基于地理信息的无人机低空公共航路规划研究

廖小罕 徐晨晨 岳焕印

低空是无人机主要活动空域，随着无人机商业化应用快速发展，无人机飞行活动陡增。近几年国外针对无人机应用发展提出了划设低空无人机专用空域的构想，我国也有类似的倡议。但是对于如何高效利用低空空域资源却缺乏进一步的研究。中国科学院地理科学与资源研究所正在开展的基于地理信息技术构架的无人机低空公共航路规划方案，可快速、低成本缓解空域需求矛盾，促进无人机应用有序发展。无人机低空航路与民航、通航航路不同，既要与二者衔接，也要针对无人机特点，充分利用和融合已有的地面资源和设施。本文提出的无人机低空航路是指在有人驾驶航空器最低飞行高度以下，预先规划具有一定宽度专供无人机飞行的公共空中通道。无人机实际飞行的路线称为航线，在航路中飞行的无人机，其航线就是航路的中心线。本文介绍的无人机低空航路规划包括无人机空港优化布局、低空空域环境构建和路径搜索与优化等技术。无人机低空航路的应用可以规范低空日益增加的无人机交通流，确保航空和公共安全。本文研究方法和进一步深化的成果可为空域管理部门、各类无人机云管理系统、无人机飞行操控者的航路规划提供重要参考，是无人机管控的重要基础手段。

无人机航路的基本属性

等级体系

按照无人机低空航路的定位和服务，建议划分为四级：低空骨干航路、低空主干航路、低空支线航路和低空末端航路。其中，低空骨干航路是指连接首都与各省、自治区、直辖市首府的航路，连接各大经济中心、港站枢纽、商品生产基地和战略要地的航路。其主要特点是：连接全国，具有全国政治、經济地位；在全国范围内便捷可达。

低空主干航路是指具有全省性政治、经济意义的省级低空航路。其主要特点是：省际间交通。

低空支线航路是指连接区域的低空航路，主要承载无人机空港与骨干/主干航路间的联系，或布设在复杂地形区域（如山区、人口稀疏区等）的低空航路。其主要特点是：提供区域间、山区及人口稀疏区等特殊区域间交通。除了长距离飞行，无人机还需通过末端航路与终端用户发生联系，解决“最后一公里”运营问题。

低空末端航路是指连接支线到终端用户或者一个终端用户到另一个终端用户的航路，主要承载无人机从支线航路到物流、餐饮投递等终端服务点/站的联系。其主要特点是：为偏远区域或山区物流货运、城市办公区或者居住区便捷社区服务等。

空间形状

为简化航路建模，将航路设置为圆柱体，而圆柱体的中心线即为航线。航线由多条航段构成。航线（航段）在三维空间中的表达和定位通过起点和终点、航线角和高度等因素确定，而航路的三维表达则是在以上因素基础上增加航路宽度因素。航线角是指从航线起点的经线北端顺时针到航线去向的角度，范围为0·～360·。

航路宽度

无人机在飞行中需要严格沿航线飞行，即无人机纵轴前方延长线的方向（航向）需要与航线角重合。但飞行途中会受到一些内在或外部环境因素影响，从而不可避免地偏离航线，比如受到无人机性能的影响、气象条件（如风切变）影响。为使无人机的航迹始终保持在航线上，除了无人机自身调控外，研究通过设置航路宽度来实现距离冗余以保证无人机在航路内安全飞行。不同等级航路的宽度不一样。全国骨干航路最宽，末端航路最窄。

航路最低安全高度

航路最低安全高度是为保障无人机在航路中的安全飞行而提出，由无人机管制相关规定、无人机性能、任务以及飞行环境等确定。参考民航规定，无人机航路的最低安全高度等于航路范围内的最大标高加上最小超障裕度。最大标高是指航路范围内地物的最高高程，最小超障裕度是指无人机超越障碍时所应保证的最小垂直间隔，影响因素包括可能造成高度偏差的气象条件、仪表误差和无人机性能等。

航路间隔和飞行间隔

航路间隔是指两条相邻航线之间的距离；飞行间隔是无人机基于时间或空间的距离，分为水平间隔和垂直间隔，其中水平间隔又分为侧向间隔和纵向间隔，飞行侧向间隔是指两架无人机在相邻航路同一高度层的水平距离；飞行纵向间隔是指处在同一航路同一高度层的无人机沿航向的距离，与无人机的仪表误差、机载防撞参数有关。为保证无人机的飞行安全，航路间隔必须大于飞行侧向安全间隔与航路宽度之和（见图3）。因此，航路间隔由无人机的飞行安全间隔决定。影响飞行间隔的因素主要包括：（1）无人机的通信、导航、任务载荷性能及其干预能力均对飞行安全间隔影响甚大；（2）自然环境对无人机的飞行安全产生非常重要的影响，比如积冰会导致机翼的气动性变差，风切变会影响无人机的飞行姿态等；（3）航路结构复杂度和交通流密度的增加会加大无人机飞行碰撞风险。因此，在某一时间点某个空域的无人机数量应该得到控制。

无人机航路设计的基本流程

本文的研究工作按照“构建本底数据库——无人机空港布局优选——无人机低空飞行空域环境构建——无人机低空航路生成及优化”的总体技术路线，先进行全国无人机空港的优选与布局，然后采用多级布设原则构建无人机低空多级航路网络体系，实现无人机低空多级航路构建的初步构想。本文主要介绍无人机航路设计总体技术路线的实现过程和演示性成果，没有考虑三维的情况，假设飞行都在地面移动通信网信号覆盖的合理高度如300米。航路规划主要包括以下六个部分：

构建低空航路规划本底数据库

划设无人机在几百米为上限的低空空域飞行的优势是规避有人驾驶航空器，减少对有人驾驶航空器的干扰和碰撞风险。但是，地面的因素可能会给低空超视距飞行带来航空和公共安全隐患，因此，在进行低空航路规划时需要大量精准地理空间数据及社会经济数据等基础数据支撑，构建一个航路规划本底数据库。该数据库不仅包含地面道路分布、通信环境、地形条件、涉及人类活动的禁飞区、限制区以及潜在的危险区等静态数据，还应包括未知威胁信息以及严重影响无人机飞行活动的动态变化数据，以支持无人机飞行路径的重规划。本文优先考虑低空气候（风切变、雷暴、积冰、低能见度天气等）约束、通信约束和限制区约束。

无人机空港布局

“无人机空港”或者“无人机验证场”一词最早在我国无人机遥感应用领域提出。无人机空港是指拥有合法空域的无人机机场和有关服务设施构成的有机整体，硬件设施主要包括无人机跑道、无人机机库、无人机组装调试区，导航通信设施等，软件设施主要包括飞行监管系统、空管协同通报系统等。无人机空港是无人机低空航路与地面的枢纽，可作为无人機的起降点和中转场地，为无人机的安全飞行提供保障。结合当前依托国家生态观测研究试验网开展无人机验证场和无人机组网科学实验的基础，本文拟根据中科院在全国272个野外科学实验台站的布局数据，结合各省会城市、区域经济中心城市或交通枢纽城市位置分布，选择一批野外台站定义为无人机空港，在此基础上构建连接各无人机空港的无人机低空航路，形成全国无人机科学实验低空航路网，作为全国无人机低空骨干航路原型，达到演示全国无人机低空航路构建过程的目的。

航线连接与优化

初步设计的无人机航路网局限于无人机空港对，未考虑交叉节点对航路的影响，存在飞行安全隐患，无法满足实际飞行要求。因此应采用合适的优化算法对其进行优化和调整。如合并临近无人机空港，调整共线航路、交叉航线和低利用率航路，以及调整航路网络非直线性等。

构建空域环境

研究采用栅格法建立无人机低空飞行空域环境。首先将空域环境划分为大小相同的矩形空间，然后根据栅格内是否包含限制区、恶劣气候多发区、机场净空保护区和基站信号覆盖区，将栅格分为障碍栅格和自由栅格。自此，空域环境由自由栅格和障碍栅格构成，并形成一个连通图，因而航路规划问题就转化成对自由栅格的规划问题，即在该连通图上寻找从起始栅格到终点栅格的规避障碍物的最优路径。

路径搜索

构建空域环境后，采用搜索算法进行最优路径搜索，得到无人机空港对之间的最优航路。路径搜索原则包括：（1）避开障碍物；（2）在移动通信基站信号覆盖范围内；（3）路径最短或者耗时最短；（4）沿地面路网搜索。

航路优化

无人机航路除了安全性要求外，还需满足无人机的动力学转弯速率，即航路上任意一点上的曲率必须小于无人机可达到的最大曲率。研究采用FrenetSerret（FS）坐标系定义无人机运动，在二维平面内曲率定义为路径的转弯半径。因此，为了满足无人机的动力学约束，设计航路时需要考虑现有无人机的最小转弯半径等机动性参数。

案例应用分析

根据各级航路的职能区分，全国骨干航路网在整个航路网络中起着举足轻重的作用，京津冀承担着政治和经济中心的重要职能。因此，本文以全国骨干航路网和京津冀多级航路网为例，进行全国骨干航路网和京津翼多级航路网规划。

本研究结合《“十三五”现代综合交通运输体系发展规划》，在北京、上海、广州、成都、昆明、乌鲁木齐、哈尔滨、西安、郑州、武汉、大连、厦门等12个国际性综合交通枢纽的地区，依托中科院野外台站作为无人机骨干航路的主要空港，将其他野外台站作为航路沿途的辅助空港。假设这些无人机主要空港承担着全国无人机物流集散、中转等综合服务功能，据此通过输入约束条件，优化计算出通达全国的无人机低空交通中枢（见图4）；选择京津冀地区的北京、天津、石家庄、唐山、秦皇岛、邯郸、张家口、承德、保定、沧州、衡水、邢台和廊坊等13个地区综合交通枢纽的区域内，依托中科院野外台站或选择行政中心地带作为无人机空港，构建京津冀地区的无人机骨干和主干航路空港。此外，选择以京津冀地区的县级市中心地带或交通枢纽附近，建设各地区的无人机支线航路网空港。

基于无人机低空航路规划基本流程，考虑在气象约束、通信约束、限制区约束和机场净空保护区约束条件下进行无人机航路规划。气象约束条件主要包括风切变、积冰、雷暴和低能见度天气；在假设有人区通信状况良好的情况下（假设北京和天津全境基站信号覆盖良好），通信约束环境仅考虑无人区的基站覆盖情况，因此，通信空域环境由人口分布和基站信号覆盖数据综合得到；限制区主要考虑地市级以上的重要政府机关、火车站、客运站、港口码头、公安局和高层大厦的分布；机场净空保护区根据《民用航空机场障碍物限制面保护范围数据》得到。为简化计算，以上约束条件均转化为航路规划空域环境中的“障碍物”，在路径搜索中实行“规避”原则。构建全国和京津冀的航路规划空域环境后，进行最优路径的搜索。研究采用蚁群算法进行最短路径搜索。然后利用ArcMAP软件自带的指数核的多项式近似 （PAEK）算法，基于无人机的性能参数（假设无人机最小转弯半径为1千米）进行航路的平滑优化，得到全国无人机低空骨干航路网（图5）和京津冀无人机低空多级航路网（图6）。

结束语

结合无人机商业化应用的迅猛发展和日益增加的无人机数量所引起的监管困难，本文提出并定义了无人机低空多级公共航路的概念，研究了无人机低空多级航路规划的关键技术，并将其应用到全国和京津冀航路网规划设计中，通过地理信息多约束条件和路径搜索与优化算法，得到基于全国无人机空港骨干布局基础上的全国骨干航路网和包括县级行政区的京津冀的支线航路网。该研究成果作为基于地理信息技术生成的无人机低空航路图，可促进和规范未来无人机大范围商业化应用、为全国和地区的无人机飞行监管提供相关技术支撑，为已有的无人机云管理系统提供公共航路支持。但是当前的无人机低空公共航路规划仅停留在理论层面，在未来工作中，将对无人机航路实施基于相关软件平台的仿真飞行和实际飞行，检验数据真实性，论证无人机航路的合理性和安全性；并设计和开发无人机航路规划软件，规范推进无人机低空应用的大发展。