低空空域无人系统交通管理方案初探

doi:10.7527/S1000-6893.2025.31399

综述

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低空空域无人系统交通管理方案初探

贾永楠¹^,²()

^1.北京科技大学自动化学院，北京 100083
^2.北京科技大学工业过程知识自动化教育部重点实验室，北京 100083

收稿日期:2024-10-13 修回日期:2024-12-12 接受日期:2025-04-07 出版日期:2025-04-29 发布日期:2025-04-25
通讯作者: 贾永楠 E-mail:ynjia@pku.edu.cn

A scheme for unmanned aerial system traffic management in low-altitude airspace

Yongnan JIA¹^,²()

^1.School of Automation and Electrical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China
^2.Key Laboratory of Knowledge Automation for Industrial Processes of Ministry of Education，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China

Received:2024-10-13 Revised:2024-12-12 Accepted:2025-04-07 Online:2025-04-29 Published:2025-04-25
Contact: Yongnan JIA E-mail:ynjia@pku.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

近年来，随着无人机（UAV）技术的飞速发展，全球各国开始积极布局低空空域管理，以确保低空经济的可持续发展。现有空中交通管理（ATM）系统主要面向中高空空域的有人驾驶飞机，难以适应大规模低空无人机的运行需求。尤其在物流配送、城市监控、基础设施巡检等领域，低空无人机的高密度运行对交通管理提出了新的挑战。因此，如何构建一套高效、安全、智能的无人系统交通管理（UTM）框架，成为全球研究的热点问题。首先，综述了国内外低空空域UTM系统的研究现状，重点分析了不同国家在空域划分、UTM系统建设以及政策实施等方面的异同。其次，给出UTM系统的定义和基本架构，着重梳理了多无人机通信网络、多无人机协同控制、高效容量流量管理、多无人机冲突管控和交通群自主运行等UTM系统的共性关键技术，并深入分析了当前技术发展面临的主要挑战。最后，基于分布式决策、实时空域协商及风险弹性管理的设计思路，结合中国低空空域管理的实际需求和中国北斗卫星系统（BDS）的技术优势，提出了一种基于“分层、分类、分域、网格化”管理理念的分阶段、分步骤实施的UTM解决方案，并创新性地设计了以“八卦图”为核心的“管道化”立体航线网络，以优化空域资源分配，支持未来大规模无人机自主协同运行。

关键词: 低空经济, 无人系统交通管理（UTM）, 航线网络, 无人机协同控制, 冲突管控

Abstract:

In recent years， with the rapid development of Unmanned Aerial Vehicle （UAV） technology， countries around the world have actively begun to plan and develop low-altitude airspace management systems to ensure the sustainable growth of the low-altitude economy. Existing Air Traffic Management （ATM） systems are primarily designed for manned aircraft operating in medium and high-altitude airspace， making them inadequate for supporting large-scale UAV operations in low-altitude environments. Particularly in application scenarios such as logistics delivery， urban surveillance， and infrastructure inspection， the high-density deployment of UAVs poses new challenges to air traffic management. Consequently， the construction of an efficient， safe， and intelligent Unmanned Aerial System Traffic Management （UTM） framework has become a prominent topic of global research. This paper first reviews the current state of UTM system development both domestically and internationally， with a focus on analyzing similarities and differences among various countries in terms of airspace classification， UTM system architecture， and policy implementation. Then， this paper defines the structure of a typical UTM system and outlines its core technical components， including multi-UAV communication networks， cooperative control， capacity and flow management， conflict detection and resolution， and swarm-level autonomous traffic operations. The main technical challenges currently faced in UTM development are also analyzed in depth. Finally， based on the principles of distributed decision-making， real-time airspace negotiation， and resilient risk management， this study proposes a phased， step-by-step UTM solution tailored to China’‍s low-altitude airspace structure and leveraging the capabilities of the BeiDou Navigation Satellite System （BDS）. The proposed system adopts a hierarchical， categorized， zoned， and grid-based management approach， and introduces an innovative “pipeline-style” three-dimensional route network design centered on the “bagua” diagram （a traditional Chinese octagonal structure）， to optimize airspace allocation and support the future large-scale autonomous and cooperative operation of UAV.

Key words: low-altitude economy, Unmanned aerial system Traffic Management (UTM), air route network, coordination control of unmanned aerial vehicles, conflict detection and avoidance

中图分类号:

V249.1

贾永楠. 低空空域无人系统交通管理方案初探[J]. 航空学报, 2025, 46(11): 531399.

Yongnan JIA. A scheme for unmanned aerial system traffic management in low-altitude airspace[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(11): 531399.

图/表 22

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参考文献 61

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E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

维度	UTMISS	FIMS	CIS
架构	集中式，一体化	分布式，松耦合	平台+多服务商、强协调
角色	政府主导的“审批平台”	政府与企业分工协作接口	政府授权，USSP协作网络
市场化能力	弱，缺乏开放服务接口	强，鼓励USS创新服务	强，鼓励多USSP竞争共存

关键技术	典型研究方法	主要挑战
多无人机通信网络	5G+北斗卫星通信+视觉+惯导融合	低空覆盖不稳定、信号干扰
多无人机协同控制	AI驱动的自适应控制	分布式决策鲁棒性不足
高效容量流量管理	博弈论优化流量分配	突发流量的应对机制缺乏
冲突检测与规避	机器学习辅助避碰	大规模协同避障的计算复杂度
交通群自主运行	智能分布式管理	群体智能适应性不足

研究方向	NASA UTM	欧盟U-Space	本文所述UTM
空域划分	以G类非管制空域为主，限制无人机飞行高度一般不超过400 ft（约120 m）	将特定低空划定为专门的U-Space空域，无人机高度限制一般为120 m及以下	低空空域按照用途和管理方式分为管制空域，监视空域和报告空域^［55］；对已开放的空域（如深圳600 m以下）采取分层、分类、分域、网格化（北斗伏羲）管理
空域管理	分布式管理：多主体参与协作，UO通过USS自主协调飞行，FAA提供监管框架	混合分布式管理：多家USSP提供服务，通过CIS整合数据，统一协调空域使用	从集中管理向分布式管理转化：依托空管委管理低空空域申请、民航局负责飞行监管；深圳等试点城市由地方政府承担管理低空空域任务
航线规划	采用固定航路，部分动态调整	高度自动化、数字化管理	八卦图立体航线网络
冲突管控	远程识别+V2V避让	地理围栏+AI	AI+多源融合感知

网络类型	容量利用率	冲突消解难度	路径冗余性	管理复杂度	优势领域/场景
树形结构	中	较高（热点冲突）	低	中	传统民航、简单终端区
网格结构	中高	中（交叉点多）	中	中高	无人机物流、城市低空
自由航迹	高（理论上）	高（冲突难控）	极高	极高	低密度、超灵活运行场景
八卦图结构	高（分层立体利用）	低（规则化交汇）	高	中低（规划明确）	高密度UTM、无人机物流、复杂城市空域

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