低空空域规划研究现状与展望

doi:10.7527/S1000-6893.2024.30879

综述

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低空空域规划研究现状与展望

王俊潼, 包丹文(), 周佳怡, 尚静萱, 张孜芊

南京航空航天大学民航学院，南京 210016

收稿日期:2024-06-28 修回日期:2024-07-29 接受日期:2024-10-18 出版日期:2024-10-30 发布日期:2024-10-29
通讯作者: 包丹文 E-mail:baodanwen@nuaa.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(52272333);南京航空航天大学研究生科研与实践创新计划资助(xcxjh20230719)

Low-altitude airspace planning: A review and prospect

Juntong WANG, Danwen BAO(), Jiayi ZHOU, Jingxuan SHANG, Ziqian ZHANG

College of Civil Aviation，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China

Received:2024-06-28 Revised:2024-07-29 Accepted:2024-10-18 Online:2024-10-30 Published:2024-10-29
Contact: Danwen BAO E-mail:baodanwen@nuaa.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(52272333);Postgraduate Research & Practice Innovation Program of NUAA(xcxjh20230719)

摘要/Abstract

摘要：

随着中国低空经济的快速发展和“十四五”综合交通运输体系的规划需要，未来低空运输将逐步成为一种重要的交通运输方式。然而，目前中国低空空域尚未完全开放，与之密切相关的空域规划和航迹规划研究还处于起步阶段，难以满足快速发展的低空需求。因此，必须根据低空空域特点建立科学完善的低空空域规划和航迹规划方法理论体系。首先针对低空空域基本特征，对国内外低空空域规划限制因素、空域划设和航迹规划等研究进行系统性归纳和分析，总结评述了现有低空空域规划和航迹规划方面的研究成果和诸多不足，揭示了相关研究的共性问题所在。其次，结合中国低空发展现状，分析了采用块状或管道空域划设方法的可能性，并提出了由航迹到航迹簇再到航迹网络的发展路线和加速技术融合进行空域基础设施创新的发展思路。最后，提出了未来低空空域规划和航迹规划需关注的重点内容：一是考虑环境和社会因素为核心进行空域规划；二是探索空域划设分阶段、复合型划设策略和特殊区域规划方法；三是针对多样化运行场景，设计航迹规划泛用快速算法。

关键词: 低空, 空域规划, 限制因素, 空域划设, 航迹规划

Abstract:

With the rapid development of China’s low-altitude economy and the planning requirements outlined in the “14th Five-Year Plan”， low-altitude transportation is expected to become a significant mode of transport. However， the current low-altitude airspace remains largely undeveloped and not fully open in China. As a result， related studies on airspace and trajectory planning are still in their early stages， and are difficult to meet the surging demand for low-altitude operations. Therefore， it is essential to establish a robust and comprehensive theoretical framework for airspace and trajectory planning according to the unique characteristics of low-altitude environments. This paper firstly examines the fundamental characteristics of low-altitude airspace and systematically reviews the research on the limiting factors of low-altitude airspace planning， airspace designation， and trajectory planning both domestically and internationally. Existing findings and gaps in current research are discussed， and common challenges in the field are also highlighted. Next， the feasibility of employing block or tube airspace designation methods is assessed in the context of China’s current low-altitude development. A developmental trajectory that evolves from individual trajectories to trajectory clusters and ultimately to trajectory networks is proposed， emphasizing the need for accelerated technological integration to innovate airspace infrastructure. Finally， this paper outlines three key elements that should be prioritized for future low-altitude airspace and trajectory planning： first， incorporating environmental and social factors as central elements in airspace planning； second， exploring phased airspace designation， composite designation strategies， and specialized planning methods； third， designing generalized fast algorithms for trajectory planning to accommodate diverse operational scenarios.

Key words: low-altitude airspace, airspace planning, restraint factor, airspace designation, trajectory planning

中图分类号:

V355

王俊潼, 包丹文, 周佳怡, 尚静萱, 张孜芊. 低空空域规划研究现状与展望[J]. 航空学报, 2025, 46(11): 530879.

Juntong WANG, Danwen BAO, Jiayi ZHOU, Jingxuan SHANG, Ziqian ZHANG. Low-altitude airspace planning: A review and prospect[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(11): 530879.

图/表 13

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参考文献 84

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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

空域类型	优点	缺点
管道空域	结构紧密，划设难度较低安全性高，后续管理成本低	空域容量受限，空域拥堵风险较高，飞行约束较多
走廊空域	鲁棒性较高，运行性能较好，飞行约束较少	走廊中心线和宽度设置难度大，不太适合于不规则的空域条件
层级空域	结构规范，能有效实现航空器垂直分离，各层空域有明确的使用要求和规则	层间距合理设置难度较大，不同地区、不同空域条件设置标准难以统一
块状空域	空域结构能匹配地面城市发展情况，每块空域包含的服务对象和运行场景清晰	航空器垂直分离风险较高，对环境问题和隐私问题解决效果不佳
自由空域	鲁棒性强，空域容量大，飞行约束极少，空域自由度高	航空器碰撞风险高，后续管理成本高，对空域系统相关技术要求和管理要求高

空域构型	管道空域	层级空域	走廊空域	块状空域	自由空域
基本构型	若干立体固定管道形成立体棋盘状结构	若干不同高度范围、不同功能的空域层	不同高度层分布一定性能空域体或结构	若干不同种类/等级的空域块	无结构
限制因素考虑	安全，设施	安全，设施	安全，设施（不全面），环境（少）	安全，设施，环境（少），社会（少）	安全，设施
自由度对比^［61］	4-自由度限制	1-自由度限制	3-自由度限制	2-自由度限制	0-自由度限制
里程碑	立体棋盘式、航道式/ 虚拟立体式	300~6 500 ft层级空域	UAM走廊概念	X、Y、Z块状空域	研究较少，暂无
空域容量	最小	较小	中等	较大	最大
安全性	最高	较高	中等	较低	最低
工程实际可用性	易	较易	中等	中等	难

规划方法	作者	年份	算法	目标函数/目标
基于构型空间原理	Sun等^［67］	2017	改进人工势场法（新斥力函数）	航迹平滑与避障
	王庆禄等^［68］	2024	改进人工势场法（斥力分解）	有效避障
	Luo等^［70］	2022	三维JPS算法	动静态障碍物避障
	张洪海等^［71］	2022	改进A*算法	风险、噪声和运输成本代价最小
基于合作与非合作原理	Bertram和Wei^［72］	2020	FastMDP算法	高密度动态避障
	Cui和Wang^［74］	2021	双层Q-learning算法	动静态障碍物避障
	Yu等^［75］	2022	改进元胞蚁群算法	航迹长度与安全威胁最小
	Tu和Juang^［81］	2023	改进Q-learning算法	动静态障碍物避障
	解瑞云和海本斋^［82］	2024	多策略鼠群优化算法	航迹长度、高度和转弯角成本最小

低空空域规划研究现状与展望

Low-altitude airspace planning: A review and prospect

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