无人机空管保障需求研究

陈　昕1，陈　平2

（1.海军空中交通管制工程办公室，北京　100841；2.空中交通管理系统与技术国家重点实验室，南京　210007）

摘　要：无人机的快速发展，在给各行各业带来方便的同时也带来了一系列问题，必须加强对无人机的飞行管控，因此，研究无人机空管保障需求是基础。本文从国家安全、飞行安全等角度出发，分析了无人机使用空域的特点与影响因素，介绍了国内外无人机空管情况，从立法、机制、运行程序、理论与技术、基础设施建设、标准规范以及试验验证等方面提出了无人机飞行空管需求。

关键词：无人机；空管；空域；管控

中图分类号：V355.1　文献标识码：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

无人机（UA）是由控制站管理（包括远程操纵或自主飞行）的航空器，也称远程驾驶航空器（RPA）。无人机系统（UAS）是指由无人机、相关控制站、所需的指令与控制数据链路以及批准的型号设计规定的任何其他部件组成的系统[1]。与有人驾驶飞机相比，无机机结构简单、重量轻、尺寸小、成本低和使用费用低、机动性强、隐蔽性好，并能完成有人驾驶飞机不宜执行的某些任务。无人机在给人们带来便利的同时，也带来一些安全问题。因此，从国家安全、飞行安全等角度出发，必须加强对无人机的飞行管控，研究无人机空管保障需求是基础。

1　无人机空域使用特点与影响因素

无人机经历了从轻小型向大中型快速发展的阶段，其飞行空域需求增长快速，并不断趋向于有人机空域需求。

1.1　无人机空域使用特点

一是占用空域范围大。在飞行高度方面，其正由超低空、低空向中高空甚至临近空间方向扩展，当前无人机飞行高度覆盖范围为50～30000m，涵盖了所有军民航飞行空域。

二是占用时间长。无人机训练科目众多、飞行需求多变，可根据任务需要昼夜实施。

三是空域使用灵活性强。由于无人机的发射与回收形式多种多样，为无人机的使用创造了机动灵活的条件。

1.2　影响无人机飞行的主要因素

影响无人机飞行的因素主要体现在自身安全性、运行操作标准、飞行环境和隐私四个方面。

1.2.1　无人机自身安全性

无人机受设计、工艺、制造、性能以及对恶劣环境的适应能力等制约，且无相关适航标准，使得一些无人机制造技术门槛不高，其自身安全性受到较大影响。同时，无人机运行需要操纵员、无人机及其机载设备高度协调一致，相互配合，其技术复杂度高于有人驾驶飞机。美国的研究表明，无人机飞行安全事故的37%源于发动机及其控制模块故障，其次源于无人机导航、飞行控制系统和软件可靠性。无人机要进入混合空域飞行，亟待提高当前的安全水平。

1.2.2　运行操作标准

无人机系统必须具备探测-避让功能，并应非常灵敏、灵活，以应对不同类型的无人机、任务和运行环境。由于无人机系统飞行会穿越国界，因此国际监督机构应当制定一系列条款，以确保全球所有的无人机都采用统一标准，降低潜在空中冲突。

1.2.3　飞行环境

一是地形。无人机受无线电遥控指令或自动飞行程序控制，易受地形地势的影响，特别是高山、峡谷等复杂地形对操控影响更大。

二是天气。由于长距离飞行无人机对周边环境的感知和改变飞行状态的能力不如有人驾驶飞机，因此，天气，特别是恶劣天气，对无人机飞行安全影响较大。

三是电磁干扰。电磁干扰对无人机影响较大，在遇到攻击性电磁干扰后，无人机往往会成为“无头苍蝇”，易发生失控、自毁现象，丧失执行任务的能力。

1.2.4　隐私

公众在关注无人机系统安全性时，更关注无人机运行带来的潜在隐私问题。一是有人故意使用无人机侵入私人领域，偷拍、偷听公众隐私，涉嫌犯罪。二是海关、公安等执法部门使用无人机时，也存在公众隐私泄露问题。

2　国内外无人机空管概况

2.1　美国无人机管控概况

FAA是美国的航空管理机构，专门设立了无人驾驶飞行器项目办公室（UAPO）和无人驾驶飞行器系统工作组（UASG），两部门之间相互合作，有效地对无人机进行管控[2]。2017年11月，FAA在多个空中交通设施部署了“低空授权和通知能力（LAANC）”项目，它可使无人驾驶航空器驾驶员能够通过近乎实时地处理空域授权问题，在批准的海拔高度以下，操纵无人机进入机场附近的管制空域。

2.2　欧盟无人机管控概况

欧盟涉及管理无人机的组织机构包括欧洲航空安全局（EASA）、欧洲空管局（EUROCONTROL）、欧洲民用航空设备工作组（EUROCAEWG-73）、无人机在非隔离空域飞行工作组（FINASWG）等[2]，分别负责实施民用无人机规章、制定相关规范、发展无人机运行的规则框架及管控、产生各类无人机标准化协议与要求等。在无人机相关领域，EASA颁布了《关于无人机系统的适航性认证的政策声明》，是EASA成员认证无人机系统的基本准则。

2.3　我国无人机管控概况

我国无人机管控是空管部门和政府相关部门，主要包括军民航空管部门、军队、公安部门、海关部门、工商部门、安全监管部门、民航部门等，部门众多、各司其职。2009年以来，民航部门出台很多相关文件，如《关于民用无人机管理有关问题的暂行规定》、《民用无人机空中交通管理办法》、《民用无人驾驶航空器系统驾驶员管理暂行规定》、《轻小无人机运行规定（试行）》等，对民用无人机管理、运行、操纵员等进行了相关规定。

3　无人机飞行空管需求

3.1　无人机空管立法需求

2009年以来，民航部门出台的一系列相关文件主要针对无人机在隔离空域的运行，但无人机飞入非隔离空域已成为必然，因此需要加强当前立法工作。主要包括三类法规。

一是无人机组织与实施飞行的管控法规。需要建立如《无人机飞行管理条例》、《无人机飞行安全间隔标准》、《无人机飞行规则》、《战时无人机飞行管理规定》等法规。

二是无人机适航法规。为保证无人机进入公共空域的安全，需要制定《无人机适航标准》、《无人机分类标准》、《无人机设计标准》等。

三是无人机运行认证标准。需要制定如《无人机生产厂家资质认证制度》、《无人机研发生产型号认证制度》、《无人机飞行相关人员资质认证制度》等。

3.2　无人机运行管控机制需求

我国无人机管控受空管部门和政府相关部门的管理，有力支撑了无人机的生产与运行，但存在多头管理、申报程序烦琐等问题，导致无人机“黑飞”等现象严重。

为此，应完善无人机运行管控机制。一是地面管控，由空管部门、公安部门、生产企业、销售部门、工商、税务及航空管理部门联合管控。生产企业、销售部门和航空管理部门主要负责无人机的登记、认证；工商、税务部门主要负责生产企业和销售部门的资质认证以及质量监控；公安部门主要负责对违法违规运行的无人机单位或个人实施强制性执法；空管部门主要负责受理无人机运行相关许可的申请与批复、无人机运行所需空域的划设、协调与使用分配，配合公安部门对违法违规运行无人机单位或个人实施执法。二是空中动态管控，由军队空防体系和军民航空管部门协同管控。民航空管负责管控其管理空域（含航路、航线）无人机飞行；军航空管负责协助空防体系监控民航管理空域外的无人机飞行。

3.3　无人机空管运行程序需求

无人机运行一般经历飞行计划、地面运行、滑跑起飞、离场爬升、巡航、特殊运行/军事任务、下降进近、进近着陆8个阶段。

在飞行计划阶段，其计划应主要包括无人机的质量类型和性能、无人机的自主水平、应急计划、特殊操作的飞行意图等。

在地面运行阶段，ATM应建立充足的地面监视设备、安全有序的无人机地面滑行技术，以及地面运行过程中的故障程序（如丢失数据链、定向障碍等）。

在滑跑起飞阶段，ATM应立即识别出无人机起飞阶段的引擎故障/动力衰退、ATC/无人机控制数据链丢失、导航/航空电子设备故障等情况。

在离地爬升阶段，除起飞阶段需求外，大型民用机场应有针对低功率/小爬升率的UAV的特定离场程序。

在巡航阶段，要解决无人机飞越边界问题，国家应就适航标准、故障处理程序、数据链技术、UAV控制部门及操作员资格认定标准提供一个无人机边境运行的公认环境。

在特殊运行/军事任务阶段，ATC应提供足够的飞行间隔，以防无人机进入限制空域。在下降进近阶段，应开发完善安全间隔程序。在进近着陆阶段，应建立UAV运行规则。在仪表气象条件下针对进近开发完善相关程序。

3.4　无人机融入融合空域空管理论与相关技术需求

无人机融入融合空域还有很多理论与技术尚未突破。应研究无人机总体技术，如大型无人机融入现有空域系统的运行概念，无人机/有人机兼容运行体系架构，无人机空管系统集成等[3]。研究无人机融入融合空域空管关键技术，如无人机空域使用和路径规划技术、程序化管制和确定型管制技术、无人机自组网技术、“感知-避让”动态决策技术、飞行冲突预测技术和规避路线规划技术、无人机反欺骗技术[4]、加解密技术、无人机特殊情况下自动处置技术等。

3.5　无人机管控基础设施需求

3.5.1　在无人机、操控员、管制员之间建立畅通的通信系统

通信系统是无人机系统的关键部分，无人机、操控员、管制员三者之间的信息情报交流都要依靠通信链路。管制员应运用数据链技术手段及时、准确地掌握无人机的位置。无人机报告自身信息时应有标志，便于管制员区分。同时，建立管制员与操控员之间的多种联系方式，如卫星通信、无线电台、话音组网等；另外，可借助辅助设备，将管制员对无人机的管制命令通过无人机传递给操控员。

3.5.2　无人机的“感知-避让”能力

无人机的感知-避让能力是无人机具有能够避免碰撞和绕过障碍物飞行的能力。无人机感知-避让传感器包括非合作式（如雷达、光电/红外成像设备等）和合作式（如S模式应答机、ADS-B、空中交通警戒和防撞系统TACS等）传感器[5]，传感器探测周边情况，并通过飞行控制系统强制无人机进行合理的规避动作。

无人机自主感知与避让关键技术包括高分辨率高灵敏度的探测传感器技术、快速的自动检测与识别技术、自主的规避控制技术等，其是传感器数据融合与分析、智能信息处理、计算机和图像处理、人工智能、最优控制、运筹学、博弈论等多学科综合问题。

3.5.3　无人机飞行管控系统

针对无人机所需的空中交通管理服务，结合无人机使用方和管理方的需求，搭建无人机飞行管控二级系统。一级为国家级系统，可建在国家空域管理中心，统筹管理全国无人机飞行活动，发布相关情报信息。二级系统可建在战区空域管理队、民航地区空管局，具体管理各管制区内无人机飞行活动，同时要配备低空/无人机探测雷达、军民航审批终端、互联网申报系统、无人机反制设备等。二级系统主要提供飞行监视、计划申报与审批、计划调配、空域灵活使用、告警服务、信息安全等基本功能。

3.5.4　无人机飞行中止系统

由于无人机高度依赖飞行控制系统、通信系统、自主飞行系统，具有“人机分离”的特点，一旦出现系统故障或遭遇劫持，无人机可能与操控员、管制员失去联络、失去控制，出现飞出隔离区、碰撞、坠机等后果。因此，中型以上无人机应具有在特殊情况下启动自动返回、自毁程序等自动处置能力，适航中要求设计和装备飞行中止系统。

3.6　制定无人机空管标准规范

由于无人机在设计特点、工艺、性能参数上与普通飞机的差别很大，具有飞行剖面变化多样、战术运用灵活、飞行全时域与全高度层等特点，同时其自主“感知-避让”能力弱，必然对其他航空器的飞行和安全产生很大影响。应完善空管技术标准体系框架，制定适用于无人机飞行的规则和规范，如无人机适航标准、无人机飞行间隔标准、无人机数据链信息接口规范、无人机空管系统功能规范等。

3.7　开展无人机空管方面的试验验证

根据需要建设一批无人机空管科研试飞基地，配备起降场地、通信网络、监视、空管系统等基础设施，开展无人机感知-避让等关键技术研究、无人机空管运行程序、无人机空管及适航相关标准等试验验证，相关空管系统设备测试认证，无人机试飞，操纵员培训与执照发放等工作。

4　结束语

随着无人机的快速发展，无人机对空域的需求越来越大，无人机由隔离空域进入融合空域运行成为必然。无人机与有人机、无人机与无人机间面临的碰撞已成为影响无人机发展的突出问题[6]。因此，我们应在研究无人机运行空管保障需求的同时，积极开展无人机空管相关技术、设备、标准的研究与试验验证，重点是无人机的感知与避让、运行管控，为国家安全、国防安全、人民生命财产安全以及无人机产业的快速发展提供支撑。

参考文献

[1]轻小型无人机运行（试行）规定，2016

[2]陈金良.无人机飞行管理[M].西安：西北工业大学出版社，2014：1-5

[3]陈志杰.未来空中交通管制系统发展面临的技术挑战[J].指挥信息系统与技术，2016.7（6）：1-5

[4]施林.基于卫星导航欺骗干扰的无人机管制技术[J].指挥信息系统与技术，2017.8（1）：22-26

[5]王杰.无人机融入非隔离空域感知与规避技术[J].南京：指挥信息系统与技术，2017.8（1）：27-32

[6]沈华.混合空域中无人机飞行防相撞技术[J].指挥信息系统与技术，2016.7（6）：24-29