無人機空管保障需求研究

陳　昕1，陳　平2

（1.海軍空中交通管制工程辦公室，北京　100841；2.空中交通管理系統與技術國家重點實驗室，南京　210007）

摘　要：無人機的快速發展，在給各行各業帶來方便的同時也帶來了一系列問題，必須加強對無人機的飛行管控，因此，研究無人機空管保障需求是基礎。本文從國家安全、飛行安全等角度出發，分析了無人機使用空域的特點與影響因素，介紹了國內外無人機空管情況，從立法、機制、運行程序、理論與技術、基礎設施建設、標準規范以及試驗驗證等方面提出了無人機飛行空管需求。

關鍵詞：無人機；空管；空域；管控

中圖分類號：V355.1　文獻標識碼：A

Research on Requirements of UAs Air Traffic Control Support

Chen Xin，Chen Ping

（1.Office of Naval Air Traffic Control Engineering，Beijing 100841；2.State Key Laboratory of Air Traffic Management System and Technology，Nanjing Jiangsu 210007，China）

Abstract：While the rapid development of UA brings great convenience for all walks of life，it brings troubles.Therefore the flight management and control of UA must be strengthened based on the study of UA ATC support requirements.From national security and flight safety perspectives，the characteristics and influencing factors of UA’s use of airspace are analyzed.Domestic and foreign UA air traffic control is introduced.Finally，Requirements on UA ATC legislation，mechanism，operating process，theory and technology，infrastructure，standards and regulations，experiment and validation are proposed.

Key words：UA；Air traffic control；Airspace；Management and control

0　引言

無人機（UA）是由控制站管理（包括遠程操縱或自主飛行）的航空器，也稱遠程駕駛航空器（RPA）。無人機系統（UAS）是指由無人機、相關控制站、所需的指令與控制數據鏈路以及批準的型號設計規定的任何其他部件組成的系統[1]。與有人駕駛飛機相比，無機機結構簡單、重量輕、尺寸小、成本低和使用費用低、機動性強、隱蔽性好，并能完成有人駕駛飛機不宜執行的某些任務。無人機在給人們帶來便利的同時，也帶來一些安全問題。因此，從國家安全、飛行安全等角度出發，必須加強對無人機的飛行管控，研究無人機空管保障需求是基礎。

1　無人機空域使用特點與影響因素

無人機經歷了從輕小型向大中型快速發展的階段，其飛行空域需求增長快速，并不斷趨向于有人機空域需求。

1.1　無人機空域使用特點

一是占用空域范圍大。在飛行高度方面，其正由超低空、低空向中高空甚至臨近空間方向擴展，當前無人機飛行高度覆蓋范圍為50～30000m，涵蓋了所有軍民航飛行空域。

二是占用時間長。無人機訓練科目眾多、飛行需求多變，可根據任務需要晝夜實施。

三是空域使用靈活性強。由于無人機的發射與回收形式多種多樣，為無人機的使用創造了機動靈活的條件。

1.2　影響無人機飛行的主要因素

影響無人機飛行的因素主要體現在自身安全性、運行操作標準、飛行環境和隱私四個方面。

1.2.1　無人機自身安全性

無人機受設計、工藝、制造、性能以及對惡劣環境的適應能力等制約，且無相關適航標準，使得一些無人機制造技術門檻不高，其自身安全性受到較大影響。同時，無人機運行需要操縱員、無人機及其機載設備高度協調一致，相互配合，其技術復雜度高于有人駕駛飛機。美國的研究表明，無人機飛行安全事故的37%源于發動機及其控制模塊故障，其次源于無人機導航、飛行控制系統和軟件可靠性。無人機要進入混合空域飛行，亟待提高當前的安全水平。

1.2.2　運行操作標準

無人機系統必須具備探測-避讓功能，并應非常靈敏、靈活，以應對不同類型的無人機、任務和運行環境。由于無人機系統飛行會穿越國界，因此國際監督機構應當制定一系列條款，以確保全球所有的無人機都采用統一標準，降低潛在空中沖突。

1.2.3　飛行環境

一是地形。無人機受無線電遙控指令或自動飛行程序控制，易受地形地勢的影響，特別是高山、峽谷等復雜地形對操控影響更大。

二是天氣。由于長距離飛行無人機對周邊環境的感知和改變飛行狀態的能力不如有人駕駛飛機，因此，天氣，特別是惡劣天氣，對無人機飛行安全影響較大。

三是電磁干擾。電磁干擾對無人機影響較大，在遇到攻擊性電磁干擾后，無人機往往會成為“無頭蒼蠅”，易發生失控、自毀現象，喪失執行任務的能力。

1.2.4　隱私

公眾在關注無人機系統安全性時，更關注無人機運行帶來的潛在隱私問題。一是有人故意使用無人機侵入私人領域，偷拍、偷聽公眾隱私，涉嫌犯罪。二是海關、公安等執法部門使用無人機時，也存在公眾隱私泄露問題。

2　國內外無人機空管概況

2.1　美國無人機管控概況

FAA是美國的航空管理機構，專門設立了無人駕駛飛行器項目辦公室（UAPO）和無人駕駛飛行器系統工作組（UASG），兩部門之間相互合作，有效地對無人機進行管控[2]。2017年11月，FAA在多個空中交通設施部署了“低空授權和通知能力（LAANC）”項目，它可使無人駕駛航空器駕駛員能夠通過近乎實時地處理空域授權問題，在批準的海拔高度以下，操縱無人機進入機場附近的管制空域。

2.2　歐盟無人機管控概況

歐盟涉及管理無人機的組織機構包括歐洲航空安全局（EASA）、歐洲空管局（EUROCONTROL）、歐洲民用航空設備工作組（EUROCAEWG-73）、無人機在非隔離空域飛行工作組（FINASWG）等[2]，分別負責實施民用無人機規章、制定相關規范、發展無人機運行的規則框架及管控、產生各類無人機標準化協議與要求等。在無人機相關領域，EASA頒布了《關于無人機系統的適航性認證的政策聲明》，是EASA成員認證無人機系統的基本準則。

2.3　我國無人機管控概況

我國無人機管控是空管部門和政府相關部門，主要包括軍民航空管部門、軍隊、公安部門、海關部門、工商部門、安全監管部門、民航部門等，部門眾多、各司其職。2009年以來，民航部門出臺很多相關文件，如《關于民用無人機管理有關問題的暫行規定》、《民用無人機空中交通管理辦法》、《民用無人駕駛航空器系統駕駛員管理暫行規定》、《輕小無人機運行規定（試行）》等，對民用無人機管理、運行、操縱員等進行了相關規定。

3　無人機飛行空管需求

3.1　無人機空管立法需求

2009年以來，民航部門出臺的一系列相關文件主要針對無人機在隔離空域的運行，但無人機飛入非隔離空域已成為必然，因此需要加強當前立法工作。主要包括三類法規。

一是無人機組織與實施飛行的管控法規。需要建立如《無人機飛行管理條例》、《無人機飛行安全間隔標準》、《無人機飛行規則》、《戰時無人機飛行管理規定》等法規。

二是無人機適航法規。為保證無人機進入公共空域的安全，需要制定《無人機適航標準》、《無人機分類標準》、《無人機設計標準》等。

三是無人機運行認證標準。需要制定如《無人機生產廠家資質認證制度》、《無人機研發生產型號認證制度》、《無人機飛行相關人員資質認證制度》等。

3.2　無人機運行管控機制需求

我國無人機管控受空管部門和政府相關部門的管理，有力支撐了無人機的生產與運行，但存在多頭管理、申報程序煩瑣等問題，導致無人機“黑飛”等現象嚴重。

為此，應完善無人機運行管控機制。一是地面管控，由空管部門、公安部門、生產企業、銷售部門、工商、稅務及航空管理部門聯合管控。生產企業、銷售部門和航空管理部門主要負責無人機的登記、認證；工商、稅務部門主要負責生產企業和銷售部門的資質認證以及質量監控；公安部門主要負責對違法違規運行的無人機單位或個人實施強制性執法；空管部門主要負責受理無人機運行相關許可的申請與批復、無人機運行所需空域的劃設、協調與使用分配，配合公安部門對違法違規運行無人機單位或個人實施執法。二是空中動態管控，由軍隊空防體系和軍民航空管部門協同管控。民航空管負責管控其管理空域（含航路、航線）無人機飛行；軍航空管負責協助空防體系監控民航管理空域外的無人機飛行。

3.3　無人機空管運行程序需求

無人機運行一般經歷飛行計劃、地面運行、滑跑起飛、離場爬升、巡航、特殊運行/軍事任務、下降進近、進近著陸8個階段。

在飛行計劃階段，其計劃應主要包括無人機的質量類型和性能、無人機的自主水平、應急計劃、特殊操作的飛行意圖等。

在地面運行階段，ATM應建立充足的地面監視設備、安全有序的無人機地面滑行技術，以及地面運行過程中的故障程序（如丟失數據鏈、定向障礙等）。

在滑跑起飛階段，ATM應立即識別出無人機起飛階段的引擎故障/動力衰退、ATC/無人機控制數據鏈丟失、導航/航空電子設備故障等情況。

在離地爬升階段，除起飛階段需求外，大型民用機場應有針對低功率/小爬升率的UAV的特定離場程序。

在巡航階段，要解決無人機飛越邊界問題，國家應就適航標準、故障處理程序、數據鏈技術、UAV控制部門及操作員資格認定標準提供一個無人機邊境運行的公認環境。

在特殊運行/軍事任務階段，ATC應提供足夠的飛行間隔，以防無人機進入限制空域。在下降進近階段，應開發完善安全間隔程序。在進近著陸階段，應建立UAV運行規則。在儀表氣象條件下針對進近開發完善相關程序。

3.4　無人機融入融合空域空管理論與相關技術需求

無人機融入融合空域還有很多理論與技術尚未突破。應研究無人機總體技術，如大型無人機融入現有空域系統的運行概念，無人機/有人機兼容運行體系架構，無人機空管系統集成等[3]。研究無人機融入融合空域空管關鍵技術，如無人機空域使用和路徑規劃技術、程序化管制和確定型管制技術、無人機自組網技術、“感知-避讓”動態決策技術、飛行沖突預測技術和規避路線規劃技術、無人機反欺騙技術[4]、加解密技術、無人機特殊情況下自動處置技術等。

3.5　無人機管控基礎設施需求

3.5.1　在無人機、操控員、管制員之間建立暢通的通信系統

通信系統是無人機系統的關鍵部分，無人機、操控員、管制員三者之間的信息情報交流都要依靠通信鏈路。管制員應運用數據鏈技術手段及時、準確地掌握無人機的位置。無人機報告自身信息時應有標志，便于管制員區分。同時，建立管制員與操控員之間的多種聯系方式，如衛星通信、無線電臺、話音組網等；另外，可借助輔助設備，將管制員對無人機的管制命令通過無人機傳遞給操控員。

3.5.2　無人機的“感知-避讓”能力

無人機的感知-避讓能力是無人機具有能夠避免碰撞和繞過障礙物飛行的能力。無人機感知-避讓傳感器包括非合作式（如雷達、光電/紅外成像設備等）和合作式（如S模式應答機、ADS-B、空中交通警戒和防撞系統TACS等）傳感器[5]，傳感器探測周邊情況，并通過飛行控制系統強制無人機進行合理的規避動作。

無人機自主感知與避讓關鍵技術包括高分辨率高靈敏度的探測傳感器技術、快速的自動檢測與識別技術、自主的規避控制技術等，其是傳感器數據融合與分析、智能信息處理、計算機和圖像處理、人工智能、最優控制、運籌學、博弈論等多學科綜合問題。

3.5.3　無人機飛行管控系統

針對無人機所需的空中交通管理服務，結合無人機使用方和管理方的需求，搭建無人機飛行管控二級系統。一級為國家級系統，可建在國家空域管理中心，統籌管理全國無人機飛行活動，發布相關情報信息。二級系統可建在戰區空域管理隊、民航地區空管局，具體管理各管制區內無人機飛行活動，同時要配備低空/無人機探測雷達、軍民航審批終端、互聯網申報系統、無人機反制設備等。二級系統主要提供飛行監視、計劃申報與審批、計劃調配、空域靈活使用、告警服務、信息安全等基本功能。

3.5.4　無人機飛行中止系統

由于無人機高度依賴飛行控制系統、通信系統、自主飛行系統，具有“人機分離”的特點，一旦出現系統故障或遭遇劫持，無人機可能與操控員、管制員失去聯絡、失去控制，出現飛出隔離區、碰撞、墜機等后果。因此，中型以上無人機應具有在特殊情況下啟動自動返回、自毀程序等自動處置能力，適航中要求設計和裝備飛行中止系統。

3.6　制定無人機空管標準規范

由于無人機在設計特點、工藝、性能參數上與普通飛機的差別很大，具有飛行剖面變化多樣、戰術運用靈活、飛行全時域與全高度層等特點，同時其自主“感知-避讓”能力弱，必然對其他航空器的飛行和安全產生很大影響。應完善空管技術標準體系框架，制定適用于無人機飛行的規則和規范，如無人機適航標準、無人機飛行間隔標準、無人機數據鏈信息接口規范、無人機空管系統功能規范等。

3.7　開展無人機空管方面的試驗驗證

根據需要建設一批無人機空管科研試飛基地，配備起降場地、通信網絡、監視、空管系統等基礎設施，開展無人機感知-避讓等關鍵技術研究、無人機空管運行程序、無人機空管及適航相關標準等試驗驗證，相關空管系統設備測試認證，無人機試飛，操縱員培訓與執照發放等工作。

4　結束語

隨著無人機的快速發展，無人機對空域的需求越來越大，無人機由隔離空域進入融合空域運行成為必然。無人機與有人機、無人機與無人機間面臨的碰撞已成為影響無人機發展的突出問題[6]。因此，我們應在研究無人機運行空管保障需求的同時，積極開展無人機空管相關技術、設備、標準的研究與試驗驗證，重點是無人機的感知與避讓、運行管控，為國家安全、國防安全、人民生命財產安全以及無人機產業的快速發展提供支撐。

參考文獻

[1]輕小型無人機運行（試行）規定，2016

[2]陳金良.無人機飛行管理[M].西安：西北工業大學出版社，2014：1-5

[3]陳志杰.未來空中交通管制系統發展面臨的技術挑戰[J].指揮信息系統與技術，2016.7（6）：1-5

[4]施林.基于衛星導航欺騙干擾的無人機管制技術[J].指揮信息系統與技術，2017.8（1）：22-26

[5]王杰.無人機融入非隔離空域感知與規避技術[J].南京：指揮信息系統與技術，2017.8（1）：27-32

[6]沈華.混合空域中無人機飛行防相撞技術[J].指揮信息系統與技術，2016.7（6）：24-29