张学军
北京航空航天大学成都创新研究院副院长
一、无人机融入国家空域系统
航空运输系统在空间上，从目前主要的中高空空域向着低空空域、亚轨道临近空间扩展，同时也向着智能化、无人化、更高效、更安全的方向演变。
近年来，无人机的快速发展正是对航空运输系统智能化、无人化发展趋势的最好典范，同时，无人机进入国家空域系统也势在必行。欧美、我国均出台了相应政策条例来解决无人机进入空域运行所面临的管理问题。
我国对无人驾驶航空器采用分级管理，分为微型、轻型、小型、中型、大型无人机。在运行模式上，根据即将发布的无人机飞行管理暂行条例，一般来说无人驾驶航空器需要采用隔离方式进入空域运行，也就是说，通常无人机是不能与有人机同时同空域运行的。
除以上无人机，近年来还迅速兴起了一种新型的电动垂直起降飞行器eVTOL。本次报告不对它进行过多讨论，主要讨论中大型无人机如何进入国家空域与有人驾驶航空器开展融合运行。
这里针对无人机融入国家空域的发展，我们给出三个阶段的定义：适应、融合、演化。在适应阶段，主要想解决的目标是赋予无人机具备进入国家空域飞行的能力；在融合阶段，总体目标是实现较大规模空域内的有人机无人机常态化融合运行；在演化阶段，我们的关注点就不再是航空器本身是有人机还是无人机，而是航空运输系统整体是无人化、数字化、智能化的态势。
二、融合运行面临的挑战
首先，我们需要给出融合运行的概念，融合运行不仅仅只是让无人机进入空域去飞行，它包含三个核心要素：第一，无人机需要具备与有人机同等水平安全性（Equivalent Level of Safety，ELOS）；第二，有人机无人机均最大程度上遵循相同的空中交通管理系统和规则程序；第三，基于以上两项，无人机和有人机可以同时同空域相互兼容、和谐操作、共同运行。
在融合运行领域，目前国际上也开展了很多研究工作。国际民航组织成立了远程驾驶航空器系统（Remotely Piloted Aircraft Systems，RPAS）专家小组，主要开展顶层架构设计、技术导向以及政策文件制定。在具体的技术试验上，主要是美国FAA领导开展的UAS-IN-NAS项目。该项目历时10年，验证了无人机感知与避撞（DAA）、指挥与控制链路（C2）等关键技术对于实现融合运行的必要性。通过对现有研究经验、结论的总结，我们可以得到我国要实现融合运行的技术攻关需求：需要无人驾驶航空器与空中交通管理两个方面共同促进，协调发展。
融合运行包括4个关键技术挑战：空地通信指控链路、机载自主安全能力、融合运行管控模式、一体化管制及风险监测，并在第三部分展开技术方案的讨论。
三、融合运行关键技术
首先是指挥与控制链路（C2）技术。目前，各无人机厂商主要根据自己的测控需求采用自研空地通信链路，当这些无人机进入国家空域系统，纳入我们的空管体系当中时将会面临一些问题：不同无人机的链路差异较大，大多不具备空管业务通信能力，导致在融合运行中无法对这些无人机进行有效管控。因此我们提出要开展指挥控制链路系统研究，C2链路是一条逻辑链路，它解决的不仅仅是无人机的空地通信问题，更重要的是融合运行中与国家空域系统、空管系统的兼容问题。
在无人驾驶航空器通信能力的基础上，进一步聚焦机载自主安全问题。现阶段无人机进入空域运行最关键的难点在于其缺乏“感知-规避”能力。该能力可以分两个层次：第一，由于无人机的驾驶员不在机上或者根本没有驾驶员，所以导致无人机对复杂空域的态势感知存在困难；第二，目前无人机大多都缺乏空中的自主安全保持能力以及空中冲突解脱能力。因此，需要开展感知与避撞（DAA）技术研究，通过多源监视融合的态势感知技术以及多阶段间隔保持及冲突解脱方法，来弥补无人驾驶航空器机载自主安全能力的缺失。
以上两个技术实现了对无人驾驶航空器机载能力的补足，现在第三点我们讨论运行模式的问题。首先，运行模式从隔离运行到融合运行是一个跨越式发展，我们目前对于到底怎么开展融合运行以及运行模式的整体概念、准入要求都是不明确的。其次，在融合运行场景下，空中交通管制对于无人机和有人机存在分布式-集中式决策回路异构的问题。因此，需要建立自顶向下的技术路线，开展融合运行总体技术方案的论证，并针对其中核心的混合协同管制控制理论方法进行研究，开展融合运行仿真测试，推进相关规则标准建议的形成。
最后，需要关注实际运行层面的管制和运行风险评估的问题。目前对于无人机进入空域，各界最关心的问题就是无人机飞起来到底安不安全，是否安全在技术上的体现即无人机的运行安全风险没有经过量化评估，无法确切地知道运行风险是否可接受。针对这个问题，需要建立空域管理与运行评估、无人机飞行管制、协同运行安全调控相互耦合集成的管制体系，并基于运行安全风险评估实现融合运行中的安全管控。
四、通航机场融合运行方案
融合运行模式很可能是首先在通用航空、中低空的场景下实施落地。相比于欧美等航空发达国家，我国在通用航空产业领域一直存在较大差距。但是，随着无人机产业的兴起，以及融合运行这一新型运行模式的变革，我们国家在通用航空产业上的空白和不足，反而成为了在无人机产业、新型运行模式上弯道超车的优势。
那么在通航机场开展融合运行会面临什么问题？正如上述所提到，现阶段飞行器本身的机载能力、地面系统管控能力以及政策管理规范，都是不足以支撑无人机与有人机开展融合运行的。以国内某典型通航机场为例，通常有中大型无人机的试验飞行且同时又有大量有人机训练飞行、勘探、旅游观光的飞行需求。由于以上限制，通航机场只能采用时间和空间上的隔离运行，这就导致空域及机场使用效率非常低，有人机和无人机各自的飞行需求均严重得不到满足。
针对上述运行场景，研发了一套融合运行的技术方案。技术框架主要由机载设备和地面系统两个部分组成，通过对机载能力以及地面管控能力的提升促进运行模式从隔离运行向融合运行的演变。其中的核心系统，就是在第三部分所提到的感知与避撞（DAA）系统。
根据国际标准相关定义，DAA系统按照设备能力可以划分成7类，通过7类设备系统能力的交叉组合，就可以支撑融合运行不同场景的实现。
在融合运行领域，目前已形成系列低功耗、小型化的机载设备来弥补和完善无人驾驶航空器，也包括通航有人飞行器，在通信、态势感知和自主安全方面的缺失。地面系统方面，也具备数字化、综合化的地面管控系统来实现对合作目标和非合作目标飞行器的协同监视、风险评估和安全管控。
通过机载设备能力和地面系统能力的提升来推动运行模式从隔离运行到融合运行的演变。简单来说，就是要在飞行器看得见、连得上的基础上去实现可量化、可管控的安全运行。
最后，基于通航机场融合运行方案的讨论，对融合运行进行一个总结：融合运行不仅是无人机进入空域飞起来这么简单，它是整个航空运输系统中飞行器的设备性能、空管系统的管控能力，以及整体运行模式相互交叉促进的体系化技术革新。
五、未来研究发展的思考
最后这个部分主要想对融合运行，当然也包括整个航空运输系统未来的发展趋势分享一些我们自己的思考。首先，我国目前在无人机领域已经经历了一段时间的发展，在政策条例方面，中国民航局带领下也陆续出台了很多无人机相关的管理规定和政策办法；在产业布局和试验改革方面，全国已形成15个无人机试验区；在国家的技术研究导向上，我们同样有科技部重点研发项目、工信部民机专项来分别解决中大型无人机、轻小型无人机以及通航、城市空中交通等各种场景的无人机空域集成问题。但是，与目前国际整体的技术发展态势相比，我们国家仍然处于技术试验的初级阶段，还有很大的提升和追赶空间。
在现阶段的基础上，进一步对航空运输系统未来发展趋势给出一些思考。纵观航空领域发展历史，从目视飞行规则（VFR）到现在的仪表飞行规则（IFR），IFR的形成是因为出现了VFR无法支撑的飞行操作和运行。现在，随着无人驾驶航空器包括eVTOL等新型飞行器的出现，运行模式从隔离运行到混合运行到融合运行，我们逐渐发现IFR已无法支撑整个现有发展趋势下的未来运行操作。随着航空运输系统无人化、数字化的技术革新浪潮，我们认为新型的数字飞行规则DFR将逐步形成。DFR通过分布式的结构和自动化的功能，可以实现更高的飞行密度、更高的飞行节奏，来支持新型飞行器的加入，同时加强对现阶段服务能力不足的空域，例如低空空域和超高空空域的利用。在这样的数字飞行规则下，各运营方、飞行员、飞行器以及空管ATC，均可以通过与外界的实时数据交互来提高运行能力。
在这样一个技术快速发展的大变革趋势下，我们想要实现整体的智慧空管、智慧航司、智慧出行、智慧物流、智慧枢纽、智慧机场，在技术攻关和顶层设计上还有很大的发展空间。这需要产业界、学术界的产学研用有效结合，同样也需要有关部门在战略和政策上的支持，更需要更多有志之士一起参与到这项工作中来，为我国航空运输系统的技术大发展提供有力支持。
