无人机系统控制要素主要包括遥控、遥测、跟踪定位与信息传输。从目前无人机系统的飞行测控通信技术来看,主要是采用“站—机—链”运控方式。运用测控通信链路将手持遥控器、便携控制站、车载站、固定站等与无人机飞行平台,构成“一站一机”“一站多机”“多站一机”“多站多机”等多种形式的无人机系统^[2]。这些测控方式存在系统建设成本高、频率资源与控制范围受限、多机协同困难等诸多问题。如表1为3种不同型号无人机“一站多机”控制方式的数据链成本估算,其数据链成本占无人机系统总成本30%以上。因此,为提高无人机系统测控效率和协同能力,并降低无人机系统制造综合成本,迫切需要构建覆盖广、带宽大、具有确定性时延的网络化无人机测控体系。

现行空域管理主要是采用以航路航线为基础的空中交通管控方式,无论是客运还是货运等各类航空飞机都需要按照航路规划,依托地面固定的雷达、导航台等引导控制飞行,一旦飞出航路航线区域,空管部门将不能实时掌握其飞行情况。由于地面固定的雷达、导航台等导航设施布局受地形地貌限制,事实上,航路航线或飞机飞行轨迹往往都不是直线。如图1所示,图中4条典型航线都不是直线。因此,航路航线是现行空域管理的基础。目前,中国共有1140余条航路航线^①(①航路航线数据来源于中国国家空域管理中心。),所有进入中国空域的飞机都应按照规定的航路航线飞行。2016年马来西亚航空MH 370事件以后,中国要求民航客机每15 min进行一次主动位置报告,以便更好地掌握飞机的实时位置。

现行空域管理方式主要是针对有人驾驶飞机设立的,这种方式不能满足未来大批量、大范围、密集型使用无人机执行飞行任务的需求。迫切需要发展一种非常高效的网络化管理手段,对无人机进行飞行监管。尤其对于超低空作业和娱乐类无人机,在网络支撑下按“会飞的手机”模式进行管理将更为简单。

随着无人机产业的发展,低空飞行公共安全管理日益引起关注。对于合作目标的飞行安全管理,必须着力解决“可观测、可规避、可控制”3个问题^[3]。在智联网络环境下,解决这些问题将成为可能。

(1)“可观测”主要是指利用主动探测技术和被动探测技术,利用网络化的探测系统对空中目标进行探测,确保不出现遗漏。包括飞机主动发送、光电主动追踪、雷达主动追踪、信号被动探测等。图2为利用网络化的探测系统对低慢小目标进行被动探测的过程。

(2)“可规避”主要是指无人机利用数字化和网络化的空间信息,主动感知周边环境,并与其他飞行器进行交互,实时灵敏地做出规避等动作。

(3)“可控制”主要是指对于某些合作类无人机,在其任务不明、行踪不定的情况下,要有第三方网络化的控制手段,包括信号干扰、破解链路控制、第三方授权控制等。

手机、平板电脑、笔记本等移动智能终端上的应用程序(APP),通常都在采集硬件设备和用户行为信息,经用户授权,可用于一些商业应用分析。这些APP类型包括底层操作系统自带、设备厂商植入、运营商定制、第三方程序等,通过运管商网络发往APP指定目的地。主要用途包括:一是设备厂商监控系统软硬件状态;二是运营商监控系统资源使用情况;三是APP开发者获取用户行为信息。将来无人机同样是一类移动的智能终端,类似手机、平板电脑、笔记本等智能终端的需求,无人机也同样存在。无人机将成为空中机动飞行的智能终端,高度变化大,现有地面网络难以满足需求,必须对现有网络进行技术升级,才能满足各行业对无人机运维管理的需求。

目前,民航局已经批准有13家无人机云系统供应商,包括优云、优凯云、北斗云、无忧云、天宇云网、极飞云(农业植保专用)、拓攻云、中科天网、中航空管云、国网通航云、全飞云、亿航云等,正在提供无人机云管控系统应用服务^[4]。基本思路是无人机将速度、位置等信息发给地面站,地面站通过移动通信网络接入云系统,云系统实现对无人机的监管服务等功能。

通用航空产业是低空经济的重要内容。如美国通用航空产业每年可创造1500亿美元以上的产值,但以有人机为主^[5]。中国有人机通用航空产业发展一直都不太顺利,无人机产业将为中国通用航空发展注入新动力。当前,中国正在海南、湖南、四川、安徽和江西5省开展试点,加快推动低空空域管理改革,统筹推进省内机场建设,重点加快通用航空机场建设,深化民用无人驾驶航空试验区建设,培育航空航天新兴消费集聚区,建立航空应急救援服务体系,建立航空航天行业智能应用场景等,出台了“十四五”低空改革规划文件,做强通用航空和无人机产业,将为低空智联网服务产业发展提供难得机遇。

网络环境是构建智联网络空间体系的重要基础。低空网络化工程,就是灵活运用各种地面网络通信基础设施、低轨卫星网络和低空平台自组网技术,建设天空地海一体、实用、可靠、可扩展的低空信息传输网络化运行环境,对信息感知、时空基准、信息传输等各类异构网络系统进行智能接入集成,包括天基导航网、天基遥感网、天基传输网、空基通信网、海基通信网以及地基的5G移动网、互联网、垂直专网等设施(见图3中网络基础设施),形成万物智联的逻辑网络,实现网络内部、网络之间和用户之间在资源和要素配置层面的互联互通互操作,为低空智联网络柔性重组提供支撑。

当前,以5G通信和低轨卫星网络等为代表的信息技术发展突飞猛进,为构建低空网络基础环境提供了技术支撑。截至2021年7月,中国已累计开通5G基站96.1万个,已覆盖全国所有地级以上城市。正处于从非独立组网(NSA)向独立组网(SA)过渡阶段,但现阶段的5G网络仍无法很好支持低空无人机应用。可通过推动5G网络从NSA组网向SA组网的过渡,促进5G在新业务领域的扩展。开展5G网络能力增强,在3000 m高度内达到100 Mbps用户速率,建设云、管、端一体化的低空5G专网,承担低空飞行器的飞行信息管理、无人机注册、空域批准、预约服务等重要功能。在低轨卫星通信网络系统建设方面,美国马斯克星链互联网计划已进入卫星发射布局与运用实践阶段,中国在2020年已经正式申请12992颗宽带通信卫星轨道和无线频道使用计划。通过低轨卫星通信网络建设,形成空间星座,利用波束交叉覆盖,提高重点区域的用户容量,将天基骨干网、天基接入网与地面互联网、移动通信网等多域异构网络融合,按照“全球覆盖、随遇接入、按需服务、安全可信”的基本思路,构建天空地海一体化低空信息网络基础环境,可为无人机从发射升空、入网、执行任务、网络管理与安全管理、离网、降落回收全过程提供实体网络支持(图4)。

数据驱动是无人机发展的一个基础,任务驱动和飞行驱动都依靠数据。低空数字化工程,就是以空间信息剖分组织理论与技术为基础^[6],对整个地球立体空间进行剖分,对每一个区域都进行数字化编码,并建立一套数字网格空域的编码体系,按照统一标准实现地理、地物、空间标识一体化;运用网格编码数字化、网格属性可算化等空间信息剖分技术,将物理空域与数字网格关联起来,建立一个静态与动态目标相统一的运行空间数字化模型,实现低空空域的网格编码数字化表示,并对运行空间进行数字化无损表达、精简表示与精确定位;再将空间网格化信息与定位导航信息、遥感信息融合,打造低空空域信息基础设施,构建低空数字交通栅格,使物理空间具有可标识、可存储、可计算的新属性,实现对低空物理空间的网格数字化管理与服务(图5)。

实现低空数字化,就相当于将低空空域规划成若干层飞行航路,构建一套空域管理模式和运行机制,形成无人机飞行的“数字道路”,将给无人机飞行驱动、任务驱动和空域管理等带来颠覆性的改变,实现无人机运行由传统操控模式向数据驱动模式转变^[2]。低空空域数字化基于信号系统的理念,以实体空域在计算机的虚拟空间内的数字化建模和编码、可视化重构为基础,将无人机在空中飞行的各要素(飞行航迹规划、空中避障、空域管理、交通管制、机场利用其用户群体等)有效连接起来,通过建立一套体系化的计算模型方法,为无人机飞行、管控、运维提供一个虚拟的数字化空间。主要实现3个方面的功能:①为无人机空中飞行提供数字化航线(相当于汽车的地面公路);②为无人机航线和任务规划提供服务;③为无人机空中解决飞行冲突和防撞问题提供数字化解决方案等。其核心是在以计算机为主体的虚拟信息空间内完成对飞行实体空间的数字化重构,实现飞行实体空间到计算虚拟空间的映射,使无人机在空中的各种运行和管理都能在计算虚拟空间建模重构。依托低空空域物理空间剖分成的各种尺度连续网格或网格体,引接与汇聚每个网格空间的属性数据,包括气象、雷达、地理地物特性及管理属性,为低空空域管控提供基础数据支撑(图6)。

低空智能化工程是在低空环境网络化、空域数字化的基础上,依托分布式智能融合云平台,建立统一的低空业务运行管理架构,实现网系集成、资源融合和智能管控(见图3中智能融合云平台),不断提升低空平台环境感知、飞控导航、任务规划、应用服务等智能化水平。低空智能化主要体现在智能感知、智能决策、智能运控、智能服务、智能安全等方面。智能感知就是通过对网络空间状态、网络环境状态、用户行为状态的感知和数据分析处理,集成感知系统、时空系统、服务系统的资源,形成低空网络空间实时态势,为低空业务运营提供数据支撑。智能决策是在智能感知的基础上,通过数据自累积、迭代自学习、任务自规划等,实现分析判断、方案优选、风险评估、决策形成、监督反馈的自主决策循环,为低空业务运营提供辅助决策支持。智能运控是在智能决策的引导下,为任务执行、资源配置、故障自律、功能重构等,提供精准实时高效的智能化管控环境,达成网络功能和用户行为的协调联动,实现智联网络对任务的自适应。智能服务是通过网络的智能认知和群智赋能,提供数据到知识再到智慧生成的新模式,为用户提供更为个性化的高效服务。智能安全是实现低空网络空间内生安全,能够自主实施攻击溯源、抵御未知攻击、预警风险威胁等安全策略,为低空网络提供全面、有效的安全保障。

随着人工智能技术发展及其深度融合应用,人工智能技术将是无人机下一阶段发展的颠覆性技术之首^[7]。在低空智联网支撑下,无人机单机智能飞行、多机智能协同、任务自主智能3种智能飞行模式^[8]以及行业运行智能化等愿景都将成为现实。无人机可灵活运用网络环境下的广域感知、计算与存储资源,提升其智能感知与认知、智能规划与控制、智能分析处理与深度学习以及多平台分布式智能协同等能力。同时,利用网络环境下大数据、云计算、边缘计算等技术实现态势智能融合与认知,针对任务需求自动调整和选择行动方式,优化飞行路径,自主执行任务。使用一体化飞控架构和算法技术,实现无人机集群网络化分布式协同飞行和冲突消解,在集群中即使出现节点损失或失能,无人机集群的自组织特性可依据任务需求与环境变化进行自适应性调整,从而确保无人机集群体系能力的自愈,提高无人机集群执行任务的灵活性和生存力。

无人机在农林植保应用上大有作为,将加速农林植保的现代化发展。农业植保将可能成为无人机应用的主导市场之一。无人机可助力农业粮食的生产安全,解决精准农业作业的难题,可在一定程度上缓解农村劳动力资源不足问题,为解决中国碎片化土地资源的集约作业问题提供一种可行的手段。通过无人机搭载多光谱光学载荷获取农作物影像,能识别与提取氮—磷—钾浓度正常值偏低的农作物生长区;通过无人机搭载红外照相机获取影像,能基于反映不同植物光合作用的效率来获取植物的生长情况;通过配备喷洒器,无人机系统可以进行农药喷洒、种子撒播、化肥粉剂喷洒作业等。据统计,2020年全国植保无人机保有量达到11万台,年度作业面积达11亿亩(1亩=1/15 hm²),每亩喷洒农药的价格从2016年的8元降低到2.5元左右,农药使用量降低了30%。无人机还可广泛应用于土壤分析、农作物监控与健康评估等方面。在林业防护方面,无人机也具有较为广泛的应用。中国森林资源较为贫乏,但森林大火每年都有发生。据国家森林草原防灭火指挥部办公室统计,2018年,全国共发生森林火灾2478起,受害森林面积达16309 hm²,因灾造成人员伤亡39人(其中死亡23人)。无人机在实施森林火灾监测、救援指挥等方面具有许多独特的优势。如通过无人机航拍视频,可以计算出潜在的火灾面积,并研判火灾蔓延方向(图7),消防官兵可操控无人机快速到达火场、实施灭火救灾等;无人机还可替代森林管理人员进行日常巡护工作,实时监测森林气象变化、空气湿度、大气压力等情况,提供预防火灾的数据等。

随着遥感载荷的小型化和云台技术的发展,无人机系统具有分辨率高、成本低、响应快、高频观测、操作简单、起降场地要求低等优点,其中技术关键要点可归结为定量化和自动化^[9]。无人机在地理测绘遥感传统领域应用发挥出巨大潜力和应用价值^[10]。无人机搭载装配有高清数码摄像机、照相机等遥感探测设备,沿电力网线、油气管线、江河湖泊等实施飞行作业,可实时传送遥感探测数据,标注故障细节信息,形成整体态势图,监控人员可在电脑上进行同步分析、处理与操控,实现电子化、信息化、智能化巡检,可提高工作效率和应急处置水平。在输电线路巡检方面,随着电力行业快速发展,电网规模越来越大,无人机凭借其较高的灵活度与工作效率,为电力巡检带来了更自动化、智能化的解决方案^[11]。如国家电网与南方电网在全国范围内公开招标采购了大批多旋翼无人机和无人直升机用于电网巡检,仅南方电网2018年利用无人机进行巡检线路长度超过20万km。在铁路线巡检方面,据国家发改委发布,截至2020年底中国铁路运营里程达14.6万km(高铁近3.8万km),每天都有大量的巡检工作(据统计,青藏铁路线约上万名铁路工人开展线路和列车运行的巡检工作)。如果能用无人机开展自动化巡检,将大大提高效率。浙江一家无人机公司目前获得京沪高铁第一期巡检合同,长度300 km,进行试验性巡检。在输油管线巡检方面,已经进行了大量探索实践,也将大有可为,如天宇经纬(北京)科技有限公司2018年在云南对中石油西南管网安宁—玉溪—蒙自段251 km管道进行巡检,全程基于4G通信,实现网络化测控和信息分发处理;2020年在江苏对中石化华东管网南京—镇江段83 km管道进行巡检,全程基于5G通信实现网络化测控和信息分发处理。在江、河、湖以及近海水资源保护巡查方面,中国拥有河流长度超过6.2万km、湖泊7.8万 km²、海岸线总长度3.26万km,自2016年全面推行河长制政策以来,各级党政负责人担任江河、湖泊第一责任人,水资源保护巡查得到了高度重视,为无人机应用开拓了广阔天地。如浙江某无人机公司在国内率先探索利用无人机—无人船技术,实现大数据科技治水。主要进行了3个方面的探索:一是利用无人机正射影像航拍技术,制作完成全域水系数字化图,建设区域电子水系图;二是利用无人机搭载激光雷达和倾斜摄影技术,对河道中的漂浮物、两岸违章建筑物、非法排污口等进行抓取,使用高清图像与地图拼接技术,打造全景3D河道模型,为河流打造云数据库,建设全景3D水系模型数字孪生系统;三是利用无人机、无人船自动线路规划技术,实现空中、水上常态化巡检,建成无人化智能水系常规巡查系统。此外,无人机在地质勘探、国土资源调查、气象探测、灾情监控等方面也将逐步发挥重要作用。

低空运输是无人机的交通范式,空中无人机出租业务将会兴起,无人机将成为重要的货运或客运工具。在无人机货物运输方面已取得可喜的进展。如顺丰公司在江西省获得民航局批准开展物流试点,计划在未来5~10 a内采购1~3 t级运输无人机5000架,用于支线物流,预计采购金额超过250亿元。京东公司在陕西省获得民航局批准开展物流试点,快递也将成为无人机的新业务。杭州迅蚁网络科技有限公司(Antwork)于2019年10月15日获得了中国民用航空局颁发的全球首张城市人口稠密区域无人机物流配送试运行许可,在杭州市搭建了城市人口稠密区无人机常态化物流配送的试点项目,已有上万名体验者享受了城市无人机物流配送服务,无人机配送飞行里程超过了147000 km。美团公司研发的城市低空物流模式,至2021年6月底,美团无人机已完成超22万架次的飞行测试,完成2500单真实用户的配送订单^[12]。在客运方面无人机即将开启新模式。如美国国家航空航天局(NASA)等政府机构正与企业界合作开发城市空中交通系统,空中客车公司和优步公司已进入原型测试阶段,处于开发城市无人机交通服务的最前沿^[13]。未来某一天,无人机将像空中出租车一样,自主地在拥挤和堵塞的地区或从农村地区到城市之间的上空按需进行航空运输,可实现快速安全地运送乘客。

无人机具有机动性好、时效性强、服务范围广等特点,在公安执法、交通管理、反恐维稳、消防救援等公共安全服务方面具有无可比拟的优势。在公安执法方面,无人机能够从空中协助警方在山地、丛林、少人区等地带开展罪犯搜捕、遇险人员救援;在大型运动和集会场所,可使用无人机作为“空中眼睛”,紧盯场所内的各种迹象,为重大活动的安全提供保障;国内外已有多地警方配备了无人机、组建无人机警务分队,执行搜捕救援任务等。在交通管理方面,无人机搭载可见光相机、微光、抛投、喊话器、红外热成像等载荷,能够居高临下、大范围、快速、长时间进行交通实况监视,实现区域管控;应对突发交通事件时,可与地面探头监视网络相互补充,自动生成交通事故执法判断等。在反恐维稳方面,无人机也是反恐维稳的利器,可携带侦察、打击和通信设备,完成反恐维稳任务。如武警西藏边防总队高山特勤大队组织开展反恐演练,特战队员调试无人机用于侦察“敌人”藏身处,并在无人机的指引下迅速向“敌人”藏身楼房突进。在消防救援方面,无人机飞行平台可携带高压水带升空,构成“空中水炮”,突破高空消防作业的难题等。