由于其高度数字化、网络化和智能的固有性质，无人机系统（UAS）的操作对传统的航空监管和技术系统构成了巨大的挑战。如何为不同空域用户保持安全、高效、一体化运行，已成为全球民航面临的紧迫问题。
本文重点介绍了中国无人航空发展的主要作战场景和特点。分析了不同低空用户带来的新的操作特征和相关挑战，包括操作概念、UAS交通管理、技术测试和验证，以及标准。并且结合欧美国家的实践，总结了中国在低空作业管理方面的实践和进展，并根据实际需要分析了未来的技术发展需求和趋势，以及可行的实施路径和措施。![]()
作为新一轮科技革命和工业转型的一部分，无人航空正在迅速发展和发展，已成为社会生活和经济生产的新方式，代表着全球航空发展的未来。UAS的特点是具有高度数字化、网络化和智能性，并将在未来的中继续集成到国家空域系统（NAS）中。然而，由于各种类型的无人机系统（UAS）和复杂的操作场景，UAS的操作对传统的航空监管和技术系统构成了巨大的挑战。
如何建立一个适当的监管框架，包括适当的操作规则、技术系统和服务模式，以促进所有UAS运营商的高效和公平的访问，如图1所示。进入空域，实现不同UAS用户的安全、高效、一体化的运行，已成为全球民航需要解决的紧迫问题。
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图1 在城市空域进行不同的UAS操作
中国长期以来，已经为军用、货运航空等传统用户建立了成熟的空域分类和管理体系。自2010年以来，全国对通用航空等低空空域用户进行了低空空域管理改革，中国民航行政管理局（CAAC）建立了低空飞行服务支持体系。各方致力于为通用航空的发展和不断融入国家航空系统建立健全的空域运行环境。通用航空在中国一直发展缓慢，直到近年来无人航空工业在中国蓬勃发展。中国已成为世界上主要的UAS制造商，民用UAS已广泛应用于物流、农业、环境保护、监测，甚至城市交通。由于其广泛的应用前景和技术优势，UAS迅速成为一种新型的低空空域用户，并在电力线检查、航空摄影、航空测量等领域取代了通用航空。2021年，UAS在中国的飞行时间达到1900万，超过了交通运输和通用航空的总和。UAS等低空用户的繁荣和发展，有力地促进了低空经济的发展。为了促进经济的健康发展，迫切需要建立一个同时考虑发展需要和安全风险的低空运行调节体系。持续整合低空空域用户到国家空域和空中交通管理系统，重要的是要掌握多样性和特点的特点，全面检查当前通用航空运营模式的不足和空中交通管理系统，建立一个网络化、协调、安全、高效的无人航空运营管理和服务支持系统。为此，本文首先概述了中国无人航空现状的主要情况，并分析了由于低空用户的多样性所带来的新的操作特点和挑战。通过对欧美操作概念、规范标准、系统研发和试验验证等实践的回顾，总结了中国在低空作业管理方面的努力和进展。最后，本文分析了未来技术发展的需求和趋势，以及可行的实施措施。
针对无人航空的新需求和模式，以及随着技术发展趋势，中国确立了基于运营风险发展无人航空的愿景，从无人货物运输向无人客运，从通用航空向运输航空，从孤立运营向综合运营转变。目前的应用场景主要是UAS物流、载人-无人协同/综合操作、农林厂房防护、科学测绘、电力检查、应急救援等场景。本文主要描述了UAS物流和载人-无人协调/综合操作等场景。
物流在经济发展中起着不可或缺的作用。然而，物流是一个劳动密集型的产业。其高成本已成为制约物流业进一步发展的痛点。随着无人配送技术的发展，无人配送正在成为国内一种新的物流解决方案。与传统的载人地面物流相比，UAS具有智能化、信息化、频率高、批量小等特点，成本低，配送效率高。中国数字经济和快递行业的快速发展，为UAS物流提供了巨大的市场需求。根据旧金山快递数据，中国年快递业务已超过1000亿件，其中至少1%可通过UAS运输，市场需求已超过10亿件（约1亿UAS航班）。市场需求引发了UAS物流服务供应的快速增长。从 2018 年到 2021 年，中国无人机系统注册数量、无人机系统运营数量和运营飞行小时分别增长 42.6%、42.4% 和 13.2%，到 2021 年底分别达到 83.2 万架次、1.27 万架次和 180 万架次。近年来，已在中国开展了广泛的UAS商业应用，如图2所示，包括传统物流企业的B-to-B（企业对企业）模式，使用UAS取代地面运输网络，快递和快递的B-to-C（企业对消费者）模式，以及运输医疗用品和标本至医院和政府机构的B-to-G（企业对政府）模式等。运营覆盖城市、村庄、岛屿、山区等多种场景，运营商主要涉及中国国内领先的UAS物流企业。所使用的UAS类型包括大/中/小UAS，以及固定翼、多旋翼和垂直起落固定翼UAS等。![]()
图2 物流场景
UAS物流在中国农村地区，尤其是交通不便的地区，显著提升了运输效率和经济效益。2017年，中国民航局在江西赣州南康区批准了UAS物流配送试点。企业建立了新的起落点和近100条UAS运输配送路线，服务当地村民，将配送时间从1小时缩短至20分钟，效率提升超50%。四年内，赣州市累计完成28.88万次UAS飞行，总飞行时长3.13万小时，飞行里程146.89万公里，运输货物40.57万件。1.2.1 通过中型UAS（B-to-B）在物流站之间的快递2020年，中国民航批准顺丰（SF）航空公司在粤港-澳大海湾区开展低空UAS物流配送试点，其中UAS取代了传统的快递网络和区域货运配送点。在这个试验中，货物的两端绿色能源、智能交通收集和快递工作由快递员进行。通过建立一个城市低空UAS物流运输网络以深圳为中心，覆盖港澳大湾区区合理布局的配送站，旧金山航空公司创建了一个高效的2小时物流圈，提高了50%以上。1.2.2 使用小型UAS（B-to-C）向终端用户提供单件快递美团UAS公司致力于根据社区、购物中心、写字楼等环境特点生产定制的送收解决方案，构建能够满足不同场景配送需求的本地空中协调实时配送网络，提供15 min范围内的标准配送服务，使UAS交通真正实现“送货上门”的理念。迄今为止，美团已经在深圳开通了10条UAS指定的运营路线，覆盖了10个社区。1.2.3 快速运送医疗用品，如医疗试剂和血液样本（B-to-G）Covid-19大流行期间，UAS物流被广泛应用于医疗用品运输中，旧金山航空公司、Antwork等公司开展了大量医疗试剂和血样等应急物资的UAS运输。深圳的SF已经用UAS运送了40多万份医疗样本；在杭州进行了2万多个UAS航班。目前，UAS已逐渐成为中国东部地区部分城市医疗检测样本运输的主要参与者，具有以下三个优势：(1)提高时间效率；UAS可大大减少运输时间，不受地面交通拥堵的影响；(2)实现高频运输，提高样品检验效率；(3)实现无接触分布，可有效降低人员交叉感染的风险。第一种情况是利用UAS进行中长途饲料线物流运输。例如，凤鸟科技公司已经在盐池和玉林之间进行了试点运营，重点是农产品和新鲜产品的运输。他们使用的UAS类型是改良的Y5B，一个较大的UAS，最大起飞重量5.25吨，有效载荷1.5吨。昆仑通用航空公司在铁门关市与咸城（两者之间距离约400公里）之间开展了指定的大型跨区域货物物流配送业务，确保在区域内一天内收发货物。第二种情况是在岛屿情景下的新鲜产品的运输。长途UAS物流飞行在浙江金山、上海和浙江舟山之间进行，采用垂直起降固定翼UAS。往返行程近200公里，单程飞行时间为1小时，是传统岛屿交通工具出行时间的1/10。UAS在该地区的业务重点是海产品的运输，验证飞行已经完成。随着发展趋势，中国将继续扩大农村UAS物流配送服务范围，在城市开展更多UAS配送试点，进一步探索1吨以上的应用，逐步在部分城市及周边村庄形成UAS物流配送网络，改善城乡相互接入，促进大规模UAS物流的商业应用。如前所述，低空空域的用户包括通用航空和UAS。中国的通用航空业目前正处于稳定增长的阶段。客运UAS尚未完成适航认证，而物流UAS则呈爆炸式增长。因此，在城市和一般机场，迫切需要载人航空和无人航空的协调或综合运行。以深圳为例，如图3 所示。![]()
图3 人工驾驶和无人驾驶人员的协调/综合操作场景
大都市与通用机场、往返石油油平台的直升机穿梭服务在300-600米高空指定运营；在120米以上，SF、美团等公司开展UAS物流业务，其业务稳步增加。从上面可以看出，深圳同时存在多种操作场景，直升机往返于大都市与机场和海上石油平台之间，电动垂直起降飞行员操作等。另一个例子是四川自贡通用机场，数十家UAS和通用航空运营商在同一地点运营，这已经形成了通用航空和UAS航空的初步综合运营。然而，由于缺乏成熟的操作概念或规则和技术标准，以及通信导航监视基础设施的不足，如何确保载人和无人航空的协同运行带来了巨大的挑战。总体来说，在中国的一体化运营预计将分为三个阶段。在第一阶段，中国民航推广试点综合作战计划，并鼓励研究相关关键技术，不断提高飞机的实时态势感知、安全预警和操作人员的操作管理能力。第二阶段是根据操作风险制定UAS操作的法规、规则和标准。第三阶段是建立一个空域共享、数据互联、高效的UAS操作系统，使UAS航空真正融入国家空域。
1. 特性
目前，低空空域的用户包括通用飞机、UAS、evtol等多种飞机类型。由于作战方案的多样化，低空作战具有许多新的特点。在操作模式上，孤立操作正在逐步向一体化操作过渡。长期以来，中国为军民航空这两个主要空域用户建立了成熟的运行管理体系。与其他国家相比，中国的低空空域属于公有所有，属于军方管辖，低空空域的审批程序较多。因此，通用航空主要采用孤立的操作模式，以确保空域用户的安全。这些措施包括设置特定的地理围栏，或通用航空运营商独立飞行。然而，由于UAS运营商数量和运行时间的爆炸性增长，低空空域资源无法满足低空作业的需要。传统的孤立作战模式日益限制了低空空域使用的效率，无法满足利益相关方的需求。因此，对于城市和一般机场，迫切需要综合运营。在运营管理方面，传统的低空飞行服务正在逐渐向智能交通管理过渡。建立空中交通管制与通用航空飞行服务站密切合作的业务管理制度，提供管制空域的军用、民用航空服务，是国际惯例。然而，随着UAS的发展，人们迫切需要UAS交通管理提供商，同时也需要城市空中交通管理。UAS运营管理不仅需要注册、跟踪和监控等服务，还需要一致性监控、风险识别和报警，以及智能运营调度。在技术设备方面，技术的进步使“看、避“操作模式逐渐向”感、避“操作模式转变”。通用航空飞行主要采用目视飞行规则，飞行员对自己的安全负责并保持安全距离。随着技术的发展，UAS的智能水平越来越高。UAS安装了能够“感知和避免”的ACAS-sXU等设备，具有类似于地面自动驾驶车辆的精确环境感知能力。此外，随着UTM系统的日益成熟，可以实现协调的空地操作安全。我们在表1中面临的最大挑战是如何建立行业公认的运营概念和场景，以促进该行业的有序发展。低空作业与工业发展需求、关键要素和技术成熟度密切相关。目前，空域、基础设施、运营服务、标准和技术设备仍在不断发展，这一过程涉及到广泛的利益相关者和操作主题。许多国家和国际组织都致力于应对这一挑战。美国发布了《将民用UAS纳入国家空域系统的路线图》和《UAS交通管理运营概念》，并在不断更新。美国还成立了UTM研究和转型小组UTM研究过渡团队，并制定了UAS的四个开发水平（技术能力水平-TCL）。![]()
表1 对低空作战所面临的挑战的总结
NASA是第一个提出UAM概念，后来扩展到AAM（高级空中交通）。SESAR于2016年提出U型空间概念，在一系列数字化和自动化服务的基础上，促进UAS大规模融入未来空域，主要推进两个研究方面。一是推进远程驾驶飞机系统（RPAS）与载人航空的整合，二是推进小型UAS大规模有序运营。2017年9月，新加坡南洋理工大学在国际民航组织“无人机启用”会议上提出了城市环境UAS交通管理的概念，目的是将小型UAS整合到城市空中交通系统中。中国先后发布了《智慧民用航空建设路线图》和《无人航空发展路线图》，并正在起草《城市空中交通运营概念》和发展路线图。第二个挑战是如何建立数字化的低空飞行服务和交通管理能力，以实现不同系统之间的互连。为了应对越来越多的光和小UAS操作在低空空域，2019年，国际民航组织发布了一份文件“UTM核心边界共同框架”，旨在提供一个框架和核心功能的典型UTM系统的国家正在考虑UTM系统的实现，以促进全球协调。随着无人机(UAS)数量的激增，传统的低空域管理模式已无法满足需求，急需向综合运营转变。全球范围内，如美国NASA引领的UTM系统研究，以及欧洲的U-Space项目，都在探索如何将UAS安全有效地融入空域。中国也在积极推进无人机交通管理信息服务系统（UTMISS）的试点运行，以期实现无人机的安全、高效运行。低空经济的发展面临空域管理、商业化等挑战。中国部分地区已开展低空空域协同管理改革试点，探索军地民三方的空域协同化管理。商业化方面，无人机业务发展需经历技术突破、适航认证和商业化三个阶段，其中商业化是最具挑战性的一环。业界呼吁合作创新，以推动低空经济的健康发展。南洋理工大学和新加坡民航局开发了他们的UTM系统，该系统自2018年以来一直在测试中，以确保多个UAS在人口密集的城市环境中安全、高效地运行。中国已经在深圳进行了无人交通管理信息服务系统（UTMISS）的试点运行，可用于用户注册、信息查询、飞行计划申请、动态飞行信息归档、远程识别设备，如图4所示，并且对UAS飞行数据的收集非常有效。![]()
图4 远程识别设备测试
第三个挑战是如何建立操作技术和系统设备的验证能力。在技术探索方面，2015年，美国联邦航空管理局（FAA）和美国国家航空航天局（NASA）成立了UTM研究过渡小组（RTT），共同推广UTM的开发和应用。NASA专注于技术探索和研究成果的转移，美国联邦航空局专注于研究成果的实施和运行。美国宇航局提出四阶段TCL战略，从低人口密度低视线操作过渡到高人口密度高交通密度操作，完成了TCL测试、UTM试点计划和UAS集成试点计划。欧洲的U-Space计划包括9个研究和10个示范项目，覆盖19个欧盟国家和125个组织。美国宇航局和FAA进行飞行测试，提出“安全50”概念，关注UAS城市操作安全。在欧洲，为了测试和验证地平线2020项目探索的新兴航空技术，SESAR分别在2016年和2020年对大型飞行验证示范项目（VLD）进行公开招标，主要包括优化空域使用、综合轨道管理、u型空间和城市空中交通服务以及环境可持续性。欧洲UTM试验的特点是规模大，涉及大量参与者，验证了其从U1到U3阶段的操作支持能力。从不同角度多次验证了核心u空间服务的可靠性，并探讨了服务在各种场景下实际应用中的支持能力。新加坡民航局支持NOVA和OneSky等公司对UAS运营管理系统进行飞行测试。在日本，国土、基础设施、运输和旅游部的相关部门对配备了“飞行管理系统”的UAS进行了测试，以确定其与载人飞机协调应急响应的能力。第四个挑战是如何构建一个UAS标准体系。美国发布UAS标准化路线图，聚焦适航性、飞行操作与人员培训认证，提出71个优先项目。欧盟按风险评估将UAS业务分三类，制定相应监管标准。ISO、ASTM等组织也在制定UAS标准。2022年，中国民航局发布法规与标准框架，引导行业标准发展。
1. 全球UAS测试站点的发展与应用探索
为了促进UAS产业、法规和技术的发展，世界上许多国家和地区都建立了UAS测试站点，对相关概念、规则和技术进行了测试和验证。2013年，美国联邦航空局批准了6个UAS试点区，2016年的数量增加到7个；许多欧洲国家也建立了试验点，如丹麦UAS测试中心和瑞士Vidsel测试区。在此基础上，中国民航选择了全国13个城市作为UAS试点站点，每个站点都专注于一种特定类型的运营场景。中国的试验场址范围包括城市情景、岛屿情景、区域物流情景、高原环境和综合应用情景等。每个场景都有它自己的重点。城市场景测试UAS在城市应用。岛屿场景探索UAS在岛屿交通管理。区域物流场景研究大型货物UAS操作。高原环境场景研究UAS在高原运行技术。综合应用场景探索非密集地区UAS应用。测试站点旨在验证各阶段UTM技术和服务，探索未来应用。以深圳测试站点为例，研究的重点是UAS城市物流场景和载人、无人航空协同运营场景。一方面，由于旧金山、美团等企业对城市UAS物流的需求迫切，必须特别注意安全、高效、环境友好、社会接受度等因素。另一方面，通用航空和UAS物流的发展迫切探索载人和无人航空的协同操作，包括空域规划、动态信息共享、战略冲突管理、应急响应和系统平台。与深圳不同，杭州测试站点的重点是UAS物流和医疗供应分配。因此，努力开展低空5G网络覆盖规划建设，城市环境空域网格划分和细化管理，规划起降点布局规划，开发UAS运营管理服务平台。总之，目前的UAS流量管理仍处于起步阶段。本阶段的探索和实践主要包括明确不同场景下的运营概念，开展运营安全评估，建立低空运营管理平台，实现运营云数据收集，为运营商提供信息服务，初步形成运营规则和标准。同时，对北斗/5G、UAS控制、通信、导航、监视等操作技术进行了大量的测试和验证。
1. UAS运营技术与空域管理创新
随着UAS的大规模网络化运营不可避免，以不同类型飞机和运营场景的数字化智能低空运营管理为代表的运营技术已成为确保行业安全、效率和可持续发展的关键。这些技术包括数字化和网络化的空域指定和管理，以满足各种UAS操作的安全需求，以及动态的空域容量评估和交通管理方法，以提高无人/载人航空综合操作的效率。
SF UAS运行需求突显空域结构指定的紧迫性。荷兰代尔夫特提出自由空域等概念，优化路线网络设计；南洋理工大学提出矩阵节点等，适应城市空域；中国科学院地理科学与资源研究所提出三级网络结构。深圳建立UAS物流路线，杭州设计轻型物流UAS试点路线，推动行业技术标准形成。未来的UAS操作场景将是一个以高密度、大容量和高复杂性为特征的集成环境。鉴于此，有必要建立一个高密度的综合运营空中交通服务系统。此外，还应对数字空域管理、容量流量平衡、冲突管理等关键技术进行研究，建立将作战态势感知、航线规划和智能调度相结合的低空飞行服务系统。基于机载飞行管理和检测系统，可以实现近程自主分离维护和自主碰撞避免，从而提高飞行控制精度和操作能力。对于终端区域的高密度操作，有必要探索基于智能网络连接的实时进路测序、多UAS间的独立维护分离等方法和离开技术。低空交通管理不仅是提供服务和标准，更重要的是发展先进的技术和能力，这为包括监管机构、服务提供商、运营商和研究机构在内的所有利益相关者设定了很高的要求。为提高不同用户的低空空域利用效率，建议加强监管机构的组织协调作用，激发各方创新，加强UAS领域的跨行业合作。加强产业链上中下游的科技合作，加快各种UAS试点应用的推广，形成可复制的解决方案，制定更实用、时间敏感的规则和标准。
1. 无人机产业的战略规划与跨行业协同
中国需制定和完善无人机（UAS）的运营管理和发展战略，包括后勤保障和先进空中机动性。跨行业合作对于无人机领域的发展至关重要，应整合军事航空、民航和地方政府资源，共同推进UAS的空域融入和试点项目。同时，应鼓励地理信息、气象服务和城市信息服务机构提供无人机运营所需的基本信息和公共服务。
2. 推进无人机物流配送与关键技术研发
UAS物流配送试点的推进和扩大是行业发展的关键，特别是在医疗用品配送和工业园区应用方面。优先考虑跨河、跨海服务，逐步建立物流配送基础设施体系，加快公共应用领域的试点推广。此外，开发关键技术如远程识别、交通信息共享和感知回避功能，加强科研机构间的协作，推动技术研究、测试和验证。
3. 人才培养与运行管理标准体系的建立
低空飞行服务和交通管理是一个跨学科领域，目前缺乏针对不同机构的人才培养体系。需建立专门的培训体系，培养高素质专业人才，满足行业需求。同时，建立和完善UAS运行管理标准体系，根据行业需求和UAS技术发展，及时启动安全监督和运行管理，降低系统成本，促进行业发展。
综上所述，本文主要探讨了中国无人航空物流的主要运行场景和特点。运营场景主要包括物流公司使用无人机（B-to-B）、终端客户快递/外卖（B-to-C）、政府、医院等公共服务等物流场景，主要包括医疗用品和标本的配送（B-to-G）以及有人和无人协调/综合运营场景。本文分析了不同的低空用户所面临的新的操作特点和挑战。四个挑战包括如何建立行业公认的操作概念和场景，如何建立数字化的低空飞行服务和交通管理能力来实现不同系统之间的互联，如何建立操作技术和系统设备的验证能力，以及如何建立一个UAS标准体系。此外，结合欧美在操作概念、标准、系统研发、验证等方面的国际实践，总结了中国在低空作业方面的实践和进展管理，并分析未来的技术发展需求和趋势。
参考资料
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