低空无人机系统技术及发展- 大数跨境

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2024-10-16

编者前言

低空经济先后经历了早期的应用探索阶段和规范化发展阶段，随着无人机、北斗导航、5G通信、人工智能技术的发展，迈入了进一步应用普及的阶段，2024年正是低空经济发展元年。2023年，我国低空经济规模已达5059.5亿元，相比2022年增幅有33.8%，预计到2026年有望突破1万亿元。越早进行低空经济的前瞻布局，越能在低空经济的蓝海破浪前行，占据优势。

9月19日，中国工程院院士、中国管理科学学会会长向锦武在“2024首届低空经济创新引领大会”发表演讲指出，当前，无人驾驶的电动垂直起降飞行器（eVTOL）与低空智联网，已成为推动低空经济产业增长的关键动力。在发展低空经济的过程中，我们应着力推进智慧低空经济的构建，具体而言，即要“修天路、筑天网、造天车”。这一理念类似于传统汽车产业中“要致富先修路”的论断，意味着在发展低空经济之初，首要任务是建设基础设施，随后构建完善的网络体系；在此基础上，依托低空智联网开展飞行活动，以确保各项运营的安全与高效。

本篇演讲全文，以飨读者。

文/ 向锦武

一

发展态势

低空经济，大家都感觉到越来越火热。2024年是低空经济发展的元年。去年中央经济工作会议，今年的政府工作报告都指出要积极打造生物制造、商业航天、低空经济等新增长的引擎。

今年1月1日，国务院、中央军委联合发布了《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》，解决了怎么飞、怎么管的问题。

去年，10月10日，工信部、科技部、财政部、民航局等四个部门也出台了《绿色航空制造业发展纲要（2023-2035）》，它成了行业的监管，空运的管理、科技攻关、交通规划等领域来共同推动未来城市内、城乡间的行间航空器升级换代，我们要抢抓航空变革的机遇。

今年3月27日，工信部、科技部、财政部、民航局，四个部门也联合印发了《通用航空装备创新应用实施方案（2024-2030）》，明确提出要发展通用航空制造业，加快通用航空装备创新应用。

到2027年，一是通用航空公共服务装备体系要基本完成。二是以无人化、电动化、智能化为技术特征的新型通用航空装备来实现商业应用，要形成20个以上可复制、可推广的典型应用示范，打造一批低空经济的应用示范基地。

我们国家也已经发布了无人航空器三证标准，就是标准适航证、生产许可证、型号合格证，这些为推动无人机技术创新、提高安全性、促进国际合作，为低空经济高质量发展，应该说提供了有力地支持。

低空经济的内涵与特征，我们一般讲军用航空、民用航空，民用航空就是除国防等国家航空活动以外的航空活动都叫民用航空。民用航空里面又包括通用航空和运输航空，通用航空就是用民用航空器来从事公共航空运输以外的民用航空活动，像飞行作业里面的农林牧渔、飞机播种、空中施肥、医疗救护、城市消防、地质勘探。还有商业飞行，像私人飞行、旅游观光、飞行培训，这些是属于商业飞行。通用航空与运输航空共同构成了中国民航的“两翼”。

低空经济主要就是以各类低空飞行活动为牵引，辐射带动相关领域融合发展的一个综合经济，具有立体性、区域性、融合性和广泛性的特征。

特别是以1000米，有的地方可以拓展到3000米以下的空域为依托，在这里面依托低空智联网来进行有人机、无人机的飞行活动。

低空经济主要特征，就是以通用航空产业为主体，是以无人机产业为主导。因为我们讲低空经济，实际上十多年前也说要发展通用航空产业，但是那时候的通用航空产业主要就是像美国、巴西那种有人驾驶的为主。大家都知道有人驾驶，培养一个飞行员要很高的成本，并且保持你这个飞机驾照每年都要进行一定的飞行，不像汽车驾照，拿到汽车驾照十年不开车，驾照也有效，飞机驾照可不是这样。因此，跟我们老百姓日常的一些生活相关的来说就有点远了，但是它在特定的一些行业还是要有的，比如说大型的医疗救护、应急救援，还是要用大型的飞机、直升机来做。

低空经济应该说先后经历了早期的应用探索阶段和规范化发展阶段，随着无人机、北斗导航、5G通信、人工智能技术的发展，迈入了进一步应用普及的阶段。

18世纪末，热气球技术在法国巴黎就实验成功了，那时候就用热气球进行观光旅游活动，包括今年的奥运会大家看到用来主火炬。

1980年，日本公司阳光在农业领域用遥控直升机来进行农业作业。

2006年，英国石油公司用无人机来进行海上的油井平台的监测。大家都知道，海上石油探井平台一般都是十几二十层楼高，在海洋环境中间一般很容易腐蚀，或者很容易坏，要是派人去检查是很难的，因此它就用无人机来进行状态监测，随着信息技术，特别是计算机技术的发展，因此无人化装备由机械化向自动化、智能化、无人化方向发展，应该说各种用无人机进行低空经济的活动越来越普及，应该说低空经济迈入了一个进一步应用普及的阶段。

去年，我国的低空经济规模已经达到5059.5亿元，相比2022年增幅有33.8%，预计到2026年有望突破1万亿元。它主要就是无人机低空生产，传统的通用航空，还有飞行汽车通航服务等等，它是一个多领域4协调发展的综合经济形态，通航的产业投入比一般是1：10，就业带动比是1：12，应该说科技含量高、创新要素集中，具有鲜明的新质生产力的特征。

当前，低空经济将以低空智联网和空域为依托，以无人机为主导，设施网、航陆网、通信网、管理网、服务网“五网”融合发展，装备的无人化、电动化、智能化、网络化是它的主要特征和发展趋势。像低空经济里面一般包括它的制造，就是为低空飞行活动来提供航空器等等这些产品，另外就是飞行，低空经济的核心产业起到牵引和带动作用。另外就是要保障低空经济的飞行，空域的安全，一些保障的相关产业。另外，还有服务类的，支撑辅助低空经济发展的各种服务性的行业。

当前，无人驾驶的电动垂直起降飞行器（eVTOL），以及低空智联网，应该说是低空经济产业重要增长极，是目前以及未来一段时间低空经济的三大技术产业装备。我是把eVTOL也归到那一类里面去，因为无人机尽管里面不坐人，eVTOL是要坐人的，现在eVTOL有的时候是要求有一个驾驶员，但是未来的发展，我想eVTOL也必须是无人驾驶的。这是它一个主要的支柱，因此我们在发展低空经济的时候要大力发展修天路、筑天网、造天车的智慧低空经济。就像我们搞汽车产业，原来说“要致富先修路”一样，现在要发展低空经济也要先修路，有了路再构成网，然后在这里面依托低空智联网进行飞行活动，你才有保障。

典型的应用场景。应该说“无人机+”的应用场景相当丰富，一般可以分为三大类：生产作业类、公共服务类和航空消费类。在低空物流、农林植保、空中快递、城市服务、应急救援等领域的应用是快速规模的推进。据说今年上半年全国注册的无人机相当于八十几万台，原来有160多万台，应该说无人机在低空经济中的作用是越来越广泛，越来越普及。一个典型的应用场景，包括城市交通里面先进无人机技术，结合交通大数据，利用数字融合技术发展无人驾驶eVTOL，这个会成为提高效率、减少拥堵的一个重要手段，就是无人驾驶的eVTOL应该说是为城市交通体系的重要组成（部分）。

它的发展逻辑是如何呢？一是大家的出行需求，对电气交通的需求始终没有满足，就是又快又省钱；二是行业里面的痛点，地面交通的基础设施建设成本是越来越高，耗费的时间越来越长，要修立交桥、要修快速路，涉及到很多的拆迁，很多的基建问题。

发展潜力，像城市里面有地下有地铁，地面上有快速路，下面就要向空中发展，就是搞立体交通。如果我们建设好数字化城市、数字化地球，这个航线只需要数字化的建设和管理，因为上面的天路是有无限种可能。因此会成为未来可以快速预测的交通。

近期，我们要把eVTOL的航行时间由现在的几十分钟能够提升到一个小时以上，航程一百公里以上这样就很有用了。

在未来，比如说航时再延长、航程再提高，就会像我们现在的共享自行车一样方便。未来旅行的时候，比如说北京到上海可以坐高铁、坐民航飞机去，到了上海就像共享单车一样，你就用我们共享的eVTOL来出行，无人驾驶eVTOL应该说是未来交通体系的一个重要组成。

无人物流的空运生态，这个以小型多旋翼无人机为主，要形成物流运输最后10公里的一个新手段。像现在快递要求送到每家每户去，快递小哥要到每一家去耗费时间。以后的快递小哥比如说把快递用汽车拖到小区，然后用小无人机可以送到每家每户的窗台上去，那不就非常方便了吗，因此，快递小哥有的时候就说，向老师是不是就像搞自动驾驶汽车把出租车消灭掉了一样；我说：我们可不是把快递小哥的送快递给消灭了，我们是给快递小哥提供一个手段，可以运货的一个手段。另外，在西部边缘交通不太发达的地方，可以以固定翼无人机为主，以省级指控中心为核心、县区乡镇集散中心为分支，来构建偏远地区的全国航空无人运输网络，这样来提高它的整个运输效率。

另外，要开发专用的无人运输机，改造现有的运输机。我们团队现在对有人直升机研发一个驾驶机器人，把机器人放到驾驶座上就可以开直升机，你不需要的时候就可以拉走。将来形成无人运输的新途径，打造无人航空运输的网络。最终有一天条件成熟后，整个民航客运也是无人运输的。应该说天空变得繁忙是必将来临的。

二

系统技术

我们一般讲无人机标准的定义，就是由机载动力驱动、无线电遥控或自主飞行的无人驾驶飞行器。一般说无人机肯定是一个系统，它包括飞行平台、测控与信息传输、任务载荷等。我们的神舟飞船、“嫦娥”，包括天问火星探测整个系统，基本上跟这个系统一样，都包括这几个主要的部分。

我们平时放风筝也是一样的，风筝就是我们的飞行器平台，风筝的那个线、拉风筝的人就是特控信息传输系统，放在风筝里面一闪一闪的灯光就像下面的任务载荷，综合保障就是放风筝的小拖车，里面可能有线轱辘、有剪刀，有修修补补的那些工具在里面。

专用无人机的测控与信息传输是要专门做的，为什么这次要基于5G网络呢？专用的测控与信息传输系统成本相当高昂，现在随着5G的技术，测控与信息传输技术就会用网络来代替。飞行器平台，包括它的气动布局、结构设计、能源动力、飞行控制。测控与信息传输主要就是遥测遥控、跟踪定位、信息传输。任务载荷一个是看、一个是投送。

分类，基本上是按照升力产生的机制，我们对无人机来进行划分，一般是有固定翼的和旋翼的，还有一种飞艇的，这种是散翼的，还有扑翼的，像鸟一样一扑一扑的，还有就是电模态的无人机系统，这是什么概念呢？起降用的是直升机的模式，到平飞的时候用的是固定翼的，它里面涉及到模态的转化。

用途，要么就是看，像民用的航拍、测绘、投送；投送，像快递小哥、丢炸弹这都属于投送类的。

无人机发展就像飞机发展一样，飞机是1903年莱特兄弟发明的。实际到1917年出现了无线电遥控的飞机，上世纪50年代随着地空弹和空空导弹出来之后，随着校验，因此就要发展靶机，因为不可能用有人机去试这个东西，太危险了，因此就搞成一个无人的靶机来测试。

到上世纪60年代，特别是美军入侵越南的时候，它把这个靶机上面装上照相机，就像原来洗胶片的照相机一样，它飞过去要回来洗胶片，洗胶片的时候再看里面有什么目标，这个时效性就不像现在的数码相机，数字化这种实时的。

上世纪80年代，随着计算机技术的发展，因为计算机体积、重量、功耗、性能越来越高、越来越小，就可以装到飞机上去，因此，各种类型的无人机就层出不穷了，无人机也从军事领域拓展到民用领域、消费领域。

固定翼布局，固定翼的尺寸、重量、续航时间跨度非常大，种类也非常多。它可以小到小蜜蜂那样，也可以大到翼展几十米、上百米。这里面就涉及到各种新材料、工艺、能源，等等。左边的翼展可能有上百米，它是太阳能的，它的用途是可以代替通信基站，特别是灾害的情况下地面基站坏了之后，把它放上去可以进行通信，它可以在天上飞一个月或者半年以上的飞行。

还有一种是旋翼的，它的特点就是可以旋停、垂直起降、机动性好，典型的就是单旋翼带尾桨的，它就是有一个螺旋桨有一个尾桨，这个当然对它的空气动力学、对它的动力要求是很高的。我们在发展低空经济，发展民用无人机的时候，就把它的难度放低，就变成多旋翼的，用电来驱动，这样的话既可以把难度降低，又可以提高它的可靠性，这样用起来就比较方便。但是坏处就是它的机动性、抗风能力没有传统的直升机那么强。

另外，复合式布局，就是起飞着陆用直升机，平飞的时候用的是固定翼的，它可以综合各种布局的优点，来兼顾不同的飞行状态要求，难点就是两个涉及到模态的转化，控制上面的，但是在目前应该说控制技术的发展已经基本上把这些问题解决了。

eVTOL的布局，eVTOL里面有多旋翼的、有复合翼的，也有倾转旋翼的，这里面各有特点，像多旋翼的它的技术难度要小、悬停效率高，但是缺点就是航程短、速度比较低；复合翼就是飞行阻力比较大、技术难度适中，飞行控制难度就要大一点；倾转旋翼就是又快，续航能力也强，但是飞控设计难度相对来说要大。早些年大家都知道，美军在冲绳驻军的时候，就是用倾转旋翼的，不小心就会掉到老百姓的头上去了。从目前来讲，应该说控制技术基本上也可以把它解决了。

布局的问题，就是能提供大的升力、小的阻力，因为气动阻力是主要的能耗来源，高效的气动布局设计可以减少螺旋桨与机身之间的气动干扰，来提高它的续航能力是安全性。

结构。传统的飞机是铝合金的，或者是碳纤维复合材料的，现在的费用无人机现在有的是高强度的塑料的，也有用玻璃钢的。当然最终发展肯定是往智能材料结构，就是在复合材料结构里面加上传感器，对整个结构进行它的监测，看看它有没有坏、寿命到了没有，来进行监测。

控制。主要是通过稳定和控制无人机的姿态和直线运动，来完成飞行任务。一般有人工操纵和自动控制，像早些时候的航模基本上是遥控的，目前无人机大部分都是垂直控制，它和可以自动导航技术、自动控制技术有关。

能源与动力。这是发展航空最大的痛点，一般无人机里面用的是常规动力或者是喷气式比较多，我们目前搞多旋翼或者民用无人机大部分是新能源动力，就是电动的。但是电动的免不了提高它的续航能力这方面的问题，如果这个问题能解决，很多低空飞行器就有更大的发展潜力了。因此在这个方面，如何提高新能源动力，就是电动的续航能力，提高它的能量密度，这是最关键的一个方面。

测控。一是遥测，就是来看飞行状态和设备的状态参数，二是遥控，就是无人机飞行状态和设备的一个状态控制。现在大部分无人机都是程控的，飞前就把程序装进去了。遥控，在飞行过程中我们需要改变的时候，你可以发个指令，进行修正它原来预定的任务。还有就是信息传输，怎么能够保证高可靠、高速的中继传输技术。另外，希望有超宽带的数据链。另外最好是低空耗、轻重量，传输的距离要远。

载荷技术。一个是看，里面包括光电平台，包括倾斜相机和激光雷达等等，投控的载荷，我们大家见到最多的就是撒播农药，另外就是快递，可能根据它的应用场景来发展专门针对设计。

目前，无人机系统面临技术融合、飞行安全、行业监管、多领域合作的挑战。一个是平台，如果不坐人的还好说一点，现在要发展坐人的eVTOL，它的可靠性、稳定性就相对来说要高。另外它的智能化和效率比原来就提出更多的挑战。另外，安全飞行的管理，包括产品认证、安全加密、高效配置等等。以及通信系统、导航系统，时延要小，导航监督要高，要路径规划，自主导航要方便。另外就是任务载荷，比如说小型化、轻量化、模块化设计，另外要能够联网传输、数据处理，这些方面应该说都有很大的开拓空间。

未来无人机或者低空经济的飞行，要实现飞控传感管护，就是一体化的质控模式。一个就是网联化基础设施，实现起降场、空域、通信、导航、监视、气象、情报等设施组网，提升空地信息一体化的服务能力。第二个就是提高城市低空空域精细分配与动态管理的能力。另外就是飞行控制上面要智能化，对低空飞行器的固体要能够进行智能控制，提升无人机自主比选的能力。另外，还要主动的风险防控，提升无人机对风险的自动识别和主动防控的能力。特别是城市将来运行的eVTOL，在碰撞的时候怎么能让它安全有效的到达预置点，避免下面的障碍物，要有主动式的风险防控。另外就是运行监管协同式，无人机与有人机协同管控机制和技术，来提升整个的保障能力。

三

发展举措

1.低空经济作为一种直升机，需要靠政策引领来激发直升机，要优化政策环境，规范行业发展。要制定相关的法规标准，确保低空无人飞行器装备的安全性，空中交通管理、飞行许可等方面能够得到保障。应该说目前来讲各种法规标准都在稳步建设推进中。政策法规的建设和安全规范的一些改进，应该说远远的在路上，不能等到这些规章制度好了之后你再来做事，应该是边发展边建设。大家都知道，1865年汽车上路的时候就遇到问题，这也100多年前了。原来汽车上路必须有三个人，一个是驾驶员，一个是副驾驶，前面50英尺之外还有打棋子的。原来汽车只能在庄园里面运行，不能上马路的，上马路要速度限制，庄园里是3英里，上路是6英里。100多年，现在的汽车已经发展到人人都有的状态了。同样，低空经济低空无人机也是一样的，应该说条件比100多年前好多了，大家的认识也提高了，技术也已经相当发展了。因此我相信很快我们的天空能够确保整个的低空经济无人机的飞行安全。

2.注重产业转化，推动产学研用合作。要建立完善的创新生态系统，包括创新孵化器、科技企业孵化基地等等。丰台区政府现在就在做这个事，这是一个非常好的事，能够把各个方面的力量集中起来，创新低空经济的生态，促进低空经济的发展我觉得非常的有用有帮助。

3.加大投入，完善低空智慧新基建。以政府为主导，明确低空智慧基础设施建设总体目标和规划，推进建立统一标准化的低空基础设施和共享融合机制。要鼓励不同的部门和单位之间合作与协同，来提高设施利用效率，降低运营成本。低空经济主要是有人机、无人机，依托低空智联网来进行运行，低空智联网必须是政府为主导建设，不可能是一个厂家做一个，那就没办法发展了。因此，低空智能融合基础设施建设是高质量发展低空经济的核心和基础保障，这个必须有一个部门、一个政府来牵头来做好相关的工作，就是要着力（建设）基础设施网、空间航路网、通信导航网、空域管理网、低空服务网等“五网融合”，为低空飞行器的安全飞行保驾护航。一个是基础设施网，基础设施网可靠性要高，另外链接能力要强；另外要可拓展，空中航路网安全性、高效性；空域管理网航线协调能力要强，空域分配效率要高；通信导航网定位精度、覆盖范围、低空速度、资源共享、信息互联，不断改进用户的体验。这五个网因为它分属不同部门在管，像基础设施网可能是跟城建有关的，空域航路网可能是跟空域管理部门有关的，通信导航网跟我们电信部门有关系，服务管理网可能跟提出服务要求的部门有关系。因此，怎么能够融合发展这是我们必须要考虑的，可能也必须在某一个部门牵头的领导下来做好相关的工作，只有这样，我们才能够掀开发展“修天路、筑天路、造天车”低空经济发展的新篇章。

创新驱动。前沿科技驱动发展。高新技术应该与基础科学协同发展、深度融合，要充分发挥学科发展对低空经济相关基础研究的作用，夯实领域基础、支撑技术发展、探索科技前沿，打造低空经济新增长引擎。应该说整个航空技术包括无人机技术经过几十年的发展，对于一些基本的问题都已经解决了，但是我们还必须与时俱进，在新一代的信息技术、新材料技术、先进制造技术，以及目前的智能控制技术要给予重点关注，这样的话能够推动飞行机或者无人机技术往前进一步的发展，升级换代。

智慧通航装备的研发不单存在着诸多技术挑战，而且同时会对传统的交通方式和城市规划产生影响，需要依赖尖端的科技支撑才能实现复杂的功能和性能的要求。这里面包括材料、人工智能、再生能源，像目前的一些低空的无人机，大部分是电动的，对于动力的需求，对高能量密度电池的需求应该说是相当迫切的。这些都必须大力的去发展。

低空通航装备飞行过程中是需要智能系统保障的，低空交通网是需要互联网络的支持。我们需要进一步的发展先进的通信导航技术，以及复杂气象环境下感知决策的技术，为低空经济发展注入动力。包括复杂环境的感知、智能决策、5G通信、大数据技术，这样的话为整个通航产业高端化、智能化、绿色化高质量发展注入新的活力和活力。

另外，低空经济或者低空通航涉及大量的数据收集、传输处理，要强化数据安全与保护，建立数据安全管理制度，采取有效的加密和防护措施，防止数据泄漏和滥用。就像刚才说的快递小哥把快递送到你们的窗台上，无人机上面可能带着摄像头，能够看到各家各户里面的内部情况，这些信息怎么保护？无人驾驶或者是eVTOL这些将来进行城市交通，怎么能够确保它的安全，这些方面都是要给予关注的。因为只有在保证安全的前提下，你才能够使一个产业发展的又快又好，如果离开了安全，整个产业发展就有问题了。

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来源：低空经济链点研究院

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