏,并尽可能在飞行中上报飞行位置。对于公司运营人所使用的轻小型等级无人机,则应该具备与地面管控平台保持实时通信的能力,飞行过程中能接受管控平台的调度指令,严格按照管控平台分配的4D航迹飞行计划来完成任务,有针对各类紧急情况的应急预案程序,并有一定的自主感知避撞能力。

 

总结与展望

 

随着我国《民用无人驾驶航空试验基地(试验区)管理办法》出台实施,国内杭州、深圳、上海等多个地市已在积极探索城市场景的轻小型无人机运营送货,其商业模式是否能可持续仍需经过实践检验。从发展趋势来看,各类微轻小型无人机将会成为未来城市超低空空域的主要用户。作业频率高、单架次航时短、空域密度大、任务差异明显、空中冲突频繁等将会是未来城市超低空运行场景的重要特征。

 

本论文首先分析了城市超低空运行场景各类无人机用户需求,简要测算提出了可量化的无人机城市超低空运行安全标准—致死人数小于等于1×10-6人/飞行小时,最终从满足实际场景需求和公共安全诉求出发提出一种可行的无人机城市超低空运行概念。针对该空域可用高度有限、地形复杂多样的特点,创新性的对运行空间从垂直方向和水平方向进行了空域划设,该空域结构不仅较好的满足了现有消费级无人机的飞行需求,也为城市超低空空域融入更多复杂任务类型的轻小型无人机预留了充足的空间。