低空空域無人機運行安全保障技術研究綜述

羊 釗，李 娜，毛 億，朱仁偉

（1.南京航空航天大學通用航空與飛行學院,海上智能網信技術教育部重點實驗室,江蘇 南京 211106；2.南京航空航天大學民航學院,江蘇 南京 211106；3.河海大學海上智能網信技術教育部重點實驗室,江蘇 南京 210024；4.東南大學交通學院,江蘇 南京 211189）

在5G 通信、無人駕駛等新技術的推動下，低空空域物流配送等通航業務日益多元化，低空無人機飛行需求與日俱增。隨著低空空域飛行密度的不斷增大，無人機與建筑物、無人機與其他航空器之間發生飛行沖突的風險與日俱增?？紤]航空器之間感知避讓、安全間隔等方面的差異，以及無人機運行軌跡靈活多變的特點，要保障低空空域安全、有序運行，必須不斷提高低空空域無人機運行安全管理的技術手段。本文從無人機軌跡預測與意圖識別、低空空域飛行沖突探測以及風險評估及預警告警等3 方面綜述當前的研究進展及存在的挑戰。

1 無人機軌跡預測與意圖識別

1.1 無人機軌跡預測

軌跡預測作為低空空域無人機管控過程中有效識別無人機飛行意圖的手段，是無人機異常行為檢測和飛行態勢感知的基礎。由于無人機軌跡具有高度的時變性和非線性特征，因此軌跡預測的一個重點方向是如何通過科學有效的方法表征無人機未來飛行行為的不確定性。預測方法大體分為2 類，如圖1 所示。

圖1 軌跡預測方法分類Fig.1 Classification of trajectory prediction methods

基于動力學模型的軌跡預測方法多在一定的假設條件下，通過建立運動學和動力學方程表達航空器飛行時力的作用與運動軌跡之間的關系。影響航空器運動軌跡的因素非常復雜，其中一個重要因素是風，在基于動力學模型的許多研究中均考慮了風對運動軌跡的影響[1]，通過考慮航空器在低空飛行時所受風向及風的作用力，建立低空風運動模型，結合軌跡預測算法實現對低空無人機軌跡的跟蹤預測[2]，但對于運動軌跡靈活、多在近地面低空空域中飛行的無人機，風勢較難描述，往往難以建立精確的動力學方程對軌跡進行預測。此外，針對在故障或失效狀態下的無人機軌跡，多基于典型故障場景和航空器動力學，通過預測軌跡及碰撞點以確定無人機的影響范圍，常使用點質量模型等方法。文獻[3]研究了四旋翼無人機在不同推進系統故障下造成的未來軌跡、速度和墜毀面積，以進一步評估城市環境下旋翼無人機的運行風險。

基于機器學習的軌跡預測方法依賴于大量歷史軌跡信息，通過歷史時間序列數據訓練模型參數，表征運動過程各種因素對航空器的影響，進而建立起歷史數據與未來預測時間點航空器位置之間的影響關系。一些研究是采用構建雙向門控循環單元[4]、在LSTM 網絡的循環中嵌入卷積層[5]等方法，在提升軌跡預測精度的同時縮短軌跡預測用時。此外，現有研究也更關注對模型輸入數據的處理以及數據選擇的覆蓋面和針對性。通過氣象雷達圖像提取可能影響軌跡的信息[5]，可以使模型訓練得到的信息更全面。當存在真實飛行試驗時，可以在歷史軌跡數據積累的過程中不斷完善無人機軌跡預測和規劃；當沒有真實軌跡數據時，可以通對不同條件下的不同機動動作進行飛行仿真，得到大量軌跡樣本[6]?；趧恿W模型的軌跡預測方法與基于機器學習的軌跡預測方法對比如表1 所示。

表1 動力學軌跡預測與機器學習軌跡預測方法對比Tab.1 Comparison of dynamic trajectory prediction and machine learning trajectory prediction methods

1.2 無人機意圖識別

意圖識別不僅要找出目標的意圖，更要挖掘態勢要素之間隱藏的因果邏輯關系，定量分析目標特征與意圖推斷的因果效應[7]。在民用領域，典型的無人機非法意圖包括入侵禁飛區、碰撞其他航空器，以及利用機載攝像非法拍攝隱私[8]等。其中，對意圖的判定基礎在于距離標準的確定，從而定義保護區域。文獻[9]以執行固定航線的物流無人機為對象，綜合考慮了定位誤差、速度誤差和側風的影響，分別建立側向、縱向和垂直方向的碰撞風險評估模型，得到3 個方向上無人機之間的最小安全間隔。識別無人機的飛行意圖，可以有效判別無人機的目的合法性，并將獲取的信息作為后續沖突探測和風險評估模型的輸入要素。

根據目標無人機與探測設備之間是否進行通信將其分為合作型和非合作型無人機。對于與探測設備進行通信的合作型無人機，在無人機未損毀的情況下可依賴合作型探測設備如空中防撞系統、廣播式自動相關監視系統等實時共享飛行信息，監控無人機預置的航路點和規劃航跡，或基于傳感器采集的飛行狀態信息以識別未來飛行意圖。對于未接入無人機管理系統的非合作無人機，無法直接獲取其意圖信息，可以通過相關探測技術[10]結合軌跡預測和意圖識別算法識別其未來意圖動向。不同探測技術的特點如表2 所示。一些學者研究如何在監視環境中盡早識別無人機離開其被授權飛行的地理區域或入侵禁止區等非法意圖，以便能提供充足的時間避免發生沖突或侵犯隱私[11]。

表2 無人機探測技術對比Tab.2 Comparison of drone detection technologies

研究者基于運動學建?；驒C器學習等方法建立了種類多樣的無人機軌跡預測和意圖識別模型，結合不同類型無人機的飛行特性，通過建立簡化而精確的運動學方程、對算法進行改進以及對數據選擇和處理的不斷增強等角度刻畫無人機未來飛行意圖的不確定性，以期實現高精度和高效率的軌跡預測。然而，由于低空空域環境的復雜性和動態性，關于時變場景下的無人機軌跡預測及意圖識別相關技術有待進一步研究，面臨的挑戰及需要解決的核心問題包括以下方面。

1）判斷無人機是否具有入侵意圖的首要基礎是進行保護區的劃設。其核心問題是如何面向不同運行場景設置建筑物、航空器等的安全飛行間隔標準。一方面，安全飛行間隔的設置需考慮航空器種類、性能的差異，尤其是面向未來有人機、無人機融合運行的飛行場景；另一方面，無人機在城市低空運行時還需考慮白天和夜間人流密度、噪聲限制等的不同，保護區的設置可能是時變的。

2）在軌跡預測任務中：對于飛行計劃共享的合作類無人機，其模型輸入數據來源多樣，預測時需考慮所采用的導航系統的可靠性和定位誤差，其關鍵問題是如何集成多源數據和預測模型提高軌跡追蹤精度；對于非合作類無人機，在有限的監測時間下，其歷史軌跡數據具有典型的小樣本特征，其關鍵問題在于如何基于小樣本歷史軌跡數據刻畫飛行行為的不確定性，實現高精度的軌跡實時預測。

2 低空空域飛行沖突探測

飛行沖突探測是感知和避讓的關鍵環節，準確的沖突探測技術是規避碰撞的前提。沖突探測根據探測時間的不同可分為短期、中期和長期沖突探測；根據探測形式的不同分為確定型（幾何型）和概率型（解析型）。確定型方法依據航空器性能參數、歷史飛行數據等信息，結合軌跡預測方法，如基于動力學模型預測航空器的位置[12]，進而根據航空器之間保護區的重疊情況判斷其是否存在沖突，但是該方法不適用于在飛行過程中具有較強機動性的無人機。概率型方法主要根據航跡誤差和沖突域建立概率沖突探測模型判斷未來一段時間發生沖突的可能性大小[13]，主要使用復雜網絡[14]、布朗運動[15]等方法。對于低空空域中機動性較強的航空器，采用蒙特卡洛算法模擬計算碰撞概率[16]，但蒙特卡洛算法需要大量的軌跡樣本以獲得較高的估計精度。隨著人工智能和機器學習等技術的發展，現階段對于無人機概率型沖突探測方法的研究逐漸與集成學習、神經網絡等算法相結合。如Chen 等[17]基于高斯過程和深度神經網絡構建了深度高斯過程框架，對飛行軌跡進行預測以實現概率沖突探測，提高了計算精度。確定型與概率型沖突探測方法對比如表3 所示。

表3 確定型沖突探測與概率型沖突探測方法對比Tab.3 Comparison between deterministic conflict detection and probabilistic conflict detection methods

考慮低空空域飛行沖突探測的可靠性和實時性要求，當前研究面臨的挑戰及需要解決的核心問題包括以下方面。

1）合作型無人機配備合作型探測設備，可以建立無人機之間的通信關系，而非合作型無人機并不能直接建立彼此之間的通信，其主要通過使用光電傳感器、雷達、紅外傳感器、聲學傳感器、視覺傳感器和多源數據融合的方法對周圍環境進行感知，可以在一定范圍內主動探測各類航空器和其他入侵目標，但非合作探測設備的性能容易受到無人機飛行姿態和周圍環境的影響，可能出現探測盲點。

2）確定型沖突探測方法簡單直觀，實時性強，但由于航空器運動過程中容易受到天氣等不確定信息的影響，航空器之間并不是嚴格的幾何位置關系，導致飛行沖突預測誤差較大。概率型方法可以對飛行過程中可能產生的不確定因素進行建模，貼合實際飛行情況，計算精度高于確定型方法，但計算時間和計算復雜度較高。

3 低空空域風險評估及預警告警

根據無人系統規則制定聯合體（joint authorities for rule making on unmanned systems,JARUS）提出的特定運行風險評估（specific operations risk assessment,SORA）相關規定，低空空域無人機相關風險可分為地面風險和空中風險。在無人機空中風險評估中，重點研究地理圍欄、探測與避讓系統和前方檢測導致的碰撞避免[18]?？沼蛑械陌踩L險指現有危害的后果或預計危害發生的可能性及嚴重程度?？罩酗L險的嚴重程度主要根據傷害水平或對人類、環境和無人機本身造成的影響進行估計；而沖突可能性主要指通過沖突探測計算得到危險飛行行為或事件發生的可能性或頻率，沖突概率的計算精度決定了預警的準確程度，精度越高準確度越大[19]。無人機地面風險評估主要是對無人機墜毀模式[20]、地面撞擊動能[21]和由于無人機故障造成的碎片傷亡[22]進行深度分析。地面碰撞風險評估模型用于確定不同因素對預期安全水平的影響，通過每小時飛行的地面死亡事件（E/h）表示。文獻[23]通過融合動力學模型和深度學習模型以動態評估無人機的地面風險，并構建了具有時空特征的地面風險地圖。對地風險的影響因素包括無人機尺寸、斷電時的無人機動能以及無人機飛行附近的人口密度等，通過計算滿足不同無人機類別安全目標等級所需的系統可靠性，構建多因素影響評估模型，得到無人機對地安全風險。

無人機風險評估及預警告警相關的研究重點在于綜合評判危險飛行行為，劃分風險等級，對發生可能性高的沖突提前預警告警，提高飛行安全及無人機管理水平。沖突探測告警系統采用的避讓告警算法因檢測技術、避讓策略和告警機制不同而不同[24]。圍繞低空空域風險評估及預警告警技術，當前研究面臨的挑戰及需要解決的核心問題有以下2 方面。

1）沖突風險評估涉及沖突概率和嚴重程度2 方面，考慮復雜低空環境參數的影響，如何構建準確、高效的風險評估模型是研究的核心。例如，將離線風險評估和在線風險評估相結合，將靜態風險地圖轉化為時變的動態風險地圖，以實時度量無人機運行空中風險和對地風險，是現有研究的一個重要方向。此外，不同類型風險的影響后果存在顯著差異，如無人機墜落對建筑物、地面車輛、行人的損傷等，需要進一步研究，如何度量不同風險的等效安全水平。

2）漏警率和虛警率是評價沖突預警告警技術的2 個重要指標。目前，無人機主要使用的預警告警設備是TCAS Ⅱ，但TCAS Ⅱ在1 000 m 以下的低空中虛警率較高，且在微型和輕型無人機上由于負重載荷的限制難以廣泛應用。此外，在同樣的預警設備下，預警區范圍設置越大，漏警率越低，虛警率越高，因此，需要考慮漏警率和虛警率之間的權衡，合理設置預警閾值。

4 總結與展望

低空環境下無人機飛行沖突識別和風險評估是實現無人機安全管理的重要技術手段，在融入民用空域之前，實現城市低空空域的規范化、安全化、精細化和智能化管控，涉及法律法規標準﹑沖突風險探測﹑安全間隔標準﹑安全風險評估等諸多方面。根據既有研究，對低空中無人機安全運行所涉及核心問題的相關理論、方法進行了綜述，得出結論如下。

1）在低空空域無人機的軌跡預測與意圖識別方面，既有研究主要通過運動學建?；驒C器學習的軌跡預測模型作為無人機意圖識別的手段開展研究，結合不同類型無人機的飛行特性，基于無人機的歷史軌跡，通過建立簡化而精確的運動學方程、對算法進行改進及數據選擇和處理的不斷增強等角度刻畫無人機未來飛行意圖的不確定性，以期實現高精度和高效率的軌跡預測效果。

2）在低空空域無人機飛行沖突探測方面，從時間、對象和類型3 個角度對沖突探測方法進行劃分，在無人機軌跡預測的基礎上，考慮合作型與非合作型無人機不同沖突探測方法及時間需求，選擇不同的沖突探測形式。確定型方法適用于空域環境較簡單，影響因素容易確定的情況；概率型方法能對在不確定因素影響下的沖突進行量化，更加符合實際飛行情況。

3）在低空空域無人機風險評估等級劃分及預警告警方面，針對低空空域中的輕小型及以下無人機的分離間隔標準、風險等級劃分等內容，目前國內外尚未形成統一規范的法規和開發標準。許多無人機領域的研究人員正不斷積極推進行業標準的制定，借助機載探測設備、飛行狀態數據和相關評估模型，設計準確可行的風險評估方法和預警告警準則，推動無人機早日融入國家空域系統。

在低空空域高密度化的發展趨勢下，空中交通態勢變得愈加復雜，隨著相關研究的開展與深入，未來低空中無人機的沖突識別與風險評估技術仍有較大發展空間。本文基于當前低空交通安全保障技術方面存在的挑戰，提出了以下幾點可供研究的方向，為后續研究的深入提供參考。

1）定義低空無人機安全分離間隔標準，通過動態保護區的設置提升低空空域的安全性和使用率。低空中無人機的安全間隔尚未有統一規范性的分離標準，如何根據場景合理設定無人機或建筑物的動態保護區模型，界定不同場景下安全分離標準和避免碰撞的相關性，以確?？沼虻陌踩院透咝允墙陙淼囊粋€研究重點。

2）融合多源數據，通過集成模型提高軌跡預測和意圖識別精度。不同軌跡預測模型的優缺點和適用場景不同，作為飛行沖突探測的基礎，軌跡預測的精度進一步影響探測水平的準確性，借助多模型融合的方式集成不同方法的優勢也是未來需要研究的方向。

3）構建風險綜合評估指標體系，通過動態風險地圖，實現風險態勢實時感知與前驅診斷。低空無人機飛行的整體安全水平取決于多種因素，如何將無人機運行過程中產生的實時風險轉化為動態風險地圖，通過預測綜合風險指標實現安全態勢的實時感知和前驅診斷是需要進一步研究的問題。

4）模擬多場景下的空域模型和交通運行主體，通過構建航路網絡和優化交通規則提高預警準確率和解脫效率。低空空域無人機在飛行時具有時間和空間上的高度不確定性，如何通過模擬不同空域模型下交通異質場景，設計穩定的低空航線網絡，進行場景、設備、規則和流程的標準化，以具有高實時性、規?？蓴U展性和整體安全性是進一步研究的方向。