柏艺琴
近年来,民用无人机的生产和应用在国内外蓬勃发展,无人机的应用领域不断扩大,其在个人娱乐、资源勘查、海洋监测、航空摄影测量、农林业监视等领域,都显示出巨大的潜力。随着大数据、云计算、移动互联网等信息技術与无人机技术的相互融合,民用无人机产业链已从“垂直进步”走向“水平进步”,通过开拓不同的应用领域,无人机带动了一系列“无人机+”类型的新兴产业的发展,推动了国民经济的发展。因此在国务院制定的《中国制造2025》规划中明确指出:推进无人机产业化快速发展是我国下一阶段产业升级的重点工作。
当前,我国的无人机行业已经进入了高速发展阶段。据中国民航局数据显示,截至2017年12月31日,我国民用无人机驾驶员合格证总数为24407个,而无人机驾驶员合格证按季度增长的统计则更是可以看出我国无人机行业发展的迅猛趋势,如图1。
值得注意的是在这2.4万余名无人机驾驶员中,获得多旋翼驾驶员合格证的有20833名,这表明虽然目前大型货运无人机和载人无人机已经试飞成功、并且产生了巨大的社会影响,但是低空、慢速、轻小型无人机仍然是我国民用无人机的绝大多数。如何对数量众多并且还在快速增加的低慢小型无人机进行实时监控,是我国民航无人机管理领域的重点工作之一。与其他航空器一样,无人机并不是独立运行的,必须依靠无人机平台提供的空管(ATM)及其他服务,因此对无人机平台进行有效管理就成了无人机管理工作的主要抓手。
为了满足无人机行业发展的需要,2015年民航局飞行标准司发布了《轻小无人机运行规定(试行)》,其中对无人机平台运营商的资格和标准做了详细说明,民航局依据该咨询通告对无人机平台运营商进行审定和批准。
无人机云系统概念的提出
无人机云是轻小型民用无人机运行动态数据库系统,用于向无人机用户提供航行服务、气象服务等,同时民用无人机将运行数据上传至无人机云端,以便民航监管方和其他相关部门对无人机进行实时监控。2017年10月,由飞行标准司提出,中国民航科学技术研究院负责编写,多家无人机和通信技术公司参与起草、标准制定及最终审定工作的中国民用航空行业标准《无人机云系统接口数据规范》(MH/T 2009-2017)正式发布,这项标准已于2017年12月1日起开始实施。规范首次规定了轻小型民用无人机系统与无人机云系统之间的传输数据要求、数据加密要求、编码规则和性能要求。同时在该标准中还明确指出,无人机系统和无人机云系统之间应按照要求的标准数据接口进行双向通信,通信内容应包含注册信息,动态信息,数据类型,差异数据等。未来,无人机不需要增加硬件,只需在通信模块直接兼容云接口标准即可接入云系统。无人机用户可以自行选择接入任何一个云系统。
目前的无人机云系统的主要功能包括:
用户注册管理:对提交系统注册信息的无人机用户及企业信息(个人身份证、营业执照、地址、联系方式等)审核,审核通过的用户注册为系统合法用户,每次登录系统均需进行身份认证。
用户无人机注册管理:系统无人机用户在平台统一注册自己无人机,全国注册号唯一,可追溯。注册信息包括无人机型号、飞控设备号、类别以及相关技术参数。
飞行数据实时上报:平台注册的无人机飞行过程中实时上报自身的飞行数据到系统。
全国无人机实时监控:对平台注册的全国各地无人机实时监视,包括计划飞行区域、实际飞行区域、飞行轨迹、执行的飞行任务、飞行航迹等数据。
飞行计划快速报备:每次飞行前无人机用户提前报备飞行计划,系统进行计划预审,如果存在违规情况,则提示用户;紧急情况用户可快速申请临时飞行计划报批。
飞行计划报批:用户申请飞行计划后,监管单位可实时接收并进行审批,审批结果系统自动通知申报人。
无人机信息实时监视:对每一架飞行中无人机的所属拥有人、飞行员及证照、位置、高度和速度、飞行任务、计划飞行时间段等数据实时监视和显示。
禁飞区数据、无人机围栏数据查看及数据实时动态更新:无人机用户从系统中可查看全国最新禁飞区数据(限制区、机场等),飞行前可及时了解哪些区域可以飞行;相关监管单位可及时绘制禁飞区域,并更新系统地图数据。
飞行记录回放。
无人机保险服务:与保险公司合作推出无人机第三者保险服务产品和相关无人机保险产品。
此外,还有一些无人机云系统实现了与空军、公安等管理部门系统对接,实现协调管理或分区域管理。。
由此可见,无人机云系统目前具有的功能囊括了无人机注册、飞行计划申报、运行监控等任务,可以满足无人机运行的实际需要。
无人机云数据交换平台
如前所述,无人机可以选择不同的无人机云服务商,因此为了实现注册于各家云系统的无人机互相可见,2017年,飞标司通过安全能力建设项目,委托中国民航科学技术研究院对各个无人机云之间的数据交换进行研究,开发了“无人机云数据交换平台”,实现了多家无人机云系统的实时数据交换和共享,实现了同一空域下注册无人机互相可见,进而保障飞行运行安全。其中2017年无人机云数据交换平台月数据交换量如图2所示。无人机云数据交换平台还可扩展,与通航运行监视系统共享数据,目前已有北大荒通航公司的飞行监视系统和湖北低空监视系统接入该平台。这些通航运行监视系统的实际运行,验证了无人机在融合空域中与通航飞机共同安全飞行的技术方案,充分表明无人机与通航飞机互相感知是可行的。无人机云数据交换平台在不另行增加成本的基础上,有效保障了无人机之间或无人机与通航飞机之间的飞行安全。
与现有ATM的结合
为降低无人机飞行干扰航班正常运行的风险,提高无人机冲突数据报告的规范化程度,优化监管部门及时采取风险缓解措施的决策流程,201 7年7月19日,民航局飞标司签发了“关于飞行机组报告无人机冲突风险的通知”(局发明电[2017]2158号),并制作了“无人机报告表”供飞行机组使用,作为无人机位置信息获取途径的重要补充。另一方面,也在将无人机云系统与现有ATM融合,以避免无人机干扰航班正常运行。
无人机通过联网,特别是接人手机通信常用的蜂窝网络,可实现无人机通过智能手机进行便捷实名登记,并通过蜂窝网络辅助定位校验GPS位置的可信度,防止GPS不準或者造假。因此,4G/5G网络的使用为。因此,提供了可靠的数据传输,并通过加密认证技术实现了整体业务安全等,达到无人机飞行“事前可预警、事中可管控、事后可追踪”。
实践证明,大带宽、低时延、高可靠的通信技术,可以支撑未来空中低空无人机智能交通管理系统与现有民航ATM体系的融合,两者结合可以实现高效有序的低空和超低空交通管理,使无人机在合法的前提下安全、有序、自由的飞行。
我国无人机云系统现状
在国内,无人机云系统的应用已有两年的历史,主要使用对象是7kg以上无人机,现已取得了良好的示范作用。截至2018年2月28日,民航局飞行标准司共批准了5家无人机云系统提供商,具体如表1。
而且这些云系统均已实现了对无人机的实时监控,包括位置、速度、高度、航向等运行数据,无人机和无人机驾驶员的注册登记,飞行计划的在线申报、航行气象服务、航空保险购买等以及对侵入电子围栏的无人机具有报警功能。
无人机云系统经批准后,各家云服务提供商积极吸引无人机用户加入云系统,表2是在各家云系统上注册的无人机注册数量。
大多数无人机云服务提供商也建立了相应的质量管理体系,并根据ICAO9859文件《安全管理手册》初步建立了安全管理手册。
民航无人机云系统的数据挖掘研究
目前无人机云服务商已经积累了大量的无人机动态信息。这些信息是数据挖掘的基础。通过定向的数据分析,可以准确地了解目前我国无人机运行的基本状况,并且可以针对特定的应用进行有针对性的数据挖掘。
例如,《无人机云系统接口数据规范》(MH/T 2009-2017)中要求轻小型无人机向云平台发送的实时运行数据包括经纬度、高度、时间、地速、航向、定位精度等信息。从统计可以看出,在实际运行过程中绝大多数的无人机飞行速度在5m/s,即绝大多数的无人机作业为低速运行如图3所示。
图4显示的是2017年国内无人机的实时运行区域分布图,由图可知我国大部分无人机的飞行区域与各地经济较为发达的地区基本重合。这一信息可供无人机维修、无人机飞行员服务等方面的经济投资参考。
当然,以上两个事例采用的条件较为宽松,如果需要也可以按专项需求进行分析,例如针对农用无人机的速度可以单独研究,为相关企业的研发提供支持;再如,如果要开发一省的无人机市场,则可以只针对该省的无人机运行数量进行分析,从而发现商机。
中国民航无人机云系统的国际推广
2015年9月6-17日,无人系统规则制定联合体( JARUS)在北京举办2015年第二次全体会议,中国民用航空局飞行标准司首次参加JARUS全体工作组会议,在会上介绍了无人机云系统,并在会上现场演示了无人机云系统对于无人机的运行监视情况。来自美国、法国、欧洲航空安全局(EASA)的代表对无人机云概念非常赞同,并针对细节进行了详细的提问和讨论。我国使用无人机云系统实现轻小无人机监视,在国际上处于领先地位。2016年法国和意大利的两家公司参考了我国无人机云系统的技术方案,也研发了类似的无人机监视系统,并在JARUS 2016全体会议上进行了展示。
2017年9月19-21日,飞标司派员参加了国际民航组织(ICAO)在蒙特利尔举办的第二届远程驾驶航空器系统研讨会。本次大会飞标司代表介绍了中国民用无人机管理现状,特别向与会各国代表介绍了我国无人机云系统的发展状况和应用情况。与会代表一致认为,我国的方案是优选方法,各国可以借鉴。据了解,目前EASA、美国的无人机交通管理系统(UTM)等解决方案中的无人机实时数据管理部分与我国的无人机云与通航及ATM相结合的方案非常类似。
尽管无人机云系统在发展过程中,也产生过附加硬件、监督权力归属等各种讨论,但现今无人机云系统作为我国民航创新的技术方案,现已得到了国际的认可和国内的应用,已成为了无人机工业标准,未来随着5G通信、无线基站定位等技术发展,无人机云系统将最大程度地抑制无人机黑飞、无人机与民航飞机互相干扰等问题,而普通用户也将由此大大简化无人机注册、空域申请等流程。