基于无人机分类和安全性的空域融合研究

田宏安，刘函林

（四川九洲空管科技有限责任公司，四川绵阳621000）

基于无人机分类和安全性的空域融合研究

田宏安，刘函林

（四川九洲空管科技有限责任公司，四川绵阳621000）

无人机进入公共空域飞行的交通管理是无人机发展面临的关键问题，分析了无人机的安全性要求，建立了无人机的安全技术体系，根据无人机分类和安全性能，提出了无人机融入公共空域的技术措施，逐步实现无人机的空域融合。

无人机；公共空域；空域融合；碰撞危险

随着军民用无人机的大量使用，高中低空、超低空的空域越来越“拥挤”，导致空中交通安全问题日益凸显，飞行器安全隐患越来越严重。避免无人机之间、无人机与有人机之间的碰撞危险是无人机进入公共空域必须面对的重要问题。

1 公共空域和无人机空管现状

空域是飞行器的活动区域，是国家重要的战略资源。ICAO（国际民航组织）将空域分为A，B，C，D，E，F，G七种基本类型。美国有选择地引入ICAO的空域分类标准，定义了6类空域，在各类空域飞行的飞机接受相应的空中交通管理，并按照不同的飞行规则飞行。我国空域按照高、中、低三类空域管理。

无人机进入非隔离空域将产生与其他无人机和有人机之间的空中交通管理问题。FAA规定，无人机要在美国国家空域内使用，必须具有与有人机相同的安全性；Eurocontrol建议在欧洲非隔离空域内飞行的军用无人机，主要运行模式应在“飞行员”的管理下进行，而在数据链损失的情况下，保留以全自主飞行作为安全模式，因而无人机“飞行员”对非管制空域内规定的安全间隔和防相撞负责。我国无人机每次飞行基本上都要“特事特办”，临时批准，并严格限制在隔离空域飞行，一定程度上影响了无人机的研制和使用。

2 无人机的安全性

无人机的安全性不能低于载人航空器的类似标准，不能因为技术允许而要求无人机遵循更高的标准，这一原则被称为等效安全水平ELOS（Equivalent Level of Safety）要求。无人机系统的操作有赖于机载飞行控制系统和/或通信链接，这项要求引入了其他故障模式。在可靠性要相同的条件下，这些模式可能会增加事故的总数。无人机飞行安全中，除了自身安全性能外，无人机进入非隔离空域还会遇到法规、程序和技术上的问题。无人机的安全技术体系分为5层：第一层属于规划层，在空域运行管理、无人机飞行计划和飞行程序上制订了安全体系标准，最大可能地避免了飞行矛盾；第二层和第三次属于战略层，依靠空中交通管理，管制员或“飞行员”借助地面和机载设备监视飞行活动，防止违规飞行和违反间隔标准；第三层、第四层和第五层属于战术层，通过应答机、ADS-B、TCAS、SAR雷达、光电红外等机载设备实时掌握周边交通态势，感知碰撞威胁并有效规避。

3 基于无人机分类的空域融合

3.1 无人机分类

从降低成本的角度考虑，具有不同功能用于不同目的的UAV会有不同的大小和质量，从而带来载荷能力和机载设备技术水平的差异。因此，对不同UAV提出不同的安全和飞行要求，进行分类管理是解决无人机进入国家空域飞行的基础。不同等级的无人机具有相符的安全性设计，并按照对应匹配的空域飞行。从空管的角度按照感知与规避能力，适航要求，操作手资格等方面可将无人机分为3类：①Ⅲ类无人机。这类无人机能够在所有空域飞行，无空速限制。有人驾驶飞机遵守的所有法规Ⅲ类无人机都遵守，比如适航和操作手执照。该类无人机具备有人机飞行员所具有的感知与规避能力，可进行超视距飞行。②Ⅱ类无人机。Ⅱ类无人机可在指定的限制条件下进行常规飞行，要求具有“适航证”“操作人员的合格证书/执照”。美国2009—2034无人机系统路线图把这类UAS定义为“非标准航空器/II类UAS”，它是在“未知交通空域（G，E类空域）”内运行，还可以使用交通量较少、有塔台的小机场（D类空域），但在机场不能与其他航空器共享空域，建议其空速不超过250 kt（≈463 km/h）。③Ⅰ类无人机。Ⅰ类无人机质量小（≤150 kg），动能小（撞击动能≤95 kJ），通常在视距范围内低空慢速飞行，风险较小。该类无人机通常限制在目视条件下飞行，但仍需要通过适航和操作手执照。

从空管的要求对无人机进行分类，明确了不同无人机的飞行规则（按照IFR或VFR规则飞行），匹配的空域飞行能力对其机载装备也提出了不同的要求，无人机操作手或地面指挥员的资格则为无人机提供间隔保障能力。

3.2 Ⅲ类无人机融入公共空域

Ⅲ类无人机具有全空域飞行能力，最有可能与航路航线上民航飞机相撞。民航飞机加装有S模式应答机、TCAS系统、具有ADS-B OUT功能。NASA的试飞验证也表明S模式应答机、TCAS和ADS-B在无人机平台也是成熟可靠的系统，因此，Ⅲ类无人机感知与规避系统必备S模式应答机、ADS-B和TCAS系统，ADS-B为无人机提供ID识别、四维位置、航迹角、航路航线、冲突告警等信息，管制员能够实时监视无人机，TCAS系统对空域协作目标进行探测，评估目标飞机的威胁等级，并实现协调规避。

Ⅲ类无人机对非协作目标的探测，可采用主动（雷达）和被动（光电/红外）传感器组合的高性能、全天候、全天时多模式系统。为了增强对高山、铁塔等地面障碍物和空域异常天气的探测能力，增加了近地告警系统TAWS和气象雷达WXR等。地面监视可以利用现有的SSR和ADS-B地面站，也可以增加新的站点，利用地面信息交互，把无人机纳入现有的管制系统，实现无人机融入公共空域。

3.3 Ⅱ类无人机融入公共空域

Ⅱ类无人机的飞行高度较低，与民航飞机的航路航线基本没有交集，发生碰撞的风险较小。可根据无人机执行任务的环境、作战任务、载荷能力、成本等因素选配Ⅲ类无人机的感知规避系统。S模式应答机、ADS-B和TCAS作为首选设备实现对协作目标的感知与规避，EO/IR实现对非协作目标的探测，TAWS实现对地面障碍物的探测，其他传感器根据需要进行选配。

3.4 Ⅰ类无人机融入公共空域

Ⅰ类无人机通常在视距范围内低空慢速飞行，风险较小，通常由操作手目视控制，主要从载荷和成本的因素考虑，选配体积小、重量轻、成本低的感知与规避传感器（比如声学传感器）。而Ⅰ类无人机种类繁多，其中的微小型无人机在机场周边“黑飞”造成的危害屡有报道。按照《民用无人驾驶航空器系统驾驶员管理暂行规定》，质量小于等于7 kg的微型无人机的飞行范围在目视视距内半径500 m、相对高度低于120 m的范围内，无需证照管理。这类无人机应纳入中国航空器拥有者及驾驶员协会（AOPA）建立的“U Cloud”等轻小型无人机空管系统进行管理。该系统给所有轻小型无人机加装一个SIM卡，不仅可以给无人机使用者提供服务，还可以给监管部门提供信息，便于监管部门对无人机的管控。

4 结束语

无人机在军、民用领域的蓬勃发展给空中交通管理提出了新的要求，从无人机的分类和期望安全性能出发，可逐步将无人机纳入公共空域飞行，实现无人机的空域融合。

〔编辑：张思楠〕

S127

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.14.057

2095－6835（2017）14－0057－02