隨著現(xiàn)代高新技術(shù)的快速發(fā)展，全球民用無人機(jī)數(shù)量不斷增長(zhǎng)，低空無人機(jī)應(yīng)用場(chǎng)景日益多樣化，無人機(jī)及其應(yīng)用正在逐漸影響甚至改變?nèi)祟惿?。輕小型無人機(jī)是低空飛行活動(dòng)主體，其中90%以上無人機(jī)飛行高度低于120米（含），70%以上無人機(jī)飛行速度低于5米/秒；低空無人機(jī)飛行活動(dòng)具有典型的“低，慢，小”特征。但是，低空環(huán)境復(fù)雜多變，起伏的地形地貌、高動(dòng)態(tài)變化的建筑物，以及復(fù)雜的電磁環(huán)境和低空局部湍流都給規(guī)?；療o人機(jī)應(yīng)用帶來巨大風(fēng)險(xiǎn)。高效有序規(guī)范發(fā)展和管控?zé)o人機(jī)、保障低空運(yùn)行安全十分迫切。

為了有序管理無人機(jī)應(yīng)用，無人機(jī)監(jiān)管部門、生產(chǎn)企業(yè)、行業(yè)協(xié)會(huì)和科研院所等頒布或研發(fā)相關(guān)監(jiān)管政策或技術(shù)手段來隔離無人機(jī)與傳統(tǒng)航空及其他空域用戶活動(dòng)，從而保障空域安全。主要包括：空域限制（無人機(jī)最大飛行高度、地理圍欄和隔離空域等）、沖突消減（最小安全間隔、探測(cè)和避讓等）和無人機(jī)交通管理系統(tǒng)等。無人機(jī)交通管理系統(tǒng)是一種綜合有效監(jiān)管手段，該系統(tǒng)通過對(duì)經(jīng)實(shí)名登記注冊(cè)且具備唯一識(shí)別碼的聯(lián)網(wǎng)無人機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和任務(wù)、時(shí)空資源的統(tǒng)一調(diào)度，從而實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)積極管控和空域資源的合理配置。當(dāng)前進(jìn)展較快的包括美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）研制的無人機(jī)交通管理（UTM）系統(tǒng)、歐洲航空安全局（EASA）推出的U-Space系統(tǒng)、中國(guó)民用航空局（CAAC）推動(dòng)的民用無人駕駛航空器綜合管理平臺(tái)（UOM），以及新加坡項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)提出的城市場(chǎng)景下無人機(jī)城市交通管理系統(tǒng)（UTM-UAS）等。

低空無人機(jī)業(yè)務(wù)化運(yùn)行對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的需求分析

當(dāng)代無人機(jī)的迅猛發(fā)展主要得益于科技發(fā)展的浪潮，例如：微電子技術(shù)帶動(dòng)了無人機(jī)元器件和傳感器的小型化、集成化發(fā)展，新材料技術(shù)助力無人機(jī)結(jié)構(gòu)趨于輕質(zhì)化、多功能化，自動(dòng)化技術(shù)帶來無人機(jī)的自動(dòng)駕駛和作業(yè)，通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的高效測(cè)控和實(shí)時(shí)高帶寬圖像傳輸功能，燃料電池、鋰離子電池等技術(shù)延長(zhǎng)無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間，以及導(dǎo)航定位技術(shù)提供三維空間精準(zhǔn)定位導(dǎo)航服務(wù)等。高新技術(shù)通過關(guān)鍵技術(shù)催生和若干“科技基礎(chǔ)設(shè)施”的形式支撐了無人機(jī)應(yīng)用的大發(fā)展，為低空規(guī)模化業(yè)務(wù)運(yùn)行提供了必要條件。

面向低空的規(guī)?；瘶I(yè)務(wù)應(yīng)用，運(yùn)營(yíng)商安全生產(chǎn)和政府安全監(jiān)管對(duì)無人機(jī)運(yùn)行提出了高要求：“永不迷失”，是指在導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)與各類增強(qiáng)導(dǎo)航系統(tǒng)支持下，無人機(jī)能實(shí)時(shí)獲取自身高精度位置信息；“永不失聯(lián)”，是指在無線網(wǎng)、衛(wèi)星和公網(wǎng)等通信技術(shù)及基礎(chǔ)設(shè)施支持下，無人機(jī)時(shí)刻處于聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)；“有效管控”，是要求無人機(jī)用戶能按照民航或地方政府頒布的空域和飛行管制要求進(jìn)行合規(guī)飛行，并及時(shí)接收管制部門指令；“安全運(yùn)行”，主要是對(duì)無人機(jī)運(yùn)行的確定性和安全性的要求，包括無人機(jī)運(yùn)行環(huán)境安全、無人機(jī)之間及其與“有人機(jī)”之間的運(yùn)行安全。

基礎(chǔ)設(shè)施需求

外部公共或?qū)Ｓ玫幕A(chǔ)設(shè)施是支撐以上無人機(jī)業(yè)務(wù)化運(yùn)行要求的基礎(chǔ)，主要包括以下4方面。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和各類增強(qiáng)導(dǎo)航系統(tǒng)提供無人機(jī)位置服務(wù)。當(dāng)代無人機(jī)飛行離不開導(dǎo)航系統(tǒng)，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）和各類增強(qiáng)導(dǎo)航系統(tǒng)（包括SBAS和GBAS）為無人機(jī)高精度定位提供技術(shù)及基礎(chǔ)設(shè)施支撐服務(wù)。GNSS能在地球表面或近地空間的任何地點(diǎn)為用戶提供全天候三維坐標(biāo)、速度和時(shí)間信息。目前，全球主要有四大導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，包括美國(guó)的全球定位系統(tǒng)（GPS），俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS），歐洲的伽利略導(dǎo)航系統(tǒng)（GALILEO），以及我國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）。SBAS通過提供差分修正和完好性監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)加強(qiáng)GNSS監(jiān)測(cè)的精度和完好性，是衛(wèi)星導(dǎo)航的一種補(bǔ)充加強(qiáng)手段。衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)結(jié)合GBAS，如通過參考站信息開展基于載波相位實(shí)時(shí)差分技術(shù)（RTK）的動(dòng)態(tài)解算，能夠達(dá)到厘米級(jí)定位精度。通過GNSS、SBAS及GBAS等系列公共基礎(chǔ)設(shè)施，可實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的動(dòng)態(tài)位置實(shí)時(shí)解算、高速移動(dòng)速度解算，提供全天時(shí)、全天候的時(shí)間基準(zhǔn)和授時(shí)通信服務(wù)。這些服務(wù)具有高精度、高可靠、多模態(tài)、兼容組合的特點(diǎn)，客觀上為無人機(jī)飛行與監(jiān)管提供了非常重要的技術(shù)支撐。然而，復(fù)雜地理環(huán)境下（如城市、自然峽谷和森林）容易出現(xiàn)信號(hào)遮擋或阻塞，從而降低衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的可用性和定位準(zhǔn)確性。對(duì)GPS精度的研究試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于山體或建筑物導(dǎo)致衛(wèi)星信號(hào)阻塞，無人機(jī)定位漂移可能超過20米。這使得用戶需要尋求其他獨(dú)立于GNSS的外部基礎(chǔ)設(shè)施解決方案。

衛(wèi)星通信系統(tǒng)和地面移動(dòng)通信網(wǎng)支撐無人機(jī)聯(lián)網(wǎng)通信。無人機(jī)安全飛行和監(jiān)管要求無人機(jī)必須時(shí)刻處于聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)。當(dāng)前無人機(jī)通信主要基于無線、衛(wèi)星中繼與地面移動(dòng)通信技術(shù)。其中，無線通信通過數(shù)傳電臺(tái)或無線局域網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，均需要進(jìn)一步開發(fā)完善。無線數(shù)傳電臺(tái)在特定頻段上進(jìn)行簡(jiǎn)單點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，存在頻譜資源可用性和通信延遲等挑戰(zhàn)；無線局域網(wǎng)技術(shù)是一種短距離通信傳輸技術(shù)，存在信號(hào)易受遮擋和干擾等問題。無人機(jī)衛(wèi)星中繼通信通過專用機(jī)載模塊利用北斗等低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，成本較高，一般應(yīng)用于無人區(qū)等特殊作業(yè)場(chǎng)景，以及應(yīng)急情況下的無人機(jī)通信服務(wù)。相比傳統(tǒng)通信手段，地面移動(dòng)通信技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于高速率、低成本和基礎(chǔ)設(shè)施覆蓋范圍廣。當(dāng)前廣泛支撐無人機(jī)作業(yè)的地面移動(dòng)通信技術(shù)主要是4G通信技術(shù)，基于覆蓋全國(guó)的4G通信基礎(chǔ)設(shè)施，在大部分應(yīng)用場(chǎng)景下，監(jiān)管部門和用戶能實(shí)時(shí)獲取聯(lián)網(wǎng)無人機(jī)信號(hào)。隨著低空時(shí)代的到來，無人機(jī)業(yè)務(wù)化、商業(yè)化運(yùn)行對(duì)實(shí)時(shí)通信提出了更高要求，高帶寬、低時(shí)延、端對(duì)端是保障低空業(yè)務(wù)化穩(wěn)定運(yùn)行的基本條件。由于空中通信業(yè)務(wù)的特殊性，當(dāng)前面向地面用戶的主流通信技術(shù)難于滿足數(shù)百米高度層和高帶寬穩(wěn)定應(yīng)用要求，而具備高帶寬、低時(shí)延、滿足更深低空縱深覆蓋的新一代通信技術(shù)（如5G通信技術(shù)）將是低空無人機(jī)應(yīng)用主要低成本保障性通信手段。

無人機(jī)交通管理系統(tǒng)和云系統(tǒng)服務(wù)無人機(jī)合法合規(guī)運(yùn)行。當(dāng)前各國(guó)都在建設(shè)無人機(jī)云端管理系統(tǒng)，中國(guó)也提出了UOM一期建設(shè)框架，同時(shí)行業(yè)部門更早的時(shí)候也研發(fā)了無人駕駛航空器空中交通管理信息服務(wù)系統(tǒng)（UTMISS）服務(wù)平臺(tái)。在中國(guó)民用航空局的主導(dǎo)和授權(quán)下，各行業(yè)和企業(yè)也開展了一些無人機(jī)試點(diǎn)工作，如UTMISS在深圳和海南的空域開展審批試點(diǎn)工作?？傊攲蛹軜?gòu)UOM，核心UTMISS，行業(yè)無人機(jī)云，以及公安部、工業(yè)和信息化部等部門關(guān)于無人機(jī)系統(tǒng)的政策（地理圍欄、無人機(jī)實(shí)名登記注冊(cè)等），都為無人機(jī)安全運(yùn)行提供了相應(yīng)支撐。當(dāng)前，任何一架無人機(jī)都必須在合法云系統(tǒng)監(jiān)管條件下方能合法飛行。事實(shí)上，這也是一個(gè)服務(wù)無人機(jī)低空應(yīng)用發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施。中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所主持研發(fā)的“中科天網(wǎng)”云服務(wù)系統(tǒng)也獲得中國(guó)民用航空局批準(zhǔn)運(yùn)行。

高精度氣象預(yù)報(bào)和無人機(jī)驗(yàn)證場(chǎng)支撐安全運(yùn)行與科學(xué)實(shí)驗(yàn)。在實(shí)際飛行中，切變風(fēng)和大氣邊界層湍流等局地極端氣候一直是造成低空無人機(jī)運(yùn)行事故的重要原因。尤其是在城市復(fù)雜環(huán)境下，風(fēng)場(chǎng)的快速動(dòng)態(tài)變化會(huì)降低無人機(jī)飛行的穩(wěn)定性，氣壓變化帶來的感知高度誤差也會(huì)降低無人機(jī)的定位精度，嚴(yán)重影響起降階段運(yùn)行安全。為了保障低空無人機(jī)運(yùn)行安全，需要提前預(yù)報(bào)和及時(shí)獲取沿途及起降場(chǎng)的天氣情況。然而，大區(qū)域范圍的高精度氣象預(yù)報(bào)要求高算力、高存儲(chǔ)空間和精細(xì)化高分辨率天氣預(yù)報(bào)模式支持，當(dāng)前區(qū)域氣象預(yù)報(bào)模式模擬結(jié)果的時(shí)空精度還達(dá)不到要求，尤其是風(fēng)力風(fēng)速的預(yù)報(bào)還存在比較大的誤差，無法滿足高頻次的低空商業(yè)運(yùn)行需求。另外，在無人機(jī)應(yīng)用進(jìn)程中，需要在特定區(qū)域特定場(chǎng)景內(nèi)進(jìn)行多類別無人機(jī)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證沖突避讓、低空監(jiān)管、對(duì)地遙感等關(guān)鍵技術(shù)的可行性與合理性。無人機(jī)驗(yàn)證場(chǎng)是一種保障無人機(jī)科學(xué)試驗(yàn)飛行安全的重要基礎(chǔ)設(shè)施，其對(duì)于無人機(jī)未來商業(yè)化運(yùn)行不可或缺。近20年來，中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所和空天信息創(chuàng)新研究院等已陸續(xù)在全國(guó)結(jié)合中國(guó)科學(xué)院野外科學(xué)臺(tái)站或通過與地方合作，建設(shè)了一批面向多應(yīng)用場(chǎng)景的無人機(jī)綜合驗(yàn)證場(chǎng)，初步形成無人機(jī)空港服務(wù)網(wǎng)，并在科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)和應(yīng)急觀測(cè)實(shí)踐中發(fā)揮了重要作用。