农业无人机空中交通管理及监视技术研究

张 进

（南京航空航天大学，江苏 南京 210000）

早在无人机成为新闻热点之前，行业领导者们就认识到需要一种系统性方法来安全管理无人机在低空空域的运行[1]。多年来，国内外学者开展了一系列空中交通管理系统研究，提供了各种基于计算机的工具，帮助提高飞行效率、减少延误、减少燃料使用和排放，同时确保航空器在空域中的安全。如今，创新者不断发现新的、有益的无人机应用领域，例如：货物交付、基础设施检查、搜寻救援、农业监测。但无人机运行时需要一个安全系统，来帮助这一最新进入天空的飞行器不会与建筑物、民航航空器或其他飞行器发生碰撞。

中国民用航空局（Civil Aviation Administration of China，CAAC）空中交通管理局[2]为了加强对民用无人机飞行活动的管理，规范其空中交通管理的办法，保证民用航空活动的安全，将有关民用无人机空中交通管理的有关问题规定如下：民用无人机应当依法从事工业、农业、林业、渔业、矿业、建筑业的作业飞行和医疗卫生、抢险救灾、气象探测、海洋检测、科学实验、遥感测绘、教育训练、文化体育、旅游观光等方面的飞行活动。张建平等[3]在对国际民航组织及美国、欧洲等民航发达国家和地区民用无人机分类管理经验进行归纳总结的基础上，结合我国民用无人机管理现状，提出我国基于多属性分类的民用无人机空中交通管理模式，分别从战术和战略层面进行阐述，并对关键的无人机交通管理系统的设计提出建议，以供民航业界决策参考。于宪泽[4]指出，在民航飞速发展的今天，从前神秘的无人机逐渐走入人们的视野，在日常的生产、生活中无人机发挥着重要作用。目前，我国无人机在航拍、测绘、电力、科考、农田探测等诸多领域均有所应用。无人机的作用不断加强，数量和种类日益增加，飞行活动范围逐步扩大，这对民航空中交通管理提出了新的要求。CAAC发布《特定类无人机试运行管理规程（暂行）》（以下简称《规程》）[5]，遵循“促进发展、先试先行、分类管理”的原则，鼓励无人机相关行业从业人员在典型场景下规范运行无人机操作。CAAR发布《通用航空经营许可管理规定》[6]，其中包含有关通航公司管理无人机的相关规定。李诚龙等[7]指出UAM交通管理将可能会和现有无人机交通管理体系产生交集并逐渐融合，面对这一新型运输方式，国家可能采用集中管理、试点运行、有序开放的交通管理发展路线。耿增显等[8]利用事故树分析安全风险因素，建立运行场景，利用基于特定运行风险评估（SORA）对该运行场景航路运行阶段进行风险评估，并提出相应的风险缓解措施。

国外学者研究包括：Kamienski等[9]研究了缓解不同UAS挑战引起的问题的潜在方法，并审查了这些不同方法的一些利弊，包括程序、自动化和政策的变化。Jiang T等[10]指出在UAS交通管理的许多领域中，进一步的研究将极大地有助于UAS用于公共和民用目的。ElisaCapello等[11]提出在城市环境中运行的基于云的遥控飞机系统（RPAS）监控设计。Liu Z等[12]说明了无人机安全、高效和可靠运行所需的多种操作、技术和监管改进，并指出了未来的研究方向。

1 农业无人机空中运行问题

农业无人机系统在全球范围内越来越多地被使用，但是在一个分散的监管框架下，并不是以连贯的方式定义。这些飞机的应用非常广泛（基础设施的损坏检查和监视、洪水等自然灾害的监测、天气预报的大气数据收集、农田探测等）。未来，它们还可用于农业种植和喷洒农药进行除虫。高度自动化的农业无人机技术现在正在成熟，并且有显著增长和创造就业机会的潜力。据预测，未来10年，UAS市场的价值可能占航空市场的10%，即每年150亿欧元。然而，民用UAS有各种形状和大小，它们在空域中与其他有人驾驶飞机的整合是一个真正的挑战。

UAS任务不同于有人驾驶飞机飞行。它们通常不会从一个机场起飞并降落在另一个机场。因此，从空中交通管理的角度来看，需要以不同的方式来管理。如今，民用RPAS飞行的快速增长增加了对它们进入民用空域的需求。然而，这带来了一个新的挑战，由于许多因素（适航性、空中交通管制、系统维护、安全网等）的贡献，有人驾驶飞机被认为是安全的。这些因素现在可能会受到新空域用户整合的影响。由于无人机上没有飞行员，因此应开发技术解决方案，以便通过命令链接（C2Link）的数据链路从远程位置或以高度自动化的模式控制飞机。无人机上没有飞行员，因此地面操作人员就要面临挑战，不仅要看到危险情况和其他空域用户情况，还要了解恶劣天气条件，同时要避免与障碍物的碰撞，这些都在考核着操作人员执行飞行的能力。因此，需要开发新功能，以管理UAS的任何情况，并保证与现有载人技术（如机载防撞系统）的兼容性。事实上，UAS任务是多功能的，其在空域中的集成应该以不同的方式解决。

低空RPAS操作现在是经济发展的驱动力。许多小型无人机系统在低于地平面（AGL）152.4m的高度运行。根据国际民航组织的说法，152.4m是巡航期间的最低VFR高度，起飞和着陆除外。这个限制在无人机操作和有人驾驶飞机操作之间创造了一个自然边界。航模爱好者把无人机因操作不当或发生故障导致坠机的情况称作“炸机”，截至目前炸机伤人事故已发生多起。旋翼操控不好可能就会招致祸患，一方面来说，无人机的旋翼非常快，每秒钟能达到150转以上；另一方面，无人机在飞行过程中，其本身也有自重。如果无人机在高空出现意外，加上自身的自重，旋翼的旋转速度，就会对市民造成非常大的安全伤害。这也证实了为UAS制定改进的监管框架和操作概念的重要性。

2 农业无人机空中交通管理规则

2.1 管理原则

国际民航组织将空中交通管理（ATM）定义为“在空中、地面和/或天基通信、导航和监视的支持下，通过人员、信息、技术、设施和服务的协作整合。冲突管理将包括三个层次：通过空域组织和管理、需求和容量平衡以及交通同步在国家空域管理中整合战略冲突；分离条款；避免碰撞”。根据2011年发布的国际民航组织328号通告，“将无人机系统安全整合到非隔离空域中的一个关键因素是它们能够像有人驾驶飞机一样行动和响应。这种能力在很大程度上取决于技术——飞机由远程飞行员控制”。实际上，UAS是要集成到ATM中的新系统。然而，UAS任务是多种类的。在152.4m以上，他们将使用与有人驾驶飞机相同的空域设计。然而，如下所述，可以预见需要一个适应小型遥控驾驶航空器的不同组织。它在欧洲被称为UAS交通管理（UTM）或U-space。它的操作程序、飞行意图、识别和跟踪都会有所不同，因为RPAS任务与有人驾驶飞机飞行不同。事实上，UTM以及U-space将是一套新的服务和量身定制的程序，旨在支持大量UAS安全、高效和可靠地进入空域。这些服务将依赖于功能的高水平数字化和自动化，无论它们是在UAS本身还是地面环境的一部分。今天，一系列措施已经到位，例如在视线内运行，在交通密度低的地面以上152.4m以下的高度飞行，配备识别和地理限制功能并进行登记。根据地面和空中风险评估，UAS在机场附近的任何操作都需要获得国家航空局的特别授权。但是，仍然有必要协调所有这些做法。

2.2 农业无人机空域融合规则

中空长航时（MALE）：假设在A到G类空域内作为IFR（仪表飞行规则）运行的UAS，主要是RPAS，将像有人驾驶飞机一样遵守相关空域要求。大型RPAS被视为有人驾驶飞机。不同的是，机长在地面上。因此，需要特定的功能：命令和控制链接（C2Link）检测和避免（DAA）系统。需要与有人驾驶飞机相同水平的设备。需要考虑的差异主要涉及它们的性能：（1）速度和爬升率。小型农业无人机会飞得很低（VLL），所以没有必要为这些农业无人机提供空中交通管制（ATC）。但是，需要对空域进行组织、识别和监视。（2）飞行计划，类似于仪表飞行规则（IFR）有人驾驶飞机。（3）满足通信、导航和监视空域要求。（4）配备检测和回避系统。（5）在进入管制空域时通知负责的ATC单位。（6）通知ATC将要使用的应急和紧急程序的类型，特别是在C2Link丢失的情况下。（7）使用出发和到达定制程序（待开发）。

2.3 农业无人机自动巡检

自动巡检是一项使机器“看见”的技术。这项技术使用摄像机和计算机代替人眼来识别、跟踪和测量目标，以便进行进一步的图像处理。随着计算机视觉技术的发展，该技术在农业自动化领域得到了广泛应用，对农业自动化的发展起到了关键作用。我们相信未来计算机视觉技术将与深度学习技术等智能技术相结合，应用于基于大规模数据集的农业无人机生产管理的各个方面，更广泛地应用于解决农业问题，更好地提高农业自动化系统的经济性、通用性和健全性，从而推动农业自动化设备和系统向更加智能化的方向发展。为了实现基于无人机的自动巡航监测，有关学者提出了一种基于计算植被指数（VI）的林冠高度模型，该模型结合了可见光波段（RGB）和近红外（NIR）域，有助于种植园的快速管理和可持续发展。简而言之，无人机自动巡航在灌区监测和水资源管理决策中发挥着重要作用。

3 农业无人机监视技术要点

3.1 农业无人机地空通信

无人机控制器的工作原理是从遥控器向无人机发送无线电信号，告诉无人机该做什么。无线电信号从农业无人机控制器中的无线电发射机发送，并由农业无人机接收器接收。这就是无人机控制器有时简称为无人机无线电发射机或无人机无线电控制器的原因。使用控制器移动无人机有四种主要方式：（1）在空中向左或向右移动无人机，字面意思是“滚动”无人机。（2）向前或向后倾斜无人机。（3）偏航。顺时针或逆时针旋转无人机，让无人机在空中做圆圈或图案。（4）将操作命令发送到无人机，使无人机更快或更慢。作为获取遥感数据的新型手段，无人机遥感技术在现代化农业中的应用日趋广泛。利用无人机的近红外光设备，可以实现对土壤的全面监测，并通过土壤图像的对比分析，得出土壤的湿度及其相关系数，确保土壤水分监测的合理性。农业无人机用于土壤水分监测不仅成本较低，而且具有较强的时效性和实用性。利用农业无人机对土壤水分进行实时、全面监测是农情监测技术的发展趋势，对现代化农业节水技术的发展有着极其重要的促进作用。

3.2 农业无人机控制链路

农业无人机的安全运行需要地面飞行员的稳定指挥和控制链路。当距离增加时，传统链路将逐渐退化，使链路更容易受到干扰和突然的条件变化，这反过来又会危及安全飞行。重新连接增加指挥和控制链路的弹性，确保飞行员始终保持对无人机的控制。面对意外恶化的情况，飞行员可以启动必要的安全程序，避免事故。指挥与控制（C2）或控制与非有效载荷通信（CNPC）链路为无人机在地面视距（LOS）条件下的控制和所谓超视距（BLOS）条件下的卫星通信链路中的控制提供安全信息。在正常情况下，频率管理通常是管制员的任务之一，而UAS可能会增加该工作量。由于C2链路延迟而导致的飞机机动延迟也可能使判断分离机动变得更加困难。如果通信和控制链路完全失效，地面飞行员将无法再控制无人机或与管制员交谈。飞机将开始按照预先编程的程序飞行，将其带到安全着陆点或无人居住的地点。在这些情况下，不能向UAS发送许可，而必须让所有其他飞机让路。此外，有关预编程程序的信息并不总是可供该扇区的控制器随时使用，这给管理其周围的其余流量带来了挑战。

3.3 广播式自动相关监视

广播式自动相关监视（ADS-B）是一种监视技术，其中飞机定期广播其位置并从地面站接收消息。ADS-B是将空中交通管制从基于雷达的系统转变为最流行的技术。UAS的快速发展大大超过了其适当的立法，当前的法规禁止将ADS-B输出（发射机）系统安装在未注册的系统（绝大多数UAS）上。由于不能确保可接受的空中安全水平，许多文件中的监视规定和提案都排除了小型农业无人机。然而，ADS-B的范围、分辨率、精度和更新率都优于其他现有技术。几乎所有UAS都在极低空（VLL）空域运行，FAA将其定义为低于152.4m的高度。这个问题可能会在不久的将来通过5G/B5G网络技术来解决，例如，通过利用现有的ADS-BLTE系统。然而，农村地区有限的覆盖范围和链路初始化时间是仅使用LTE的限制因素。蜂窝网络依靠一组基站（BSs），每个基站的覆盖半径可达数十公里。如今，它们被广泛部署在所有发达国家。蜂窝网络中最广泛的定位技术基于时差。例如，GSM定位基于现有的观测时差（OTD）。OTD评估从两个不同BSs传输到MS的信号之间的时间差。至少需要三个可见BSs来估计MS位置，这是通过将焦点位于BSs位置的双曲线相交而获得的。使用OTD的基于GSM的定位系统中的最终位置估计精度范围为50-500m。ADS-B和5G农业无人机系统之间的合作方法可以减轻978MHzADS-B频道上的同频干扰风险。在5G网络中，蜂窝足迹已经从宏基站发展到小型或纳米基站。给定区域内更多BS的占用空间更小，可提高容量和空间频谱效率，但实现这种密集化是以增加切换速率为代价的。可能会导致用户设备中数据流的意外中断，这是5G农业无人机用户导航和监控应用中的重大挑战。无人机（UAV）或无人机系统（UAS）有望成为5G/beyond 5G（B5G）通信的重要组成部分。这包括它们在蜂窝体系结构（5G无人机）中的使用，在蜂窝体系结构中，促进无线广播和点对点传输，通常使用小型无人机（SUA）。允许无人机与商用飞机、货运飞机和其他有人驾驶飞机一起在空域内运行，至少在短期内可能需要专用和受保护的航空频谱，而监管机构则会适应其使用。

4 结束语

随着时代的发展与进步，各种先进设备逐渐出现。其中，农业无人机的发展较为迅速，其被应用于测绘、勘察、摄影等多个领域，并发挥了较大的作用。要注意的是，大量无序飞行的农业无人机运行会对地面设施、公共安全、空中载人飞行器等带来危害。目前，民航空中交通管理不能适应未来数以百万架的农业无人机。为了应对该挑战，世界各国针对低空农业无人机空中交通管理开发了新框架。只有制定符合国家空域发展需求、满足社会安全目标水平的政策，才能使农业无人机能够安全、便捷融入国家空域体系的无人机空中交通管理规则，确保农业无人机能够安全运行。