当前,全球正在发生一场以空中无人驾驶交通为代表的运输模式变革。对此,美国发布《加强空中交通国家蓝图》报告,制定了以无人驾驶航空器为核心的先进空中交通愿景和先进空中交通发展战略,提出了美国在该领域保持领先地位的建议,并进行无人机空域集成技术成熟度对比分析,规划先进空中交通发展路线和相关项目。欧盟将“数字化欧洲天空”概念作为SESAR2020数字化愿景,增加了以无人驾驶航空器为代表的先进空中交通服务研究内容。
综上可以看出,以“无人驾驶航空器”为代表的先进智慧交通模式成为重要发展趋势,欧美国家正积极布局和推进有人和无人驾驶航空器融合运行的新一代空管系统研发,并围绕无人机空域开展政策制度审查、交通规则研究和关键技术攻关。
随着通航产业链拓展和“无人机+”的新业态生成,中国经济领域正开创一种新经济模式———低空经济模式。无人机正快速应用于工农业作业、消费娱乐、物流运输、城市管理等行业领域。
2022年中国无人机制造商达1200多家,登记在册的无人机超过34万架,中国民用无人机市场规模占世界70%以上。目前,低空飞行的航空器比例构成发生巨大变化,无人机已多于有人机。2019年以来,商业、政府公共安全与紧急救援无人机的飞行使用量已高于有人机两倍以上。
而与成熟的陆路、水路及民航运输相比,城市无人机应用尚处在初始发展阶段。城市低空空域将成为国土开发的一类重要资源,为适应城市先进交通的发展,亟须构建新型低空空域管理模式。
在数字化、信息化、智能化等为特征的再信息化过程中,电子信息技术发展的深度和应用的广度将帮助重塑空中交通体系,为以无人机为代表的未来低空新经济提供无限机遇与发展可能。
本文基于数字化低空空域系统,围绕当前城市无人机应用管理所面临的核心难点与关键科学问题,从政策制度、无人机运行管控、数字低空建设等方面构建城市无人机管理方案,可为未来先进空中交通新模式建设提供参考。
数字化空域背景与概念
数字化空域系统基本内涵
通过信息基础设施支撑,构建大规模空域数字计算系统,在信息空间内实现大尺度空域数字化重构和表达,开展针对空域的映射管理和使用控制,最终达成以下目标:
①空域的可视化分析。在可视化空域使用状态基础上建立空域系统图,实现精准掌握全部空域实际使用分配与建设情况,为基于一致认知的空域动态管理配置提供支撑;
②空域的可度量处理。通过发展空域管理时空大数据技术方法,建立全新的空域性能和状态评估数值计算方法,测度全空域的交通性能,为开展交通流量、管制及作战空域使用奠定基础;
③空域的可计算决策。通过发展一套基于数字化空域的计算决策模型,为开展空域与交通流量管制的协同管理奠定基础;同时为开展基于模型算法的空域结构优化、运行控制提供支撑。
空域网格模型
当前大规模计算系统提供的计算能力,具备了管理全球尺度百亿级网格空域体的能力,为开展百万级受控/非受控用空对象的空域优化配置提供可能性,由此要设计面向空域管理的全球尺度网格空域模型。
空域网格划分是要建立一种全新的空中交通管理与战场空域空间的四维时空框架,如图1所示,将物理空间通过空域规则划分后,利用空域网格体及信息空间的映射矩阵空间,管理空中交通的空间几何结构和空域结构;利用空域划分建立的全球唯一位置码,建立空中交通和战场空域的时空大数据库,管理和监视空中安全态势、容量态势及空中运动演化态势,为空中交通管控决策提供数据计算方法等。
网格划分模型基本思路是利用地理空间网格递归划分,通过将连续空间离散为基本空域体,并针对不同划分层级的基本空域体建立全球统一尺度的位置编码,并用基本空域体编码取代传统的经纬度位置来标识空间方位;依据空间位置描述精度要求,选择相应划分层级的基本空域体,通过组合描述方法建立任意形状空域近似标准结构;
以空域体编码为索引,建立描述空域管理状态的数据结构,实时动态表述基本空域体承载空中交通的关联态势;建立空域数值计算方法来管理各类空域活动和智能调度与控制空域结构。基于此需求和目的,空域网格划分的基本原则包括。
(1)统一基准,全球覆盖。对地球表面垂直至临近空间范围内的空域,建立统一的基本空域网格高度位置基准;对全球尺度范围内空域,建立统一的基本空域网格水平位置基准;采用等纬度球面退化网格划分方法进行合幅处理,解决地球南北两极高纬度区域的网格变形问题。
(2)兼容并包,相互转换。兼容地理位置网格码及北斗网格位置码等既有国家标准,并入或包含航空领域相关的地理位置编码规范,并实现与相关网格位置码的相互转换。
(3)简单实用,精准高效。以地理经纬网格为原型,遵循国际民航组织公约推荐航图地理信息要求,划分不同层级的基本空域体,并基于空域管理需求在不同层级网格上建立相应的应用规范。
无人机空域进入面临的挑战
目前无人机空域进入呈指数级增长态势,已对传统空管系统构成了巨大挑战。将无人机飞行安全纳入现有空域系统的管理方法将很快达到性能极限,特别是无人机执行复杂操作指令和目视之外飞行时,安全融入空域系统将变得更加艰难。