空域地图及无人机安全监管平台关键技术研究

柳宗伟，朱靖，栾学晨，2

（1.广东瑞图万方科技股份有限公司，佛山 528305；2.中山大学地理科学与规划学院，广州 510275）

0 引言

近年来，我国的无人机数量增长势头极为迅猛。但无人机在生产生活各领域的广泛应用也伴随了一系列的安全问题，如隐私偷窥、坠落伤人、干扰民航等。虽然民航局颁布了多部相关的法律法规，解决了部分监管问题。但总体而言，由于现有法律法规条文原则性指导较多，缺乏精细化的指导性文件，导致“黑飞”问题陷入困境[1-4]。

为解决无人机监管难的问题，地方政府和公安机关也加入监管行列，并强调使用科技手段，实行更为细致和严格的管理措施[5]。目前广东公安厅发布了为期三年的《关于加强无人机等“低慢小”航空器安全管理的通告》，深圳市人民政府也发布了更为细致的《深圳市民用轻小无人驾驶航空器管理办法》来促进无人机的安全监管。本文综合各个省市公安厅相继出台的空域管理规定与无人机飞行特点，设计与实现无人机空域地图、智能追踪器与监管平台，实现通用航空器飞行的安全监管。

无人机空域地图和安全监管平台是基于空管技术、云计算和互联网的完美结合，集空域地图、无人机智能追踪器硬件和安全监管平台的综合管理系统于一体。支持线上线下运行模式，具有数据实时接入和高度开放的特点。其中数据是基础，监控是解决问题的手段，而建立一个集成型监管平台是本文最终要实现的目标。

1 空域地图设计和动态发布平台

1.1 空域专题地图的设计

本文根据各级单位对航空器飞行行为限制区域范围的要求，设计在电子地图的基础上设计空域管理专题数据库，包括禁飞区、限制区、危险区、航模航拍空域开放区。各个区域的相关定义如下所示[6]。

（1）禁飞区：禁止无人机飞行，并限制通用航空器飞行。建议划定禁飞区范围包括机场障碍物面及机场净空保护区、重点敏感单位（党政机关单位、军事管制区）、危险/重要物资仓储场所（危化物品存储点、重要物资点）、重要道路沿线、重要交通枢纽（火车站、大型汽车客运站、码头）。

（2）限飞区：在规定的时限内，未经有关部门许可，禁止无人机飞行，根据安全管理的需要划定限制区，包括永久限飞区和临时限飞区。限制区区域范围包括民航及军事部门规定限制区及地方政府公布的临时管制区域限制区。

（3）危险区：对无人机的飞行安全具有一定的影响，减少其可能受到的影响，划定针对无人机的飞行危险区，包括人口密集区域、车辆拥堵区域、架空类公共设施（高压电线、高压电塔）。

（4）开放区：按规定获得批准后可开展作业，区域范围根据航模协会已申请批示的空域范围进行封装接入建库的区域。

为了提高空域地图的精细度和可靠性，本文对一个区域进行了多层划分，包括类别的区分、航空器的区分以及飞行任务的区分。例如将公园这一大类二级分类：同为公园，顺德李小龙乐园适合无人机飞行，而顺德钟楼公园是文化古迹且游玩人数多属于人员密集区应划分为危险区；此外一些公园虽然允许小型无人机的飞行，却不允许大型无人机的飞行。本文会根据飞行申请中的航空器类型正确的划分区域类型。

1.2 空域地图发布平台

发布可靠的空域地图，除了空域专题地图数据外，还需要叠加发布基础电子地图数据以及动态天气、地形航拍数据、实时事件的数据，基本架构如图1所示。

图1 空域地图发布平台架构

其中，常见基础电子地图主要包括道路数据、水体数据、铁路数据、建筑物数据、园林绿地数据和信息点数据；在基础电子地图的基础上，同时增加高清的航拍影像数据以及通过无人机航拍数据提取的模拟真实地形的三维模型数据；补充地面架空的高压电线和高压电塔数据；而动态天气与事件数据包括气象局实时发布的动态天气数据，民航航线数据，动态交通，人口密度实时热力数据以及全国各地官方发布的当地事件。这些动态数据可以让本文更够更快的对飞行申请进行判断，实现有效的无人机安全监管。

2 无人机安全监管关键技术

2.1 无人机智能监控管理模块设计

智能跟踪器是针对通用航空器的监控设备，具备对无人飞行器实时定位并上传位置信息的功能，实时监控无人机飞行轨迹，当检测到无人机违规进入禁飞区提前预警并向无人机飞行器发出相应指令。该设备可以适用于所有通用航空器的安全监管，做到即插即用；也可以提供开放的SDK，有利于公安部门将数据用于不同的场景。此外它还具有独立工作、安装方便，操作简单等特点，其硬件框架如图2所示。

图2 智能监控管理模块硬件框架

其中关键模块的功能有：MCU：智能跟踪器处理器，实现整体业务流程控制；GPS+SIM模块：获取当前位置信息和数据发送功能；电源管理模块：为设备供电、供电切换与充电功能；Flash模块：采用非易失行存储芯片，记录飞行轨迹；LED模块：开机指示灯、GSM网络指示灯、定位指示灯。

2.2 无人机安全监管平台开发

为了实现无人机的监管，空域安全监管平台需要实现三大功能：飞行前通过航空器信息以及申报信息等对飞行申报进行管理；飞行中的通用航空器飞行轨迹实际监测以及飞行预警；飞行后的飞行应急和救援服务，平台架构设计如图3所示。

基于前述的功能设计，依托互联网构建的服务平台，将这些功能分为监控后台、监管手持端、用户App和对接其他监管部门的SDK接口四大模块进行开发。其中无人机安全监管平台部署在公安指挥中心。基于平台架构，本文设计了无人机飞行注册申请、飞行监控预警、事故应急查证三个关键功能。

（1）飞行注册申请

无人机飞行前，首先需要登记注册，以获取账号信息，并且驾驶员需要进行实名认证。然后等待公安部门的安排，线下对无人机进行安全绑定，将智能追踪器绑在无人机上。在需要进行飞行任务的时候，飞行员登录账号对在线提交飞行申请，而监控中心将飞行计划种的静态信息与空域地图自动匹配，5分钟内判断是否允许该区域该时间段的飞行申请，如果可行，则给出申请允许的通知，如果不可行，则给出拒绝的命令。

（2）飞行监控预警

安全监管平台后台通过智能追踪器实时监控本地区起飞的绑定后的通用航空器，所有申报飞行计划的飞行器均在系统内能够监视。当飞行器接近禁飞区、不同飞行器之间轨迹接近预警距离、航空器发生航高急剧降落、动力消耗等飞行异常情况，则自动启发预警响应机制，触发飞行应急、救援服务系统，提醒飞行员以及相关人员采取行动应对该问题。

（3）事故应急查证

当无人机将要飞入禁飞区或者限飞区，监管平台会通知飞行人员与区域产权人，对他们进行提示与预警。在必要的时候，例如无人机将要飞入大型活动场所，或者监控中心收到“黑飞”报警，监管平台也会根据情况出警解决问题。

图3 监管平台结构设计

3 空域地图和无人机监管平台的实现

为了落实无人机的监管，本文在广东省佛山市和江苏省常州市的试点区域制作了空域地图，开发了无人机安全监管平台，并通过使用自主研发的RT420工业无人机进行安全监管实验。

3.1 空域地图的生成和发布结果

根据空域地图的设计以及发布方案，在佛山市顺德区实验区域基于导航电子地图数据的属性提取来验证该区域的空域地图的准确性，根据区域特性将其归为禁飞区或者限飞区，制作范例如图4所示。其中通过导航电子地图可以准确提取出重要道路沿线、重要交通枢纽（火车站、大型汽车客运站、码头），并通过属性推断划分出人口密集区域（楼盘小区、学校、医院等）、车辆拥堵区域（实时交通数据）。通过实地验证，空域专题数据的完整度超过90%，证明本文的设计的空域地图方法具有较好的准确性。但是，对于重点敏感单位（党政机关单位、军事管制区）、架空类公共设施（高压电线、高压电塔）等，由于数据涉及专业政务地图，在导航电子地图中无法获取。这类数据量虽然占比只有10%左右，但对于空域安全的监管至关重要。

图4 佛山市空域地图制作范例

为此，本文在常州市实验区域与当地规划局和政府监管部门联合，综合了电子地图数据、政务地图公共设施以及高清航拍数据，根据空域地图设计规范，提取禁飞区、限飞区和危险区等数据，在数据平台上发布了完整的常州市空域地图，通过与最新的数据进行比对，常州市空域地图的数据准确度达到98%，数据的全面性达到95%（图5），满足当地空域安全监管的需要。

图5 常州市空域地图制作范例

3.2 空域安全监管平台的实现

在前述对安全监管平台的功能设计的基础上，本文开发了常州市无人机空域安全监管平台。在已经开发完整的常州市无人机空域安全监管平台的基础上，在常州市武进区进行了实地的无人机安全飞行的实验验证，共验证了50个架次，具体实验结果如下：

（1）空域申请实验

实验通过后台本文进行飞行申请，实验结果表明安全监管平台可以根据空域地图提供用户航线规划参考，并自动判断空域安全冲突。飞行申请冲突检测结果如图6所示。当申请的规划区域与禁飞区冲突、或者与同一地区先前申请或者更高级别的航区冲突时，系统会自动发出提示，要求用户调整飞行区域和飞行时间。

图6 飞行申请空域

（2）空域监管实验

在常州市武进区通过RT420无人机进行轨迹监管实验，在无人机的飞行过程中对无人机的轨迹进行实时监测。

同时，在实验的过程中，模拟在空域地图中模拟禁飞区，控制无人机接近模拟的禁飞区。当无人机接近禁飞区时，平台准确地进行预警提醒，消息同时发送到用户端App，要求飞行员进行处理。实验结果如图7所示，当无人机进入禁飞区后，平台启动自动返航指令，强制干预控制无人机返航，并发送信息到监管端App进行出警安排。

（3）违规记录

在无人机监管端，进行了违规记录的事后追查的实验验证。

通过实验验证后的无人机飞行成果和记录，在后台对无人机的历史轨迹和违法记录进行查询和管理，实验结果表明无人机监管平台已经实现了实现无人机的监管从实时和事后追责的全面监管和保障。如果无人机轨迹飞行均在安全监控范围内，则轨迹显示为绿色（图8），如果存在飞行违法记录，则违法部分的轨迹会用红色进行显示。这使得监管人员能够清晰地判断出无人机飞行的违法范围和类型，作为责任追查的重要证据。

图7 实时轨迹监测

图8 历史轨迹管理

4 结语

本文针对目前我国无人机面临的安全隐患进行分析，结合我国的空域环境与无人机飞行特点，设计与实现了空域地图与无人机安全监管平台，以有效且安全地为无人机用户提供无人机监管服务。该平台目前可以满足无人机监管的基本需求，未来将继续致力于航空器飞行盒子的飞行控制、航线的精细化申请、平台多方面应用等方面的研究使得该监管平台更加地可靠与完善。