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引用格式：张洪海，李靖宇，费毓晗，等. 城区物流无人机垂直起降程序设计方法［J］. 指挥信息系统与技术，2022，13（5）：1-10.
摘要
基于国际民航组织和欧洲航空安全委员会关于直升机和垂直起降航空器的飞行程序设计标准以及传统民航飞行程序设计，对城区物流无人机垂直起降程序进行了设计。将垂直起降航空器的垂直起降程序分为6个程序模块。在起始进近、中间进近和最后进近程序中，对航段划分、超障要求和衔接形式等标准进行了总结；在紧急备降程序中根据进近阶段提出了多个紧急备降程序。选取航空器完成进离场时间为评价指标，基于不同的进场流量和管制限制情况，对设计的飞行程序进行了评估，结果表明在中低流量和低限流情况下该飞行程序具有较好稳定性。
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随着5G、人工智能和物联网技术的蓬勃发展，快递行业工作量不断增加，人力成本也不断提高。2018年摩根士丹利的蓝皮书预测：未来城市空中物流市场规模将达到7 500亿元。当今，城市地面交通网络愈发复杂，因此占比空间小，机动性强，移动速度快，配送效率高的无人机更适于解决“最后一公里”问题。同时，面对当今严重的疫情压力，利用无人机进行无接触配送无疑是阻断疫情传播的一大手段。但是，随着货物数量及无人机数量的增加，面对有限的空间和复杂的空域，简易的起降程序不能满足无人机数量增长的需求。因此如何设计一套高效、完整、有序的无人机垂直起降程序成为当今无人机技术重点关注的话题。
目前，国内对于无人机起降程序设计的研究较少。Marc M. Cohen等总结了民用倾斜旋翼机发展咨询委员会（CTRDAC）建议的大型公共使用的垂直起降机场基本几何形状。荷兰代尔夫特理工大学和荷兰国家航空航天实验室等提出了自由空域、分层空域、扇形空域和管道空域4种城市空域结构。张洪海等提出了一种垂直起降点可移动可固定的垂直起降机场布局。Joshua R. Bertram等提出对同心环和门式无人机垂直起降空域的划分，同时利用惩罚系数对无人机起降进行仿真评估。Imke C. Kleinbekman等提出具有多个进近定位点的环形垂直航空器起降空域，并仿照传统民航起降程序设计了无人机起降程序。Karolin Schweiger等提出了无人机独立可扩展直接驱动布局，可以自主实现进离场分离。Lukas Preis提出了单站台、卫星辐射形、线形和码头形4种垂直起降机场的构造，为垂直起降程序设计奠定了基础。Sheng Li等基于城市空中交通（UAM）运营模型进行了一系列模拟驱动的可行性和可扩展性分析，基于无人机机群数量、垂直机场管制措施和基础设施对机场容量进行仿真。Nelson M. Guerreiro等基于先到先服务的策略，提出了一套计算机场吞吐量的仿真算法。Vascik等利用整数规划分析垂直港运输配置，基于机场详细布局对机场容量进行仿真。Kim等利用排队和仿真模型对机场容量进行分析。崔恺等基于图论提出了一种机场空域的无人机流量控制方法。
上述研究多数针对直接起降，对于无人机本身的飞行程序并未进行系统设计。因此本文基于现有民航空域结构划设方法，对城区物流无人机的起降程序进行设计。构造全方位一体化的城区物流无人机起降程序，对于缩减飞行时间、飞行准备时间、提高准点率、降低延误率、提高客户满意度和降低飞行成本具有重要作用。
1无人机垂直起降基础环境和影响因素分析
1.1 无人机垂直起降基础环境
设计一套完整的垂直起降程序，需考虑航路网络和终端区空域的衔接问题以及最后起降与地面机场基础设施的衔接问题。做好终端区空域与航路空域的衔接工作，对于提高整体运行效率、提高准点率和客户服务满意度具有重要作用。地面基础设施可分为垂直起降场和通信导航监视设施。区别于民航的长时间飞行，城市空中交通航行时间相对较短，对于延误的可接受程度更低，因此垂直起降场布局应很好地衔接充电设施，或者其他交通工具及用户接口。垂直起降机场可以是起降场、起降站，甚至是起降点，这取决于当地客户流量的需要以及空域的要求。起降机场可移动（如车载），也可固定，但对于大流量需求，固定起降机场无疑是最安全、最有效率的措施。同时，通信导航设施可以基于全球卫星导航系统（GNSS）、广播式自动相关监视(ADS-B)和无人机搭载的摄像头以及5G通信技术等。本文主要关注垂直起降场的基础构造。
1.1.1 航路网络与终端区空域的衔接
对于航路空域，其通道属性为线性，不同航路汇聚于终端区空域，在对于终端区空域的划设时应考虑终端区空域结构进出点对。航路网络和终端区空域衔接点对如图1所示。进场航空器在接受管制或其他命令后由节点进入空域，离场航空器由节点离场。节点指划定的比较宽阔、飞行条件较好的空域。当然，在空域充足条件下可以增加节点个数，节点对于控制流量排序、缓解终端区空域压力具有重要作用。确定好终端区空域与相关航路空域内的连接特征，合理设计终端区空域与相邻航路空域进出的节点，对构造一种适应性强、可容纳性强、鲁棒性较高的终端区空域具有重要意义。
图1 航路网络和终端区空域衔接点对
1.1.2 地面基础设施
起降平台的形状与尺寸是飞行程序设计相关参数的基础。垂直起降平台最后进近与起飞区域（FATO）应有足够的尺寸以保证垂直起降航空器在起降时可按标准的程序运行。由于下洗气流影响，需在其周围划定安全区（SA）。FATO和相关安全区域尺寸标度如图2所示。按照欧洲航空安全委员会（EASA）设计要求，FATO区域的宽度或半径应为1.5D，其周围的安全区宽度至少为3 m或0.25D。其中D为包络航空器在水平面投影的最小圆的直径。
图2 FATO和相关安全区域尺寸标度
由于地面起降场的起降平台存在多个，起降平台间的起降关系和运行模式根据机场的要求和地形要求也不同。因此本文将模型简化，依据民航平行跑道运行规则，设定2个起降平台来说明垂直起降平台的4种运行模式，如图3所示。
4种运行模式并非绝对，在一个规模较大的垂直起降场，垂直起降平台较多，根据空域净空及流量和地面环境，配置空域挑选不同的运行模式组合，可使垂直起降场高效有序运行。
图3 垂直起降平台4种运行模式示意图
1.2 影响因素分析
无人机规格会很大程度影响无人机的安全间隔，同时无人机性能会决定无人机的水平和垂直速度及其爬升和下降梯度等，这些参数都会对后续程序设计的障碍物评价面和鉴别面参数的设计产生影响。
1.2.1 垂直起降航空器的规格及性能参数
物流无人机速度限制主要包括最大旋转角速度、最大上升速度、最大下降速度、最大可承受风速和最大水平飞行速度等，梯度限制主要是最大俯仰角度。
航空器规格决定了起降平台的尺寸和后续安全间隔标准，垂直起降航空器的规格一般包括外形尺寸和对称电机的轴距。在程序设计时，对于航空器超障余度，航空器间隔设计以及地面配套设施的设计均需考虑垂直起降航空器的规格。对于尺寸越大、轴距越宽的无人机，其对应超障余度和安全间隔就会越大。
1.2.2 垂直起降航空器的安全间隔
在民航系统中，航空器间隔常用距离与时间表示，同时安全间隔也分航路间隔和终端区空域间隔，间隔标准相对成熟。但是，在垂直起降航空器领域，对于垂直起降航空器在终端区空域的安全间隔研究较少，本文参照邹依原等提出的面向自由空域的常见无人机机型安全间隔标定结果（如表1所示）作为终端区空域的间隔。
表1 面向自由空域的常见无人机机型安全间隔标定结果
2垂直起降程序设计
参照民航的飞行程序设计，无人机垂直起降程序设计应分为进近程序和离场程序。其中，进近程序包括起始进近、中间进近、最后进近和紧急备降4个程序。起降程序概念图如图4所示。在进近程序的3个阶段，需定义各个航段的范围，明确超障要求，对障碍物进行评价；在紧急备降程序中，需考虑备降流程及紧急处理步骤。对于离场程序，其离场方式和进场程序方式大致相同，本文仅做简要介绍。
针对垂直起降程序斜向的原因，本文提出以下设计理念：首先，垂直起降程序若全部设计为竖直，则距离不平滑，一段水平直接转化为竖直方向，不利于垂直起降性能的发挥；同时，相比全部竖直，斜向的距离更长，若遇到大流量情况，则其可排序的垂直起降航空器的数量更多；斜向更接近两点间的直线距离，飞行时间更短，提高了系统的运行效率。
图4 起降程序概念图
2.1 起始进近程序
在传统民航中，起始进近航段范围指从起始进近定位点开始到中间进近定位点或最后进近定位点之前结束。针对第1章提到的航路与终端区的节点问题，可将该节点与等待空域结合。本文定义无人机垂直起降程序的起始进近航段为：从报告位置的起始进近定位点开始到开始倾斜下降（同时具有水平和垂直速度）的中间进近定位点结束。垂直起降程序起始进近航段俯视图如图5所示。
图5 垂直起降程序起始进近航段俯视图
1) 起始进近过程：无人机位于起始进近定位点时向垂直起降场管制员报告，管制员根据机场容量向航空器发布进场命令或者进入等待节点排序等待的命令。从起始进近定位点到中间进近定位点，航空器的高度一般无需改变，可以适当减小速度。
2) 起始进近超障要求：由于起始进近程序航空器保持平飞，其飞行高度保持为航路高度且始终保持在最低安全高度以上，因此起始进近程序无需考虑超障要求。
2.2中间进近程序
垂直起降航空器的中间进近阶段指从中间进近定位点开始到最后进近定位点结束。FATO中间进近航段示意图如图6所示。该阶段航空器具有垂直速度；最后进近定位点一般位于安全区的边缘或者FATO的边缘。中间进近阶段用于航空器调整速度、方向、高度以及其他飞行状态以对准起降平台。
图6 FATO中间进近航段示意图
2.2.1中间进近过程
航空器在进近阶段因地形障碍物的限制，在大多数区域，其进近程序不能设计为完全的直线进近，多数机场的进近程序包括一些曲线进近程序。如图7所示，本文将中间进近程序分为直线进近和曲线进近2种形式。直线进近是完全的直线进近（如图7(a)）；曲线进近可以包含部分直线进近或是完全的曲线进近（如图7(b)）。
图7 中间进近示意图
2.2.2中间进近超障要求
在中间和最后进近阶段存在障碍物评价面和障碍物鉴别面，旨在保证航空器的超障安全，给航空器的操纵提供足够的净空条件。根据国际民航组织（ICAO）对直升机的起降面、EASA对垂直起降场的要求以及民航飞行程序设计规范，本文规定了中间进近障碍物限制面，其俯视图如图8所示。
图8 障碍物限制面俯视图
首先，保护区从安全区的边缘开始，宽度为安全区宽度，随后向两侧扩展，依据EASA对于垂直起降机场的相关文件，白天工作保护区扩展的梯度为10%，夜晚其扩展梯度为15%，保护区中心线为垂直于经过垂直起降区中心的线，中心线两侧的保护区对称。如图8所示，在白天，保护区宽度扩展至 后保持不变；在夜晚，保护区总宽度扩展至 后保持不变。至此，无人机应达到垂直起降平台上方152 m左右。
对于障碍物评价面的梯度，在保护区宽度未缩减阶段，建议一般航空器下降梯度为8%。参照传统民航的障碍物评估方法，如果障碍物在该平面之上，则以障碍物高度的100.8%作为新障碍物评估面在该障碍物位置的高度，根据保护区收缩点至该障碍物水平距离重新计算下降梯度。计算公式为：
针对保护区宽度收缩点的确定，按照图8提到的白天工作和夜晚工作的不同扩展梯度标准，扩展至相应宽度范围进行计算。在宽度收缩段的保护区域内，建议垂直起降航空器的下降梯度为16%。如在障碍物评价时存在障碍物超过评价面，则选择曲线进近或者更改障碍物评价面的梯度，具体见式(1)，需将式(1)中d修正为障碍物到最后进近定位点的距离。
2.3 最后进近程序
最后进近航段指从最后进近定位点到垂直起降平台中央的过程。在最后进近航段，航空器对准平台中央，只存在垂直方向速度，减速后降落在起降平台的中央。一般最后进近定位点位于安全区正上方，航空器穿过安全区进入起降平台。最后进近航段示意图如图9所示。
图9 最后进近航段示意图
中间进近阶段已经划设了障碍物限制面，因此在最后进近阶段，对于超障没有其他要求。考虑地形要求，建议在无人机运动方向有20 m余度，其余方向建议5 m的间隔，具体还需考虑垂直起降航空器的尺寸。
2.4 离场程序
因进场与离场是一个相反的过程，故离场程序和进场程序的流程基础大致相同，可以按照相同的设计标准。由于起飞的飞行器相较于进场航空器状态较为稳定，可以设计简易的离场程序，只需选取指定点到达指定的爬升速度即可，其离场的净空条件只需基本满足进场的障碍物限制面要求即可。大多数机场应是进离场使用同一程序，无需再次考虑离场的超障余度。
2.5 复飞程序
当垂直起降航空器接近机场时，可能存在起降平台航空器未撤出或目视气象条件差等不安全因素，因此垂直起降航空器需进行停止降落并复飞的过程。参照EASA和民航关于垂直起降场和直升机的起降文件，航空器可以在着陆决定点决定是否着陆，若不着陆按照既定程序进行复飞，到达指定点需达到起飞安全速度重新进入节点等待排序或者加入航路更改备降场，其复飞轨迹参见图10。
图10 复飞轨迹
2.6 紧急降落程序
当航空器遭受撞击、气动性能发生损坏或者其续航不足需进行紧急备降时，需为飞行状态不好的航空器开辟绿色通道。前面介绍到进场等待节点的问题，以及在介绍中间进近阶段时，障碍物评价面中均有备用障碍物评价面。下面将从这2个方面设计紧急降落程序。
从等待节点附近进行设计，航空器处于等待位置，其排序较为困难，其他航空器避让也相对困难，因此考虑在等待节点下方设计备降的起降平台。由于在设计时，前期不会考虑将等待空域分层，因此每一片的等待空域都是单层，航空器可以随时上升下降高度。等待空域附近的紧急降落程序如图11所示。
图11 等待空域附近的紧急降落程序
中间进近紧急降落程序如图12所示。从备用障碍物限制面角度，从中间进近爬升或下降面的下侧存在一个备用的障碍物限制面，其与机场平面的夹角小于一般的进近面，因此可以做到快速下降到起降平台，关键在于起降平台是否可用。当起降平台没有其他航空器占用时可采用此种紧急备降程序；若起降平台较为繁忙，建议采用图11所示等待空域的紧急降落程序。
图12 中间进近紧急降落程序
2种紧急降落程序可以混合使用，靠近等待空域可以使用第1种进行紧急降落，处于中间进近可以采用第2种。第1种程序需要新建起降平台，需要更多的空间与成本，但是大流量时可以保证足够安全；第2种节约成本，但是对管制的间隔排序带来困难，而且需要起降平台没有被占用，因此具体实施时，需结合位置与机场流量分析。
3仿真基础设置与仿真结果分析
3.1 仿真基础设置
3.1.1 仿真环境构建
起降平台位置如图13所示。本文选取南京航空航天大学将军路校区的民航学院楼正门右侧5楼上方的飞行平台（如图13(a)）进行飞行程序设计，并进行了仿真。在图13(b)中，利用“CCA”3个字的平台作为起降平台。观察平台的地理环境平台左侧前面为高速公路，上方为净空区，平台的右侧为1号、2号和7号教学楼（如图13(c)）。
由于右侧空域处于教学楼之间，气流流动性强，同时无人机有噪音污染，因此不适合设置起降程序，本文将着重设计起降平台左侧的垂直起降程序。由于起降平台左侧净空条件较好，因此选择最为简单的直线进近程序。
图13 起降平台位置
3.1.2 仿真参数计算
基于Anlylogic仿真平台，对经纬M600 Pro之间的进离场相互影响进行分析。表2列举了经纬M600 Pro的载荷及性能参数，以便后续对障碍物评价面的梯度、飞行速度进行设置。
表2 经纬M600 Pro载荷及性能参数
航空器尺寸关乎起降平台尺寸和保护区扩展范围。表3列举了经纬M600 Pro的相关尺寸参数，经纬M600 Pro展开的最大尺寸是1 668 mm，因此可计算出1.1.2节中为1 668 mm。为了保证运载货物有足够余度，设D为5 m，进而得出起降平台相关尺寸。
表3 经纬M600 Pro规格参数
本文仅讨论2.2.2节提到的白天保护区扩展标准。根据欧洲航空安全委员会文件，对飞行程序设计参数进行计算，最低悬停高度为5 m。根据第2章的设定参数标准，计算公式如下：
3.2 进场程序仿真实施
进场程序仿真实施步骤如下：
1) 基于计算的起始进近、中间进近和最后进近阶段的航段长度、进近面坡度以及第2章的设计标准，对起降剖面进行描绘，其运行效果仿真如图14所示。
图14 飞行剖面运行效果仿真
2) 对无人机飞行轨迹的逻辑结构、飞行路径和平面转换进行设置。
3) 对无人机的进场等待空域进行划分，同时在等待空域出口划设3个航路进场队列。
4) 设置限流强度。限流强度的启用是为了仿真在出现极端天气或机场紧急情况管制员对于来流进行限制等待的情形。通常限流强度作用于等待区域，等待时间长短间接反映了机场的限流强度，故通过设置等待区域等待时长来设置限流强度。
5) 对无人机的速度参数进行设置。为保证安全，将无人机的半径设为8 m，在社会力模型基础上，无人机会自主避让。在3.1.2节计算了无人机最大速度为19 m/s。对于无人机安全飞行最小速度设为6 m/s。但速度区间范围太大会影响参考设计的标准通过程序需要的飞行时间，因此，初始速度区间均设为13~15 m/s、正态分布，舒适速度（稳定运行速度）根据其避障以及社会力模型自行计算。同时，由于其进近阶段速度会减小，会对相应的航空器调速至6~8 m/s。对于大流量，其速度不可能像小流量如此通畅，故会对航空器进行小范围调速，保证其波动对航空器时间不会产生较大影响。
3.3 进场程序仿真结果分析
按照3.2节进场程序仿真实施步骤，统计ID为1~300共300架次航空器完成进近程序的时间如表4所示。
表4 不同情况下不同航空器完成进近程序时间
图15 不同限流情况航空器完成进场时间统计图
分析图15，不难发现：
1) 当限流强度为0 s时，在4种不同进场总来流速度情况下，其平均进场时间变化不大。同时，大部分航空器的进场时间均匀分布在平均值附近标准差范围内，表明不存在管制措施时，对于各种流量都具有良好的稳定性。
2) 当限流强度为40 s时，在不同总来流速度情况下，航空器完成进场的平均时间逐渐增加，同时随着进场来流逐渐增加，航空器完成进场时间开始变得分散。
3) 当限流强度为80 s时，随着限流强度增加，在总来流速度逐渐增加到最大值时，平均进场时间已超过1 000 s，系统开始出现崩溃。
综上，在低限流、低流量情况下，垂直起降航空器完成飞行的时间相对比较稳定；在中等限流情况下，该飞行程序也能承载大流量，有一定的延误；在高限流情况下，该程序仅可承载低流量，对于大流量难免造成大面积延误。因此，该飞行程序在低流量情况下具有较好稳定性，对于突发限流情况也有一定的承载能力。
3.4 离场程序仿真实施
由于仿真步骤和进场程序相似，这里不再重复仿真平台的搭建工作。由于进场和离场是相反方向，利用同一个障碍物鉴别面和评价面，其飞行剖面可逆，因此只需将无人机的来源方向进行更改即可。离场程序无人机间需严格遵守间隔，在繁忙机场通常离场间隔就是放行，采用最小安全间隔作为安全放行间隔的最小值。根据邹依原等提出的垂直起降航空器运动方向至少保持26 m安全间隔标准，结合初始离场的速度缓慢、运动状态比较稳定易于控制的情况，经过仿真发现放行间隔在10 s以上，航空器可以保证足够的安全间隔。这里采用20 s间隔比较合适。离场垂直起降航空器间安排较为稳定，结合无人机的最低飞行速度，设置离场初始速度为2~3 m/s，根据不同类型无人机性能与速度的不同，将其舒适速度设为8~10 m/s正态分布。本文将以10 s间隔为起点、5 s一个时间步长、分3个步长仿真每小时离场的架次。
3.5 离场程序仿真结果分析
参照进场程序仿真分析方法，采用4种不同放行间隔的航空器离场程序，对其完成离场程序的时间进行统计，取其平均值和标准差。4种放行间隔时航空器完成离场时间统计图如图16所示。
图16 4种放行间隔时航空器完成离场时间统计图
分析图16可以发现：航空器完成离场程序平均时间差别不大，表明在该间隔下，航空器的路径选择并没有相互干扰，航空器仍能选择自己最优路径到达离场点；航空器离场时间分散在其平均值两边，可能是航空器性能不同、其离场的舒适速度不同导致，但从整体上看，航空器的离场时间几乎不变。
4结束语
首先，本文对终端区的空域进行了讨论与划分，提出了等待节点的概念，同时考虑了航路与终端区的衔接。然后，在对航空器性能、安全及机场运行模式分析之后，基于EASA与ICAO的相关文件，结合民航的飞行程序设计，对城区物流无人机的进近程序进行航段划分，并给出了不同航段的进近过程及进近要求。同时，基于飞行不同阶段，设计了2种紧急降落程序。结合EASA设计的复飞程序，对整体飞行程序进行了完善。最后，基于Anlylogic软件，根据不同进场流量速度和限流强度（等待时间反映限流强度），对极端天气和机场紧急情况进行仿真模拟。模拟在不同条件下，航空器完成进离场程序的时间，得出本文飞行程序在低流量、中低限流情况具有良好稳定性的结论。
本文在进行程序设计时，未仔细考虑具体管制措施、机场地面配套设施和机队相关情况。对于飞行程序设计的指标较为粗糙，具体指标还需通过实践进行确定。同时，本文在仿真过程中，对于垂直起降航空器的速度仅大致设置了群体的平均水平，并不能给予特殊航空器特殊的速度指标，希望在未来可以出现对单个无人机进行速度调整的仿真平台，对特殊情况下的无人机进行具体化分析，并对无人机的起始与中间进近的紧急降落程序进行仿真模拟。期望在未来的研究中，可以出现从安全、效率和环保多方面设计和评估城区物流垂直起降航空器的研究体系，可以扩展至管制措施、机场地面配套及航空器具体性能情况的完整体系，从而更贴近城区物流无人机实际的评价研究体系，为推动未来物流无人机发展注入新的动力。
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